ПРОСТО о СЛОЖНОМ
с Костей С.
Сегодня я хочу представить вам мою новую рубрику. В ней мы будем отвечать на самые, на первый взгляд, детские и банальные вопросы: «Кто мы? Из чего состоим? Из чего состоит мир?» Вот только ответы на них далеко не на поверхности. Чтобы разложить всю нашу жизнь на бумаге, нужны сотни математических и физических формул, куча философских размышлений. Впрочем, человечество до сих пор не ответило на большую часть этих вопросов. Для этого я и здесь. Я хочу рассказывать о великих открытиях и сложнейших вещах максимально простым и понятным языком.
ЧАСТИЦА БОГА
Сегодняшний выпуск будет посвящён физике. Очень непростой и глубокой физике. Физике, которая до ужаса похожа на магию.
Июль 2012 года. Сотни учёных собрались выслушать отчёт о частице, на поиски которой было потрачено 20 лет и 10 миллиардов евро. Для которой построили подземный тоннель длиной 27 километров — адронный коллайдер. Которая просуществовала менее одной наносекунды. Среди учёных сидит пожилой мужчина, физик. Он плачет, потому что не надеялся дожить до момента, когда выяснится, что теория, которую он сформулировал 50 лет назад, верна. Масса частицы определит, сможем ли мы найти частицы тёмной материи или же окажется, что существуют другие вселенные, а в нашей мы не откроем ничего нового. Давайте всё по порядку.
Частица, о которой пойдёт речь, — бозон Хиггса.
Чтобы понять, что она собой представляет, нужно разобраться, что такое Стандартная модель. Эта модель — это пазл, который включает в себя все элементарные частицы. Из них состоит абсолютно всё. Есть хорошее сравнение, описывающее Стандартную модель как код Вселенной. Если код компьютера — это единицы и нули, то наш код выглядит так:
Это универсальный код для всего на свете: всё, что мы знаем, состоит из этих элементов.
А теперь давайте разберёмся, что вообще такое бозон Хиггса и какая у него функция. Для понимания нам нужно держать в голове всего одну формулу — E = mc², согласно которой масса и энергия — это одно и то же. Для физиков человек весом 70 килограммов — это 6 квинтиллионов джоулей. Нет, ладно, число великовато, давайте лучше работать с 70 килограммами. 69 килограммов и 265 граммов из них — это энергия, которая связывает частицы в теле, не давая им разлетаться и рассыпаться в разные стороны. А вот остальные 735 граммов — это и есть материя. Эту массу частицам даёт поле бозона Хиггса. Бозон Хиггса занимает всё пространство, которое не занимают другие частицы, а остальные частицы пробираются сквозь это огромное скопление, при этом увязая в поле Хиггса. Это как с человеком, который бежит по песку: ему кажется, что его масса увеличилась, потому что, увязая в песке, он с трудом двигается. Таким же образом частицы, пробираясь сквозь поле Хиггса, обретают массу. Чем сильнее вязнет частица, тем больше её масса. Всё пространство Вселенной пронизано полем Хиггса, поэтому, где бы ни была частица, поле Хиггса всегда подскажет ей её массу. Именно с помощью определения массы частицы и понимают, кто они такие. Грубо говоря, без бозона Хиггса электрон сомневался бы, что он электрон, так как не знал бы своей массы. Эту частицу СМИ прозвали «частицей Бога». Получить её в чистом виде невероятно сложно. В нашем мире она будет существовать лишь миллиардную долю секунды. Для того чтобы с ней работать, был создан Большой адронный коллайдер. Он находится в Швейцарии.
Его идея простая: сталкивать протоны, чтобы воссоздать демоверсию Большого взрыва. Как это происходит? Сначала протоны пускают в линейный ускоритель. По сути, это огромный электромагнит, который начинает увеличивать их скорость в геометрической прогрессии, являясь первой ступенью этой ракеты. Протоны запускают пучками длиной по 30 сантиметров. По-научному один пучок называют банчем. Затем протоны запускают в бустер — самое маленькое из четырёх колец коллайдера. Там они по кругу разгоняются до 91 процента от скорости света. Потом они идут в синхротрон — второе кольцо, которое больше по диаметру. Там они разгоняются до 99,9 процента от скорости света. Затем — в суперсинхротрон, где разгоняются ещё быстрее. И наконец банчи выпускают в главное кольцо длиной 27 километров. Это на 7 километров больше длины Кольцевой линии московского метро, только тут по трубам гоняют банчи протонов с самой большой скоростью, которой когда-либо достигало человечество. Внутри этих труб такое количество магнитов, что их хватило бы, чтобы разогнать самолёт. Когда пучки выпускают в главное кольцо, они летят в противоположные стороны, чтобы потом столкнуться, создав миниатюру Большого взрыва. Итак, мы разогнали частицы и устроили мощнейшее ДТП. Что будем делать дальше? Фотографировать. Только для этого нам потребуются не обычные фотоаппараты, а вот такие:
Таких детекторов всего четыре. Занимаются они разными вещами, но суть у них одна: запечатлеть последствия удара протонов и перевести их в информацию. Проще говоря, зарегистрировать квантовую магию.
