Читать книгу Частинка на краю Всесвіту - Шон Кэрролл - Страница 4

У цьому розділі ми запитуватимемо, навіщо групі талановитих і відданих своїй справі людей присвячувати життя гонитві за такими крихітними об’єктами, що їх годі побачити

Фізика елементарних частинок – чудернацьке заняття. Тисячі людей витрачають мільярди доларів на будівництво гігантських машин завдовжки десятки кілометрів, розганяють у них субатомні частинки майже до швидкості світла, відтак зіштовхують їх між собою. І все це лише для того, щоб виявити й вивчити інші субатомні частинки, що в повсякденному житті цікавлять, по суті, лише фізиків-елементарників.

Проте все залежить від того, з якого боку дивитися на це. Можна поставитися до того інакше: фізика елементарних частинок – це найщиріший прояв людської цікавості й бажання довідатися про світ, що ми в ньому живемо. Люди завжди ставили схожі запитання, і починаючи з античних часів, понад дві тисячі років тому, прагнення пізнати засади світобудови переросло в систематичну діяльність усього людства. Якраз наше нестримне бажання збагнути світ і породило фізику елементарних частинок; не самі частинки як такі, а властиве людям прагнення з’ясувати те, чого ми ще не розуміємо.

Поворотним моментом став початок XXI століття. Останній по-справжньому дивовижний експериментальний результат завдяки пришвидшувачу частинок був одержаний у 1970-х роках, себто понад 35 років тому. (Точна дата залежить від того, що ви вважаєте «дивовижним».) Перерва виникла не тому, що експериментатори байдикували весь той час, зовсім не тому. Експериментальну техніку вдосконалювали не щоднини, а щогодини, й вона досягла такої досконалості, яка ще недавно видавалася недосяжною. Проблема полягала в тому, що завдяки цим машинам не виявили нічого такого, чого б не передбачили теоретики. А науковців, що завжди сподіваються знайти щось новеньке, такий стан справ дуже дратує.

Інакше кажучи, проблема не в тому, що експерименти були невідповідні, а в тому, що теорія була надто гарна. За умов спеціалізації сучасної науки ролі «експериментаторів» і «теоретиків» стали відчутно різнитися, особливо у фізиці елементарних частинок. Минули ті часи, що тривали ще до першої половини XX століття, коли такі генії, як італієць Енріко Фермі, могли запропонувати нову теорію слабких взаємодій, а потім взятися й керувати процесом першої самопідтримуваної штучної ланцюгової ядерної реакції. Нині теоретики елементарних частинок шкрябають свої рівняння на дошках і зрештою доводять їх до конкретних моделей, а експериментатори для перевірки правильності цих моделей збирають дані за допомогою надскладного й надточного обладнання. Найкращі теоретики ретельно стежать за результатами експериментів, а експериментатори зазвичай обізнані з останніми теоретичними розробками, проте практично ніхто з них не працює над тим і тим.

1970-ті роки ознаменувалися завершенням створення найліпшої теорії фізики елементарних частинок, що одержала неймовірно нудну назву «Стандартна модель». Саме Стандартна модель описує ті кварки, глюони, нейтрино і всі інші елементарні частинки, про які вам, мабуть, довелося чути. Ми часто возвеличуємо наукові теорії й легко скидаємо їх із п’єдесталу, достоту як голлівудських знаменитостей чи харизматичних політиків. Ви не станете відомим фізиком, якщо доведете правильність чужої теорії, однак можете зажити слави, показавши недоліки чужої теорії або запропонувавши ліпшу теорію.

Проте Стандартна модель впертюща. Уже яке десятиліття кожен мислимий на Землі експеримент незмінно підтверджує її прогнози. Ціле покоління фізиків-елементарників пройшло науковий шлях від студентів до професорів, так і не відкривши чи не пояснивши жодного нового феномену. Чекання ставало дедалі нестерпнішим.

А втім, тепер усе змінюється. Поява Великого гадронного колайдера знаменує нову еру у фізиці, коли стає можливим зіштовхувати частинки при енергіях, раніше недоступних людству. І це не просто «високі енергії». Це такі енергії, про які науковці мріяли роками й завдяки яким ми сподіваємося знайти нові теоретично передбачені частинки. А як пощастить, то на нас чекають сюрпризи, адже в цьому діапазоні енергій ховають свої секрети сили з назвою «слабкі взаємодії».

