я описания таких процессов, результат получился абсурдным; теория предсказывала бесконечные вероятности. Не слишком мудрый вывод о природе, на самом деле — просто бессмыслица. Очевидно, была нужна новая теория, такая, которая сохраняла бы достижения уже существующей, но при этом не давала бы абсурдных ответов на вполне разумные вопросы, даже если эти вопросы относятся к экспериментам, которые никогда не проводились и, вероятно, никогда не будут осуществлены. Я и другие физики-теоретики работали над этой проблемой в 1960-х гг., и в итоге мы нашли такую теорию. Оказалось, что новая теория не только описывает слабое ядерное взаимодействие, но является универсальной теорией, применимой и к более привычным силам, к электромагнетизму. Кроме того, новая теория предсказала существование нового типа слабого взаимодействия, который впоследствии был обнаружен в экспериментах с частицами высоких энергий. Но не эксперимент привел к созданию этой теории.
Иногда мы сталкиваемся с загадками в тех теориях, которые согласуются со всеми данными наблюдений и не имеют внутренних противоречий, но при этом являются очевидно неудовлетворительными, поскольку содержат слишком много произвольных параметров. Фактически сейчас мы столкнулись именно с этой проблемой. У нас есть теория, объединяющая сильное взаимодействие (силы которого удерживают вместе кварки внутри частиц атомного ядра) с электромагнитным и слабым взаимодействием. Теория, получившая название Стандартной модели, объясняет все эффекты, которые мы можем измерить в наших научных лабораториях физики элементарных частиц. Она дает идеальные конечные и разумные результаты, когда мы используем ее для расчетов, и при этом теория остается неудовлетворительной, поскольку слишком большое количество параметров модели приходится подбирать, чтобы согласовать результаты расчетов с экспериментальными данными. Например, в Стандартной модели есть шесть типов частиц, которые называются кварками. Почему их шесть? Почему не четыре или восемь? Ответа нет. Почему у этих частиц именно такие свойства? Самый тяжелый из кварков примерно в 100 000 раз тяжелее самого легкого. Мы не знаем, чем обусловлена такая разница в массе; ее значения подбираются просто для подгонки под эксперимент. В этом нет никаких противоречий; теория согласуется с экспериментом, только, очевидно, не дает окончательных ответов.
Есть в этой «кунсткамере» и свой «слон»: гравитация вообще никак не учтена в Стандартной модели. В принципе, у нас есть достаточно правдоподобная теория гравитации — ОТО Эйнштейна, которая отлично работает в отношении всех наблюдаемых явлений, но все же и она приводит к бессмысленным результатам, когда рассматриваются системы с экстремальными энергиями. Такие энергии невозможно получить в лабораторных условиях, но мы можем мысленно моделировать подобные состояния, и, когда мы используем для этого теорию гравитации, перед нами встают новые загадки.
Начиная с 1970-х гг. мы располагаем теорией слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия, имеющей слишком много произвольных параметров, и теорией гравитации, которую невозможно распространить на системы с экстремально высокими значениями энергии. И мы застряли в этом состоянии, поскольку наши ускорители элементарных частиц не приносят новых данных, которые загадывали бы нам новые загадки и подпитывали наше воображение. Одной из причин тому стало решение конгресса отказаться от строительства большого ускорителя в Техасе, того самого Сверхпроводящего суперколлайдера.
Теперь мы надеемся на получение значительных результатов на Большом адронном коллайдере, новом ускорителе, который только начинает работать в Европе. БАК представляет собой круговой туннель длиной 26,7 км, расположенный на границе между Францией и Швейцарией на глубине около 150 м. В этом туннеле два пучка протонов разгоняются по кругу в противоположных направлениях и затем сталкиваются. Мы надеемся, что, изучая происходящие при этих столкновениях процессы, мы совершим новые открытия, которые либо помогут нам решить уже существующие загадки, либо явят новые захватывающие головоломки.
Недавно были выполнены первые эксперименты по столкновению двух пучков частиц. Пока количество частиц в пучках и энергии столкновения недостаточно велики, чтобы можно было обнаружить какие-то новые эффекты, но мы возлагаем большие надежды на БАК в ближайшей перспективе.
Я уже говорил, что я теоретик. Я не работаю на БАК. Я был там в июле, и мне показали один из четырех огромных детекторов частиц, расположенных вдоль кольцевого туннеля в местах, где сталкиваются частицы. Детектор ATLAS, который я видел, производит сильное впечатление. Представьте себе зал приемов — вот примерно в таком помещении установлен детектор ATLAS. У меня на самом деле возникло чувство, будто я нахожусь в кафедральном соборе.
