Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Вскоре русско-немецкий математик Герман Минковский придал специальной теории относительности изящную форму. Приняв время за четвертое измерение, вдобавок к пространственным (длине, ширине и высоте), он заметил, что запись теории Эйнштейна значительно упрощается. Положив конец розни между пространством и временем, Минковский провозгласил рождение четырехмерного «пространства-времени».

Эйнштейн быстро понял, что новоиспеченное пространство-время может сослужить хорошую службу при создании новой теории гравитации. Хотя Эйнштейн признавал успехи ньютоновской теории всемирного тяготения, ему хотелось объяснить гравитацию в чисто локальных терминах, в терминах геометрии самого пространства-времени. Взяв за основу факт независимости ускорения свободного падения от массы тела, Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности, который гласит: покоящиеся и свободно падающие системы отсчета физически неразличимы. От этой отправной точки он пришел к тому, что соотнес между собой гравитационные эффекты в заданной области пространства-времени с геометрией этой области. Материя, предположил Эйнштейн, прогибает пространство-время, и это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям. Например, Солнце исказило пространство-время вокруг себя, поэтому Земле не остается ничего иного, как двигаться по эллиптической орбите. Получается, источником силы тяготения являются не эфемерные канаты, а кривизна пространства-времени. Свое элегантное объяснение сил тяготения - общую теорию относительности - Эйнштейн опубликовал в 1915 г.

Проиллюстрируем общерелятивистскую связь между материей и искривлениями пространства на простом примере. Представим себе пространство-время в виде матраса. Если на нем ничего не лежит, поверхность идеально ровная. Тут приползает ленивец и решает на этом матрасе прикорнуть. Когда он ложится, матрас под ним проседает. Поэтому, если у ленивца с собой есть еще детеныш, из-за неровной поверхности отпрыск будет скатываться к своему родителю. Так же и Солнце прогибает «матрас» пространства-времени в Солнечной системе, и все планеты, оказавшиеся поблизости, неизбежно двигаются по искривленным орбитам.

У общей теории относительности есть еще одно удивительное свойство - она проливает свет на происхождение Вселенной. Вкупе с астрономическими наблюдениями она предсказывает, что у времени было начало, причем в этот момент космос находился в невероятно горячем и плотном состоянии. За миллиарды лет пространство расширилось и из крошечной области превратилось в огромный контейнер, вмещающий в себя свыше миллиарда галактик, от миллиардов до сотен миллиардов звезд в каждой.[9]

Эйнштейн не ожидал, что его теория вместо статической даст расширяющуюся Вселенную. Подставив в свои уравнения более-менее разумное распределение материи, он с удивлением увидел, что получающаяся геометрия оказывается неустойчивой: начинает расширяться или сжиматься от малейшего толчка. Так карточный домик рассыпается от любого ветерка. Что-то не то, подумал Эйнштейн, уверенный в неподвижности космоса в больших масштабах. Чтобы спасти свою теорию от неустойчивых решений, он добавил в уравнение дополнительное слагаемое, космологическую постоянную (или лямбда-член). Она могла служить своего рода «антигравитацией», не дающей материи скучиваться на больших масштабах.

Пришел 1929 г., год неожиданного открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Из наблюдений, проведенных в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, следовало, что все остальные галактики во Вселенной, кроме разве что самых близких к Млечному Пути, от нас удаляются. То есть мы воочию видим расширение пространства. Обратив этот процесс назад в прошлое, ученые пришли к потрясающему выводу: когда-то Вселенная была гораздо меньше, чем сейчас. Эту гипотезу окрестили гипотезой Большого взрыва.

Когда Эйнштейн осознал значение открытия Хаббла, он отказался от космологического члена, назвав его своим «величайшим заблуждением». В итоге в науку вошла модель нестационарной Вселенной. Ее создатель русский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что дальнейшее поведение Вселенной зависит от ее плотности. Если плотность больше или равна критической, расширение будет продолжаться, а если меньше, то сменится сжатием. Сравнительно недавние наблюдения указывают, однако, на то, что Вселенная расширяется, кроме всего прочего, ускоренно. Поэтому многие теоретики предложили вернуть космологическую постоянную, чтобы объяснить всемирное ускорение.