«Атлас». Самый большой детектор длиной 46 метров. Именно на нём зарегистрировали бозон Хиггса.
«Элис». На нём воссоздают Большой взрыв и исследуют его поведение.
LHCP. На нём занимаются исследованием материи и антиматерии и пытаются понять, почему наш мир и антимир несимметричны.
CMS. Самый компактный («компактный» — это очень грубо говоря: весит он как Эйфелева башня).
Всё это — пятиэтажные швейцарские часы. Каждая деталь тут выполняет своё предназначение, а деталей тут невероятно много:
Пиксельные и трековые детекторы отслеживают путь частиц, вылетающих при столкновении.
Колориметры останавливают частицы и поглощают их энергию, чтобы её измерить.
Огромные пластины для мюонов — частиц, которые прошивают вообще всё вокруг. Задача пластин — их поглощать.
Всё это нужно, чтобы частицы устроили самое красивое шоу, ради которого мы все тут и собрались, а мы его запечатлели:
Детекторы — это не просто фотоаппараты: по факту они ещё и машины времени, которые способны перенести нас на 14 миллиардов лет назад. Помните, я говорил, что «Элис» занимается исследованием Большого взрыва? Что же я имел в виду? Формально на этом детекторе учёные исследуют время, когда атомы ещё не сформировали молекулы. Впрочем, самих атомов ещё и не было. Благодаря «Элис» мы знаем, что через миллиардную долю секунды после Большого взрыва не было даже протонов и нейтронов. Их содержимое плавало отдельно в хаосе Вселенной, которая на тот момент напоминала плазму. Внутри «Элис» достигается температура в 9 триллионов градусов. Это в тысячи раз выше, чем на Солнце. Так было при Большом взрыве — так происходит и сейчас. Но маленьких протонов уже не хватит, чтобы достичь такой температуры: нужно что-то потяжелее. Тут сталкивают ядра свинца — самого тяжёлого из стабильных элементов. Если на CMS сталкиваются легковушки, то здесь — огромные фуры. Вот как они разлетаются на миллионы деталей:
Но откуда же берутся эти детали? Почему столько частиц? Дело в том, что на квантовом уровне происходит кое-что странное: представьте, что вы сталкиваете два арбуза, а при столкновении по комнате разлетаются апельсины, яблоки, мандарины и бананы. Вот только масса осталась прежней. Было 10 килограммов арбузов, стало 10 килограммов других фруктов. Это и происходит на коллайдере. При такой энергии появляются частицы, которых не было раньше. Именно таким образом мы и составили Стандартную модель. Дело в том, что поначалу у нас было всего четыре элемента. Давайте для начала вспомним, из чего мы состоим. Каждый человек скажет, что мы состоим из молекул, а молекулы — из атомов, и окажется совершенно прав. Вот только атом состоит из электронных оболочек и маленького ядра в центре, а ядро — из протонов и нейтронов. И вот здесь школьная физика заканчивается, но нам нужно идти дальше. Итак, протоны и нейтроны состоят из кварков, склеенных глюонами. Глюоны соединяют кварки, выступая в роли пружинок:
Те самые 69 килограммов и 265 граммов из начала поста — это и есть пружинки глюонов, которые скрепляют 700 граммов кварков. Всё, что вы видите на картинке, и есть те самые элементы Стандартной модели. Из этих четырёх частиц и состоит вся материя. Все остальные были материей только в момент зарождения Вселенной — мы получили их искусственно. Сейчас их нет, но их можно получить в коллайдерах. Все эти частицы отвечают за разное: большая часть, например, формально является кирпичами, а другая часть — строителями. Строители взаимодействуют с кирпичами и определяют, как кирпичам взаимодействовать друг с другом. А частица, которая свяжет всё это воедино, — бозон Хиггса. Мы поняли, как его получают и для чего он нужен, но как же он выглядит? Представьте себе шар, а теперь забудьте. Всё, что мы можем представить, визуализировать или изобразить, — мимо. Говорить о бозоне Хиггса можно только на языке математических уравнений. Всё же вернёмся к Стандартной модели. У каждой частицы в ней есть свой злой брат-близнец. Есть материя, а есть антиматерия. Для неё есть своя Стандартная модель, ровно противоположная нашей:
В ней строители и кирпичи меняются местами. Те, кто был кирпичами, становятся строителями, и наоборот.
При контакте антиматерии с материей они уничтожаются, выделяя огромное количество энергии. Антиматерия находится в космосе, однако люди сами научились её производить.
