Annotation

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

Пол Хэлперн

Предисловие. Путешествие к сердцу Большого адронного коллайдера

Благодарности

Введение. Мастерская совершенства

Тайны мироздания

В поисках теории всего сущего

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Ударными темпами. Первые ускорители

Фундаментальные силы - занимательный квартет

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Однажды в Техасе. Взлет и падение Сверхпроводящего суперколлайдера

Рожденный наносить удары. Как строился Большой адронный коллайдер

Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Послесловие. Будущее физики высоких энергий. Международный линейный коллайдер и прочее

Литература для дальнейшего чтения

Примечания

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Пол Хэлперн
Коллайдер

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Мастерская совершенства

Тайны мироздания

В поисках теории всего сущего

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Ударными темпами. Первые ускорители

Фундаментальные силы - занимательный квартет

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Однажды в Техасе. Взлет и падение Сверхпроводящего суперколлайдера

Рожденный наносить удары. Как строился Большой адронный коллайдер

Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Послесловие. Будущее физики высоких энергий. Международный линейный коллайдер и прочее

Литература для дальнейшего чтения

Обзор литературы

Перевод с английского и редакция В. И. Строкова

Предисловие. Путешествие к сердцу Большого адронного коллайдера

Посвящается Джозефу и Арлин Финстон За их неиссякаемую доброту

В те времена, когда Хаос уже начал сгущаться, но еще не были явлены ни Силы, ни Формы, и не было еще ничему Имени, и ни в чем Деяния, кто мог бы тогда познать его образ?

«Кодзики» - японские «Записи о деяниях древности» (Перевод Е.М. Пинус)

Проходя по улице мимо комплекса АТЛАС (ATLAS), ни за что не догадаешься, что здесь находится самая большая в мире установка для исследования физики элементарных частиц. Довольно загруженное шоссе, отделяющее наземную часть комплекса от зданий ЦЕРНа, - это Рут-де-Мейрен. Из окна проезжающего по нему автомобиля АТЛАС легко принять за складское помещение вроде тех, что встречаются рядом с бензозаправками. Чего я только себе не представлял, пока наконец передо мной не распахнулись двери главного входа.

ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований (CERN - сокращение от франц. Conseil Еигорёеп pour la Recherche Nucleaire), расположенный на швейцарско-французской границе, славится своей открытостью. В отличие от военных объектов, здесь, если у тебя есть пропуск, можно фотографировать все что угодно. Однако современные детекторы элементарных частиц - очень сложные и небезопасные установки, поэтому проход в их «логова» жестко регламентирован.

Когда я пошел смотреть еще не законченную часть комплекса, мне дали нечто вроде строительной каски. А на моих гидах - ученых Ларри Прайсе и Чарли Янге - были значки радиации: так отрабатывается инструкция, по которой эти эмблемы обязательно нужно носить рядом с установками, где уже запущены пучки. Но вот получено разрешение, Прайс с Янгом вводят код, дверь автоматически открывается, и мы попадаем в святая святых.

Прежде чем спуститься под землю, мы осматриваем две огромные шахты, по которым узлы детектора спускали на глубину более 100 м. Я стою на краю одного такого колодца и вглядываюсь в пропасть, старательно вытягивая шею в попытке увидеть дно. Дух захватывает от высоты! Даже не знаю, чего мне хочется больше: заглянуть поглубже или не упасть.

Над второй шахтой раньше стоял кран, который опускал вниз различные детали. Прямо скажем, задача не из легких: привезти сюда узлы, изготовленные в совершенно разных концах света, собрать их вместе под землей, да так, чтобы случайно не испортить сложнейшую электронику. Каждый шаг этого смелого проекта требовал и требует тщательного обдумывания.

Мы заходим в скоростной лифт и спускаемся в так называемую плоскость пучка. Теперь мы на той самой глубине, на которой в Большом Адронном Коллайдере (БАК) будут бегать пучки частиц. Сам БАК представляет собой огромное кольцо. В нем удерживаются протоны и другие частицы, которые, двигаясь по кругу в противоположных направлениях, сначала ускоряются до рекордных энергий, а затем сталкиваются. В одной из точек, где протоны претерпевают лобовой удар, и установлен детектор АТЛАС, причем таким образом, что плоскость пучка рассекает его ровно пополам. Это сделано для того, чтобы поймать по возможности все осколки, беспорядочно разлетающиеся от места соударения.

Проходы, ведущие от лифта к пунктам управления и обзорной площадке, довольно замысловатые. В случае утечки радиации они послужат защитным барьером, поскольку большая часть радиоактивного излучения не проникнет через толстые стены. Кроме того, в качестве меры предосторожности уровень радиоактивного фона постоянно измеряется специальными датчиками.

В коридорах немного душно. Воздух накачивают сюда по вентиляции принудительно, а его состав тщательно контролируется. Детектор содержит, в частности, жидкий аргон, температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля - начала отсчета температуры по шкале Кельвина. Если аргон вдруг нагреется, испарится и выйдет наружу, он может быстро вытеснить весь пригодный для дыхания воздух. Избежать этой опасности позволяет разветвленная система оповещения, которая в экстренном случае подаст сотрудникам сигнал, чтобы они смогли вовремя эвакуироваться на лифте.

Наконец я дошел до обзорной площадки и стою, не в силах оторвать глаз от открывшейся передо мной картины: впервые в своей жизни вижу в одном месте такое скопление сверкающего металла и электроники. Когда смотришь на длинный, лежащий на боку цилиндр, заканчивающийся гигантским блестящим колесом с бессчетными спицами («колесо обозрения»), такое ощущение, будто набрел на крупнейший инопланетный корабль во Вселенной, пристыковавшийся к соответствующих размеров космической станции.

Если в ближайшие годы на ускорителе будут открыты новые массивные частицы (например, бозон Хиггса, который, как считают теоретики, отвечает за массы остальных элементарных кирпичиков), то это даст известную пищу для размышлений. Но такого рода открытия происходят не по мановению волшебной палочки, а в результате кропотливого статистического анализа гигантских залежей данных, накопленных за долгое время. Может, люди были бы не прочь увидеть фейерверк из новорожденных частиц, льющийся им на головы, но сегодня без помощи статистики нечего и надеяться разглядеть хотя бы малую его долю.

Задолго до моего приезда внутреннюю часть детектора герметично закрыли, поэтому там ничего не было видно. Снаружи проглядывали крупные магниты в форме тора (бублика), которые изгибают траектории летящих от оси заряженных частиц, а именно мюонов. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее, и этот детектор благодаря своему большому размеру является самым точным в мире прибором для их регистрации. Спицы «колеса обозрения» - это как раз мюонные камеры.

Современные детекторы элементарных частиц (АТЛАС - живой пример) напоминают многослойную ловушку. Каждый настроен на свой сорт частиц, и то, что ускользнуло от одного прибора, попадает в другой. Главное предназначение набора таких ловушек - возможность поймать почти все, что движется.

Представьте дом, полный разных насекомых и паразитов. Поставите на кухне мышеловку - от грызунов избавитесь, но муравьи ее и не заметят. На средство против муравьев некоторые из них, вероятно, сбегутся, но мухи будут надоедать по-прежнему. Так и АТЛАС сделан из нескольких слоев, каждый из которых реагирует на свойства «своих» частиц.

Скажем, электроны и фотоны (частицы света) задерживаются в одном из внутренних слоев, так называемом электромагнитном калориметре. Тот самый жидкий аргон взаимодействует со светом и меряет выделившуюся энергию. В следующем слое, известном как адронный калориметр, остаются протоны и нейтроны. Все эти внутренние слои мне, собственно, не удалось увидеть.

Единственные заряженные частицы, ускользающие от внутренних детекторов, - это мюоны, которые с легкостью выходят наружу. Поэтому внешняя оболочка АТЛАСа так и называется - мюонная система. Выглядит она как лежащая на боку бочка с осью на траектории пучка и внушительными «заглушками» по обе стороны. Задача последних - отобрать как можно больше мюонов, так что в любом эксперименте, где рождаются такие частицы, этот прибор окажется кстати.

Но каким бы хорошим детектором АТЛАС ни был, у некоторых частиц получается его обмануть. Нейтрино, невероятно легкие нейтральные частицы, проходят его беспрепятственно. Ученые почти ничего не могут с этим поделать - им остается считать недостающую энергию и импульс. Давно известно, что нейтрино очень трудно поймать. Кроме того, в детекторе, естественно, надо оставить лазейку для пронизывающего его пучка, поэтому продукты столкновений, движущиеся под малыми углами, тоже теряются. Но поскольку исследователей интересуют обычно частицы, отлетающие под большими углами, нестрашно, если осколки, почти сонаправленные с пучком, останутся незамеченными.

Хитросплетения кабелей, напоминающие волосы горгоны Медузы, соединяют сложную электронику детектора с внешним миром, позволяя дистанционно управлять сбором данных. Благодаря этому исследователям, трудящимся над проектом, как правило, не нужно во время непосредственной работы ускорителя предпринимать вылазки в приборные отсеки. А обработать стремительный поток информации ученые смогут с помощью системы под названием «Грид», дающей доступ к обособленной сети компьютеров, охватывающей весь земной шар. В результатах анализа они будут искать следы бозона Хиггса и других гипотетических частиц.

Плохого бы я был мнения о БАК, если б решил, что он ограничивается этой исполинской искусственной пещерой, где стоит АТЛАС. От последнего через отверстия в стене уходят трубы ускорителя, расположившиеся во впечатляющем тоннеле. За километры от того места, где я сейчас, в таких же гротах стоят еще детекторы: многоцелевой детектор CMS, оборудованный сильным центральным магнитом, «Алиса» (ALICE), специальный детектор для изучения столкновений ионов свинца, детектор БАК-b (LHCb), предназначенный для исследования взаимодействия так называемых b-кварков, и некоторые другие.

Поднявшись на свежий воздух, я решил немного осмотреть французский ландшафт поверх кольца БАК. Большая часть кругового 27-километрового тоннеля проходит под идиллической местностью под названием Пэи-де-Жекс («область Жекс»), раскинувшейся на границе Франции и Швейцарии. Захватив паспорт, я сел в автобус, направляющийся из Женевы во французскую деревню Ферней-Вольтер. Она, как подсказала мне карта, находится, грубо говоря, над одним из сегментов тоннеля БАК.

В этом старомодном уголке, где когда-то философствовал Вольтер, почту до сих пор развозят на велосипедах. В «буланжери» можно прикупить свежего французского багета, испеченного по старинному рецепту, а во «фромажери» - отведать ароматный «блё-де-жекс» и другие тамошние сыры. По сторонам ведущих в город дорог - дома с выцветшей на солнце желтой или зеленой штукатуркой и крышами, выложенными бургундской мозаичной черепицей. Цивилизация сюда, кажется, еще не добралась. Но от иллюзии не осталось и следа, как только мимо меня проехал белый микроавтобус с бросающейся в глаза эмблемой ЦЕРНа. Она словно говорила: не стоит забывать, что эта уютная деревенька со всеми ее прелестями сельской жизни соседствует с одной из самых смелых научных затей XXI в.

Вернувшись на Рут-де-Мейрен, я заметил тот же контраст старого и нового. В ЦЕРНе с пиететом относятся к истории. Его улицы носят имена людей, которых объединяла общая цель - найти фундаментальные составляющие природы. Здесь Демокрит и Мария Склодовская-Кюри, Джеймс Клерк Максвелл и Альберт Эйнштейн. По площади церновского музея рассеяны всевозможные ускорители и детекторы разных форм, размеров и эпох. Невольно сравнивая эти первые маленькие детекторы с АТЛАСом, воочию видишь мощь прогресса, произошедшего в физике элементарных частиц за последние 75 лет.

В новом проекте задействованы и прежние версии ускорителей. До того как частицы попадают в основное кольцо, их сначала разгоняют на «старых» установках, самой почтенной из которых около полувека. Словно духи прошлого благословляют ученых на будущие свершения.

Последуем и мы примеру ЦЕРНа: прежде чем окунуться в мир современных проблем и методов исследования, обратимся к истории физики элементарных частиц и способам, давшим нам возможность разведать кое-какие секреты природы. Так мы наберем необходимый импульс! Я задумывал эту книгу не только как повесть о Большом адронном коллайдере и сногсшибательных открытиях, которые он может нам подарить. Мне хотелось также проследить тот путь, которым человечество движется к ответу на старый как мир вопрос: на каком фундаменте покоится мироздание? Частицы уже начали свой бег по коридорам ускорителя высоких энергий, и мы тоже вот-вот отправимся в фантастическое путешествие.

Благодарности

Спасибо всем тем в ЦЕРНе, кто уделил мне время, чтобы рассказать о своей работе, и провел экскурсии по установкам. Особенно я хочу поблагодарить Михаэла Рейссенбека - главу исследовательской группы из Университета Стоуни-Брук, ведущей АТЛАС, - за готовность обсудить со мной разные стороны этого проекта и за помощь в организации встреч, которые оказались невероятно полезными. Выражаю также глубокую признательность Венетиосу Полихронакосу, Ларри Прайсу, Чарли Янгу, Ашфаку Амаду, Адаму и Кате Юркевич, Александру Ходинову, Джейсону Фарли, Джулии Грей и Джету Гудсону.

Большое спасибо Дэвиду Кассиди и Адаму Юркевичу за то, что они прочитали отдельные главы и высказали свои замечания. Хочу также поблагодарить Дж. Дэвида Джексона из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли за полезные комментарии. Спасибо Дэвиду Брину за учтиво предоставленную цитату из его романа «Земля» и Герману Воуку за любезное разрешение включить в эту книгу цитату из «Техасского котлована».

Я благодарю своих редакторов в «Уили», Констанцию Сантистебан и Эрика Нельсона, за их уверенность, помощь, идеи и дальновидность, а также моего агента Джилса Андерсона за его мудрые советы и поддержку.

За поддержку в этом и других моих литературных опытах я признателен своим коллегам из Университета наук в Филадельфии - Филу Гербино, Элаю Эскенази, Джуду Кучински, Брайану Киршнеру, Филлис Блумберг, Стиву Родригу, Сержиу Фрейре, Бернарду Бруннеру, Джиму Каммингсу, Пину Канлиффу, Рою Робсону, Дэвиду Трэкселу, Джастину Эверетту, Дирдре Петтипис, К. Шветкету Вирбхадре и многим другим.

Спасибо моим друзьям, с которыми я уже много лет обсуждаю все захватывающие идеи, - Фреду Шюпферу, Майклу Эрлиху, Фрэн Шугарман, Митчеллу и Уэнди Кальц, Симоне Зелич, Доу Буххольцу, Бобу Янцену, Роберту Кларку, Скоту Веггебергу, Эвану Томасу, Дубравке Клабукару, Элане Льюбит и покойному Дональду Баски.

Огромное спасибо моей жене Фелиции и моим сыновьям Эйдену и Элаю за неиссякаемую любовь, теплоту и интересные мысли. Приношу благодарность своим родителям, Стэну и Банни Хэлперн, за их поддержку, а также своим родственникам - Джозефу и Арлин Финстон, Саре и Ричарду Эванс, Лейн и Джилу Хуревиц, Джэнис, Ричарду, Джерри, Долорес, Майклу, Марии Энтнер, Дене и Амритпалу Хэттон, Аарону Стэнбро, Кеннету, Алану, Бет, Тессе, Ричарду, Аните, Эмили, Джейку Хэлперну и остальным.

Введение. Мастерская совершенства

Столь очевидное братство среди атомов не указывает ли на общность происхождения?… Полнота сложного не указывает ли на совершенство простого?… Не потому ли, что первично, а следовательно, закономерно, они были Одно, - теперь во всех обстоятельствах, во всех точках, во всех направлениях, всеми способами приближения, во всех отношениях и при всех условиях они с борьбою устремляются назад к этому абсолютному, к этому безотносительному, к этому безусловному Одному?

Эдгар Аллан По. Эврика.

В самой человеческой природе лежит неуклонное стремление к единству. Симметрия и завершенность - рулевые нашего чувства прекрасного: они подталкивают нас к тем людям, местам и вещам, от которых веет целостностью натуры. В поисках этой гармонии архитекторы прибегают к геометрическим принципам, придающим силуэтам зданий эстетическую привлекательность. Фотографы могут часами подбирать рамку, выгодно сочетающуюся со снимком. А возлюбленные включаются в этот общий поток, когда впервые ощущают то, что называется духовной близостью.

Как же нам прийти к совершенству? Может быть, заглянуть глубоко в прошлое, в те древние времена, когда гармонию еще не разбили вдребезги? Или спуститься глубоко под землю, построить мощные машины и самим разбивать вдребезги частицы в надежде, что среди обломков мы когда-нибудь найдем остатки потерянного рая?

На одном берегу стоит красота, на другом - хаос. Все неказистое вроде мудреных картин или атональной музыки выводит нас из равновесия. Лучше всего выразить этот контраст удалось, пожалуй, Эдгару Аллану По. Как никто другой умеющий различить великолепное и отвратительное, последние годы своей жизни он почти полностью посвятил попытке раскрыть и понять глубокое единство, лежащее в основе мироздания. Его поэма в прозе «Эврика» повествует о том, что изначальное единообразие Вселенной неумолимо идет к восстановлению. Подобно неспокойному дому Ашеров, оно хочет слиться с породившей его землей.

В современной физике немало завершенных островов, которыми увенчались многовековые попытки разгадать тайны природы. Но есть и не дающие покоя пробелы и парадоксы. Сегодня самые талантливые ученые ставят самые дерзкие эксперименты, лишь бы все белые пятна на карте мира исчезли.

Главные ключи к пониманию тех сил, что управляют Вселенной, и созданию целостной картины всего сущего были получены в последние двести лет. В середине XIX в. блестящий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны, и что эта взаимосвязь выражается системой четырех простых уравнений. При всей своей общности места они занимают мало и вполне помещаются на футболке. Тому доказательство - многочисленные «модники» на физических конференциях. Из этих соотношений вытекает удивительное следствие: любой в мире свет, от ярко-желтых оттенков подсолнухов до багровых переливов заката, - это электромагнитные волны, союз электричества и магнетизма.

К началу XX в. физики догадались, что энергия в этих волнах существует в виде отдельных порций, фотонов. Последние со скоростью света летают от одного электрически заряженного тела к другому, вызывая притяжение или отталкивание. Следовательно, все в мире электромагнитные явления, будь то отклонение стрелки компаса или прорезающая небо молния, происходят от обмена фотонами между заряженными частицами.

Помимо электромагнетизма есть еще в природе две силы, играющие роль в ядерных масштабах, - слабое и сильное взаимодействия, - и гравитация, сила, заставляющая яблоки падать, а планеты двигаться. Этими четырьмя силами определяется, как материальные тела притягиваются, отталкиваются и видоизменяются. Когда меняется тип движения - автомобиль плавно начинает ехать и медленно поворачивает, или машину внезапно встряхивает, и она останавливается, визжа тормозами, - к этому причастны какие-то взаимодействия из четырех.

Каждая из сил возникает от обмена своими переносчиками или набором переносчиков. Обмениваясь ими, две частицы притягиваются, или отталкиваются, или же меняют свои свойства. Чем-то напоминает игру в фрисби: там тоже, чтобы поймать тарелку, подходишь поближе - и невольно отступаешь назад, когда она у тебя в руках. Метание предмета туда-сюда не дает игрокам слишком далеко разойтись.

Вдохновившись триумфом Максвелла, обвенчавшего электричество и магнетизм, многие физики решили выступить в роли сводников для других сил. Как хороший хозяин старается на празднике наладить отношения между гостями, так и ученые, пытаясь установить связи, сделали ставку на поиск общего. Могут ли все четыре взаимодействия описываться одной системой уравнений?

На сегодняшний день самым крупным продвижением в этом направлении является сплав электромагнетизма и слабых сил, совершенный независимо друг от друга американскими физиками Стивеном Вайнбергом и Шелдоном Глэшоу и пакистанским физиком Абдусом Саламом. Объединенное взаимодействие получило название электрослабого. На пути к нему встретился, однако, далеко не один подводный камень.

В частности, серьезную проблему представлял широкий разброс в массах переносчиков каждой из сил. У фотонов нулевая масса, в то время как частицы, ответственные за слабое взаимодействие, довольно тяжелые. Из-за этого, кстати, радиус действия слабых сил гораздо короче. Чтобы лучше почувствовать разницу между электромагнитными и слабыми переносчиками, представьте себе, что вы сначала выполняете подачу мячом, легким, как пушинка, а потом вам дают свинцовый шар для боулинга. Он, конечно, вряд ли долго задержится в воздухе и камнем рухнет на пол. Разве можно назвать честным состязание между силами, поставленными в столь неодинаковые условия?

Тем не менее иногда неравенство возникает из имевшей место гармонии. Симметрия, бывает, рушится, и коллекционеры древних скульптур хорошо это знают. Могло так случиться, что ранняя Вселенная в течение считаных мгновений после ослепительного Большого взрыва, положившего ей начало, недолго пребывала в состоянии гармонии. Все силы находились в идеальном равновесии, пока что-то не нарушило этот баланс масс. И тогда одни переносчики стали тяжелее других. Так, может быть, сегодняшний разброс в силе взаимодействий явился результатом какого-то вездесущего процесса, разрушающего симметрию?

В 1964 г. британский физик Питер Хиггс предложил элегантный механизм для объяснения спонтанного нарушения первоначальной симметрии Вселенной. Этот механизм постулирует наличие особой сущности, так называемого поля Хиггса, которое пронизывает весь Космос, устанавливая фундаментальный масштаб энергии. (Поле математически описывает, как свойства силы или частиц меняются от точки к точке.) Оно содержит в себе своего рода стрелку, или фазовый угол, которая может указывать на любую точку окружности. При невероятно высоких температурах, сопровождавших момент рождения Вселенной, положение стрелки размыто. Она ведет себя наподобие быстро вращающейся рулетки. Но когда температура падает, колесо рулетки встает как вкопанное, и стрелка останавливается в случайном месте. В итоге изначальная симметрия поля Хиггса, не отдававшего предпочтение ни одному из углов, спонтанно нарушается путем выбора одного конкретного угла. А поскольку полем Хиггса определяется вакуумное состояние Вселенной (состояние с наименьшей энергией), нарушение симметрии неизбежно влечет за собой превращение так называемого ложного вакуума (наименьшая энергия не равна нулю) в истинный (с нулевой энергией). Из знаменитого завета Альберта Эйнштейна Е = тс ² (энергия равна массе, помноженной на скорость света в квадрате) тогда следует: полученная энергия - все равно что масса, которая и распределяется между разными элементарными частицами, включая переносчиков слабого взаимодействия. Одним словом, останавливаясь, хиггсовская «рулетка» придает массу частицам, в том числе отвечающим за слабые силы, и последние становятся тяжелее, хотя фотон по-прежнему не имеет массы. За его удивительную способность снабжать массой другие частицы «хиггс» прозвали «божественной частицей».

Если механизм Хиггса верен, от соответствующего поля должна была остаться своя элементарная частица. Из-за ее массы, которая больше чем в сто раз превосходит массу протона, сидящего в ядре водородного атома, ее можно надеяться увидеть только в бурных процессах, какими являются высокоэнергетические столкновения частиц. Но после десятков лет поисков этот ключевой ингредиент электрослабой теории пока так и не найден. Как-то незаметно неуловимая божественная частица превратилась в святой Грааль современной физики.

Если забыть про ненайденный «хиггс», теория электрослабого объединения успешно доказала свое право на существование. Ее значение так велико, что ее даже называют Стандартной моделью. Однако, к большому разочарованию всего физического сообщества, попытки объединить электрослабое взаимодействие с оставшейся парой сил плодов до сих пор не принесли.

Теории электрослабых и сильных взаимодействий удается по крайней мере сформулировать на одном и том же языке - в терминах квантовой механики. Разработанная в 20-х гг. прошлого века, квантовая механика оказалась мощным инструментом для описания природы на субатомных расстояниях. Но хотя она точно предсказывает средние для различных физических процессов, для того же рассеяния (соударения и разлета двух и более частиц) или распада, ее неотъемлемым свойством является неопределенность, с которой трудно свыкнуться. Как бы мы ни пытались докопаться до точного хода физических событий, происходящих на субатомных масштабах, в лучшем случае нам остается бросать монетку или играть в кости. Эйнштейн так и не смог смириться с тем, что приходится делать ставки, хотя, казалось бы, все должно быть кристально ясно и без них. Он провел остаток своей жизни, пытаясь построить взамен новую теорию. Однако квантовая механика, подобно молодому Моцарту, гениальному, но дерзкому, представила на наш суд столько изумительных симфоний, что на ее шалости закрыли глаза.

Физикам, дорожащим точностью, не мог не полюбиться шедевр самого Эйнштейна - общая теория относительности. Она объясняет гравитацию во всех деталях и, в отличие от теорий остальных взаимодействий, дает не вероятностное, а детерминированное описание. Кроме того, в теории Эйнштейна пространство и время оставили свою роль фоновых координат и стали полноправными участниками физических процессов. Ученые не опускают рук, но пока нет общепринятого способа примирить гравитацию и квантовую механику. Это как пытаться настроить на победу команду, отправляющуюся на олимпиаду по лингвистике, и вдруг обнаружить, что один из четырех игроков, признанный эксперт в своей области, говорит на никому не понятном языке.

У ученых куда-то затерялся один из элементов мозаики. Из четырех фундаментальных взаимодействий два, слабое и электромагнетизм, явно подходят друг к другу. Сильное взаимодействие тоже не выглядит третьим лишним, но еще никто до конца не знает, с какой стороны его пристроить. А вот гравитация будто попала сюда совсем из другой коробки. Как же нам воссоздать первоначальную симметрию Космоса?

Современной физике известны и другие случаи асимметрии. Так, например, разница в количестве материи и антиматерии (она напоминает материю, но противоположно заряжена) - первой во Вселенной намного больше. Или существенные различия в поведении фермионов (из них состоит материя) и бозонов (они переносят взаимодействия). Как Монтекки и Капулетти, фермионы и бозоны принадлежат к разным семьям со своим набором традиций. Собираясь вместе, они ведут себя по-разному: фермионам всегда нужно больше места. Попытки примирить два семейства привели к гипотезе великого вселенского союза под названием суперсимметрия. Она требует, чтобы у каждого члена одной семьи был родственник в другой. Эти суперсимметричные пары, возможно, помогут решить одну из главных астрономических головоломок: почему галактики двигаются так, будто в них больше массы, чем нам кажется? Может быть, вся или почти вся темная материя состоит из этих самых суперсимметричных частиц? В любом случае, их никто никогда не видел, и ученым еще предстоит их найти.

Такие нестыковки и парадоксы раззадоривают человеческий ум. Нам хочется услышать от науки полноценный рассказ, а не прерываться на самом интересном месте. Если нам по-прежнему не ясно, чем все закончится, наверное, стоит подключить фантазию, хотя вот физикам-теоретикам на фантазию жаловаться не приходится. За любой научной загадкой увивается целый рой возможных объяснений, правдоподобных и не очень.

Особенно поражают воображение сравнительно недавние теоретические изыскания, в которых предлагается заменить элементарные частицы вибрирующими энергетическими нитями или мембранами. Первыми занимается теория струн, а вторыми - М-теория. Привлекая суперсимметрию или дополнительные измерения вдобавок к обычным пространству и времени, в рамках этих схем теоретики дают красивое объяснение некоторым различиям между гравитацией и остальными взаимодействиями. Новые теории удобнее с математической точки зрения: раньше некоторые вычисления, если их провести в отношении точечных частиц, давали бессмысленный результат, а со струнами и мембранами конечных размеров эти проблемы исчезают. Общеизвестно, какие большие трудности возникают при попытках расширить Стандартную модель и таким образом построить теорию всех взаимодействий. Поэтому неудивительно, что многих выдающихся ученых привлекла математическая элегантность новаторских теорий. Вайнберг, например, однажды заметил: «Кроме струн нам положиться не на что»².

Есть у струнной и М-теорий и противники. Они подвергают сомнению физическую состоятельность новых подходов, содержащих неизвестные величины и требующих скрытых измерений. Во множестве всевозможных комбинаций наш реальный мир представлен какой-то частью, которая, в свою очередь, сама включает массу возможностей. Если в теории достаточно много свободных параметров, утверждают оппоненты, ею можно объяснить практически любую частицу или взаимодействие. Это то же самое, как если бы писатель, решивший уподобиться Диккенсу, накропал бы десятки тысяч страниц сомнительной прозы и поручил бы редактору нарезать из них роман английского классика. Перефразировав знаменитое изречение Трумана Капоте «Это машинопись, а не литература», оппоненты теории струн могли бы сказать: «Это подгонка, а не физика».

Но даже самые пылкие сторонники и ярые противники сходятся в одном: судьей любой теории, в конечном итоге, является эксперимент. Правда, до сих пор ни струнная, ни М-теория такой роскошью не располагают. Видный теоретик Брайс Девитт как-то мне сказал: «Я чувствую себя немного виноватым перед студентами которые хотят заниматься М-теорией. Ведь там нет ни капли опытных доказательств ее справедливости»³.

В период с 30-х до середины 90-х гг. XX в. физика элементарных частиц сильно продвинулась вперед благодаря экспериментам по столкновению частиц высоких энергий на разных типах ускорителей. Ускоритель - это прибор, в котором частицы (скажем, протоны), направляемые электрическими и магнитными полями, летают по кольцу или другой траектории и разгоняются до все больших и больших энергий. Затем они сталкиваются, а их энергия превращается в целый ливень осколков. Как следует из соотношения Эйнштейна, чем больше энергия при столкновении, тем вероятнее рождение тяжелых частиц. В старых ускорителях использовались неподвижные мишени, но физики осознали, что лобовое столкновение позволит выжать гораздо больше энергии. Ускорители, в которых частицы налетают друг на друга лоб в лоб, называются коллайдерами (от англ. collide - «сталкиваться»).

В те переломные десятилетия исследователи, собирая и обрабатывая данные столкновений с помощью разнообразных детекторов, открыли целый «зоопарк» элементарных частиц. Надо было всех их каким-то образом разбить на семейства и понять, как они распадаются и взаимодействуют. И крупные теоретические успехи не заставили себя ждать. Для объяснения данных предлагались свежие теории, которые затем проверялись в новых экспериментах. В итоге, будучи подтвержденными на опыте, некоторые теории переставали быть чисто умозрительными, а физическое сообщество начинало к ним прислушиваться. После проверки они словно восклицали: «А мы что говорили!»

Взять хотя бы элементарный кирпичик под названием топили t-кварк[1]. Предсказанный в 70-х гг., он был обнаружен в 1995 г. при обработке столкновений на тогда самом внушительном ускорителе в мире, «Теватроне» Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми («Фермилабе») в Батавии, штат Иллинойс. На «Теватроне», официально запущенном в 1983 г., потоки протонов и антипротонов (отрицательно заряженных частиц, являющихся для протонов антиматерией) разгоняются до энергий около 1 ТэВ (одного тераэлектронвольта) и врезаются друг в друга. Один электронвольт - это энергия, затрачиваемая на перенос одного-единственного электрона или протона между клеммами одновольтовой батарейки. Умножьте эту величину на миллиард, и как раз получится 1 ТэВ - для миниатюрных элементарных частиц энергия колоссальная.

Как впоследствии оказалось, на топ-кварке - последнем крупном открытии на «Теватроне» - череда ярких научных завоеваний в физике высоких энергий прервалась на неопределенно долгое время. Чтобы найти «хиггс», разыскать суперсимме-тричных двойников, а также для решения других важных задач требовались все-таки более серьезные энергии, чем мог предложить этот немаленький прибор. А за отсутствием экспериментальной базы хор конкурирующих между собой теорий разразился режущей слух какофонией. Как вернуть теоретическую физику в хорошее расположение духа, разрешить спор между альтернативными идеями и услышать голос истины? Выход был один - построить более мощные коллайдеры.

Такую ответственность взял на себя Европейский центр ядерных исследований, который по французской аббревиатуре (CERN) называют ЦЕРНом. Найти «хиггс», открыть суперсимметричные частицы, разгадать природу темной материи, понять, есть ли скрытые дополнительные измерения, объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, воспроизвести в какой-то степени условия Большого взрыва - имея в виду эти и многие другие насущные научные проблемы, ЦЕРН решил бросить силы на постройку самого большого и самого энергичного ускорителя в мире. В качестве площадки было выбрано место вблизи штаб-квартиры центра, неподалеку от швейцарской Женевы.

Более пятнадцати лет напряженного графика и свыше 8 млрд долларов - такова цена наконец запущенного Большого адронного коллайдера, новаторского научного проекта, призванного раскрыть самые глубокие тайны физики частиц. Без всякого преувеличения, это величайший эксперимент всех времен, высшая ступень в погоне человека за единством. Под стать благородной цели ощутить космическую общность и величие и здешняя живописная местность.

Опросите путешественников, куда бы они поехали за изумительной красотой и гармонией, и в первых строчках наверняка будет Швейцария. Это величественные горы и чистые озера, старомодные фуникулеры и завораживающие средневековые города. Где, как не здесь, искать единства? И правда, Швейцарская Конфедерация - живой пример того, как разнородные силы можно свести вместе. Она объединяет людей, говорящих на четырех официальных языках (французском, немецком, итальянском и ретороманском), придерживающихся разных религий (протестанты, католики и др.) и живущих в 26 кантонах, в которых, между прочим, очень неодинаковые географические условия. Хотя в прошлые века не все в швейцарской истории шло гладко, сейчас она стала средоточием мира и нейтралитета.

Когда в Европе исчезли политические границы, заставы в науке также пали. БАК пересекает швейцарско-французскую границу с легкостью дипломата. Его 27-километровый кольцевой тоннель, доставшийся в наследство от списанного в утиль Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП), являет собой венец международного сотрудничества. Только объединившись, напоминает он нам, мы можем надеяться разгадать секреты природного единства.

Большое участие в экспериментах БАК принимают и американские исследователи. Они, конечно, рады внести свою лепту в это рискованное, но многообещающее предприятие. Хотя США и не входят в ЦЕРН, Америка на БАК средств не жалеет. Но, поддерживая европейские достижения, многие американские физики тем не менее до сих пор не могут забыть о том, какие возможности могли бы им представиться на родине.

В 1993 г. американский Конгресс проголосовал за то, чтобы лишить финансирования Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), который, если б его построили, был бы гораздо больше и мощнее БАК. В Ваксахачи, штат Техас, уже успели вырыть 22,5 км тоннеля из запланированных 85 км, когда финансовый поток остановили. Сегодня здесь изрытая местами пустошь с заброшенными зданиями, покрывшимися сорняками. Многолетняя мечта о невиданных открытиях сгинула вместе со статьей госбюджета.

В письме в Комиссию по бюджетным ассигнованиям выражал свое беспокойство по этому поводу и Билл Клинтон: «Бросить ССК сейчас - значит признать, что Соединенные Штаты готовы поступиться своим лидерством в фундаментальной науке, лидерством, которое мы держим десятилетиями»⁴.

Как бы то ни было, тонкий кошелек оказался сильнее каких-то «непонятных» обещаний. Вместе с падением ССК оборвалась целая эпоха в жизни тех, кто многие годы над ним трудился, а многие начинающие ученые разочаровались в этой области науки. Это отбросило американскую физику высоких энергий далеко назад, в то время как Старый Свет выдвинулся вперед.

Благодаря тем 20 ТэВ, которые планировались, техасская «наковальня» была бы самым подходящим местом для поиска неуловимой божественной частицы. Возможно, там «вылупились» бы и суперсимметричные двойники, которые можно было бы узнать по форме кривых распада. В подземных ходах под Техасом могла родиться и темная материя. Можно было бы проверить экспериментальные следствия теории струн и других моделей объединения. И главное, как и путешествию человека на Луну, начало этому скачку в познании мира могла дать американская земля. Теперь БАК запущен, значит, в «Теватроне» уже особой нужды нет, а новые большие ускорители на территории США не планируются. Где же произошел сбой?

А произошел он в долгосрочном планировании и политике в отношении науки, областях, которым Соединенные Штаты в последнее время, к сожалению, не уделяют достаточно внимания. Что касается европейских стран - членов ЦЕРН, для каждой из них определен свой ежегодный взнос, зависящий от валового национального продукта. Поэтому у проектировщиков БАК всегда перед глазами была смета на период, необходимый, чтобы построить и запустить установку. Более того, все будущие усовершенствования рассчитываются уже сейчас. Предусмотрительность и упорство - ключевые факторы успеха БАК.

Досадные аварии и задержки, безусловно, были. Куда без них! У современной физики высоких энергий очень тонкие приборы, которым требуется идеальная настройка и непростые внешние условия, в том числе сверхнизкие температуры. Несмотря на профессионализм сотрудников, системы то и дело отказывают. Первый пуск БАК намечали на 2005 г., но понадобились доработки. В 2007 г - официальное открытие снова отложили - из-за случайной поломки одного из магнитов.

10 сентября 2008 г. протонные пучки впервые без помех прошли по всему большому кольцу БАК. Глава проекта Лин Эванс и международный коллектив исследователей, работающих в ЦЕРНе, были вне себя от счастья. «Это удивительный момент, - сказал Эванс. - Перед нами открывается новая захватывающая эра в понимании происхождения и эволюции Вселенной»⁵.

Но спустя всего девять дней случился неприятный инцидент, вмиг рассеявший радужные настроения. Ученые даже не успели попробовать столкнуть пучки. Из-за неисправного контакта между двумя магнитами последние нагрелись, и окружающий их гелий, охлажденный до сверхнизких температур, начал испаряться. Жидкий гелий - основной компонент системы охлаждения БАК, благодаря которой функционируют сверхпроводящие магниты. Перейдя в газообразную фазу, он стал беспрепятственно вытекать из системы во внешнюю прослойку, где поддерживается вакуум, так что любая попытка стравить его через предохранительный клапан была обречена на неудачу. Последовал крепкий удар, от которого магниты сместились, - стремительно расширяющийся гелий отправил их в нокаут. Пострадали, кроме того, провода и немного - труба ускорителя. Добравшиеся до места аварии техники поставили диагноз: несколько месяцев на ремонт, опять проверка электрических и магнитных систем вдоль всего кольца, а потом можно попытаться еще раз. В настоящее время повторный запуск намечен на сентябрь 2009 г.[2]

Когда БАК заработает в полную силу, это будет поистине чудо на земле, а точнее, под землей. Находясь на глубине примерно 100 м, тоннель БАК в диаметре составляет всего около 3 м. Для двух встречных пучков частиц он будет своего рода гоночным треком. Управляемые более чем 1000 охлажденными магнитами - самыми холодными предметами на Земле, эти частицы будут обегать кольцо 11000 раз за секунду на скорости, достигающей 99,999999 % скорости света. Разогнавшись до 7 ТэВ каждый, пучки будут направлены в одну из четырех запланированных точек пересечения, где произойдут столкновения.

