Говорите о физике минувших лет что хотите. Да, может быть, она скучная, и нужно зубрить всякие правила про рычаги, блоки, маятники и прочее. Зато вы твердо звали, на каком вы свете. Затем наступил XX век, и вся наша уверенность бесследно улетучилась. Но если квантовая механика имеет дело лишь с микроскопическим уровнем, нам с нашими великанскими человеческими масштабами, казалось бы, надо взять пример с Альфреда Э. Ньюмена: «А мне-то о чем беспокоиться?»[41]
Многим очень нравится идея детерминированной вселенной. И в чем их упрекнуть? Все, что мы видим вокруг, по большей части можно либо интуитивно предсказать, либо точно описать математически, а все остальное — что ж, просто оно слишком сложное, чтобы его обсчитать, по крайней мере пока. Эйнштейн был убежден, что мнимая случайность таит под собой детерминистические законы, которые контролируют и позволяют предсказать все на свете. Если вы понимаете, с чего все начинается, законы физики точно скажут, чем все кончится. Кажется, детерминизм Вселенной встроен в формулы. Но если кажется, надо Богу молиться, и этот детерминизм — ложь и обман.
На фундаментальном уровне Вселенная не столько сложна, сколько невероятно случайна. Радиоактивный распад, движение атомов, результаты физических экспериментов — все это определяется прихотями непредсказуемости. По сути своей Вселенная — страшный сон Эйнштейна. Может статься, случайность — это и ваш страшный сон. Люди плохо приспособлены к тому, чтобы мыслить статистически. Если шансы очевидны или речь идет о жизни и смерти, мозг подсказывает решение. «Не дергай за хвост этого тиранозавра[42],- говорит, к примеру, мозг. — Многие пробовали, и ничем хорошим это не кончилось, так что все шансы за то, что и для тебя это ничем хорошим не кончится».
С другой стороны, поезжайте в Лас-Вегас и спросите там человека, который только что проиграл 10 ставок подряд, каковы шансы, что в следующий раз он выиграет. Либо он заявит, что уж тут-то ему непременно повезет и он сорвет банк, либо — что игра сегодня не заладилась. Неважно, оптимист он или пессимист, — в обоих случаях он ошибается. Шансы выиграть в следующий раз точно такие же, как и во все предыдущие: 50 на 50.
Но раз уж вы не проводите большую часть досуга в казино (по крайней мере мы надеемся), возможно, вам будет полезно, если мы объясним вам некоторые нюансы случайности под более знакомым углом зрения. Мы рады представить вам наше семейство по фамилии Бломберг в разгар их встречи. Особенно нас раздражают родственники, которые не просто предъявляют обычные стариковские требования к младшему поколению, но еще и по непонятной причине отказываются верить в могущество случайности, хотя могли бы взяться за ум и согласиться, что мы правы.
Вот, скажем, наш кузен Герман. Он настоящий самородок — умеет делать приемники, которые ловят передачи с кораблей пришельцев. Кроме того, он уверен, что правительство, ученые, а особенно ученые на службе правительства, подтасовывают научные данные, и все это — часть масштабного заговора[43].
Герман одержим идеей глобального потепления, и ему было бы куда легче, не считай он, будто его целиком и полностью сфальсифицировали. Расставим все по местам: среди научного сообщества бытует практически единодушное мнение, что глобальное потепление действительно имеет место и является результатом действий человека. С точки зрения связей с общественностью ситуацию осложняет то обстоятельство, что, как опять же единодушно считают ученые[44], за следующие 10 лет средняя температура на планете повысится примерно на одну десятую градуса по Цельсию.
На первый взгляд немного, но с течением времени потепление может оказать сокрушительное воздействие на природу.
Герман живет в Филадельфии, где, согласно «Википедии», средняя температура в декабре составляет около 2,2 градуса по Цельсию. Но вот, представьте себе, однажды у нас выдастся необычайно теплое Рождество — все праздники будет стоять температура около 10 градусов. Тогда Герман перестанет писать гневные письма в правительство и милостиво смирится с фактом: с его точки зрения, глобальное потепление станет реальностью. Но в данном случае нам бы не хотелось заполучить Германа в союзники на основании такого однократного наблюдения. И вот почему.
Иногда температура бывает выше среднего, иногда ниже. Если разброс достаточно велик, мы не замечаем небольших изменений от года до года. На самом деле нет ничего необычного в том, что температура стоит на 10 градусов выше среднего, как нет ничего необычного и в том, что она падает на 10 градусов ниже среднего. Что будет через год, когда в Филадельфии выдастся холодная зима и средняя температура в декабре будет -7? Тогда кузен Герман будет утверждать, что шум вокруг глобального потепления подняли зря, и снова примется мастерить свой шлем из фольги, Он не видит, в чем сложность, поскольку сосредоточен на отдельных днях, а не на тенденции.
Ну и что? У вас на совести наверняка есть грешки и похуже.
Даже освободившись от тревог за кошмарное будущее планеты, Герман все равно найдет о чем тревожиться. Почему непонятные мелкие частички в его стакане с водой все кружатся и кружатся? Какова вероятность, что через двести лет в Землю врежется гигантский астероид? Долго ли проживет его ручной нейтрон? Возможно, раньше все это вас не заботило, но каждое из этих явлений — результат последовательности случайных событий в действии.
На отдаленной ветке генеалогического древа (и на пыльной дальней полке генофонда) находится дядя Луи. Он человек по-своему обаятельный — сыплет солеными шуточками и постоянно просит маленьких детишек дернуть его за палец. Племянники и племянницы дяди Луи заплатили за колледж монетками в четверть доллара, которые он натаскал из ушей. Однако дядя Луи — патологический азартный игрок. Дядя Луи готов заключать пари по поводу чего угодно — чем кончится фильм, кто победит в гонке раков-отшельников, ну и так далее. Поэтому дядя Луи и Дейв прячутся от тети Мейвис в туалете и играют там в старую добрую игру — бросают монетку. Ну что в этом плохого, скажите на милость, если только монетка не крапленая?
Чтобы понять суть игры, надо объяснить, что значит «некрапленая монетка». Если монетку кидали миллион раз, то решка будет выпадать примерно в половине раз. Чем дольше бросают монетку, тем ближе к 50 % будет частота решек. Кроме того, монетка «некрапленая», если каждый следующий бросок не зависит от предыдущего. Неважно, что выпало только что — орел или решка: в следующий раз с той же вероятностью в 50 % выпадет орел или решка.
Но вот в чем загвоздка. Хотя мы ожидаем, что после миллиона бросков дядя Луи и Дейв будут идти примерно ноздря в ноздрю, мы имеем в виду именно дроби. В полновесных долларах картина будет иной. После миллиона бросков весьма вероятно, что Дейв или дядя Луи выиграют примерно на тысячу раз больше половины и сорвут приличный куш (или наоборот). Если вам интересно, откуда взялось это число — 1000, — рекомендуем посетить «Технический уголок дяди Дейва». Если неинтересно, ничего страшного. Это не входит в обязательную литературу по предмету.
Технический уголок дяди Дейва.
В начале книги мы пообещали вам следить, чтобы количество формул не превышало абсолютного минимума. Вот уже некоторое время мы придерживаемся правила «без формул», но при чтении такой математикоемкой главы, как эта, наверняка найдутся мазохисты, которые потребуют еще. «Откуда взялись эти числа?» — слышится ваш вопль. Поэтому вот вам еще капелька математики.
Когда дядя Луи бросает некрапленую монетку, существует, как мы упоминали, достаточно высокая вероятность, что решка будет выпадать примерно в половине раз. Насколько точно? Есть полезное правило: разброс результатов будет примерно равен квадратному корню из удвоенного ожидаемого количества решек (то есть «побед»). Для простоты мы немного сжульничали, но основную картину это не меняет. Так что если вы бросаете монетку миллион раз, то, скорее всего, получите решку полмиллиона раз плюс-минус 1000 раз.
Если Луи с Дейвом бросают монетку миллион раз, Луи может и выиграть много денег, и проиграть много денег, зато утешением ему станет мысль о том, что все равно он выигрывал почти 50 % раз. Если он выиграет 501 тысячу раз (на тысячу выигрышей больше половины), то все равно окажется, что он выигрывал всего 50,1 % раз. Это и в самом деле напрасная трата времени и не слишком надежный способ сорвать приличный куш (или проиграться в дым).
Нас должно радовать, что в наших силах предсказать вероятность едва ли не любого исхода. Например, в игре в миллион подбрасываний Луи (или Дейв) вправе ожидать различный результатов игры со следующими вероятностями:
Чем выше кривая, тем вероятнее такой исход. Самый вероятный результат — это что они будут квиты, но Луи может выиграть (или проиграть) одну-две тысячи и при этом не слишком удивляться своему (не)везению. Хвостики по обеим сторонам графика означают, что крайне маловероятно, чтобы Дейв или дядя Луи выигрывали в подавляющем большинстве случаев. Однако, строго говоря, не исключено, что Луи бросит монетку миллион раз и каждый раз будет выпадать решка. С другой стороны, вероятность такого исхода так мала, что слово «микроскопический» рядом с ней кажется наглым преувеличением.
Если бы за везением Луи или Дейва в ходе игры следил математик, он бы описал их прогресс как «случайное блуждание». Чтобы понять, что это такое, найдите какой-нибудь неподвижный предмет, например фонарный столб. Теперь встаньте рядом с ним и бросьте монетку. Если выпадет решка, сделайте шаг на запад, а если выпадет орел на восток. С течением времени вы с равной вероятностью окажетесь к востоку или к западу от столба, но при этом в среднем будете от него удаляться[45].
Вместо того чтобы просто описывать везение дяди Луи, мы докажем свою точку зрения тем, что просто сядем и подбросим монетку миллион раз. Ну, как дела у Луи?
Только поглядите! Он выиграл у своего бедного, изнуренного интеллектуальным трудом племянника-студента целых 2000 долларов! Если вы посмотрите на то, как фортуна улыбалась Луи и как она от него отворачивалась, то наверняка заметите тенденции. Возможно, примерно в середине игры у Луи выдалась череда выигрышей. Дело не в том, что у него «крапленая» монетка, в которую со стороны решки впаян кусочек свинца, дело не в том, что Луи — закоренелый шулер. Это просто результат того, что ваш мозг видит закономерности там, где их нет. Если вы когда-нибудь вкладывали деньги в ценные бумаги, то, вероятно, наблюдали такие же закономерности, когда индекс промышленных акций Доу-Джонса вдруг в течение двух месяцев кряду держался выше среднего[46].
