Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

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 электрослабой 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 слишком 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.

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[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.