Кэмпбелл знает, каково это – проводить эксперимент на таком объекте удаленно. Свои эксперименты для докторской в Кембриджском университете она проводила, сидя за компьютером в своей лаборатории, в то время как ее тщательно подготовленные образцы кристаллов удаленно помещались в луч кем-то другим из британского источника синхротронного излучения Diamond. Она нажимала кнопку «Обновить», и на ее экране появлялась новая форма белковой структуры. Пока Кэмпбелл получала представление о белках, фактическая геометрия всего эксперимента оставалась скрытой. Теперь она была по другую сторону: помогала удаленным пользователям проводить эксперименты, чтобы узнать как можно больше о коронавирусе.
Биологов, с которыми работала Кэмпбелл, не пугали ни удаленная настройка, ни работа допоздна. Без синхротрона им пришлось бы проводить дни напролет, используя лабораторный источник рентгеновского излучения: чтобы получить изображение с разных углов, уходит около 40 минут (кристаллография включает в себя получение изображений под углом 180 градусов, дифракционных картин и восстановление трехмерной структуры с помощью математики). На экспериментальной установке MX2 получение изображения под углом 180 градусов занимает всего 18 секунд. Так что если кто-то пытается протестировать ряд образцов, например с небольшими вариациями белка, то это займет всего несколько часов работы, хотя раньше это могло бы стать предметом целой кандидатской диссертации. Уникальные свойства синхротронного излучения позволяют проводить эксперименты, которые раньше были просто невозможны. Без синхротронов биологам потребовались бы годы, чтобы понять структуру SARS-CoV-2.
По всему миру на подобных объектах ученые объединили усилия ради одной цели: составить карты в атомном масштабе как можно большего числа белков, составляющих SARS-CoV-2. В более спокойные времена исследователи использовали подобные устройства для создания изображений и расшифровки структур многих ключевых биологических молекул, что привело к новым методам лечения СПИДа, рака кожи, диабета 2-го типа, лейкемии и сезонного гриппа, а также к прорывам в борьбе с вирусами Эбола, Зика и атипичной пневмонии. Вот почему около 50 источников синхротронного излучения по всему миру можно считать нашей передовой защитой от возникающих вирусных заболеваний.
К закрытию первого из этих специализированных синхротронов, Источника синхротронного излучения Дарсбери (SRS), в 2008 году на его базе было проведено около 11 000 научных исследований. Он помог с тысячами открытий, которые прямо или косвенно повлияли на нашу жизнь. Новые материалы для одежды и электроники, новые фармацевтические препараты и моющие средства – вот лишь некоторые из продуктов, появившихся в результате исследований на этом предприятии. Трудно представить, насколько далеко простирается использование такого объекта, однако точно известно, что его применяли 11 из топ-25 британских компаний, ранжированных по уровню расходов на НИОКР.
SRS использовали для определения структуры ящура, что привело к созданию новых вакцин, и для понимания такого явления, как «гигантское магнетосопротивление», или ГМС, – хитрость, стоящая за огромной емкостью памяти в наших электронных устройствах, таких как iPhone. Исследования SRS способствовали созданию более чистого топлива и ряда новых лекарств. Он даже внес свой вклад в культурное наследие, изучив образцы с военного корабля Тюдоров «Мэри Роуз», чтобы узнать, как лучше сохранить останки. В исследовании, проведенном компанией Cadbury – производителями шоколада, – изучалось образование кристаллов в шоколаде, чтобы сделать его вкус еще более насыщенным. Аналогичный метод был использован для изучения образования кристаллов в металлах с целью повышения безопасности полетов.
Ошеломительные прорывы – «хлеб с маслом» для таких предприятий. Они творят науку со скоростью, за которой трудно угнаться. История синхротронного излучения еще раз дает понять, как сильно инструменты физики могут трансформировать другие области науки. Она напоминает нам о том, что различные области знаний неразделимы, от самых маленьких до самых больших объектов в природе и всего, что находится между ними. По словам Кэмпбелл, она чувствует себя маленькой, просто входя в это большое сооружение каждый день. Иногда ее поражает, насколько сложны синхротроны. Команда физиков, работающих с ускорителями, наверняка сказала бы то же самое о ее работе. Вот почему многие современные научные прорывы обязательно носят междисциплинарный характер: ни один человек не может сам полностью понять весь процесс. Тем не менее, используя этот продукт физических исследований, ученые, подобные Кэмпбелл и ее предшественникам, могут создать знания, которые имеют гораздо более широкий охват, чем могли когда-либо предсказать физики из General Electric, Лоуренс, Керст или Олифант. Как мы видим, это знание выходит за рамки биологии и даже за пределы нашей планеты. Понимание фундаментальной науки, лежащей в основе синхротронного излучения, помогло открыть отличный инструмент для астрономии. Астрономы смогли увидеть объекты в космосе в совершенно новом свете, раскрыв внутреннюю работу всего, от галактик до квазаров и черных дыр, поскольку все они испускают синхротронное излучение в форме радиоволн. Сегодня радиоастрономы изучают сложное поведение магнитных полей, генерируемых в малоизученных областях Вселенной, – например, вспомните недавние наблюдения так называемых быстрых радиовсплесков: чрезвычайно мощные импульсы радиоволн длительностью в миллисекунду, указывающие на новые высокоэнергетические процессы, которые мы еще не до конца понимаем. Космологи тем временем рассматривают существование магнетизма в отдаленных областях космоса как объяснение быстрого расширения ранней Вселенной. Наличие источников синхротронного излучения дает физикам инструмент, который объединяет их в стремлении понять физику очень большого и очень малого.
