Глава 4
Стандартная модель
Почему Большой адронный коллайдер не уничтожил Землю?
21 марта 2008 года Уолтер Вагнер и Луис Санчо начали процесс в Федеральном суде США с единственной простой целью – спасти человечество. Истцы утверждали, что в ближайшие несколько месяцев планируется ввести в действие Большой адронный коллайдер (для краткости – БАК), а он, возможно, начнет производить микроскопические черные дыры, которые, возможно, сольются воедино и в конце концов сожрут Землю изнутри.
Вагнер и Санчо были не одиноки. Нас как физиков то и дело спрашивают, уничтожит ли БАК Землю или даже всю Вселенную. Такая травля пробудила в нас своего рода паранойю – вдруг мы и правда играем некоторую роль в грядущей гибели человечества? В Интернете полным-полно петиций, призывающих закрыть ЦЕРН (CERN – французское сокращение, означающее «Европейский центр ядерных исследований»), организацию, под эгидой которой создан БАК. Некоторые из них приводят серьезные рациональные обоснования того, почему нужно провести дополнительные исследования и принять меры предосторожности. Однако подавляющее большинство имеющихся интернет-обращений напоминают серии эсэмэсок, написанных разъяренными первоклашками:
В сентябре 2008 года ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований) запустит машину, называемую «Большой адронный коллайдер». Это для каких-то научных целей. Наверно, если это получится, ученые получат ответы на всякие вопросы. НО! Если БАК получится, возможно, мы никогда не узнаем ответы на эти вопросы! (Ну, и так далее.)
Даже Нострадамус – и тот призывает к действию, примерно так же связно, и грозно предупреждает нас из прошлого:
IX‑044
Migrés, migrés de Geneue trestous,
Saturne d′or en fer se changera:
Le contre Raypoz exterminera tous,
Auant l′aduent le ciel signes fera.
Все, все покидайте Женеву,
Небо из золотого станет стальным:
Антихрист уничтожит всех,
А перед этим будут видны знаки на небе.
Разумеется, Нострадамус не сумел предсказать, что последняя версия «Халка» окажется такой провальной, а жаль: пришлось идти в кино и смотреть эту гадость. Вообще-то БАК действительно с виду похож на адскую машину: это гигантское подземное кольцо окружностью в 26 659 м, оно такое огромное, что четырежды пересекает франко-швейцарскую границу. БАК можно считать чудовищных размеров трассой для гонок, в которых частицы разгоняются до 99,999999 % скорости света, а затем врезаются друг в друга. Как мы видели в главе 1, энергия и масса взаимозаменяемы, так что на этих диких скоростях создается много массивных частиц. Это величайшее достижение в области столкновения частиц, и общественность боится, что в результате этих столкновений будет создано нечто такое, что уничтожит человечество.
Но ничего такого не случилось.
Во-первых, если кого-то пугают слова «ускоритель частиц», напомним, что это не новые технологии. Если вы когда-нибудь смотрели телевизор старого образца, то видели простенький ускоритель частиц в действии. Старые телевизоры ускоряли электроны в электронно-лучевых трубках, а позиция луча создавала на экране волшебные движущиеся картинки. Механизм БАК немного иной, но любые ускорители частиц, подобно телевидению, способны и пугать, и просветлять.
Так что же происходит? Можно ли считать БАК очередным важным шагом к полному пониманию природы Вселенной или мы, подобно Икару, подлетаем слишком близко к Солнцу? Ждет ли нас возмездие за дерзкую жажду к знаниям?
Успокойтесь, никому ничего не грозит. Откуда мы это знаем? Подождите немного: прежде чем выяснить, почему БАК не чреват никакими опасностями, надо сначала понять, зачем его вообще построили.
I. Зачем нам вообще нужен ускоритель стоимостью в несколько миллиардов долларов?
Школьная физика казалась мешаниной из произвольных правил: если у тебя рычаг, подставляй числа в эту формулу, если наклонная плоскость – в другую, если ускорение – в третью и так далее. Честно говоря, необходимость зубрить формулы про движение и трение в первую очередь и отвращает от физики.
И очень жаль, потому что физика совсем не так чудовищна, как думают многие бывшие школьники. Если бы физика сплошь состояла из архисложных правил и загадочных исключений, ее бы называли не физикой, а бухгалтерским учетом. Цель физики – свести количество законов к минимуму. Однако это не значит, что если бы мы знали эти простые законы, физические расчеты тоже стали бы простыми. Представьте себе, что у вас есть друг, который никогда в жизни не видел шахматной доски. Объяснить правила игры в шахматы вы сумеете в считаные минуты. И ваш друг обнаружит, что шахматы – весьма логичная игра, ему известны все правила, все происходит исключительно по этим правилам, и тем не менее играет он из рук вон плохо.
