VII. Удовлетворятся ли физики достигнутым, обнаружив частицу Хиггса?
Пока что мы достаточно твердо знаем, что мы ожидаем получить в БАК. Подавляющее большинство физиков несказанно удивятся, если частица Хиггса не будет обнаружена. Нам достоверно известно, что БАК не устроит нам конец света, а стандартная модель – не венец научной мысли. Почувствуйте привкус грядущего.
Теория струн
Неважно, кто вы – «крепкий орешек» от физики или всего лишь любитель, который краем уха прислушивается к новостям с передовой науки, – наверняка вы что-то слышали о так называемой теории струн. Теория струн разработана для того, чтобы объяснить несколько загадочных явлений, о которых мы до сих пор намеренно не упоминали. Дело в том, что сила тяжести радикально отличается от остальных трех фундаментальных сил во Вселенной.
Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия требуют частицу-переносчик, и в каждом случае мы экспериментально обнаружили эти частицы. Однако теория гравитации – общая теория относительности – не просто не нуждается в гравитоне: до сих пор ученые никакого гравитона не обнаружили. Более того, странно, что теория, стоящая за материальными частицами (кварками, электронами и так далее), так сильно отличается от теории переносчиков взаимодействия (фотонов, глюонов и им подобных). Нам было бы очень приятно, если бы нашлась теория унификации, в идеале – «Теория Всего» (или ТВ, как говорят самые крутые пацаны).
Теория струн, несмотря на свою незавершенность, – главный претендент на роль ТВ, а ее центральный нападающий, как вы, наверное, уже поняли, – так называемая струна. Представьте себе струну как резинку – только очень тоненькую, диаметром в 10–35 м. И что же это за струны? Вообще говоря, они составляют все сущее.
Вы должны понимать, что стандартная модель полагает, будто все частицы, о которых мы говорили в этой главе, – кварки, электроны, фотоны и так далее – бесконечно малы. Это точки в буквальном смысле слова. Стандартная модель не объясняет, почему у одной частицы одна масса и заряд (и прочие свойства), а у другой – другие.
Теория струн говорит, что единственная причина, по которой частицы выглядят как точки, – то, что мы к ним недостаточно пристально присматриваемся. На самом деле «точечные частицы» – это крошечные петли, которые постоянно вибрируют. Если вам это что-то смутно напоминает, так и надо. Именно это мы наблюдали в квантовой механике, когда видели, что все что угодно – фотоны, электроны, вакуумные поля – постоянно осциллирует, колеблется туда-сюда.
Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее – не забывайте, что равенство E = mc2 справедливо в обе стороны. Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, предполагается, что струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют, – это значит, что нам нужно больше измерений.
Поймите нас правильно. Мы не можем переместиться в более высокие измерения. Для начала нас там сплющит. Многие, если не все, дополнительные пространственные измерения очень малы – гораздо меньше, чем мы сможем обнаружить в БАК. Даже если бы мы умудрились придумать, как отправиться в эти скрытые измерения, они повели бы себя примерно как вселенная Пакмана, и мы мгновенно вернулись бы туда, откуда начали.
Привести теорию струн в соответствие с законами физики в нашей Вселенной, опираясь только на три измерения, никак не удается. Теории возникали одна за другой, количество потенциальных измерений росло и росло, и наконец в 1995 году Эдвард Уиттен из Института передовых исследований в Принстоне предложил нынешнего фаворита. По его версии, так называемой М-теории, мы живем в здоровенной вселенной аж с 10 измерениями.
Теория струн во многих отношениях очень многообещающа. Она предоставляет нам основу для объединения в единую теорию всех четырех фундаментальных сил. Она описывает силы и частицы с разных сторон одной и той же физики. Не исключено, что она даже позволит разобраться в природе пространства и зарождении Вселенной, как мы увидим в главах 6 и 7 соответственно.
С другой стороны, возникают и осложнения. Во-первых, проверить теорию струн очень трудно. Поскольку масштабы так малы, у нас практически нет надежды доказать теорию струн при помощи БАК или других экспериментов, которые мы будем способны поставить в обозримом будущем. Еще одна трудность – теория струн отвечает не на все вопросы теории частиц, оставшиеся пока без ответа.