Ставки високі. Коли вперше зазираєш у незвідане, будь-що може трапитися. Є купа конкурентних теоретичних моделей, які намагаються спрогнозувати те, що ж знайде ВГК. Утім, ніколи не знаєш, що побачиш, доки не подивишся. У центрі всіх сподівань лежить Гіґґсів бозон – скромна частинка, що бачиться останнім елементом Стандартної моделі та, можливо, дозволить нам уперше глянути на світ за її межами.

Великий Всесвіт складається з крихітних частинок

На березі Тихого океану в Південній Каліфорнії, приблизно за півтори години їзди автомобілем на південь від моєї домівки в Лос-Анджелесі, є чарівне місце, де здійснюються мрії,– Леґоленд2. На острові Динозаврів, містечку Розваг та інших атракціонах цього краю діти захоплюються казковим світом, вибудованим з елементів конструктора леґо – крихітних пластикових блоків, що можна з’єднувати між собою безліччю різних способів.

Леґоленд багато в чому схожий на реальний світ. Довкілля тут завжди складається з усіх звичних видів матерії: дерева, пластику, тканини, скла, металу, повітря, води, живих організмів. Ці всі види дуже різні, з різними властивостями. Але придивившись уважніше, ми виявимо, що насправді вони не дуже й відрізняються один від одного. Вони є просто численними комбінаціями невеличкої кількості фундаментальних будівельних блоків. Ці будівельні блоки – це елементарні частинки. Столи, автомобілі, дерева й люди, як і будівлі в Леґоленді,– це дивовижне розмаїття, що його можна досягти, беручи незначну кількість простих елементів і з’єднуючи їх між собою незліченними способами. Хоч атом приблизно в одну трильйонну разу менший за блок леґо, принципи тут схожі.

Ми вважаємо за буденну й безумовну ідею, що всяка матерія складається з атомів. Це те, чого нас навчають у школі, а в хімічних аудиторіях, де ми проводимо експерименти, на стінах висить періодична таблиця елементів. Так легко випустити з уваги дивовижність цього факту. Адже є речовини тверді й м’які, легкі й важкі, прозорі й каламутні, живі й неживі, рідини й гази. Однак усі вони насправді складаються з однакової «начинки». У періодичній таблиці приблизно сто атомів, і все навколо нас лише різні комбінації цих атомів.

Ідея про те, що можна пояснити світ за допомогою кількох основних термінів, зовсім не нова. У стародавні часи мислителі різних цивілізацій – вавилонської, грецької, індуїстської й інших – вигадали неймовірно несуперечливі набори з п’яти «елементів», з яких створено все інше. Найвідоміші нам – це земля, повітря, вогонь і вода, але був також і небесний п’ятий елемент ефір, або квінтесенція. (Так-так, саме він дав назву фільму з Брюсом Віллісом і Мілою Йовович «П’ятий елемент»). Як і багато інших ідей, Арістотель розвинув цю ідею в ретельно продуману систему. Він припустив, що кожен елемент прагне до власного особливого природного стану, наприклад земля прагне до падіння, а повітря – до підйому. Змішуванням елементів у різних комбінаціях можна пояснити існування різних речовин у довкіллі.

Грецький філософ Демокріт, попередник Арістотеля, припустив: все, що ми знаємо, складається з певних крихітних неподільних частинок, себто «атомів». На жаль, так сталося історично, що цей термін на початку 1800-х років використав хімік Джон Дальтон на позначення хімічних елементів. Як наслідок, те, що ми тепер вважаємо атомом, зовсім не неподільна частинка: атом складається з ядра, яке так само складається з протонів і нейтронів, а навколо орбіти ядра обертається набір електронів. Ба більше, навіть протони й нейтрони не неподільні: вони складаються з крихітніших частинок із назвою «кварки».

Кварки й електрони – ось це справжні атоми в термінах Демокріта, тобто неподільні будівельні блоки матерії. Сьогодні ми називаємо їх елементарними частинками. З двох видів кварків, жартівливо названих «верхніми» й «нижніми», в атомному ядрі утворюються протони й нейтрони. Отже, в підсумку нам потрібні лише три види елементарних частинок, щоби скласти кожен шматок речовини, з якої створено все, що навколо нас,– електрони, верхні кварки й нижні кварки. Це ліпше, ніж стародавні п’ять елементів, і значно ліпше за понад сотню елементів періодичної таблиці.