В одной из таких точек стоит АТЛАС (ATLAS, акроним от англ. A Toroidal LHC Apparatus - «Тороидальный прибор БАК»). Этот детектор поражает своими размерами - высотой с 7-этажное здание (больше половины Статуи Свободы) и 46 м в длину. С помощью чувствительных калориметров (приборов, меряющих энергию) и отслеживающих устройств он тщательно анализирует все, что летит от сталкивающихся лоб в лоб протонов в его центре, и копит целые «тома» данных о продуктах каждого такого события. На диаметрально противоположной стороне - еще один многоцелевой детектор, известный как CMS (Compact Muon Solenoid - «Компактный мюонный соленоид»). На нем стоят отслеживающие устройства и калориметры другой конструкции, которые также будут ловить бесценное эхо столкновений. Преодолев еще четверть кольца, встретим детектор БАК-b (Large Hadron Collider beauty - «Красота Большого адронного коллайдера»), чья цель - зарегистрировать распад частиц, содержащих b-кварки[3] (прелестные). Возможно, это прольет свет на причину дефицита в природе антиматерии. Наконец, в четвертой точке пересечения пучков находится специализированный детектор «Алиса» (ALICE, акроним от англ. A Large Ion Collider Experiment - «Эксперимент на Большом ионном коллайдере»). Он будет использоваться в те периоды, когда вместо протонов по кольцу станут бегать ионы свинца. Ударяя их друг об друга, ученые надеются в какой-то степени воссоздать физические условия в ранней Вселенной. Информацию со всех детекторов будут собирать, сортировать, пытаясь диагностировать следы новых частиц, и самые «подозрительные» данные отсылать на подробный анализ глобальной компьютерной сети «Грид».

Мировое физическое сообщество с нетерпением ждет результатов БАК, в которых мы, может быть, увидим признаки «хиггса», суперсимметричных двойников и остальных не менее долгожданных частиц. Они бы внесли в физику свежую струю, пришпорили бы научные исследования. Ну и само собой разумеется, не обойдется без Нобелевской премии. Всем тем, кто трудится на благо этого смелого проекта, воздадут по заслугам. Упорство не покладающего рук Эванса и тысяч сотрудников, каждую минуту думающих, как приблизить заветную цель, будет вознаграждено.

Если частицу Хиггса найдут, в зависимости от ее массы либо подтвердится Стандартная модель, либо понадобится внести в нее серьезные поправки. В некоторых суперсимметричных расширениях Стандартной модели получается несколько «хиггсов» с разными массами. Если обнаружится, что так и есть, это ознаменует победу суперсимметричных теорий, особенно если параллельно удастся открыть другие суперсимметричные частицы. Большинство физиков не сомневаются, что на таком высокоэнергичном ускорителе, как БАК, появятся неизвестные частицы. Если все будет в порядке, теоретики получат пищу для размышлений на много лет вперед.

На БАК возлагается много надежд, однако опасений не меньше. Еще ни один прибор в новейшей научной истории не вызывал таких общественных треволнений. Его обвинили в том, что он подвергает опасности Землю, а то и всю Вселенную. Кого БАК пока подверг опасности, так это Интернет: распространяясь в сети, эти взгляды превратили бесчисленные блоги и форумы в места жарких баталий.

В числе главных виновников, которые якобы родятся в недрах БАК и запустят конец света, ненасытные черные мини-дыры, магнитные монополи и наводящие ужас гипотетические «страпельки» («странные капельки»). Апокалипсические настроения, собственно, не новы. Иногда людям, и таких немало, нравится проводить время в ожидании возможных катастроф: столкновения с астероидом, испарения Земли взрывом близкой сверхновой… В случае с БАК примечательно то, что мир поглощают теоретические объекты, которых не видели ни на одном детекторе и которых, скорее всего, вообще нет в природе.

Пожалуй, самый популярный сценарий конца света из-за БАК связан с черными дырами. Он гласит: пучки будут настолько интенсивными, что в горниле ускорителя родится крошечная черная дыра, которая, подобно слизистой твари из фильма ужасов «Капля» (Blob), начнет засасывать все на своем пути, пока не поглотит всю Землю целиком. Справедливости ради скажем, что в некоторых теоретических схемах предсказывается возникновение микроскопических объектов с сильным гравитационным полем.[4] Однако представления о прожорливости миниатюрных черных дыр не более чем заблуждение. Любые родившиеся на БАК объекты слишком малы, чтобы представлять какую-либо угрозу.

Обычные черные дыры рождаются на последних стадиях эволюции массивных звезд (как минимум в три раза тяжелее Солнца) в результате стремительного сжатия (коллапса). Своим именем они обязаны их гравитационному полю, настолько сильному, что из-под воображаемой поверхности, называемой горизонтом событий, не может вырваться даже свет. Если черная дыра входит в двойную систему, она может расти за счет звезды-компаньона. Той, в свою очередь, ничего не остается, как подпитывать свою черную соседку.

Гипотеза миниатюрных черных дыр строится на том предположении, что огромную массу удастся сжать до размеров элементарных частиц. У этих крошечных объектов горизонт событий охватывал бы настолько маленькую область, что их гравитационное поле нельзя было бы заметить на расстоянии даже в 1 см, не говоря уже о земных масштабах. К тому же из-за так называемого хокинговского излучения они бы вмиг испарились, излучив при этом ряд других частиц. Так что черные дыры не то что не могут достигнуть хотя бы субатомных размеров - у них вообще практически нет шансов выжить. Другими словами, они бы даже БАК не смогли разрушить, а Землю и подавно.

«Вся эта история с черными дырами сильно раздута, - сказал Питер Хиггс в интервью британской “Индепендент”. - Сами теоретики, предсказывающие возможность образования черной мини-дыры, не верят, что она может быть настолько крупной, чтобы начать пожирать нашу Вселенную. Скорее всего, кто-то узнал про такую возможность из СМИ и не совсем правильно ее понял»⁶.

За несколько дней до неудачно закончившегося пуска в сентябре 2008 г. новостные ленты пестрели апокалипсическими историями. «Знакомьтесь, Атомный Эванс - человек, который в среду положит миру конец», - так британский таблоид «Дейли Мейл» представил руководителя БАК. В начале статьи говорится, что живший в Уэльсе Эванс со своим набором юного химика частенько устраивал взрывы, из-за которых «несколько раз вырубало пробки во всем доме»⁷. А может быть, задается вопросом автор, настало время Эвансу вырубить весь мир?

Одна группа активистов под началом Уолтера Вагнера, бывшего чиновника, занимавшегося вопросами ядерной безопасности, дошла ни много ни мало до того, что подала на БАК в суд, требуя полной остановки эксперимента. Чтобы успокоить общественные волнения по поводу надуманных сценариев конца света, работающие с ускорителем ученые выпустили подробный отчет, где оценили потенциальную угрозу БАК для планеты и показали, что нет никаких оснований чего-либо опасаться. В «Исследовании потенциально опасных событий при столкновениях тяжелых ионов на БАК» 2003 г. говорится, что «в случае энергий и светимостей, достижимых на БАК, классическими гравитационными эффектами [черных мини-дыр] можно полностью пренебречь»⁸. Повторный обзор, проведенный в 2008 г., также не подтвердил «чернодырную» угрозу. В обоих отчетах подчеркивается, что если такие объекты существуют в природе, то они должны встречаться и в космических лучах высоких энергий, которые непрерывно бомбардируют нашу Землю. Одно то, что человечество до сих пор живо, указывает на безопасность всего, что рождается при этих энергиях.

И правда, у французов и швейцарцев, живущих над коллайдером, вполне спокойные и счастливые лица. ЦЕРН по праву может гордиться своей открытостью. В частности, он публикует все свои решения и с большим пиететом относится к окружающей среде. Земля над ускорителем выглядит чистой и практически нетронутой, тут и там разбросаны фермы, в том числе винодельческие. Если бы коллайдер нес Земле хотя бы малейшую угрозу, ЦЕРН немедленно бы от него отказался.

Есть у БАК еще одно свойство, которое вызывает не только воодушевление, но и у некоторых определенную тревогу. Дело в том, что коллайдер сможет воспроизвести условия, существовавшие во Вселенной, как считается, спустя неполную одну триллионную секунды после Большого взрыва. Неужели на ускорителе произойдет еще один взрыв космического масштаба, могущий разрушить нашу собственную Вселенную? Вряд ли. Когда говорят об условиях в горниле Большого взрыва, имеют в виду энергию в расчете на одну частицу. Об астрономической вспышке придется позабыть: с точки зрения человека, реальные энергии на ускорителе чрезвычайно малы - меньше миллиардной доли килокалории на одно столкновение! А вот для субатомной частицы это обильный обед. Регистрируя и анализируя события при таких энергиях, ученые смогут понять, что происходило, когда зарождался наш реальный Мир. И им не надо будет бояться, что они создадут еще один.

Попытка проникнуть в тайны мироздания и раскрыть устройство Вселенной сама по себе не нова. Разве что приборы вроде БАК сильно ее облегчают. А так философов и ученых давно интересует, что творилось в самые первые мгновения. Из каких мельчайших частичек построен Мир и как он построен? Существует ли теория всех теорий, которая объясняла бы всю природу от элементарных частиц до космоса в целом? Только подумать: на все эти извечные загадки скоро может быть найден ответ.

Тайны мироздания

Когда вверху не названо небо,

А суша внизу была безымянна,

Алсу первородный, всесотворитель,

Праматерь Тиамат, что все породила,

Воды свои воедино мешали.

Тростниковых загонов тогда еще не было,

Когда из богов никого еще не было,

Ничто не названо, судьбой не отмечено…

Энума элит. (Вавилонский эпос о сотворении мира. Пер. B.K. Афанасьевой).

Тайны нашего всеобщего происхождения окружают нас повсюду: они скрываются за завесой из космической пыли и излучения, покоятся под землей, по которой мы ступаем, сидят, запертые в недрах всего того, что мы видим, чувствуем, осязаем… Подобно прекрасному, но твердому бриллианту, играющему всеми цветами радуги, мироздание дает нам взглянуть на какую-нибудь одну свою грань, но не разрешает созерцать свой блеск во всей его полноте. А пытливый человеческий ум раз за разом прорывается сквозь наслоения, намереваясь однажды добраться до той истины из истин, что стоит за всем сущим. Из чего сделана Вселенная? Какие силы ею управляют? Как она родилась?

На роль фундаментальных частиц древнегреческие философы предлагали разных кандидатов. В V в. до н. э. основатели атомизма Левкипп и Демокрит считали, что тела можно разбивать на все более мелкие куски только до тех пор, пока не доберемся до элементарного кирпичика. В их представлении эти мельчайшие кусочки, «атомы» («неделимый» в переводе с древнегреческого), могли быть самых разных форм и размеров, как, например, галька и ракушки на морском берегу.

По другой версии, придуманной Эмпедоклом, все состоит из смеси четырех элементов: огня, воды, воздуха и земли. Аристотель добавил к ним еще пятую сущность - пустоту. В течение двух тысячелетий они традиционного играли роль строительных блоков мироздания, пока не появился научный эксперимент, подтолкнувший Европу к эмпирическому познанию природы. В своем трактате «Скептический химик» Роберт Бойль (1627-1691) показал, что на практике сочетания огня, воздуха, земли и воды не могут дать всего разнообразия материалов, встречающегося на Земле. Он предложил новое определение термина «элемент» как простейшей составной части любого вещества. Чтобы обнаружить ее, писал Бойль, химики должны разделить вещество на основные его ингредиенты, а не полагаться на философские измышления. Блестящая догадка Бойля помогла экспериментаторам с помощью различных методов открыть подлинные химические элементы. Это хорошо нам знакомые (в произвольном порядке) водород, кислород, углерод, азот, сера и др. Так что когда современные дети смешивают всевозможные жидкости и порошки из своих наборов юного химика и приходят в восторг от бурлящего раствора и разноцветных, пахучих и липких продуктов реакции, спасибо они должны говорить Бойлю.

Бойль был ярым сторонником атомизма и дотошным экспериментатором. Не желая мириться с гипотезой, основанной на чистом умосозерцании, он разработал оригинальный эксперимент, целью которого было проверить, состоит ли вещество из маленьких частичек - он их называл корпускулами - с пустым пространством между ними. Бойль взял изогнутую стеклянную трубку, запаянную с одного конца, а на другом сообщающуюся с атмосферой. Затем начал заливать через открытый конец ртуть, которая запирала оставшийся в трубке воздух во все меньшем объеме. Когда Бойль стал медленно убирать ртуть, он заметил, что объем запертого воздуха увеличивается обратно пропорционально давлению (сегодня этот факт известен как закон Бойля-Мариотта). Это, по мнению Бойля, доказывало, что воздух состоит из мелких частиц, разделенных пустыми промежутками.

А манчестерский химик Джон Дальтон (1793-1844), подающий надежды молодой квакер, интересовался тем, в какие реакции вступают различные вещества и что из этого выходит. Так он пришел к потрясающему выводу: каждому химическому элементу отвечает свой сорт атомов. По сути, Дальтон первым употребил слово «атом» в современном смысле - мельчайшая часть химического элемента, обладающая всеми его свойствами.

Английский ученый к тому же придумал экономную систему обозначений, помогающую записывать различные комбинации атомов. Он изображал элементы с помощью кружочка с каким-нибудь знаком в центре. Для водорода это была точка, для натрия (его Дальтон называл «содой») - две вертикальные линии, а для серебра - буква «s». Дальтон насчитал 20 элементов. Сегодня известно 92 элемента, встречающихся в природе, и еще по крайней мере 25 мы умеем получать в лаборатории. Составляя из своих круглых значков разные схемы, Дальтон продемонстрировал, как из отдельных «кубиков “Лего” - водорода, кислорода и углерода - можно собрать воду и углекислый газ. Кроме того, он обосновал гипотезу, названную им законом кратных соотношений: элементы, образующие какое-либо вещество, всегда вступают в реакцию в определенных пропорциях.

Дальтон также попробовал приписать атомам относительные веса. Хотя многие его оценки оказались неточными, благодаря этой попытке химия обзавелась простыми арифметическими методами. В 1808 г. шотландский химик Томас Томсон, смешивая щавелевую кислоту* с некоторыми химическими элементами, включая стронций и калий, получил много разных солей. Взвесив их, он определил коэффициенты пропорциональности между весами тех элементов, которые он брал. Результаты Томсона, опубликованные им в книге «Система химии», помогли теории Дальтона завоевать доверие научного сообщества.

Теория Дальтона, однако, оказалась не всесильна: она не способна была предсказать новые элементы. Глядя на ряд атомов, расположенных в порядке возрастания или убывания их относительных весов, ученые не могли сказать, есть ли у этого ряда продолжение. Это как если бы мать привела троих своих сыновей в новую школу и сообщила бы только их имена и возраст. Так как учителя ничего больше про них не знают, они не могут сказать, есть ли у этих ребят старшие или младшие братья и сестры.

А на самом деле в семье химических элементов было гораздо больше членов, чем изначально думал Дальтон. К середине XIX в. количество известных элементов утроилось и достигло почти 60. Примечательно, что некоторые из них имели похожие свойства, хотя атомные веса у них иногда сильно разнились. Взять хотя бы натрий и калий - отличаясь своими относительными весами, они почти одинаково реагировали с другими веществами.

В конце 60-х гг. XIX в. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) взялся написать учебник по химии, отражающий последние ее достижения. Чтобы проиллюстрировать успехи атомной теории, он включил в него карту всех известных тогда химических элементов, расположенных в порядке возрастания веса. Причем - и это была гениальная догадка Менделеева - элементы с похожими свойствами ученый поставил в таблице в один столбец. Таким образом он показал, что все химические элементы укладываются в единую схему, которая состоит из повторяющихся блоков. Некоторые ячейки в схеме, известной сегодня как периодическая таблица Менделеева, химик оставил пустыми, утверждая, что в них должны стоять еще не открытые элементы. И его предсказание полностью сбылось: как в судоку, все пустые клетки в таблице Менделеева в конце концов заполнились.

Открытие Менделеева долгое время оставалось для ученых непонятным, пока десятилетия спустя на арену не вышла квантовая механика. Повторяющиеся блоки в периодической таблице свидетельствуют о том, что «атом» Демокрита не такой уж «неделимый».

Каждый атом - это целый мир, в котором механика Ньютона уже не действует. Действуют особые законы, которые устанавливают иерархию атомных состояний, подобную иерархии прав наследования королевского престола. Как при монархии первенцы имеют больше прав на престол, чем их братья, так и в периодической системе - одним элементам квантовая механика позволяет занять место в таблице Менделеева прежде других.

Атом иногда сравнивают с Солнечной системой. Хотя это довольно грубое сравнение (планеты не квантовые объекты), у этих двух систем есть две общие черты. Во-первых, и там и там есть центральное тело (так называемое атомное ядро и Солнце соответственно), а во-вторых, в обеих системах действуют силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния. Из «закона обратных квадратов» следует, что если увеличить расстояние между парой тел в два раза, сила взаимодействия упадет в четыре раза, если расстояние утроить, сила ослабнет девятикратно и т. д. Физики поняли, что систему, где действует закон обратных квадратов, легко сделать стабильной. Напоминает добротный электронный собачий поводок: тот дает свободно ходить вокруг дома, но сбежать с ним не получится.

Одни ученые, такие как Бойль, Дальтон и Менделеев, посвятили свою жизнь поиску частей, из которых состоит наш мир, а другие в это время пытались открыть и понять те невидимые силы, что заставляют тела взаимодействовать и переходить друг в друга. Сэр Исаак Ньютон, чей день рождения в 1642 г. пришелся на Рождество, обладал редким талантом улавливать связи в природе и угадывать законы, управляющие ее поведением. Сформулированные Ньютоном законы механики превратили физическую науку из пестрого набора отрывочных фактов в стройную систему, обладающую невиданной доселе предсказательной силой. Они дают описание того, как силы - сближающие и удаляющие - направляют все тела в мире по присущему им пути.

Если задать положения и скорости системы тел и учесть все до единой силы, действующие на них, законы Ньютона однозначно предскажут, что с этой системой случится потом. В отсутствие внешних сил или же если все силы уравновешивают друг друга, покоящееся тело будет и дальше оставаться в покое, а движущиеся тела будут продолжать двигаться с постоянной скоростью, по инерции. С другой стороны, если сумма сил не равна нулю, тело начнет разгоняться с ускорением, пропорциональным равнодействующей всех сил. Величина этого ускорения определяется физическим свойством тела под названием масса. Чем тяжелее тело, тем труднее его ускорить заданной силой. Например, при прочих равных эвакуатор будет тащить громадную фуру гораздо дольше, чем крошку «Дэу Матиз».

Как известно, Ньютон показал, что гравитация - универсальная сила, действующая между любыми массивными телами. Луна, Международная космическая станция или крошка хлеба, сброшенная с закусочного столика своенравным муравьем, - все они притягиваются к Земле. Чем больше у тел массы, тем сильнее между ними сила притяжения. Таким образом, в физике масса играет двоякую роль: характеризует силу тяготения и определяет величину ускорения. Из-за этого она полностью исчезает из уравнения, определяющего ускорение под действием силы тяжести. Другими словами, когда тела притягиваются, например, к Земле, они ускоряются одинаково независимо от массы. Если бы не свистящий в ушах воздух, (вымерший) водный слон и мышь, соревнующиеся в прыжках с 10-метровой вышки, вошли бы в воду одновременно. Тот факт, что гравитационное ускорение тела не зависит от его массы, ставит гравитацию на особое место среди сил природы.

Силы притяжения - хорошее средство, с помощью которого можно собирать большие системы из маленьких, во всяком случае, в астрономических масштабах. Возьмите медленно блуждающие тут и там комочки, подождите, пока сила притяжения возьмет свое, и вы увидите, как они начинают скучиваться (если, конечно, нет более мощных сил отталкивания). Притяжение естественным образом объясняет, как материя может собираться из более мелких частей. Неудивительно, что Ньютон выбрал атомизм. Он считал, что из крошечных корпускул состоит не только материя, но и свет.

В своем трактате об оптике Ньютон писал: «При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении»⁹.

Вера Ньютона в то, что это Бог придумал атомы, отражает его глубоко религиозные взгляды на происхождение мироздания. Великий ученый считал, что только бессмертное существо способно сконструировать, запустить и время от времени регулировать в остальном механическую Вселенную. Пример Ньютона наряду с не менее набожным Бойлем показывает, как атомизм и религия могли уживаться в одном человеке.

Из работ Ньютона следовало, что Солнечная система управляется силами тяготения. Они выходят на передний план на астрономических масштабах, но вот чтобы удерживать вместе атомы, гравитация слишком слаба. В связанном состоянии атомы существуют благодаря электростатической силе, представляющей собой частный случай электромагнитного взаимодействия. В то время как сила тяжести определяется массой, электростатическое притяжение или отталкивание действует на тела, обладающие электрическим зарядом - особой физической характеристикой.

Знаменитый американский государственный деятель Бенджамин Франклин, живший в XVIII в., первым стал разделять электрические заряды на положительные и отрицательные. Под влиянием трудов Франклина и Ньютона британский естествоиспытатель Джозеф Пристли предположил, что электростатическая сила, как и сила тяготения, подчиняется закону обратных квадратов, только роль массы играет заряд. В отличие от гравитационных сил, которые всегда являются силами притяжения, электростатические могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию. В 80-х гг. XVIII в. эти гипотезы были подтверждены на опыте французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном, чье имя и носит сегодня закон электростатического взаимодействия.

Помимо электростатической силы есть еще одна сила, которая тоже может быть силой притяжения или отталкивания, - магнетизм. Аналогом положительных и отрицательных электрических зарядов здесь являются северный и южный полюса магнита. Древним был известен магнитный железняк, и они знали, что если подвесить кусочек магнитной руды в воздухе, то он выстроится вдоль направления север-юг. Само слово «магнетизм» происходит от греческого названия этой руды, а «электричеству» дал начало янтарь, по-гречески «электрон», ведь именно этот материал легко электризуется.

Ньютону в его модели силы представлялись своего рода невидимыми канатами, тянущимися через пространство между телами и связывающими их. Мальчик в церкви, стоящий внизу, тоже, дергая за тонкую веревку, заставляет звонить подвешенный в башне колокол. Эту концепцию называют действием на расстоянии. В каком-то смысле это продолжение идей Демокрита об атомах, движущихся в абсолютной пустоте. Два тела почему-то «чувствуют» друг друга, хотя между ними нет никакой среды, через которую могло бы передаваться взаимодействие.

Британскому физику Майклу Фарадею (1791-1867) идея о действии на расстоянии была интуитивно непонятна. Поэтому он предложил концепцию электрических и магнитных полей, своеобразных посредников, способных переносить электрические и магнитные силы. Поле можно себе представлять в виде океана, заполняющего собой все пространство. Тогда заряд в электрическом поле или магнитный полюс в магнитном - это все равно что пароход, вокруг которого бурлит вода, заставляя мелкие катера отклоняться от курса. Допустим, вы отплыли от калифорнийского побережья на лодке, и вдруг вас начинает шатать из стороны в сторону. Первое, что придет вам в голову: сюда идет большое судно - это от него волны. Так и у заряда с магнитом: они чувствуют возмущение электрического или магнитного поля, произведенное другими зарядами или магнитами.

Ребенок, играющий с бруском магнита в освещаемой электрическими лампами комнате, вряд ли догадается, что у этих двух явлений много общего. Между тем Фарадей, датский физик Ганс Христиан Эрстед и другие ученые XIX столетия экспериментально доказали, что электричество может вызывать магнитные явления и наоборот. Например, заметил Эрстед, если во время включения и выключения рубильника к нему поднести компас, магнитная стрелка у того отклонится. Аналогично если поводить магнитом у провода, то, как показал Фарадей, в нем возникает электрический ток (движение зарядов) - явление, называемое индукцией. Так что сообразительный ребенок мог бы запросто осветить свою детскую, будь у него магнит, лампочка и провод.

И теория дождалась своего создателя. Выдающийся физик Джеймс Клерк Максвелл разработал математический аппарат, с помощью которого удалось объединить электрические и магнитные явления в рамках единой теории электромагнетизма. Родился Максвелл в 1831 г. в Эдинбурге, в Шотландии, а детство провел в сельской местности, где и зародилась его любовь к природе. Он любил прогуливаться вдоль илистых берегов речушек и следовать за их замысловатыми изгибами. Будучи уже взрослым, в Королевском колледже Лондонского университета, где он возглавлял кафедру физики и астрономии, Максвелл заинтересовался другим типом течений - фонтанами электрического и магнитного полей, бьющими из своих источников.

Уверенный в том, что электричество и магнетизм должны описываться одной системой уравнений, в 1861 г. Максвелл собрал воедино все известные тогда факты, указывавшие на взаимосвязь этих на первых взгляд разнородных явлений. Электрическое поле, создаваемое зарядом, а значит, и электростатическая сила описывались законом Кулона. Затем работы Эрстеда помогли Андре-Мари Амперу (1775-1836) установить закон взаимодействия двух токов.[5] Закон Фарадея, в свою очередь, говорил, что изменяющиеся во времени магнитные поля индуцируют электрические поля, и, кроме того, было известно, что и меняющееся электрическое поле рождает магнитное. Максвелл свел все эти законы воедино, ввел дополнительный член в связь между магнитным полем и создающим его током и в своей классической работе «О физических силовых линиях» выписал полную систему уравнений.

Максвелл показал: одно из ее решений предсказывает, что ходящий вверх и вниз по антенне электрический ток будет создавать переменные электрическое и магнитное поля, свободно распространяющиеся в пространстве и колеблющиеся под прямым углом друг к другу. То есть если электрическое поле колеблется в вертикальной плоскости, магнитное будет располагаться в горизонтальной, и наоборот. Получается электромагнитная волна, расходящаяся от источника, как рябь от брошенного в озеро камня.

Электромагнитное излучение - это нечто вроде танца, который совершают стоящие друг за другом мужчины и женщины, причем мужчины двигают руками вверх-вниз, а женщины вправо-влево. Допустим, первым идет мужчина. Когда стоящая позади женщина замечает, что он начал опускать руки, она совершает движение руками вправо-влево. Увидев это, следующий за ней мужчина, в свою очередь, принимается поднимать и опускать руки и т. д. Так волна из сменяющих друг друга движений рук бежит от начала цепочки к ее концу. Подобным же образом сменяют друг друга электрические и магнитные «жесты» в электромагнитной волне, выбрасываемой источником в пространство.

Из открытия Максвелла следовал невероятный вывод. Когда великий физик посчитал скорость электромагнитных волн, оказалась, что она совпадает со скоростью света. Максвеллу ничего не оставалось, как сделать смелое заключение: свет есть электромагнитная волна. Были сорваны покровы с тайны, мучившей человечество с древних времен, - свет не один из элементов («огонь» древних греков), а излучение движущихся электрических зарядов.

До рубежа XIX и XX вв. науке был известен только видимый спектр: цвета радуги, на которые распадается солнечный свет. Каждому чистому тону соответствует своя длина волны и частота электромагнитных волн. Длина волны - это расстояние между двумя последовательными пиками горной цепи электромагнитных колебаний. Частота - количество пиков волны, которые за секунду проходят через определенную точку в пространстве. (Представьте, что вы стоите на платформе и считаете, сколько вагонов идущего мимо экспресса пронеслось за секунду.) Поскольку без материи свет всегда бежит с одной и той же скоростью, следующей из уравнений Максвелла, его длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу. У красного, цвета с наибольшей длиной волны, частота самая низкая, как если бы мимо станции проезжал неторопливый грузовой состав. Цвет с наименьшей длиной волны, фиолетовый, наоборот, колеблется быстрее всех, напоминая просвистывающий мимо поезд на магнитной подушке.

Но видимая глазом радуга цветов занимает довольно скромное место в полном электромагнитном спектре. В 1800 г. британский астроном Вильям Гершель, первооткрыватель планеты Уран, решил измерить температуры различных цветов. Каково же было его удивление, когда он увидел, что в невидимой части за красным концом спектра термометр давал высокие показания. Измеренное Гершелем низкочастотное излучение, которое располагается непосредственно у границы видимого спектра, известно сегодня как инфракрасный свет.

Годом позже немецкий физик Иоганн Риттер, узнав про опыты Гершеля, принялся исследовать область на фиолетовом конце спектра. Он обнаружил, что невидимые лучи из этой части спектра, позже названные ультрафиолетовыми, сильно воздействовали на хлорид серебра, который, как было известно, реагирует на свет.

Следующими в электромагнитном спектре на очереди стояли радиоволны. В конце 80-х гг. XIX в. для проверки теории Максвелла немецкий ученый Генрих Герц собрал излучатель в форме гири, который производил электромагнитные волны с частотами ниже, чем у инфракрасного света. Приемник, расположенный рядом, принимал эти волны, сигнализируя об этом искрой. Измерив скорость и другие свойства волн, Герц доказал, что это невидимые аналоги света. Гипотеза Максвелла получила блестящее подтверждение.

Границы спектра продолжали расширяться. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген обнаружил, что электрический разряд, идущий от спирали, запаянной внутри стеклянной трубки, дает высокочастотное излучение. Невидимые лучи выходили из трубки, преодолевали черный картон, в который Рентген ее оборачивал, пролетали около метра и заставляли светиться бумагу, покрытую химическими солями. Благодаря своей проникающей способности рентгеновское[6] излучение как нельзя лучше подходит для создания изображений. Гамма-излучение, открытое французским ученым Полем Вилларом пять лет спустя после экспериментов Рентгена, обладает еще более высокой частотой и замыкает известный нам электромагнитный спектр.

Да, у света, который диктуют уравнения Максвелла, мало общего с ньютоновскими корпускулами. Электромагнитное излучение, скорее, должно стоять рядом с такими волновыми явлениями, как сейсмические толчки, морские волны и звук. Все эти колебания распространяются по какой-либо материальной среде. Возникает законный вопрос: по какой среде бежит свет? Разве он может бежать по абсолютному вакууму?

Многие ученые XIX столетия думали, что все пространство заполняет неуловимая субстанция под названием эфир, по которой, как по трубам, идут световые колебания. А значит, если измерять скорость света в разных направлениях, она должна меняться вместе с направлением эфирного ветра. Знаменитый эксперимент американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли 1887 г. зарубил эту гипотезу на корню. Однако научному миру было по-прежнему трудно понять, как это свет может лететь в чистейшей пустоте, особенно если учесть почти полную аналогию с волнами в материальных средах.

Факт постоянства скорости света заставил задаться еще одним важным вопросом. В мысленном эксперименте, который много раз проигрывал молодой Альберт Эйнштейн (1879-1955), он пытался представить, что произойдет, если бежать наперегонки со световой волной и «сесть» на нее? Тогда она застынет, как выхваченный фарами из темноты олень? Или, по-другому, измерим ли мы в таком случае нулевую скорость света? Ньютоновская механика отвечает на этот вопрос положительно: если два тела двигаются с одинаковыми скоростями, друг другу они будут казаться покоящимися. В уравнениях Максвелла тем не менее нет никакого намека на скорость наблюдателя. Свет пролетает с одной и той же скоростью, подгоняемый неразрывной связью между электрическими и магнитными колебаниями. На решение этого кажущегося парадокса молодой Эйнштейн потратил немало творческих сил.

Его специальная теория относительности, опубликованная в 1905 г., сняла этот вопрос. Эйнштейн добавил в ньютоновскую механику множители, которые приводили к растяжению временных промежутков и укорочению расстояний для экспериментатора, движущегося почти со скоростью света. Эти два эффекта, известные соответственно как замедление времени и сокращение длины, так друг друга компенсируют, что все наблюдатели меряют одну и ту же скорость света. Как ни удивительно, но они в сущности заставляют нас приписать наблюдателям, летящим с разными скоростями, разный ход времени и разные измеряемые длины. Эту цену, Эйнштейн понимал, он должен заплатить, чтобы согласовать уравнения Максвелла и физику движущихся тел.

Отталкиваясь от нового подхода к измерению расстояний, времени и скорости, Эйнштейн вынужден был расширить и другие понятия физики Ньютона. Например, понятие массы, в которое он включил не только массу покоя, но и релятивистскую массу. Масса покоя характеризует количество содержащейся в теле материи. Эту массу можно поменять, только добавив или убрав часть материала, в то время как релятивистская масса зависит от скорости тела.[7] Покоящийся в начале кусок материи обладает только массой покоя, но, по мере того как его скорость растет, его релятивистская масса становится все больше. Эйнштейн пришел к выводу, что полную энергию тела можно приравнять к его релятивистской массе, умноженной на скорость света в квадрате. Из его знаменитой формулы Е = тс ² следовало, что при определенных условиях энергия и масса, подобно воде и льду, могут переходить друг в друга.

Второй вопрос, на который Эйнштейн направил свой легендарный ум, звучал так: энергия светового луча зависит исключительно от его яркости, или свое влияние оказывает также и частота? Классическая теория волновых процессов связывает их энергию с величиной колебаний. Волны с крутыми горбами несут больше энергии, чем волны с пологим профилем. Скажем, чем крепче ударишь по барабану, тем более сильные колебания возбудишь, тем громче и энергичней будет звук. Громкость характеризует интенсивность звука и зависит от высоты, или амплитуды, звуковых волн. Так и яркость говорит об интенсивности света и точно таким же образом соотносится с амплитудой световых волн.

Тело, которое поглощает весь падающий на него свет, называется черным телом. Стоит взять черное тело, например в виде ящика (подойдет картонная упаковка от салфеток, обернутая черной бумагой), и нагреть его, как оно начнет излучать. Если предположить, что это электромагнитное излучение всевозможных частот, и попытаться посчитать, сколько излучается на каждой частоте, возникает серьезное препятствие. Как известно, в одну упаковку входит больше сложенных салфеток, чем несложенных. Такая же история с колебаниями: в ящике помещается больше коротковолновых колебаний, нежели длинноволновых. Следовательно, вычисления, основанные на классической теории волн, предсказывают, что львиную долю энергии захватят короткие волны, в то время как длинноволновые моды будут довольствоваться жалкими крохами. Другими словами, из ящика в изобилии будут выходить коротковолновые волны высокой частоты: ультрафиолетовое и более жесткое излучение. Такой сценарий, называемый ультрафиолетовой катастрофой, конечно, не имеет места. Иначе получилось бы вот что: едва вы поставили бы на стол горячий темный контейнер для еды, как он мгновенно превратился бы в солярий, излучающий ультрафиолет, а в придачу небезопасные рентгеновские и даже смертельные гамма-лучи. Так что предположение, что свет ведет себя как классическая волна, приводит к летальному исходу!

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк придумал математическое решение парадокса черного тела. Взамен классической картины, в которой энергия волны меняется пропорционально ее яркости, он предложил считать, что световая энергия приходит в виде отдельных порций, квантов («квантум» по-гречески «порция»). Причем энергия в каждом кванте пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сегодня называется постоянной Планка. Идея Планка, фактически означавшая перераспределение энергии в низкие частоты, позволяла избежать ультрафиолетовой катастрофы.

Пять лет спустя Эйнштейн применил эту идею о квантах к явлению, получившему название фотоэлектрического эффекта, или просто фотоэффекта. Фотоэффект имеет место, когда свет падает на металл, выбивая из последнего электроны (отрицательно заряженные частицы). Эйнштейн показал, что световую энергию электроны получают в виде отдельных квантов. То есть свет иногда ведет себя как частица, а не как волна. Эта теория стала одним из первых робких шагов к полной квантовой теории материи и энергии. Специальную теорию относительности, работы по фотоэффекту и эквивалентности массы и энергии - все это Эйнштейн опубликовал в 1905 г., который стал для него, как говорят, «годом чудес»[8].

Вскоре русско-немецкий математик Герман Минковский придал специальной теории относительности изящную форму. Приняв время за четвертое измерение, вдобавок к пространственным (длине, ширине и высоте), он заметил, что запись теории Эйнштейна значительно упрощается. Положив конец розни между пространством и временем, Минковский провозгласил рождение четырехмерного «пространства-времени».

Эйнштейн быстро понял, что новоиспеченное пространство-время может сослужить хорошую службу при создании новой теории гравитации. Хотя Эйнштейн признавал успехи ньютоновской теории всемирного тяготения, ему хотелось объяснить гравитацию в чисто локальных терминах, в терминах геометрии самого пространства-времени. Взяв за основу факт независимости ускорения свободного падения от массы тела, Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности, который гласит: покоящиеся и свободно падающие системы отсчета физически неразличимы. От этой отправной точки он пришел к тому, что соотнес между собой гравитационные эффекты в заданной области пространства-времени с геометрией этой области. Материя, предположил Эйнштейн, прогибает пространство-время, и это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям. Например, Солнце исказило пространство-время вокруг себя, поэтому Земле не остается ничего иного, как двигаться по эллиптической орбите. Получается, источником силы тяготения являются не эфемерные канаты, а кривизна пространства-времени. Свое элегантное объяснение сил тяготения - общую теорию относительности - Эйнштейн опубликовал в 1915 г.

Проиллюстрируем общерелятивистскую связь между материей и искривлениями пространства на простом примере. Представим себе пространство-время в виде матраса. Если на нем ничего не лежит, поверхность идеально ровная. Тут приползает ленивец и решает на этом матрасе прикорнуть. Когда он ложится, матрас под ним проседает. Поэтому, если у ленивца с собой есть еще детеныш, из-за неровной поверхности отпрыск будет скатываться к своему родителю. Так же и Солнце прогибает «матрас» пространства-времени в Солнечной системе, и все планеты, оказавшиеся поблизости, неизбежно двигаются по искривленным орбитам.

У общей теории относительности есть еще одно удивительное свойство - она проливает свет на происхождение Вселенной. Вкупе с астрономическими наблюдениями она предсказывает, что у времени было начало, причем в этот момент космос находился в невероятно горячем и плотном состоянии. За миллиарды лет пространство расширилось и из крошечной области превратилось в огромный контейнер, вмещающий в себя свыше миллиарда галактик, от миллиардов до сотен миллиардов звезд в каждой.[9]

Эйнштейн не ожидал, что его теория вместо статической даст расширяющуюся Вселенную. Подставив в свои уравнения более-менее разумное распределение материи, он с удивлением увидел, что получающаяся геометрия оказывается неустойчивой: начинает расширяться или сжиматься от малейшего толчка. Так карточный домик рассыпается от любого ветерка. Что-то не то, подумал Эйнштейн, уверенный в неподвижности космоса в больших масштабах. Чтобы спасти свою теорию от неустойчивых решений, он добавил в уравнение дополнительное слагаемое, космологическую постоянную (или лямбда-член). Она могла служить своего рода «антигравитацией», не дающей материи скучиваться на больших масштабах.

