Сразу поясню, что в моем объяснении вы не увидите ни одной формулы, что я постараюсь не напрягать ваше воображение лишними терминами, и что вы должны отчетливо понимать, что все, что связано с устройством нашего мира на элементарном уровне – невидимом для нашего глаза – это не факт, это теория. Что значит «теория»? Это значит, что мы не знаем - верна ли теория Дарвина, не знаем – жил ли в Средневековой Англии человек Вильям Шекспир или это был собирательный образ, не знаем, как по-настоящему звали Гомера (поскольку «гомерами» называли всех певцов-поэтов-сказителей в Древней Греции), но мы договорились, что будем считать так-то и так-то. Просто потому, что это наше общее мнение, более-менее похожее на правду, и потому, что как-то нам надо договариваться.
Точно то же самое мы с вами сделаем, когда будет говорить о мире элементарных частиц. Мы с вами договоримся. Все, что я вам расскажу, для физика, который работает в таких областях науки, будет похоже на попытку рассказать «Войну и мир» в трех предложениях. Не вникая в сложности внутреннего мира героев, в подробности исторической обстановки и не вникая ни во что вообще. Но, раз уж сегодня на каждом углу можно купить «Краткое содержание 1000 великих литературных произведений», думаю, моя попытка будет точно в духе времени. Сами понимаете, что сколько будет людей, столько будет и вариантов трех предложений о «Войне и мире». Также и теорий по поводу устройства элементарного мира на сегодня хватает. Но мы будем говорить о СМ (стандартной модели), предполагая, что внутри этой теории нет течений и споров.
Элементарные частицы нельзя рассмотреть в микроскоп, но физики же хитрые ребята – поэтому со времен Резерфорда они научились рассматривать и изучать не сами частицы, а следы, которые эти частицы где-нибудь оставляют, и по этим следам, как Шерлоки Холмсы, рассуждать о свойствах самих частиц. Отличие только одно – Шерлок никогда не ошибался, а физики считают, что отрицательный результат – это просто такой результат, который говорит: «Не там, ребята, ищите. А теперь попробуйте чуть-чуть левее и пониже».
Итак, что же стандартная модель говорит об устройстве элементарного мира? Все, что существует вокруг нас – все это состоит из молекул. Сами молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и электронных оболочек. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Вот обычно на этом месте познания большинства людей, получивших о физике представление из школьного учебника, заканчиваются. Шагнем немного дальше.
Оказывается, протон тоже не элементарен – в нем есть три компактных объекта, которые мы называем кварками. Но существуют эти кварки в протоне не сами по себе. Представьте их себе, как бы помещенными в какое-то облако. Назовем его «глюоновое облако». Почему глюновое? От английского слова «glue» - «клей». Эти глюоны - как бы силы, которые обволакивают кварки и приводят к тому, что кварки притягиваются друг к другу.
Кварки в глюоновом облаке
У глюонов есть удивительное свойство (это не нужно понимать, в это нужно просто поверить) – они могут из просто сил превращаться в материальный объект – то есть у них может появиться масса. Ну, вот представьте себе – вы с парашютом выпрыгиваете их самолета, и вас к земле притягивает сила тяжести. Помните, в школе мы рисовали стрелку, указывающую направление силы тяжести – от вас с парашютом к земле. Так вот эта стрелка в элементарном мире оказалась бы материальным объектом. Конечно, все не совсем так, как я вам сейчас говорю, но это вам поможет построит образный ряд – поскольку большинство людей на земле привыкло все-все-все в этом мире представлять себе образно.
И вот эти материализовавшиеся глюоновые силы-облака могут начинать жить своей собственной, отдельной даже от кварков, жизнью: например, притягиваться друг к другу. И, если глюонное облако начнет расширяться, силы притяжения между глюонами будут это расширение сдерживать. Именно из-за этого протон – довольно компактный объект и кварки поэтому от него далеко не отлетают – не могут. Это подтверждают эксперименты: по кваркам изо всех сил «лупят» - ну, к примеру, электронами, но улетать далеко от своих компаньонов у них не получается. Мало того, всунуть в протон лишние кварки тоже не удается. Технически наука это делать умеет - добавлять кварки к протону, но объединить много кварков – больше, чем положено - в один большой протон-протонище не получается.