Петлевая квантовая теория гравитации
В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории ХХ века – квантовую механику и общую теорию относительности, нашу теорию гравитации? Эти теории говорят нам «правду» о том, что происходит на микроскопическом уровне и на уровне очень сильной гравитации соответственно. Но что происходит в обстановке вроде черной дыры или на заре времен, когда, как полагают, играть роль может и то и другое?
Задумайтесь об этом. Как мы видели в главе 2, практически все аспекты физики порабощены неопределенностью – это и фотонная энергия вакуума, и движение электронов, и пути фотонов. Квантовая механика вплетена в три негравитационные силы. Сходство между ними послужило причиной того, что электромагнитное и слабое взаимодействия посчитали единым электрослабым взаимодействием. Еще оно стало причиной того, что физики выдвинули целый ряд соперничающих между собой «Великих единых теорий», где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным. Гравитация стоит особняком. Как ни странно, общая теория относительности не носит ни следа случайности, которая проявляется в остальных трех силах. Нам бы очень хотелось получить в свое распоряжение «теорию квантовой гравитации».
Один из самых увлекательных и многообещающих подходов к этой проблеме называется «петлевая квантовая теория гравитации». Одна из самых странных черт этой теории – что пространство само по себе квантуется. То есть если рассмотреть его на достаточно мелких масштабах, окажется, что оно не гладкое и однородное, а разбито на этакие пиксели. Обычно мы ничего такого не замечаем, поскольку масштабы, о которых мы говорим, – около 10 метра, так называемая планковская длина. Планковская длина настолько же меньше атома, насколько атом меньше расстояния до ближайшей звезды. Сильнее дробить пространство невозможно. Из этого следует несколько занятных выводов, с которыми мы познакомимся при разговоре о Большом взрыве в главе 7.
Одна из симпатичных черт петлевой теории квантовой гравитации – то, что она требует не больше трех привычных нам измерений плюс еще одно, время. Кроме того, она естественно подводит нас к гравитону, отчего картина физики частиц становится куда более однородной. С другой стороны, петлевая теория квантовой гравитации сама по себе не может служить Теорией Всего. Остальные законы сил нужно вводить в нее вручную – как и кварки, и прочие фундаментальные материальные частицы.
Вся эта физика вне пределов стандартной модели, вероятно, кажется вам примитивной уловкой, поводом найти себе занятие еще долго после того, как в БАК столкнутся последние частицы. Да, именно так. Но неужели вы всерьез полагаете, будто проблемы можно решать насильственным путем? Хотите или нет, но для того, чтобы раскрыть все тайны Вселенной, мало нескольких высокоэнергичных взрывов.
Приложение А.
Полицейский архив. Досье на фундаментальные частицы
На протяжении всей этой книги мы старались делать все перечни как можно короче. «Стандартная модель» физики частиц поразительно хороша именно потому, что ее перечень частиц (хотя и довольно длинный) крайне прост. «Материя» Вселенной состоит из двух фундаментальных типов частиц – из кварков и лептонов. Каждая группа подразделяется затем на три «поколения», в каждом из которых имеется две частицы, у одной из которых заряд отрицательнее, чем у другой. Мы разбили наш список на поколения, и вы увидите, что у всех частиц много общего. Кроме того, это удобное пособие для интерпретации наших забавных картинок.
Лептоны
Это – заряженные лептоны. Они держат заряды в шляпах. Поскольку они заряжены, то взаимодействуют с электромагнитной силой. Кроме того, все лептоны вступают в слабое взаимодействие, и все частицы подвержены гравитации (поэтому в дальнейшем мы не будем об этом упоминать). Электрон – единственный, который мы видим в обычных условиях. Мюон распадается за миллионную долю секунды, а тау-лептон – еще быстрее.