Пришел 1929 г., год неожиданного открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Из наблюдений, проведенных в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, следовало, что все остальные галактики во Вселенной, кроме разве что самых близких к Млечному Пути, от нас удаляются. То есть мы воочию видим расширение пространства. Обратив этот процесс назад в прошлое, ученые пришли к потрясающему выводу: когда-то Вселенная была гораздо меньше, чем сейчас. Эту гипотезу окрестили гипотезой Большого взрыва.

Когда Эйнштейн осознал значение открытия Хаббла, он отказался от космологического члена, назвав его своим «величайшим заблуждением». В итоге в науку вошла модель нестационарной Вселенной. Ее создатель русский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что дальнейшее поведение Вселенной зависит от ее плотности. Если плотность больше или равна критической, расширение будет продолжаться, а если меньше, то сменится сжатием. Сравнительно недавние наблюдения указывают, однако, на то, что Вселенная расширяется, кроме всего прочего, ускоренно. Поэтому многие теоретики предложили вернуть космологическую постоянную, чтобы объяснить всемирное ускорение.

Сегодня благодаря подробным измерениям реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, ученые в целом понимают, как развивалась ранняя Вселенная и как рождалась ее структура. Это излучение было испущено первыми образовавшимися атомами, а затем охладилось вместе с расширением Вселенной. Поэтому оно дает мгновенный снимок юной Вселенной, показывает, какие области были плотнее, а какие - разреженнее. Теоретические достижения Эйнштейна плюс современные астрономические данные открыли нам окно в прошлое. На сегодняшний день ученые могут уверенно рассуждать о том, что происходило спустя считанные секунды от начала времен.

Отвечая на фундаментальные вопросы об устройстве космоса, наука до сих пор шла семимильными шагами. Нашими всеобъемлющими знаниями о компонентах материи, фундаментальных силах и о строении Вселенной мы обязаны недюжинным успехам химии, физики, астрономии и смежных дисциплин. Но наша любознательность не оставляет нам иного выбора, кроме как попытаться перевести стрелки времени еще ближе к моменту рождения Вселенной - к одной триллионной секунды после Большого взрыва - и понять первопринципы, стоящие за всем сущим.

Заново увидеть Большой взрыв мы не сможем. Но некоторые условия этого огненного начала нам позволит воспроизвести Большой адронный коллайдер в столкновениях частиц высоких энергий. С помощью релятивистского конвейера, превращающего энергию в массу, он сможет породить частицы, которые существовали в ту эпоху, когда возраст физической реальности исчислялся считанными мгновениями. БАК также даст возможность нащупать у природных сил общие корни. В каше осколков, летящих от столкновения частиц на околосветовых скоростях, мы, может быть, найдем ключ к тайне разрушенного единства.

У жителей Женевы уже вошло в привычку в неразберихе улавливать ценные идеи. Всего в 10 км от БАК приютился очаровательный исторический центр Женевы. Старинным улицам и площадям революции не в новинку: здесь Жан Кальвин проповедовал религиозное свободомыслие, а Жан-Жак Руссо пропагандировал идею общественного договора. Вскоре Женева увидит еще один революционный переворот - переворот в понимании фундаментальных основ мироздания.

В поисках теории всего сущего

Чьим искусством, чьей рукой Создан стройный образ твой?

В. Блейк. Тигр. 1794 г. (Перевод С.Я. Маршака, 1915 г.)

В сердце Женевы поднимается к небу величественный собор Св. Петра. Возводившийся в период с 1160 по 1232 г., он был выполнен в характерном для того времени строгом романском стиле, который отличают правильные пропорции. Торжественные своды и возносящиеся в небо башни идеально сочетаются друг с другом (левая сторона визуально уравновешивает правую), подчеркивая единство божественного замысла.

Одни религиозные взгляды, приходящие с течением веков на смену другим, не прошли для собора бесследно. В XVI в. набиравшая обороты Реформация вылилась в бездумное надругательство над внутренним убранством собора Св. Петра. Ломались статуи, замазывались белилами настенные фрески… Архитектурный разнобой еще больше усилился, когда в 1750 г. средневековый фасад получил неоклассический облик.

Многие физики считают, что и Вселенная однажды представляла собой построенный без затей собор, простой и гармоничный. Согласно этой точке зрения, первоначально в космосе, как и в мастерски спроектированном нефе, противоположности уравновешивали друг друга - было поровну положительных и отрицательных зарядов, материи и антиматерии, лептонов и кварков, фермионов, бозонов и всего остального. Когда же Вселенная вылупилась из своего горячего и маленького кокона, эта симметрия сама по себе распалась. Так что космос в чем-то напоминает женевский собор - теперь тут тот же разнобой.

Одна из главных задач Большого адронного коллайдера - провести нечто вроде археологических раскопок и попытаться собрать вместе осколки когда-то стройной картины. Познав первоначальную симметрию, мы как нельзя ближе подойдем к тому, чтобы собрать все частицы и силы во Вселенной в одну большую семью. И самый верный способ этого добиться - заглянуть в первые мгновения существования Вселенной. Беспрецедентные энергии БАК позволят в масштабе элементарных частиц проиграть условия, в которых пребывал космос спустя доли секунды после Большого взрыва. БАК не воспроизведет сам Большой взрыв. Хотя энергии в расчете на одну частицу будут сравнимые, общая энергетика окажется несравнимо меньше. Это как исследовать эрозию пляжей, выливая пригоршню воды на песчаный холмик. Представление о влиянии океанических приливов на небольшой участок пляжа так получить можно, но вряд ли разумно претендовать на мощь целого Тихого океана.

Намеки на первородное симметричное состояние теоретикам дают сохраняющиеся или почти сохраняющиеся величины в природе, наблюдаемой нами сегодня. Такая неполная симметрия привела к созданию изящной Стандартной модели. Стандартная модель - это математический способ описать две фундаментальные силы природы: электромагнетизм и слабое взаимодействие (оно проявляется в некоторых распадах). Неоднократно предпринимались попытки добавить в общую схему хотя бы одну из оставшихся сил: сильное взаимодействие (удерживающее вместе атомные ядра) и гравитацию.

В пример можно привести Эйнштейна, который последние десятилетия своей жизни пытался расширить общую теорию относительности за счет электромагнетизма. Он был уверен, что в законах природы кроются следы первоначальной гармонии. В конце концов, надеялся Эйнштейн, эти скрытые универсальные принципы проявятся в трудоемких математических вычислениях. К сожалению, все было напрасно. В 1955 г. великий физик умер, так и не найдя подходящего ответа на свои вопросы.

Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна на научной арене утвердилась пока единственная удачная теория объединения - Стандартная модель электрослабого взаимодействия, вместившая в себя электромагнетизм и слабые силы. Но создать даже эту пару стоило больших усилий и изобретательности. В привычных для нас условиях электромагнетизм и слабое взаимодействие серьезно различаются по многим пунктам. Электромагнетизм вездесущ: он на первых ролях и в крошечном атоме, и в размашистой молнии. Что касается слабых сил, их удел - исключительно субатомные масштабы. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие, конечно, заставляет заряженные частицы притягиваться или отталкиваться, но оно не способно изменить их заряд или превратить их друг в друга. Протон и электрон, как бы ни стремились навстречу друг другу, не могут «поменяться телами». Слабые же силы ведут себя обычно как маленькие мародеры, не стесняясь отнимать у частиц их заряд и другие свойства. Например, это взаимодействие приводит к бета-распаду, процессу, сопровождающемуся превращением незаряженного нейтрона в протон.

Наблюдательные теоретики, однако, заметили, что у протона и нейтрона близкие (но не одинаковые) массы. Тогда ученые подумали, а не намекает ли этот переход одной частицы в другую на когда-то царившую симметрию, которая потом нарушилась? Ведь Колокол Свободы тоже в свое время звонил, как его собратья, вышедшие из одного с ним литейного цеха, но с возрастом нажил изъяны. Так, может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие - близнецы-братья, просто воспитывались в разной среде?

Идея спонтанного нарушения симметрии, лежащая в основе Стандартной модели, зародилась в недрах совсем другой области физики, в исследованиях сверхпроводимости. Некоторые материалы, будучи охлажденными до экстремально низких температур, полностью теряют сопротивление и становятся идеальными проводниками. «Холодные» токи при этом не дают внешнему магнитному полю проникнуть внутрь и как бы выталкивают его. Сверхпроводящими магнитами пронизан весь БАК. Они создают мощные поля, нужные, чтобы гонять частицы по кругу и фокусировать их в плотные пучки.

В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (БКШ) предложили удачную квантовую теорию, объясняющую, как в материалах возникает сверхпроводящее состояние. Во главу угла она ставит особую взаимосвязь между электронами, образующими так называемые куперовские пары. Создав пару, электроны начинают, как ретивые солдаты, синхронно маршировать. После этого им никакое сопротивление не страшно, и они идеально проводят ток.

На вопрос, почему спаренные электроны могут идти в ногу, а одиночные нет, отвечает небезызвестный принцип Паули. Все элементарные частицы разбиваются на два класса: фермионы и бозоны. К примеру, электрон (вне куперовской пары) - это фермион, а фотон - это бозон. Принцип запрета Паули, играющий в квантовой механике огромную роль, гласит: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. К бозонам этот принцип не относится - их в одном состоянии может быть сколько угодно. Это как в летнем лагере: дети (бозоны) спят в одной большой комнате, а воспитателям (фермионам) полагаются отдельные спальни. Конечно, у первых соблазн сбиться в кучу больше, чем у вторых. Поэтому неудивительно, что бозоны делают все заодно. И хотя куперовская пара состоит из двух фермионов, ведет она себя как бозон, для которого маршировать в ногу естественно.

У сверхпроводимости есть смертельный враг - тепло. При достаточно высокой температуре - для каждого материала она своя - синхронность нарушается, и сверхпроводник теряет свое исключительное положение среди проводников. Этот переход напоминает превращение кристаллов льда в жидкую воду и называется фазовым переходом.

Четыре года спустя после публикации теории БКШ американский физик японского происхождения Йоитиро Намбу заметил, что ее положения вполне можно применить к нарушению симметрии в физике элементарных частиц. Только что произошел

Большой взрыв, Вселенная расширяется, температура падает, и, возможно, происходит фазовый переход: бозоны вдруг согласовывают свои действия, и неорганизованная толпа разбивается на группы. За это выдающееся открытие в 2008 г. Намбу была присуждена Нобелевская премия.

История получила продолжение. В 1964 г. британский физик Питер Хиггс придумал такой тип бозонов, которые своей массой были обязаны спонтанному нарушению симметрии, его особой разновидности. Кроме того, получив массу сам, этот бозон наделял массой и другие частицы. Хотя его в итоге назвали в честь Хиггса, примерно в то же время независимо были предложены и другие похожие механизмы. Отметим здесь работу Джеральда Гуральника, К. Ричарда Хагена и Тома Киббла, а также вклад Франсуа Энглера и Роберта Браута.

В квантовой физике энергия поля определяется потенциалом, в котором оно «живет». Потенциал - это что-то вроде набора холмов, ям и склонов. Вместе они диктуют, как меняется энергия в зависимости от положения. Например, в скалистом потенциале резкие скачки энергии неизбежны в отличие от потенциала типа «плато». А Хиггс заставил свой бозон поселиться в особом потенциале - в форме дна бутылки от шампанского. Причем при высоких температурах бозон обитает в центральной части, а при низких - с краю. Когда температура падает ниже критической, бозон скатывается с вершины (ложный вакуум) вниз к краю (истинный вакуум) и приходит в основное состояние. Случайное место, которое бозон займет на окружности (дно бутылки с шампанским, помните?), определит вакуум во всем пространстве. (Кстати, на это место математически указывает фаза, особый внутренний параметр, «смотрящий» под разными углами - как стрелки в часах.) Именно поэтому вакуум получается единым для всех частиц, и каждая из них лишена возможности выбирать ту фазу, которая ей заблагорассудится. В результате первоначальная симметрия случайно, или, как говорят, спонтанно, нарушается.

Чтобы поближе познакомиться с этим явлением, представим себе стройку: будущий коттеджный поселок, а пока - шахматная доска из правильных квадратных участков. До появления домов еще долго, так что все участки похожи друг на друга как капли воды. Нельзя сказать, где у них север, а где юг. Допустим, вышло распоряжение местных властей, предписывающее выдерживать определенное расстояние между домами. Если один из домов поставить строго посередине участка, все остальные будут вынуждены под него подстроиться, и симметрия будет выдержана во всем поселке. Так ведут себя бозоны Хиггса при высоких температурах. А теперь, например, первый дом построили в юго-западном углу участка. Чтобы не пойти против распоряжения, дома по соседству тоже придется возвести в юго-западных частях их участков. В конце концов все дома в поселке будут несимметрично стоять в юго-западных углах. И все из-за одной-единственной местной прихоти. Если бы первый дом возвели в северо-восточном углу участка, общая архитектура снова, пожалуй, поменялась бы на тот же манер. Аналогично фаза, выбираемая бозоном Хиггса в одном месте, задает в итоге общую фазу.

Вывод Хиггса был таков: как только фаза бозона определилась, он благодаря ненулевому значению поля приобретает массу. Она не берется из ниоткуда, ведь энергия скатившегося с вершины поля увеличилась, а где энергия, там и масса (один из результатов специальной теории относительности Эйнштейна). Более того, взаимодействуя с другими частицами, бозон Хиггса и им придает их собственные массы. Не так уж невероятно, что все массивные частицы во Вселенной своей массой обязаны «хиггсу». За способность доставать массу словно из ниоткуда бозон Хиггса прозвали «божественной частицей», заставив автора этой идеи несколько смутиться. Скромный ученый долго привыкал к частице-тезке, да еще наделенной божественными чертами.

Идея Хиггса была настолько непривычной, что ведущий европейский журнал «Физикс Леттерс» отклонил его первую статью. Позже Хиггс вспомнит свое разочарование: «Я негодовал. Я считал, мои результаты могут быть полезными в физике элементарных частиц. Как-то потом мне коллега… из ЦЕРНа сказал, что теоретики там не понимают, в чем ценность моего предложения…»

«…Осознав, что моя статья мало цепляет глаз, я ее переделал и добавил туда два новых раздела. В одном из них говорилось о спонтанном нарушении так популярной сегодня (кварковой) симметрии ароматов SU(3). После этого послал ее в “Физикал Ревью Леттерс”… На этот раз статью приняли»¹⁰.

Работа Хиггса дала возможность взглянуть на проблему объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию с новой стороны. А именно: из четверки частиц-переносчиков, отвечающих за возникновение соответствующих сил, три приобретают массу за счет механизма Хиггса. Переносчик взаимодействия - это бозон, который служит посредником между частицами материи, заставляя их притягиваться, отталкиваться или переходить друг в друга. Чем тяжелее переносчик, тем меньше радиус такого взаимодействия.

Фотон - переносчик электромагнитных сил, действующих на сколь угодно большом расстоянии, - имеет нулевую массу. Кроме того, раз он не меняет заряда взаимодействующих частиц, фотон электрически нейтрален. Что касается слабого взаимодействия, двое из его переносчиков, W⁺ и W⁻ бозоны[10], имеют заряд и массу - отражение того факта, что слабые силы могут менять заряд и являются короткодействующими. Есть еще третий переносчик, Z-бозон, но он нейтральный. Его существование было предсказано в 1960 г. теоретиком из Гарварда Шелдоном Глэшоу. Впоследствии все три переносчика слабого взаимодействия были обнаружены экспериментально.

Итак, когда к набору известных переносчиков и полей, отвечающих разным типам материи, добавился механизм Хиггса, дело оставалось за «малым» - собрать все кусочки мозаики вместе и свести воедино электромагнетизм и слабое взаимодействие. В 1967 г. американский физик Стивен Вайнберг, работавший тогда в Массачусетском технологическом институте, и пакистанский ученый Абдус Салам из Кембриджа независимо пришли к разумной теории электрослабого объединения. Эта великолепная теория венчает собой десятилетия экспериментальных и теоретических исследований в физике субатомных частиц. Современное ее название Стандартная модель - дань уважения ее величию.

Согласно теоретическим предсказаниям, от того первичного «хиггса» должны были остаться следы, которые можно зарегистрировать. Но почему-то эксперименты, уже несколько десятилетий ведущиеся на подходящих энергиях, пока молчат. Физическое сообщество надеется, что столь долгожданный бозон Хиггса покажется на БАК и последний вопрос к Стандартной модели будет снят с повестки дня.

Ученые, имеющие отношение к БАК, полностью сознают, что Стандартная модель вряд ли все объяснит. С дисбалансом во Вселенной связано слишком много загадок, чтобы считать Стандартную модель истиной в последней инстанции. Поле Хиггса пока не обнаружено, для остальных взаимодействий единая теория еще не построена - неудивительно, что немало физиков сегодня воздерживаются от однозначных утверждений о справедливости Стандартной модели. Хотя эта теория успешно объясняет большинство явлений в мире элементарных частиц, она, как и многие великолепные старинные фрески, не избежала трещин.

В преддверии начала полномасштабных экспериментов на БАК исследователи наряду со Стандартной моделью рассматривают и некоторые ее альтернативы, надеясь, что опыт скажет здесь решающее слово. Скажем, физики-экспериментаторы не удивятся, если бозон Хиггса окажется тяжелее, чем предсказывает Стандартная модель, или если вместо одного бозона на БАК появится целых три его разновидности, как утверждается в определенных теориях. В этом плане экспериментаторы берут пример с хороших акушеров, готовых к любому развитию надвигающихся родов.

Из моделей объединения, взошедших на научную арену в последние десятилетия, наибольшую популярность получила теория струн. В ней роль элементарных кирпичиков природы играют безумно крошечные (порядка планковской длины, 10⁻³³ см) вибрирующие энергетические нити, а не точечные частицы Стандартной модели. У струн, таким образом, не нулевая протяженность, а конечный, хоть и ненаблюдаемый размер. Это большое математическое преимущество, поскольку все выражения, куда входит обратная длина, из бесконечных становятся конечными. В результате исчезают математические проблемы, которые в стандартной квантовой теории поля встречаются на каждом шагу - отдельные члены в уравнениях стремятся к бесконечности, что затуманивает их физический смысл.

Теорию струн иногда называют Теорией всего сущего (ТВС), поскольку она обещает описать все известные взаимодействия. Возможность избавиться от бесконечностей дает надежду, что эта модель поможет справиться с гравитацией, которую пока никому, включая вдумчивого Эйнштейна, не удалось включить в единую схему. Но есть и те, кто критикует струнную теорию за ее всеядность. Дело в том, что Стандартная модель - это всего лишь один из частных случаев теории струн, но есть и несметное количество других возможностей, подчас далеко не самых реалистичных с физической точки зрения. Поэтому одна из центральных проблем теории струн - выделить единственную ТВС, которая описывает именно нашу Вселенную.

В струнной теории различные поля и частицы - это всего лишь разные режимы, или моды, энергетических колебаний. Чтобы настроить гитару, подтягивают ее струны. Так же и колебания в теории струн меняются с изменением натяжения. Они создают определенный гармонический рисунок вроде того, что мы слышим в музыкальных произведениях. Разные состояния струны обеспечивают различные массы, спины и другие свойства всевозможных кирпичиков природы.

Первоначально теория струн зародилась как модель только сильного взаимодействия. В этой своей версии она относилась только к переносчикам сил, то есть к бозонам. Бозонную теорию струн нечего было даже и думать применять к материи. Последняя, как мы знаем, построена из фермионов. Поэтому теоретикам пришлось поломать голову, чтобы распространить теорию струн помимо переносчиков взаимодействий и на частицы материи. А для этого в струны как-то нужно было включить фермионы.

Чтобы наряду с бозонными струнами описать фермионные, физик Пьер Рамон из Университета Флориды в 1971 г. предложил концепцию суперсимметрии. Идея Рамона о преобразовании, связывающем силы и материю, молниеносно распространилась в физическом сообществе и увлекла теоретиков всех мастей, даже тех, кто относился к струнам скептически. Симметрия, объединявшая бозоны с фермионами, словно знаменовала собой конец неравенству в мире частиц.

Более того, в отличие от традиционных квантовых теорий поля вроде Стандартной модели, суперсимметрия, кажется, готова была взять под свое крыло и гравитацию. Никогда еще за свою историю квантовая физика не стояла так близко к тому, чтобы включить гравитацию в единую теорию поля. Нежданно-негаданно неисполненная мечта Эйнштейна об окончательной теории получила новую жизнь, будто раритетному автомобилю поставили новенький рычащий мотор.

На волне всеобщей эйфории, вызванной суперсимметрией (коротко - просто SUSY[11]), вдохновленные теоретики оказались на некотором перепутье. Во-первых, можно было вплотную заняться суперструнами - суперсимметричной теорией струн - и исследовать их фундаментальные свойства, надеясь, что они совпадут с наблюдаемым поведением элементарных частиц. В 1984 г. Грин и Шварц получили важный результат об отсутствии в теории суперструн «аномалий», то есть математических неувязок. Ликованию не было предела. Суперструны, казалось, вырвались вперед на гоночном треке.

Непростой задачей для выбравших более отвлеченный путь явилось найти общий язык с экспериментаторами. Вычисления в теории струн зачастую требуют известной сноровки и зависят от многих свободных параметров. В зависимости от их значений меняются предсказания. Кроме того, у струнной теории было несколько разных версий (в середине 90-х Эд Виттен и другие доказали их эквивалентность). Такое многообразие параметров и теорий приводило ученых в недоумение: что же тогда проверять на опыте? Да о чем речь - объекты настолько крохотные (атомное ядро - галактика по сравнению с ними), что нам вряд ли суждено их вскоре «увидеть».

К тому же от математических парадоксов в теории суперструн можно избавиться, если только поселить струну в пространстве десяти, а то и больше измерений. Чтобы увязать это с тем фактом, что люди видят только три пространственных и одно временное измерение, теоретики вспомнили об идее шведского физика Оскара Кляйна, предложенной им в 20-х гг. XX в. Они заставили шесть лишних измерений скрутиться в шарик, такой маленький, что мы его не замечаем. На бумаге это получалось отлично, но экспериментаторов оставляло ни с чем. Ссылаясь на невозможность экспериментальной проверки, критики теории струн - среди знаменитостей это Глэшоу и Ричард Фейнман - заговорили о ее зыбкости.

Сотрудники лабораторий несколько оживились, когда на свет появился более близкий к жизни вариант суперсимметрии - Минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Ее в 1981 г. выдвинули Савас Димопулос из Стэнфордского университета и Говард Джорджи. Они расширили Стандартную модель за счет дополнительных полей, представив ее в виде, удобном для включения в будущую объединенную теорию. Среди этих полей есть и суперсимметричные двойники, которые можно надеяться обнаружить в эксперименте.

В окончательной теории, естественно, должна присутствовать гравитация. Но по сравнению с другими силами она очень слабая. Если прослеживать в прошлое историю Вселенной до той эпохи, когда гравитация могла выступать на равных со своими напарниками, то придется уйти до планковского момента времени, отстоящего от Большого взрыва на 10⁻⁴³ секунды. Тогда безумно горячая Вселенная была настолько мелкой, что квантовомеханические принципы, описывающие самые маленькие природные системы, были справедливы и для гравитации. Одно мимолетное мгновение квантовый мир и общая теория относительности прожили в неравном браке, имя которому квантовая гравитация.

Если объединение всех природных сил происходило при таких высоких энергиях, участвовавшие в нем частицы должны были быть невероятно тяжелыми. Их масса, вероятно, превышает возможности БАК в квадриллион (10¹⁵) раз. Взаимодействуя с «хиггсом», частицы планковской массы так бы завысили его энергию, что вся Стандартная модель развалилась бы. В частности, в теории слабые силы настолько истощились бы, что мы их не смогли бы наблюдать.

Чтобы уйти от этих неприятностей, Димопулос и Джорджи, когда искали суперсимметричное описание единой теории поля, добавили в уравнения «нужные» члены. Последние скомпенсировали влияние слагаемых с большой массой и позволили держать бозон Хиггса в разумном диапазоне энергий. Побочный эффект этой процедуры - появление вместо одного «хиггса» целого семейства таких частиц, как нейтральных, так и заряженных, в том числе суперсимметричного партнера бозона, хиггсино.

Если какие-нибудь из легких суперсимметричных двойников будут зарегистрированы, они сильно помогут нам продвинуться в понимании того, что выходит за рамки Стандартной модели. Они позволили бы отдать предпочтение той или иной теории (МССМ или другим альтернативам) и зафиксировать значения свободных параметров (в МССМ их более ста). Но самое главное, это открытие дало бы нам возможность делать верные предположения о том, как должна себя вести теория струн (или другая теория объединения) при гораздо более высоких энергиях.

Впрочем, энергии, при которых теория струн работает в полную силу, сегодня недостижимы, а сама она предоставляет на выбор столько возможностей, что БАК вряд ли моментально ее подтвердит или опровергнет. В лучшем случае экспериментальные данные позволят более точно нащупать границы применимости этой теории. Скажем, обнаружение суперсимметрии не скажет решающего голоса в пользу теории струн, но может убедить ее сторонников, что они на правильном пути.

В числе тех, кто, затаив дыхание, ждет открытия SUSY, ученые, мучающиеся одним из интереснейших, если не самым интересным, вопросов современной науки: загадкой скрытой материи. Невидимая масса, разбросанная по Вселенной, давно лишила астрономов покоя. Дает о себе знать она только своим гравитационным притяжением. Например, звезды во внешних областях галактик двигаются немного не так, как можно было бы ожидать. Тайна темной материи - одна из мучительнейших головоломок астрономии. Некоторые ученые полагают, что ее решение может быть хоть и весомым, но невидимым - суперсимметричными частицами-двойниками. Кто знает, не набит ли наш вселенский шаттл суперсимметричным грузом? Возможно, недалек тот день, когда самый высокоэнергичный прибор в мире доберется до ускользающего от нашего глаза природного фрахта.

Нечего и думать разгадать все эти загадки без столкновений частиц высоких энергий, тщательно отслеживаемых хитроумными детекторами, которые определяют свойства массивных осколков. Эти методы уходят корнями в прошлое. Бомбардировка частицами для исследования внутренней структуры материи начала применяться более века назад. Первой в 1909 г. под удар себя подставила золотая фольга. Приборы, правда, в то время были намного проще.

Тогда ученых интересовало устройство атома. О его внутренней структуре было известно очень мало, пока в игру не вступили бомбардирующие частицы. Нельзя расколоть кокос пальмовым листом, для этого как минимум нужна добротная киянка и жесткие и меткие удары. А вот атом под силу только специальной кувалде, крепко сжимаемой в умелых руках.

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Теперь я знаю, как выглядит атом!

Эрнест Резерфорд, 1911 г.

Однажды в фермерской глубинке той страны, что маори называют Аотеароа, Страна Длинного Белого Облака, юный поселенец копал картошку. С завидным упорством парень лопатой вгрызался в землю, добывая урожай, который помог бы его семье пережить трудные времена. Вряд ли он там надеялся найти золотые самородки - в отличие от других частей Новой Зеландии, его район не славился приисками, - однако ему было уготовано золотое будущее.

Эрнест Резерфорд, которому было суждено первому заглянуть в недра атома, родился в семье первых переселенцев в Новую Зеландию. Его дедушка Джордж Резерфорд, колесный мастер из шотландского Данди, приехал в колонию Нельсон на окраине Южного острова, чтобы помочь построить лесопилку. Когда она была готова, Резерфорд-старший перевез семью в поселок Брайтуотер (ныне Спринг-Грув) к югу от Нельсона, в долине реки Вайроа. Там сын Джорджа Джеймс, выращивавший лен и тем зарабатывавший себе на жизнь, взял в жены английскую эмигрантку Марту, которая и родила Эрнеста 30 августа 1871 г.

В нельсонской школе и позже в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, самом крупном и самом английском городе на Южном острове, Резерфорд показал себя прилежным и способным учеником. Один из однокашников будущего ученого запомнил его как «непосредственного, искреннего, простого и очень приятного молодого человека, который хоть и не был вундеркиндом, но если уж видел цель, то сразу схватывал главное»¹¹.

Эрнест Резерфорд (1871-1937), отец ядерной физики.

Ловкие руки Резерфорда творили чудеса с любым механическим прибором. Юношеские увлечения экспериментатора хорошо подготовили его к тонким манипуляциям с атомами и атомными ядрами. Со сноровкой, достойной хирурга, он разбирал часы, создавал действующие модели водяных мельниц и даже смастерил любительскую камеру, чтобы делать снимки. В Кентербери, узнав об электромагнитных явлениях, открытых в Европе, он загорелся целью соорудить собственную установку. Следуя Герцу, он собрал радиопередатчик и приемник, предвосхитившие изобретение беспроводного телеграфа Маркони[12]. Резерфорд продемонстрировал, что радиоволны могут распространяться на большие расстояния, проходить сквозь стены и намагничивать железо. Его оригинальные опыты дали ему возможность претендовать на место в английском Кембридже.

Так совпало, что в год, когда Резерфорд появился на свет, в Кембридже была организована новая физическая лаборатория, первым директором которой стал Максвелл. Кавендишская лаборатория, названная. так в честь блестящего физика Генри Кавендиша[13](он, кстати, кроме прочего, первым выделил водород как химический элемент), превратилась в мировой центр атомной физики. Она расположилась на улочке Фри-Скул-Лейн, недалеко от центра прославленного университетского городка. Сам Максвелл руководил постройкой и подбирал оборудование для первой в мире физической исследовательской лаборатории. После смерти Максвелла в 1879 г. кресло директора занял другой известный физик, лорд Рэлей. А в 1884 г. бразды правления взял в свои руки неподражаемый Дж. Дж. (Джозеф Джон) Томсон.

Этот энергичный и разносторонний человек с длинными темными волосами, пышными усами и очками в тонкой металлической оправе стал одним из движителей революции в научном образовании, открывавшей перед студентами огромные возможности для исследований. Раньше экспериментальная работа для изучающих физику шла разве что в качестве десерта в конце долгого банкета, где подавались математические дисциплины. Впрочем, даже этим угощением преподаватели делились довольно неохотно. После того как студент сдавал все экзамены по механике, тепловым явлениям, оптике и другим теоретическим предметам, ему иногда ненадолго давали прикоснуться к каким-нибудь приборам. В Кавендише с его оборудованием самой высокой пробы эти короткие дегустации превратились в полноценный обед. Томсон с восторгом приветствовал новую систему, позволявшую студенту другого университета приехать в Кембридж и проводить исследования под руководством местного ученого. По их итогам приглашенный писал диссертацию и получал более высокую степень. Сегодня мы воспринимаем обладателей степени доктора философии[14] как нечто само собой разумеющееся, ведь именно они пополняют академическую среду. Но в конце XIX в. такая система была новаторской, и переворот в физике не заставил себя долго ждать.

Нововведения заработали в полную силу в 1895 г., а среди первых приглашенных студентов оказался Резерфорд. Он получил «стипендию 1851 г.», присуждаемую молодым талантливым выходцам из стран Британского доминиона (ныне страны Содружества). Сменив провинциальную Новую Зеландию на университетский Кембридж, Резерфорд поработал на пользу не только собственной карьере, но и всей атомной физике.

Существует легенда о том, как Резерфорд принял этот подарок судьбы. Говорят, его мать получила телеграмму с добрыми вестями и пошла на поле, где он копал картошку. Когда она прочитала сыну, какой чести он удостоился, тот сначала не поверил своим ушам, но, едва осознав свое счастье, отбросил лопату и воскликнул: «Сегодня я копал картошку в последний раз!».¹²

Захватив свой самодельный радиоприемник, Резерфорд отплыл в Лондон. Там он не замедлил поскользнуться на банановой кожуре и повредил себе колено, но, к счастью, весь последующий путь через лабиринты погруженного в туман города прошел без запинки. По мере того как он продвигался на север, туманы уступили место свежему воздуху, а город сменили английские ландшафты и священные очертания всевозможных колледжей на реке Кэм. Здесь Резерфорд разместился в колледже Св. Троицы. Великие врата колледжа, основанного в 1546 г. королем Генрихом VIII, и легенды о славных деяниях Ньютона до сих пор довлеют над благоговейно ступающими студентами, когда те входят сюда. (Кембриджский университет разбит на множество колледжей, где студенты учатся и живут, а колледж Св. Троицы самый крупный из них.) Выйдя из колледжа Св. Троицы и насладившись короткой прогулкой, почти тут же попадаешь в Кавендишскую лабораторию.

Резерфорд был не единственным из того потока студентов, который хлынул со всего мира в научно-исследовательские лаборатории Кембриджа. Томсон лелеял царивший здесь дух единства непохожих и каждый день после обеда приглашал к себе молодых сотрудников на чай. Позже он вспоминал: «Мы беседовали обо всем на свете, но не о физике. Я не поощрял разговоры о физике, поскольку мы встречались, чтобы отдохнуть… и поскольку научиться говорить на своем птичьем языке очень легко, но отвыкнуть от этого непросто. А если от этого не отвыкнуть, то способность поддерживать разговор на общие темы атрофируется за ненадобностью»¹³.

Несмотря на попытки Томсона подбодрить молодых исследователей, нагрузки в Кембридже, видимо, давали о себе знать. «Когда я возвращаюсь из лаборатории, я не нахожу себе места и обычно пребываю в довольно нервном состоянии», - записал однажды Резерфорд. Чтобы немного расслабиться, он начал курить трубку, сохранив эту привычку до конца жизни. «Иногда я затягивался, - продолжает Резерфорд, - и мне удавалось немного сосредоточиться… Любому человеку науки стоит курить трубку, иначе где набраться терпения? У ученых оно должно быть, как у десятерых иовов вместе взятых»¹⁴.

Масла в огонь подливали и местные студенты, относившиеся к приезжему люду как к чужакам. Однокурсники Резерфорда из золотой молодежи, дразнившие его деревенщиной из Антиподии, мало способствовали поднятию духа. Об одном таком задире Резерфорд сказал: «Есть один лаборант, на груди которого я не против, как истинный маори, исполнить танец войны»¹⁵.

Томсон был педантичным экспериментатором и одно время увлеченно исследовал свойства электричества. Собрав оригинальную установку, он изучал совместное влияние электрического и магнитного полей на так называемые катодные лучи - отрицательно заряженные пучки электричества, идущие от отрицательно к положительно заряженному электроду (контакту, подсоединенному к соответствующему полюсу батареи). Отрицательно заряженный электрод порождает катодные лучи, а положительно заряженный их притягивает.

В электрическом и магнитном полях заряды ведут себя по-разному. Сила, с которой электрическое поле действует на отрицательный заряд, направлена противоположно направлению поля. Что касается магнитного поля, в нем сила действует под прямым углом к полю. Кроме того, в отличие от электрической силы, магнитная зависит от скорости заряда. Томсон придумал, как скомпенсировать электрическое и магнитное поля так, чтобы определить эту скорость. А благодаря ей он мог определить отношение заряда лучей к их массе. Положив заряд частиц в лучах равным заряду ионизованного водорода, Томсон обнаружил, что их масса в несколько тысяч раз меньше, чем у водорода. Проще говоря, катодные лучи состоят из элементарных частиц, которые гораздо легче атомов. Меняя условия и раз за разом повторяя эксперимент, Томсон все время получал один и тот же результат. Эти отрицательно заряженные частицы он назвал корпускулами, но им потом дали другое имя: с тех пор так и повелось - электроны. Они первыми приоткрыли маленькое окошко в богатый мир атома.

Сногсшибательное открытие Томсона научная общественность поначалу встретила скептически. «Первое время мало кто верил, что есть такие объекты - меньше атома, - вспоминал он. - Уже много лет спустя мне даже один выдающийся физик, присутствоваший на моей лекции на заседании Королевского общества, сказал, будто он был в полной уверенности, что я “морочу всем голову”. Меня его слова не удивили. Я сам противился этому объяснению, и только когда эксперименты мне не оставили иного выбора, я публично заявил о существовании тел, меньших чем атомы»¹⁶.

Между тем на другом берегу Ла-Манша открытие радиоактивного распада подвергло сомнению господствовавшие представления о неделимости атома. В 1896 г. парижский физик Анри Беккерель посыпал урановыми солями обернутую черной бумагой фотопластинку и был немало удивлен, когда увидел, что со временем пластинка темнеет, а значит, от солей идут какие-то загадочные лучи. В отличие от рентгеновских, они у Беккереля появлялись сами по себе без всяких электрических приборов. Ученый обнаружил, что излучение шло от любых урансодержащих соединений. Причем чем больше в соединении было урана, тем больше оно излучало. Логично было предположить, что это излучают сами атомы урана.

Работавшая в Париже Мария Склодовская-Кюри - физик польского происхождения - повторила опыты Беккереля, а также вместе со своим мужем Пьером нашла загадочное излучение у двух открытых ими элементов: радия и полония. Последние излучали даже интенсивней, чем уран, а количество их со временем уменьшалось. Марии принадлежит термин «радиоактивность», которым она обозначила явление самопроизвольного распада атомов, высвобождающих при этом особое излучение. За свое эпохальное открытие недолговечности атомов в радиоактивных процессах Беккерель и супруги Кюри удостоились в 1903 г. Нобелевской премии. Вневременные элементы Дальтона, безраздельно властвовавшие в науке в течение века, пришли в движение.

Резерфорд следил за этими событиями с большим интересом. Пока его учитель Томсон был занят открытием электрона, Резерфорд обратил свое пристальное внимание на то, что радиоактивными материалами можно ионизовать газы. Почему-то лучи, шедшие от урана и остальных радиоактивных соединений, выводили газ из состояния электрической инертности и превращали его в электрически активный проводник. Радиоактивное излучение вело себя как две палочки, которые натирают друг об друга, чтобы получить искру.

Но самое главное, радиоактивность высекла искру интереса в Резерфорде и заставила его заняться методичным исследованием ее свойств, которому было суждено перевернуть наши представления о физике. А новичку, начинавшему со сборки радиоприемников и других электромагнитных приборов, предстояло, набравшись опыта, превратиться в экспериментатора высочайшего класса, способного с помощью радиоактивного излучения совершить путешествие в мир атома. Зная, что магнитное поле отклоняет разноименные заряды в разные стороны, Резерфорд понял, что в радиоактивных лучах есть положительная и отрицательная компоненты. Им он дал имена, соответственно, альфа и бета-излучение. (Бета-частицы оказались просто-напросто электронами, а в скором времени резерфордовскую классификацию продолжил Виллар, открывший третью, электрически нейтральную компоненту - гамма-лучи.) В магнитном поле альфа-частицы закручиваются в одну сторону, а бета - в другую, как лошади, бегущие по цирковой арене в разные стороны. Резерфорд смотрел, насколько сильно каждый тип излучения задерживается препятствием, и доказал, что бета-лучи проникают глубже, чем альфа. Следовательно, альфа-частицы по размерам больше бета-частиц.