Однако же физики зарегистрировали частицы, с большим весом, чем протоны, в состав которых входят те же три кварка. Как бы аналоги протона, но не протон. Так откуда берется их больший вес? Оказалось, что в этих аналогах протона кварки один относительно другого расположены по-другому и немного по-другому двигаются один относительно других. Получается что? Получается, что, если переставить кварки, то глюонное облако может распухать - и, соответственно, больше весить – вот откуда дополнительный вес у аналогов протона.
Вот такое это удивительное облако. Мало того, оно обладает еще одним - не менее удивительным - свойством. Если взять и оторвать (это делают на самом деле) кусочек этого облака, … оно не убывает. Оно как бы самовосстанавливается, поскольку кварки без этого облака жить не могут. Кварки распространяют вокруг себя силы, силы опять-таки материализуются, и, облако становится таким же, как прежде. Если же к облачку добавить лишних глюонов, они посталкиваются друг с другом, порекомбинируют, и расположатся вокруг протона так, что все опять станет стабильным.
В результате экспериментов ученым удалось посчитать, что доля кварков в массе протона составляет около 2%. Что это значит? Это значит, что если вы весите 50 кг, то в вас настоящей материи – в том смысле, какой мы вкладываем в понятие «материя» - всего на один килограмм. То есть электроны и кварки весят 1 кг. А все остальное – вот это вот самое глюоновое облако, в нашем понимании – и не материя вовсе. И, когда вы становитесь на весы, 49 килограммов – из каждых 50-ти, это вес глюоновых облаков.
CERN
Для того, чтобы изучать свойства этих глюонов, которые могут быть и объектом, отдельным от кварков, делают следующее. Запускают протоны (то есть кварки, окруженные глюоновыми облаками) друг навстречу другу, так, чтобы не кварки стукнулись одни о другие, а чтобы глюоновые облака друг друга слегка «задели». Вот они задевают друг друга – и по кусочку облачка от облака, сопровождающего кварки, отваливается и перескакивает с одной частицы на другую – то есть прикрепляется, к примеру, к другому протону. Называется этот кусочек – «померон». Долго в пространстве он не «болтается», хотя есть мысли, что он может даже и пожить какой-то своей жизнью. Свойства померона пока не очень хорошо изучены, да и занимаются ими только лет примерно как десять. Но сам по себе факт – потрясающий: силы притяжения кварков становятся отдельной частицей.
Отдохнем немного от частиц, и поговорим о том, как проводятся эксперименты. Мы помним, что для экспериментов с частицами нам нужно что-то такое, где частицы могут оставлять следы, а мы их можем регистрировать. Говорить о всяких там пузырьковых камерах при малипусеньком размере частиц не приходится. Ничего видного невооруженным, даже высокообразованным, глазом не получится. Зато получится столкнуть частицы и зарегистрировать специальными датчиками то, что после такого столкновения получится. Удовольствие это не простое, недешевое, и участвовать в нем должны специалисты. Поэтому очень часто ученые разных стран свои усилия объединяют. Одно их таких научных сообществ - CERN. Расшифровывается это наименование просто – «Conseil Europеen pour la Recherche Nuclуaire» - «Европейская организация ядерных исследований». Сейчас французское слово «сonseil» заменили на более распространенное «organisation», но аббревиатуру оставили прежней.