Главное, что следует усвоить, — это что нельзя пытаться покорять рынок ценных бумаг, предсказывая случайные взлеты и падения. Как всегда говорил наш мудрый дядюшка Мортимер, «покупай и храни».
Мы дали вам маленький урок статистики, поскольку собираемся разъяснить некоторые загадки, про которые вы даже не подозревали, что это загадки. Вернемся к кузену Герману, который уверен, что вся Вселенная против него[47].
Разумеется, ему не под силу представить себе все, что способна сделать с ним Вселенная, дай ей волю, поэтому Дейв из чистой вредности дает Герману еще один повод не спать по ночам. «Представь себе, — говорит он, — что ты сидишь себе в гостиной, спокойно пишешь, приглядываешь за невидимками, которые живут у тебя в стенах, и вдруг весь воздух раз — и вылетает в кухню, а ты задыхаешься!» Ужас, правда? И, строго говоря, такое событие не лишено вероятности.
«Подумай об этом!» — советует Дейв и выбегает, оставив Германа в комнате одного.
Воздух состоит из молекул кислорода, азота, углекислого газа и еще всякой всячины, и все эти молекулы летают себе и почти никогда не натыкаются друг на друга. Это всем понятно, но на самом деле означает, что когда молекулы накручивают зигзаги по гостиной, их не волнует, чем заняты другие молекулы. Так что шансы на то, где находится молекула — в гостиной или в кухне, — примерно равны.
Если бы вы были олицетворением вселенной случайностей — этаким «космическим генератором случайных чисел» — и если бы вашей задачей было «решать», где будет находиться каждая конкретная молекула в каждый конкретный момент, вы могли бы для этого бросать монетку. Орел — и молекула в гостиной, решка — и она в кухне. Так вот, способен ли космический генератор случайных чисел хотя бы в принципе создать в комнате вакуум?
В принципе в вашей гостиной может создаться спонтанный вакуум, но мы вправе с уверенностью сказать, что Вселенная никогда такого не сделает. Вот почему можно не беспокоиться. Представьте себе, что в обеих комнатах находится «всего» один миллион молекул. На самом деле молекул невообразимо больше, но поскольку мы до сих пор во всем исходили из миллиона, давайте и дальше придерживаться этой линии. В среднем, половина молекул будет в гостиной и половина — в кухне (для простоты предположим, что эти помещения одинакового размера). Большую часть времени ни там, ни там не будет больше 50,1 % и меньше 49,9 % молекул. Эти числа вам уже знакомы, вы их уже видели, когда Дейв с дядей Луи бросали в туалете монетку.
Эффект, прямо скажем, не слишком осязаемый. Однако не забывайте, что эти числа отражают количество молекул в один конкретный миг. Если Герман в данную секунду жив-здоров, это не значит, что в следующую он не погибнет. Но тревожиться ему не о чем. Он не будет хвататься за горло и отчаянно втягивать воздух, даже если проживет в гостиной всю оставшуюся жизнь[48].
Если мы расширим рамки и рассмотрим более реалистичное количество молекул в комнате, плотность воздуха в комнате, где находится Герман, не будет колебаться больше чем на одну триллионную.
Когда имеешь дело с огромными числами вроде количества молекул в комнате, требования случайности настолько строги, что их спокойно можно назвать законами. Например, воздух будет перемещаться из зоны высокого давления в зону низкого, пока везде не установится равновесие. Но ведь ничто не детерминировано, в конце концов. Все на свете — не более чем самое вероятное из множества событий, которые в принципе могут произойти.
Не хотите — не верьте. Чтобы представить дело более привычным и понятным для вас образом, позвольте познакомить вас с нашим племянником Брайаном. Брайан — очень серьезный молодой человек. Это не просто подросток, который живет в полуподвале родительского дома. Он профессионал комнатных ролевых игр и прекрасно знает, как сделать игральные кости. Он знает, что стандартная кость в виде кубика имеет равные шансы выпасть любой стороной. То есть шестерка выпадает с той же вероятностью, что и пятерка, четверка и так далее до единички. Но что будет, если мы бросим не один кубик, а несколько? Вероятность того, что выпадет одна и та же сумма, будет другой.
Объясним еще понятнее. Джефф согласился играть за варвара-полуорка в последней кампании Брайана. Чтобы создать своего персонажа, он берет набор из трех обычных костей-кубиков[49].
Представим себе, что он бросает их одновременно. Каков наиболее вероятный сценарий? Джефф может получить сумму в три очка, но лишь в том случае, если на всех трех кубиках выпадет по единичке. С другой стороны, гораздо вероятнее, что выпадет, например, 10. Есть множество способов получить 10 очков на трех кубиках: 4-3-3, 6-2-2, 6-3-1 и так далее. Три единицы — это ситуация очень высокого порядка. Такой набор уникален. А вот сумму в 10 или 11 очков, с другой стороны, можно получить таким множеством комбинаций, что это ситуация очень высокого беспорядка.
Скажем по-другому: чашка может быть разбита множеством способов, а цела — только одним; бильярдные шары можно рассыпать по столу гораздо большим количеством способов, чем сложить в треугольник. Поскольку система — молекулы воздуха, дорогая ваза, Вселенная в целом — имеет тенденцию быть скорее в беспорядке, чем в порядке, естественное положение вещей становится все более и более случайным. Этот принцип известен как «Второй закон термодинамики». Его формулировка обнадеживает и звучит как гарантия: с течением времени беспорядок в системе возрастает.
Законы физики следуют из этого основного принципа понятным и естественным образом. Например, тепло от кипящего какао будет перетекать к вам в рот, где температура близка к 36 градусам. Кажется, что это очевидно, однако из этого следуют леденящие душу (пардон за каламбур) выводы. Например, Солнце и другие звезды постоянно испускают энергию, и их жар выходит во Вселенную в целом. Между тем температура космического вакуума составляет всего три градуса по Кельвину. Это значит, что все во Вселенной — планеты, звезды, галактики, даже Земля — это, фигурально выражаясь, раскаленные докрасна угли, которые постоянно подогревают пространство. Поскольку величайшее состояние беспорядка — это когда материя и жар распространены по всему пространству, наша Вселенная в конце концов насмерть окоченеет.
Однако Герману мы про это не скажем. Ему до сих пор страшно выйти из кухни[50]. Не нужно давать ему еще один повод для размышлений.
Мы говорили, что молекулы в воздухе носятся туда-сюда случайным образом и случайно выбирают, где им находиться — в гостиной Германа или в его кухне. Мы непринужденно упомянули об идее космического генератора случайных чисел, будто это самая естественная вещь на свете. Но все это, в сущности, бред сивой кобылы. Вы когда-нибудь задумывались о том, откуда вообще берутся случайности?
«Случайные» процессы бывают двух разновидностей. Один тип случайных процессов предполагает, что система на самом деле детерминирована, просто у вас маловато информации или вы не умеете достаточно быстро считать или соображать, что сейчас произойдет. Вот, например, бросание монетки, Если бы вы смогли учесть точное положение, ориентацию, распределение массы, вращательный момент и направление ветра еще до того, как монетка коснется земли, то, вероятно, смогли бы и прогнать эти данные через компьютер и достаточно точно определить, как упадет монетка. Тот же самый эксперимент можно повторять при приблизительно тех же условиях еще много раз и получать тот же результат. Если бы мы сделали автоматический монеткобросатель и сумели бы его точно настроить, то у нас всегда выпадала бы решка.
На практике это дело настолько неопределенное — надо учесть, как именно держат монетку перед броском, какие имеются воздушные течения, с какой силой и в каком в точности направлении бросают монетку, — что нет никакого практического способа проделать все эти вычисления. Вот почему мы бросаем монетку, когда нам нужен идеальный генератор случайных чисел. Подобным же образом последовательность карт в колоде или приземление шарика в рулетке кажутся нам совершенно случайными, а на самом деле мы просто не знаем и не можем учесть все начальные условия. Подобно рассеянному ролевику, который высчитывает ущерб от набега зомби, мы просто не способны так быстро считать.
Но стороны монетки — не атомы, а когда мы говорим о случайности на субатомном уровне, происходит нечто совсем другое. На этом уровне Вселенная по-настоящему, всерьез случайна. Дело не в том, что у нас не хватает информации, — даже если мы прокрутим фильм о Вселенной, исходя из идентичных условий, квантовая механика гарантирует, что мы не получим того же результата. В опыте с двумя щелями электрон самым настоящим, доподлинным образом не представляет себе, в какую щель пролетит, пока мы этого не пронаблюдаем и не определим.
Квантовая случайность проявляется во всевозможных микроскопических явлениях. Самые фундаментальные из них связаны с радиоактивным распадом частиц, — именно поэтому Джефф и завязал разговор о них с кузеном Германом. Герман озабочен радиоактивностью не меньше, чем тем обстоятельством, что водопроводная вода содержит психотропные вещества. Однако радиоактивность можно обращать и во зло, и на благо.
Радиоактивность возникает потому, что не все атомы стабильны. В природе наблюдается общая тенденция: система стремится содержать в себе минимальную возможную энергию. Так что если разрешить атому слишком долго сидеть на месте, он разваливается на более мелкие составляющие. Разумеется, если он в процессе теряет массу, то избавляется от нее посредством вредоносного излучения, которое называется радиацией. Если эта радиация достаточно энергична, то она способна причинять довольно-таки серьезный урон.
Давайте вспомним пример из главы 2 — когда мы разговаривали о туннелировании. Если дать изотопу урана под названием уран-238 достаточно времени, он распадется на ядро гелия и ядро тория[51].
В среднем этот изотоп ожидает распада в течение примерно 4,5 миллиарда лет (грубо говоря, это возраст Солнца). Это называется «период полураспада». Если вы возьмете кирпич из чистого урана-238, оставите на четыре с половиной миллиарда лет, а потом посмотрите, что получилось, то обнаружите, что половина атомов в кирпиче — по-прежнему уран, а вторая половина превратилась во что-то другое. Это что-то другое — по большей части свинец, поскольку торий, в свою очередь, нестабилен и примерно за месяц распадается на протактиний. А период полураспада протактиния — всего несколько минут. И так далее до свинца.
Переход этот не постепенный. Наоборот, когда отдельный атом распадется, это происходит мгновенно[52].