Однак зведення всіх структурних елементів світу до лише трьох частинок – це, певна річ, трішки перебільшення. Хоча електронів, верхніх і нижніх кварків досить, щоб пояснити існування автомобілів, річок і котиків, це не єдині відкриті нами частинки. Насправді є дванадцять різних видів частинок матерії: шість укритих усередині складніших утворень (як-от протони й нейтрони), кварків, які сильно взаємодіють між собою, та шість «лептонів», що можуть вільно переміщатися в просторі незалежно один від одного. А ще є частинки-переносники взаємодій, завдяки яким «частинки матерії» втримуються вкупі в тих різноманітних комбінаціях, які ми бачимо навколо. Без частинок-переносників взаємодій світ був би по-справжньому нудним місцем: різні частинки просто літали б у просторі по прямих лініях, не взаємодіючи. Це доволі невеликий набір частинок для тлумачення всього, що ми бачимо навколо, та, правду кажучи, хотілося б, щоб він був ще простіший. Бажання вдосконалити тлумачення світу як ніколи надихає фізиків-елементарників.

Гіґґсів бозон

Ось Стандартна модель фізики елементарних частинок: дванадцять частинок матерії плюс група частинок-переносників взаємодії, необхідних для втримання їх усіх разом. Не найдосконаліша картина світу, але вона збігається з усіма даними. Ми зібрали всі частини, необхідні для успішного опису навколишнього світу принаймні тут, на Землі. А там, у космосі, ми стикаємося з доказами наявності таких субстанцій, як темна матерія й темна енергія, які постійно нагадують нам, що ми далеко ще не все розуміємо. Ці явища точно не можна пояснити в рамках Стандартної моделі.

Майже всі частинки Стандартної моделі гарно діляться на «частинки матерії» та «частинки-переносники взаємодій». А ось Гіґґсів бозон інакший. Названий на честь шотландського фізика Пітера Гіґґса, що практично одночасно з декількома науковцями запропонував ідею цього бозона ще в 1960-х роках, він наче гидке каченя серед лебедів. Висловлюючись технічними термінами, це частинка-переносник взаємодії, але якісно відмінної від відомих нам взаємодій. З погляду фізика-теоретика, Гіґґсів бозон видається чудернацьким і примхливим доповненням до (без нього) гарної композиції. Без Гіґґсового бозона Стандартна модель була би втіленням елегантності й досконалості, а з бозоном виникає певний хаос. І знайти винуватця цього хаосу виявилося непростим завданням.

Тож чому так багато фізиків переконані, що Гіґґсів бозон мусить бути? Ви можете почути пояснення на кшталт: «щоб дати масу іншим частинкам» чи «щоб порушити симетрію». І хоч обидва тлумачення правильні, але з першого разу їх важко сприйняти. Головне, що без Гіґґсового бозона Стандартна модель мала б інакший вигляд і не описувала б реальний світ. А з Гіґґсовим бозоном вона ідеально зображає реальність.

Фізики-теоретики докладали всіх зусиль, щоб вигадати теорії, де можна обійтися без Гіґґсового бозона, або такі, де цей бозон сильно відрізняється від описуваного стандартними теоріями. Багато з таких теорій зазнали невдачі, не витримавши перевірки даними, а решта просто виявилася надмірно ускладненою. Жодна з них не досягла статусу альтернативної теорії.

А тепер ми знайшли цей бозон. Чи щось дуже схоже на нього. Залежно від міри обережності фізиків зі своїми висновками, вони кажуть: «Ми відкрили Гіґґсів бозон», або «Ми відкрили частинку, схожу на Гіґґсів бозон», або навіть «Ми відкрили частинку, що чимось схожа на Гіґґсів бозон». В оголошенні від 4 липня 2012 року була описана частинка, що поводиться майже так, як повинен поводитися Гіґґсів бозон: розпадається на кілька інших визначених частинок у більш-менш ті ж способи, які й передбачали. Та все одно не слід поспішати, бо що більше ми збираємо даних, то більше стає місця для сюрпризів. Фізики не дуже й хочуть, щоб це був точнісінько той довгожданий бозон; завжди цікавіше й захопливіше знайти щось несподіване. У вже зібраних даних можна помітити крихітні натяки на те, що ця нова частинка може виявитися не достеменно тим самим Гіґґсовим бозоном, якого ми сподівалися. Лише подальші експерименти відкриють істину.