Это все возможно, потому что принципы физики применимы не только к Земле, но, насколько нам известно, ко всему. Та же самая физика, благодаря которой мы можем раскрывать тайны внешних пределов Вселенной, позволяет разгадывать внутреннюю работу нашей биологии и предпринимать меры, когда что-то идет не так. Нет никакой особой причины, по которой Вселенная должна работать именно таким образом, но она так работает, и это завораживает.
В конце концов, синхротронное излучение, которое оказалось таким невероятным инструментом для астрономов и других ученых, стало огромным препятствием для физиков элементарных частиц. Они хотели ускорять частицы до все более высоких энергий, чтобы разбивать атомы, но столкнулись с тем фактом, что частицы излучают энергию, когда их разгоняют быстрее. Ученым пришлось бы еще больше увеличить количество энергии, чтобы преодолеть ее потерю. Вскоре они достигнут практического предела того, сколько энергии могут придать частицам – по крайней мере, некоторым из них.
Формула излучения предсказывала, что ускорение частиц с малой массой, таких как электроны, до высоких энергий будет проблемой, но что мощность испускаемого излучения будет намного ниже для более тяжелых частиц. Протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, но излучает в 1013 раз меньше излучения, чем электроны[172]. Оборотной стороной является проблема, связанная с искривлением траектории высокоэнергетических протонов в циклическом ускорителе, для чего требовались либо очень сильные магниты, либо гораздо большее кольцо, чем у ускорителей электронов. Поскольку физики были полны решимости разогнать протоны до более высоких энергий, следующее стало неизбежным: ускорители частиц, построенные во второй половине ХХ века, будут расти и расти.
Физикам пришлось объединить усилия и собрать специализированные команды инженеров, аналитиков данных, менеджеров и других специалистов, чтобы создавать огромные машины и управлять ими. Они стали одними из первых, кто внедрил вычислительную технологию, и им пришлось создавать новые способы регистрации частиц – все это требовало выхода за границы возможного. Со временем их поиски выявили гораздо больше частиц, чем кто-либо предполагал. Сотни исследователей пытались ответить на вопрос: существует ли в природе глубинный порядок? Можем ли мы предсказать и классифицировать множество различных частиц или наша реальность – просто управляемый вид хаоса?
Часть IIIСтандартная модель и выход за ее пределы
Не все люди способны понять секреты земли – только те, кто будет их искать[173].
Глава 8Физика элементарных частиц выходит на новый уровень: странные резонансы
Луис Альварес клевал носом, когда самолет, на котором он летел, Great Artiste, приближался к Японии. Это было 6 августа 1945 года, незадолго до рассвета, и тридцатичетырехлетний физик был измотан. Его пилот следовал за другим самолетом, бомбардировщиком B-29 Enola Gay. Третий, неназванный, самолет, позже получивший прозвище «Необходимое зло», летел рядом. В отличие от большинства бомбардировок Второй мировой войны, в которых были задействованы сотни самолетов, в этой участвовали только три: они должны были скрытно подлететь и сбросить одну бомбу на город Хиросима. Но не обычное оружие, а «Малыша» – атомную бомбу, начиненную обогащенным ураном.
Альварес использовал свои знания физики в разработке «Малыша» в рамках Манхэттенского проекта – секретной американской программы, задуманной совместно с союзниками из Великобритании и Канады, – в котором было разработано первое ядерное оружие. За время войны проект превратился в огромное предприятие, на котором было занято 100 тысяч человек, большинство из них даже не подозревали о цели своей работы. Когда военное руководство приняло решение использовать новое оружие против Японии, Альваресу