Более того, уран не знает, сколько времени он ждал распада. Часов у него нет. Но представьте себе, как космический генератор случайных чисел смотрит на него тяжелым взглядом и бросает кость, у которой 100 квадрильонов граней. Одно число выпадает за другим, и ничего не происходит. И вдруг безо всякого предупреждения выпадает единичка. Эта единичка обозначает критический уровень нестабильности — и пуф-ф-ф! Распад. Если космический генератор случайных чисел проделывает подобную процедуру для каждого атома в течение 4,5 миллиарда лет, половина атомов по-прежнему будет ураном, а половина распадется, но предсказать, какой атом постигнет какая судьба, никак нельзя.
Эта идея поможет нам лучше понять самые разные явления. Например, углерод-14 создается под воздействием космических лучей в верхних слоях атмосферы, которые медленно циркулируют вниз и образуют воздух, а мы им дышим. Все живые существа, которые перерабатывают углерод, и растения, и животные, берут углерод-14 (вместе с гораздо более распространенным углеродом-12). Соотношение углерода-14 и углерода-12 в наших телах и стеблях растений остается постоянным и таким же, как в атмосфере в целом.
Пока мы не умрем.
После смерти организма углерод-14 начинает распадаться на азот с периодом полураспада примерно в 5700 лет. Все, что когда-то было живым, и все, что было сделано из того, что когда-то было живым, можно подвергнуть анализу. Углерод-14 распадается, а количество углерода-12 остается прежним, поэтому если мы измерим их соотношение в образце и сравним с их соотношением в атмосфере, то вычислим, как долго наш образец пробыл мертвым. Хотя радиоуглеродный анализ оказался очень эффективным инструментом в археологии и палеонтологии, основан он на квантовой физике[53].
Мы приняли как данность, не доказывая, что атомы не знают заранее, когда они должны распасться, и что их распад, наряду с другими квантовыми явлениями, фундаментально случаен. Эта неопределенность очень обескураживает, и в мире было бы гораздо уютнее, если бы мы сумели как-то пересмотреть систему так, чтобы избавиться от неопределенности. Но возможно ли это?
Эйнштейну очень не нравилась мысль о том, что природа и в самом деле случайна. Возможно, вы слышали его решительное: «Господь не играет со Вселенной в кости». Со стороны Эйнштейна это изрядный научный консерватизм, напоминающий старые недобрые времена кровопусканий, эфира и всепоглощающего ужаса перед ведьмами. Эйнштейн полагал, что если бы мы знали Вселенную достаточно подробно, то могли бы точно предсказать, как она будет развиваться.
Эйнштейн участвовал в основании квантовой механики, а она, как считалось, окончательно сравняла с землей твердыню детерминизма, однако на самом деле Эйнштейн никогда не был ее преданным сторонником. В течение долгого времени на все его бесконечные возражения удавалось отвечать Нильсу Бору[54], однако к 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном, своими коллегами по Принстонскому институту передовых исследований, нашел квантовый парадокс, который, по его мнению, было невозможно разрешить.
Эйнштейн поставил целью доказать, что Господь и в самом деле не играет со Вселенной в кости.
Это не просто философский спор. Вопрос в том, правда ли, что радиоактивный распад и определение положения частиц случайны, или они лишь кажутся случайными. Главное было придумать, как доказать либо одно, либо второе. В свое время мы опишем ЭПР-парадокс (он получил такое название в честь Эйнштейна и его команды), но это получится гораздо проще, если мы приведем конкретные примеры. Брайан, Герман и Дейв за апельсиновым десертом тети Мейвис решили создать «запутывательную машину», причем каждый внес в эту идею свой идиотский вклад.
Эта машина должна измерять свойство, общее для всех фундаментальных частиц: так называемый спин. Частица, обладающая спином, генерирует маленькое магнитное поле. Поскольку магниты взаимодействуют друг с другом, мы можем измерить направление спина электрона, если он пробежит мимо магнита в виде планочки. Бломберги превращают магнит в детектор спина, который они вертят, куда хотят. Если держать магнитную планочку вертикально, можно определить, вверх или вниз направлен спин. Если держать ее горизонтально, можно измерить, направлен он вправо или влево. Спин очень полезен для наших целей, поскольку мы способны создавать реальные системы, где создаются две частицы и спины взаимно исключают друг друга. Если у одной частицы спин вверх, У другой наверняка спин вниз. Если у одной спин налево, у другой спин направо. Вот что мы имеем в виду, когда говорим о «запутанности квантовых состояний». Это просто ученый способ сказать, что если мы знаем квантовые свойства одной частицы, то в состоянии сказать что-то осмысленное о квантовых, свойствах другой.
Это свойство спина нам понадобится в нашей запутывательной машине. В середине у нее есть комната, где то и дело мы создаем пару из электрона и его злобного близнеца — античастицы позитрона[55], которая устроена так, что их спины всегда противоположны.
Затем электрон по длинной трубе отправляется налево, где Брайан присоединил маленький детектор, а позитрон летит направо, к Герману, где тоже стоит такой же детектор. Детектор состой» из магнита, который используется для измерения спина электрона или позитрона. Чтобы нам с вами не путаться в бесконечных «вверх-вниз» и «вправо-влево», настроим детектор Брайана так, что если у электрона спин вверх — загорается зеленая лампочка. Если спин вниз — загорается красная. Детектор Германа работает в точности наоборот.
Оба детектора настроены на «вверх-вниз», как на рисунке, и исследователи начинают испускать множество пар, состоящих из электрона и позитрона. И в каждом эксперименте, когда Брайан видит зеленый свет (электрон со спином вверх), Герман тоже видит зеленый свет (позитрон спином вниз). А когда Брайан видит красный свет, Герман тоже видит красный.
На первый взгляд ничего особенного. Можно легко представить себе подобный же случай, в котором мы заменим нашу запутывательную машину автоматом, который делает пары белых и черных шариков. Если Брайан получает белый, он будет знать, не глядя, что у Германа шарик черный, и ему не надо звать дядюшку, чтобы убедиться в этом. Однако копенгагенская интерпретация квантовой механики говорит другое. В квантовом мире за миг до того, как Брайан измерит спин своего электрона, этот спин был направлен и вверх, и вниз, и пока Брайан его не измерил, он «не решил», куда он будет направлен — вверх или вниз. На этом месте Эйнштейн и начал горячо возражать против всей затеи. Согласно его аргументации, возможностей только две.
1. В момент, когда электрон Брайана или позитрон Германа вылетает из центральной камеры, нет абсолютно никакого способа узнать, какой у них спин, и этого не знает даже Вселенная. Однако (и в этом и состоит главный вопрос Эйнштейна) две частицы каким-то образом способны в точности одновременно решить, каким спином они хотят обладать. Скажем, Брайан делает оценку за наносекунду до Германа. Тогда за эту наносекунду электрон Брайана должен сообщить позитрону Германа, какой у него должен быть спин. Но беда в том, что электрон и позитрон очень далеко друг от друга, а передать информацию им нужно мгновенно, даже если для этого сигнал должен идти быстрее света.
Это и есть ЭПР-парадокс. Если спин (а на самом деле любое другое измеряемое явление в квантовой механике, в том числе и кот) действительно случаен, значит, сигнал придется послать со скоростью больше скорости света. Даже если глава 1 не оставила в вас никаких следов, вы должны нутром чуять, что это невозможно,
2. Эйнштейн предложил другой вариант: электрон (и позитрон) все это время знал, какой спин выбрать. Единственными, кто не был посвящен в эту тайну, были Бломберги, которые проделывали этот опыт. Эйнштейн и его команда говорили, что реальность не может сводиться к числам, которые мы непосредственно измеряем. Это он называл «скрытыми переменными», и если вам это словосочетание смутно знакомо, не удивляйтесь. В главе 2 мы показали, что копенгагенская интерпретация квантовой механики вызывает мучительные вопросы даже в середине XX века, а идея скрытых переменных Эйнштейна составила основу причинной интерпретации квантовоё механики Бома. В сущности, Эйнштейн утверждает, что Вселенная знает ответ — просто физики еще не сообразили, как этот ответ получить.
Здравый смысл подсказывает, что второй вариант более корректен, и Эйнштейн сделал его своим оружием в великом споре. С другой стороны, здравый смысл нас уже неоднократно обманывал. Нам нужно экспериментальное подтверждение. Возражения Эйнштейна против квантовой механики около 30 лет оставались важной, но недоказуемой гипотезой. В некотором смысле это хорошо. Это значит, что для большинства вычислений неважно, что на самом деле правда — «скрытые переменные» Эйнштейна или абсолютная случайность: результаты все равно получаются одни и те же.
Однако, как выясняется, Вселенная, управляемая «скрытыми переменными», будет вести себя совсем не так, как случайная вселенная, и в 1964 году Джон Белл, который тогда работал в Стэнфордском университете, нашел критерий, позволяющие определить, случайна в основе своей Вселенная или нет. Хотя «неравенство Белла» принадлежит к сфере математики, мы можем пояснить суть проверки, построив «машину реальности», точные технические Характеристики которой вы найдете в конце этой главы. Если вы хотите получить суперпопулярное объяснение, то суть вот в чем: если Брайан и Герман ориентируют свои детекторы случайным образом и много-много раз запустят свой генератор электронов и позитронов, то эйнштейновская картина «скрытых переменных» потребует, чтобы они увидели один и тот же цвет лампочек на своих детекторах больше половины раз. А копенгагенская картина квантовой механики, с другой стороны, предсказывает, что это будет ровно половину раз.
Миновало почти двадцать лет с тех пор, как Белл описал метод, позволяющий различить эйнштейновские представления и копенгагенскую интерпретацию, но воплотить его идею было технологически невозможно. Лишь в 1982 году Алан Эспект и его сотрудники построили устройство, которое сильно напоминало нашу «машину реальности», и проверили ЭПР-парадокс. Они обнаружили, что цвета совпадают в точности в половине случаев. Иначе говоря, победила копенгагенская интерпретация. Электроны вели себя не так, как надеялся Эйнштейн, — не так, словно их заранее запрограммировали.
У этого есть несколько странных следствий. Выходит, что если мы измерим спин запутанного электрона, соответствующий позитрон вынужден будет принять противоположный спин быстрее скорости света! Думаете, это чушь? Эйнштейн даже называл это «жутковатым дистанционным воздействием». Не ворчите. Нам не нужно выплескивать вместе с водой и ребенка (релятивистского). Все, что нам, по сути дела, требуется, — это аккуратно скорректировать правило касательно того, что ничто не может двигаться быстрее света. Поскольку нельзя использовать запутанность квантовых состояний, чтобы посылать сообщения на другой конец Вселенной, нужно внести крошечную поправку: никакой носитель информации не способен двигаться быстрее света.