В 1898 г. в разгар своих исследований радиоактивности Резерфорд решил взять передышку, чтобы уладить дела сердечные. Он ненадолго уехал в Новую Зеландию, где женился на своей школьной возлюбленной Мэри Ньютон. Однако в Англию они не вернулись. У женатого мужчины должен быть хороший доход, заключил Резерфорд и согласился на место профессора в университете Макгилла в Монреале, Канада, с жалованием в 500 фунтов стерлингов в год - приличные деньги по тем временам, около 50 000 долларов в сегодняшнем эквиваленте. Счастливая пара отплыла в холодный край, где ученый вскоре продолжил свои исследования.

В Макгилле Резерфорд пуще прежнего стремился сорвать с альфа-частиц маску и рассмотреть их истинное лицо. Повторив опыты Томсона по определению отношения заряда к массе с альфа-лучами вместо электронов, он вдруг увидел, что заряд у альфа-частиц такой же, как у ионов гелия. Закрадывалось подозрение, что самый тяжелый продукт радиоактивного распада - это на самом деле путешествующий инкогнито гелий.

Как раз тогда, когда Резерфорду не помешала бы помощь в разгадке атомных тайн, в городе появился еще один следопыт. В 1900 г. Фредерик Содди (1877-1956), химик из английского Суссекса, получил в университете Макгилла место. Узнав про эксперименты Резерфорда, он захотел внести свою лепту, и они вместе принялись изучать явление радиоактивности. Они выдвинули гипотезу, что радиоактивные атомы, такие как уран, радий и торий, распадаются на более простые атомы других химических элементов, высвобождая при этом альфа-частицы. Увлекавшийся историей Средневековья Содди догадался, что радиоактивные превращения являются в некотором смысле воплощением заветной мечты алхимиков, пытавшихся получить из неблагородных металлов золото.

В 1903 г., вскоре после того, как Резерфорд опубликовал их совместную теорию радиоактивных превращений, Содди решил объединить свои усилия с Уильямом Рамзаем из Университетского колледжа в Лондоне, признанным экспертом по гелию и инертным газам вообще (неону и остальным). Рамзай с Содди поставили серию тщательных экспериментов, в которых альфа-частицы от радиоактивного радия накапливались в специальной стеклянной трубке. Затем у полученного достаточно плотного газа ученые исследовали спектральные линии, оказавшиеся в точности такими же, как и у гелия. Спектральные линии - это узкие полоски в окрестности определенных частот (в видимой части спектра это определенные цвета). Каждый элемент, излучая или поглощая свет, дает свой набор линий. В спектре излучения гелия всегда видны некоторые фиолетовые, желтые, зеленые, сине-зеленые и красные линии, а также две характерные голубоватые полоски. Эти «отпечатки пальцев» послужили в опытах Рамзая и Содди неопровержимым доказательством того, что альфа-частицы и ионизованный гелий - одно лицо.

Содди принадлежит и термин «изотоп», которым он описывал разновидности одного и того же химического элемента, обладавшие разными атомными весами. Например, дейтерий, или «тяжелый» водород, химически никак не отличается от обычного, но зато атомный вес у него приблизительно в два раза больше. Радиоактивный изотоп водорода тритий вообще где-то в три раза тяжелее обычного водорода. В распаде он дает гелий-3, легкий изотоп привычного нам гелия. Содди вывел, как он сам его назвал, закон радиоактивного смещения: в результате альфа-распада элемент в таблице Менделеева перемещается на две клетки назад, словно ему в настольной игре выпал неудачный ход. Бета-распад, наоборот, дает право на один ход вперед, и получается один из изотопов элемента, сидящего в следующей клетке. Живой пример - распад трития, который, переходя в гелий-3, прыгает на клетку дальше.

Представим, что вы случайно набрели на непонятный автомат с шариками и содержимого его не видите. Иногда из него выскакивают синие шарики, и автомат при этом мигает один раз, а иногда - красные, чье появление сопровождает двумя вспышками. Как отсюда понять, что происходит внутри? Наверное, можно предположить, что в автомате однородная смесь красных и синих шариков, разбросанных тут и там, как изюм в пудинге.

К 1904 г. физикам была известно, что в радиоактивных процессах атомы переходят друг в друга, испуская частицы с различными зарядами и массами, но ни у кого не было представления об общей картине. Томсон рискнул выдвинуть идею, что положительные и отрицательные заряды равномерно перемешаны, причем вторые, раз они легче, обладают большей свободой перемещения. Когда экспериментаторы отведают этого пудинга, надеялся он, они убедятся, насколько он хорош. Но, увы, первый пудинг вышел комом. И судьба так распорядилась, что этот вердикт вынес новозеландский любимец Томсона.

Следующий период в жизни Резерфорда был, пожалуй, самым плодотворным. В 1907 г. Манчестерский университет - по этим североанглийским местам когда-то пролегал научный путь Дальтона - предложил ученому возглавить кафедру физики. То, что приобрел Манчестер, стало утратой для Макгилла. К тому времени Резерфорд «оседлал удачу», как он сам не без хвастовства заметил своему биографу (и ученику) Артуру Иву¹⁷, и был в науке уже заметной величиной. Как заправский рулевой, он твердой рукой вел свое судно: брал на работу лучших молодых исследователей, ставил им интересные задачи и увольнял тех, кто не оправдывал ожиданий. Громогласный, бывало, вспыльчивый и порой клянущий приборы на чем свет стоит, профессор с неизменной трубкой и усами и правда наводил страх на подчиненных. Но вспышки гнева быстро проходили, из-за иссякших туч показывалось яркое солнце, и тогда не было на свете никого дружелюбнее, добродушнее и благосклоннее Резерфорда.

В то время с ним сблизился манчестерский биохимик и будущий первый президент Израиля Хаим Вейцман. По его описанию, Резерфорд был «живым, энергичным и шумным. Ему было дело до всего, не только до науки. Он охотно и с напором обсуждал все на свете, даже если не имел о чем-то ни малейшего представления. Спускаясь в столовую к обеду, я уже слышал в коридоре раскаты его дружелюбного голоса… Он был добродушным, но дураков терпеть не мог»¹⁸.

Вейцман вспоминал, сравнивая Резерфорда с Эйнштейном, которого он тоже хорошо знал: «Как ученые эти два человека были противоположностью друг друга: у Эйнштейна сплошные вычисления, у Резерфорда сплошной эксперимент. Но и в жизни они были мало похожи. Эйнштейн казался недосягаем, а Резерфорд выглядел здоровенным и шумным новозеландцем, которым, впрочем, и являлся. На поприще эксперимента Резерфорд, конечно же, был гением, одним из лучших. Он обладал особым чутьем, и к чему бы он ни прикасался, все обращалось в золото»¹⁹.

В Манчестере Резерфорд строил честолюбивые планы: расколоть атом альфа-частицами и посмотреть, что внутри. Он догадался, что сравнительно крупные альфа-частицы - идеальный прибор для исследования глубинной структуры атома. Прежде всего он хотел испытать на прочность пудинговую модель Томсона и понять, правда ли, что атом - это пирог из внушительных положительно заряженных кусков и маленьких отрицательных зарядов. Настроенный на победу, Резерфорд сумел увести из-под носа конкурентов два ценных приза: столь желанный запас радия (они сражались за него с Рамзаем) и светлую голову немецкого физика Ханса Гейгера, который раньше работал под началом бывшего главы кафедры. Резерфорд поставил перед Гейгером задачу разработать надежный способ регистрации альфа-частиц.

Предложенный Гейгером метод - подсчет искр, проскакивающих между электродами металлической трубки, когда альфа-частицы, ионизуя запаянный внутри газ, превращают его в проводник, - лег в основу знаменитого счетчика, названного в честь автора изобретения счетчиком Гейгера. Этот счетчик работает благодаря тому факту, что электрические токи циркулируют по замкнутым контурам. Каждый раз, когда образец испускает альфа-частицу, цепь, идущая через электроды и проводящий газ, замыкается, и слышится отчетливый щелчок. Несмотря на полезную находку Гейгера, Резерфорд обычно применял другой способ регистрации. Он брал экран, покрытый сульфидом цинка, материалом, в котором бомбардирующие альфа-частицы вызывают крошечные вспышки света, сцинтилляции.

В 1908 г. Резерфорд прервал исследования, чтобы съездить за Нобелевской премией по химии, присужденной ему за изучение альфа-частиц. Но лаборатория пустовала недолго. Вооружившись надежными методами детектирования, он перешел к новым экспериментам, в которых также принимали участие Гейгер и талантливый, хоть и не закончивший еще университет Эрнест Марсден.

Судьба 20-летнего (1909 г.) Марсдена поразительно напоминала судьбу самого Резерфорда. Марсден тоже вышел из простой среды. Его отец работал на провинциальной текстильной фабрике в английском Ланкашире, делал хлопчатобумажные ткани. Резерфорд из родной Новой Зеландии переехал в Англию - у Марсдена впоследствии сложилось все с точностью до наоборот. Они оба начали ставить занятные эксперименты, когда еще учились в университете. Что касается Марсдена, не успел он закончить обучение, как его уже пригласили испытать свои таланты.

Резерфорд потом вспоминал о том вопросе на разминку, который вылился в плодотворное сотрудничество Гейгера и Марсдена. «Как-то Гейгер подошел ко мне и сказал: “Может быть, юному Марсдену пора заняться небольшим исследованием?” Я об этом уже подумывал, так что ответил: “Пусть тогда посмотрит, рассеиваются ли какие-нибудь альфа-частицы на большие углы”»²⁰.

Резерфорд, славившийся своим умением задавать нужные вопросы в нужное время, как чувствовал, что если вдруг появятся альфа-частицы, отлетающие от металла назад, то это даст подсказку о строении материи. Ему, конечно, было интересно увидеть, что произойдет, но он не питал больших надежд относительно положительного исхода эксперимента. Но совсем исключать такой вариант тоже было нельзя. Мало ли, вдруг внутри спрятано нечто, от чего частицы будут отскакивать. Грех было не попытать счастья.

В некоторых особо чувствительных измерениях ученым, занимающимся физикой частиц, приходится уподобляться ночным животным, рыскающим в поисках добычи. Уловить ее малейшее движение получится, если только хорошо видишь в темноте. В этом занятии преимущество на стороне молодых исследователей. И даже не из-за лучшего зрения, а скорее благодаря терпению. Неудивительно, что Резерфорд и Гейгер поручили следить за рассеянием альфа-частиц двадцатилетнему Марсдену. Тому предписывалось зашторить окна как можно плотнее, затем сесть и ждать, пока зрачки расширятся настолько, чтобы улавливать со всех сторон малейшие проблески света. Только потом позволялось приступить к наблюдениям.

Марсден клал пластинки разной толщины и из разных металлов (свинца, платины и других) рядом со стеклянной ампулой с соединениями радия и ждал, когда альфа-частицы, вылетающие из ампулы, ударятся о пластинку и пройдут сквозь нее или же отскочат. Сцинтиллятором служил экран с сульфидом цинка. По нему было видно, сколько частиц отразилось и под какими углами. Закончив с очередным металлом, Марсден показывал данные со всеми-превсеми искорками, которые заметили его зоркие глаза, Гейгеру. Вместе они установили, что больше всего отражений давали тонкие листы золота. Но и они в основном пропускали альфа-частицы, словно фольга была родом из потустороннего мира. А когда изредка происходили отражения, частицы, как правило, отскакивали под очень большими углами (90 и более градусов). Следовательно, они, по-видимому, рассеивались на каких-то твердых сгущениях в недрах золота.

Сияя от радости, Гейгер прибежал к Резерфорду и, к совершеннейшему удовольствию последнего, сообщил: «Мы все-таки нашли отскакивающие альфа-частицы!»

«Это было самое невероятное событие в моей жизни, - вспоминал Резерфорд. - Это почти так же невероятно, как если бы вы кинули 15-дюймовую гранату в экран из папиросной бумаги, а она отскочила бы обратно в вас»²¹.

Если атом, как думал Томсон, и правда похож на пудинг с изюмом, то аморфная смесь зарядов внутри атомов золота не должна сильно отклонять летящие в фольгу альфа-частицы, а тогда они рассеивались бы чаще под маленькими углами. Но у Гейгера с Марсденом получилось нечто другое. Будто внутри атома сидит хороший бейсболист: когда снаряд оказывается в зоне страйка, бьющий со всего размаху его отбивает, а если снаряд выходит за эту зону, он свободно летит дальше.

В 1911 г. Резерфорд решил взамен модели Томсона предложить собственную. «Я, кажется, придумал атом гораздо лучше, чем у Джейджея», - делился он с коллегой²². В статье он изложил революционную идею о том, что в каждом атоме в центре есть крошечное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная доля массы атома. Когда альфа-частицы сталкивались с атомами золота, именно эта бита отбивала их назад, да и то только самых метких, умудрившихся попасть точно в яблочко.

Получается, атом состоит главным образом из пустоты. Ядро занимает жалкую долю его объема, все остальное - бездонное ничто. Если увеличить атом до размеров Земли, то ядро в поперечнике будет примерно с футбольный стадион. Резерфорд красочно сравнил обстрел ядра-мишени с попыткой установить местоположение комара в Альберт-холле, огромном концертном зале в Лондоне.

Несмотря на маленькие размеры, ядро играет важную роль, определяя свойства атома. Резерфорд высказал догадку, что от величины положительного заряда ядра зависит место атома в периодической системе, или, другими словами, атомный номер. У водорода заряд ядра по модулю равен заряду электрона, а для остальных элементов это количество заряда нужно умножить на атомный номер. Например, у золота, 79-го по счету элемента, положительный заряд ядра по модулю равен семидесяти девяти зарядам электрона. Положительный центральный заряд уравновешивается соответствующим количеством отрицательно заряженных электронов. В итоге атом, если его не ионизовать, электрически нейтрален. Как утверждал Резерфорд, эти электроны равномерно распределены по сфере с центром в ядре.

Хотя модель Резерфорда и вывела физику на новый уровень, некоторые вопросы остались открытыми. Она прекрасно объясняла опыты Гейгера-Марсдена по рассеянию, но многие экспериментальные свойства атома, известные в то время, оставались загадкой. Взять хотя бы спектральные линии - в рамках модели было непонятно, почему у водорода, гелия и других элементов они образуют характерный рисунок. Если электроны в атоме равномерно перемешаны, почему атомные спектры такие неоднородные? И где в общей картине найти место квантовой идее Планка и эйнштейновскому фотоэффекту, в которых электрон получает и отдает энергию конечными порциями?

По счастливому стечению обстоятельств весной 1912 г. в лабораторию Резерфорда прибыл гость из Дании, чьи знания пришлись как раз кстати. Нильс Бор - крепко сбитый молодой человек с крупными чертами лица - недавно защитил в Копенгагене диссертацию и, проведя полгода у Томсона в Кембридже, уехал в Манчестер. Он заранее написал Резерфорду письмо, где говорил, что был бы не против позаниматься радиоактивностью. От Томсона он знал про идею Резерфорда о ядре, и ему хотелось поподробнее изучить ее следствия. Однажды, когда Бор рассчитывал процесс столкновения альфа-частиц с атомами, ему в голову пришла гипотеза: а что, если энергия колеблющегося около ядра электрона принимает строго определенные значения, кратные постоянной Планка? Так одним махом Бор окунул атомы в калейдоскоп квантовой теории.

Вернувшись в Копенгаген летом того же года, Бор продолжил размышлять о структуре атома. Его интересовал вопрос, почему атомы самопроизвольно не схлопываются. Что-то должно удерживать отрицательные электроны, чтобы те не врезались в положительно заряженное ядро, как метеорит в Землю. В ньютоновской физике есть особая сохраняющаяся величина, момент импульса (момент количества движения). Проще говоря, при вращении тела и количество оборотов, и направление оси стремятся остаться неизменными. А именно произведение массы, скорости и радиуса орбиты часто представляет собой постоянную величину. Не зря фигурист начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Бор потребовал, чтобы момент импульса электрона принимал значения, кратные постоянной Планка, деленной на два «пи» (π = 3,1415). Тогда частица сможет занимать орбиты только с определенной энергией. То есть электроны могут располагаться только на определенных расстояниях от атомного ядра, или, по-другому, занимать дискретные уровни - квантовые состояния.

Догадка Бора тут же позволила сильно продвинуться в вопросе, почему наборы спектральных линий у атомов именно такие, а не другие. В боровской модели атома электроны, если они находятся в каком-то конкретном квантовом состоянии, энергию не получают и не отдают - словно они, как планета, летают по абсолютно устойчивой, идеальной орбите. По задумке Бора, электроны - это, грубо говоря, нечто вроде маленьких Меркуриев и Венер, обращающихся вокруг солнца-ядра. Но вместо силы тяготения их к центру тянет электростатическая сила, действующая со стороны положительно заряженного ядра. На этом, однако, аналогия с Солнечной системой заканчивается, и теория Бора далее приобретает совершенно другой оборот. В отличие от планет, электроны иногда перепрыгивают из одного квантового состояния в другое, к ядру или, наоборот, от ядра. Прыжки непредсказуемы и происходят мгновенно, а электрон получает или теряет энергию в зависимости от того, на какой - более высокий или более низкий - уровень он прыгнул. Как и в фотоэффекте, частоту получающегося излучения можно вычислить, поделив переданную энергию на постоянную Планка. Сами порции энергии позже были названы фотонами, или световыми частицами. Итак, характерные цветовые линии в спектрах излучения водорода и других элементов объясняются тем, что электрон, сбрасывая световой балласт, совершает своего рода погружения. Чем глубже он погружается, тем выше частота. Модель Бора ждал триумф. Ее предсказания на удивление точно совпали с известными формулами, дающими расстояние между спектральными линиями водорода.

Зимой 1913 г. Бор сообщил о результатах Резерфорду и, к своему разочарованию, получил от него довольно неоднозначный ответ. Мыслящий практически Резерфорд нашел в модели, как ему казалось, большой недостаток. Бору он написал: «Я обнаружил серьезное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться»²³.

Этой меткой ремаркой Резерфорд выявил одну из главных нестыковок в атомной модели Бора. Как понять, когда именно электрон откажется от спокойствия своего текущего состояния и отправится искать приключений? Как узнать, какое состояние он выберет? Боровская модель здесь была бессильна. Именно это Резерфорду и не нравилось.

Ответ на замечания Резерфорда был получен только в 1925 г., но и он привел многих в замешательство. К тому времени Бор обзавелся в Копенгагене своим институтом теоретической физики (ныне Институт им. Нильса Бора), и под его началом работала целая плеяда молодых ученых. Среди них выделялся немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901-1976), получивший образование в Мюнхене и Гёттингене. Как раз он предложил альтернативное описание того, как ведут себя электроны в атоме. Его модель тоже не объясняла, почему электроны прыгают, но давала возможность точно вычислить, с какой вероятностью они это сделают.

«Матричная механика» Гейзенберга ввела в физику новые абстрактные понятия, которые сильно смущали ученых старой закалки и были восприняты в штыки некоторыми видными физиками, понимавшими, что из этих понятий следует. Один из ярких примеров - Эйнштейн, бывший непримиримым противником матричной механики. Она накинула на атом - да и на всю природу в этих и меньших масштабах - покров неизвестности, провозгласив: не все физические свойства можно измерить за раз.

Со свойственным молодости духом мятежа Гейзенберг начал свое изложение с того, что отринул большинство представлений, безраздельно властвовавших в среде старших. Он отказался воспринимать электрон как летающую по орбите частицу и заменил его чистой абстракцией: математическим состоянием. Чтобы вычислить положение, импульс (массу, умноженную на скорость) и другие наблюдаемые физические свойства, Гейзенберг умножал это состояние на различные величины. Его научный руководитель, геттингенский физик Макс Борн, предложил записывать эти величины в виде таблиц, или матриц. Отсюда термин «матричная механика» (синоним квантовой механики). Вооружившись мощным математическим аппаратом, Гейзенберг уже не видел преград на пути в глубины атома. Потом он вспоминал: «У меня было ощущение, будто через поверхность атомных явлений мне открывается нечто удивительно красивое, и у меня чуть ли не кружилась голова от одной мысли, что мне предстоит окунуться в этот богатый мир математических структур, которые природа так щедро передо мной разложила»²⁴.

В классической физике Ньютона положение и импульс можно измерить одновременно. В квантовой механике, как изящно показал Гейзенберг, дело обстоит совсем не так. Если подействовать на состояние матрицами координаты и импульса, порядок этих операций имеет большое значение. Когда сначала применяешь координатную матрицу, а потом матрицу импульса, ответ, скорее всего, будет другой, нежели в случае, когда делаешь наоборот: сначала импульс, а координаты потом. Операции, где порядок выполнения имеет значение, называются некоммутативными. С коммутативными вариантами мы все хорошо знакомы: в арифметике это умножение и сложение («от перемены мест слагаемых…»). Из-за некоммутативности становится невозможным одновременно узнать обе физические величины с идеальной точностью. Этот факт Гейзенберг сформулировал в форме принципа неопределенностей.

Например, если зафиксировать положение электрона, принцип неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике гарантирует, что импульс по максимуму размоется. Но импульс пропорционален скорости, а значит, электрон не может нам сообщить в одно и то же время и где он находится, и с какой скоростью летит. У электрона не то что семь, а неизвестно сколько пятниц на неделе. Если бы планеты вели себя как электроны, древние астрологи забросили бы свое занятие, не успев за него взяться.

Хотя, по Гейзенбергу, квантовой механике по самой ее природе присущи неопределенности, она дает рецепт, как вычислить вероятность. То есть она не гарантирует, что вы выиграете пари, но говорит, каковы ваши шансы. Скажем, квантовая механика дает вероятность того, что электрон из заданного положение перепрыгнет в какое-то другое. Если эта вероятность - ноль, вы знаете наверняка, что такой переход запрещен. Если нет, он разрешен, и в атомном спектре можно будет увидеть линии с соответствующей частотой.

В 1926 г. физик Эрвин Шрёдингер предложил более легкую для понимания версию квантовой механики, так называемую волновую механику. Развивая теорию, построенную французом Луи де Бройлем, Шрёдингер стал интерпретировать электроны как «волны материи». Что-то вроде световых волн, но представленных не электромагнитным излучением, а материальными частицами. Как эти волновые функции реагируют на физические силы, описывает уравнение, носящее имя Шрёдингера. Скажем, в атоме волновые функции электронов под действием электростатического притяжения со стороны ядра образуют «облака» разных форм, энергий и с разной средней удаленностью от центра. Эти облака не имеют материального наполнения. Они лишь показывают, с какой вероятностью электрон окажется в той или иной точке пространства.

Эти волновые структуры можно уподобить колебаниям гитарной струны. На закрепленной с обоих концов струне после щипка возникает стоячая волна. Лежа на пляже, мы видим бегущие волны, которые накатывают на берег. В отличие от них стоячей волне суждено двигаться только вверх-вниз. Но даже при таком ограничении у нее может быть несколько вершин (максимумов): одна, две или больше - главное, что это число должно быть целым, а не дробным. Волновая механика устанавливает соответствие между главным квантовым числом электрона и числом максимумов, что естественным образом объясняет, почему существуют именно эти состояния, а не другие.

К немалому огорчению Гейзенберга, многие его коллеги предпочли картину Шрёдингера. Возможно, потому что волновые процессы были им как-то ближе - проглядывает аналогия и со звуком, и со светом… Матрицы выглядели слишком отвлеченно. Впрочем, проницательный венский физик Вольфганг Паули доказал, что модели Гейзенберга и Шрёдингера полностью эквивалентны. Это как цифровая и аналоговая индикация - ни одна из них не уступает другой, а какую выбрать - дело вкуса.

Паули и сам оставил квантовой механике наследство: представление о том, что два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Принцип запрета Паули привел двух голландских ученых, Самюэла Гаудсмита и Георга Уленбека, к идее о том, что электрон может выстраиваться в двух направлениях, то есть имеет спин. Как подсказывает название (англ. spin - «быстрое вращение»), спин характеризует внутренний момент импульса электрона. Но, прежде всего, интересны свойства спина по отношению к магнитному полю. Если поместить электрон в вертикальное магнитное поле (скажем, внутрь магнитной катушки), электрон, словно мини-магнит, будет смотреть либо по направлению поля («спин вверх»), либо против («спин вниз»).

Электрон - слуга двух господ: обычно он пребывает в смешанном состоянии, где позиции «спин вверх» и «спин вниз» представлены в равных долях. Постойте, как одна и та же частица может обладать двумя взаимоисключающими свойствами? В повседневной жизни стрелка компаса не может одновременно показывать и на север, и на юг, но в квантовом мире свои правила игры. Пока мы не измерили спин, у него, согласно принципу неопределенностей, нет четко заданного значения. Но вот экспериментатор включает внешнее магнитное поле, и тогда электрон поворачивается спином либо вверх, либо вниз - происходит, как говорят, коллапс волновой функции.

Допустим, два электрона идут в связке. Тогда, если у одного спин торчит вверх, другой тут же обращается вниз. Такой переворот имеет место, даже если электроны далеко друг от друга. В этом противоречащем интуиции явлении Эйнштейн усмотрел проделки «призрака дальнодействия». Из-за подобных странных взаимосвязей Эйнштейн был убежден, что когда-нибудь на смену квантовой механике придет более глубокая и более ясная теория.

Что касается Бора, он не открещивался от парадоксов, наоборот, чувствовал себя среди несовместимых понятий как рыба в воде. Например, именно он сформулировал принцип дополнительности, гласящий, что электрон - это одновременно и волна, и частица. Время от времени Бор также был не прочь изречь очередной афоризм. Однажды он сказал: «Глубокая истина - это такая истина, чьей противоположностью тоже является глубокая истина». Полностью в его духе было поместить в самый центр своего герба даосский символ единства противоположностей - инь-ян.

Несмотря на свою непримиримую философскую позицию, Эйнштейн соглашался с Бором в том, что квантовая механика превосходно объясняет экспериментальные данные. Одним из знаков признания ее заслуг было выдвижение Эйнштейном Гейзенберга и Шрёдингера на Нобелевскую премию по физике. Гейзенбергу ее присудили в 1932 г., а Шрёдингер в 1933 г. разделил эту честь с британским специалистом по квантовой механике Полем Дираком. (Эйнштейн и Бор - лауреаты соответственно 1921 и 1922 гг.)

Резерфорд, однако, по-прежнему относился к квантовой теории с настороженностью и основное свое внимание уделял экспериментальным исследованиям атомного ядра. В 1919 г. Томсон сложил с себя звание кавендишского профессора и оставил пост директора Кавендишской лаборатории, а за ним в эту почетную должность вступил Резерфорд. Свой последний год в Манчестере и первые годы после переезда в Кембридж он занимался тем, что бомбардировал различные ядра быстрыми альфа-частицами. Марсден в свое время заметил, что из того места, где альфа-частицы попадают в водородный газ, начинают лететь еще более быстрые частицы с более высокой проникающей способностью. Это оказались ядра атомов водорода. Резерфорд повторил опыты Марсдена, но заменил в них водород на азот. Каково же было его удивление, когда из азота тоже стали вылетать водородные ядра. Правда, сцинтилляции от ядер водорода, попадающих во флуоресцентный экран, не отличались яркостью, и их можно было увидеть только через микроскоп. Но они неоспоримо свидетельствовали о том, что атомы азота могут испускать из своих недр частицы. Открытие радиоактивности продемонстрировало, что атомы могут самопроизвольно превращаться друг в друга (претерпевать трансмутацию), а из экспериментов Резерфорда по бомбардировке вытекала возможность менять облик атомов искусственным образом.

Положительно заряженные частицы, входящие в состав всех ядер, Резерфорд стал называть протонами. Другие ученые хотели обозначить их термином «положительные электроны», но Резерфорд решительно воспротивился. Он отвечал, что протоны гораздо тяжелее электронов и вообще у них мало общего. Когда предсказание Дирака сбылось и все-таки был открыт настоящий положительно заряженный электрон, ему дали имя «позитрон». Позитроны стали первым известным представителем так называемой антиматерии, которая во всем похожа на обычную материю, но имеет заряд противоположного знака. Протоны, в свою очередь, являются неотъемлемой частью хорошо знакомой нам материи.

На помощь Резерфорду и его сотрудникам пришел новый детектор частиц - камера Вильсона. Она позволяла наблюдать следы от частиц (например, протонов), летящих от ядра-мишени. В то время как сцинтилляции и счетчики Гейгера давали только поток испускаемых частиц, камера Вильсона могла показать, как эти частицы движутся в пространстве, следовательно, помочь лучше понять их свойства.

Ее изобрел шотландский физик Чарлз Вильсон. Во время восхождения на гору Бен-Невис он заметил, что во влажном воздухе водяные капельки охотнее конденсируются в присутствии ионов, то есть заряженных частиц. Заряды притягивают молекулы, и те осаждаются из воздуха, оставляя в области, насыщенной электричеством, конденсационный след. Вильсон понял, что так можно регистрировать невидимые глазом частицы. Он взял камеру, заполнил ее холодным влажным воздухом и стал наблюдать цепочки сконденсировавшегося пара от пролетающих мимо заряженных частиц. Такой же след оставляют в небе реактивные самолеты. Эти треки, запечатленные на фото, дают кладезь ценной информации о ходе эксперимента.

Хотя первый опытный образец своей камеры Вильсон собрал еще в 1911 г., в ядерной физике их начали применять только с 1924 г. Именно тогда Патрик Блэкетт, аспирант из группы Резерфорда, задействовал этот прибор, чтобы зарегистрировать протоны от радиоактивного распада азота. Его данные находились в отличном согласии со сцинтилляционными экспериментами Резерфорда, предоставляя тем самым неопровержимое доказательство искусственного ядерного распада.

Ядро населяют не только протоны. В 1920 г. своим легендарным шестым чувством Резерфорд угадал, что помимо протонов ядро служит убежищем и для каких-то нейтральных частиц. Двадцать лет спустя ученик Резерфорда Джеймс Чэдвик нашел нейтрон - по массе такой же, как протон, но без заряда, а Гейзенберг вскоре после этого написал историческую статью «О структуре атомного ядра», где изложил принятую сейчас модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.

Эта картина способна объяснить различные виды радиоактивности. Альфа-распад происходит, когда ядро испускает одновременно два протона плюс два нейтрона - исключительно устойчивую комбинацию. Затем бета-распад имеет место, когда нейтрон порождает протон и электрон. Из этих самых электронов и состоит бета-излучение. Но на этом, как показал Паули, история не кончается: в распаде нейтрона куда-то исчезает некоторая доля импульса и энергии. Паули решил приписать их почти неуловимой частице, которая потом была обнаружена и названа нейтрино. Наконец, гамма-компонента возникает, когда ядро переходит из квантового состояния с высокой энергией в низкоэнергетичное состояние. Альфа и бета-распад меняют количество протонов и нейтронов в ядре, и образуется новый химический элемент, а гамма-лучи оставляют состав ядра неизменным.

Блестящие открытия и методы Резерфорда преподали нам урок: для того чтобы заглянуть в мир природы на маленьких расстояниях, надо обратиться к элементарным частицам. Их источником на заре ядерной физики служили фонтанирующие альфа-частицами радиоактивные вещества. Они как нельзя лучше подходили для экспериментов по рассеянию, из которых Гейгер и Марсден увидели, что в атоме есть миниатюрное ядро. Но уже Резерфорд понимал: без более энергичных инструментов нечего и думать, чтобы серьезней и глубже проникнуть в природу ядра. Для ядерной крепости понадобится особо крепкий таран, а точнее, тараны - частицы, разогнанные в искусственных условиях до феноменально высоких скоростей. Резерфорд не без оснований решил, что Кавендишская лаборатория сумеет построить ускоритель частиц, хотя для его воплощения, признавал ученый, потребуются определенные теоретические усилия. К счастью, одному ловкому молодому человеку удалось улизнуть из сталинской крепости и провезти с собой на Фри-Скул-Лейн багаж квантовых знаний.

Ударными темпами. Первые ускорители

Нам нужен прибор, который давал бы разность потенциалов в 10 миллионов вольт, потребляя при этом несколько киловатт мощности, и который бы без угрозы безопасности можно было поставить в помещении умеренных размеров. Нам, кроме того, нужна труба с откачанным воздухом, выдерживающая такое напряжение… Я не вижу препятствий, могущих помешать построить систему с перечисленными параметрами.

Эрнест Резерфорд. Речь на открытии Лаборатории высоких напряжений фирмы «Метрополитен-Виккерс».

Манчестер, Англия, 1930 г.

Народный комиссариат просвещения РСФСР дает Георгию Гамову (1904-1968), одному из лучших советских физиков, долгожданное одобрение на годичную командировку в Кавендишскую лабораторию. Из-за досадной врачебной ошибки оно чуть не обернулось отказом. Во время решающего медобследования врач нечаянно перепутал цифры в кровяном давлении и констатировал у Гамова заболевание сердца. Но недоразумение разрешилось, и путь был открыт. Затраты на дорогу и пребывание Гамову великодушно предложил оплатить Фонд Рокфеллера. Стипендия из средств, вырученных от продажи нефти, не совсем вписывалась в революционную идеологию Ленина, однако тогда Советы воспринимали готовность лучшей в мире лаборатории ядерных исследований принять к себе одного из достойных сынов родины как победу советской системы образования.

История ускорителей только выиграла от того, что Гамов приехал в Англию. Благодаря его теоретическим находкам стало намного понятней, как разломить ядро, а Кавендишская лаборатория в погоне за мощными атомными дробилками выбилась в первые ряды. Исследования Гамова и безупречные экспериментальные работы его коллег на некоторое время превратили Кавендиш в ведущий мировой центр ядерной физики.

Гамов, получивший образование в Ленинграде, прибыл в Кембридж в сентябре 1928 г. и сразу же поселился в пансионе. Навестивший его в скором времени приятель не смог сдержать удивления: «Гамов! Как тебя угораздило сюда поселиться?» - после чего указал озадаченному Гамову на надпись на здании. По чистой случайности дом назывался Кремлем.

Через несколько недель после приезда Гамов ощутил на себе всю силу темперамента, которым славился директор лаборатории. Как-то раз Резерфорд, ничего не объясняя, вызвал Гамова к себе в кабинет. С побагровевшим лицом он стал кричать что-то насчет письма, которое только что получил из Советского Союза. «Какого черта они пишут?» - взревел он и бросил письмо Гамову.

Гамов пробежал его глазами. Составленное на ломаном английском, в русском переводе оно звучало бы примерно так:

Дорогой профессор Резерфорд!

Студенты университетского физического клуба, мы выбираем вас почетным президентом, потому что вы доказали} что у атомов есть причиндалы.[15]

После того как Гамов растолковал, что по-русски «nucleus»[16] и «cannonball»[17] обозначаются одним и тем же словом и, скорее всего, письмо просто-напросто неправильно перевели, Резерфорд успокоился и от души посмеялся.²⁵

Первое, чем Гамов обзавелся в Кембридже, были инструменты, идеально подходящие для того, чтобы, ударяя по сферическим телам, посылать их к далекой мишени. Проще говоря, набором клюшек для гольфа - неизменными спутниками чуть ли не любого сотрудника тамошней лаборатории ядерной физики. Наставником Гамова в этом спорте стал Джон Дуглас Кокрофт, молодой кавендишский физик и заядлый гольфист.

Кокрофт, родившийся 27 мая 1897 г. в Тодмордене, Англия, шел к занятиям физикой извилистыми путями. У его отца было собственное дело по переработке хлопка, но Кокрофт, как и Резерфорд с Марсденом, текстилю предпочел науку. Он пошел в Манчестерский университет изучать математику, но разразилась Первая мировая война. Кокрофт поступил на военную службу. Вернувшись после демобилизации в Манчестер, ушел в электротехнику и работал по этой специальности. Но по душе она ему не пришлась, поэтому Кокрофт сдал экзамены в колледж Св. Иоанна в Кембридже и так попал в лабораторию к Резерфорду.

Не самая приятная ситуация в гольфе, когда на пути между тобой и лункой появляется откуда ни возьмись холм. Если стремишься, чтобы этот барьер пал, без известной доли размышлений здесь не обойтись: какую клюшку взять, насколько сильно замахнуться… Стоит неуверенно стукнуть по мячу - и недолет гарантирован.

В ядерной физике перед Кокрофтом стояла похожая задача. Ему хотелось так швырнуть частицы в ядро-мишень, чтобы то перешло на более высокий энергетический уровень или, может быть, развалилось на части. Если бы от столкновений оно рассыпалось, по осколкам Кокрофт и его коллеги смогли бы сделать заключение о том, что сидит внутри атома. По-другому это никак не узнаешь. Но между положительно заряженным ядром и частицами с, опять же, положительным зарядом встревал «холм» - электростатическое отталкивание. Природа их так устроила, что они стремятся держаться друг от друга подальше - как северные полюса двух магнитов. Но если между последними стоит холм, то между ядром и положительно заряженной частицей вздымается Эверест.

Как преодолеть это препятствие, Гамову подсказали уравнения. Подставив параметры протонов и альфа-частиц (напомним, это частицы, испускаемые радиоактивными атомами вроде урана) в свою формулу «квантового туннельного эффекта», он обнаружил, что первым нужно в шестнадцать раз меньше энергии, чтобы с тем же успехом проникнуть в ядро. Ответ был очевиден: протоны являются более выгодным снарядом. Если бы их удалось хорошенько разогнать, некоторые из них смогли бы пройти через силовой барьер вокруг атома и попасть прямо в ядро. К чему это приведет, никто не знал, но Резерфорд прислушался к Гамову и заключил, что стоит дать протонам шанс. Это было, пожалуй, единственное серьезное решение, которое Резерфорд принял под влиянием теоретических предсказаний.

Над деталями атомной дробилки тогда уже в полную силу работал талантливый молодой экспериментатор Эрнест Томас Синтон Уолтон. Он родился з октября 1903 г. в ирландском городке Дангарван в семье методистского священника, постоянно переезжающего с места на место. С 1915 г. Уолтон учился в методистской школе-интернате, где у него особенно хорошо шли естественные науки. Закончив ее в 1922 г., он стал студентом колледжа Св. Троицы в Дублине, откуда в 1927 г. вышел уже магистром. Ему присудили «стипендию 1851 г.» для работы в Кембриджском университете, и Уолтон присоединился к кавендишской группе исследователей и вскоре стал одним из незаменимых помощников Резерфорда.

