Текст книги "Тайны открытий XX века"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 38 страниц)

Возвращение массы

Наше представление о мироздании основано на так называемой Стандартной модели. Однако она не лишена недостатков. Так, согласно ей, все субатомарные частицы – нейтрино, электроны, кварки – не должны иметь массы. Конечно, было бы полбеды, если бы все сводилось к тому, что в мире электронов и кварков нам никогда не потребуются весы – даже самые что ни на есть прецизионные. Плохо другое: частицы, масса которых равна нулю, должны двигаться со скоростью света – как и частицы света, фотоны, также не имеющие массы. Но это означает, что кварки и электроны просто не могут образовывать атомы. Они будут без удержу мчаться из одного конца Вселенной в другой, не встречая ничего на своем пути. А ведь все в мире должно состоять из атомов – люди, животные, звезды, планеты.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс попробовал примирить противоречия, предположив, что в космосе существует неизвестное нам поле – его так и назвали впоследствии «полем Хиггса». Оно заполняет все мироздание; по гипотезе Хиггса, пространство между частицами словно заполнено тяжелой, вязкой субстанцией. Оно всегда, при самой низкой энергии, отлично от нуля. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с полем Хиггса сильнее, легкие – слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу.

Данное поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, – хиггс-бозонам. «Облипая обычную частицу со всех сторон, – пишет на страницах журнала «Знание – сила» журналист Рафаил Нудельман, – эти бозоны наделяют ее способностью «сопротивляться» воздействию внешних сил – иными словами, наделяют ее инерцией, а масса, как известно, есть мера инерции».

По мнению некоторых ученых, имеется пять разновидностей хиггс-бозонов: три нейтральные и две заряженные. Однако Стандартная модель физики не позволяет рассчитать массу этих загадочных частиц; она ничего не говорит о том, как возникает поле Хиггса и как быстро распадаются хиггс-бозоны.

Как отмечает на страницах журнала «Scientific American» Гордон Кейн, масса хиггс-бозона, полученная расчетным путем, «оказывается огромной, а значит, массы всех остальных частиц тоже должны быть очень велики. Являясь неизбежным следствием Стандартной модели, такой результат порождает серьезные принципиальные трудности».

Из одного научно-популярного журнала в другой кочует пример, поясняющий, каким образом элементарные частицы приобретают массу. Перескажем его, слегка его подновив. Представьте себе окрестности футбольного стадиона. Сотни болельщиков рассеянно слоняются из стороны в сторону. Никто не обращает внимания друг на друга. Внезапно, как молния, распространяется новость: «Сычев идет, Сычев идет!» Все всматриваются в неприметного молодого человека, пересекающего площадь у стадиона. Новость эта, сказал бы физик, сродни хиггс-бозону. Она наделяет такого же, как все, парня необычайным весом. Десятки, сотни болельщиков спешат к нему, тянут блокноты, прося об автографе, что-то спрашивают, подбадривают, восхищаются. Его скорость падает почти до нуля, зато любой наблюдатель может сказать, какой вес обрел этот юноша – «элементарная частица большого города».

^{Теоретики полагают, что при столкновении протонов удастся обнаружить следы существования хиггс-бозонов}

^{Эта компьютерная модель демонстрирует следы, которые мог бы оставить во время эксперимента хиггс-бозон} 

Сами физики предпочитают прибегать к другому образу. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы – эти электроны, нейтрино, кварки, – дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Итак, предположим вслед за Хиггсом, что хиггс-бозоны наделяют элементарные частицы определенной массой. Их роль в мироздании столь важна, что некоторые физики кто иронично, а кто велеречиво именуют их «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной».

«И увидел Бог, что это скучно» – такими словами начинает повествование об этих загадочных частицах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман. Ведь без изобретения Питера Хиггса уравнения Стандартной модели физики мертвы. Они описывают призрачный мир – мир духов и привидений, мир, в котором ни одна элементарная частица не имеет массы. Лишь Хиггс наполнил мироздание невидимым морем частиц, придающих вес всему, что ни есть на этом свете. Однако все поиски их были напрасны. Поле Хиггса не удалось зафиксировать ни в одном эксперименте.

Так, осенью 2000 года из лаборатории CERN пришло известие, взволновавшее научный мир: при столкновении позитронов и электронов, разогнанных до невероятной скорости, похоже, обнаруживались следы хиггс-бозонов. Но подтвердить этот результат так и не удалось.