Именно CERN в свое время построила LEP (Large Electron-Positron Collider) – электрон-позитронный коллайдер. «Коллайдер» - потому что ученым было лень переводить с английского слово «collider» от английского же «collide»- «сталкиваться». Коллайдер – это ускоритель заряженных частиц. Частицы разгоняются в виде потоков, направляются навстречу друг другу, сталкиваются, и что-то там такое с ними происходит. Это «что-то» регистрируется и изучается бригадами исследователей. Если вы думаете, что столкнуть протоны – то же самое, что столкнуть и два мячика – это ваше большое заблуждение. Их столкновение контролировать не получается – уж как столкнутся, так и столкнутся. Выйти из этого может все, что угодно. Сталкиваются и кварки с кварками, и два кварка одного протона с одним кварком второго. Все, что угодно. Поэтому на таких установках сталкивают все подряд, регистрируют все подряд, а потом выбирают только то, что будут изучать. Например, столкновения такого-то типа. Или такого-то типа.
LEP - коллайдер был размещен в кольцевом тоннеле длиной чуть больше 26,5 км на глубине от 50-ти до 175-ти метров (глубина залегания зависит от рельефа местности) на территориях Швейцарии и Франции. Строили LEP с целью производства определенных типов частиц. Для этого на LEPе в четырех специально рассчитанных и оборудованных точках происходило столкновение электронного и позитронного пучков. Вокруг этих четырех точек были построены гигантские детекторы, их задачей было зарегистрировать то, что получается в результате таких столкновений. На каждой из этих точек работали большие коллективы ученых из разных стран мира.
Отдохнули? Попробуем двинуться дальше. Образно вы уже представляете себе, как силы могут превращаться в материальный объект, обладающий массой. Значит, вы сможете - пусть и очень условно – представить себе и то, что же такое хиггсовское поле.
Итак, мы уже знаем, что у одних элементарных частиц есть масса, а у других – нет. В 1964 году англичанин Питер Хиггс предположил, что существует частица-переносчик массы – вот почему эта частица названа его именем – бозон Хиггса.
Облака в микромире мы уже научились себе представлять – вот и представьте, что вся наша Вселенная заполнена таким вот облаком, которое мы назовем хиггсовским полем. Само по себе это поле не весит ничего. Но как только какая-то частица, не имеющая массы (а предположим, что все частицы изначально вообще массы не имеют), начинает двигаться в этом облачке Хиггса, она сразу же массу приобретет.
Если трудно себе это представить просто так, в голове, то представьте, что в воду попала какая-то маленькая щепочка. Если она стоит на месте, не двигается, то она просто лежит на поверхности воды. Как только она будет двигаться – на нее будет как бы «налипать» вода, которая соприкасается с нею. А вот теперь из этого действия уберите саму щепочку, а то, что на нее «налипло» - оставьте в своем воображении. Вот это вот – дурацкая, конечно, но аналогия с тем, как у любой частицы при движении в облачке – поле Хиггса появляется масса. При этом массы всех электронов в этой Галактике – одинаковы, массы – протонов – тоже. Это значит, что каждый тип частиц по-своему взаимодействует с полем Хиггса.
Но поле может колебаться само по себе. Колебание хиггсовского поля – это и есть Хиггсовский бозон. Предположительно бозон Хиггса рождается в центре столкновения частиц, но зарегистрировать его самого возможности физикам не представляется, поскольку он немедленно распадается на две направленные струи других частиц (на всякий случай: кварков и антикварков) – вот их и пытаются зарегистрировать, поскольку теоретически это возможно. Но пока это никому не удалось сделать. Так существует ли он на самом деле – или нет? Никто не знает.
А как узнать? Есть идеи. В частности, и для этой цели сейчас достаивают LHC. LHC (Large Hadron Collider) – большой адронный коллайдер или БАК. На этом коллайдере протоны будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду в течение нескольких лет. Опять-таки будет собираться и накапливаться информация по столкновениям разного типа, а потом – разбираться по разным типам – те из них, которые будут поддаваться анализу.