Это невероятно дорого и очень опасно, но мы научились удерживать антиматерию, не позволяя ей контактировать с материей. Тем не менее антиматерия в больших количествах всё ещё невероятно опасна. При контакте 1 килограмма частиц с 1 килограммом античастиц выделится в 10 раз больше энергии, чем при взрыве бомбы, сброшенной на Хиросиму. И это будет абсолютно чистый взрыв: ни радиации, ни отходов. Только взрыв.
Бозон Хиггса — последний элемент модели. Его масса ответит нам на главные актуальные вопросы: сможем ли мы открыть ещё частицы Стандартной модели и, главное, в какой Вселенной мы живём? Если его масса окажется небольшой и составит примерно 115 ГэВ (гигаэлектронвольт), это будет означать, что в нашей Вселенной верна теория суперсимметрии. В суперсимметричном мире Стандартная модель ещё раз переворачивается с ног на голову. У каждой частицы появляется её абсолютно симметричный брат:
В отличие от античастиц, здесь частицы не меняются местами. Здесь вообще ломается представление об их взаимодействиях: не строители кладут кирпичи, а кирпичи выкладывают строителей. О суперсимметрии мечтают все, потому что благодаря ей отпадает огромное количество вопросов. Например, эта система отвечает на вопрос, почему масса одной частицы Стандартной модели может быть в миллионы раз больше массы другой частицы. То же самое, что сравнивать комара и самолёт. Вот настолько большая разница.
Но если масса бозона Хиггса больше 140 ГэВ, то верна другая теория: мы живём в одной из огромного количества вселенных, а в своей Вселенной уже не откроем ничего нового. Такая система называется мультивселенной. Звучит очень круто, вот только для учёных это поражение, ведь всё время существования науки они пытаются найти универсальные законы природы, а вдруг выясняется, что универсальных законов нет и быть не может, ведь в каждой из вселенных мультивселенной может произойти всё что угодно. Окажется, что Большой взрыв — это просто пшик в мире других пшиков. Но какая же теория верна?
Всё решилось в аудитории 4 июля 2012 года. Именно тогда объявили об открытии бозона Хиггса и назвали его массу. Физики занимали места ещё с ночи — как в очереди за новым айфоном. И вот в 9 утра по местному времени началась конференция. Учёные показывали на главном экране много ярких графиков, но главными оказались эти:
На всех них отчётливо виден рост показателей. Линии ровные, кроме участка на отметке 125. 125 ГэВ. Значит, там есть частица — тот самый бозон Хиггса, за которым учёные охотились 20 лет. Шанс, что они ошиблись, — 1 к 3 500 000. Пока все пожимали друг другу руки, в среднем ряду тихо заплакал один седой человек. Питер Хиггс.
Именно он 50 лет назад предположил всё то, что я вам сегодня рассказал. Он не надеялся дожить до этого момента. Через год он получит Нобелевскую премию по физике.
Произошло невероятное событие. Масса бозона Хиггса равна 125. Почти середина. Если бы мы жили в детском мультике, то, вероятно, было бы очень хорошо округлить это число до ближайшего удобного, вот только не в нашем случае. Мы ждали орла или решки, но монета упала на ребро. Неужели это не иронично? Вселенная сама скрывает от нас правду: стоит нам подобраться к ответу, как появляется ещё один этап.
Мы всё те же люди, что и раньше, вот только когда-то наука шла маленькими шагами, а сейчас несётся с огромной скоростью. И возможно, что скоро при таких темпах мы упрёмся в предел, в потолок, в физическую бездну. Больше не сможем открывать новое. Даже потратив огромные деньги и ресурсы, построив коллайдер в пять, в десять раз больше нынешнего, мы ничего не откроем. А ведь учёные не исключают такого варианта. С того времени мы уже прокачали коллайдер, к тому же теперь данные обрабатывает искусственный интеллект. Остаётся только верить, что всё это не зря. Дело в том, что все инструменты, которые мы используем, при своей огромной цене формально не приносят никакой культурной или военной пользы. Для экономики 10 миллиардов евро, потраченные на коллайдер, были сожжены. Однако для учёных эти инструменты бесценны. О пользе бозона Хиггса спорит множество скептиков: мы потратили огромные деньги — ради чего? На этот счёт мне нравятся мысли Фредерика Бардри:
Проще говоря, возможно, в будущем мы научимся использовать бозон как-то по-своему. Возможно, с помощью базоники мы сможем отключать массу частиц, и какое-то тело, например огромный астероид, просто рассыплется в пыль при отключении его массы.
Всё это невероятно сложно и трудно для понимания, но от всей этой информации иногда становится не по себе. Представьте себе: когда-то на Земле были поля и деревья, а людям тогда было важно лишь то, где им спать и что им есть, а сейчас — бозон Хиггса. Эта тема показалась мне очень увлекательной. Будем наблюдать за открытиями учёных в будущем. Ведь сейчас, вероятно, у нас есть кратчайший путь от настоящего момента до великого открытия, которое ответит нам на все вопросы. Главное — его найти.