Понятно, с каким нетерпением ученые ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера неподалеку от Женевы. Тысяча двести чрезвычайно мощных сверхпроводящих магнитов разгонят протоны и антипротоны почти до скорости света, сталкивая их друг с другом. Здесь каждую секунду будет происходить до миллиарда столкновений. Возможно, эти эксперименты и подтвердят существование хиггс-бозонов.

^{Ученые могут обнаружить хиггс-бозоны по продуктам их распада} 

К опытам готовятся с оптимизмом. Если прежде ученые полагали, что масса хиггс-бозона должна быть равна 96 гигаэлектронвольт, что соответствует десяти в минус двадцать первой степени грамма (10^-21),то теперь, по данным уточненных расчетов, этот показатель должен быть равен 117 гигаэлектронвольт, то есть этот бозон можно обнаружить лишь после необычайно мощного столкновения частиц. В прежних экспериментах ученые почти подобрались к данному показателю – достигли 114 гигаэлектронвольт. Не хватило мощи ускорителя, чтобы обнаружить хиггс-бозон. Многие специалисты уверены, что эксперимент на новом коллайдере приведет к открытию этой загадочной частицы, наделяющей все мироздание определенной массой. «Дни хиггс-бозонов сочтены», – шутят физики.

Сэлектроны, струны и симметрия

Однако целью экспериментов на новом коллайдере будут не только хиггс-бозоны, но и так называемые суперсимметричные частицы. Как полагают ученые, у каждой известной нам частицы есть свой двойник. Открытие этих двойников станет очередным триумфом современной физики. Ученые даже могут описать некоторые свойства, которыми, очевидно, обладают суперсимметричные частицы. Некоторые из них могут быть в миллиарды и даже миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Современные ускорители не обладают достаточной мощностью, чтобы породить подобные частицы. И все же, как полагают многие специалисты, доказать их существование будет даже легче, чем отыскать хиггс-бозоны.

Ожидание неких революционных перемен в теоретической физике очень сильно, и некоторые результаты экспериментов, проведенных в последние годы, убеждают, что «по ту сторону» Стандартной модели действительно лежит «новая физика», которую есть смысл поискать.

В феврале 2001 года сенсационная новость пришла из стен Брукхэйвенской лаборатории. Здесь ученые из США, России, Германии и Японии измеряли магнитный момент мюона. Эта элементарная частица, как и электрон, относится к семейству лептонов, но в 207 раз тяжелее электрона. Подобно электронам, мюоны ведут себя, словно крохотные стержневые магниты: при движении сквозь магнитное поле они покачиваются относительно направления поля. По частоте этого покачивания можно определить магнитный момент.

Свободный мюон постоянно окружен облаком «виртуальных» частиц – фотонов, электронов, позитронов. Все они возникают из ничего и через долю секунды исчезают. При взаимодействии их с мюоном его магнитный момент увеличивается. Это было известно давно. Данный феномен называют «спиновой аномалией мюона». Стандартная модель позволяла точно рассчитать величину этой аномалии.

Однако расчеты оказались опровергнуты опытом. В накопительном кольце удалось разогнать мюоны почти до световой скорости и пропустить их сквозь мощное магнитное поле, при этом ученые измерили магнитный момент мюонов с невиданной прежде точностью. Так вот, величина его оказалась на 0,0004 процента выше, чем в уравнениях Стандартной модели.

По мнению большинства специалистов, полученный результат можно трактовать по-разному. Возможно, результат исказили крохотные погрешности. Но, может быть, Стандартная модель имеет свои пределы и ее недостаточно для объяснения всех явлений в микромире. Что если, совершая обороты в ускорителе, мюоны окутались облаком виртуальных суперсимметричных частиц, и потому их магнитный момент увеличился?

Гипотеза о существовании неизвестных частиц, не вписывающихся в Стандартную модель физики, отвечает устремлениям теоретиков. Так, согласно теории струн и М-теории, наряду с известными нам элементарными частицами, имеется целый «зоопарк» других частиц.

Ядром новой физики может стать так называемая Суперсимметрия. Во-первых, ее принцип подразумевает наличие хиггс-бозонов, придающих элементарным частицам массу. Во-вторых, при наличии Суперсимметрии фундаментальные взаимодействия могут соединиться и образовать так называемую Сверхсилу, или Суперсилу. Произойдет это, правда, лишь при «энергии Планка» – энергии, которая в десятки миллионов миллиардов раз выше, чем максимальная энергия, достижимая в современных ускорителях.