Чому нам це важливо

Якось я давав інтерв’ю місцевій радіостанції, розповідаючи про фізику елементарних частинок, гравітацію, космологію й таке інше. Це був 2005 рік – столітній ювілей Року чудес, того самого 1905 року, коли Альберт Айнштайн опублікував кілька робіт, що перевернули світ фізики з ніг на голову. Я старався якомога доступніше пояснити деякі з цих абстрактних концепцій і, навіть розуміючи, що я на радіо, все одно не міг стриматися і, як завжди, розмахував на всі боки руками.

Інтерв’юер здавався щасливим, але після того, як ми завершили і він уже збирав свою апаратуру, йому в голові спалахнула думка. Він запитав, чи не міг би я відповісти на ще одне запитання. Я залюбки погодився, і він знову витягнув мікрофон і навушники. Запитання було просте: «Чому це все має бути комусь важливо?» Адже зрештою жодне з цих досліджень не допоможе створити ліки проти раку чи здешевити смартфони.

Моя тодішня відповідь і досі видається мені не позбавленою сенсу: «Кожен у шестилітньому віці ставить запитання на кшталт: Чому небо голубе? Чому речі падають? Чому одні предмети гарячі, а інші холодні? Як усе влаштовано?» Дітей не треба змушувати цікавитися наукою: вони за своєю природою науковці. Цю вроджену цікавість вибивають із нас роки шкільного навчання й клопоти повсякденного життя. Нам стає важливо, як влаштуватися на роботу, знайти собі пару, виховувати власних дітей. Ми перестаємо запитувати, як влаштований світ, і починаємо питати, як змусити його працювати на нас. Пізніше я знайшов результати досліджень, які свідчили, що діти цікавляться наукою лише до 10–14-річного віку.

Сьогодні, після понад 400 років серйозних наукових досліджень, ми одержали досить багато відповідей на запитання шестирічної дитини всередині кожного з нас. Ми знаємо так багато про фізичний світ, що решту відповідей на нез’ясовані питання доведеться шукати в дуже віддалених місцях та екстремальних умовах. Принаймні це справедливо для фізики; у біології чи нейронауці ми не постаємо перед труднощами такого роду, шукаючи відповіді на складні питання. Але фізика (щонайменше та її частина під назвою «фізика елементарних частинок», що має справу з фундаментальними будівельними блоками матерії) відсунула межі пізнаного так далеко, що тепер доводиться будувати гігантські пришвидшувачі й телескопи просто для того, щоб зібрати нові дані, які не вписуватимуться в наші поточні теорії.

Неодноразово в історії науки траплялися випадки, коли фундаментальні дослідження, що їх проводили лише заради цікавості, а не миттєвої вигоди, ненароком призводили до величезних матеріальних здобутків. У далекому 1831 році один допитливий політик спитав Майкла Фарадея, одного із засновників нашої сучасної теорії електромагнетизму, про користь тієї новомодної штучки – електрики. Апокрифічна відповідь Фарадея звучала так: «Про користь ще не знаю, проте б’юся об заклад, що одного дня ваш уряд обкладе її податком». (Точного запису цієї розмови нема, але це досить гарна байка, щоб люди й далі повторювали її.) Століття по тому деякі найвидатніші наукові постаті того часу, спантеличені загадковими експериментальними результатами, що перекинули базові основи класичної фізики, узялися за створення квантової механіки. Тоді вона була доволі абстрактною наукою, проте згодом призвела до винайдення транзисторів, лазерів, надпровідності, світлодіодів, а також появи ядерної енергетики (і ядерної зброї). Без цих базових досліджень наш теперішній світ мав би зовсім інший вигляд.