В 1928 г. Уолтон натолкнулся на оригинальную статью норвежского инженера Рольфа Видероэ (1902-1996), в которой тот рассказывал о своих попытках ускорить частицы с помощью прибора под названием лучевой трансформатор. Идея Видероэ базировалась на фундаментальных понятиях электромагнитной теории. Основу конструкции прибора составляла электромагнитная катушка - свернутый спиралью провод с током, который создает в своих окрестностях магнитное поле. Если менять ток в проводе, то и поле вокруг будет непостоянным. Стало быть, если поднести к катушке другой провод, согласно фарадеевскому закону индукции, переменное магнитное поле возбудит ток и в нем. Но на месте этого провода может быть и вторая катушка. Вместе они образуют трансформатор - знакомое нам устройство для перекачки энергии из одного контура в другой. Чем-то оно напоминает велосипед: вращая педали, мы заставляем крутиться колеса, связывающая их цепь - аналог переменного магнитного поля.

Находка Видероэ состояла в том, чтобы заменить второй контур электронами, разгоняемыми в вакуумном кольце. Чтобы их оторвать от атомов и ускорить, надо было прибегнуть к так называемой электродвижущей силе, порождаемой переменным магнитным полем. А предусмотренный Видероэ центральный магнит должен был заставить электроны бегать по кругу, как автомобили на гоночном треке. К несчастью, испытания нового прибора в университете Аахена в Германии провалились. Ученый обнаружил, что в трубе электроны сбиваются в «островки», оттягивающие на себя энергию с еще бегающих по кругу электронов. Магнит был почему-то не способен поддерживать бесперебойный поток электронов, и Видероэ не мог понять почему. В лучшем случае электроны у Видероэ совершали полтора оборота, а потом прекращали свой бег.

Разочаровавшись в кольцевом ускорителе, Видероэ бросил попытки заставить его функционировать и переключился на другую схему. В 1924 г. из статьи шведского физика Густава Изинга он почерпнул идею линейного ускорителя и даже собрал небольшую, около метра в длину, рабочую модель. Место кольца в ней заняли две «дрейфовые трубки» - прямые, изолированные друг от друга полые цилиндры, из которых откачан воздух. Входя и выходя из них, частицы ускоряются «ударами хлыстом» со стороны электрического поля. Эти толчки идут со строго определенными интервалами, чтобы одной и той же разностью потенциалов дважды сообщить электронам дополнительную скорость: при влете в трубку и при вылете из нее. Электроны словно идут вверх по лестнице, какой ее себе представлял нидерландский художник Мауриц Эшер: только им кажется, что они взобрались наверх, как перед ним вырастают еще ступеньки.

Напряжение - это потенциальная энергия электрического поля, приходящаяся на единицу заряда. Оно показывает, насколько легко частице той или иной массы и заряда ускориться, пройдя путь от одной заданной точки к другой. При прочих равных чем выше напряжение, тем ускорение больше. Другими словами, напряжение показывает, с насколько крутой лестницы скатывается заряд и какую скорость наберет при подлете к нижней площадке.

В установке Видероэ частицы запускались в первую дрейфовую трубку, находящуюся под напряжением в 25 000 вольт. Эта разница потенциалов и заставляла их ускоряться. Пока частицы совершали свой путь внутри трубки, Видероэ выполнял ловкий трюк - обращал разность потенциалов, то есть низкое и высокое напряжение на соседних трубках менял местами. Будучи внутри первой трубки, частицы этого не чувствовали, но едва выскочив в зазор, снова попадали под действие большой разности потенциалов (с высоким начальным и низким конечным напряжением) и ускорялись еще сильнее. В методе Видероэ одно и то же напряжение использовалось дважды, позволяя в два раза повысить эффективность заданного электрического поля, а значит, можно было обойтись сравнительно низковольтной батареей.

На выходе второй трубки Видероэ поставил фотографическую пластинку, которая запечатлевала следы от ударов ускоренных частиц. В первую очередь он пропустил через свою установку - и успешно - ионы калия и натрия. (Чтобы их получить, достаточно было «счистить» с атомов внешние электроны.) Разность потенциалов ускоряла положительно заряженные ионы, и они попадали в фотопластинку. Набрав нужное количество данных, Видероэ описал свои исследования в диссертации, которую защитил в университете Аахена. Диссертацию он опубликовал в журнале, где редактором был его научный руководитель.

Вдохновленный результатами Видероэ, Уолтон в декабре 1928 г. предложил Резерфорду построить в Кавендишской лаборатории линейный ускоритель. Резерфорд давно ждал подходящей возможности соорудить прибор, который помог бы заглянуть внутрь одного из легких элементов, например лития. (Литий занимает третье место в таблице Менделеева, и его ядро, как сейчас известно, содержит три протона и четыре нейтрона.) На следующий месяц перед исследовательской группой с докладом выступил Гамов, представив свою формулу подбарьерного перехода. Кокрофту не терпелось применить ее к случаю бомбардировки протонами ядер лития. Оценки показывали, что понадобится энергия порядка сотни тысяч электронвольт. По человеческим меркам даже 1 МэВ (один миллион электронвольт) безумно маленькая энергия: примерно одна миллиардная от миллиардной доли килокалории. Элементарным частицам уж точно не грозит избыточный вес, но такая порция энергии как минимум устроит им серьезную встряску!

Узнав про эти оценки, Резерфорд вызвал Кокрофта и Уолтона к себе в кабинет. «Постройте мне ускоритель на один миллион электронвольт, - было распоряжение. - Мы расколем атом лития в два счета»²⁶.

Кокрофт и Уолтон тут же принялись собирать линейный ускоритель, который затем поместили в переоборудованную под него лекционную аудиторию. Вдобавок к прямой трубке экспериментаторы смастерили особый резервуар высокого напряжения, сегодня известный как генератор Кокрофта-Уолтона. Он представлял собой так называемый умножитель напряжения, состоящий из четырех последовательных высоковольтных генераторов, которые образовывали лесенку высотой около 3,5 м.

Благодаря подключенным к контуру конденсаторам (накопителям заряда) довольно умеренное входное напряжение обращалось в итоге почти 70 100 000 вольт. Подстегиваемые этой громадной разностью потенциалов, протоны в вакуумной трубке ускорялись электрическим полем и сталкивались на выходе с ядрами-мишенями, а многочисленные осколки проявляли себя как искры на флуоресцентном экране, который также окружался вакуумом.

Один из первых ускорителей - генератор Кокрофта-Уолтона, Этот экземпляр списан и теперь стоит в саду «Микрокосм» научного музея ЦЕРН.

В 1931 г. Уолтон получил в Кембридже степень доктора философии, Ускоритель в Кавендише вот-вот должен был быть готов, и в планы Резерфорда никак не входило потерять одного из главных своих «архитекторов». Поэтому Уолтону была присуждена стипендия им. Клерка Максвелла, которая давала право еще три года остаться в лаборатории, то есть продолжать сотрудничать с Кокрофтом и Резерфордом.

Кембридж, однако, был далеко не единственным местом, где пытались расщепить атом. Физики из других университетов отлично знали, чем занимается Резерфорд, и надеялись соорудить собственные атомные ножницы и разрезать ядро сами. Их интерес подогревался не только научными соображениями. Со временем пришло осознание того, что внутри атомного ядра должна быть заключена колоссальная энергия. Знаменитое соотношение Эйнштейна между энергией и массой намекало, что если при расщеплении ядра будет наблюдаться убыль массы, ей некуда деваться, кроме как перейти в энергию - и какую энергию! В 1904 г., еще до прозрения Эйнштейна, Резерфорд написал: «Если бы мы могли задавать интенсивность радиоактивного распада по собственному усмотрению, небольшое количество вещества представляло бы огромный резервуар энергии»²⁷. (В 1933 г. он поправился и сделал - редкий случай - неверное предсказание о том, что атомная энергия, как ни подчиняй ее, никогда не будет рентабельной.)

Ключевой фигурой в покорении энергии атома суждено было стать венгерскому физику Лео Сциларду со свойственным ему оригинальным стилем мышления. В декабре 1928 г. Сцилард запатентовал свою собственную конструкцию линейного ускорителя. Подобно Изингу и Видероэ, на роль хлыста, подгоняющего заряды, Сцилард поставил осциллирующее (меняющее свое направление) электрическое поле. В своей заявке на патент, озаглавленной «Ускорение корпускул», он описал способ так выровнять заряженные ионы, чтобы они оседлали бегущую волну, которая их и разгонит: «В нашей схеме электрическое поле можно представить как сумму двух компонент: одна ускоряется слева направо, а вторая замедляется справа налево. Прибор так устроен, что скорость разгоняемых ионов в каждой точке равна локальной скорости той компоненты, что движется слева направо»²⁸.

Отметим, что до реального воплощения этой идеи Сцилард так и не дошел. Он, кроме того, хотел запатентовать еще две конструкции помимо этой, но они также не были претворены в жизнь. О судьбе этих патентных заявок ничего не известно. Вероятно, служащие патентного бюро были осведомлены о работах Изинга и Видероэ.

Примерно в то же время, когда Кокрофт и Уолтон работали над своим детищем, американский физик Роберт Джеймисон Ван де Грааф додумался до простой, но мощной модели ускорителя, которая благодаря своим небольшим размерам и портативности быстро пришлась в физике к месту. Ван де Грааф, появившийся на свет 20 декабря 1901 г. в Таскалузе, штат Алабама, начал свою карьеру на прикладном поприще. Получив в Алабамском университете степень сначала бакалавра, а потом магистра, он устроился в местную электроэнергетическую компанию, где провел один год. Он, может, и остался бы там, но его влекла Европа. В 1924 г. он поступил в парижскую Сорбонну. О радиоактивности и тайнах ядерного распада ему рассказывала сама Мария Склодовская-Кюри. Благодаря своим способностям Ван де Грааф выиграл стипендию Родса и поехал продолжать образование в Оксфорд. Именно там он узнал об экспериментах Резерфорда по бомбардировке атомных ядер и задаче ускорения частиц до высоких энергий. В 1928 г. в Оксфорде ему присудили степень доктора философии.

Через год Ван де Граафу предложили место научного сотрудника Пальмеровской физической лаборатории, экспериментального центра Принстонского университета. Там он разработал и построил прототип совершенно нового типа электростатического генератора, способного аккумулировать гигантскую энергию и давать мощный разряд. Идея Ван де Граафа состояла в том, чтобы обеспечить непрерывный поток заряда от источника тока к металлической сфере, использовав для этого быстро движущийся изолированный ремень. Для своего первого генератора Ван де Грааф взял шелковую ленту и жестяную банку (в более поздних моделях на смену им пришли другие материалы). Острая щетка, расположенная у основания ремня и подсоединенная к источнику питания, ионизует свое ближайшее окружение, таким образом сообщая конвейерной ленте заряд. Прилипнув к ремню, заряд, в свою очередь, доезжает до верха, где его соскабливает вторая щетка, и оседает на сфере. Весь генератор погружается в газовую среду под давлением, которая изолирует его от внешнего мира и позволяет накопить на сфере ощутимый заряд.

Если внутрь сферы внести источник частиц (радиоактивное вещество или источник ионов), а возле него поместить один из концов полой трубки, то генератор Ван де Граафа превратится в простейший ускоритель. Благодаря разности потенциалов между сферой и землей частицы в трубке приобретают высокие скорости. Если предусмотреть на другом конце мишень, разогнавшиеся снаряды будут попадать прямо в нее.

В Принстоне, а потом и Массачусетском технологическом институте Ван де Грааф постепенно повышал максимальное напряжение своих генераторов. Первые экземпляры давали до 80 000 вольт, а усовершенствованная модель, которую изобретатель представил в 1931 г. на торжественном ужине в честь открытия Американского физического института, поразила сидевших за трапезой одним миллионом вольт (к счастью, не в прямом смысле). Еще более серьезной заявкой стала конструкция, которую Ван де Грааф собрал в самолетном ангаре в Южном Дартмуте, Массачусетс. Она состояла из двух идентичных колон более 7,5 м в высоту, стоявших на вагоне-платформе. Сверху их венчали эмалированные алюминиевые сферы диаметром около 4,5 м каждая. Невероятная мощь этого сооружения попала даже на полосы газет. «Человек мечет молнии в 7 000 000 вольт», - говорилось в заголовке в «Нью-Йорк Таймс» от 29 ноября 1933 г.²⁹

Греческая мифология повествует, что Прометей украл у богов огонь и наделил человечество священным знанием, как высечь искру, запалить костер, зажечь факел и т. д. Но, несмотря на это вероломное проникновение, право метать гром и молнии в своих врагов, сотрясая небеса ужасающей силой, оставалось за всемогущим Зевсом. Пока не появился генератор Ван де Граафа. Даже такое впечатляющее явление, как молния, люди смогли - пусть в меньшем масштабе, но смогли - воспроизвести в научной лаборатории, положив начало новой прометеевской эпохе, в которой человечеству стали подвластны колоссальные энергии. Радость от осознания новых возможностей, вероятно, нашла свое выражение во многих фильмах ужасов того времени (приведем в пример «Франкенштейна» 1931 г. и «Невесту Франкенштейна» 1935 г.), изображающих жутковатые лаборатории исполинских размеров, где мощнейшие генераторы оживляют одного монстра за другим.

С другой стороны, почему бы вместо дорогих генераторов искусственных молний не поставить себе на службу небесную машину, работающую бесплатно? Природную молнию, конечно, трудно предсказать, и обращаться с ней надо очень осторожно, но были физики, пытавшиеся ускорить частицы и с ее помощью. Летом 1927 и 1928 гт. сотрудники Берлинского университета Арно Браш, Фриц Ланге и Курт Урбан соорудили между двумя соседними горными вершинами в швейцарских Альпах на границе с Италией антенну длинной около полукилометра. К ней исследователи подвесили металлическую сферу, а вторую сферу заземлили, чтобы иметь возможность во время грозы измерить разность потенциалов между двумя проводниками. За один удар молнии напряжение в этой конструкции достигало, по оценке ученых, 15 миллионов вольт. К несчастью, во время экспериментов погиб Урбан. Его коллеги вернулись в Берлин и занялись проверкой того, могут ли разрядные трубки выдерживать высокое напряжение. Общие результаты были опубликованы Брашем и Ланге в 1931 г.³⁰

Удары молний, даже искусственных, - это обычно единичные события. Когда накапливается большой заряд, создается высокое напряжение, которое существует до тех пор, пока аккумулированному заряду некуда деваться (например, если прибор заизолирован). Подобно прьпунам с отвесных скал, частицы под действием ускоряющей силы устремляются вниз по крутому потенциалу. Но как только они достигли его основания, лететь больше некуда, и точка!

Однако, как подчеркивал Видероэ в описании своего «лучевого трансформатора», частицы, если они бегают по кругу, а не летят по прямой, можно подгонять на каждом цикле, добиваясь все больших и больших энергий. После неудач с испытаниями реальной установки Видероэ забросил идею кругового ускорителя, но его статью прочел блестящий американский физик Эрнест Орландо Лоуренс, которого эта плодотворная идея очень вдохновила.

Лоуренс родился 8 августа 1901 г. в приютившемся среди прерий Кантоне, Южная Дакота. Его родители Карл и Гунда были эмигрантами из Норвегии и оба работали школьными учителями. Карл занимал должность управляющего школ и, кроме того, преподавал историю, Гунда учила математике. Эрнест рос жизнерадостным ребенком. Глядя на него, семья Туве, жившая по соседству, не могла удержаться от сравнения Эрнеста с их собственным сыном Мерле, из-за колик в животе то и дело заливавшимся плачем.

С самого детства у Эрнеста и Мерле, бывшего на полтора месяца старше, завязалась дружба. Они вместе устраивали всевозможные проказы. Например, вроде той, когда однажды вывалили на веранду к соседке гору мусора. Та оказалась дома и схватила Мерле прежде, чем он успел убежать через дыру в заборе. А Эрнесту удалось улизнуть. Оба друга придерживались своего рода кодекса чести и старались никого не обманывать, даже если на уме у них была очередная проделка.

Когда ребятам было по восемь лет, они увлеклись электрическими приборами. Практически все свободное от школы и домашних обязанностей время они проводили, подключая в цепь самодельные батареи и подсоединяя к ним звонки, гудки и моторчики, чтобы посмотреть, какая конструкция лучше работает.

Высокому и нескладному Лоуренсу сверстники дали кличку Скинни («кожа да кости»), но ему не было до этого дела. Его интересы, как и тело, не отличались полнотой. Если не считать тенниса, спорт его мало привлекал, и Лоуренс занимался физическими упражнениями из-под палки, когда отец заставит. В старших классах не проявлял он интереса и к свиданиям и вообще не находил удовольствия в общении. Наоборот, он с головой ушел в учебу и закончил школу на год раньше, а свободное время по-прежнему проводил, собирая вместе с Туве разные механические и электрические устройства. Чтобы достать денег на включатели, трубки и другие радиодетали, Лоуренс на одно лето устроился на ферму. Как же он ненавидел свою работу! Фермер, который его взял, был низкого мнения о его способностях и часто жаловался: «От него толку ни на цент»³¹.

Несмотря на отсутствие успеха в других областях, одержимость Лоуренса наукой в конце концов сыграла ему на руку.

На какую бы задачу он ни обращал свои чистые голубые глаза, они, как увеличительное стекло, фокусирующее свет солнца на сухом дереве, узким пучком направляли на нее бьющую через край энергию и тонкую проницательность их обладателя. Одним из первых талант Лоуренса оценил Льюис Эйкли, декан электротехнического факультета Университета Северной Дакоты, где будущий ученый заканчивал бакалавриат. Туда Лоуренс перевелся в 1919 г. из колледжа Св. Олафа в Миннесоте, собираясь учиться на врача, но Эйкли убедил его заняться физикой. Эйкли был настолько поражен доскональным знанием Лоуренса беспроводной связи, что решил провести с ним педагогический эксперимент. Эйкли попросил Лоуренса, единственного старшекурсника, специализирующегося на физике, к следующему занятию самому подготовить и прочитать лекцию. В то время как Лоуренс вел свой рассказ, его единственный слушатель Эйкли тешил себя надеждой, что он сейчас, возможно, внимает второму Майклу Фарадею.

Туве, постигавший науки в Университете Миннесоты, уговорил Лоуренса продолжить свое физическое образование в этом учебном заведении. Там Лоуренс нашел нового руководителя, физика британского происхождения У.В.Г. Суонна, от которого узнал о насущных проблемах квантовой механики. Суонн, в общем-то, не любил сидеть на месте. Будучи помимо ученого одаренным виолончелистом, он терпеть не мог однообразие и ценил творческое мышление. Не обретя счастья в Миннесоте, он переехал в Чикаго, а потом в Йель, убедив Лоуренса последовать за ним. Как раз в Йеле Лоуренс в 1925 г. получил степень доктора философии и еще на три года остался там научным сотрудником: искал новые методы определения постоянной Планка и отношения заряда к массе у электрона. Вместе со своим коллегой Джесси Бимсом он придумал получивший широкое признание способ измерения коротких промежутков времени в атомных процессах. Они показали, что фотоэффект (когда свет выбивает из металла электроны) по продолжительности не превосходит трех миллиардных долей секунды, тем самым обеспечив подоплеку представлению о мгновенности квантовых событий³².

С докторской степенью на руках Лоуренс наконец пошел на контакт с людьми, хотя и выбрал для этого немного необычный для уже начинающего ученого вариант. Дочери декана медицинской школы Мэри Кимберли Блумер, или просто Молли, которой тогда было только 16 лет, на ее выпускной бал понадобилась пара. Слово за слово - и Лоуренс согласился ее сопровождать. Она очаровала его своей тихой задумчивостью, и после бала он ее спросил, могут ли они встретиться вновь. Она вежливо ответила, что будет не против, если он как-нибудь зайдет, но в то же время ей по понятным причинам было неудобно принимать ухаживания от человека на девять лет старше ее. Всякий раз, как он приходил, она изобретала любые ходы, лишь бы не остаться с ним наедине, и неизменно встречала его вместе с сестрами. Бывало, она даже убегала и пряталась в принадлежавшем их семье рыболовецком судне у берега пролива Лонг-Айленд и отказывалась сходить на сушу. Но настойчивость Лоуренса в конце концов одержала верх, и они поженились.

Совсем по-другому Лоуренса принимали в набиравшем популярность в академических кругах Калифорнийском университете в Беркли. Там ему предложили место доцента с возможностью продления. Когда Лоуренс отказался и решил выбрать Йель, руководство Калифорнийского университета выдвинуло более выгодные условия - предложило полноценную должность доцента. Для столь молодого преподавателя редкая удача! И Лоуренс остановил свой выбор на Беркли, полагая, что там его ждет более быстрое продвижение по служебной лестнице, и, кроме того, можно приняться за научное руководство аспирантами. Некоторые его заносчивые коллеги из Йеля не могли взять в толк, как у него вообще возникла мысль о работе в заведении, не входящем в Лигу плюща[18]. «Йельское самомнение порой доходит до смешного, - писал Лоуренс другу. - Считается само собой разумеющимся, что это Йель оказывает человеку честь, а человек Йелю своим присутствием честь оказать не может»³³.

Как-то в августе 1928 г. Лоуренс завел свой «REO Флаинг Клауд» и отправился вступать в новую должность. Наконец, центральная часть Америки была позади и уже показались холмы Беркли. Лоуренс остановился, чтобы насладиться красотой залива и замечательной культурной суматохой Сан-Франциско. В университетском же городке, над которым возвышалась колокольня в венецианском стиле, царил совсем другой дух. Хотя во всех зданиях сквозили европейские мотивы, все выглядело свежо и современно, а помпезности восточного побережья не было и в помине.

Обеспеченный всеми условиями для плодотворной работы, Лоуренс возобновил свои исследования точного хронометрирования атомных процессов. Но через какие-то семь месяцев дело приняло неожиданный оборот. Незадолго до апрельского Дня смеха в год, когда мечтам биржевиков суждено было рухнуть, а мечтам физиков в области высоких энергий - воплотиться, Лоуренс сидел в библиотеке Беркли и просматривал журналы. Ему в глаза бросилась статья Видероэ. Будто кто-то специально ему ее подбросил! В первую очередь обращали на себя внимание не слова, а диаграммы - эскизы электродов и трубок, предназначенных для ускорения частиц.

Из двух ускорителей Видероэ - линейной установки с двумя трубками и кольцевого «лучевого трансформатора» - Лоуренсу больше приглянулся второй. Ученый мгновенно понял, что у прямолинейного прибора потолок очень низок: максимум несколько фаз разгона до того, как частицы ударят по мишени. Но если трубки согнуть в полуокружности, в зазорах включить электрическое поле, а частицы удерживать на круге центральным магнитом, можно будет подхлестывать их снова и снова. Лоуренс заметил: по удачному свойству магнетизма, когда частица бегает по кругу в постоянном магнитном поле, отношение ее скорости к радиусу орбиты (угловая скорость) остается неизменным, даже если частица ускоряется. Поскольку угловая скорость показывает, сколько оборотов тело совершает за единицу времени, ее неизменное значение говорит нам, что тело будет проходить мимо данной точки через равные промежутки времени. К примеру, когда смотришь на ипподроме скачки, лошадь пробегает мимо ровно раз в минуту. Благодаря этой периодичности, догадался Лоуренс, достаточно регулярно (в ритме орбитального движения) подвергать частицы перепадам напряжения, чтобы они постепенно ускорились до такой энергии, когда они уже могут пробить ядро-мишень. Лоуренс нашел изъян в конструкции Видероэ: электроны, оказалось, сбивались в кучу из-за неточного хронометража ускоряющих импульсов.

Лоуренс показал свои чертежи Дональду Шейну, математику из Беркли, и тот подтвердил верность расчетов. Когда Шейн полюбопытствовал: «Зачем вам это?» - Лоуренс радостно ответил: «Я собираюсь обстрелять атомы и разломать их!»

На следующий день его воодушевление еще больше возросло, когда из новых вычислений он увидел, что в его проектируемом ускорителе частицы будут продолжать двигаться все быстрее и быстрее, и неважно, насколько сильно от центра они при этом удалились. Жена коллеги даже слышала, как вышагивающий по университетскому городку павлином Лоуренс воскликнул: «Я стану знаменитым!»³⁴

По привычке детства ему не терпелось поделиться своими изысканиями с Туве, работавшим тогда в Институте Карнеги в Вашингтоне. Но Туве встретил эту конструкцию без особого восторга. По иронии судьбы лучшие друзья превратились в соперников и в вопросе расщепления ядра не разделяли взглядов друг друга. Туве совместно с Грегори Брейтом и Лоуренсом Хафстадом сделали ставку на трансформатор Теслы. Низкое напряжение в одной из двух катушек этого устройства возбуждает высокое напряжение в своей соседке, причем перепад потенциала может быть огромным. Катушки Теслы, однако, было трудно заизолировать, а потери энергии оставляли желать лучшего. Едва появились высоковольтные генераторы Ван де Граафа, Туве осознал их эффективность и стал собирать собственные модели.

Из-за скептических отзывов Туве и его коллег Лоуренс поначалу сомневался в своей правоте. (Свой прибор он назвал магнитно-резонансным ускорителем, мы теперь его знаем как циклотрон.) И только подбадривающие слова уважаемого ученого помогли Лоуренсу поверить в свой проект. В 1929 г. на рождественских праздниках он за бутылкой подпольного вина (действовал сухой закон) показал свои наброски гостившему в США немецкому физику Отто Штерну. Тот пришел в восхищение и настоятельно посоветовал воплотить эту идею в жизнь. «Эрнест, ни слова больше, - убеждал Штерн. - Немедленно… принимайтесь за работу»³⁵.

Кокрофт, Уолтон, Ван де Грааф, Туве и другие ученые-ядерщики наступали Лоуренсу на пятки, и ему некогда было сидеть сложа руки, надо было срочно строить и запускать ускоритель. Он отвел в сторонку Нильса Эдлефсена, своего первого аспиранта, и задал вопрос: «Помните, мы обсуждали мою безумную идею? Там все так просто, что не пойму, почему никто до нее не додумался. Вы не видите никакой ошибки?»

Эдлефсен ответил, что идея вполне разумная. «Отлично! - сказал Лоуренс. - Тогда за работу. Приготовьте все, что нам может понадобиться».

И под руководством Лоуренса Эдлефсен из груды подручных материалов, отыскавшихся в лаборатории, принялся собирать опытный образец. Круглая медная цистерна, разрезанная пополам, превратилась в два электрода, которые подсоединили к радиочастотному генератору, выдающему регулярные импульсы напряжения. Эдлефсен упаковал весь прибор в стеклянный корпус, поместил его между 10-сантиментровыми полюсами направляющего магнита и - последний шаг - залил все стыки липким воском. Этот ускоритель, появившийся в начале 1930-х гг., элегантностью не отличался. Но зато после некоторой настройки исправно удерживал протоны на орбите - к вящему удовольствию Лоуренса.

Один из первых циклотронов - 94-сантиметровый экземпляр Радиационной лаборатории (ныне Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли)

Но чтобы пробиться в ядерную крепость, нужны были более высокие энергии, а значит, как Лоуренс быстро понял, более серьезный ускоритель с магнитом помощнее. К счастью, один промышленник, также читавший в университете лекции, предложил Лоуренсу взять 8-тонный магнит, пылившийся на складе в Пало Альто, в пятидесяти милях от Беркли. Когда-то он был частью радиопередатчика, но прогресс оставил его далеко за бортом.

Щедрый подарок требовал много места, и Лоуренс стал искать, где можно построить более крупный ускоритель. И снова удача! В 1931 г. ученому разрешили взять одно из старых университетских зданий, идущих под снос. Там свое первое пристанище (потом были и другие) нашла Радиационная лаборатория (или, как звали ее ученые, «Рэд Лаб»), в которой Лоуренс десятки лет вел свои исследования. Потом ее переименовали в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли, отдав тем самым дань уважения ее основателю.

Следующей на повестке стояла непростая задача довезти гигантский магнит до лаборатории. С помощью еще одного мецената Лоуренс и в третий раз вытянул счастливый билет - и это в Великую депрессию, когда банкирам пришлось потуже затянуть пояса. Необходимое оборудование, место в избытке - у ученого теперь было все, чтобы соорудить мощную машину.

1932 г. стал для ядерной физики знаковым годом. Многие замечательные эксперименты, как прожектором, выхватили из темноты хитросплетения атомного мира. В Колумбийском университете химик Харольд Юри открыл дейтерий, водородный изотоп, который примерно в два раза тяжелее обычного водорода. Нейтрон, обнаруженный Джеймсом Чэдвиком в Кавендишской лаборатории после обработки кропотливых наблюдений, навел на мысль, почему дейтерий по массе в два раза превосходит своего собрата с тем же зарядом. Более тяжелый изотоп обременен лишними нейтронами. Возникли разговоры о том, можно ли, собственно, считать нейтрон отдельной частицей, или же протон и электрон как-то соединяются и дают электрически нейтральный объект.

В научном мире ходило несколько альтернативных гипотез, и только эксперимент мог выбрать какую-либо одну из них. Есть, скажем, бета-распад, когда радиоактивный образец испускает электроны. Этим электронам, думали некоторые, больше неоткуда идти, кроме как из нейтронов, разваливающихся на протоны и электроны. (Сегодня мы знаем: эти превращения происходят за счет слабого взаимодействия, вовлекающего кварки внутри протонов и нейтронов, а также вылетающий электрон и нейтрино).

Еще одну теорию о взаимосвязи нейтрона и протона позволял выдвинуть открытый Карлом Андерсоном позитрон. На фотографиях, отображавших треки в камере Вильсона, ученый из Калтеха[19] обнаружил положительно заряженную компоненту космических лучей (космические частицы, прошедшие через земную атмосферу), причем масса частиц в ней была как у электрона. Сейчас нам известно, что позитрон - это античастица электрона, но в свое время Андерсон задавался вопросом, элементарен ли нейтрон, и если да, то, может быть, протон - это слившиеся воедино нейтрон и позитрон? Чтобы докопаться до истины, требовались точные измерения масс протона и нейтрона. Тогда можно было бы судить, покрывает ли разница в массах массу электрона или позитрона. (Как мы сейчас знаем, нейтрон действительно тяжелее протона, но состоит из кварков, а не из протонов и электронов.)

Пока Лоуренс с аспирантом Мильтоном Стэнли Ливингстоном, приехавшим из Висконсина, в поте лица трудился над укрупнением циклотрона, пальма первенства в погоне за расщеплением литиевого ядра обрела хозяина. Первыми финишную черту на Кавендишском линейном ускорителе преодолели Кокрофт и Уолтон. Второй потом вспоминал, как произошло открытие, как они обстреливали литиевую мишень и, наконец, получили потрясающие результаты. «Утром 14 апреля 1932 г. я проводил обычный осмотр и подготовку аппаратуры. Когда напряжение достигло 400 000 вольт, я решил взглянуть в микроскоп, нацеленный на флуоресцентный экран. Пробираясь ползком на руках и коленях, чтобы избежать удара током, я в конце концов дотянулся до дна ускорительной трубки. Меня обуяла радость, когда я увидел мелкие вспышки света вроде тех сцинтилляций, что дают альфа-частицы. Я читал о них в книгах, но своими глазами никогда раньше не видел»³⁶.

Обнаружив явление, которое очень походило на распад лития, Уолтон позвал в лабораторию Кокрофта, который подтвердил эти подозрения. Потом они сходили за Резерфордом, чтобы тот слазил в камеру и сам посмотрел на сцинтилляции. Они отключили напряжение, и Резерфорд, пригнувшись, протиснулся внутрь. Выйдя оттуда, он сказал: «Эти сцинтилляции сильно напоминают вспышки от альфа-частиц. Я вряд ли их спутаю с чем-либо еще. Они вошли в науку на моей памяти, и с тех пор я такие вспышки наблюдал не раз»³⁷.

На этот раз Резерфорд вдруг попросил Кокрофта и Уолтона держать рот на замке, пока они не проведут новые измерения. В письме своей невесте Фреде Уилсон (на ней он женился в 1934 г) Уолтон писал: «Он [Резерфорд] решил так поступить, потому что боится, что не успеешь и глазом моргнуть, как эта новость облетит все физические лаборатории в мире. Нельзя допустить, чтобы ежедневные газеты запестрели сенсационными заявлениями прежде, чем мы сделаем свое собственное»³⁸.

Кокрофт и Уолтон повторяли эксперимент снова и снова, но уже с камерой Вильсона, регистрирующей следы альфа-частиц. (Камера Вильсона, напомним, - это ящик с пересыщенным паром, проходя сквозь который радиоактивные частицы - альфа и бета - оставляют видимый конденсационный след.) Составив баланс масс до и после удара, физики доказали, что литиевое ядро из трех протонов и четырех нейтронов, сдобренное еще одним протоном, разлеталось на две альфа-частицы, в каждой по паре протонов и нейтронов. Группа из Кембриджа в самом что ни на есть прямом смысле разрезала ядро лития пополам.

Более того, энергия, высвобождаемая в каждом столкновении, в точности равнялась разнице в массах начального и конечного состояния, помноженной на скорость света в квадрате. Эксперимент подтвердил знаменитую формулу Эйнштейна! Убедившись в точности и значимости своих результатов, исследователи опубликовали их в авторитетном журнале «Нэйчур». За свою беспрецедентную работу Кокрофт и Уолтон получили в 1951 г. Нобелевскую премию по физике.

Новости из Кембриджа Лоуренса ни капли не расстроили. Ему тоже было что праздновать. Во-первых, они с Молли только что поженились, и медовый месяц у них был в самом разгаре. Железная настойчивость приносила Лоуренсу плоды, в том числе и в любовной науке. Боязливая девушка постепенно полюбила своего талантливого, хоть и странноватого ухажера. Со временем их семью ждало изрядное пополнение - четыре девочки и два мальчика.

За оптимизмом Лоуренса скрывалась и вторая причина: ничто не могло переубедить его в том, что он стоит на пороге новой эры в науке. Он со всей полнотой осознал, что по энергии циклотронам предстоит перегнать линейные ускорители, а потому в будущих исследованиях ядра именно циклотронам принадлежит решающая роль. Лоуренс не стал терять времени на проверку результатов Кокрофта и Уолтона по расщеплению лития на 28-сантиметровом ускорителе. А модель покрупнее с 8-тонным магнитом в «Рэд Лабе» еще строилась. В марте 1933 г. ее завершили, и Лоуренс обстрелял литий протонами и получил целый ливень высокоэнергетичных альфа-частиц, которые, отскакивая рикошетом, пролетали весьма приличное расстояние. Он также на разных элементах испробовал дейтоны (ядра дейтерия). В результате этих столкновений вылетали протоны с прямо-таки олимпийской выносливостью, совершавшие забеги до почти 40 см. Вот теперь он был готов поделиться своими находками с мировым физическим сообществом.

На Седьмом Сольвеевском конгрессе, прошедшем в Брюсселе в последнюю неделю октября 1933 г., обсуждались новейшие успехи ядерной физики. Среди присутствовавших светил науки были пионеры квантовой механики Бор, де Бройль, Паули, Дирак, Гейзенберг и Шрёдингер. Из Парижа приехала Мария Склодовская-Кюри вместе со своей дочерью Ирен Жолио-Кюри и зятем Фредериком Жолио, выдающимися ядерными химиками и будущими нобелевскими лауреатами.

Прибыл из СССР Гамов, и, как потом выяснилось, этот год стал началом его жизни в эмиграции. За пару лет до этого он через Копенгаген все-таки вернулся на родину'. Однако ходить по указке Сталина он и его жена не хотели, поэтому попытались через Черное море переплыть в Турцию, но из-за ненастной погоды все сорвалось. На их счастье благодаря приглашению Бора оба смогли отправиться в Бельгию, где Гамов, к удивлению гостеприимного хозяина, объявил, что возвращаться они не собираются.

Впечатляюще смотрелась и делегация из Кавендиша во главе с Резерфордом: Кокрофт, Уолтон, Чэдвик и Блэкетт. А без Лоуренса, хоть он и был единственным представителем Америки, картина уж точно была бы неполной. Циклотронам предстояло стать незаменимым инструментом ядерных исследований, а США - на десятилетия превратиться для этих устройств в главную экспериментальную площадку.

Первым шел доклад Кокрофта «Расщепление элементов ускоренными протонами». Лоуренс, которому не терпелось продемонстрировать превосходство циклотронов в этой задаче, жадно ловил каждое его слово. Пробегая глазами листовку Кокрофта, Лоуренс натолкнулся на фразу, будто от циклотронов «можно добиться только маленьких токов», и жирно ее перечеркнул. Выражая свое явное несогласие с заявлениями Кокрофта, он на полях написал: «Неправда»³⁹.

Когда подошло время его доклада, Лоуренс за словом в карман не полез. Теперь он уже рассказывал о своем приборе и убеждал, что для исследований ядра ничего лучше этой схемы нет. Он также дал свою собственную оценку массы нейтрона, которая, будучи намного ниже цифры Чэдвика, вступала с последней в противоречие. Эксперименты, проведенные в том же году Туве, указали на ошибку Лоуренса, и он честно ее признал. Нейтрон, получалось, попадал в более высокую весовую категорию, нежели протон.

После Сольвеевского конгресса Лоуренс предпринял небольшое путешествие в Англию и провел пару дней в Кавендишской лаборатории. Резерфорд очень тепло его приветствовал и лично провел для него экскурсию. После жарких дискуссий о результатах бомбардировки лития Резерфорд сказал про Лоуренса: «Заносчивый молодой человек, но это пройдет»¹⁰.

Лоуренс попробовал уговорить Резерфорда построить циклотрон в Кавендише. Чэдвик, Кокрофт и Вильсон тоже в один голос твердили, что циклотрон - это единственный способ для лаборатории остаться на мировом уровне. Но Резерфорд был непреклонен. Он предпочитал все делать сам, и ему не хотелось брать идеи у других научных групп. К тому же циклотрон, он знал, недешевое удовольствие, а Резерфорд не любил клянчить деньги.

Но отсутствие циклотрона обошлось ему еще дороже. В 1935 г. Чэдвик, огорченный отсутствием новых успехов, отбыл в Ливерпульский университет, где начал выбивать средства на циклотрон. Во время его визита в Кембридж летом 1936 г. он и его бывший наставник едва обмолвились парой слов. Примерно в это же время австралийскому ученику Резерфорда Марку Олифанту предложили место в Бирмингемском университете, которое он не замедлил принять. В конце концов, удрученный потерей одних из своих лучших сотрудников, Резерфорд разрешил Кокрофту начать работу над кембриджским циклотроном.

Пока от Резерфорда один за другим уезжали соратники, в Беркли Лоуренс уже собирал средства на еще более мощную машину. Деньги текли к нему рекой, и расширить Радиационную лабораторию не представляло никакого труда. Олифант, однажды навестивший Лоуренса, так объяснил отличие его от Резерфорда: «Кавендишская лаборатория и во времена Резерфорда, и до него всегда была на мели. Резерфорд был не способен, да и не хотел добывать деньги… Лоуренс, наоборот, обладал деловой хваткой и быстро набил руку, добывая деньги для своей лаборатории».