Получается, Господь и вправду играет со Вселенной в кости. Но для нас главная неопределенность заключается в том, удастся ли нам унести ноги от нашей чудной семейки.
Сама формула, описывающая, что будет, и известная как «неравенство Белла», принадлежит к сфере математики, однако суть ее можно доказать безо всяких математических излишеств, что и послужило основой для гипотетической «машины локальной реальности», которую придумал физик из Корнеллского университета Дэви Мермин. Машина реальности — это просто слегка доработанный генератор электронов Брайана и Германа, который позволяет раз и навсегда выяснить, доказывает ли ЭПР-парадокс несостоятельность квантовой механики. Надо просто немного посчитать на пальцах и задать один-единственный вопрос: происходит ли некое событие чаще, чем в половине раз?
Представим себе на минуту, что Эйнштейн был прав и в каждом электроне заложена миниатюрная программа. Как бы Брайан с Германом ни ориентировали свои детекторы, программа будет говорить им, какую лампочку зажечь, и должна принимать в расчет все случайности. Например, данный конкретный электрон зажжет зеленый сеет, если детектор ориентирован вертикально, и красный, если детектор горизонтален. У позитрона такая же программа.
Надо немного переделать генератор, чтобы Брайан и Герман, оценивая спин электрона или позитрона, задавали детектору одно из трех возможных положений.
Детектор у Брайана и Германа занимает одно из трех положений: а) вверх-вниз; б) повернут на 1/3 по часовой стрелке: в) повернут на 2/3 по часовой стрелке.
Мы выбрали именно такие варианты, поскольку квантовая механика делает весьма конкретное предсказание. Если много раз запускать машину реальности и каждый раз Брайан и Герман будут выбирать положение детектора случайным образом, то квантовая механика говорит, что одинаковые лампочки будут загораться точно в половине случаев.
Мы понимаем, что вы вправе счесть, будто «ровно половину» мы взяли с потолка, и мы приносим свои извинения. По большей части мы рекомендуем вам прибегнуть к интуиции и здравому смыслу, но в данном случае «ровно половина» основана на очень заковыристых квантово-механических вычиспениях, и мы просим поверить нам на слово.
— Что предсказывают «скрытые переменные» Эйнштейна? Здесь вам не потребуется верить нам на слово. У электрона может быть ровно восемь программ.
Вспомним, как работают эти программы. Если Эйнштейн прав, тогда неважно, как Брайан с Германом поворачивают свои детекторы: электрону все равно нужно заранее знать, какой цвет загорится. Получается, что генератор вырабатывает всего восемь типов электронов.
Поскольку детекторов у нас всего два, за каждый раз можно измерить только две переменные из каждой программы. Так мы можем определить, какой цвет будет загораться в каждом положении детектора. Например, если Брайан ставит детектор в положение «вверх-вниз» (А) и видит зеленый свет, он не знает, как был запрограммирован электрон: 333, ЗЗК, ЗКЗ или ЗКК. Но Вселенная знает!
Мы получим от машины реальности очень интересный результат, если посмотрим, что происходит, когда вырабатывается электрон или позитрон с конкретной программой. Если Брайан и Герман случайно выбирают направление детектора, насколько часто у них будут загораться одинаковые лампочки?
Есть две очень простые программы: 333 и ККК (случаи 1 и 8). Что бы ни происходило, в этих случаях Брайан и Герман получат одни и те же показатели. «Всегда»-это определенно чаще, чем «в половине случаев».
Более интересный случай — ЗЗК. Брайан и Герман могут настроить свои детекторы девятью способами: А-А, А-В, А-С, В-А, В-В, В-С, С-А, С-В, С-С. К сожалению, мы должны перечислить все, поскольку это довольно тонкий момент. В пяти из девяти сценариев (А-А, А-В, В-А, В-В, С-С) Брайан и Герман увидят один и тот же цвет. Пять из девяти — это около 56 %, то есть больше, чем половина.
Есть еще шесть возможных программ: ЗКЗ, ЗКК и прочие. Все они точно такие же, как ЗЗК, поскольку два магнита настроены одинаково, а один-по-разному. В этих ситуациях Брайан и Герман опять же будут получать одинаковые результаты в 56 % случаев.
Как бы ни был запрограммирован электрон, согласно модели Эйнштейна, Брайан и Герман будут получать одинаковые результаты больше чем в половине случаев. С другой стороны, если квантовая механика верна, они будут получать одинаковые сигналы ровно в половине случаев.
Для Эйнштейна все кончилось плохо.
Если к моменту публикации книги БАК действительно уничтожит Землю, мы принесем свои искренние извинения и будем готовы возместить все затраты на эту книгу.
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:
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[56], 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[57].
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.
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[58].
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[59], 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 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 атомов[60].
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[61].
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[62] 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 0,000000000000001. 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.
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.
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.
Нейтральность — это удел не только Швейцарии и атомов. Сколько бы материй 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.
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[63].
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 = тс2 создать 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.
Если столкнуть друг с другом энергичные протоны, получатся частицы, куда более массивные, чем исходные. Но если частицы, которые создаются в ускорителях, так массивны, зачем вообще нужны ускорители? Наверное, великанские частицы легко заметить и так?
И да и нет. Конечно, если бы в пространстве там и сям плавали массивные частицы, их можно было бы собирать и исследовать безо всякого труда. Беда в том, что все во Вселенной стремится сбросить энергию до минимально возможной. Положите на стол мяч для боулинга — в этой позиции у него будет довольно много энергии — и легонечко подтолкните его. Он упадет со стола к вам на ногу — где энергии у него будет гораздо меньше. Поскольку энергия и масса эквивалентны, это означает, что массивная частица распадется, если это вообще возможно, на менее массивную и еще что-нибудь — и очень скоро, в чем мы убедились, когда говорили о радиоактивности в главе 3.
Самые массивные частицы живут всего миллионную долю секунды или даже меньше, а потом распадаются на более легкие, и так будет продолжаться предположительно 13,7 миллиарда лет — с начала времен и до тех пор, когда все массивные частицы раз и навсегда распадутся. Должно быть, вы предполагаете, что тогда все уляжется и останутся только наши старые знакомые протоны и нейтроны, но вы же уже поняли, что бывает, когда вы что-то предполагаете, правда?
По Вселенной так и шныряют высокоэнергичные заряженные частицы. Протоны на высоких скоростях испускает и Солнце, и другие звезды в разных частях галактики, и сверхновые, — все места, где есть высокоэнергичные источники. Эти заряженные частицы, которые называются космическими лучами, летают туда-сюда, пока на что-нибудь не наткнутся. Если бы не магнитное поле, окружающее нашу планету, этим «чем-нибудь» могли бы быть ваши клетки — и тогда космические лучи убили бы вас или стерилизовали. Вот почему нужно слушаться мамочку и не проводить в открытом космосе слишком много времени. Достаточно часто космические лучи попадают в атмосферу и сталкиваются с кислородом или азотом, превращаясь в процессе в более массивные частицы. Стратосфера и все, что выше, кишат, словно нечищеные зубы, всякой дрянью — мюонами, каонами и пионами.
Эти частицы рождаются и умирают в мгновение ока[64], поэтому создать их и измерить можно только, и исключительно внутри ускорителя.
Если мы столкнем частицы друг с другом при достаточно высокой энергии, а затем сошлемся на закон Е = тс2… вуаля! Массивные частицы у нас в кармане. Если мы будем получать их в ускорителях, то нам будет проще предсказывать, когда они появляются, а значит, легче и изучать их.
Однако пионы и мюоны — не единственные массивные частицы, которые страдают от дегенеративных тенденций. Как мы уже упоминали, распаду подвержен даже нейтрон (эта черта отличает его от протона)[65].
Если вы дадите нейтрону около 10 минут, он распадется на протон, электрон (а значит, сохранится общий заряд) и еще одну частицу, о которой мы вам раньше не говорили, — она называется антинейтрино.
Только не пугайтесь — мы сейчас вам все объясним, и про «анти», и про «нейтрино». Начнем с «нейтрино». Это название выбрано потому, что нейтрино электрически нейтральны, а прямо их не увидеть. Откуда же мы узнали «что они есть, если они, в сущности, невидимы? Хороший вопрос.
В 1930 году Вольфганг Паули предложил новаторскую интерпретацию экспериментов с распадом нейтрона. Было замечено, что когда нейтрон распадается, протон и электрон часто отлетают в одном и том же направлении. Интерпретацию распада нейтрона по Паули, как и многие явления в жизни, легче представить себе, если привлечь к делу супергероев.
Представьте себе, как Сью Шторм, она же Невидимая Леди, и ее муж мистер Фантастик[66]катаются на коньках по замерзшему пруду.
Они отталкиваются друг от друга, и мистер Фантастик стремительно отъезжает в одну сторону, а Сью, как всегда невидимая, — в другую. С берега за ними наблюдает Существо, которое видит только мистера Фантастика, который мчится задом наперед, — с его точки зрения, безо всякой причины. Но Существо довольно быстро понимает, что к чему. Он уверен, что на льду есть еще кто-то — кто-то невидимый — и что этот второй сейчас мчится в противоположном направлении.
Паули, сыгравший роль Существа, заключил, что должна существовать невидимая частица-прнзрак, электрически нейтральная: антинейтрино.
Нейтрино (а следовательно, и антинейтрино) очень легкие, и довольно долго считалось, что они полностью лишены массы. Однако в 1998 году на японском нейтринном детекторе «Супер-Камиоканде» был проведен эксперимент, показавший, что у нейтрино на самом деле есть некоторая масса. Это выдающееся достижение, но следует также отметить, что пока что ученые еще не вычислили массу нейтрино. К этому вопросу мы еще вернемся в главе 9, а пока вправе уверенно сказать, что масса нейтрино во много раз меньше массы электрона.
Что же касается «анти», постарайтесь не пугаться этого слова. «Анти» означает всего-навсего «наоборот» — античастица имеет квантовые числа, прямо противоположные частице-партнеру. Антиматерия — вещество со скверной репутацией: всем известно, что если комок антиматерии соприкоснется с обычной материей, они взорвутся и превратят всю свою массу в энергию. Сами по себе античастицы безобидны. Если бы мы вдруг взяли сразу все частицы во Вселенной и заменили их античастицами (в том числе и те, из которых состоите вы), вы бы не заметили разницы.