У меня нет тех навыков и опыта, которыми обладают экспериментаторы, работающие на БАК, однако я с уверенностью могу сказать, чем они занимаются. Я надеюсь, что их открытия выведут нас из застоя, в котором мы пребываем уже несколько десятков лет. К примеру, существует чрезвычайно привлекательный принцип симметрии, известный как суперсимметрия. Этот принцип занимал внимание многих теоретиков последние 30 лет, но до сих пор не было ни единой крупицы доказательств. (Ладно, одна крупица все же существует, но она не слишком большая.) Мы надеемся, что в БАК удастся получить новые типы частиц, существование которых предсказано теорией суперсимметрии. Может оказаться, что свойства одного из таких типов частиц будут подходящими для объяснения темной материи, масса которой, по утверждениям астрономов, составляет 5/6 всей массы Вселенной. (Темную материю не стоит путать с еще более загадочной темной энергией. К сожалению, о темной энергии БАК, скорее всего, нам ничего не расскажет.) Если такие частицы удастся обнаружить, я полагаю, это станет триумфом физики в платоновском смысле. Что ж, поживем — увидим.
Итак, прямо сейчас мы переживаем переломный момент в истории фундаментальной физики. Больше всего мы надеемся на неизбежное возрождение перекрестного оплодотворения теории и эксперимента, которое было столь успешным в 1960-е и 1970-е гг. и с тех пор потеряло свою силу.
3. От Резерфорда до БАК
Каждый апрель в Вашингтоне проводятся встречи Американского физического общества. Время проведения встреч специально подобрано так, чтобы оно не совпадало с цветением вашингтонских японских вишен и повышенными ценами на проживание в отелях, которые сопровождают период цветения. В апреле 2011 г. отмечалось столетие одного из самых переломных событий современной физики — открытие Резерфордом атомного ядра. По этому поводу Физическое общество решило провести специальное заседание под названием «Столетие физики частиц». В этой главе приведен текст моей вступительной речи. Эта речь была опубликована в августе 2011 г. в журнале Physics Today, ежемесячном периодическом издании Американского института физики.
И выступление в Вашингтоне, и статья в Physics Today не изобиловали математикой и предназначались физикам, интересующимся историей науки, а не только специалистам в области физики элементарных частиц, поэтому я решил, что статья будет понятна и более широкой аудитории. Однако, перечитав текст, я обнаружил, что позволил себе использовать термины, такие как «спин» и «барион», которые могут потребовать пояснений для неспециалистов. По этой причине я добавил разъяснения в сносках, но сохранил основной текст статьи практически без изменений. Обсуждение некоторых вопросов на более доступном уровне можно найти в главе 11 этого сборника.
7 марта 1911 г. Эрнест Резерфорд принял участие в заседании Манчестерского литературно-философского общества — того самого, которому веком ранее Джон Дальтон докладывал об измерении массы атомов. На этой встрече Резерфорд объявил об открытии атомного ядра. Американское физическое общество решило отмечать в этот день начало века физики элементарных частиц.
Я считаю, что это мудрое решение. Одна из причин именно такого выбора состоит в том, что эксперимент, поставленный Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, на результатах которого Резерфорд построил свои выводы о ядре, явился образцом для всех последующих экспериментов по рассеянию частиц, ставших с тех пор основным занятием для физиков. Только вместо пучков протонов или электронов из ускорителя Гейгер и Марсден использовали альфа-частицы радиоактивного распада радия, падающие на мишень из золотой фольги. А вместо проволочных, искровых или пузырьковых камер для обнаружения рассеянных частиц они воспользовались экраном, покрытым сульфидом цинка, который при столкновении с альфа-частицами дает яркие вспышки.
Что еще важнее, наблюдение рассеяния альфа-частиц на большие углы убедило Резерфорда, что основная часть массы и положительный электрический заряд сконцентрированы в малом объеме ядра атома. Раньше считалось, что атом представляет собой нечто вроде пудинга, в котором электроны распределены, как изюм среди равномерно размазанного положительного заряда. Открытие ядра стало первым в серии важных открытий, сделанных Нильсом Бором (который приезжал в Манчестер), Луи де Бройлем, Эрвином Шрёдингером и Вернером Гейзенбергом, которые и привели к созданию современной квантовой механики.
После этого бурного старта на пути квантовой механики образовалось два явных и существенных для развития фундаментальной физики препятствия. Одно из них связано с распространением принципов квантовой механики на частицы, скорость которых близка к скорости света, а значит, частицы должны подчиняться специальной теории относительности Эйнштейна (СТО). Поль Дирак обобщил волновое уравнение Шрёдингера и получил релятивистское волновое уравнение[12]. Тогда казалось, что предсказание существования дробного спина 1/2 у элементарных частиц — это огромная победа, однако теперь мы знаем, что это был скорее провал, чем успех