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.

---

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.

Намеки на первородное симметричное состояние теоретикам дают сохраняющиеся или почти сохраняющиеся величины в природе, наблюдаемой нами сегодня. Такая неполная симметрия привела к созданию изящной Стандартной модели. Стандартная модель - это математический способ описать две фундаментальные силы природы: электромагнетизм и слабое взаимодействие (оно проявляется в некоторых распадах). Неоднократно предпринимались попытки добавить в общую схему хотя бы одну из оставшихся сил: сильное взаимодействие (удерживающее вместе атомные ядра) и гравитацию.

В пример можно привести Эйнштейна, который последние десятилетия своей жизни пытался расширить общую теорию относительности за счет электромагнетизма. Он был уверен, что в законах природы кроются следы первоначальной гармонии. В конце концов, надеялся Эйнштейн, эти скрытые универсальные принципы проявятся в трудоемких математических вычислениях. К сожалению, все было напрасно. В 1955 г. великий физик умер, так и не найдя подходящего ответа на свои вопросы.

Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна на научной арене утвердилась пока единственная удачная теория объединения - Стандартная модель электрослабого взаимодействия, вместившая в себя электромагнетизм и слабые силы. Но создать даже эту пару стоило больших усилий и изобретательности. В привычных для нас условиях электромагнетизм и слабое взаимодействие серьезно различаются по многим пунктам. Электромагнетизм вездесущ: он на первых ролях и в крошечном атоме, и в размашистой молнии. Что касается слабых сил, их удел - исключительно субатомные масштабы. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие, конечно, заставляет заряженные частицы притягиваться или отталкиваться, но оно не способно изменить их заряд или превратить их друг в друга. Протон и электрон, как бы ни стремились навстречу друг другу, не могут «поменяться телами». Слабые же силы ведут себя обычно как маленькие мародеры, не стесняясь отнимать у частиц их заряд и другие свойства. Например, это взаимодействие приводит к бета-распаду, процессу, сопровождающемуся превращением незаряженного нейтрона в протон.

Наблюдательные теоретики, однако, заметили, что у протона и нейтрона близкие (но не одинаковые) массы. Тогда ученые подумали, а не намекает ли этот переход одной частицы в другую на когда-то царившую симметрию, которая потом нарушилась? Ведь Колокол Свободы тоже в свое время звонил, как его собратья, вышедшие из одного с ним литейного цеха, но с возрастом нажил изъяны. Так, может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие - близнецы-братья, просто воспитывались в разной среде?

Идея спонтанного нарушения симметрии, лежащая в основе Стандартной модели, зародилась в недрах совсем другой области физики, в исследованиях сверхпроводимости. Некоторые материалы, будучи охлажденными до экстремально низких температур, полностью теряют сопротивление и становятся идеальными проводниками. «Холодные» токи при этом не дают внешнему магнитному полю проникнуть внутрь и как бы выталкивают его. Сверхпроводящими магнитами пронизан весь БАК. Они создают мощные поля, нужные, чтобы гонять частицы по кругу и фокусировать их в плотные пучки.

В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (БКШ) предложили удачную квантовую теорию, объясняющую, как в материалах возникает сверхпроводящее состояние. Во главу угла она ставит особую взаимосвязь между электронами, образующими так называемые куперовские пары. Создав пару, электроны начинают, как ретивые солдаты, синхронно маршировать. После этого им никакое сопротивление не страшно, и они идеально проводят ток.

На вопрос, почему спаренные электроны могут идти в ногу, а одиночные нет, отвечает небезызвестный принцип Паули. Все элементарные частицы разбиваются на два класса: фермионы и бозоны. К примеру, электрон (вне куперовской пары) - это фермион, а фотон - это бозон. Принцип запрета Паули, играющий в квантовой механике огромную роль, гласит: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. К бозонам этот принцип не относится - их в одном состоянии может быть сколько угодно. Это как в летнем лагере: дети (бозоны) спят в одной большой комнате, а воспитателям (фермионам) полагаются отдельные спальни. Конечно, у первых соблазн сбиться в кучу больше, чем у вторых. Поэтому неудивительно, что бозоны делают все заодно. И хотя куперовская пара состоит из двух фермионов, ведет она себя как бозон, для которого маршировать в ногу естественно.