Эту главу мы начали на очень торжественной ноте – размышляли о возможности уничтожения Вселенной. Теперь настроимся на более легкомысленный лад: представим себе, что физика – это игра (или набор игр) вроде тенниса или бадминтона. Эти игры на вид очень похожи друг на друга. В обоих случаях мы имеем двух или больше игроков, которые перебрасывают мячик (ну, или воланчик) ракетками через сетку, а главная цель игры – заставить противника или команду противников промахнуться.
Нам нужно выяснить, каковы правила игры, понять, какие игроки в нее играют, а какие – нет, и, вероятно, добавить два слова о мячике. В идеале мы когда-нибудь докажем, что все эти на вид разные игры на самом деле – одна суперпотрясающая метаигра вроде десятиборья. Физики уже отлично поработали над описанием физических законов, разбив их на две части:
1) игроки – существует набор фундаментальных частиц;
2) игры – существуют четыре силы, каждая из которых подчиняется примерно похожим наборам правил. Не все частицы играют во все игры.
Набор частиц и набор правил вместе называются «стандартная модель». Стандартная модель служит не только для описания того, из чего создана Вселенная, но и для бесконечных плоских каламбуров.
Начнем с основ: материя состоит из атомов. Эту идею выдвинул в 1789 году химик Антуан Лавуазье, который заявил, что делить материю до бесконечно малых величин невозможно, в конце концов получаются мельчайшие неделимые частицы. Эти «неделимые частицы» стали называть атомами, но лишь в последние сто лет мы наконец поняли, какие атомы на самом деле маленькие и компактные.
В 1909 году Эрнест Резерфорд проделал следующий опыт: он направил луч так называемых альфа-частиц на кусок тоненькой золотой фольги. Большинство альфа-частиц прошли сквозь фольгу, как будто ее и не было. Однако некоторые альфа-частицы отразились от фольги и отскочили обратно. Как говорил сам Резерфорд: «Это было невероятно – как будто стреляешь пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он отскакивает и попадает в тебя!» От этого, разумеется, и отталкивались художники, придумавшие первую развеселую обложку для учебника под девизом «Физика и жизнь».
Резерфорд обнаружил крошечную крупинку в центре атома. Этот комочек мы и называем ядром, и когда мы говорим, что он крошечный, то отвечаем за свои слова. Учитывая, с какими исполинскими масштабами мы столкнемся, когда будем говорить о космологии, и какими субмикроскопическими величинами оперируем в этой главе, возможно, будет проще прибегнуть к «экспоненциальному представлению»: ядро составляет примерно 10–15 размера атома. То есть 0,000 000 000 000 001. Это примерно то же самое, что сравнивать размер вашего дома с размером земного шара. Поскольку в ядре заключено 99,95 % массы атома, мы имеем полное право сказать, что в атоме ужасно много пустоты.
Но каким бы маленьким ни было ядро, его можно делить дальше. Если пробиться внутрь ядра, то там обнаружатся еще более мелкие частицы – так называемые адроны, хотя вы, вероятно, знаете их по имени: это протоны и нейтроны. Именно в честь протонов и назван женевский Большой адронный коллайдер – так как именно эти частицы и должны в нем сталкиваться. Эти два адрона похожи как две капли воды за двумя важными исключениями – нейтрон на 0,01 % массивнее, а протон несет положительный электрический заряд +1, в отличие от нейтрона, который потому так и называется, что электрически нейтрален. Скоро мы вплотную займемся следствиями того, что протон обладает зарядом, а пока достаточно сказать, что если вы когда-нибудь надевали ясным зимним днем шерстяной свитер, то, наверное, знаете, что такое заряд.
Мы уже списали на адроны 99,95 % массы атома, но пока ничего не сказали о крошечном остатке – о том, что, по всей видимости, составляет подавляющее большинство объема атома. Эти крошечные частички называются электронами, и о них мы начали говорить в главе 2. На этот раз мы поговорим об электронах как о фундаментальных частицах. Как бы вы их ни терли, как бы ни раздирали, ни на что более мелкое они не распадаются.
Чтобы понять, насколько они мелкие, скажем, что встречаются они так же часто, как протоны и нейтроны, однако в человеке весом 68 килограммов наберется только 14 граммов электронов. Это примерно столько, сколько весит содержимое ваших глаз. Электроны, как и протоны, обладают электрическим зарядом, но, в отличие от протонов, их заряд отрицательный (–1). В нормальных атомах электронов и протонов поровну, а значит, эти атомы электрически нейтральны.
