Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

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:

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 света47, а затем врезаются друг в друга.

* Это не преувеличение — ничто не способно двигаться быстрее света, зато можно бесконечно к ней приближаться.

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 просветлять48.

* Например, телевидение подвалило многое узнать о пороге чувствительности у человека — для этого достаточно было пускать некоторые сериалы по четыре сезона кряду.

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 физики49.

*И от романтических свиданий — по сходным причинам.

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 друг50, который никогда в жизни не видел шахматной доски.

*Постарайтесь-постарайтесь, мы уверены: у вас получится.

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 ив 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 атомов51.

* То есть вся материя, которую можно увидеть и потрогать. Относительно темной материи ничего нельзя утверждать с уверенностью.

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 частицы52.

* Да-да, мы знаем, что Демокрит с Левкиппом еще в V веке до нашей эры додумались до идеи «атомов» как неделимых частичек, самых мелких предметов во Вселенной, но всякое сходства их атомов с нашими следует считать случайным совпадением.

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-частиц53 на кусок тоненькой золотой фольги.

*В те дни названия частиц звучали куда фантастичней нынешнего. Поскольку тогда мы не представляли себе, из чего состоит материя, то придумывали названия вроде «альфа-частиц», «бета-частиц» и «гамма-лучей». Впоследствии их заменили «ядрами гелия», «электронами» и «высокоэнергичными фотонами». Да, здорово жилось в старые времена! Вот почему в наши дни так популярен стиль стимпанк.

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 0,000000000000001. 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. Бели 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.