Наконец, теория струн тоже требует, чтобы мир был суперсимметричен. Ведь, согласно ей, все материальные и силовые частицы суть колебания одних и тех же крохотных струн, а значит, в основе основ между этими типами частиц нет разницы: материальные частицы (фермионы) могут превращаться в силовые (бозоны) и наоборот.

В основе теории Суперсимметрии также лежит идея о фундаментальном родстве бозонов и фермионов. Лишь стремительное расширение Вселенной и ее охлаждение нарушили Великую Симметрию, царившую в мироздании в первые доли мгновения после Большого Взрыва.

Следовательно, делают вывод теоретики, у каждой материальной частицы есть свой суперсимметричный двойник – некая силовая частица, и, соответственно, у каждой силовой частицы есть суперсимметричный материальный двойник. Это значит, что во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям.

Как отмечают специалисты, эта гипотеза позволяет избавиться от одного из минусов Стандартной модели – от невыполнения законов симметрии, предписываемых ею природе. С учетом суперсимметричных частиц (суперчастиц) эти законы выполняются.

Данные частицы еще предстоит открыть. Однако ученые уже давно раздают им имена. К суперсимметричным частицам, соответствующим фермионам, добавляют предлог «с», а к суперсимметричным напарникам бозонов – суффикс «ино». Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону – смюон, кварки дополнили скварками, нейтрино – снейтрино, суперсимметричный фотон назвали «фотино», ну а двойником еще не открытого хиггс-бозона стал хиггсино.

^{В лаборатории CERN готовятся к поискам хиггс-бозонов и суперсимметричных частиц. В 2007 году в физике грядет новая эпоха открытий?} 

По одной из моделей – Минимальной суперсимметричной стандартной модели элементарных частиц – наименьшая масса снейтрино может составлять около 50 гигаэлектронвольт, в то время как масса сфермионов превышает 1000 гигаэлектронвольт.

Результаты эксперимента с мюонами, проведенного в Брукхэйвене, могли бы стать первым фактом, подтверждающим, что эти таинственные частицы существуют. Именно присутствие суперсимметричных частиц объясняет, почему величина магнитного момента мюона оказалась именно такой. Если мюон взаимодействует с суперчастицами, всеми этими слептонами и сэлектронами, то его магнитные свойства обязательно будут отличаться от тех, что были бы у него, взаимодействуй он только с обычными частицами.

Возможно, эта гипотеза, а также правота авторов теории струн, окончательно подтвердится после 2007 года в экспериментах на новом коллайдере. Пока же теоретикам остается лишь мечтать. «Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», – говорит немецкий физик Херман Николаи. А Джон Шварц полагает даже: «В случае, если в опытах на новом коллайдере или каком-то другом ускорителе будет доказана Суперсимметрия, то это открытие станет одним из величайших в истории человечества. По моему мнению, оно гораздо важнее, чем возможное открытие жизни на Марсе».

^{«Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», – говорит Херман Николаи}

В комментарии к Брукхэйвенскому эксперименту, опубликованному на страницах журнала «Знание – сила», Рафаил Нудельман писал: «Переход от Стандартной модели к Суперсимметрии будет, конечно, концептуальной революцией. Если она произойдет, то затронет всю физику, от теории элементарных частиц до астрофизики и космологии».

Впрочем, вряд ли за пределами касты физиков найдется много тех, кто относится к их работе с таким же энтузиазмом. Восторг же самих физиков легко объяснить. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Следовательно, темная материя может состоять именно из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст также новый импульс поискам единой формулы мироздания.

Вот что писали по этому поводу в январе 2001 года на страницах «Physikalische Blaetter» Гудрид Моортгат-Пик из Венского университета и немецкий физик Петер Цервас: «Если прежние косвенные свидетельства не обманывают, значит, физика элементарных частиц находится на пороге важнейших открытий, которые могут сыграть решающую роль в создании единой теории материи и ее фундаментальных взаимодействий».

Новый век начался в ожидании великого открытия. Час его приближается…

1.6. А ПОЛЕТАТЬ НАЯВУ ХОТЕЛОСЬ БЫ!

Гравитация – самая слабая из известных нам сил, хотя ее проявления мы ощущаем на каждом шагу. Стоит споткнуться или выронить чашку из рук, как мы немедленно понимаем: во всем виновата гравитация. Предполагают, что она порождена снующими всюду «частичками гравитации», аналогичными частицам света – фотонам. Однако природа гравитонов не ясна, хотя их существование убедительно объясняет действие силы тяжести, феномен инерции и релятивистское возрастание массы.