Нейтральность – это удел не только Швейцарии и атомов. Сколько бы материи ни создавалось во Вселенной, протонов и электронов в ней всегда поровну, поэтому Вселенная в целом электрически нейтральна – и всегда была такой. Нет ни одного эксперимента, в котором не сохранялся бы заряд, – неважно, где его проделывают, на Земле или в космосе. Это приводит к первому основному закону для всех фундаментальных сил:
электрический заряд не создается и не уничтожается.
Как можно ожидать, действие в нашей универсальной игре не сводится к тому, чтобы перетаскивать протоны и электроны с места на место, все время сохраняя заряд. Посмотрим, к примеру, на нейтрон. Нейтрон – это что-то вроде пациента в коридоре у кабинета врача: прождав минут десять, нейтрон взрывается. Разница в том, что вместо того, чтобы накричать на регистраторшу, нейтрон буквально разлетается на разные другие частицы.
Спросите Знайку!
Можно ли придумать уменьшительные лучи и сделать миниатюрные атомы?
Огромное, подавляющее большинство объема атомов состоит из пустого пространства. Конечно, в атоме есть ядро и электроны. Однако, как мы видели в главе 2, электрон – это не просто шарикоподшипник или мякоть персика (а ядро – косточка). Это большая вероятностная волна. Неужели нельзя придумать лучи или устройства, которые заставят электронные облака сжаться? Легче предметы от этого не станут, зато упаковать чемодан перед длительным путешествием станет проще простого.
Однако при этом мы сталкиваемся с проблемой неопределенности. Как мы видели в главе 2, когда пытаешься поймать электрон в небольшое пространство, чтобы создать суперминиатюрные атомы, то, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, энергия этих электронов сразу же сильно повышается. Энергия может стать настолько высокой, что электроны вырвутся из электромагнитного притяжения ядра.
В конечном итоге размер атома определяется достаточно четкой комбинацией физических констант: зарядом электрона, постоянной Планка (числом, которое говорит нам, как сильна квантовая механика), массой электрона и скоростью света. Если бы мы смогли переделать фундаментальные константы физики, то смогли бы и делать миниатюрные атомы. А пока проще покупать себе чемоданы попросторнее.
Самая крупная из этих частиц – протон. Возможно, вас это удивит, поскольку мы говорили вам, что электрический заряд сохраняется, но задумайтесь вот над чем: в этом нет ничего страшного, если найдется другая частица с отрицательным зарядом, чтобы уравновесить положительный заряд протона. Что-то вроде электрона. Точнее, сам электрон.
В результате нейтронного распада образуется кое-что еще, но мы хотим сделать два предупреждения: 1) как бы ни казалось на первый взгляд, нейтрон не состоит из протона, электрона и кое-чего еще, – он в них превращается; 2) кстати, протоны и нейтроны кое из чего состоят, просто мы еще не сказали из чего.
Скоро мы поговорим и о других фундаментальных частицах, но боимся, как бы вы еще раньше не заблудились в «зоопарке частиц». Мы не собираемся заставлять вас зубрить большой каталог фундаментальных частиц по той простой причине, что их (по меньшей мере) 18, не считая диких разновидностей одной и той же частицы, которые на самом деле с фундаментальной точки зрения не отличаются друг от друга. Из предупредительности к вам, читатель, мы поместили в конце главы удобное приложение, где перечислен весь «зоопарк» с указанием всего, что вам имеет смысл знать о каждой частице. Не за что, не за что, не стоит благодарности.
Теперь вы знаете о том, из чего состоит материя, примерно столько же, сколько знал каждый лет сто назад, но мы собираемся копнуть чуть глубже, чтобы разобраться, что происходит на самых глубоких уровнях. Вот почему мы собираемся выбить из этих частиц все, что можно, – а для этого нам нужен БАК. Мы надеемся, что протоны – это такие свиньи-копилки или иностранные шпионы: если стукнуть их посильнее, получится кое-что интересненькое.
Кольцо коллайдера – это гоночная трасса для протонов, и два протонных луча будут лететь навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Как мы видели в главе 1, чтобы заставить частицы двигаться настолько быстро, нужна прорва энергии. Опустим вычисления – скажем только, что энергии, необходимой, чтобы разогнать два протона до такой скорости, чтобы они распались, хватит и на то, чтобы по закону Е = mc 2создать 14 тысяч протонов с нуля. Когда два протона сталкиваются, происходит много разных событий, но все они подчиняются второму из наших основных законов:
энергия не создается и не уничтожается.
Зато ее можно конвертировать из движения в массу, и именно это мы и собираемся делать в коллайдерах частиц.