Олифант обратил внимание, что Лоуренс, начинавший в университете с медицины, вовремя предугадал медицинские приложения циклотронов и с этим козырем в руках успешно привлекал средства. В 1935 г. Лоуренс писал Бору: «Как Вы знаете, на медицинские исследования дают деньги гораздо охотнее».

В отличие от Резерфорда, который планировал и лично следил почти за всеми экспериментами в своей лаборатории, Лоуренс предпочитал не взваливать все на себя. Его организационным талантом восхищались люди в правительстве и промышленности, от которых зависело, будет расширяться его лаборатория или нет, и она расширялась. Как отмечал Олифант: «Его прямой подход к делу, уверенность в себе, достижения его опытных сотрудников и целеустремленность исследователей, работавших под его началом, рождали уверенность и в тех, у кого были деньги. Он безошибочно выбирал людей и проекты, за которые стоило взяться. Его отличала редкая способность найти применение всем без исключения навыкам и знаниям, которыми обладали члены его разношерстной группы. Он стал живым примером того, каким должен быть директор большой современной лаборатории. Кстати о лаборатории, ее бюджет вырос до заоблачных высот, а управленческий талант ее руководителя привел к таким скачкам на научном поприще, которые полностью стоили потраченных на них усилий»⁴¹.

19 октября 1937 г. от ущемления грыжи скончался Резерфорд. Как и полагается пэру (за шесть лет до смерти он был удостоен этого титула), «высокочтимого лорда Нельсона» похоронили со всеми почестями. В гербе Резерфорда нашли отражение как его происхождение, так и научные взгляды. Цитата из Лукреция, соседствующая с изображениями птицы киви, символа Новой Зеландии, и воина маори, гласит: «Primordia Quaerare Rerum» («Познать первопринципы сущего»). Могила с прахом Резерфорда заняла подобающее место в Вестминстерском аббатстве рядом с местами последнего упокоения Ньютона и лорда Кельвина.

Фундаментальные силы - занимательный квартет

Важнейшая цель науки - из наименьшего числа гипотез или аксиом логически получить дедуктивным путем максимум реальных результатов.

Альберт Эйнштейн.

Эссе «Проблемы пространства, эфира и поля в физике» ⁴²

В 1939 г. в строжайшей тайне в Принстон приехал Нильс Бор. Он недавно узнал, что фашистская Германия хочет одной из первых научиться делить ядра урана и других массивных элементов. В воздухе витал немой вопрос, попробует ли Гитлер превратить неконтролируемую энергию атомных ядер в смертельное оружие. Бор вместе с Джоном Уилером пытались лучше изучить ядерное деление и построить модель, как ядро деформируется и разлетается на осколки.

Из уважения Бор посетил одну из лекций Эйнштейна по теории объединения. Эйнштейн там рассказывал о своей новой математической схеме, позволявшей описать гравитацию наряду с электромагнетизмом. Ядерные силы в ней не упоминались, да и к квантовой механике она не имела отношения. Говорят, Бор посреди доклада незаметно вышел. Его, как и почти всех тогда, интересовали теперь другие вещи. На переднем крае науки было атомное ядро.

Ядерная физика в то время перешла в основном в политическую плоскость. Годом ранее Отто Хан - немецкий химик, входивший в группу Резерфорда в Макгилле, - в сотрудничестве с Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом обнаружил, что ядро одного из изотопов урана можно расщепить, если бомбардировать его нейтронами. Вскоре после этого Мейтнер сбежала от нацистов, которые только что аннексировали Австрию, и принесла весть об открытии своему племяннику Отто Фришу, работавшему с Бором. Бора совсем не обрадовала перспектива того, что фашисты могут благодаря этой находке сделать бомбу. Его беспокойство разделяли и остальные посвященные в тайну. Их тревога возросла еще больше, когда Сцилард и итальянец Энрико Ферми продемонстрировали, что распавшееся урановое ядро испускает новые нейтроны, которые могут попасть по соседним ядрам, расщепить их и запустить цепную реакцию, высвободив таким образом немыслимое количество энергии. Сцилард написал письмо Рузвельту и убедил Эйнштейна тоже под ним подписаться. В итоге был организован «Манхэттенский проект», и Америка взялась за разработку атомной бомбы.

Ядро оставалось тайной за семью печатями. Что его держит? Почему оно распадается, как распадается? Из-за чего одни изотопы менее устойчивы, чем другие? И почему это нейтронов в атомах, как правило, намного больше протонов? Что ядрам природных элементов как будто бы мешает вырасти больше определенного размера? Можно ли в лаборатории создать ядро любого заданного размера?

Одним из первопроходцев, пустившихся на поиски ответов на эти вопросы в смутные годы Второй мировой войны, стал Ферми. Он родился в Риме 29 сентября 1901 г. и с детства прослыл вундеркиндом. Маленький Энрико схватывал математику и физику с молниеносной быстротой. В 10 лет его к себе влекли тонкости геометрических уравнений вроде уравнения окружности. После трагической смерти старшего брата-подростка Энрико по-своему справлялся с горем: с головой ушел в книги, благодаря чему его знания теперь росли не по дням, а по часам. Долго не засиживаясь ни на школьной, ни на университетской скамье, в возрасте 21 года он уже был обладателем докторской степени Пизанского университета. В середине 20-х гг. Ферми успел побывать в Гёттингене, Лейдене и Флоренции, а потом пошел в Римский университет преподавать физику.

Важным вкладом Ферми в ядерную физику и физику элементарных частиц стала в 1933 г. первая математическая модель бета-распада. Ферми к ней подтолкнула гипотеза нейтрино, незадолго до этого впервые публично высказанная Паули на Седьмом Сольвеевском конгрессе. Паули объяснил, что, когда происходит радиоактивный распад ядра в бета-лучи, обязательно должна рождаться ускользающая от экспериментаторов незаряженная и почти невесомая частица, ответственная за недостаток энергии. Ученый сначала ее называл нейтроном, но когда был открыт настоящий, «тяжелый» нейтрон, Паули принял предложение Ферми и решил взять итальянскую уменьшительно-ласкательную форму. А Ферми принялся рассчитывать процесс распада. Хотя в его модели, как потом оказалось, отсутствовали некоторые важные звенья, в ней впервые была приоткрыта завеса над совершенно новой силой природы - слабым взаимодействием. Как раз эта сила вызывает превращения определенных частиц друг в друга, приводя к неустойчивости, например к бета-распаду.

Эмилио Сегре, физик, работавший вместе с Ферми, вспоминал: «Об этой теории Ферми впервые рассказал в кругу друзей, когда мы проводили рождественские каникулы 1933 г. в Альпах. Это было вечером, и все мы сидели на одной кровати в номере отеля; день был целиком отдан лыжам, и я едва мог сидеть тихо - все у меня болело после нескольких падений на фирне. Ферми полностью сознавал, сколь важного успеха он добился, и сказал, что это лучшая его работа и, как он думает, о нем будут помнить по этой работе»⁴³.

В модели Ферми бета-распад представляет собой процесс обмена между частицами, встретившимися в одной точке. Например, протон подходит к электрону и передает ему свой положительный заряд. Сам он при этом становится нейтроном, а электрон превращается в нейтрино. Или же протон может избавиться от своего заряда и стать нейтроном, дав также жизнь позитрону и нейтрино. Есть и третий путь: нейтрон дает протон, а спутниками идут электрон и антинейтрино (античастица нейтрино). В любом случае частицы подходят друг к другу поближе и делают передачу. Это как в футболе: к игроку с мячом подбегает футболист команды-противника, отбирает мяч и удаляется в неизвестном направлении.

В электромагнетизме два электрических тока (потоки зарядов) действуют друг на друга посредством обмена фотонами. Фотон - частица электрически нейтральная, а значит, в процессе взаимодействия передачи заряда не происходит. Благодаря фотонному обмену токи лишь могут начать - в зависимости от направления скорости зарядов - либо притягиваться, либо отталкиваться.

Если говорить на современном языке, фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия. Переносчики, в том числе фотон, относятся к классу частиц под названием бозоны. Мельчайшие кирпичики материи - как нам сегодня известно, это кварки и лептоны - все являются фермионами. Если фермионы - это кости и мускулы тела, то бозоны - это нервные импульсы, запускающие тело в ход.

Что касается слабых сил, Ферми заметил, что два «тока», один из протонов и нейтронов, второй из электронов и нейтрино, в процессе взаимодействия могут обмениваться между собой зарядом и менять свою сущность. То есть Ферми расширил понятие тока с течения движущихся зарядов на поток любых частиц, меняют они в процессе взаимодействия какие-то свои свойства или нет.

Точно так же, как масса служит мерой воздействия силы тяготения, а заряд определяет интенсивность электромагнитных сил, слабая константа связи Ферми (именно он ввел этот множитель) служит мерой слабого взаимодействия. Ферми этим воспользовался, когда выводил метод, известный как «золотое правило» Ферми. Оно позволяет вычислить вероятность реализации конкретного распадного процесса. Так, ни с того ни с сего, в давно сложившуюся компанию гравитационного и электромагнитного взаимодействий вторгся незваный гость. В то время никто не догадывался, как наладить отношения между новеньким и старожилами.

Типы элементарных частиц

Не хватало еще, чтобы в 1934 г. японский физик Хидэки Юкава постулировал наличие четвертого фундаментального взаимодействия и тоже на ядерных масштабах. Бета-распад - сравнительно редкое явление, но между протонами и нейтронами, заметил Юкава, есть более тесная связь. Она и гораздо чаще встречается в природе, и значительно крепче. Вместо распада она, наоборот, стремится связать частицы воедино. Если слабые силы приводят к развалу, то что-то более мощное должно работать им в противовес, иначе почти все частицы распались бы. Чтобы отличать фермиевские силы от ядерного взаимодействия Юкавы, второе стали называть сильным.

В сильном взаимодействии возникла необходимость, когда задумались, почему нуклоны (частицы в ядре) так компактно упакованы. Это тем более удивительно в отношении одноименно заряженных протонов. Если б других сил не было, протоны бы и близко друг к другу не подошли. Сила электростатического отталкивания стремилась бы их развести как можно дальше. Это как пытаться приставить вплотную два северных магнитных полюса. Вместе с уменьшением расстояния у обоих протонов растет желание сбежать куда-нибудь далеко-далеко. Почему же они все-таки уживаются в битком набитом ядре размером в какие-то ничтожные 10 ⁻¹³ см?

Юкава, появившийся на свет в Токио 23 января 1907 г., рос в такое время, когда японское физическое сообщество находилось в глубокой изоляции и почти не имело контактов с европейскими учеными. Его отец, университетский преподаватель геологии, всячески поддерживал научные увлечения сына. Еще в период учебы в Киотском университете (там же работал его отец) Юкава умел творчески подойти к математическим головоломкам. Благодаря как раз творческому подходу он фактически стал основателем теоретической школы у себя на родине. Еще в аспирантуре, когда ему было 27, Юкава придумал изящный способ описания ядерных взаимодействий, который лег в основу модели, подходящей под все силы природы.

Юкава отметил, что, в отличие от электромагнитных сил, простирающихся на любые расстояния, ядерные быстро сходят к нулю. Взять хотя бы железное ядро Земли: его магнитное воздействие ощущают на себе компасы, находящиеся за тысячи километров. А вот «вязкости» ядерных сил едва хватает на то, чтобы удержать частицы в радиусе одной триллионной длины блохи. Эту разницу в масштабах Юкава приписал типу бозона, который переносит взаимодействия. (Бозоны, напомним, - это нечто вроде вселенской нервной системы, передающей сигналы.) Фотон, безмассовый бозон, отвечает за поле электрических токов, заполняющее пространство вплоть до самых больших расстояний. Если бы у него была масса, радиус взаимодействия оказался бы существенно меньше. Дело в том, что спад электростатической силы по закону обратных квадратов, следующему из уравнений электромагнитного поля Максвелла, происходил бы в соответствии с функцией с крутым экспоненциальным завалом. Для наглядности можно представить, как будто игрокам во фрисби вместо обычного диска, с легкостью летающего туда-обратно, вручили свинцовую гирю. Если после этого они захотят продолжить игру, им, конечно, придется подойти вплотную друг к другу.

Заменив электрический заряд ядерным, а фотоны - мезонами (массивными бозонами), Юкава нашел способ описать компактное, почти точечное взаимодействие между нуклонами. Стало понятно, почему ядерным силам удается крепко-накрепко зацементировать ядро, хотя за его пределами они мгновенно ослабевают. Для этого механизма нужна была самая малость: новая, никому не известная частица. Но если гипотетический позитрон Дирака в конце концов нашли, чем мезон хуже?

Однако природа иногда играет с нами злые шутки. В 1936 г. Карл Андерсон в потоке космических лучей заметил странную частицу. Магнитное поле отклоняло ее слабее, чем протоны, но сильнее, чем электроны с позитронами, а значит, ее масса лежала где-то посередине. У Андерсона незнакомка получилась в двести с небольшим раз тяжелее электрона. Все указывало на то, что заветная мечта физиков-ядерщиков исполнилась. Масса новой частицы хорошо согласовывалась с оценками Юкавы, дававшими массу переносчика сильного взаимодействия, и физики склонны были верить, что и вправду нашли недостающее звено.

Как бы то ни было, сходство между космическим пришельцем и гипотетической частицей Юкавы оказалось чисто случайным. Дальнейшие эксперименты показали, что новая частица совпадает с электроном по всем параметрам, кроме массы. То есть она к тому же лептон, а лептоны, в отличие от адронов - частиц, ощущающих на себе ядерные силы, - вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. (Названия «лептон» и «адрон» - на греческом, соответственно, «легкий» и «тяжелый» - не всегда себя оправдывают: лептоны бывают тяжелее адронов.) Найденную Андерсоном частицу потом окрестили мюоном, чтобы не путать ее с частицей-переносчиком Юкавы. «Ну и кто его приглашал?» - таким риторическим вопросом физик Исидор А. Раби отреагировал на открытие мюона, не подходившего ни под одну из существовавших тогда теорий и казавшегося в научном мире незваным гостем.

Настоящих мезонов пришлось ждать больше десяти лет. В этот период не так уж много физиков-ядерщиков занимались чистой наукой - в войну они себе такую роскошь позволить не могли. Но когда пришел мир, исследования в физике элементарных частиц возобновились с новой силой.

В 1947 г. группа ученых под руководством Сесила Пауэлла из Бристольского университета (Англия) впервые различила треки мезона среди следов космических лучей на фотопластинке. Пауэлл родился 5 декабря 1903 г. в английском Тонбридже (графство Кент). Детство у него было трудное. Его дед, оружейный мастер, однажды по роковой случайности выстрелом лишил человека зрения. Последовал иск, а за ним банкротство. Отец Пауэлла попробовал возродить семейное дело, но с входившими в строй конвейерами конкурировать было бесполезно.

Сам Пауэлл, к счастью, выбрал себе другое поприще. Получив в 1921 г. в Кембридже стипендию, он поговорил с Резерфордом и попросился в кавендишскую группу аспирантом. Резерфорд принял его и в научные руководители к нему назначил Вильсона. Вскоре Пауэлл уже без труда собирал камеры Вильсона и с их помощью регистрировал частицы.

В середине 1930-х гг. Пауэлл вслед за Кокрофтом и Уолтоном построил собственный ускоритель и стал рьяно изучать столкновения между высокоэнергетичными протонами и нейтронами. К тому времени он уже обитал в Бристоле. Осколки столкновений Пауэлл сначала отслеживал в камерах Вильсона, но потом увидел, что особая фотоэмульсия (покрытый солями йода бромид серебра) дает более качественные изображения. На обработанных химическим раствором пластинках, которые Пауэлл ставил на пути потоков частиц, все распады оставляли след в виде черной «звездочки» на прозрачном фоне. Звездочка давала наглядную картину столкновения. А длина треков на фотопластинке позволяла достоверно судить об энергии осколков: ее недостаток указывал на присутствие контрабандистов вроде нейтрино, норовящих утащить с собой часть энергии.

В 1945 г к бристольской группе присоединился итальянский физик Джузеппе Оккиалини, а через год вызвал к себе одного из своих лучших учеников Сезара Латтеса. Вместе с Пауэллом они пошли на многое, чтобы распутать тайны космических лучей. Они брали тщательно завернутые фотопластинки и поднимались с ними на головокружительные высоты, в том числе во французских Пиренеях, куда их доставлял самолет Королевских ВВС Великобритании. Там ученые подставляли пластинки под напор небесных пришельцев, а потом с безмерным удивлением смотрели на замысловатую паутину высеченных частицами штрихов - воистину генеалогическое древо субатомных рождений, жизней и смертей.

Пауэлл потом вспоминал: «Когда мы привезли их [фотопластинки] в Бристоль и проявили, мы со всей очевидностью увидели: перед нами открывается новый, неизведанный мир. После проявки в следе от медленного протона выступило столько зерен, что он напоминал серебряный жезл, а крошечный участок эмульсии под микроскопом кишел осколками от столкновений частиц, которые по энергии значительно превосходили все то, что тогда удавалось получить искусственным путем. Было такое ощущение, будто мы вторглись в крытую оранжерею, где под защитой крепких стен нежатся деревья, усыпанные наливающимися соком экзотическими фруктами»⁴⁴.

Среди всего этого разнообразия внимание ученых привлекла одна частица средних размеров, которая останавливалась и превращалась в другую. Словно обычный мюон появлялся из чуть более тяжелой разновидности. Однако к тому времени из ряда экспериментов было хорошо известно, что, распадаясь, мюон рождает электроны, но никак не другие мюоны. Поэтому экспериментаторы заключили, что родительская частица должна иметь иное происхождение. Авторы открытия дали ей имя «пи-мезон» (коротко его теперь называют просто пионом). Именно его вскоре отождествили с предсказанным Юкавой переносчиком ядерных сил.

Примерно в это же время Джордж Рочестер из Манчестерского университета на изображениях, полученных в камере Вильсона, обнаружил более тяжелую разновидность мезона, нейтральный каон. В его распаде, оставляющем след в форме буквы V, рождается два пиона: положительно и отрицательно заряженный. Физикам не составило труда понять, что пионы и каоны бывают трех типов: положительные, отрицательные и нейтральные, причем нейтральные каоны сами делятся на два класса с разным временем жизни.

Открытие мезонов имело настолько большое значение, что Нобелевская премия прилетела в руки к Пауэллу со скоростью света - в 1950 г., всего три года спустя. А Оккиалини в 1979 г. была присуждена еще одна престижная награда, Премия Вольфа. Вторым лауреатом в том же году стал Георг Уленбек.

Достижение бристольских ученых ознаменовало собой расцвет эпохи Кавендиша в экспериментальной физике элементарных частиц. А подавляющим большинством результатов, полученных с 1950 по 1970 г., мы обязаны американским ускорителям, особенно потомкам лоуренсовского циклотрона. Итогом бурного периода экспериментов стало осознание того, что «оранжерея элементарных частиц» и правда изобилует причудливыми фруктами.

Пока в физике высоких энергий - так стали называть экспериментальную ветвь физики элементарных частиц - число регистрируемых субатомных событий росло не по дням, а по часам, многие физики-ядерщики примкнули к астрономам, чтобы вместе понять, как образуются природные химические элементы. В 1939 г. вышла знаковая статья физика Ганса Бете «Генерация энергии в звездах». В ней Бете продемонстрировал, что источником звездной энергии может служить термоядерный синтез, процесс слияния мелких ядер в более крупные. Два ядра водорода превращаются в дейтерий (тяжелый водород), дейтерий подбирает еще одно ядро водорода и дает гелий-3, и, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с испусканием пары протонов - таковы основные звенья цикла, благодаря которому звезды вырабатывают свою гигантскую энергию и светят. Бете предложил и другие циклы с участием более тяжелых элементов (скажем, углерода).

В 1948 г. Георгий Гамов (уже сотрудник Университета им. Джорджа Вашингтона), подавая в печать свою с Гансом Алфером статью «Происхождение химических элементов», в качестве шутки вписал Бете в соавторы. Хотя истинными авторами являлись Алфер и Гамов, они прибегли к имени Бете, чтобы получилось созвучие с первыми тремя буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма). Иногда эту работу называют «алфавитной статьей».

Главной предпосылкой теории Алфера и Гамова о зарождении элементов является представление о том, что Вселенная возникла из невероятно плотного и сверхгорячего состояния, которое Фред Хойл прозвал Большим взрывом. (Хойл, будучи противником теории Большого взрыва, пытался выбрать название пообидней[20], но оно тем не менее прижилось.)

Гипотезу о том, что Вселенная когда-то была безумно маленькой, первым высказал бельгийский математик и священник Жорж Леметр. Серьезный фундамент под нее подвели наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что далекие галактики от нас удаляются, а следовательно, пространство расширяется. Алфер и Гамов предположили, что гелий, литий и более тяжелые элементы вышли из огненного горнила новорожденной Вселенной.

Как оказалось, они угадали с гелием, но ошиблись насчет других элементов. Молодая Вселенная действительно была достаточно разогрета, чтобы из водорода синтезировать гелий, но потом в процессе расширения она сильно охладилась и не смогла бы родить столько тяжелых элементов, сколько мы наблюдаем. Стало быть, углерод и кислород в растениях и животных идут не от Большого взрыва. А именно на роль котла, где варятся элементы тяжелее гелия, Хойл с тремя своими коллегами предложил адское пекло звездных ядер, которые после взрыва - вспышки сверхновой - выбрасывают эти элементы в космос.

Гамова сбила с толку сама возможность того, что за происхождение элементов могут отвечать два разных механизма. Верный своей юмористической манере, он выразил свою озадаченность и разочарование в пародии на библейский текст - поэме «Новая Книга Бытия».

«В начале, - гласит стих, - Бог создал излучение и илем (правещество)». Затем идет описание того, как Бог один за другим творит химические элементы, просто-напросто называя по порядку их массовые числа. К несчастью, на числе пять Бог запинается, подвергая опасности всю свою затею. Но вместо того чтобы начать заново, Он находит другой выход из положения: «И сказал Бог: “Да будет Хойл”… и повелел ему сделать тяжелые элементы так, как тому будет угодно»⁴⁵.

Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.

В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP[21] («Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».

На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.

Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.

В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.

Из всех работавших над КЭД именно Фейнману принадлежит самая наглядная интерпретация ее математических формул. Он придумал очень удобную систему графических обозначений, отражающих процесс взаимодействия частиц друг с другом: электроны и остальные заряженные частицы изображаются стрелками, а фотоны - волнистыми линиями. Например, обмен фотоном между двумя электронами будет выглядеть так: две стрелки с течением времени сходятся, между их концами пробегает волнистая линия, и затем они расходятся. Приписав каждой подобной картинке определенное значение и установив правила, по которым они складываются, Фейнман дал рецепт вычисления вероятности любого события с участием электромагнитного взаимодействия. Эта система обозначений, известная как диаграммы Фейнмана, получила широкое распространение.

Квантовая электродинамика излечила некоторые математические недуги, ставшие настоящей напастью для квантовых теорий электронов и других заряженных частиц. До этого теоретики, пытаясь применить квантовую концепцию к электронам, то и дело наталкивались в вычислениях на не имеющие смысла «бесконечности». Фейнман показал, что если применить особую процедуру (провести так называемую перенормировку), вклады от части диаграмм взаимно уничтожаются, и получается конечный ответ.

Вдохновленные успехом КЭД, в 50-х гг. многие теоретики решили применить аналогичные методы к слабому, сильному и гравитационному взаимодействиям. Но это теоретическое троеборье оказалось не таким легким, как виделось на первый взгляд. Каждый этап эстафеты таил в себе свои препятствия.

На тот момент в теорию бета-распада Ферми, которая в новой версии стала называться универсальным взаимодействием Ферми, были включены мюоны. Одно из главных предсказаний этой теории получило свое подтверждение в середине десятилетия. Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн из Лос-Аламосской национальной лаборатории поместили возле атомного реактора огромный контейнер с жидкостью и впервые впрямую зарегистрировали нейтрино. Эксперимент был нацелен на то, чтобы поймать редкие случаи взаимодействия реакторных нейтрино с протонами жидкости. Последние при этом превращаются в нейтроны и позитроны (антиэлектроны) - происходит так называемый обратный бета-распад. Когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют (исчезают), излучая свою энергию в фотонах. К испусканию фотонов приводит и поглощение жидкостью нейтронов. Поэтому Рейнс и Коуэн догадались, что по паре одновременных вспышек (во второй, светочувствительной жидкости), вызываемых этими двумя потоками фотонов, можно судить о присутствии нейтрино. Как ни редки такие события, экспериментаторы их засекли. Последующие эксперименты с гораздо большими объемами жидкости, проведенные Рейнсом и Коуэном, а также другими группами, подтвердили этот революционный результат.

Когда последний ингредиент теории Ферми - предшественницы теории слабого взаимодействия - получил свое экспериментальное подтверждение, физики уже начали осознавать ее очевидную неполноту. Особенно явно она выступала при сравнении с потрясающими результатами КЭД. В КЭД в изобилии присутствуют всевозможные естественные симметрии. На диаграммах Фейнмана, где представлены электродинамические процессы, одна из них просто бросается в глаза. Поменяем направление временной оси, заставив течь время в противоположном направлении, - рисунок от этого не изменится. Следовательно, процессы, идущие вперед и назад по времени, не отличаются. Эта симметрия называется инвариантностью относительно обращения времени.

Вторая симметрия сравнивает между собой процесс и его зеркальное изображение. Если процесс в зеркале идет так же, как и без него (эта ситуация имеет место в КЭД), говорят о сохранении четности. Скажем, буква «Ш», совпадающая со своим зеркальным изображением, четность сохраняет, а вот букве «Щ» ее хвостик мешает это сделать.

В КЭД, кроме того, идеально сохраняется масса, давая повод ввести еще одну симметрию. Когда электроны (или другие заряженные частицы) перекидываются между собой фотонами, последним, что бы ни случилось, запрещается носить с собой массу. Электроны в электромагнитных процессах остаются электронами и никогда не меняют свой облик. Не надо быть гением, чтобы заметить разницу с бета-распадом, где электроны жертвуют своим зарядом и массой и примеряют на себя образ нейтрино.

Вопрос о симметриях слабого взаимодействия в 1956 г. выступил на передний план, когда американские физики китайского происхождения Цзун Дао Ли и Чэнь Нин (Фрэнк) Янг предложили изящное решение загадки с распадом мезона. Примечательно, что у положительных каонов есть два канала распада: они распадаются на два или три мезона. Причем четности конечных состояний не совпадают. Поэтому напрашивалось объяснение, что и рождающие их частицы относятся к разным классам. Но Ли и Янг показали: если допустить, что в слабых процессах четность не сохраняется, и те и другие продукты могут происходить от одной-единственной частицы. Так что иногда распады с участием слабых сил в зеркале меняют свою внешность. Нарушение четности на первый взгляд противоречит здравому смыслу, но оно, как оказалось, дает ключ к пониманию деталей слабого взаимодействия.

Ядерные силы не в пример бережнее относятся к сохранению четности. Благодаря Юкаве это мощное, но короткодействующее взаимодействие в 50-х гг. одним из первых могло похвастаться квантовой версией. Но поскольку тогда экспериментаторы еще не имели понятия о внутренней структуре самих нуклонов, теория Юкавы оставалась неполной.

Последним звеном в единой модели всех взаимодействий должна была стать квантовая теория гравитации. Беря пример с КЭД, физики пытались построить аналогичную теорию гравитации, но перед ними одна за другой вырастали каменные стены. А загвоздка вот в чем. Если КЭД описывает процессы, развертывающиеся во времени (например, рассеяние одного электрона на другом посредством обмена фотоном), то гравитация, как утверждает общая теория относительности, - это проявление кривизны четырехмерной геометрии, существующей вне времени. Проще говоря, гравитация подвижна не больше статуи. Никакие разговоры о квантовой гравитации были невозможны, пока в эту вневременную теорию не удалось чудесным образом включить эволюцию. Крупный успех последовал в 1957 г., когда Ричард Арновитт, Стэнли Дезер и Чарльз Мизнер придумали, как разрезать пространственно-временной пирог на трехмерные слои, насаженные на линию времени. Их метод, формализм АДМ, обеспечил теоретиков динамической теорией гравитацией, уже пригодной для квантования.

Второе серьезное препятствие, не дающее увязать тяготение с другими силами, возникает из-за гигантской разницы в интенсивности взаимодействий. Оно получило название проблемы иерархии. На субатомном уровне гравитация в 1040 (единица с 40 нулями) раз хилее электромагнетизма, который, в свою очередь, значительно уступает ядерным силам. Собрать все это в рамках единой теории - сложная задача, удовлетворительное решение которой еще только предстоит найти.

Наконец, палкой в колесах торчит перенормировка гравитационных двойников КЭД. К величайшему разочарованию теоретиков, методы Швингера, Фейнмана и Томонаги не сработали: бесконечные слагаемые, выскакивающие при попытке проквантовать гравитацию, не почувствовали их действия. Гравитация оказалась капризнее, чем мы думали.

Одна из самых высоких целей человеческих изысканий - прийти к единству. Мы жаждем полноты, однако каждое открытие общих черт приносит с собой новые примеры различий. Электричество и магнетизм, как показал Максвелл, составили блестящую партию, но любая другая сила была в ней третьим лишним. В таблицу Менделеева прекрасно вписывались все элементы, пока экспериментаторы не наткнулись на изотопы. Едва Резерфорд, Бор, Гейзенберг и их сподвижники подобрали атому красивую упаковку, как на сцену вышли нейтрино, антивещество, мюоны и мезоны.

В период с середины 50-х до середины 90-х гг. XX в. мощные ускорители один за другим вгрызались в замысловатый мир элементарных частиц, гораздо более сложный, чем мы могли себе представить. Вокруг привычных протонов, нейтронов и электронов неожиданно выросли буйные джунгли частиц с причудливыми свойствами и самой разной продолжительностью жизни. Лишь малую их толику можно было встретить в атоме. Подавляющее же большинство не имело к нему никакого отношения, если не считать подверженность одним и тем же фундаментальным силам. Это как если бы мы вошли на скотный двор и рядом с равнодушными коровами и овцами увидели голосящую толпу из диких носорогов, гиен, утконосов, мамонтов и каких-то неизвестных инопланетных тварей. Усмотреть в этом до смешного пестром зверинце, любезно предоставленном нам природой, хотя бы малейший намек на единство можно было, только обладая богатой фантазией, уникальной способностью улавливать общие черты и тонким чувством юмора.

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Не всегда и не все я делал так, как следовало бы. Да, вокруг установок текли потоки подземных вод, стены разъедала обильная ржавчина, добраться было невозможно, а о специально оборудованных уборных можно было только мечтать. Но некоторым обитателям этого протонного подземелья посчастливилось испытать один из лучших моментов своей жизни: открытие красивого кварка. Не где-нибудь, а там! Увы, насколько мне известно, стены так и ржавеют, и никто не потрудился засыпать землей хотя бы часть ходов.

Роберт В. Вильсон.

Лекция на Третьем международном симпозиуме по истории физики элементарных частиц.

Стэнфордская лаборатория линейного ускорителя, июнь 1992 г.

Увидев неправильно закрепленную резиновую прокладку, из-за которой сорвалась демонстрация медицинских приложений циклотрона, Лоуренс пришел в бешенство. «Вон из лаборатории! - кричал он молодому лаборанту. - И не вздумай возвращаться!»⁴⁶

Роберт Р. (Боб) Вильсон, аспирант Радиационной лаборатории в Беркли, которому суждено было подняться на высоту конструктора и руководителя крупнейшего проекта в истории американской физики высоких энергий, стоял и не знал, куда себя деть. Все сотрудники лаборатории, как положено, в белых медицинских халатах, пациенты с раковыми опухолями готовы начать лечение - нет, как можно быть таким невнимательным? Пациенты ждали, без преувеличения, днями и ночами. И чего?

Чтобы циклотрон перестал работать из-за его дурацкой ошибки? Вильсона снедало чувство вины настолько глубокое, что его было не выразить словами.

Лоуренс снова взял Вильсона на работу, но вскоре опять уволил за то, что тот спалил в огне дорогие плоскогубцы. Во второй раз все выглядело не так уж плохо. «Наверняка, подумал я, найдется способ вернуться», - вспоминал потом Вильсон.

Сказать, что к руководству «Фермилабом», самым передовым ускорителем в Соединенных Штатах (а было время, и во всем мире), Вильсон шел извилистым путем, значит не сказать ничего. Вильсон родился 4 марта 1914 г. во Фронтьере, штат Вайоминг, и, как Резерфорд с Лоуренсом, происходил из семьи переселенцев. Его мать Эдит была дочерью фермера, приехавшего сюда во времена золотой лихорадки. Она познакомилась с отцом Вильсона, когда он проводил в городе землемерные работы, и вышла за него замуж. Будучи суровым и сугубо практичным человеком, он никогда не понимал научных устремлений своего сына. Когда Вильсон, уже тогда начитанный молодой человек, собрался поступать в колледж в Беркли, отец этому воспротивился, настаивая, чтобы сын занялся коммерцией. Лишенный поддержки отца, Вильсон в 18 лет отправился в полное приключений путешествие по физике элементарных частиц.

По приезду в Беркли, стоя перед владениями Лоуренса, Вильсон смотрел на них горящими глазами, как дети смотрят на рождественские подарки. Он был поражен сложными приборами и энергией сотрудников. Хотя после личного знакомства с Лоуренсом тот показался Вильсону эгоистичным, по крайней мере сначала, будущий вдохновитель «Фермилаба» решил добиваться места в «Рэд Лабе» и выполнить там свой дипломный исследовательский проект. Немало волнуясь, он протиснулся в кабинет Лоуренса и попросил взять его в коллектив. Какое облегчение он испытал, когда услышал от знаменитого директора: «Да-да, конечно».

Вильсон стал специалистом по циклотронам, в частности научился добиваться от частиц устойчивых орбит. Он защитил в Беркли свою дипломную работу и продолжил, уже в статусе аспиранта, работать под началом Лоуренса. Буквально на глазах Вильсона «Рэд Лаб» превратился в образец того, как должны вестись исследования в физике высоких энергий, а достижения сотрудников лаборатории признавали во всем мире.

Вильсон перенял и многие организационные приемы Лоуренса. «Он, несомненно, на меня сильно повлиял, - вспоминал Вильсон. - Его стиль управления лабораторией производил впечатление. Он увлекал всех своим примером… Его энтузиазм, целеустремленность и оптимизм заражали. Он как никто другой умел расставить акценты»⁴⁷.

В 1940 г., получив в Беркли докторскую степень, Вильсон женился на уроженке Калифорнии Джейн Шейер и переехал с ней на восток, в Принстон, Нью-Джерси. Там он три года проработал преподавателем, а затем его приняли в Лос-Аламосскую лабораторию и включили в «Манхэттенский проект». После войны Вильсон провел год в Гарварде, а потом получил должность директора Лаборатории ядерных исследований Корнелльского университета, которую занимал с 1947 по 1967 г. Запустив там один за другим четыре электронных синхротрона, последний из которых давал энергию до 12 ГэВ, Вильсон зарекомендовал себя талантливым руководителем.

Синхротрон, изобретение которого пришлось на 40-е гг., гораздо лучше подходит для экспериментальных задач, чем циклотрон. Во-первых, в нем интенсивнее магнитное поле, а во-вторых, частицы бегают по кругу «организованными группами». В синхротрон частицы впрыскиваются отдельными пучками, напоминающими группу спортсменов в начале велосипедной гонки. По мере увеличения энергии каждой такой порции подбавляют также магнитное поле, чтобы частицы не раскручивались по спирали, а оставались на одной круговой орбите. Чем свирепее зверь, тем крепче поводок ему нужен.

Второе характерное отличие синхротрона - отсутствие центрального магнита. Вместо этого магниты равномерно выкладываются вдоль всего пути пучка. Их задача, как и прежде, направлять частицы, но зато такая конструкция позволяет выйти далеко за пределы комнатных габаритов и охватить большую площадь (размером с футбольное или фермерское поле, например). Стало быть, радиус орбиты и мощность можно беспрепятственно наращивать.

Кроме того, в циклотронах и синхротронах электрическое поле по-разному зависит от времени. Если в циклотроне электрические поля меняются периодически и задают частицам постоянный ритм, в синхротроне они подстраиваются под скорость пучка. Благодаря этому, даже когда частицы достигают релятивистских энергий, электрическое поле продолжает ускорять их в такт. Когда отец хочет раскачать сына на качелях, он для толчка всегда выбирает определенный момент. Синхротрон точно так же способен повышать энергию и без того энергичных частиц.

В «корнелльский» период биографии Вильсона синхротроны неумолимо заполоняли физику элементарных частиц. Без их мощи и, главное, огромных возможностей наращивать эту мощность открытия новых тяжелых частиц пришлось бы ждать неизвестно сколько. Крупные синхротроны стали источником «сырья» для грандиозных коллайдеров, на которых были сделаны первые шаги к единой теории (например, найдены переносчики электрослабого взаимодействия). В течение десятилетий ученые в мировых лабораториях неустанно увеличивали диаметр синхротронов и улучшали фокусирующие свойства магнитов, чтобы получать частицы со все большими и большими энергиями.

Золотой век синхротронов пришелся на 50-е и 60-е гг. XX в. Два инженера из Беркли, Уильям Бробек и Эдвард Лофгрен, под руководством Лоуренса соорудили в 1954 г. протонный синхротрон «Беватрон» размером с концертный зал. Он давал энергию до 6 ГэВ, но, к сожалению, обошелся непомерно дорого. Все из-за вакуумной камеры в форме бублика (включая окружающие ее магниты), в которой были такие широкие отверстия, что больше подошли бы гоночной машине, нежели элементарной частице.

Одной из первых ласточек был и «Космотрон», возведенный на бывшей военной базе среди идиллических пейзажей Брукхейвена, Нью-Йорк. От своего коллеги он отличался в лучшую сторону: проемы в нем были узкие, но не настолько, чтобы не пропустить пучок частиц. Группа под началом М. Стэнли Ливингстона, Эрнеста Куранта, Джона Блюитта и Кеннета Грина добилась успеха с помощью 288 магнитов в форме буквы «С», которые аккуратно управляли пучками протонов в 70-метровом тоннеле ускорителя. За какую-то секунду протоны пролетали без малого 220 000 км, совершив при этом миллионы оборотов, и, прежде чем удариться в мишень, достигали энергии в 3 ГэВ⁴⁸. Когда в мае 1952 г. «Космотрон» вошел в строй, «Нью-Йорк Таймс» поспешила известить о первом «Запале в миллиард вольт»⁴⁹.

