Текст книги "Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности"

Автор книги: Дэйв Голдберг

Соавторы: Джефф Бломквист
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 20 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

VI. Как же старина БАК, такой малюсенький, уничтожит такой большой мир?

Итак, мы наконец поняли, зачем построили БАК, но мы знаем и то, что любопытному на днях прищемили нос в дверях и любопытство сгубило кошку[74]74
  В чем вы убедились (или не убедились), прочитав главу 2.


[Закрыть]. 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?

Ультрасупермегакошмарный сценарий № 1. Черная дыра заглатывает Землю изнутри

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.

Все 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.

Ультрасупермегакошмарный сценарий № 2. Образуются страпельки, которые затем сольются в кристалл, отчего весь мир станет странным. То есть странной материей

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 гиперядра, 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[75]75
  Если вас интересуют такого рода сценарии, рекомендуем вам «Колыбель для кошки» Курта Воннегута и горсточку валиума.


[Закрыть].

Это и правда страшновато – с той лишь поправкой, что никаких страпелек, судя по всему, не существует. Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхавенской 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.

VII. Удовлетворятся ли физики достигнутым, обнаружив частицу Хиггса?

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.

Теория струн

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[76]76
  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».


[Закрыть]. 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 E = mc² 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[77]77
  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.


[Закрыть], 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.

Петлевая квантовая теория гравитации

В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории ХХ 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 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.

Приложение А.

Полицейский архив. Досье на фундаментальные частицы

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 из 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.

Лептоны

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.

Кварки

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 E = mc ² 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.

Переносчики взаимодействия

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 ХХ века – вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.

И наш герой. 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.