Сейчас, когда мы установили несколько основных законов, общих для всех фундаментальных сил, настала пора поговорить об играх, начиная с самых простых и очевидных.
Просим заметить, что люди, само собой, звали о существовании гравитации задолго до того, как сэр Исаак Ньютон «открыл» ее в 1687 году. Например, к тому времени уже давным-давно умели строить катапульты. И прекрасно понимали, что если пустить стрелу вверх, то она впоследствии пробьет доспехи — хорошо бы на другой стороне поля. Без гравитации обслуживающему персоналу гильотины пришлось бы сидеть и дожидаться, когда же ее лезвие случайным образом упадет вниз.
Но Ньютон при помощи простого набора уравнений сумел с большой точностью предсказать падение яблока, орбиту Луны, пути планет. Закон, который он открыл, был прост — и описывал колоссальное множество явлений. Этот закон показывал, что все предметы во Вселенной притягивают друг друга, и чем дальше они друг от друга находятся, тем слабее это притяжение, или гравитация.
Ньютон, однако, разобрался в этой истории не до конца. Лишь в 1916 году Альберт Эйнштейн, разработав общую теорию относительности, объяснил нам, в чем сущность силы тяжести. Однако нам станет интересно, где ошибся Ньютон, только когда мы начнем говорить о машине времени (глава 5), Вселенной в целом (глава 6) и теории Большого взрыва (глава 7). Пока что будем считать, что он был полностью прав.
Мы уже говорили, что каждая из этих сил очень похожа на игру с мячиком и ракетками. Если бы нам предложили выбрать конкретный вид спорта, мы бы сказали, что гравитация похожа на бадминтон. В нее играют на большом поле (в масштабах всей Вселенной), а удары делают совсем слабенькие. Легко представить себе, как в вас попадают воланчиком, — и согласитесь, что по сравнению с ударами разными другими спортивными штуковинами Такая травма надолго не запоминается.
Эта игра отлично подходит для начала спортивной карьеры, поскольку в нее могут играть не просто игроки любого возраста, а вообще кто угодно. Все частицы, и массивные, и наоборот, создают гравитационные поля и притягиваются друг к другу.
В отличие от гравитации, которая всегда привлекает и. притягивает, электромагнетизм может и притягивать, и отталкивать. Вы уже знаете, что частицы несут один из трех видов электрического заряда: положительный, отрицательный или нейтральный. Если два электрона оказываются бок о бок, они всегда отталкивают друг друга. Пара, в которой одна частица заряжена положительно, а другая — отрицательно, например протон и электрон, всегда притягивается друг к другу. Если обе частицы нейтральны, они ничего не делают.
Два электрона притягивают друг друга силой гравитации, но при этом отталкивают друг друга силой электромагнитного взаимодействия. В нас силен дух нездорового соперничества, примерно как в очереди, поэтому мы сразу зададим вопрос, который наверняка так и вертится у всех на языке: какая сила сильнее — сила тяжести или электромагнитная?
Побеждает электромагнитная — и не по пенальти, а всухую. Электромагнитная сила отталкивания между двумя электронами более чем в 1040 раз сильнее, чем гравитационное притяжение, — вот почему мы вправе позволить себе пренебречь гравитацией, когда говорим о размерах порядка атома и меньше.
Наверное, вы заметили, что мы говорим об «электромагнитной» силе, но пока что затронули лишь ее «электрическую» часть. С точки зрения здравого смысла электричество и магнетизм — совсем разные вещи, но на фундаментальном уровне разница лишь в подходе. Неподвижные заряды создают электрическое поле, а подвижные — магнитное поле: вот как работает электромагнит, вот как мы понимали спины у заряженных частиц в главе 3. Подобным же образом изменение магнитного поля может создавать электрические поля — что, в свою очередь, создает электрический ток.
Поразительно, но факт: именно электромагнетизм объясняет практически все физические явления в повседневной жизни. Именно электрическое отталкивание не позволяет вашему седалищу продавить кресло. Именно электрическое притяжение скрепляет молекулы и служит основой для всех химических реакций. И — да, конечно, именно статическое электричество заставляет воздушный шарик прилипать к стенке.
А как же магнетизм? Если не считать магнитных нашлепок на холодильнике, в повседневной жизни мы с ним вроде бы и не сталкиваемся. Зато он играет крайне важную роль в ускорителях частиц. Когда заряженная частица (например, протон) находится в магнитном поле, она движется по круглой орбите. Чем сильнее магнитное поле, тем быстрее движение по орбите. Бели поставить в кольцо БАК набор магнитов, то можно будет ловить протонный луч на скорости, близкой к скорости света.
Электромагнетизм — это как теннис. Эта игра гораздо динамичнее многих других, а маленькие пушистенькие желто-зеленые мячики (фотоны) ударяют с такой силой, что только держись. Нейтральные частицы в эту игру не берут, потому что фотоны их «не видят» и потому что они, как всегда, забыли ракетку у мамы дома.
Играть в электромагнетизм могут любые заряженные частицы.
Мы были вынуждены ознакомить вас с электромагнетизмом, поскольку существуют наблюдаемые феномены наподобие существования молекул и атомов, которые гравитацией не объяснишь. Однако гравитация и электромагнетизм, даже в сочетании, не в силах объяснить всего.
Рассмотрим гелий. Он состоит из двух нейтронов и двух протонов. Что касается электромагнетизма, нейтроны в этой игре не участвуют, а вот протоны крайне, крайне, крайне не любят общества друг друга. Только представьте себе — в ядре каждого атома гелия электрическая сила отталкивания между протонами составляет около 22,5 килограмма! Почему же гелий не разрывается в клочки под воздействием своего же электромагнитного отталкивания?
Значит, должна быть еще одна сила, которая действует и на протоны, и на нейтроны и заставляет их держаться вместе. Эта сила называется сильным, взаимодействием и действует лишь на очень-очень маленьких масштабах — около 10-15 метра. Чтобы вам не казалось, что мы жонглируем цифрами, и вы поняли, что это за масштаб, отметим, что размер атомного ядра по сравнению с вашим ростом — это все равно что ваш рост по сравнению с расстоянием до альфы Центавра.
Однако кроличья нора на поверку оказывается еще глубже. В 1960-х годах в ходе эксперимента по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском линейном ускорителе ученые стреляли в атомы высокоэнергичными электронами. Получившийся рикошет показал, что внутри протонов и нейтронов есть что-то еще — протоны и нейтроны нельзя считать фундаментальными частицами, они состоят из чего-то еще более мелкого. Эти мелкие частички получили название кварков.
Кварки, как и электроны и нейтрино, — последние игроки в нашей метафизической игре. Существует шесть разновидностей кварков (их славные мордашки вы увидите в приложении к этой главе), а пока что нас интересуют только две: u-кварк (с электрическим зарядом в +2/3) и d-кварк (с электрическим зарядом в -1/3). В протонах содержится два u-кварка и d-кварк[67], а в нейтронах — два d-кварка и u-кварк[68].
Скрепляет их сильное взаимодействие. На самом деле сильное взаимодействие настолько сильно, что вне протонов и нейтронов кварки не встречаются.
Сильное взаимодействие очень похоже на пинг-понг. Это напряженный поединок в небольшом замкнутом пространстве. В игры с сильным взаимодействием играют только кварки (и протоны с нейтронами, которые состоят из кварков).
Когда мы знакомили вас с сильным взаимодействием, то заявили, что нам приходится это делать, потому что существуют загадочные явления, которые невозможно объяснить при помощи двух других сил (гравитации и электромагнетизма). Об одном таком мы уже говорили — это распад нейтрона. Мы сказали, что нейтрон, предоставленный сам себе, распадается на протон, электрон в антинейтрино. Попробуйте-ка объяснить это при помощи одной из сил, о которой мы уже говорили!
Придется нам изобрести (ладно, хорошо, гипотетически выдвинуть) еще одну силу. Задействовав все имеющиеся в нашем распоряжении творческие способности, мы титаническим усилием выдумываем слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие характерно в основном для нейтрино, поскольку, раз они нейтральны, они уж точно не умеют играть в электромагнетизм, а в сильное взаимодействие играют только кварки. Как выяснилось, нейтрино и электроны очень похожи, за исключением небольших различий в заряде, и слабое взаимодействие, среди прочего, позволяет нейтрино превращаться в электроны и наоборот. Каждую секунду сквозь вас проходят триллионы нейтрино. Солнце производит их квадрильонами, и все же гигантские детекторы засекают лишь несколько нейтрино в день. Редкость — верный признак того, что слабое взаимодействие не зря получило такое название. А поскольку нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, нам и не удается наблюдать их часто.
Слабое взаимодействие очень похоже на бросание тяжелого гимнастического мяча. Летит он очень недалеко, бьет несильно и за типичное время успевает неимоверно надоесть. Вообще-то нам уже намекнули, почему это так скучно. Гимнастический мяч очень тяжелый, и даже атлеты-силачи легендарных времен не могли бросить его достаточно далеко.
В слабое взаимодействие играют кварки, нейтрино и электроны. Поскольку, как мы уже сказали, их очень много и все лезут поучаствовать, игра идет очень медленно, и ничего особенно интересного не происходит.
Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис — не более чем конвульсивное размахивание ракеткой. То же самое можно сказать и о физике частиц. По состоянию наших знаний на сегодня, если положить два электрона на стол, они так и будут лежать. Взаимодействуют они только через электромагнитное (или слабое, или гравитационное) поле. Так что без поля они друг друга не увидят.
— Откуда же берется поле? Две частицы должны как-то известить друг друга о своем присутствии. Это можно сделать, «послав» от одной к другой третью частицу. Этот посланец — или переносчик взаимодействия- и есть частица, которая на самом деле несет в себе силу. Два электрона посылают туда-сюда векую частицу с сообщением: «Вот он я, вали отсюда!»[69]
Частица-переносчик в электромагнетизме называется фотоном, и мы уже уделили беседе о нем довольно много времени в главе 2. Мы уже знаем, что фотоны лишены массы и двигаются со скоростью света. Вследствие наводняющей Вселенную энергии вакуума все мы по уши в фотонах, которые то появляются, то исчезают.