Если вы думаете, что для постройки БАКа стали рыть какое новое подземное сооружение – вот уж тут фиг вам. БАК строится в том же самом туннеле, который прежде занимал LEP (его – понятное дело – уже разобрали). Вы скажете: «Дурака они там валют, что ли? То соберут, то разберут. То соберут, то разберут. Не надоело им?»
На самом деле, деньги, потраченные на строительство и обслуживание бывшего LEP не пропали даром. За 11 лет работы на нем с недоступной раньше точностью были измерены времена жизни и массы некоторых типов частиц и получено экспериментальное подтверждение, что современной науке известны все поколения фундаментальных частиц, которые можно получить на работающих в настоящее время ускорителях. Все – потому что бозон Хиггса зарегистрировать с его помощью не удалось.
Мало того, за годы работы LEPа не было открыто ни одной новой элементарной частицы. Не было найдено ни одно серьезного отклонения от сделанных ранее теоретических предсказаний, потому что результаты экспериментов на нем не внесли никаких изменений в существующие уже более, чем 25 лет, представления о физике элементарных частиц. То есть наука как бы топчется на одном месте – ну, чуть протаптывает полянку пошире вокруг стандартной модели (СМ).
СМ сегодня построена на более, чем 20 –ти свободных параметрах – это слишком много. Но мы, как минимум, недостаточно технически оснащены сегодня, чтобы уменьшить их количество. Теоретики полагают, что все известные нам на сегодня взаимодействия сливаются в одно универсальное взаимодействие при энергиях порядка 10[sup]16[/sup] ГэВ и выше. Проверить эту теорию сегодня мы не можем. Потому что в настоящее время на ускорителях доступна для экспериментальной проверки только область энергий до 10[sup]3[/sup] ГэВ. Вот для чего стоится LHC – на нем будут доступны энергии чуть выше, чем 10[sup]4[/sup] ГэВ. И нет на сегодня технических предпосылок к тому, чтобы в первой половине 21-го века этот порог энергии был преодолен. Но новые энергии в любом случае подарят нам что-то новое – с этим никто не спорит, это ясно, как дважды два. Что именно? Пока не ясно. Возможно, и бозон Хиггса. Если бозон Хиггса будет зарегистрирован – это будет очень серьезным звеном в доказательстве правильности СМ (стандартной модели), которая объясняет устройство мира на уровне элементарных частиц и их взаимодействий. При этом нужно понимать, что и тогда мы будем себе представлять, как частицы приобретают массу, всего лишь схематичным способом. Но теория в целом будет подтверждена.
А если нет? Ничего страшного с этим миром не произойдет. Просто нам придется перестраивать целый сектор стандартной модели. Тем более, что за последние 25 лет главное, что поняли физики - что СМ (стандартная модель) не является фундаментальной моделью элементарных частиц, то есть сегодня мы изучаем не всю модель в целом, а какие-то частные проявления законов ее действия. Что это значит? Ну, к примеру (довольно условному) – если кинуть камешек в воду, то мы не изучаем сегодня процесс падения камня, даже не можем определить, в какое место на воде упал камешек. Мы строим огромные дорогостоящие установки, чтобы посмотреть, как себя ведет и каким законам подчиняется рябь на воде в километре от места падения камня на воду.
Так можно ли называть бозон Хиггса «частицей Бога» и надеяться, что нам удастся с помощью нового коллайдера узнать – что же заставляет людей верить в Бога и является источников всех религий вообще? Думаю, самым правильным ответом будет известная фигура из трех пальцев. Так что «Пилите, Шура. Гири золотые». Да, БАК – это достижение, да, для проведения такого рода экспериментов свои усилия сосредотачивают ученые разных стран, и потому они на грани сегодняшних возможностей человечества, и – да, человечеству это нужно. А вот смешить Бога не нужно.
P.S. На всякий случай, если под кат заглянули настоящие физики - вам посмеяться над этим рассказом разрешается. А потом попробуйте рассказать в трех предложениях «Войну и мир».
Комментариев нет:
Отправить комментарий