Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли Страница 10

Эта теория гениальна и элегантна. Хотя в ней слишком много параметров и много констант, истинный смысл которых не очень ясен, успех ее был поразительным и определялся ее мощной предсказательной способностью. Из данной теории следовало существование новых частиц, которые успешно обнаруживались, и она позволяла с колоссальной точностью вычислять новые измеримые величины, причем физики-экспериментаторы могли убеждаться в их точном соответствии с предсказаниями – в некоторых случаях до десяти значащих цифр.

В Стандартной модели вся материя строится из трех семейств кварков и трех семейств лептонов; взаимодействуя друг с другом и объединяясь в различных сочетаниях в соответствии с вполне конкретными законами, они образуют все, что мы знаем. Дюжина элементарных частиц (три пары кварков и три пары лептонов) взаимодействуют между собой, обмениваясь другими элементарными частицами, переносчиками четырех фундаментальных сил: фотон – это частица, из которой состоит свет, и она отвечает за хорошо известный электромагнетизм, в то время как глюон, ответственный за силу между разноцветными кварками, переносит сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки связанными внутри протонов и преодолевает электромагнитное отталкивание между протонами внутри ядра. Слабое взаимодействие возникает благодаря излучению и поглощению очень тяжелых частиц W– и Z-бозонов[16]. И наконец, чуть в стороне находится гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все тела, обладающие массой или энергией, и оно возникает благодаря обмену гравитонами, переносчиками силы тяжести, которые пока еще не были обнаружены экспериментально.

У переносчиков всех взаимодействий целый спин, 1 или 2. Вместе с частицами, чей спин равен 0, они образуют группу бозонов. У кварков и лептонов, кирпичиков вещества, спин полуцелый, 1/2, и они входят в группу фермионов.

Архитравом Стандартной модели служит объединение двух взаимодействий – электромагнитного и слабого, – оказывающихся, таким образом, двумя разными проявлениями одной и той же силы, называемой электрослабым взаимодействием. Исходная идея родилась из формальной аналогии, подкрепившей интуицию, которая позволила Ферми построить свою теорию слабого взаимодействия. Уравнения, описывающие эти два взаимодействия, практически идентичны, и эта формальная идентичность не могла быть случайной. Подобное чудо в XIX веке привело к слиянию электрических и магнитных явлений в рамках единой теории электромагнетизма Фарадея, Максвелла и Лоренца. И открытие электромагнетизма оказалось способно поколебать основы понимания не только природы, но и общества во всей его сложности.

Этот аргумент я часто использую, когда какой‑нибудь журналист просит меня объяснить в доступной форме, какими могли бы оказаться экономические и социальные последствия новых научных открытий, связанных с бозоном Хиггса. Я не знаю, как лучше ответить на этот вопрос, но зато уверен, что без понимания электромагнетизма мы бы до сих пор ездили в поездах, которые тянет паровоз, пользовались газовым освещением и свечами и посылали сообщения с голубиной почтой. Я не знаю, приведет ли электрослабое объединение к появлению новых технологий, но уверен, что во второй половине XIX века, когда были сформулированы законы Максвелла, никто не смог бы даже вообразить, что из‑за этих четырех уравнений мир сможет изменяться с такой скоростью и так основательно.

Дурацкая идея еще одного бывшего пизанского студента

Триумф Стандартной модели совпал по времени с появлением ЦЕРН на международной сцене физических исследований. Европейская лаборатория с момента своего создания в 1954 году прилагала усилия к тому, чтобы утвердиться в области физики высоких энергий, где традиционно господствовала американская сверхдержава. Первые признаки возвышения ЦЕРН появились в 1970‑х с открытием нейтральных токов (трудноуловимый эффект, первое свидетельство существования Z-бозона, предсказанного Стандартной моделью). А апофеозом стало открытие в 80‑х W– и Z-бозонов, переносчиков слабого взаимодействия.

В центре событий оказался Карло Руббиа, еще один бывший блестящий студент из Пизы, выпускник Нормальной школы. Прошло более сорока лет после статьи Ферми о слабом взаимодействии, но никому еще не удалось обнаружить его переносчиков, которые, в соответствии с теорией, должны были обладать исключительно большими массами. Для того чтобы справиться с проблемой, молодой Руббиа предложил ЦЕРН построить ускоритель доселе неслыханной конструкции. Его революционная идея на первый взгляд кажется дурацкой: пустить по кругу навстречу друг другу в одном и том же ускорителе пучок протонов и пучок антипротонов, которые, сталкиваясь, дадут энергию, достаточную для получения фантомных частиц. Идея предполагала радикальную перестройку самого мощного из ускорителей ЦЕРН с целью приспособления его к новому режиму работы и обеспечения решения целого ряда технических проблем. Характер у Руббиа взрывной, он способен перетянуть на свою сторону и заманить в какую‑нибудь затею даже вешалку у двери. На помощь ему пришел один из главных экспертов по ускорителям, голландский физик Симон ван дер Мер, предложивший новаторский способ уплотнения антипротонных пучков и удержания их в таком состоянии. Именно это стало решающим шагом к достижению нужной интенсивности столкновений. Потом в затею вовлеклись и поначалу менее заинтересовавшиеся ею коллеги, и в итоге в начале 80‑х новый ускоритель заработал. Все сразу пошло прекрасно: в детекторах, расположенных вокруг всей зоны столкновений, появились первые сигналы. В декабре 1983 года на семинаре в ЦЕРН Руббиа сообщил миру об открытии W– и Z-бозонов, благодаря чему они с ван дер Мером спустя год стали нобелевскими лауреатами.

Я был среди сотен слушателей, собравшихся по этому поводу в центральной аудитории. И пока Руббиа отрывистыми фразами рассказывал о горстке первых обнаруженных W– и Z-, сопровождая свое повествование сотнями слайдов, в моей голове – и я до сих пор хорошо это помню – возникло отчетливое видение. Что‑то вроде грез наяву. На протяжении нескольких секунд я смотрел на себя на той же кафедре в некий момент будущего – в этой же самой аудитории, полной тех же самых физиков, – демонстрирующего первые доказательства существования какой‑то новой частицы, открытие которой навсегда изменит наши представления о мире. Я уверен, что такое же видение посетило всех молодых физиков, собравшихся в тот день на том семинаре.

Загадка массы

Многочисленные успехи Стандартной модели не могли скрыть фундаментальной проблемы, притаившейся внутри самого архитрава всей теоретической конструкции.

Как это возможно, что два таких разных взаимодействия оказываются проявлениями одной и той же силы? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен: фотоны, испущенные уличным фонарем, достигнут через определенное время самых отдаленных уголков Вселенной; но люди на протяжении тысячелетий не догадывались о существовании слабого взаимодействия просто потому, что оно проявляется на крошечных субъядерных расстояниях и его следы тут же, мгновение спустя, пропадают. Общий закон физики говорит, что радиус действия какой‑либо силы обратно пропорционален массе переносящей ее частицы. Вот почему радиус действия электромагнетизма бесконечен – такое возможно