Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Оглавление

Лиза Рэндалл. Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Введение

Часть I. Масштабирование реальности

Глава 1. Тебе – мало, мне – в самый раз

О невозможном

Поворот не в ту сторону

Эффективные теории

Фотоны и свет

Глава 2. Раскрывая секреты

Вклад Галилея в науку

Глава 3. Жизнь в материальном мире

Масштаб неизвестного

Совместимы ли наука и религия?

Физические корреляты

Рациональные конфликты и иррациональное стремление убежать от реальности

Глава 4. В поисках ответов

Кто главный?

Почему людям не все равно?

Часть II. Масштабирование вещества

Глава 5. Волшебная экскурсия в глубь материи

Масштабы Вселенной

Путешествие в глубь

Атомный масштаб

Ядерная физика

Технологии. Что дальше?

Глава 6 «Видеть» – значит верить

Малые длины волн

Открытие электронов и кварков

Открытие кварков

Эксперименты с неподвижной мишенью или коллайдеры?

Типы коллайдеров

Глава 7. На краю вселенной

Что там, за Стандартной моделью? Поможет ли БАК получить ответ на этот вопрос?

Темная материя

Темная энергия

Другие космологические исследования

Часть III. Аппаратура, измерения и вероятности

Глава 8. Одно кольцо, чтобы править всем…

Большой адронный коллайдер

Как начинался БАК

Братство колец

Дипольные криогенные магниты

Сквозь вакуум к столкновениям

Глава 9. Возвращение кольца

Этот маленький мир

Краткая история БАКа

Сентябрь 2008-го: первые испытания

Ноябрь 2009-го: наконец-то победа

Глава 10. О черных дырах, которые поглотят весь мир

Почему вопрос о черных дырах вообще возник?

Черные дыры в Большом адронном коллайдере

Глава 11. Рискованное дело

Риски сегодняшнего дня

Расчет рисков

Смягчение последствий рисков

Роль специалистов

Прогнозирование

Глава 12. Измерение и неопределенность

Неопределенность по-научному

С какой целью проводятся измерения?

Точность в физике элементарных частиц

Измерения и БАК

Глава 13. Эксперименты CMS и ATLAS

Общие принципы

Детекторы ATLAS и CMS

Трекеры

Электромагнитный калориметр ECAL

Адронный калориметр HCAL

Мюонный детектор

Торцевые части

Магниты

Расчеты

Глава 14. Как распознать частицы

В поисках лептонов

В поисках адронов

В поисках переносчиков слабого взаимодействия

Часть IV. Модели, предсказания и ожидаемые результаты

Глава 15. Истина, красота и другие научные заблуждения

Красота

Как понравиться всем

Красота в науке

Построение моделей

Глава 16. Бозон Хиггса

Механизм Хиггса

Поиск экспериментальных доказательств

Сектор Хиггса

Проблема иерархии в физике элементарных частиц

Глава 17. Вакантное место топ-модели

Суперсимметрия

Техницвет

Дополнительные измерения

Иерархия и большие дополнительные измерения

Свернутое дополнительное измерение

Краткий итог

Глава 18. Снизу вверх или сверху вниз?

Теория струн

Ландшафт

Вернемся на землю

Часть V. Масштабирование вселенной

Глава 19. Вселенная наизнанку

Экскурсия по Вселенной

Большой взрыв: от малого к большому – сквозь время

Глава 20. Что велико для тебя, мало для меня

Космическая инфляция

Сердце тьмы

Дальнейшие загадки

Глава 21. Гости с темной стороны

Прозрачное вещество

Скрытая масса и БАК

Эксперименты по непосредственному обнаружению темной материи

Косвенные методы поиска темной материи

Часть VI. Подведем итоги

Глава 22. Думать глобально, действовать локально

Выдающийся талант

Масштабирование чепухи

Заключение

Благодарности

Отрывок из книги

Мир стоит на пороге великих открытий. Сегодня проводятся самые масштабные и интересные в истории эксперименты в области физики элементарных частиц и космологии, и самые талантливые физики и астрономы мира объединяют усилия для анализа их результатов. Возможно, в ближайшее десятилетие ученые обнаружат то, что изменит наши представления о фундаментальном строении вещества и структуре самого пространства; не исключено даже, что наши представления о природе реальности станут более полными. Ученые, которые вплотную занимаются этими вопросами, уверены, что новые факты не просто дополнят уже имеющиеся. Мы с нетерпением ждем открытий, которые приведут к зарождению принципиально новой парадигмы структуры Вселенной и изменят представление об ее устройстве, сложившееся на основании прошлых открытий.

10 сентября 2008 г. произошло историческое событие – первый пробный пуск Большого адронного коллайдера (БАК), на который все мы возлагаем большие надежды. Слово «большой» в названии относится не к адронам, а к самому коллайдеру. Основа БАКа – громадный кольцевой туннель длиной 26,6 км[1], расположенный между горами Юра и Женевским озером и дважды пересекающий франко-швейцарскую границу. Электрические поля внутри этого туннеля разгоняют два пучка частиц, в каждом из которых движутся миллиарды протонов (протоны принадлежат к классу элементарных частиц, известных как адроны, поэтому коллайдер – адронный); частицы носятся по окружности, делая за одну секунду примерно 11 000 оборотов.

.....

Важно, что эффективная теория действует на большом диапазоне длин и энергий. Поскольку несколько ее параметров были определены путем измерений, все, что относится к соответствующему ряду масштабов, можно без труда вычислить. Это дает нам набор элементов и правил, при помощи которых можно объяснить множество самых разных наблюдаемых явлений. В определенный момент теория, которую до той поры мы считали фундаментальной, оказывается всего лишь эффективной – ведь бесконечно малые измерения нам по-прежнему недоступны. Тем не менее мы доверяем этой теории, потому что она успешно предсказывает многие явления на целом ряде масштабов длин и энергий.

С помощью эффективной теории в физике можно не только справляться с информацией о явлениях, происходящих на малых масштабах, но и обобщать крупномасштабные эффекты, действие которых слишком слабо и недоступно для наблюдения. К примеру, наша Вселенная может быть чуть-чуть искривлена – так, как предсказывал Эйнштейн, когда разрабатывал свою теорию гравитации. Эта кривизна значима на больших расстояниях, где задействована крупномасштабная структура пространства. Но мы можем последовательно разобраться в том, почему эти эффекты кривизны слишком слабы и не отражаются в большинстве наблюдений и экспериментов, которые мы проводим на гораздо меньших масштабах. Рассмотрение подобных эффектов имеет смысл для нас только в том случае, если мы включим в описание физики элементарных частиц гравитацию; по большей части они слишком слабы, чтобы проявляться в тех экспериментах, которые я буду описывать. Но и в этом случае подходящая эффективная теория скажет нам, как суммировать гравитационные эффекты и выразить их через несколько неизвестных параметров, которые придется определить экспериментально.

.....