У этих ребят нет шляп, а значит, нет и электрического заряда. Если они похожи друг на друга, в этом нет ничего удивительного. Разные типы нейтрино превращаются друг в друга без предупреждения (просто меняются галстуками) и даже вроде бы безо всякого взаимодействия. Эта «нейтринная осцилляция» (которая была подтверждена экспериментально на детекторе «КамЛАНД» возле японского города Тояма в 2003 году) означает, что нейтрино должны обладать массой. Но какой? Сказать очень трудно, но верхний предел для электронного нейтрино – меньше чем 0,3 % массы электрона. Пределы для остальных двух видов нейтрино, однако, куда выше, и масса тау-нейтрино, согласно последним измерениям, может быть в целых 30 раз больше массы электрона. С другой стороны, она может быть и гораздо меньше.
Названия каждого нейтрино происходят потому, что каждое из них напрямую ассоциируется с распадом или взаимодействием электрона в случае электронного нейтрино, мюона – мю-нейтрино и тау-лептона – тау-нейтрино.
На картинке про распад нейтрона вы, наверное, заметили, что у антинейтрино есть бородка. Это – дань уважения классическому эпизоду «Звездного пути» под названием «Зеркало, зеркало» (сезон 2, серия 33), в котором злой «анти-Спок» щеголял растительностью на лице. Этим же отличаются все наши античастицы.
Кварки
Все это положительно заряженные кварки. Выглядят они очень похожими за одним исключением – каждое следующее поколение становится все более пухленьким. Т-кварк – самая мясистая из известных частиц. Он прямо-таки лопается по швам. Кроме того, это самая последняя из обнаруженных частиц.
Вы были бы вправе обвинить нас в недобросовестности, если бы мы не рассказали вам о некоей загадке, таящейся в нашей таблице. Вы заметили, что u-кварк обладает массой примерно в 0,4 % массы протона. Это несколько странно, поскольку протон делают из двух u-кварков и одного d-кварка, а значит, заметите вы, все кварки вместе составляют еле-еле 1–2 % массы протона. Откуда же берется вся остальная масса?
Вся остальная масса берется из энергии. Кварки, как и глюоны, летают очень быстро и взаимодействуют очень сильно, и подобно тому, как массу можно превратить в энергию, энергию можно превратить в массу. Если вам показалось странным, что поле Хиггса способно «создавать» массу, считайте это всего лишь очередным случаем, когда E = mc 2 применяется в обратную сторону.
Это отрицательно заряженные кварки. Самый странный из них – странный кварк. Когда в 1947 году были открыты частицы под названием каоны, сначала показалось, что они совершенно бессмысленны. Они распадались на частицы вроде антимюонов и нейтрино, но были настолько массивны (около половины массы протона), что не согласовывались ни с одной из известных на то время частиц.
Лишь в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн выдвинул идею кварка, стало ясно, что каоны распадаются на антистранный кварк и либо u-кварк, либо d-кварк. Странные кварки отличаются от прочих тем, что мы их открыли, еще не догадываясь, что они есть.
Переносчики взаимодействия
Это частицы-переносчики, лишенные массы, – носители трех из фундаментальных сил. Немного странно вписывать сюда дату открытия фотона – мы «наблюдаем» его постоянно. Однако интерпретация фотоэффекта, которую сделал Эйнштейн в 1905 году, – это момент, когда мы впервые поняли, что свет переносят частицы. Глюоны были обнаружены лишь около 30 лет назад.
Гравитоны, переносчики гравитационного поля, не только не обнаружены, но, согласно общей теории относительности, не очень-то и нужны. Однако есть веские причины предполагать, что гравитация должна быть похожа на остальные фундаментальные силы, а значит, у нее должен быть переносчик.
Эти пухленькие частицы отвечают за перенос слабого взаимодействия. Обратите внимание, что они очень похожи друг на друга, если не считать надписей на шляпах. Это не случайность. На самом деле W+ и W— такие близкие родственники, что являются друг для друга античастицами. Один из величайших триумфов теоретической физики ХХ века – вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.
И наш герой. Частица Хиггса. Она лишена заряда, но не обаяния. Это единственная частица в стандартной модели, которую еще не открыли, поэтому мы не знаем, какой именно массой она обладает. Скорее всего, это от 120 до 200 масс протона. Поскольку он вступает в сильное взаимодействие с массивными частицами, у него складываются запутанные и сложные отношения с t-кварком.