Навіть загальна теорія відносності Айнштайна, блискуча теорія про простір і час, як виявилося, має цілком земне застосування. Якщо ви коли-небудь користувалися пристроями глобальної системи позиціювання (GPS), щоб знайти потрібний напрям, то ви користувалися загальною теорією відносності. Пристрій із GPS, що тепер є у стільникових телефонах чи навігаційних системах автомобілів, приймає сигнали від супутників на орбіті й методом триангуляції використовує точну синхронізацію цих сигналів для визначення свого місцерозташування тут, на Землі. Але (за Айнштайном) годинники на орбіті (де гравітаційне поле слабше) йдуть трішки швидше, ніж на рівні моря. Невеличкий ефект, поза всілякими сумнівами, проте він назбирується. Якщо не брати до уваги відносність, то сигнали GPS поступово відхилятимуться від правильних значень: лише за один день похибка в місцерозташуванні може сягати кількох кілометрів.

Але технологічне застосування, попри свою важливість, не головне ні для мене, ні для Джоан Г’юїтт чи будь-кого з експериментаторів, що проводять багато годин конструюючи прилади й аналізуючи одержані дані. Це добре, коли так стається, і ми не станемо крутити носом, якщо хтось винайде спосіб застосування Гіґґсового бозона для виготовлення ліків проти старіння. Однак ми шукаємо його не тому. Ми шукаємо, бо ми допитливі. Гіґґсів бозон – завершальна частина загадки, що ми її страшенно довго намагаємося розгадати. Знайти її буде нашою нагородою.

Великий гадронний колайдер

Ми б не знайшли Гіґґсів бозон без Великого гадронного колайдера (ще одна нудна назва для втілення пристрасті людства до відкриттів). ВГК – це найбільше, найскладніше устаткування з усіх коли-небудь створених людьми, і його створення коштувало 9 мільярдів доларів. Науковці з ЦЕРНу сподіваються, що він продуктивно працюватиме принаймні ще 50 років. Та їх не назвеш надто терпеливими; було б добре негайно зробити декілька відкриттів, що перевернуть науковий світ (чого й усім нам бажаємо).

ВГК – справжній Ґарґантюа, хай як його вимірюй. Його задумали 1980 року, а дозвіл на будівництво одержали лише 1994 року. Ще до свого запуску, ВГК був у всіх новинах, бо його створення намагалися припинити за допомогою судових позовів на тій підставі, що він начебто утворить чорні діри, які поглинуть наш світ. Позови були успішно програні, а гігантський колайдер запрацював на початку 2009 року.

13 грудня 2011 року фізики, а також зацікавлені непрофесіонали, набилися в конференц-зали по всій земній кулі й позбиралися навколо комп’ютерних терміналів, щоб послухати доповіді двох дослідників із ВГК про новини щодо пошуку Гіґґсового бозона. Цю тему дуже часто обговорювали на фізичних семінарах, де все майже завжди зводилося до закликів: «Пошук проходить добре! Побажайте нам успіху!», однак цього разу все було інакше. Протягом кількох днів перед тим Інтернетом ширилися чутки, що цього разу ми не почуємо звичного повідомлення, а дещо інакше на кшталт: «Гаразд, ми дійсно щось побачили. Можливо, ми нарешті знайшли докази того, що Гіґґсів бозон дійсно є».

Сподівання справдилися, коли ми почули натяки, що у ВГК таки спостерігали Гіґґсів бозон. Але лише натяки, а не остаточні докази. У ВГК зіштовхувалися протони з неймовірно високими енергіями й два гігантські експериментальні детектори реєстрували частинки, що виникали в цих зіткненнях; виявилося, що за певної енергії два фотони (частинки світла) з високою енергією утворювалися трішечки частіше, ніж на це можна було очікувати, якби не було ніякого Гіґґсового бозона. Це було явним доказом того, що щось-таки відбувається, але все ще не є безсумнівним відкриттям. Хоч помилкою тут і не пахло. Рольф-Дітер Гоєр завершив пресконференцію словами: «Побачимося наступного року на оголошенні відкриття».

Так і сталося. 4 липня 2012 року на ще двох семінарах оповістили новини про хід пошуку бозона. Цього разу це були не просто спокусливі натяки; нам представили вагомі докази того, що поза всілякими сумнівами нова частинка знайдена. Тисячі фізиків по всьому світі заплескали в долоні й полегшено зітхнули: ВГК став успішним проєктом.

Роздоріжжя

Фізика елементарних частинок – невіддільна складова споконвічного бажання людства краще зрозуміти, як влаштований Всесвіт. Сьогодні вона біля свого критичного порога. Це все-таки дорога галузь науки, чиє майбутнє туманне.