Настраивая магниты «Космотрона» так, чтобы они фокусировали пучок как можно лучше, Курант приобрел бесценный опыт, который помог ему проложить дорогу к следующему поколению ускорителей. Исследователь рассчитал, что если повернуть соседние магниты в противоположные стороны (скажем, один внутрь, а следующий наружу и т. д.), их фокусирующая способность резко возрастет. Этот эффект, жесткая фокусировка, сделал возможным создание синхротрона с переменным градиентом (СПГ) в Брукхейвене - более мощной машины, вошедшей в строй в 1960 г. и работающей до сих пор.

Тем временем в швейцарской Женеве в Европейском центре ядерных исследований Нильс Бор открывал бутылку шампанского, чтобы отметить открытие протонного синхротрона (ПС), еще одного ускорителя с жесткой фокусировкой. Для возрождавшейся после войны европейской науки это был настоящий триумф. ЦЕРН появился десятью годами ранее. Соответствующая резолюция, выдвинутая И. Раби, была принята на Пятой конференции ЮНЕСКО и предписывала Центру «всячески способствовать учреждению и организации региональных институтов и лабораторий, призванных активизировать международное научное сотрудничество и сделать его более плодотворным»⁵⁰.

К моменту запуска ПС совет ЦЕРНа, в который входили Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Греция, Италия, Нидерланды,

Норвегия, Испания, Швеция, Швейцария, Великобритания и Югославия, уже не раз успел собраться. В результате постановили организовать научную лабораторию недалеко от французской границы - рядом с деревушкой Мейрен, кантон Женева. А впечатляющий новый ускоритель только закрепил за центром репутацию мирового лидера в физике высоких энергий.

Лаборатории - в Беркли, Брукхейвене, ЦЕРНе - росли, как грибы после дождя. Чтобы составить им конкуренцию, Вильсону в Корнелле приходилось трудиться не покладая рук. Его организационный талант не подвергал сомнению никто. Но ему хотелось стать чем-то большим, чем ученым и руководителем. И Вильсон совершил весьма необычный поступок для человека, у которого было столько научных планов: решил попробовать себя в качестве скульптора. В 1961 г. он поехал в Рим и поступил в Академию изящных искусств, где познавал тонкости современной скульптуры. Его также интересовала архитектура и другие направления искусства композиции.

В 1967 г. Вильсону выпал шанс совместить все свои увлечения в одном деле. Он получил сложнейшую задачу спроектировать самую передовую ускорительную лабораторию Соединенных Штатов. Место под нее отвели примерно в 50 км к западу от Чикаго - среди кукурузных полей славящейся своими фермерскими угодьями Батавии, штат Иллинойс. В 1974 г. Национальная ускорительная лаборатория (первоначальное название) была переименована в честь Ферми. Будучи на посту руководителя, Вильсон пытался сделать лабораторию максимально открытой, чтобы проводить эксперименты по физике высоких энергий мог любой, независимо от положения в научной иерархии. Он хотел уйти от такой организации деятельности, когда всей научной частью заправляет горстка лидеров, как это было в случае с Резерфордом и Лоуренсом.

Второй целью Вильсона, успешно установившего в лаборатории демократичную атмосферу, было по возможности снизить расходы на постройку и обслуживание. Американская Комиссия по атомной энергии потребовала завершить строительство в 7-летний срок и готова была выделить максимум 250 миллионов долларов (на 90 миллионов меньше, чем изначально планировалось). Каким-то чудом у Вильсона получилось уложиться даже в меньшее время и не выйти за пределы бюджета. Причем запланированную энергию ускорителя Вильсон в итоге повысил более чем в 2 раза: с 200 до 400 с лишним ГэВ. Надо думать, он стремился к наибольшей мощности на один доллар.

Несмотря на скудные финансы, Вильсон уделил большое внимание и эстетической составляющей. Он лично принимал участие во всем, что касалось архитектуры и дизайна лаборатории. Центральная башня в футуристическом стиле из бетона и стекла - его заслуга, да и оттеняющие пейзаж новаторские скульптуры создал он. А специально нанятый оформитель раскрасил оборудование в яркие цвета. Экспериментальная установка в кои-то веки удостоилась внимания критика Кеннета Эверетта из «Нью Рипаблик», который охарактеризовал ее как «редкое сочетание художественного и научного задела»⁵¹. В творениях Вильсона, малобюджетных, но от того не менее изумительных, нашли отражение практичные 60-е.

Наконец, происходя из семьи переселенцев, Вильсон умел жить в ладах с окружающей его землей и бережно относился к природе. Он не стал рушить здешние амбары, а переделал их под цели лаборатории (в жилые помещения и т. д.). Дикие животные - от крякв до ондатр - нашли себе прибежище в водохранилищах, полях и даже установках научного комплекса. Отдавая дань памяти своей семейной истории и современной физике, исследующей самые заповедные уголки окружающего нас мира, Вильсон привел в рощицу стадо бизонов, которые стали там мирно пастись. Их косматые потомки до сих пор бродят в тех местах.

Вильсон чувствовал себя почти как дома, когда верхом на лошади объезжал «Фермилаб», словно ранчо - только вместо скота тут росли и крепли протоны с мезонами. Надев джинсы, ветровку, ковбойские сапоги и черную шляпу, он седлал свою серую Звездочку и, будто чтобы разогреть ее перед скачками, отправлялся обходить свои владения.

Национальная ускорительная лаборатория им. Ферми («Фермилаб») с высоты птичьего полета. Видны основное кольцо и административное здание лаборатории.

Для Вильсона в ускорительном центре не было второстепенных деталей. Он ко всему приложил руку: от характерного геометрического оформления крыш (есть даже один геодезический кугюл) и неприхотливого земляного пола до организации работы на кухне. В стесненных финансовых обстоятельствах постоянно возникали дилеммы (например, крыша или пол), и Вильсон решил: чем дразнить Комиссию по атомной энергии, лучше уж самому выбирать, что принести в жертву.

Ради экономии средств Вильсон, например, нанял и «выставил в караул» своего непреклонного административного помощника, Присциллу Даффилд, до этого работавшую секретарем у Лоуренса в «Рэд Лабе», а потом во времена «Манхэттенского проекта» у Оппенгенмера в Лос-Аламосе. Дж. Дэвид Джексон, руководивший отделом теоретической физики в 1972-1973 гг., запомнил ее как «высокую, строгую, деловую женщину». Малейший намек на растрату денег приводил ее в ярость. Джексон помнит, как она отреагировала, когда узнала, что он с коллегами принес на семинар вино и сыр. «Жаждая моей крови, она ворвалась ко мне в кабинет. “На семинаре распивать вино! Да что вы о себе возомнили? Вам должно быть известно, что тратить на это государственные деньги незаконно”. Я ответил, что покупал вино не на государственные деньги. “А на чьи же?” - спросила она. Я сказал: “На свои”. Она поджала губы. В первый и последний раз я ее видел хоть капельку смущенной»⁵².

Не все решения, который Вильсон принимал в погоне за сокращением расходов, шли на пользу. Делая упор на одних структурных элементах в ущерб другим и без оглядки на установку в целом, он поставил под удар весь проект. Вильсон давно сбросил с повестки дня замену магнитов, поэтому они были приварены прямо поверх трубы основного кольца, в котором должны были циркулировать частицы⁵³. Но лето в Иллинойсе сырое, тоннель был не защищен - и магниты из-за высокой влажности начали приходить в негодность. Представьте ужас преданных науке исследователей, которые с минуты на минуту ждут открытия, когда прямо перед первым пуском ускорителя магниты один за другим выходят из строя, а менять их - целая эпопея. К счастью, квалифицированные экспериментаторы быстро взяли ситуацию под контроль и разрешили проблему.

Если магниты Вильсон закрепил на славу, то в отношении помещений, где физики будут проводить измерения, он придерживался противоположной точки зрения. Чтобы сэкономить средства и повысить мобильность, он решил делать измерительные лаборатории на временной основе, по примеру муравейника. Но вскоре до него дошли слухи, что сотрудники от таких мимолетных кабинетов не в восторге. Сам Вильсон отмечал: «Эти полевые лаборатории действительно сколочены на скорую руку… Старшее поколение даже советует своим молодым коллегам: “Оставь надежду всяк сюда входящий!” Боюсь, в таком развитии событий виноват я один. Опасаясь потерять хотя бы один цент, я мечтал вообще не возводить (и не выкапывать) никакого здания. Моя идея состояла в следующем. Когда начнется эксперимент, мы всего лишь в чистом поле около конца одного из протонных тоннелей очертим столько места, сколько нам нужно, и забьем стальные шпунтовые сваи…, до какой надо глубины… Экспериментальное оборудование спустим на роскошный гравийный пил, а сверху поставим временную стальную крышу, посыпанную толстым слоем земли… Просто и недорого, ведь так? До сих пор не могу понять, почему сотрудники перестали со мной разговаривать.

Полевые лаборатории, венчающие тоннели, удаленные от основного 6,5-километрового синхротронного кольца, Вильсон окрестил «протонными подземельями». Другие места служили для исследования мезонов и нейтрино. Гордостью Вильсона была 4,5-метровая пузырьковая камера, которую физик из Беркли Пол Эрнандес считал «жемчужиной в короне»⁵⁵ ускорителя.

Большая европейская пузырьковая камера - прибор для отслеживания частиц. Экспонат музея «Микрокосм» (ЦЕРН).

Пузырьковая камера состоит из огромного контейнера с жидким водородом, окруженного направляющим магнитом невероятных размеров. Когда протоны сталкиваются, магнитное поле заставляет двигаться их осколки через жидкость по закручивающимся траекториям. Вдоль них водород вскипает, вычерчивая перед экспериментаторами трек, который можно сфотографировать и по его форме определить свойства частиц. На разноименные заряды магнитное поле действует в разные стороны, поэтому положительно и отрицательно заряженные частицы будут закручиваться в противоположных направлениях.

Другие детекторы, широко применяемые в физике высоких энергий, - это сцинтилляционные счетчики, фотоумножители, черенковские детекторы, калориметры, искровые и дрейфовые камеры. Одним прибором не обойтись, нужен целый спектр измерительных приборов. Все потому, что главная задача эксперимента - за короткое время собрать как можно больше информации. Многие частицы, едва родившись, тут же оканчивают свою короткую жизнь и распадаются. Иногда единственное, что говорит о произошедшем событии, - это дисбаланс энергии, импульса или других сохраняющихся величин. Как полицейские на месте преступления, физики, чтобы вычислить подозреваемых, вынуждены оцеплять район столкновения, напичкав его всевозможной измерительной аппаратурой, и, не теряя времени, собирать улики. Только тогда можно надеяться определить последовательность событий и воссоздать полную картину взаимодействия.

Любимый метод Резерфорда, засекавшего частицы по вспышкам на флуоресцентном экране, получил логическое продолжение в сцинтилляционных счетчиках. Пролетая через детектор, частица возбуждает электроны в атомах, которые затем излучают полученную энергию в виде света. Для этой цели хорошо подходят люминесцентные пластмассы с жидким фторсодержащим наполнителем. Фотоумножитель - это электронный прибор, способный усиливать тусклый свет (идущий, например, от сцинтиллятора) до такой степени, чтобы его можно было различить.

Принцип работы черенковского детектора зиждется на так называемом эффекте Вавилова-Черенкова. Его в 1934 г. экспериментально обнаружил работавший под руководством С.И. Вавилова П.А. Черенков из Физического института им. П.Н. Лебедева в Москве. Дело в том, что если частица движется в некотором веществе со скоростью, превышающей скорость света, она начинает излучать. Нельзя превзойти скорость света в вакууме, но в веществе свет замедляется, и тогда его удается обогнать. Известно, что, оказавшись рядом с реактивным самолетом, который разогнался до скорости звука, мы слышим громкий хлопок (нас настигает фронт звуковой ударной волны). Так и частицы, бегущие в веществе наперегонки со светом, испускают в устремленный вперед конус излучение, получившее название черенковского. На наше счастье, угол раствора конуса напрямую зависит от скорости частицы, позволяя экспериментально измерить этот важный параметр.

Следующий класс приборов - калориметры, с помощью которых ученые измеряют энергию частиц. В заполняющем их плотном материале возбуждаются распадные ливни, представляющие собой цепочку рождений пар и образования тормозного излучения (излучение, испускаемое замедляющимися частицами), в результате чего высвобождаются большие залежи энергии. Если получается зарегистрировать хотя бы определенную долю этой энергии, физики могут делать выводы о том, насколько энергичным было первоначальное событие. В электромагнитных калориметрах делается упор на каскады, вызываемые электромагнитными силами, а в адронных калориметрах орудуют сильные взаимодействия.

Адроны - это частицы, подверженные влиянию ядерных сил. К ним относятся протоны, нейтроны, различные типы мезонов и ряд более тяжелых частиц. Все они состоят из кварков. Лептоны же - это частицы, нечувствительные к сильному взаимодействию: электроны, позитроны, мюоны и нейтрино. В них нет кварков - это уже истинно элементарные частицы. Адронные калориметры не реагируют на лептоны, они ощущают только энергию адронов.

Помимо пузырьковых камер существует множество других приборов для измерения траекторий частиц. Для регистрации заряженных частиц хорошо подходят искровые камеры. Промелькнувшая частица вдоль своего пути ионизует газ, и в нем происходит напоминающий молнию разряд. Дрейфовые камеры устроены сложнее: для того чтобы измерить время пролета частицы между двумя заданными точками, в них используется электроника.

С изобретением компьютера физика высоких энергий обрела незаменимого помощника. Теперь ученые могли себе позволить прочесывать гигантские объемы данных в поисках намеков на интересные события. О том, чтобы без компьютера найти продукты редких распадов, можно было бы и не мечтать. Все равно что искать в лесу цветущий папоротник.

Ко времени вступления «Фермилаба» в строй в начале 70-х одна из особенностей его конструкции уже успела устареть. Еще со времен Резерфорда пучки в ускорителях били по неподвижным мишеням. А как диктуют законы сохранения, в таком случае львиную долю полной энергии столкновения уносят вторичные частицы, вылетающие с обратной стороны мишени. Лишь малая толика может быть обращена в массу новых частиц. Более того, выход полезной энергии в столкновениях с неподвижной мишенью растет довольно медленно - пропорционально корню из энергии пучка. Скажем, если в улучшенной модели ускорителя в протонах запасается в сто раз больше энергии, эффективная энергия получит только десятикратное приращение. Вдобавок к этому недостатку сам рождающийся пучок оказывался узким, усложняя экспериментаторам задачу регистрации испущенных частиц.

В далеком 1953 г. Видероэ словно предвидел эту проблему и запатентовал гораздо более совершенную разновидность ускорителя, который мы сегодня называем коллайдером⁵⁶. Он догадался, что, если сталкивать частицы лоб в лоб, можно будет уменьшить долю кинетической (связанной с движением) энергии и на выходе получить больше энергии для производства частиц. Тогда Видероэ работал инженером-технологом, поэтому неудивительно, что физическое сообщество прошло мимо его патента. А всего три года спустя идею о лобовом столкновении пучков независимо высказала группа трудившихся над синхротроном экспериментаторов во главе с Дональдом Керстом. От этого предложения, опубликованного в крупном журнале «Физикал Ревью» и обсужденного на симпозиуме ЦЕРНа в 1956 г., до резкого увеличения производительности ускорителей оставался один шаг, и вскоре коллайдеры стали обычным делом.

Можно попытаться ощутить разницу между ускорителем с неподвижной мишенью и коллайдером, обратившись к железнодорожным катастрофам. Если говорить о первом, представим себе потерявший управление локомотив, который сбоку врезается в товарный вагон, случайно очутившийся на пересечении двух путей. Один из вероятных исходов - товарный вагон после толчка начинает двигаться по своему пути, а локомотив продолжает ехать по своему. Все целы и невредимы. Основная часть энергии столкновения так и осталась кинетической.

А теперь пусть два локомотива (примерно одинаковых размеров и с близкими скоростями) несутся навстречу и впечатываются лоб в лоб. О счастливом конце здесь говорить не приходится. Львиную долю энергии мы, скорее всего, сможем наблюдать воочию в виде горящих обломков. То, что для диспетчера обернулось бы кошмаром, как раз по душе физикам, имеющим дело с ускорителями. Они только и ждут, чтобы подлить масла в огонь и выковать новые частицы.

На той самой церновской конференции физик из Принстона Джеральд О’Нейлл предложил реализовать коллайдер с помощью сообщающихся накопительных колец. По его задумке, ускоренные в синхротроне частицы нужно было распределить между двумя отдельными кольцами, где они циркулировали бы в разные стороны в ожидании столкновения в точке пересечения двух колец. Эта идея в 60-х и начале 70-х гг. воплотилась в нескольких электрон-позитронных коллайдерах. В частности, безусловным достижением стало строительство в 1972 г. Стэнфордского позитрон-электронного ускорительного кольца (SPEAR) в Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя. Именно на нем, кроме всего прочего, Бертон Рихтер, проектировавший SPEAR, совместно с коллегами открыл частицу J/ψ («джей-пси», тяжелый мезон, состоящий из очарованных кварков и антикварков), а Мартин Перл обнаружил сверхтяжелый тау-лептон.

Эти открытия подвели экспериментальную базу под гипотезу о том, что кварки и лептоны образуют три разных поколения. К первому относятся верхний и нижний кварки, а также электрон с нейтрино. Ко второму - странный и очарованный кварки и, соответственно, мюон и мюонное нейтрино. А в третье попадает тау-лептон (вместе с обнаруженными позже тау-нейтрино и прелестным и истинным кварками). Будь то сами по себе, как в случае лептонов, или в составе различных адронов, как это происходит с кварками, эти частицы являются элементарными кирпичиками материи.

В 1971 г. заработал первый в мире адронный коллайдер - Пересекающиеся накопительные кольца (ПНК). Тогда уже действующий в ЦЕРНе протонный синхротрон (ПС) ускорял пучки протонов до 28 ГэВ, после чего система впрыска сгоняла их в одну из пары кольцевых ячеек. Там они и «складировались», то есть система запускала внутрь частицы в строго определенные моменты времени, чтобы группы протонов летали вплотную, но не вставали друг у друга на пути. Это как хорошо настроенный светофор - подает машинам разрешающий сигнал через заданные промежутки времени, чтобы не возникало заторов и движение шло постоянным потоком. Благодаря «складированию» протонные пучки в накопительных кольцах увеличивают свою светимость, или, другими словами, число столкновений на единицу площади, которое зависит от интенсивности пучка. В этом плане пучок напоминает очередь из автомата: чем чаще следуют выстрелы и чем точнее прицел, тем быстрее цель будет поражена. Высокая частота столкновений повышает шансы на поимку маловероятных событий, таких как рождение редких видов частиц.

Вскоре после запуска ПНК сотрудники ЦЕРНа решили опробовать оригинальный метод увеличения светимости, так называемое стохастическое охлаждение. Его изобрел голландский физик Симон ван дер Мер, отвечавший в ЦЕРНе за направляющие магниты. Новый способ давал возможность ужать пучки до компактных сгустков, что позволило бы упаковать их в кольце гораздо плотнее. Главное - понять, как далеко частицы удаляются от центра своей группы, и вернуть их обратно в «стадо», если они от него отбились. Благодаря такой корректировке разброс в пучке уменьшается, и он «охлаждается» до более плотного состояния, освобождая место для своих соседей и увеличивая тем самым светимость. Находка ван дер Мера оказалась для коллайдеров настолько полезной - вместе с увеличением светимости проложив дорогу к эпохальным открытиям, - что в 1984 г. ученому присудили Нобелевскую премию по физике (вторым лауреатом стал итальянец Карло Руббиа).

Поглядывая на набирающий силу ЦЕРН с его современными, более совершенными методами, Вильсон настаивал на необходимости модернизации ускорителя в «Фермилабе» и мечтал хотя бы о двукратном повышении его эффективной энергии. Понятно, что за этим стояло. Недавние успехи теоретиков, которым удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия в рамках единой квантовой теории, положили начало погоне за предсказанными массивными частицами. Возможность прочесть один из красивейших отрывков природной поэмы единства заставила целое поколение экспериментаторов пойти в «Фермилаб», ЦЕРН, куда бы то ни было, лишь бы принять участие в кропотливом разборе гигантского склада данных, полученных на невиданных энергиях.

Стандартная модель электрослабого объединения, независимо предложенная в 1967 г. Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, предсказывает вдобавок к хорошо известному безмассовому фотону существование четырех новых массивных бозонов. Два из них, W⁺ и W⁻, служат переносчиками в слабых процессах с зарядовым обменом (например, взаимодействие с участием электронов и нейтрино или позитронов и антинейтрино). Третий, Z°-бозон, передает силу в нейтральный процессах. Эта частица впервые появилась в работе Глэшоу, который добавил ее, чтобы получить математически согласованную теорию, хотя до этого нейтральные слабые токи никто не видел. Все вместе W⁺, W⁻ и Z° называются промежуточными векторными бозонами. Слово «векторные» отражает их специфические свойства при преобразованиях. Четвертая предсказанная частица - бозон Хиггса. Посредством спонтанного нарушения симметрии (о нем говорилось в главе «В поисках теории всего сущего») она придает массу W⁺, W⁻ и Z°-бозонам, а также кваркам и лептонам.

Набросанный Вайнбергом и Саламом сценарий не обещал, что поиск новых бозонов будет легким. При достаточно высоких температурах (например, в первые мгновения после Большого взрыва) симметрия, согласно теории, сохранялась, и W⁻ и Z-бозоны тоже были безмассовыми. Но стоило температуре опуститься ниже критического значения (как это имеет место сегодня), из-за спонтанного нарушения первоначальной симметрии бозоны обзавелись внушительной массой. Значит, чтобы их зарегистрировать, нужны были мощнейшие мировые ускорители с наилучшими энергетическими характеристиками.

В 1970 г. трое отважных экспериментаторов - Карло Руббиа (тогда сотрудник Гарварда), Альфред К. Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Университета Висконсина - сделали в «Фермилабе» первую попытку найти W-бозон. За свое предприятие группа HPWF (по первым буквам университетов и «Фермилаба») принялась в лаборатории нейтрино. Геодезический купол этого металлического шалаша во время дождей сильно протекал, и пол превращался в мутную жижу. Исследователям подчас приходилось шлепать по грязным лужам, пробираясь к экспериментальным установкам. Из-за экономии средств, которой был озабочен Вильсон, рабочая обстановка напоминала один из нижних кругов в концепции Данте.

В следующем году молодой гений теории поля Герард ’т Хоофт из Утрехтского университета в Нидерландах вместе со своим учителем Мартинусом Вельтманом доказал, что теория Вайнберга-Салама, как и квантовая электродинамика, перенормируема (бесконечные члены взаимно уничтожаются). Этот факт придал теории весу. Вайнберг, пребывавший от столь замечательной новости в эйфории, с нетерпением ждал экспериментальной проверки одного из непосредственных следствий электрослабой теории - существования нейтральных слабых токов. Как рассказывал потом Руббиа, Вайнберг группе HPRF «всю душу измотал», убеждая оставить прежние планы и заняться поиском нейтральных токов⁵⁷.

Руббиа попросил Ларри Сулака, своего гарвардского коллегу, сотрудничающего с группой, установить на детектор новый счетчик, который бы реагировал на события с нейтральными токами. В них фермионы не меняют своей сущности в процессе взаимодействия: электроны остаются электронами, а протоны - протонами. Главная проблема состояла в том, что электромагнитные процессы тоже не влияют на характеристики частицы - из них электроны по-прежнему выходят электронами. Экспериментаторам предстояло, по сути, искать «слабую нейтральную» иголку в стоге электромагнитных событий, также сохраняющих заряд и массу. Наиболее перспективным направлением был поиск событий с участием нейтрино. Будучи легкими нейтральными лептонами, они взаимодействуют преимущественно по слабому каналу. Если нейтральный адрон, например нейтрон, провзаимодействовал с нейтрино, причем ни одна из частиц не исчезла, естественным подозреваемым становится слабый нейтральный ток.

В борьбу включилась и группа из ЦЕРНа под началом Джека Фрая и Дитера Хайдта. Основным их инструментом стала закачанная тяжелым жидким фреоном пузырьковая камера «Гаргамель», незадолго до описываемых событий установленная на Протонном синхротроне внутри гигантского сверхпроводящего магнита. Экспериментаторы провели осень и начало зимы 1972 г., разыскивая рассеянные на нейтрино нейтроны. Пока неподалеку горнолыжники вычерчивали зигзаги на снежных швейцарских склонах, Фрай и Хайдт перебирали замерзшие треки каскадов - характерные следы в пузырьковой камере, отражающие все взаимодействия и физические свойства частиц. Лето принесло с собой радостные известия. К июлю 1973 г. у группы набралось достаточно доказательств существования нейтральных токов, чтобы сообщить о них научной общественности. Примерно в то же время коллектив HPRF также готов был представить обнадеживающие результаты.

Но, увы, летняя жара порой идет рука об руку с миражами. После подстройки оборудования и повторного сбора данных открытие группы HPRF затерялось среди барханов статистических погрешностей. Скептиками даже высказывалось мнение, что электрослабое объединение не более чем красивая иллюзия.

Гаргамельская группа, беспокоясь, как бы ее результаты тоже не оказались эфемерным видением, принялась их перепроверять. К счастью, их данные, как оказалось, имеют под собой твердый фундамент. Тем временем группа HPRF еще раз пересмотрела свои результаты, устранила все изъяны в обработке и тоже объявила об успешном завершении эксперимента. Впервые в истории науки новый режим взаимодействия - слабые нейтральные токи - был сначала обнаружен в теории, а потом уже найден в экспериментах.

Позже Хайдт выскажется о роли сделанного им и его коллегами открытия: «С обнаружением слабых нейтральных токов… ЦЕРН вышел в этой области в первые ряды. Найденный эффект открыл эпоху экспериментальных подтверждений Стандартной модели электрослабых взаимодействий и вызвал целый бум в экспериментальной и теоретической науке, вышедший далеко за пределы ЦЕРНа»⁵⁸.

Результаты измерений нейтральных токов позволили теоретикам более точно оценить массу W-бозона, что заставило экспериментаторов по всему миру с новыми силами взяться за поиск этой частицы. Желая доказать, что успех с нейтральными токами был закономерен, гонку возглавил ЦЕРН. На недостаток мощностей ему жаловаться не приходилось. Европейцы уже выделили средства и определились с местом для строительства Протонного суперсинхротрона (ПСС) - почти 6,5-километрового ускорителя, готовившегося первым в мире взять планку в 300 ГэВ. Однако в разгаре стройки, к немалому разочарованию европейских физиков, выяснилось, что основное кольцо «Фермилаба» уже бьет этот запланированный рекорд.

Когда вы втянуты в борьбу, мешкать нельзя: малейшая задержка может дать сопернику решающее преимущество. В случае с погоней за титулом первооткрывателя слабых бозонов такое преимущество появилось у ЦЕРНа, когда «Фермилаб» своим отказом соорудить протон-антипротонный коллайдер оттолкнул от себя Руббиа. Идея этой установки изначально пришла в голову младшему гарвардскому коллеге Руббиа Питеру Макинтайру, а получила свое развитие в работе Клайна, Макинтайра и Руббиа 1976 г. Трое ученых уговаривали Вильсона и заявочный комитет «Фермилаба» изыскать способ запустить протонный и анти-протонный пучки в противоположных направлениях по одному и тому же кольцу. Если бы получилось, как предполагалось, устроить между пучками столкновение лоб в лоб, где-то в осколках могли крыться искомые частицы.

Но Вильсон с головой ушел в строительство «Теватрона», первого в мире синхротрона со сверхпроводящими направляющими магнитами. Название «Теватрон» намекало на его будущую возможность заправлять протоны энергией в 1 ТэВ (один тераэлектронвольт, или один триллион электронвольт). В планах «Теватрон» и правда предполагалось использовать как коллайдер, но умеющий считать деньги директор не мог дать стопроцентной гарантии до тех пор, пока технология сверхпроводимости не будет проверена на практике.

Следуя примеру неунывающих коммивояжеров, Руббиа постучался в следующую дверь, за которой скрывался ЦЕРН. Ученый там работал в 60-х и потому чувствовал себя как дома. Руббиа родился 31 марта 1934 г. в итальянской Гориции, учился в университетах Пизы, Милана и полтора года провел в Соединенных Штатах, в Колумбии. Как раз по возвращении опуда - Руббиа было 26 лет - он впервые попал в ЦЕРН. С начала 70-х все время у Руббиа было расписано буквально поминутно: его можно было встретить то в Гарварде, то в «Фермилабе», то в ЦЕРНе… С таким жизненным опытом и будучи уверенным в своих силах, он чувствовал себя вправе предложить ЦЕРНу сделать революционный шаг.

Союзником Руббиа в разработке новой стратегии европейской лаборатории стал Симон ван дер Мер. Руббиа оценил метод стохастического охлаждения, предложенный голландским физиком. Он понимал: лучшего способа создавать плотные протонные и антипротонные пучки не найти. А где высокая плотность пучков, циркулирующих в ПСС по часовой стрелке и против нее, там и выше энергия в системе центра масс - ключевая характеристика коллайдера. Удовлетворенный доводами Руббиа, Леон ван Хове, в то время один из директоров ЦЕРНа, помог провести это новшество через бюрократические заслоны. Никто не успел и глазом моргнуть, как уже был готов и подсоединен к ПСС Антипротонный накопитель, новаторская установка для формирования интенсивного пучка. К 1981 г., всего через пять лет после статьи Клайна, Макинтайра и Руббиа, ПСС уже работал в режиме протон-антипротонного коллайдера, ставшем на следующее десятилетие для ускорителя основным. И хотя в 1983 г. вступил в строй «Теватрон», режим коллайдера ему был недоступен до 1985 г., что дало ЦЕРНу шанс уйти в отрыв.

Запуск ПСС, а затем и «Теватрона» привел к такому явлению, как исследовательские «коллаборации» - коллективы, насчитывающие сотни экспериментаторов из десятков разных институтов. Эти два научных центра физики высоких энергий притягивали к себе ученых, желающих оказаться там в ту самую минуту, когда к Стандартной модели будет добавлен последний штрих, найдена последняя частица из третьего поколения (стоящая в одному ряду с тау-лептоном и прелестным кварком, обнаруженным в 1977 г. в «Фермилабе» Ледерманом с сотрудниками) или даже открыты неизвестные ранее составляющие природы. Дни Резерфорда и Лоуренса, дни, когда авторов статьи с описанием эксперимента можно было пересчитать по пальцам (максимум научный руководитель, молодой научный сотрудник и пара аспирантов), ушли в прошлое. Группы буйно разрастались, а список авторов в статье все удлинялся, порой переходя за недостатком места из заглавия в обширную сноску. Без лупы невозможно стало разобрать, чьим знаниям мы обязаны успеху того или иного проекта.

Мало того, все больше усиливающаяся специализация, связанная с набирающими обороты «фабриками» по производству частиц, и долгие сроки экспериментов привели к тому, что руководители проектов начали придерживаться более гибких критериев, предъявляемых к докторским диссертациям. Например, для полноценной диссертации на степень доктора философии вполне достаточно выполнить моделирование методом Монте-Карло (используя для просчета возможных исходов генератор случайных чисел), написать программу, построить и испытать новый детектор и т. д. В противном случае некоторые аспиранты, входящие в коллаборацию экспериментаторов, рискуют остаться без диссертационной темы, да и будь у каждого тема, конечных результатов приходится ждать годами, а значит, защита отодвигается на неопределенно долгое время.

К моменту перевода ПСС в режим коллайдера в ожидании первых столкновений уже стояли два детектора, каждый со своей армией экспериментаторов. Первый, UA1 («Подземная площадка №1»), - детище Руббиа, создавшего невероятно сложный прибор, начиненный самой современной электроникой и способный анализировать столкновение практически под любым углом. Способность покрыть телесный угол почти полностью, так называемая герметичность, стала с тех пор главным критерием качества детектора. UA1 был настоящим Голиафом - на тот момент рекордные примерно 2000 тонн. Журналисты одной французской газеты, впечатленные замысловатой и объемистой конструкцией детектора, сделали ставку на второй, более миниатюрный UA2 («Подземная площадка №2»), полагая, что юркий «Давид» свалит неповоротливого гиганта. Говорят, от этого сравнения Руббиа, справедливо считавший себя настоящим профи, пришел в бешенство⁵⁹.

В ходе первого пуска в декабре 1981 г. предполагалось проверить некоторые следствия квантовой хромодинамики (КХД), главного претендента на роль калибровочной теории сильных взаимодействий. Квантовая хромодинамика, разработанная в 70-х гг. XX в., относит взаимодействие между кварками внутри адронов на счет глюонов, частиц-переносчиков. Перебрасываясь глюонами, кварки различных цветов образуют между собой связи и складываются в барионы или мезоны. Концепция глюонов пришла на смену гипотезе обмена пионами. В рамках последней было совершенно непонятно, почему кварки предпочитают ходить группами и никогда не летают поодиночке. На детекторах UA1 и UA2 экспериментаторы искали события, в которых кварковые структуры приходят в тесное взаимодействие, измеряли энергию в ливне и сравнивали с расчетами теоретических моделей КХД. Многие из предсказаний КХД удивительным образом подтвердились, причем в большинстве своем на UA2.

Подогрев аппетит на опытных следствиях КХД, можно было переходить к основному блюду. W- и Z-бозоны созрели, и настала пора собирать урожай, а благодаря новым возможностям обновленного ПСС за экзотическими фруктами и тянуться не надо было - сами в руки упадут. Детекторы, нацеленные на свою разновидность частиц, или, лучше сказать, дегустаторы, стояли в предвкушении характерного букета редких ароматов.

Если говорить о W-бозоне, то ученые ожидали, что при больших энергиях кварк в протоне сможет слиться с антикварком в антипротоне (например, верхний кварк и нижний антикварк) и образовать переносчик слабых взаимодействий. Однако на очень короткое время: бозон тут же распадется на заряженные лептоны и нейтрино. Частицы, ускользающие от прямого детектирования, называются резонансами. На их присутствие намекает лишь резкий максимум (его положение зависит от массы резонанса) в кривой зависимости сечения от энергии. Это как пытаться доказать, что кто-то средь жаркого летнего дня недавно лепил снеговика (из инея в морозилке). Обильная лужа воды выдаст затейника.

В один из рождественских дней 1982 г. на ПСС сталкивались пучки протонов и антипротонов с немыслимой светимостью более чем 10²⁹ (1 с 29 нулями) частиц в секунду на один квадратный сантиметр. Детектор UA1 зафиксировал около миллиона потенциально интересных событий, которые затем отправились на обработку. Шесть из них по параметрам подходили («нужная» энергия и импульс электронов, вылетающих под определенными углами) под события с участием W-бозона. Дополнительные данные сузили диапазон масс, куда попадает W-бозон, - вышло примерно 81 ГэВ/c² (в соответствии со знаменитым эйнштейновским соотношением между массой и энергией мы делим на скорость света в квадрате). UA2 между тем выявил еще четыре таких же подозрительных случая, чем подтвердил потрясающее открытие.

Поимка Z-бозона произошла несколькими месяцами позже, в апреле-мае 1983 г. На этот раз экспериментаторов интересовал другой сигнал: рождение электрон-позитронных пар определенной энергии. У коллектива UA1 масса нового бозона получилась примерно 95,5 ГэВ/c², а ученые из группы UA2 повторили эту цифру. Об этих триумфальных открытиях возвестили статьи в «Физике Леттерс В», от которых мировое физическое сообщество было в восторге. Проведенные эксперименты говорили сами за себя, недвусмысленно дав понять, что единая электрослабая теория не игра разума.

Сотрудник ЦЕРН Даниэль Денегри, входивший в группу UA1, вспоминает воцарившуюся тогда радостную атмосферу: «В конце 1982-го и в 1983 г. я чувствовал себя на подъеме не только как ученый, но и как человек. До сих пор не могу забыть то время упорных попыток, напряжения, предвкушения, удовлетворения и радости».

Трудно переоценить тот энтузиазм и веру в свои силы, которые принесли европейцам открытие слабых бозонов. После десятилетий господства Соединенных Штатов в области физики высоких энергий земля Эйнштейна, Бора и Кюри снова почивала на лаврах. Как заметил Денегри: «Открытие в ЦЕРНе W и Z-бозонов… означало, что физика элементарных частиц снова пристала к “старому берегу” Атлантики»⁶⁰.

Хотя американские экспериментаторы и были рады за своих заокеанских коллег и довольны, что электрослабая теория выдержала проверку на прочность, они не могли оставаться равнодушными, зная, что ЦЕРН уложил их на лопатки. Ускорительная физика, как и бейсбол, успела стать коньком США, а как бы себя чувствовали американцы, проиграв Мировую серию Швейцарии? Редактор «Нью-Йорк Таймс» в своей колонке огласил счет: «Европа - 3, США не дотянули до Z-3epo»⁶¹.

Первой головой, полетевшей после успеха европейской науки, стала «Изабелль» (ISABELLE) - сооружаемый в Брукхейвене протон-протонный коллайдер. И это несмотря на то что уже был вырыт тоннель и потрачены сотни миллионов долларов. В июле 1983 г. подразделение Консультативной группы по вопросам физики высоких энергий Министерства энергетики США решило, что планируемой энергии строящегося коллайдера (около 400 ГэВ) будет недостаточно, чтобы превзойти уровень недавних открытий.

Итак, W и Z открыты. На повестке оставались недостающие звенья Стандартной модели, как то: истинный кварк, тау-нейтрино и бозон Хиггса. Среди других целей экспериментальной физики было обнаружение новых гипотетических частиц, которые предсказываются расширенными версиями Стандартной модели, дающими более полное объединение некоторых взаимодействий.

Например, в 70-х и 80-х гг. сразу несколько теоретиков предложили так называемые теории Великого объединения (ТВО) - модели, в рамках которых КХД и электрослабое взаимодействие описываются с единых позиций. Они, по сути, построены на идее о том, что при достаточно высоких энергиях (скажем, в ранней Вселенной) все взаимодействия по интенсивности мало отличались друг от друга. По мере охлаждения вещества была достигнута точка ветвления: в первый фазовый переход разделились сильное и электрослабое взаимодействия, а на второй стадии - электрослабое распалось на слабое и электромагнетизм. Другими словами, по мере того как изменялась фундаментальная структура вакуума, первоначально идеально симметричная конфигурация постепенно искажалась.