Как мы видели, в зависимости от обстоятельств свет можно считать частицей или волной. В более общем смысле волна — это такое поле, что-то такое, что наблюдается везде во времени и пространстве. Если вы возьмете антенну и обойдете с ней весь дом, то везде засечете радиосигналы: где-то слабее, где-то сильнее. Это и есть электромагнитное поле. Фотон — это всего лишь кусочек электромагнитного поля, который летит через пространство со скоростью света. То же самое можно сказать обо всех фундаментальных силах. Существует сильное поле, слабое поле, гравитационное поле, я у каждого есть своя соответствующая частица.
Переносчики сильного ядерного взаимодействия называются глюонами. Глюоны, как и фотоны, лишены массы и двигаются со скоростью света, однако, в отличие от фотонов, подвержены тревожным состояниям, связанным с сепарацией. Фотон — носитель электромагнитной силы, но сам по себе он электрически нейтрален. То есть сам он и не чувствует электромагнитной силы.
Частицы, которые испытывают на себе сильное взаимодействие, обладают зарядом иного рода — «цветом». «Сильные» аналоги отрицательного и положительного зарядов в мире электромагнетизма — это красный, синий и зеленый заряды, которые определяют взаимодействия, возникающие между кварками в сильном поле. Если вы собрались бежать за цветными карандашами, чтобы рисовать Сильные взаимодействия, повремените. Это просто очередные придурковатые жаргонные названия, которые физики придумали, чтобы сбить с толку непосвященных.
Однако между электромагнитным режимом и сильным режимом существует важное различие. Как и при электромагнетизме, «игроки» (кварки) обладают зарядом, однако, в отличие от электромагнетизма, мячик тоже заряжен. Глюоны не просто переносят сильное взаимодействие, они его чувствуют- что разительным образом отличает их от фотонов. Глюоны притягивают друг друга и запутываются в структуры, которые называются глюболами. Это значит, что глюоны не могут летать далеко и сразу попадаются в ловушку — это одна из главных причин, по которой сильное взаимодействие ограничено пределами ядра. Это вдвойне справедливо для кварков, которые дадут сто очков вперед отшельникам вроде Дж.-Д. Сэлинджера и Томаса Пинчона. Вне ядра они вообще не встречаются.
Наша теория гравитации, которая называется общей теорией относительности, вообще не требует частиц-переносчиков. Об общей теории относительности мы поговорим в главах 6 и 7, но тот факт, что гравитация, согласно теории относительности, настолько отличается от всего остального, — это тайна, разгадку которой мы, вероятно, узнаем, когда будет разработана «Теория Всего» (по крайней мере убедительная Теория Всего).
Если все силы «на самом деле» одинаковы, тогда у всех должна быть частица-переносчик, не так ли? Идея заключается в том, что гравитацию переносит частица под названием гравитон, но ее не просто еще не открыли — мы крайне далеки от технологической возможности провести эксперимент, чувствительности которого хватило бы для обнаружения этой частицы. Однако мы уже знаем, что если гравитоны существуют, то они, как и фотоны, должны быть лишены массы. Вот почему они способны передавать гравитационные сигналы на такие громадные расстояния.
Слабое взаимодействие отличается от других очень сильно и доказывает это, как только может. Самое интересное его отличие заключается в том, что слабое взаимодействие переносят три частицы переносчика. В отличие от пижонских названий, которые получили другие частицы, эти называются просто — W-бозоны и Z-бозоны[70].
Почему же слабое взаимодействие настолько слабо, почему для того, чтобы хоть как-то проявиться, ему нужны дистанции субатомных размеров? Ответ мы уже знаем. Бозоны массивны, как гимнастические мячи, и им очень трудно перемещаться на дальние дистанции. Вероятно, вы не видите в этом ничего необычного, однако даже по самым простым теориям слабое взаимодействие, как и электромагнетизм и все прочие силы, должно иметь частицу-переносчик, лишенную массы. Почему же эти частицы совсем другие?
В физическом мире быть непохожим на других — сомнительное достоинство. Физики любят симметрию. Это настоящая любовь. Они посылают симметрии нежные записочки на лекциях и встречают ее после занятий с цветами. В целом физики понимают под симметрией вот что: можно менять параметры системы, но физика, которая стоит за ней, не меняется при этом ни капельки.
Представьте себе, что вы поехали за город поиграть в мини-гольф с племянником и племянницей и, в соответствии с традиционными гендерными представлениями, даете племяннику синий мяч, а племяннице — красный. Когда вы начинаете раунд, неважно, у кого синий мяч, а у кого красный, поскольку на игровые качества мяча цвет никак не влияет.
А теперь представьте себе, что на полпути к лунке вы отвлекли детей вкуснейшим мороженым и тайком поменяли местами синий и красный мячики. Если вы признаетесь детям, что поменяли мячики, ничего страшного не случится. Они вернутся к игре на том месте, где остановились, просто теперь племянник будет бить по красному мячу, а племянница — по синему. Конечно, подменить только один мячик и сделать так, чтобы на поле оказалось два красных, нельзя: тогда дети не будут знать, по какому мячику бить, и вы испортите им чудесный день.
Давайте обратимся к более научным материям, нежели мячики и клюшки. Дейтерий — это вариант водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Если бы вы попытались заменить один из нейтронов протоном или наоборот, у вас бы получился феномен вроде лох-несского чудовища или снежного человека: очень занятный, но несуществующий. Физики так ценят симметрию, поскольку с фундаментальной точки зрения любые два электрона — или любые две элементарные частицы одного и того же типа — в точности одинаковы, неразличимы. На микроскопическом уровне нельзя сказать «тот электрон» и «этот электрон». Мы просто отмечаем, что их два.
Так, но не совсем. У электронов есть еще одно свойство — спин, — как мы заметили, когда обсуждали в предыдущей главе ЭПР-парадокс. Спин электрона может быть направлен вверх или вниз. В чем разница? Во многих случаях разницы никакой. Например, электрон со спином, направленным вверх, имеет ту же массу и заряд, что и электрон, чей спин направлен вниз. С другой стороны, если мы пропустим электрон со спином, направленным вниз, через магнитное поле, он отразится не в том направлении, что электрон, чей спин направлен вверх. Более того, при помощи магнитного поля можно превратить электрон со спином, направленным вниз, в электрон со спином, направленным вниз, и наоборот. Тут-то в игру и вступает симметрия. Физики отмечают, что две частицы совершенно одинаковы, кроме одного относительно небольшого различия. Мы думаем о них как о двух версиях одной и той же частицы.
Разумеется, иногда эта аналогия оказывается довольно-таки наткнутой. Например, при игре в мини-гольф можно всегда заменить красный мяч синим, и ничего ужасного не произойдет. На игровые качества мяча цвет, повторим, не влияет. Но что будет, если мы заменим красный мяч футбольным? С точки зрения игры в гольф такая подмена будет «плохой симметрией», поскольку один мяч влезает в лунку, а другой — нет. Однако если бы вы не играли в гольф, а хотели проверить, ровный ли у вас в гостиной пол, то мяч для гольфа и футбольный мяч послужили бы этой цели с одинаковым успехом.
Более того, у электронов есть еще одно качество — так называемая фаза, которую вообще невозможно измерить. Измерить можно только разницу в фазах между двумя электронами[71].
Два электрона с разными фазами в некоторых отношениях — одна и та же частица, а в некоторых — разные.
Да уж, с этими электронами одна морока.
В 1940 годах Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института придумал совершенно новый подход ко всему этому. Он спросил, что бы произошло, если бы существовало поле, способное менять фазу электрона (или любой другой заряженной частицы) на другую фазу. Пробившись сквозь математические дебри, он обнаружил, что это и есть электромагнитное поле. Такое странное предположение — что электроны с одной фазой можно превратить в электроны с другой — стало основой для того, чтобы предсказать все, что касается света. Если бы Фейнман проделал те же вычисления на сорок лет раньше, то предсказал бы фотоны до того, как Эйнштейн доказал, что они существуют.
Мы полностью согласны, что такой подход, получивший название «квантовая электродинамика», представляется абсолютно надуманным. У нас нет ни малейших представлений о том, почему Вселенная решила обзавестись физическими законами, построенными так, чтобы для них были справедливы аргументы, основанные на симметрии. Но это факт — аргументы справедливы.
Именно в этом случае физики и вспоминают о своей старинной подружке — симметрии. Может быть, если этот подход годится для одной из фундаментальных сил, он сгодится и для остальных? На первый взгляд электроны и нейтрино не слишком похожи друг на друга. Во-первых, электроны заряжены отрицательно, а нейтрино электрически нейтральны. С точки зрения электромагнетизма они вообще очень разные. Хотя обе частицы крайне легки, нейтрино настолько малы, что физики долгое время считали, будто у них вообще нет массы.
Однако у электронов и нейтрино явно есть нечто общее. Если в результате реакции появляется нейтрино, можете смело ставить последний доллар за то, что в этом замешан электрон. Поэтому, вероятно, эти частицы в чем-то симметричны, только симметрия очень слабая. Гипотеза заключается в том, что существует слабое поле, а на самом деле целых три, которое способно превратить электрон в нейтрино и наоборот, или превратить u-кварк в d-кварк, или позволить нейтрино разбегаться друг от друга. Маленькие «кусочки» этого поля можно засечь детектором — это частицы W и Z.
Ми могли бы проделать примерно такие же или гораздо более сложные логические выкладки и выявить качества глюонов, носителей сильного взаимодействия, или гипотетического гравитона, носителя гравитации. Но мы этого делать не будем. Нас (как и исследователей, работающих на БАК) интересует разгадка тайны слабого взаимодействия. Формулы слабого взаимодействия, которые получаются, когда мы проделываем вычисления, основанные на симметрии, оказываются почти идеально точными — как и в случае с электромагнетизмом.
Почти.
В главе 1 мы видели другую форму симметрии. Тогда мы ее так не называли, но отметили, что вся физика Вселенной имеет одинаковый смысл, когда вы стоите неподвижно или двигаетесь равномерно и прямолинейно. Кроме того, мы видели, что скорость частиц, очевидно, менялась в зависимости от того, двигаетесь вы или сохраняете неподвижность. С одним исключением: частицы, лишенные массы, всегда двигаются со скоростью света.
Очевидно, в частицах, лишенных массы, есть что-то особенное, и из этого должно следовать, согласно нашим симметрическим аргументам, что все частицы-переносчики должны быть лишены массы. Фотоны и глюоны именно таковы. Хотя мы так и не получили гравитон, тот факт, что гравитация распространяется со скоростью света, означает, что гравитоны должны быть тоже лишены массы.
