Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
ГЛАВА 7 НА КРАЮ ВСЕЛЕННОЙ Первого декабря 2009 г. я неохотно проснулась в шесть часов утра в отеле Marriott в Барселоне, чтобы отправиться в аэропорт. Я при- летала в город на испанскую премьеру небольшой оперы о физи- ках и открытиях, написанную на мое либретто. Уикенд получился просто замечательный, но я очень устала и с нетерпением ждала возвращения домой. Однако меня задержал в пути еще один при- ятный сюрприз. Заголовок ведущей новости в свежей газете, которую работни- ки отеля не забыли оставить возле моей двери, звучал так: «Ядер- ный ускоритель устанавливает рекорд». Да, представьте себе! Главной новостью дня была не какая-нибудь жуткая катастрофа и не забавный случай, а рассказ о том, что пару дней назад ученым удалось получить на Большом адронном коллайдере рекордное значение энергии. Журналист писал о новом достижении БАКа с неподдельным возбуждением. Еще через пару недель, когда два высокоэнергетических про- тонных пучка и в самом деле столкнулись, на первой полосе The New York Times появилась новостная статья под заголовком «Кол- лайдер устанавливает рекорд, а Европа принимает у США эстафету лидерства». О рекордной энергии, ставшей темой первой новости, здесь уже говорилось как всего лишь о первом из целой серии ру- бежей, которых должен достигнуть БАК в ближайшем десятилетии. В настоящее время на БАКе исследуются самые крохотные рас- стояния за всю историю человечества. В то же время спутнико- НА КРАЮ ВСЕЛЕННОЙ 153 вые телескопы и обсерватории исследуют крупнейшие расстояния в космосе и разбираются в подробностях реликтового микровол- нового фонового излучения, сохранившегося со времен Большого взрыва. Мы сегодня много знаем о строении Вселенной. Тем не менее, как и в большинстве аналогичных случаев, расширение круга знаний порождает новые вопросы. Некоторые открытия букваль- но обнажают принципиальные пробелы в наших теоретических построениях. Во многих случаях, однако, мы понимаем приро- ду недостающих звеньев достаточно хорошо, чтобы сознавать, что именно следует искать и как. Давайте подробнее рассмотрим, какие в настоящий момент ведутся эксперименты и что, согласно нынешним представлени- ям, мы можем обнаружить с их помощью. В этой главе я расскажу о некоторых главных вопросах и физических исследованиях, ко- торым будет посвящена остальная часть книги. ЧТО ТАМ, ЗА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛЬЮ? ПОМОЖЕТ ЛИ БАК ПОЛУЧИТЬ ОТВЕТ НА ЭТОТ ВОПРОС? Стандартная модель элементарных частиц учит нас делать верные предсказания о легких частицах, из которых все мы состоим. Она также описывает другие, более тяжелые частицы с аналогичными взаимодействиями. Эти тяжелые частицы взаимодействуют с лег- кими частицами и с атомными ядрами посредством тех же самых взаимодействий, которые действуют на частицы, составляющие наши тела и нашу Солнечную систему. Физикам известно об электроне и о более тяжелых, но ана- логичных заряженных частицах, которые называются мюон и тау-лептон . Мы знаем, что каждая из этих частиц, известных под общим именем лептоны, имеет парную нейтральную частицу (то есть частицу без заряда, которая не участвует непосредственно в электромагнитных взаимодействиях) под названием нейтри- но; все нейтрино взаимодействуют с другими частицами только посредством силы с прозаическим названием слабое взаимодей- ствие. Именно слабым взаимодействием объясняются радиоак- 154 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА тивный бета-распад нейтронов с образованием протонов (а также бета-распад атомных ядер в целом) и некоторые ядерные процес- сы, протекающие в глубинах Солнца. Все вещество Стандартной модели подвержено слабому взаимодействию. Нам известно также о кварках, обнаруженных внутри прото- нов и нейтронов. Кварки подвержены как слабому, так и электро- магнитному взаимодействию, а также сильному взаимодействию, которое удерживает легкие кварки вместе внутри протонов и ней- тронов. Сильное взаимодействие ставит перед нами некоторые вычислительные проблемы, но базовую его структуру мы себе представляем. Кварки и лептоны вместе с сильным, слабым и электромагнит- ным типами взаимодействия составляют суть Стандартной модели (рис. 23). До сих пор этих ингредиентов хватало, чтобы успешно предсказывать результаты всех экспериментов с элементарными частицами. Мы очень хорошо понимаем и частицы Стандартной модели, и то, как работают задействованные в ней силы. Остается, однако, немало серьезных вопросов и загадок. Основная проблема здесь — как вписывается во всю эту сис- тему гравитация. Это главный вопрос, в котором БАК имеет не- который шанс разобраться, но который он вовсе не обязательно решит. Энергия БАКа — достаточно высокая как с точки зрения того, что нам прежде удавалось достичь на Земле, так и по отноше- нию к решению некоторых других крупных вопросов из этого спи- ска — слишком низка, чтобы наверняка получить ответы на во- просы, имеющие отношение к квантовой гравитации. Для этого нам пришлось бы изучить те бесконечно малые расстояния, где могут проявиться и квантово-механические, и гравитационные эффекты, а эти расстояния выходят далеко за пределы возмож- ностей проекта БАКа. Если нам повезет и окажется, что гравита- ция играет существенную роль в проблемах частиц, которыми мы вскоре займемся, то нам будет гораздо проще искать ответ на этот вопрос, а БАК, возможно, станет источником важной информации о гравитации и пространстве. В противном случае эксперимен- тальной проверки любой квантовой теории гравитации, включая и теорию струн, придется, скорее всего, ждать еще долго. |