След яблока давно простыл?

Ни об одном физическом феномене не известно так много и в то же время так мало, как о гравитации. Мы все, в любой момент времени, испытываем действие этой силы на себе. Однако ее природа и механизм ее действия до сих пор непонятны.

Конечно, четвертый закон Ньютона помнят многие. Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И все помнят апокрифический анекдот, связанный с этим законом, – впервые его рассказал в 1728 году Генри Пембертон, биограф знаменитого физика.

^{По теории Ньютона, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой} 

Летний отдых в саду. Мечтания Ньютона грубо прерваны яблоком, упавшим ученому на макушку. Возмущение. Озарение. След яблока на голове Ньютона давно простыл, а идея пережила века, впечаталась в миллиарды учебников, втемяшилась в миллиарды голов. Столетиями без обиняков рассказывали этот милый анекдотец, хоть правды в нем не было ни на йоту, а кое-кто до сих пор сомневается в правоте выводов Ньютона относительно природы гравитации. Согласно его теории, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой. С математической точки зрения, эта теория очень проста; она практически точно описывает все наблюдаемые феномены. Ее правота подтверждена и расчетным путем (вспомните планеты, открытые астрономами «на кончике пера»), и на практике (иначе невозможны были бы космические полеты).

Для нас ньютоновская теория тяготения – те же «дважды два» из области физики. Мы воспринимаем ее как нечто само собой разумеющееся. Современники Ньютона встретили ее с недоумением. Сразу посыпались вопросы. И чаще всего такой: «Почему сила тяготения действует бесконечно быстро?» Ньютон не нашел ничего лучшего, как представить гравитацию промыслом Божьим. Именно дух Господень пронизывает все мироздание и скрепляет его – гипотеза хоть и благочестивая, но не имеющая отношения к науке.

^{Согласно Эйнштейну гравитация – это результат искривления пространства} 

Лет через двести после появления четвертого закона Ньютона, когда была точно измерена орбита Меркурия, зародились первые сомнения в его универсальности. В 1915 году Альберт Эйнштейн разрешил видимые противоречия, установив, что при скоростях, близких к скорости света, поведение тел меняется, а потому и закон всемирного тяготения выражается несколько иной формулой, чем было известно со времен Ньютона.

Согласно Эйнштейну, гравитация – это результат искривления пространства. Представьте себе, что космос похож на огромное, туго натянутое резиновое полотнище. На нем лежат металлические шарики разной величины. Будем считать их небесными телами. Под их весом в полотнище возникают углубления – эти искривления и есть «гравитация». Чем массивнее шарик, тем глубже «впадина» под ним. В эту ложбинку в пространстве-времени поневоле скатывается все, что приблизится к шару. Гравитация, говорит Эйнштейн, это пространственная геометрия. Однако у современных физиков есть немало вопросов и к этой теории. Мы не можем пока описать действие гравитации в микромире. Эта область мироздания подчиняется законам квантовой механики, а потому частицы взаимодействуют здесь иначе, нежели мы привыкли себе представлять.

Неслучайно в последнее время вновь пробудился некоторый интерес к гипотезе швейцарских ученых XVII – XVIII веков Николя Дюилье и Жоржа Лесажа. Ее английское название – «Pushing Gravity» – можно перевести как «гравитация – это давление».

Основная идея подкупающе проста. Тела не притягиваются, а придавливаются друг к другу бессчетными невидимыми частицами, снующими всюду. Они в чем-то аналогичны частицам света – фотонам. Любое тело равномерно окружено потоками этих частиц. Между любыми двумя телами возникает «гравитационная тень» (она подобна «световой тени», отбрасываемой нами в солнечный день), ведь, оказавшись сравнительно близко друг от друга, они перегораживают часть этих потоков. Количество «частиц гравитации» вокруг любых двух тел заметно больше, чем между ними. Так создается перепад давлений – та самая сила тяготения.

^{«Гравитация – это давление», – считал швейцарский ученый XVIII века Жорж Лесаж} 

«Мне подумалось об этом, – писал Лесаж, – в один прекрасный день, когда я наблюдал за каретой. Лошадь вовсе не тянула карету за собой; она надавливала на упряжь… Растягивающее усилие на поверку оказалось сдавливающим!»