Пошук Гіґґсового бозона – це не просто розповідь про субатомні частинки й езотеричні ідеї. Це ще й розповідь про гроші, політику й ревнощі. Цей проєкт, до якого залучено так багато людей, який реалізується в межах безпрецедентної міжнародної співпраці і в якому використана не одна новітня технологія, не може обійтися без випадків недбалості, махінацій, а інколи й шахрайства.

ВГК – не перший гігантський пришвидшувач, що мав на меті знайти Гіґґсів бозон. Був Теватрон, створений у Національній пришвидшувальній лабораторії імені Фермі (Фермілаб) неподалік Чикаго. Його запустили 1983 року, проте після доволі ефективної роботи, що призвела до відкриття правдивого кварка, зрештою зупинили у вересні 2011 року. Однак Теватрон не знайшов Гіґґсів бозон. Був ще Великий електрон-позитронний колайдер (ВЕПК), що працював з 1989 до 2000 року в тому самому тунелі, де тепер розміщено ВГК. Замість відносно масивних протонів унаслідок зіштовхування яких зазвичай утворюються хаотичні виплески найрізноманітніших частинок; ВЕПК зіштовхував електрони з їхніми родичами з антиматерії – позитронами. Ця реакція уможливила виконання дуже точних вимірів, проте в жодному з них не появився Гіґґсів бозон.

А потім був Надпровідний суперколайдер (НСК), що про нього тужливо розповідала Г’юїтт. НСК був американською версією ВГК, тільки більшою, ліпшою, і мав за планом стартувати перший. Спроєктований у 1980-х роках, НСК повинен був розвивати енергію майже втричі більшу за ту, якої коли-небудь зможе досягти ВГК (і вп’ятеро більшу за ту, яку ВГК розвинув на цю мить). Однак ВГК має одну суттєву перевагу над НСК: його все-таки збудували.

Лише через років за два після початку роботи ВГК він подарував людям справжнє відкриття – частинку, що дуже схожа на Гіґґсів бозон. Це стало кінцем однієї ери і водночас початком іншої. Гіґґсів бозон – це не просто ще одна частинка. Це особливий вид частинки, що міг би у дуже природний спосіб взаємодіяти з іншими видами частинок, особливо з тими, яких ми ще не виявили. Ми знаємо, що Стандартна модель – це не остаточна відповідь; яскравим прикладом цього є темна матерія, відкрита астрономами. Гіґґсів бозон може бути порталом, що з’єднує наш світ з іншим, прихованим від нашого погляду й поки що недосяжним. Після того як ми знайшли цю частинку, нас чекають ще десятиліття роботи, щоб довідатися про її властивості і зрозуміти, куди ще вона зможе нас привести.

Віддалене майбутнє експериментальної фізики елементарних частинок залишається неясним. Сто чи навіть п’ятдесят років тому визначальні відкриття в галузі фізики елементарних частинок виконувалися на такому обладнанні, яке у своїй лабораторії міг скласти один науковець зі своїми студентами-помічниками. Ці часи, здається, минули назавжди. Якщо ВГК не відкриє нам нічого нового, крім Гіґґсового бозона, то стане набагато важче переконати скептично настроєних урядовців виділити ще більше грошей на будівництво наступних поколінь колайдерів.

Такі машини, як ВГК, потребують не тільки інвестицій мільярдів доларів, але й тисяч людино-годин роботи спеціалістів, що присвятили своє життя тому, щоб трішки глибше проникнути в таємниці природи. Такі люди, як Лін Еванс, що допоміг збудувати ВГК, чи Джоан Г’юїтт, яка проаналізувала незчисленну кількість теоретичних моделей, чи Фабіола Джанотті й Джо Інкандела, що довели свої експерименти до історичних досягнень, у цій грі зробили великі ставки. Вони ризикнули всією своєю багаторічною професійною роботою й поставили не те, що за допомогою цієї машини буде розпочата нова епоха великих відкриттів. Тож відкриття Гіґґсового бозона – це підтвердження того, що їхня робота не була марною. Але, як каже Г’юїтт, найбільше ми хочемо здивувати самих себе: відкрити те, чого ніхто не сподівався. Власне це по-справжньому надихає нас.

А як доводить історія, Природа завжди вміла нас дивувати.