Сегодня благодаря подробным измерениям реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, ученые в целом понимают, как развивалась ранняя Вселенная и как рождалась ее структура. Это излучение было испущено первыми образовавшимися атомами, а затем охладилось вместе с расширением Вселенной. Поэтому оно дает мгновенный снимок юной Вселенной, показывает, какие области были плотнее, а какие - разреженнее. Теоретические достижения Эйнштейна плюс современные астрономические данные открыли нам окно в прошлое. На сегодняшний день ученые могут уверенно рассуждать о том, что происходило спустя считанные секунды от начала времен.

Отвечая на фундаментальные вопросы об устройстве космоса, наука до сих пор шла семимильными шагами. Нашими всеобъемлющими знаниями о компонентах материи, фундаментальных силах и о строении Вселенной мы обязаны недюжинным успехам химии, физики, астрономии и смежных дисциплин. Но наша любознательность не оставляет нам иного выбора, кроме как попытаться перевести стрелки времени еще ближе к моменту рождения Вселенной - к одной триллионной секунды после Большого взрыва - и понять первопринципы, стоящие за всем сущим.

Заново увидеть Большой взрыв мы не сможем. Но некоторые условия этого огненного начала нам позволит воспроизвести Большой адронный коллайдер в столкновениях частиц высоких энергий. С помощью релятивистского конвейера, превращающего энергию в массу, он сможет породить частицы, которые существовали в ту эпоху, когда возраст физической реальности исчислялся считанными мгновениями. БАК также даст возможность нащупать у природных сил общие корни. В каше осколков, летящих от столкновения частиц на околосветовых скоростях, мы, может быть, найдем ключ к тайне разрушенного единства.

У жителей Женевы уже вошло в привычку в неразберихе улавливать ценные идеи. Всего в 10 км от БАК приютился очаровательный исторический центр Женевы. Старинным улицам и площадям революции не в новинку: здесь Жан Кальвин проповедовал религиозное свободомыслие, а Жан-Жак Руссо пропагандировал идею общественного договора. Вскоре Женева увидит еще один революционный переворот - переворот в понимании фундаментальных основ мироздания.

В поисках теории всего сущего

Чьим искусством, чьей рукой Создан стройный образ твой?

В. Блейк. Тигр. 1794 г. (Перевод С.Я. Маршака, 1915 г.)

В сердце Женевы поднимается к небу величественный собор Св. Петра. Возводившийся в период с 1160 по 1232 г., он был выполнен в характерном для того времени строгом романском стиле, который отличают правильные пропорции. Торжественные своды и возносящиеся в небо башни идеально сочетаются друг с другом (левая сторона визуально уравновешивает правую), подчеркивая единство божественного замысла.

Одни религиозные взгляды, приходящие с течением веков на смену другим, не прошли для собора бесследно. В XVI в. набиравшая обороты Реформация вылилась в бездумное надругательство над внутренним убранством собора Св. Петра. Ломались статуи, замазывались белилами настенные фрески… Архитектурный разнобой еще больше усилился, когда в 1750 г. средневековый фасад получил неоклассический облик.

Многие физики считают, что и Вселенная однажды представляла собой построенный без затей собор, простой и гармоничный. Согласно этой точке зрения, первоначально в космосе, как и в мастерски спроектированном нефе, противоположности уравновешивали друг друга - было поровну положительных и отрицательных зарядов, материи и антиматерии, лептонов и кварков, фермионов, бозонов и всего остального. Когда же Вселенная вылупилась из своего горячего и маленького кокона, эта симметрия сама по себе распалась. Так что космос в чем-то напоминает женевский собор - теперь тут тот же разнобой.

Одна из главных задач Большого адронного коллайдера - провести нечто вроде археологических раскопок и попытаться собрать вместе осколки когда-то стройной картины. Познав первоначальную симметрию, мы как нельзя ближе подойдем к тому, чтобы собрать все частицы и силы во Вселенной в одну большую семью. И самый верный способ этого добиться - заглянуть в первые мгновения существования Вселенной. Беспрецедентные энергии БАК позволят в масштабе элементарных частиц проиграть условия, в которых пребывал космос спустя доли секунды после Большого взрыва. БАК не воспроизведет сам Большой взрыв. Хотя энергии в расчете на одну частицу будут сравнимые, общая энергетика окажется несравнимо меньше. Это как исследовать эрозию пляжей, выливая пригоршню воды на песчаный холмик. Представление о влиянии океанических приливов на небольшой участок пляжа так получить можно, но вряд ли разумно претендовать на мощь целого Тихого океана.