Следующее сравнение поможет понять эту парадоксальную идею. Представьте себе, что вы нырнули в воду. Кажется, какая-то непонятная сила тянет вас наверх – словно десятки незримых веревок привязаны к вашим рукам и ногам! Вы заблуждаетесь: вас выталкивает наверх вода. Ведь давления внутри жидкости на разных уровнях неодинаковы. Разность давлений и создает выталкивающую силу.

Одновременно эта гипотеза объясняет природу еще двух загадочных феноменов: инерции и релятивистского возрастания массы. Снова прибегнем к сравнению. Допустим, вы забрасываете в воду сеть. Если вы тянете сеть очень медленно, то почти не чувствуете сопротивления воды. Если потянуть сеть быстрее, она натягивается и тянуть ее становится все труднее. Она словно прибавляет в весе. Вот так, по теории Эйнштейна, с увеличением скорости движения тела возрастает его масса.

Вот еще один важный вывод из этой теории. Дальность действия силы гравитации вовсе не бесконечна. Расчеты показывают, что она составляет около 3 тысяч световых лет. В таком случае решается проблема, волновавшая еще Ньютона: взаимная сила притяжения всех космических тел так велика, что они неминуемо должны устремиться навстречу друг другу, как россыпь металлических опилок, если поместить посреди них мощный магнит. Если же радиус действия силы гравитации ограничен, то этого не произойдет.

Однако теория Лесажа была в свое время обоснованно отвергнута. Вот, например, почему против нее возражал известный математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Во-первых, эта теория предполагала, что материя состоит в основном из пустот, и это казалось бессмыслицей. Это теперь мы знаем, что электроны – это крохотные островки, затерянные в огромном, как океан, атоме. Примерно на 99,999 процента любой атом состоит из пустого пространства. Во-вторых, по расчетам Лапласа, эти таинственные частицы должны были двигаться быстрее света. Ученый отверг это предположение. В-третьих, теория ему не понравилась – и все тут.

Крупнейший британский физик XIX века Джеймс Максвелл тоже раскритиковал эту теорию. Предположив, что все тела поглощают частицы гравитации, он подсчитал, чем это может грозить. Выходило одно из двух: либо все тела разогреются до такой степени, что немедленно испарятся, либо их масса возрастет настолько, что планеты сойдут со своих орбит.

Энтузиасты этой теории подчеркивают: «Если гравитация обусловлена действием особого рода частиц, значит, можно как-либо защититься от них». Однако опыты, поставленные ими, не впечатляют коллег.

Впрочем, иногда опыты ставит сама природа. Вот что происходит во время полного солнечного затмения. По теории Ньютона, силы гравитации, создаваемые Солнцем и Луной, просто суммируются – независимо оттого, закрывает ли Луна Солнце или нет. По теории Лесажа, в момент солнечного затмения сила гравитации должна измениться, поскольку Луна, заслонив Солнце, оказалась внутри его «гравитационной тени». Результаты наблюдений получались противоречивыми, но чаще всего они соответствовали теории Лесажа.

Вот, например, в 2000 году авторитетный журнал «Physical Review Letters» опубликовал данные, полученные китайскими физиками во время полного солнечного затмения, наблюдавшегося 9 марта 1997 года. Согласно им, сила гравитации заметно менялась в начале и конце затмения.

Однако, по большому счету, эти данные тоже ничего не доказывают. Измерять действие гравитации на различные объекты, находящиеся на нашей планете, крайне трудно, поскольку эта сила очень мала, а погрешность полученных результатов, наоборот, велика. Лучше всего изучать действие гравитации на примере космических объектов.

Например, околоземные спутники периодически оказываются в земной тени. Наша планета закрывает их от Солнца. По результатам наблюдений, которые проделал физик Том ван Фландерен, соавтор выпущенной в Канаде книги «Pushing Gravity», в момент этого «затмения» приборы, установленные на спутниках, фиксируют некоторое изменение гравитации. Возможно, этот факт подтверждает гипотезу Лесажа; возможно, причина в чем-то ином.

Не исключено, что гравитоны удастся обнаружить весной 2006 года, когда закончится эксперимент, проводимый сейчас на околоземной орбите, на борту зонда «Gravity Probe В». Этот эксперимент должен показать, возникает ли гравитация лишь в результате искривления пространства, как считал Эйнштейн, или же ее создает некое неизвестное пока силовое поле – «поле гравитонов».