У сверхпроводимости есть смертельный враг - тепло. При достаточно высокой температуре - для каждого материала она своя - синхронность нарушается, и сверхпроводник теряет свое исключительное положение среди проводников. Этот переход напоминает превращение кристаллов льда в жидкую воду и называется фазовым переходом.

Четыре года спустя после публикации теории БКШ американский физик японского происхождения Йоитиро Намбу заметил, что ее положения вполне можно применить к нарушению симметрии в физике элементарных частиц. Только что произошел

Большой взрыв, Вселенная расширяется, температура падает, и, возможно, происходит фазовый переход: бозоны вдруг согласовывают свои действия, и неорганизованная толпа разбивается на группы. За это выдающееся открытие в 2008 г. Намбу была присуждена Нобелевская премия.

История получила продолжение. В 1964 г. британский физик Питер Хиггс придумал такой тип бозонов, которые своей массой были обязаны спонтанному нарушению симметрии, его особой разновидности. Кроме того, получив массу сам, этот бозон наделял массой и другие частицы. Хотя его в итоге назвали в честь Хиггса, примерно в то же время независимо были предложены и другие похожие механизмы. Отметим здесь работу Джеральда Гуральника, К. Ричарда Хагена и Тома Киббла, а также вклад Франсуа Энглера и Роберта Браута.

В квантовой физике энергия поля определяется потенциалом, в котором оно «живет». Потенциал - это что-то вроде набора холмов, ям и склонов. Вместе они диктуют, как меняется энергия в зависимости от положения. Например, в скалистом потенциале резкие скачки энергии неизбежны в отличие от потенциала типа «плато». А Хиггс заставил свой бозон поселиться в особом потенциале - в форме дна бутылки от шампанского. Причем при высоких температурах бозон обитает в центральной части, а при низких - с краю. Когда температура падает ниже критической, бозон скатывается с вершины (ложный вакуум) вниз к краю (истинный вакуум) и приходит в основное состояние. Случайное место, которое бозон займет на окружности (дно бутылки с шампанским, помните?), определит вакуум во всем пространстве. (Кстати, на это место математически указывает фаза, особый внутренний параметр, «смотрящий» под разными углами - как стрелки в часах.) Именно поэтому вакуум получается единым для всех частиц, и каждая из них лишена возможности выбирать ту фазу, которая ей заблагорассудится. В результате первоначальная симметрия случайно, или, как говорят, спонтанно, нарушается.

Чтобы поближе познакомиться с этим явлением, представим себе стройку: будущий коттеджный поселок, а пока - шахматная доска из правильных квадратных участков. До появления домов еще долго, так что все участки похожи друг на друга как капли воды. Нельзя сказать, где у них север, а где юг. Допустим, вышло распоряжение местных властей, предписывающее выдерживать определенное расстояние между домами. Если один из домов поставить строго посередине участка, все остальные будут вынуждены под него подстроиться, и симметрия будет выдержана во всем поселке. Так ведут себя бозоны Хиггса при высоких температурах. А теперь, например, первый дом построили в юго-западном углу участка. Чтобы не пойти против распоряжения, дома по соседству тоже придется возвести в юго-западных частях их участков. В конце концов все дома в поселке будут несимметрично стоять в юго-западных углах. И все из-за одной-единственной местной прихоти. Если бы первый дом возвели в северо-восточном углу участка, общая архитектура снова, пожалуй, поменялась бы на тот же манер. Аналогично фаза, выбираемая бозоном Хиггса в одном месте, задает в итоге общую фазу.