С другой стороны, частицы W и Z обладают массой, и еще какой[72].
Они примерно в 100 раз массивнее протона. С точки зрения математики нужно здорово повозиться с формулами, чтобы с этим разобраться.
Насколько мы понимаем, аргументы, основанные на симметрии, о которых мы говорили выше, и в самом деле описывают фундаментальные уравнения Вселенной. Частицы действительно способны превращаться друг в друга. Если эта догадка верна, то мы могли бы предсказать каждую из фундаментальных сил, существование электронов и нейтрино, различные разновидности кварков и так далее.
Но мы этого не можем. Главная проблема — это масса, она словно борец сумо на тренажере «Кузнечик». Массы должны быть лишены не только частицы W и Z. Если бы мы начинали с нуля, создавая самую простую из возможных моделей Вселенной, мы бы предположили, что кварки, электроны и нейтрино тоже должны быть лишены массы. А у них масса есть.
Большинство популярных книг по физике говорит о концепциях наподобие «спонтанного нарушения симметрии» и других технических терминах, цель которых — описать массу через реальные частицы. А на самом деле эти концепции — не более чем условное описание, При помощи которого описывается математика, которая (гм!) отлаживает уравнения, чтобы они предсказывали именно то, что мы наблюдаем на самом деле.
Так далеко мы заходить не хотим. В этом нет ничего нечестного. Более того, это и есть физика высшего сорта. Вы придумываете теорию, Вселенная не соответствует вашим предсказаниям, поэтому вы придумываете новый инструмент, чтобы подправить математику. Например, кварки поначалу были придуманы как математическое допущение, а потом оказалось, что они и вправду существуют.
Было бы глупо описывать математику, которая требуется, чтобы обойти препятствия, с которыми мы до сих пор столкнулись. Было бы отнюдь не глупо, если бы мы подвели итог. В 1960-х годах Питер Хиггс из Эдинбургского университета предположил, что во Вселенной существует еще одно поле — кроме тех полей, о которых мы уже успели поговорить. Назвали его весьма свежо и оригинально — «поле Хиггса». Поле Хиггса имеет одно радикальное отличие от всех тех полей, о которых мы упоминали: оно не несет силы.
Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную. Вы в нем так и купаетесь. Но почему же мы его не замечаем, если оно нас окружает? Что оно делает, это поле Хиггса? Попробуем объяснить предельно просто: представьте себе, что это поле — что-то вроде густого меда. Положите кварк в большое ведро, полное поля Хиггса, и подтолкните его. Что будет? Толкать кварк, взаимодействующий с полем Хиггса, труднее, чем вы думали. С физической точки зрения чем труднее что-то двигать, тем оно массивнее. То есть поле Хиггса «придает» частицам массу.
Мы бы не хотели слишком долго развивать эту аналогию. Если бы поле Хиггса действительно было похоже на густой мед, то частица, придя в движение, начинала бы потом тормозиться. А этого явно не происходит. И все же в основном картина состоит в том, что, подобно тому как электромагнитное поле создает взаимодействие, которое двигает заряженные частицы, поле Хиггса создает взаимодействие, которое придает частице массу.
Все это кажется чистой воды умствованием, верно?
Но дело отнюдь не в том, что нервный физик хватается за соломинку. Мы уже упоминали гипотезу о том, что разнообразные силы во Вселенной — всего лишь разные аспекты одной-единственной силы. Например, когда-то считалось, что электричество и магнетизм — совершенно разные явления, пока в 1865 году Джеймс Клерк Максвелл не показал, что это Просто разные аспекты одного и того же электромагнитного взаимодействия.
С тех самых пор физики пытаются показать, что оставшиеся четыре силы — это на самом деле три, две или в идеальном случае одна. Что же это означает? Ведь фундаментальные силы и в самом деле кажутся очень разными. Сегодня так и есть, однако, как выясняется, все зависит от того, достаточно ли Вселенная разогрета.
В 1961 году Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам показали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие — это одно и то же. На первый взгляд это смелое заявление. Различия между электромагнетизмом и слабым взаимодействием бросаются в глаза. Частица-переносчик у Электромагнетизма не имеет массы, а слабые взаимодействия происходят через частицы W и Z, которые очень и очень тяжелы. В результате электромагнитные взаимодействия могут распространяться на большие расстояния, а слабые взаимодействия — только на очень близкие».
В общем, сами видите: пока что получается, что это разные силы. Странно. Как же объединить два настолько различных явления? Глэшоу, Вайнберг и Салам рассмотрели то, как эти силы выглядели на заре Вселенной, при высокой температуре и энергии. И оказалось, что полная теория электрослабых взаимодействий требует четыре частицы-переносчика, которые взаимодействуют с примерно одинаковой силой.
Однако по мере того, как Вселенная остывала, поле Хиггса (которое существовало все это время и никуда не девалось) начало уставать. И когда оно (метафорически) вышло на пенсию, то начало принимать горячее участие в делах соседей. Три из электрослабых частиц (обе W и Z ) начали взаимодействовать с полем Хиггса и получили массу, а фотон так и остался без массы. Теперь, поскольку поведение частиц W и Z стало так разительно отличаться от поведения фотона, мы вынуждены дать взаимодействию новое название — слабое взаимодействие. Вроде бы получилась славная история с хорошим концом — если бы не одна малость.
Чтобы убедиться в том, что две настолько разные силы можно объединить, нужно убедительное доказательство. Теория электрослабого взаимодействия не безупречна. Нельзя взять и сочинить историю, а потом надеяться, что все в нее так сразу и поверят. Одно из самых солидных предсказаний электро-слабой теории — соотношение масс частиц W и Z . Было предсказано, что частицы Z на 13 % тяжелее частиц W, — и это экспериментально подтвердилось, причем до смешного точно.
Слабое место состоит в том, что если мы хотим, чтобы все это имело смысл, следует допустить, что поле Хиггса действительно существует. Иначе электромагнитные и слабые поля были бы до сих пор едины. Второй вариант — эта теория совершенно ошибочна, и нам нужно начинать с нуля. Однако, чтобы сохранить коллективный рассудок, предположим на минуту, что поле Хиггса существует. В этом случае, как и в случае всех остальных полей, маленькие кусочки поля Хиггса должны наблюдаться в виде частиц. Единственная сложность заключается в том, что «частица Хиггса» электрически нейтральна (а значит, при нормальных обстоятельствах ее трудно заметить) и крайне массивна (а значит, ее трудно создать в коллайдере, а если удастся, она очень быстро распадется).
Насколько она массивна, мы не знаем, но если бы она была легкой, мы бы давно ее пронаблюдали, а если бы она была слитком массивной, то частицы W и Z имели бы другое соотношение масс. Эти два ограничения заставляют считать, что частица Хиггса должна быть в 120–200 раз тяжелее протона, и цель игры, кроме того, чтобы обнаружить частицу Хиггса как таковую, — вычислить, какова ее масса. Даже до БАК физики, работающие на коллайдере-теватроне лаборатории им. Ферми, в начале 2009 года показали, что масса частицы Хиггса не может быть в 170–180 раз больше массы протона.
Как же мы собираемся вытащить одну из этих негодниц из коллайдеров? До сих пор мы говорили о столкновениях протонных пучков, но на самом деле есть занятие поинтереснее, чем сталкивать протоны. Когда частицы разгоняются, они набирают очень много энергии. Но когда встречаются два протона, сталкиваются не сами протоны, а их податливое содержимое.
Кварки и глюоны внутри каждого протона набирают во время пути вокруг коллайдера много энергии, и именно столкновение глюона с глюоном и высвобождает большое количество энергии, из которой создаются гигантские частицы вроде частицы Хиггса.
Почти все это мы додумали — или, лучше сказать, сделали крайне схематичный набросок, основанный на том, что нам известно. Нам известно, что эти частицы никогда не были засвидетельствованы ни в одном ускорителе частиц, однако в БАК можно будет проводить эксперименты с небывало высокими энергиями. Это значит, что если в предыдущих ускорителях мы уже исследовали нижнюю часть спектра масс, то теперь сможем искать самые массивные из частиц Хиггса, предсказываемых теорией. И мы уверены, что если столкнуть два кварка с достаточно высокой энергией, в результате реакции появится частица Хиггса.
Если она существует.
Итак, мы наконец поняли, зачем построили БАК, но мы знаем и то, что любопытному на днях прищемили нос в дверях и любопытство сгубило кошку[73].
Если мы откроем частицу Хиггса, будет здорово. Это определенно докажет, что мы страшно умные, но нам бы очень не хотелось перемудрить. Это не в наших интересах.
Например, если мы сумеем получить одну массивную частицу — частицу Хиггса, — столкнув два кварка, не окажется ли, что мы сумеем получить и другую, совсем другую частицу, крайне опасную? Конечно, при высокоэнергичном столкновении можно получить много всякой всячины. Общественность боится, что если две частицы столкнутся, они создадут что-то очень-очень страшное: черную дыру или некоторую экзотическую материю под лирическим названием «страпельки». Могут ли они уничтожить мир?
О черных дырах мы поговорим подробно в главе 5, а сейчас вам нужно знать лишь один важный факт: если вы уроните ключи в черную дыру, забудьте о них, поскольку их, увы, уже не вернуть. Существует точка, откуда нет возврата — так называемый горизонт событий, — и чем больше вещества падает в черную дыру, тем больше становится горизонт событий, а следовательно, и черная дыра.
Так что же произойдет, если два протона столкнутся в БАК и каким-то образом превратятся в черную дыру? Черная дыра будет массой самое большое в 14 тысяч масс протона — то есть по человеческим масштабам совсем крохотулечная. Более того, горизонт событий будет даже меньше, чем размер ядра атома. Нужно быть очень метким, чтобы уронить в нее хотя бы частичку.
Должно быть, вам кажется, будто можно вздохнуть с облегчением — ан нет, не расслабляйтесь! Следует помнить, что наша микроскопическая черная дыра — неостановимая машина для убийств. Стоит ей натолкнуться на другие частицы, и она их поглотит и будет расти все быстрее и быстрее. Мы боимся, что микроскопическая черная дыра, сформировавшись, начнет расти, упадет к центру Земли, где продолжит расти, и впоследствии поглотит Землю.
Ужас, правда?
БАК и его головная организация ЦЕРН были так озабочены проблемами связей с общественностью, которые возникли при строительстве и запуске коллайдера, что создали две экспертные группы — одну в 2003-м, другую в 2008 году, — которые должны были выяснить, есть ли вероятность, что мир будет уничтожен. Их заключение гласит, что «нет никаких оснований считать, что БАК представляет собой какую бы то ни было угрозу». Еще бы! Что еще они могли сказать? Однако если мы с вами немного подумаем, то придем к тому же заключению.
Первая утешительная новость — тот факт, что все процессы, которые будут происходить в БАК, уже происходили на Земле больше 100 тысяч раз, и мы по-прежнему с вами и можем это обсуждать.
Космические лучи двигаются с энергиями даже выше, чем те, которых мы достигнем в БАК. И они постоянно врезаются в атмосферу. Все опасности, связанные со столкновениями высокоэнергичных протонов, повторялись снова и снова.
Земля по-прежнему существует, следовательно, БАК не уничтожит Землю.
Давайте забудем о том, что Земля по-прежнему существует, и подумаем о том, почему она до сих пор не погибла. Прежде всего учтем, что, несмотря на колоссальные энергии, мы можем производить в БАК только частицы ниже определенной массы. Как мы уже говорили, верхний предел — примерно 14 тысяч масс протона. На практике он еще ниже, так как сталкиваются на самом деле кварки и глюоны, а не протон целиком. На самом деле будут создаваться частицы лишь примерно в тысячу раз массивнее протона.
С другой стороны, если мы хоть что-то понимаем в устройстве Вселенной, то знаем, что минимальная масса черной дыры составляет примерно 20 миллиардных долей килограмма — это так называемая масса Планка. Кажется, что она очень мала, но это примерно в квадрильон раз больше, чем самые массивные частицы, которые можно получить в БАК.
Откуда берутся эти пределы? Из неопределенности. В главе 2 мы увидели, что нельзя с определенностью сказать, где находится частица, и чем меньше ее масса, тем больше неопределенность. С другой стороны, когда мы говорим о черных дырах, то имеем в виду, что вся их масса заключена в пределах горизонта событий. Вывод: если черная дыра слишком мала, то она вся «не поместится» в пределы горизонта событий. Точка пересечения — величина массы Планка.
Всё наши знания показывают, что черные дыры размером меньше массы Планка образовываться не могут. Но вдруг мы ошиблись и они все равно образуются?
В главе 5 мы убедимся, что черные дыры в конце концов исчезают. Чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется. Рассуждать о том, насколько быстро испарится черная дыра из БАК, бессмысленно, даже если предположить, что такая дыра все-таки образуется. Для сравнения скажем, что с того момента, когда черная дыра сформируется, до того момента, когда она исчезнет, она сможет пройти лишь микроскопическую долю размера ядра атома. Иначе говоря, у нее не будет времени, чтобы что-то поглотить.
Более того, мы дадим руку на отсечение, что черная дыра испарится. Если физика частиц нас чему-то и научила, так этому простому правилу: если частицу удается создать в столкновении, значит, она способна распадаться.
До сих пор мы вели разговор в основном о таком способе использования БАК, когда в нем будут сталкиваться друг с другом отдельные протоны. С другой стороны, БАК можно настроить иначе, и в нем будут сталкиваться отдельные ядра тяжелых атомов, в основном свинца, и эта ионная настройка породила дополнительный набор страхов.
Вероятно, вы думаете, будто мы уже рассказали вам обо всех потенциальных ужасах. Однако множество космических лучей, которые прошивают нашу атмосферу, состоит из тяжелых ионов. Чем это отличается от происходящего в БАК? Разница в том, что тяжелые ионы в атмосфере сталкиваются с легкими атомами вроде кислорода, азота и водорода, поэтому мы на Земле никогда не видели, что бывает, когда сталкиваются два куска свинца.
Однако мы видели, что при этом происходит на Луне. На Луне ведь нет атмосферы, и космические лучи постоянно ее бомбардируют. Мы совершенно уверены, что Луна не уничтожена, поэтому и мы должны, вероятно, чувствовать себя в безопасности.
Вас это не убеждает, и мы слышим, как вы уточняете: «В безопасности? От чего?»
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала указать, что помимо u-кварков и d-кварков, о которых мы уже говорили, существуют и другие разновидности кварков. Всего их шесть, и u-кварки и d-кварки самые легкие — так уж совпало. Следующий по легкости — так называемый странный кварк, заряд которого, как и у d-кварка, равен — 1/3 .
Мы уже отмечали, что по большей части тяжелые частицы при всяком удобном случае распадаются на более легкие. Странные кварки имеют то же обыкновение. Однако есть вероятность, что гипер-ядра, содержащие один или два странных кварка, окажутся легче обычных ядер. Не верите? Как выяснилось, лишь 2 % массы обычного протона составляют u-кварки и d-кварки. Все остальное получается из энергии — энергии движения кварков и энергии взаимодействия между кварками и глюонами.
Не исключено, что гиперядра в БАК окажутся способны образовывать страпельки (состоящие из примерно равного количества странных кварков, u-кварков и d-кварков). Все это довольно-таки спекулятивно, поскольку странные кварки живут так мало, что не доступны никаким реальным экспериментам. Мы даже не знаем, что будет, если вводить странные кварки в обычную материю. В результате получилось огромное количество самых разнообразных теорий.
Некоторые из этих теорий абсолютно апокалиптичны. Их создатели и сторонники боятся, что стоит нам получить одну страпельку, и она свяжется с обычной материей, а обычная материя превратится в странную материю с меньшей энергией. Это будет происходить неопределенно долго, а в итоге планета и всё на ней погибнет. По случайному совпадению именно этот сценарий конца света подробно освещен в фильме «Возвращение Супермена», только вместо странной материи там криптонит[74].
Это и правда страшновато — с той лишь поправкой, что никаких страпелек, судя по всему, не существует. Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Врукхавенской национальной лаборатории сталкивает тяжелые ионы, что очевидно из названия. И никаких свидетельств существования страпелек там не обнаружили. От столкновения космических лучей страпельки тоже не получаются.
Так что спите спокойно. Физики часто придумывают устройства, которые способны уничтожить планету, но гигантская круглая дырка в земле к ним не относится.
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.
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[75].
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 Е = тс2 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[76], 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.
В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории XX 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 10-35 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.
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 на 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.
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.
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 Е = mс2 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.
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 XX века — вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.
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.
Альфред Э. Ньюмен — популярный в США персонаж карикатур, придурковатый мальчишка, который вечно дожидается, когда сзади подкрадется жареный петух и… «А мне-то о чем беспокоиться?» — девиз всей его жизни. — Примеч. перев.
Если правы создатели музейных диарам, этот сценарий вполне оправдался для некоторых пещерных людей. Кто мы такие, чтобы сомневаться в этом?
В котором наверняка замешана Трехсторонняя комиссия. Как же без нее.
В частности, Межправительственный комитет по переменам климата. Звучит очень официально. Не сомневаемся, Герман это учтет.
Кроме того, вы рискуете оказаться посреди проезжей части, бросая в воздух мелочь. Такие опасные эксперименты лучше предоставить самим математикам.
Мы писали эти строки а начале 2009 года, когда рыночные тенденция в целом представляются определенно неслучайными.
Хотя чего она от него хочет — это еще вопрос. Нам это известно не лучше вашего.
Глупости. Герман с 15 лет живет на чердаке.
Если вы понимаете сакральный смысл набора из трех игральных кубиков, значит, вам можно повышать очки за харизму.
Даже когда там торчит тетя Мейвис, которая постоянно жалуется на бурсит и кашляет в тесто для пудинга.
Тот изотоп урана, который кладут в бомбы и реакторы, называется уран-235, но уран-238 — тоже порядочная гадость.
Примерно как карьера М.-К. Хаммера, который только что был рэпером, ан глядь — уже проповедник.
К тому же это железный способ нокаутировать друзей своей научной эрудицией.
Напомним, что Бор — автор копенгагенской интерпретации.
В следующей главе мы подробно поговорим об антиматерии. Пока что считайте слово «позитрон» удобным условным обозначением.
Это не преувеличение — ничто не способно двигаться быстрее света, зато можно бесконечно к ней приближаться.
Например, телевидение подвалило многое узнать о пороге чувствительности у человека — для этого достаточно было пускать некоторые сериалы по четыре сезона кряду.
И от романтических свиданий — по сходным причинам.
Постарайтесь-постарайтесь, мы уверены: у вас получится.
То есть вся материя, которую можно увидеть и потрогать. Относительно темной материи ничего нельзя утверждать с уверенностью.
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.
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.
Шутим, шутим. Один из нас (Голдберг) постоянно участвовал в математических олимпиадах, так что он тоже спортсмен, а у спортсменов особое чувство юмора.
Строго говоря, за время, которое уходит у вас на это самое мгновение ока, полноценную насыщенную жизнь проживают, примерно сто миллионов пионов.
Возможно, отличает. Мы вернемся к атому в главе 9.
«Фантастическая четверка» черпает свою сверхчеловеческую силу в космических лучах, а значит, этот пример вдвойне уместен.
и + и + d = 2/3 + 2/3 — 1/3 = 1. Складываем заряды кварков и получаем заряд протона. Круто, правда?
Вычисления проделайте сами.
А иногда, очень редко: «Как ты думаешь, я привлекательный?» На что следует печальный вселенский ответ: «НЕТ!»
W-бозоны бывают двух разновидностей. Так набирается три.
Фаза — это что-то вроде кадровой синхронизации на старом телевизоре. Картинку все равно можно различить, даже если она чуть повернута.
Если уж они ленятся, так ленятся, и с дивана их не поднять.
В чем вы убедились (или не убедились), прочитав главу 2.
Если вас интересуют такого рода сценарии, рекомендуем вам «Колыбель для кошки» Курта Воннегута и горсточку валиума.
Миссис Этель Кранцтон (81 год), няня из города Белдинга в штате Мичиган, независимо разработала теорию струн, чтобы объяснить безобразные узлы, образующиеся с изнанки ее вышивок. Рукодельницы всего мира с восторгом приняли идею миссис Кранцтон, однако ученые отвергли ее как «путаную и неряшливую».
Эх вы, желторотые! «Пакман» — это такая обалденная видеоигра 1980-х годов, в которой желтый круг с пастью пожирал маленькие белые кружочки. Если он исчезал в туннеле в левой стороне экрана, то появлялся справа. Еще там были привидения.