Примерно в тот же период появились и гораздо более смелые теории объединения. Среди них - гипотеза суперсимметрии, трактующая фермионы и бозоны в рамках одной схемы. У каждого фермиона, согласно этой модели, есть бозонный двойник, так называемый суперпартнер. Аналогично у любого бозона есть фермионный собрат. В первичном вселенском бульоне частицы и их суперпартнеры выступали на равных, но стоило температуре упасть, как суперсимметрия спонтанно нарушилась: суперпартнеры обзавелись такой большой массой, что впрямую мы их до сих пор не наблюдаем. Гипотетические суперпартнеры получили забавные имена в лучших традициях физики элементарных частиц: бозонных двойников электрона и кварка окрестили соответственно «сэлектроном» и «скварком». Фермионного родственника фотона назвали «фотино», глюона - «глюино», а суперпартнеры W- и Z-бозонов удостоились и вовсе непривычных для слуха имен: «вино» и «эйно». Теоретики надеялись, что по крайней мере самые легкие суперпартнеры можно будет заметить среди осколков столкновений.

В общем, недостатка в свежих идеях не было. Поэтому хотя к концу 80-х гг. многие из главных следствий Стандартной модели были проверены на опыте, вряд ли кого-то в физике высоких энергий это заставило воздержаться от постановки новых экспериментов. Правда, чтобы вырастить плод посочнее, требовалось изрядно удобрить просторы ускорителя энергией. Суперсинхротронный коллайдер быстро вышел на свои предельные 450 ГэВ, а столь желанные россыпи топ-кварков или «хиггса», не говоря о совсем уж экзотических частицах, так и не появлялись.

Еще один церновский проект - Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭП) - поражал если не энергией, то размером.

Построив это кольцо, почти 27 км в окружности и уходящее в землю примерно на 100 м, ЦЕРН расширил свои владения далеко за пределы женевского пригорода и вплыл в зеленеющие пейзажи на границе Швейцарии и Франции. Зачем понадобился ускоритель столь больших размеров? Одна из причин - стремление понизить интенсивность излучения, идущего от вращающихся в кольце электронов и позитронов. Чем больше радиус, тем меньше потери на излучение.

Появление БЭП потребовало внести коррективы и в работу других установок ЦЕРНа. Например, ПСС стал выполнять функцию источника электронов и позитронов, которые затем посылались в кольцо БЭП. Там они циркулировали в форме двух противоположно вращающихся пучков, а потом, достигнув максимальной энергии, направлялись в точку столкновения. Зная радиус кольца, частоту вращения электронов и позитронов и другие величины, экспериментаторы могли вычислить полную энергию каждого столкновения, а значит, могли довольно точно посчитать массы родившихся частиц.

Все одиннадцать лет своей работы (1989-2000) БЭП был самым мощным лептонным коллайдером в мире. Но поскольку электрон гораздо легче протона, лептонные коллайдеры, как правило, уступают близким по величине адронным коллайдерам. Электрон-позитронный коллайдер нарастил свою энергию от 100 ГэВ (сразу после запуска) до без малого 200 ГэВ (после усовершенствований). Но этого оказалось недостаточно, чтобы найти бозон Хиггса или увести у соперников из-под носа топ-кварк. Зато W⁻ и Z-бозоны БЭП мог штамповать один за другим, благодаря чему удалось измерить их массы с ювелирной точностью.

Топ-кварку суждено было появиться на свет среди тех же кукурузных полей Иллинойса, где почти двадцать лет назад был обнаружен b-кварк. (Эту пару, напомним, также называют истинным и прелестным кварками.) Никто не думал, что второго члена третьего кваркового поколения придется ждать так долго и что он окажется настолько тяжелым. Его открытие в 1995 г. стало (пока) ярчайшим событием в плодотворной жизни «Теватрона».

Вильсон оставил место директора «Фермилаба» в 1978 г., вскоре после открытия ипсилон-частицы (первой частицы, в которой оказался b-кварк). Вложивший в «Теватрон» всю свою душу, он не мог смириться с отказом Министерства энергетики США дать требуемую сумму в объеме, необходимом, чтобы не отстать от плана и запустить установку в кратчайшие сроки⁶². Дабы продемонстрировать свою позицию, он подал заявление об отставке, которое, как ни странно, приняли. Должность директора занял Леон Ледерман, заработавший себе славу недавним открытием прелестного кварка. Именно Ледерман запустил «Теватрон» и в 80-е определял его судьбу. (В 1989 г. директором стал Джон Пиплс, потом его сменил Майкл Уитерелл, за которым, в свою очередь, пришел Пьер Оддоун. Ледермана же удостоили звания почетного директора.)

Запуск «Теватрона» приветствовали физики всей Земли, осознавая, что его непревзойденная мощь дает уникальный шанс построить более полную научную картину субатомного мира. Третьего июля 1983 г., через двенадцать часов после пролета первого пучка, «Теватрон» достиг цифры в 512 ГэВ, установив новый мировой рекорд энергии, полученной на ускорителе. К хору почитателей присоединился и Хервиг Шоппер, бывший тогда генеральным директором ЦЕРНа. Посланная от его имени по телетайпу телеграмма гласила: «Шлем, искренние поздравления с Вашим потрясающим успехом. Вам впервые удалось ускорить протоны в кольце со сверхпроводящими магнитами до ранее недостижимых энергий. “Фермилабу” принадлежит первенство в применении сверхпроводящих магнитов, открывшем новую главу в ускорительной физике. Просим Вас передать наше восхищение всем, кто так или иначе причастен к этому успеху»⁶³.

Хотя главным соперником «Фермилаба» по-прежнему оставался ЦЕРН, основная борьба разворачивалась рядом с самим «Теватроном». Пример групп UA1 и UA2, удачно продемонстрировавших учение о выживании видов, привел Ледермана к мыcли организовать два антагонистических коллектива и на базе «Теватрона». Каждая из них отвечала бы за свой детектор и обрабатывала бы собственные данные. К бесспорным плюсам такой стратегии следует отнести то, что результаты одной группы проходят независимую проверку в другой.

В первую коллаборацию, образовавшуюся вокруг детектора CDF («Детектор на коллайдере в “Фермилабе”), вошли тысячи ученых и инженеров из США, Канады, Италии, Японии и Китая, представляющие 36 университетов и других организаций. Из-за невообразимого количества людей первые несколько страниц в каждой публикуемой статье приходилось отводить просто-напросто под длинный список имен.

CDF до сих пор в строю. Этот многофункциональный детектор весом под сотню тонн окружает одну из точек пересечения пучков и кропотливо отбирает осколки в поисках интересных событий. Как и в случае с ПСС, на CDF имеет смысл обращать внимание лишь на малую долю всех столкновений. Речь идет о тех событиях, когда кварк протона напрямую взаимодействует с антикварком антипротона, рождая всевозможные частицы, вылетающие под большими углами. На остальное и время тратить нечего, ведь вам же в метро не интересны прохожие, легонько задевающие вас в толпе.

Если вдруг CDF видит нечто, летящее под большим углом, он, подобно всем сложным детекторам, устраивает ему настоящий допрос. Ионизация, игравшая в классических приборах вроде камеры Вильсона ключевую роль, не менее важна и в современных методах отслеживания заряженных частиц. Изощренный инструмент под названием SVT («Кремниевый следопыт»), в котором используется технология тонких материалов, словно «по запаху» чует малейший заряд, указывая местоположение субатомных беглецов с точностью до десятитысячных долей сантиметра. Второй прибор, СТС («Центральная камера слежения»), заключен внутри сверхпроводящего магнита, заставляющего заряженные частицы отклоняться так, чтобы можно было измерить их импульс.

Но умей частицы чувствовать, они бы ощутили себя «морскими котиками» в первый день тренировок. Все испытания еще впереди. На следующем этапе частицу ждут муки в недрах двух разновидностей калориметров (приборов для измерения энергии частицы), электромагнитном и адронном. В них частица вынуждена пробиваться сквозь препятствия (соответственно слои свинца и железные пластинки), возбуждая ливни, пока с нее не сойдет семь потов - сколько бы их ни было, от калориметра не ускользнет ни один. Особо выносливым - мюонам - удается выйти из калориметров без значительных энергетических потерь, но они тут же попадают в мюонный датчик.

Чтобы в этой суматохе не упустить крупицы ценной информации, определенный набор показаний приводит в действие своего рода спусковой механизм. Как по волшебству, мгновенно подключается вся система сбора данных и начинает записывать все, что тем или иным образом относится к подозрительному событию: положения, импульсы, энергии - подчас десятки тысяч битов информации. Если этого не сделать, редкие процессы, которых, собственно, и ждут, рискуют быть засыпанными сугробами ничем не примечательных распадов.

Последняя стадия вообще никак не связана с самой установкой и происходит в виртуальном мире компьютеров. Хитроумные программы, подобно следователям-криминалистам, восстанавливают картину произошедших событий. Каждое потенциально интересное событие проходит «аутопсию», в ходе которой особенно отмечается недостаток энергии или импульса. Так как эти физические величины должны сохраняться, их дисбаланс намекает на проделки субатомных воришек вроде нейтрино, сумевших остаться незамеченными. Таким образом, подробный анализ является единственным способом заполнить все пробелы и восстановить ход событий во время столкновения.

На противоположной стороне кольца «Теватрона», напротив детектора CDF, трудится еще одна группа профессионалов. На своем детекторе коллаборация Do также копит ценные данные. Как и в CDF, во втором приборе присутствуют калориметры, системы слежения, мюонные детекторы и пусковые системы, но упор делается больше на калориметрию, чем на прорисовку треков. Эксперименты на Do привлекли ученых со всего земного шара: от Аргентины и Бразилии до Великобритании и Соединенных Штатов.

Одним из неиссякаемых источников кадров для коллаборации Do служит Университет Стоуни-Брук в штате Нью-Йорк. Будучи тамошним студентом, как раз когда шла подготовительная стадия проекта, я собственными глазами видел, насколько тщательно проверяют и калибруют каждый узел детектора. Все с единственной целью - убедиться, что он работает так, как нужно. В процессе калибровки показания прибора сравниваются с эталоном. Например, тестируя температурный датчик, лаборант смотрит, сходятся ли его показания с показаниями жидкостного термометра. Данным с детектора, не прошедшего калибровку, самое место в мусорной корзине. (Как известно, если весы не выставить на ноль, легко можно промахнуться со своим весом.) Помнится, помогая настраивать черенковский детектор, я должен был полностью изолировать от света комнатку размером с кладовку - чтобы внутрь проходили только космические лучи. Избавляясь от паразитных фотонов, я провел в темноте немало часов и истратил не один моток изоленты. И это только одно из тысяч отладочных испытаний, проводимых тысячами исследователей в течение многих тысяч дней до того момента, когда детектор наконец запустят. Физика высоких энергий, как и разведение нежных орхидей, требует огромного терпения. Но тем отраднее потом наслаждаться распустившимися цветками.

Упорство и изматывающий труд экспериментаторов, работающих на детекторах CDF и Do, были вознаграждены сполна 2 марта 1995 г. В тот день в «Фермилабе» на внеочередном совещании обе группы представили неопровержимые доказательства существования топ-кварка. По отдельности они уже предварительно сообщали об этом, но не хотели спешить с выводами и потому решили все перепроверить. Их заключение основывалось на подсчете энергии и других физических характеристик лептонов и образованных ими каскадов в специально отобранных событиях. Имея эти данные на руках, каждая группа вычислила массу кварка, 175 ГэВ. То есть это самая тяжелая из известных частиц - весит, как атом золота. Неудивительно, что она родилась только на таком мощном коллайдере!

Но у этой научной победы был и горький привкус. Она случилась буквально через два года после того, как загубили на корню инициативу, могущую ознаменовать новый виток в развитии американской физики. Коллайдер, задумывавшийся как самый большой и самый энергичный в мире, пал жертвой всеобщей экономии бюджетных средств. Американская физика высоких энергий свернула с намеченного пути.

Однажды в Техасе. Взлет и падение Сверхпроводящего суперколлайдера

Это была трагедия, катастрофа,

«Титаник» науки пошел ко дну…

Сверхпроводящий суперколлайдер… исчез навсегда.

Герман Воук. Техасский котлован. 2004 г.

Всего в 50 км к югу от Далласа, там, где могло бы разворачиваться действие очередного вестерна, лежит изуродованный шрамом городок Ваксахачи. Около пятидесяти пустынных гектаров земли, на которой когда-то стояли 90 домов, окруженных фермерскими полями, сейчас представляют печальное зрелище. Тут и там разбросаны оспины семнадцати засыпанных и никому сегодня не нужных шахт, каждая в глубину около сотни метров. 22-километровый тоннель, недостроенное и заканчивающееся тупиком чудо инженерной мысли, пролегает под землей изогнутой ссадиной и, вероятно, постепенно наполняется водой. Но самой страшной, хоть и не заметной на первый взгляд, раной оказался, пожалуй, урон, нанесенный экономике Техаса и надеждам американского физического сообщества.

Когда задумывался Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), ни у кого и мысли не было о таком бесславном конце. По иронии судьбы новый проект вырос из праха другой злополучной установки, «Изабелль». В июле 1983 г. на том же совещании, на котором был поставлен крест на «Изабелль», члены государственной комиссии рекомендовали взяться за постройку гораздо более мощной машины. Они посоветовали прислушаться к предложению Леона Ледермана, выдвинутому за год до этого в Сноумассе, штат Колорадо, на конференции по высоким энергиям. Суть инициативы сводилась к тому, чтобы соорудить гигантскую установку на сверхпроводящих магнитах, а в качестве площадки выбрать в США какую-нибудь равнинную и малонаселенную местность. В ЦЕРНе открыли слабый бозон, «Фермилаб» установил на ускорителе новый рекорд энергии - настало время мыслить масштабно.

У ученых в физике элементарных частиц не возникает не малейшего сомнения в том, что нужны все более крупные и совершенные агрегаты. Что, в сущности, такое земля и деньги, когда речь идет о возможности разгадать глубочайшие тайны природы? Конечно, есть риск, что миллиарды долларов и годы упорного труда будут потрачены зазря, но если сидеть сложа руки, мы никогда не поймем, как устроена Вселенная. Правда, некоторые скептики отмечают, что во многих областях физики (и науки в целом) ключевые эксперименты обходятся гораздо дешевле. Причем они, как показывают примеры, не так уж редко находят применение в повседневной жизни. Скажем, изобретение транзисторов изменило весь облик электронной промышленности. Зачем тогда, спрашивается, нужны многомиллиардные проекты? Дилемма «большая наука» - доступные «настольные» эксперименты красной нитью проходила через дебаты о судьбе ССК.

Сверхпроводящий суперколлайдер, чья энергия в планах с запасом била пределы как Протонного суперсинхротрона (ПСС), так и «Теватрона» и составляла 20 ТэВ, сначала был известен под рабочим названием «Дезертрон» (Desertron, Desert - пустыня (англ.)).

Согласно историкам Лилиан Ходдисон и Адриане Колб, на то было две причины: «Под него предполагалось задействовать большие просторы, которые доступны только в пустыне, и он должен был стать первопроходцем в унылой “пустыне"’ физических процессов, описываемых теорией Великого объединения»⁶⁴.

Исследователи опасались, что запущенному недавно «Теватрону» окажется не под силу перешагнуть через пропасть между последними штрихами к Стандартной модели и еще не известными науке нетривиальными явлениями. Никто тогда не знал, да и сейчас не знает, хватит ли «Теватрону» мощностей, чтобы найти бозон Хиггса, не говоря уже о более тяжелых частицах, предсказываемых различными вариантами теории Великого объединения (ТВО) и суперсимметричными моделями. Нами бы овладела бессильная злоба, будь мы уверены, что новые изящные теории объединения, трактующие электрослабые и сильные взаимодействия в рамках единой математической схемы, никогда не удастся проверить в эксперименте. Посудите сами, разве не обидно было бы заметить жизнь на далекой планете, но не иметь возможности туда слетать? Так что длинный путь от воображения до непосредственного исследования непременно требовал передовых технологий.

Что если европейцы первыми успеют соорудить ускоритель нового поколения, а «ковбои» будут лишь стоять и хлопать глазами? Ледерман как в воду глядел, когда думал, что ЦЕРН так просто не оставит 27-километровый тоннель Большого электрон-позитронного колайдера (БЭП) и захочет там разместить сверхпроводящие магниты следующего, оглушительно мощного протонного коллайдера. Лучше поспешить со своим собственным агрегатом, засуетились американские физики, пока в Старом Свете не стали сервировать шведский стол Нобелевских премий.

В декабре 1983 г. Министерство энергетики сформировало рабочую группу по планированию исходного проекта (RDS), в которую вошли лучшие сотрудники, как директора, так и рядовые служащие, крупнейших ускорительных лабораторий США. Представители «Фермилаба», Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя, Брукхейвена и Корнелльского университета отшлифовывали предварительные детали одного из самых грандиозных проектов, которые когда-либо видела наука. Чтоб никто не был обижен, совещания собирались во всех лабораториях по очереди. Возглавлял группу ученик Вильсона, корнелльский физик Мори Тайнер.

К апрелю 1984 г. RDS представила три варианта протон-протонного коллайдера на энергию 20 ТэВ и со светимостью около 10³⁴(10 с 34 нулями) частиц в секунду на квадратный сантиметр. Это примерно в 100 000 раз больше, чем интенсивность пучков ПСС, штамповавшего W и Z-бозоны, - все равно что взять и заставить все население Топики, штат Канзас, зараз пройти в метро через один турникет. Чтобы добиться столь плотной упаковки, в каждом варианте была предусмотрена своя уникальная конструкция сверхпроводящего магнита: в первом - мощный магнит с гигантским железным сердечником и сверхпроводящей катушкой, во втором - относительно слабый магнит, но еще больше сдобренный железом (так называемый магнит типа «суперферрик», обеспечивающий высокую однородность поля). Наконец, третий вариант предполагал магнит средней силы без железа (видимо, члены комиссии устали ковать). В отчете Министерству энергетики рабочая группа сообщила, что хороши все три конструкции, и рекомендовала продолжить исследования.

На следующем этапе работы над ССК эстафету приняла Центральная группа по разработке (CDG), расположившаяся в Лаборатории им. Лоуренса в Беркли и также возглавляемая Тайнером. На изучение достоинств и недостатков различных конструкций магнитов были брошены силы самой лоуренсов-ской лаборатории, Брукхейвена, «Фермилаба» и Техасского ускорительного центра (научно-исследовательского института, основанного специалистом по коллайдерам Питером Макинтайром). Большинство склонялись к сильному магниту, с которым кольцо достигало бы 83-84 км в окружности, в то время как магнит со слабым полем потребовал бы увеличить эту цифру до 160 км. Под меньшее-то кольцо трудно было найти территорию, что тут говорить о большом.

К концу 1986 г. план ССК был отправлен в Министерство энергетики, и крупнейшим лабораториям настало время объединиться и дружно его поддержать. Проект стоимостью несколько миллиардов долларов обязательно должен был утвердить президент, чье кресло тогда занимал Рейган. За ССК, мало у кого были сомнения, придется поторговаться, особенно если учесть, что из-за многочисленных военных и научных программ госбюджет сильно исхудал. Среди дорогостоящих проектов значились, например, международная космическая станция и «Стратегическая оборонная инициатива» (ставшая известной под названием программы «Звездных войн»), в рамках которой создавалась система противоракетной обороны. Как бы и ССК отрезать от этого тающего на глазах пирога хоть один кусочек?

К счастью для тех, кто с нетерпением ждал визы Рейгана, того не страшили никакие риски, если требовалось взять очередную высоту или победить очередного противника. Как известно, задолго до начала политической карьеры он сыграл роль футболиста команды-аутсайдера в фильме «Ньют Рокни, спортсмен года» (Knute Rockney, All American). Рейгана, как и его экранного героя Джорджа Гиппа по прозвищу Гиппер, в жизни характеризовали упорство и честолюбие. А ССК представлял собой проект на переднем крае науки, который давал возможность обойти Европу. Стараясь заручиться поддержкой президента, именно на этом сторонники суперколлайдера сделали акцент.

Сотрудник Министерства энергетики попросил Ледермана подготовить для Рейгана 10-минутный видеоролик о задачах, на которые ССК сможет дать ответ. Решив сыграть на ковбойской натуре Рейгана, Ледерман сделал ставку на дух первооткрывательства. В ролике актер в роли пытливого судьи приходит в лабораторию и задает физикам вопросы об их работе. В конце он замечает, что, хоть ничего и не смыслит в таких исследованиях, ему нравится их атмосфера, которая «напоминает [ему], какими же славными, наверное, были времена покорения Дикого Запада»⁶⁵.

По-видимому, поборники ССК пустили в ход весь свой дар убеждения, потому что Рейгана их аргументы определенно впечатлили. Президентские советники ожесточенно принялись его отговаривать, опасаясь, как бы новый проект, подобно астероиду, не разнес весь бюджет в щепки. Но под напором суперколлайдера все их оборонные инициативы оказывались бессильны.

В январе 1987 г., объявляя о своей поддержке ССК, Рейган вытащил карточку и зачитал кредо писателя Джека Лондона:

Пусть лучше я буду пеплом, чем прахом,
Пусть лучше мое пламя иссякнет в ослепительной вспышке,
Чем плесень задушит его.
Пусть лучше каждый атом во мне
Сгорит в славном сиянии метеора,
Чем я буду тлеть вечно сонной планетой.

Затем Рейган припомнил игрока в американский футбол Кена Стэблера, известного своими неожиданными и приносившими победу заходами сзади. Говорят, когда знаменитого квотербэ-ка спросили, что он слышит в этих словах, он коротко ответил: «Забрасывать надо поглубже!»⁶⁶ Президент, знавший Гиппера не понаслышке, уж во всяком случае не планировал подходить к проблеме поверхностно. Он готов был сделать все, что в его силах, чтобы ССК не остался на бумаге.

В следующем году на приеме в Белом доме Рейган горячо ратовал за ССК: «Сверхпроводящий суперколлайдер проложит путь к квантовому скачку в науке и в нашей экономике»⁶⁷.

Дав проекту зеленый свет, Рейган передал его на рассмотрение Конгрессу, где развернулась уже настоящая борьба. Многие конгрессмены возражали, почему это Штаты должны тащить эту ношу в одиночку. В итоге ССК приобрел статус международного проекта с привлечением японских, тайваньских, южнокорейских ученых, а также ученых из европейских и других стран. «Ньюсуик» описывала развернувшиеся вокруг проекта торги так: «Министерство энергетики с самого начала пообещало, что другие страны тоже буду вкладывать средства в ССК. Это поручительство позволило проекту пройти, не упав, не одно скользкое бюджетное слушание»⁶⁸.

Но завоевать широкую международную поддержку было, однако, нелегко. Европу больше интересовали, конечно, успехи ЦЕРНа, нежели поддержка американских научных предприятий. Именно тогда впервые зашла речь о Большом адронном коллайдере (БАК), по сравнению с которым все остальные проекты отходили на задний план.

Редактор «Нью-Йорк Таймс» в своей колонке от 20 мая 1988 г. доказывал, что средства, выделяемые на ССК, рациональнее было бы вложить в БАК: «Эта инициатива заманчива, но небезвредна, ведь, чтобы ее оплатить, наверняка придется урезать финансирование остальных физических исследований… Речь идет о переднем крае науки, и было бы обидно, если бы США сдали свои позиции. Но Европа убедительно продемонстрировала, что уже построенное кольцо коллайдера вблизи Женевы можно усовершенствовать и достичь той области энергий, где, вероятно, обитает “хиггс”. Завладеть европейским кольцом на правах партнера обойдется дешевле»⁶⁹.

К концу 1988 г. Конгрессом уже было выделено на ССК 200 млн долларов. Конгрессмены проводили чрезвычайно осторожную политику, специально подчеркнув, что эти деньги должны пойти на разработку проекта и подбор площадки. Не за горами были очередные выборы, и вопрос о выделении денег непосредственно на строительство автоматически переходил в ведение следующей администрации президента.

Едва Конгресс дал едва заметную отмашку потихоньку начинать воплощать проект в жизнь, политические страсти вокруг ССК разгорелись еще сильнее. У многих экономически неблагополучных регионов потекли слюнки на новые рабочие места. Какой штат подберет эти 6 млрд долларов, которые, как отмечала «Таймс»⁷⁰, «на дороге не валяются»?

Следует отдать должное, конкурс на площадку, где предстояло разместиться ССК, судила комиссия, в которую вошли члены всеми уважаемых и политически беспристрастных Национальной академии наук и Национальной академии инженерных наук. Из 43 предложений, поступивших из 25 штатов (из одного Техаса пришло 7 заявок), комиссия отобрала семь. «Штат одинокой звезды» был настроен серьезней, чем кто бы то ни было. Его правительство загодя организовало Комитет Техасской национальной исследовательской лаборатории (КТНИЛ) и, подготавливая почву, выделило на проект один миллиард из собственного бюджета. Техас прямо-таки располагал мыслить масштабно! Его увесистая заявка - говорят, в ней было несколько тонн - приехала в Министерство энергетики на грузовике⁷¹. В ноябре 1988 г., сравнив достоинства финалистов, Министерство объявило лучшее место для строительства ССК - прерии округа Эллис, Техас, с известняковыми отложениями, бедной флорой и идеально гладкие, если не считать травы, кустарников, мескитовых деревьев и кактусов.

По странному совпадению объявление победителя произошло ровно через два дня после перехода вице-президента Джорджа Герберта Уокера Буша, уроженца Техаса, в новое качество. Ответственный комитет Министерства энергетики публично заявил, что выбор площадки был сделан независимо от политических игр. Буш через своего представителя также уверил, что он не имел отношения к процессу рассмотрения заявок и что узнал о его результатах вместе со всеми⁷².

Многие сторонники «Фермилаба», который, кстати, тоже участвовал в конкурсе, подвергли выбор совершенно чистой площадки в Техасе жесткой критике. «Фермилаб» уже обладал необходимой инфраструктурой, на основе которой можно было развивать проект. На новом месте все приходилось начинать с нуля: набирать штат, строить здания, завозить оборудование. А на «Теватроне», например, можно было бы, как и на ПСС в ЦЕРНе, ускорять протоны, прежде чем пустить их в основную часть коллайдера. «Если бы выбрали “Фермилаб”, сейчас бы уже имели ССК»⁷³, - говорит физик из Брукхейвена Венетиос Полихронакос, принимавший участие в разработке ССК.

Были и те, кто боялись, что «Фермилаб» настигнет «утечка мозгов», талантливейшие исследователи уйдут на работу в Техас. Ледерман испытывал по этому поводу смешанные чувства. Будучи не последним человеком как в «Фермилабе» (на посту директора), так и в проекте ССК (один из инициаторов), он готовился к тому, что его собственная лаборатория вскоре «несколько потеряет авторитет»⁷⁴. Однако Ледерман по-прежнему отводил ей роль одного из ведущих исследовательских комплексов, по крайней мере пока будет строиться ССК.

Вскоре после победы в конкурсе правительство штага Техас через КТНИЛ выделило почти 7000 га земли недалеко от Ваксахачи. В масштабах края Пекоса Билла эти гектары могли сойти за скромное пастбище. КТНИЛ также дала ход оценке экологической ситуации и запустила научно-исследовательскую программу с целью поддержки лаборатории. Ответственный комитет штата не отказывался от своей затеи до самого конца и неуклонно продолжал вести проект.

Вклад федерального правительства не поддается однозначной оценке, поскольку имел место очевидный конфликт интересов. Желания Конгресса, Министерства энергетики и самих экспериментаторов не совпадали, а подчас оказывались даже несовместимыми. Взять хотя бы группу Тайнера (CDG), на которую почти целиком легло первичное планирование проекта. Когда настало время переходить к сооружению коллайдера и организовывать лабораторию, неожиданно бразды правления захватила Ассоциация исследовательских университетов (URA) - структура, в ведении которой находился «Фермилаб» и с которой Министерству энергетики нравилось иметь дело. Тайнер в глазах вышестоящих выглядел этаким «ковбоем в духе Вильсона»⁷⁵, и они опасались, что он откажется слепо выполнять требования Конгресса и министерства. Поэтому URA остановила свой выбор на сравнительно новом человеке и назначила на пост директора лаборатории гарвардского физика Роя Швиттерса. Тайнер, немного побыв его заместителем, в феврале 1989 г. написал заявление об увольнении и вернулся в Корнелльский университет. Уходя, он также унес с собой свой ценный технический опыт, в том числе полученный за те пять лет, что он помогал проектировать ускоритель. А как бы этот опыт пригодился в строительстве ССК!

Как отмечает историк науки Майкл Рьордан, Швиттерс и URA пошли вразрез с принятой практикой: они дали право голоса частным промышленным компаниям⁷⁶. Раньше, до ССК, за развитие ускорительных лабораторий полностью отвечали ученые, которые, когда надо было, нанимали инженеров. Скажем, Вильсон спланировал «Фермилаб» почти от и до сам. Швиттерс предпочитал другой подход. Он привлекал профессионалов не только из академической, но и из промышленной среды, чтобы они все вместе трудились над решением инженерных задач, возникавших при сооружении будущей величайшей в мире научной установки. Среди последних было немало людей из оборонной и аэрокосмической индустрии, которые ни разу не имели дело с физикой высоких энергий. Окончившаяся «холодная война» и сократившиеся военные расходы вынудили многих из них сменить место работы. Из своих предыдущих компаний эти промышленные рабочие принесли в лабораторию определенный дух оборонного института. Кроме того, и профессиональные ученые ощущали это острее, чем кто бы то ни было, - бывшие военные не справлялись с научными задачами. Все эти факторы привели, согласно Рьордану, к конфликту культур, который оттолкнул опытных исследователей, но никак не привлек новых.

Несмотря на внутренние противоречия, первая администрация Буша-старшего оказывала ССК всестороннюю поддержку на федеральном уровне. Занимавшийся в прежние годы в Техасе бизнесом и политикой, Буш не понаслышке знал обстановку в этом штате. Потому он видел ССК в списке национальных научных приоритетов, и каждый год под его давлением Конгресс утверждал финансирование этого проекта. А пытаясь завоевать благосклонность американской политической элиты, сборку и настройку детекторов Министерство энергетики распределило почти по всем штатам.

Проект остался на плаву, даже когда в начале 1990 г. было объявлено об удвоении оценочной стоимости, достигшей астрономических 8 млрд долларов. Сумму пришлось увеличить, поскольку возникли инженерные проблемы - связанные с магнитами и другими нюансами, - которые заставили пересмотреть первоначальную конструкцию.

Сверхпроводящий магнит на самом деле очень тонкий прибор. Чем сильнее магнитное поле в нем, тем больше внутренние напряжения и тем больше вероятность, что катушка и остальные детали будут мелко колебаться. В этих осцилляциях выделяется тепло, способное разрушить сверхпроводящее состояние и испортить или привести магнит в негодность. Магниты ССК, дающие поле в 6,5 тесла (единица измерения индукции поля в СИ), а это более чем в полтора раза сильнее, чем у «Теватрона», подвергались значительному риску. Чтобы ограничить мелкие дрожания, в нужные точки магнита были аккуратно вставлены стальные скобы. Для настройки тех магнитов годился только метод проб и ошибок. Один из ключевых этапов проверки из двенадцати магнитов прошли только три. Инженеры не знали уже, что и придумать, чтобы получить работоспособный магнит.

Авторов проекта волновал, кроме того, размер отверстия в магните. Чем меньше проход, тем дешевле он обходится, но тем большую опасность он представляет для пролетающего сквозь него потока протонов. Стоит неточно прицелиться, и интенсивность столкновений упадет, а эксперимент сорвется. После долгих обсуждений руководство ССК сочло нужным на всякий случай расширить отверстия в магнитах.

Среди остальных поправок в то время значилось увеличение обхвата коллайдера до 86 с лишним километров и удвоение энергии впрыскиваемых протонов (именно с этой энергией ускоренные протоны поступают в основное кольцо). Все эти изменения выливались в кругленькую сумму. Хотя некоторые члены Конгресса пришли в ужас от новых цифр, общее мнение было тогда таково, что надо увеличить смету, а не закрывать проект. На стройку стали перечисляться деньги, и осенью 1990 г. лаборатория начала обретать осязаемые формы.

Планировалось, что ССК будет состоять из цепочки ускорителей, сообщающих протонам все большую и большую энергию, прежде чем они поступят в огромное кольцо коллайдера. Эта обязанность возлагалась на линейный ускоритель и каскад из трех синхротронов: на низкие, средние и высокие энергии. Тоннели под линейный ускоритель и самый маленький синхротрон предполагалось вырыть первыми.

Тут и там, как трава на равнинной глади прерий, стали вырастать приземистые здания: Конструкторская магнитная лаборатория, Испытательная магнитная лаборатория, Центр перекрестной проверки ускорительных систем… Эти здания должны были стать залогом успеха под землей. В них было все необходимое, чтобы проектировать, собирать и испытывать различные типы сверхпроводящих магнитов. Две крупные компании, «Дженерал Дайнэмикс» и «Уэстингхаус», взяли на себя задачу выпустить тысячи дипольных магнитов. В будущем протонам, оседланным этими магнитами, как дикие быки, предстояло устроить самое грандиозное подземное родео в мире.

Тем временем в Техас все прибывали люди, постепенно заполнившие более 2000 рабочих мест. Кто прельстился престижем этого своего рода «Манхэттенского проекта» физики элементарных частиц, а кто просто приехал на хорошую зарплату. Влекомые возможностью обнаружить бозон Хиггса или найти суперсимметричных двойников частиц, многие предприимчивые физики сорвались с насиженных мест на юг от манящего огнями Далласа в надежде, что на рулетке коллайдера выпадет их число. Для ученых на пике карьеры это была настоящая лотерея. Одни уехали сюда, бросив свои постоянные должности, другие целиком и полностью завязали со своей старой профессией и решились глотнуть свежего воздуха.

В соответствии с устоявшейся традицией, когда данные с коллайдера снимают две группы, каждая со своим детектором, к ССК были допущены две коллаборации. Первая, «Коллаборация соленоидального детектора» (SDC), насчитывала около тысячи исследователей со всего света из более чем сотни организаций. Во главе стоял Джордж Триллинг из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Их многоцелевой детектор весил 26 тысяч тонн, в высоту был как 8-этажный дом и стоил 500 млн долларов. Вступить в строй и начать копить данные он должен был осенью 1999 г. Не так уж невероятно, что «хиггс» он обнаружил бы еще до боя часов, возвещающих о начале нового тысячелетия.

Второй группой под названием «Гамма-кванты, электроны и мюоны» (GEM, жемчужина (англ.).) руководили Барри Бариш из Калтеха, состоявшийся экспериментатор с окладистой бородой и спускающейся на плечи серебристой шевелюрой, и Уильям Уиллис из Колумбийского университета, один из изобретателей калориметрии на жидком аргоне. Под их началом собралась целая ватага исследователей, чей детектор был нацелен на слежку за электронами, фотонами и мюонами. GEM хотели разместить на противоположной стороне от SDC, в другой точке пересечения пучков. Оба детектора должны были охотиться за научными новостями независимо, как две конкурирующие газеты, чьи редакции находятся в разных концах города.

К несчастью, ни один из них так и притронулся к ароматному блюду из частиц. По мере того как последнее десятилетие XX в. шло к своей середине, у проекта ССК появлялось все больше противников. Причем не столько из числа политиков, стремящихся сохранить бюджет в целости и сохранности, сколько из физиков, которых интересовали другие области физической науки. Далеко не все направления экспериментальной физики требуют 8-миллиардных кушей, а результаты там подчас не менее революционные.

Взять хотя бы высокотемпературную сверхпроводимость (ВТС). В 80-х гг. швейцарец Карл Мюллер и немец Йоханнес Беднорц произвели в физике настоящий фурор, открыв керамическое соединение, у которого температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением электрическому току была гораздо выше, чем у ранее известных сверхпроводников. При этом физики располагали лишь относительно недорогими материалами, а исследования свои проводили в небольшой (во всяком случае, по сравнению с ЦЕРНом или «Фермилабом») Научно-исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. В последующих экспериментах, включая эксперименты Пола Чу в Университете Хьюстона, удалось получить вещества с еще более высокими температурами сверхпроводящего перехода. Хотя по человеческим меркам эти керамические сверхпроводники трудно назвать теплыми, у многих из них сопротивление остается нулевым даже выше точки кипения жидкого азота. А погрузить какой-либо материал в жидкий азот гораздо дешевле, чем выдумывать, как бы охладить низкотемпературный сверхпроводник - других раньше и не знали - почти до абсолютного нуля. Так что находка Мюллера и Беднорца не только обошлась дешевле, чем, скажем, топ-кварк, но и дала возможность экономить средства в будущих исследованиях, не говоря уже о прикладном значении сверхпроводимости.

Поскольку открытия в области материалов соотносятся с жизнью людей явно больше, чем физика высоких энергий, многие ученые, занимающиеся этими дисциплинами, уверены, что финансирование должно идти по крайней мере в равных пропорциях. «Мы наблюдаем очевидный перекос, - считает физик Нейл Эшкрофт из Корнелльского университета. - Физика твердого тела составляет основу высоких технологий, компьютерных чипов и всех электронных устройств, на которых держится современное производство. Но когда дело доходит до крупных проектов, она оказывается на задворках»⁷⁷.

Среди критиков «большой науки» числился и один из первооткрывателей реликтового излучения Арно Пензиас, тоже считавший расходы на ССК неоправданно завышенными. «Те, кто агитирует за ССК, говорят, что он поднимет популярность науки среди населения и привлечет в эту область много молодежи, - делился Пензиас своим мнением. - Но если вдруг у нас не хватит денег, чтобы научить эту самую молодежь? Просто потому, что мы их потратили не на образование, а на вот такие агрегаты. Что тогда? Нация должна определиться со своими научными приоритетами, мы должны спросить сами себя, что нам по-настоящему необходимо»⁷⁸.

С другой стороны, кому дано предугадать, как ССК мог бы окупиться в будущем? Истории известны примеры, когда открытия, на первый взгляд не имеющие практического смысла (например, ЯМР - ядерный магнитный резонанс), в один прекрасный момент стали инструментом медицинского обследования и лечения и спасли жизнь далеко не одному человеку. Но в комплекте с ССК гадальные карты не поставлялись, а потому противники проекта видели в нем лишь большую и дорогую игрушку.

Нараставшему хору голосов, призывающих отказаться от «большой науки» в пользу проектов поменьше и подешевле, подпевали конгрессмены, осознававшие, что ССК развивается не так, как было ими задумано. Их возмущение можно было понять: Конгрессу обещали, что в ССК будут вкладывать средства в том числе иностранные участники, а этого не произошло. Такая ситуация дала некоторым повод думать, что Швиттерс и министр энергетики Джеймс Уоткинс оказались не способны справиться с этой программой. Тем не менее мало кто мог сдержать удивление, когда в июне 1992 г. Палата представителей 232 голосами против 181 приняла поправку к бюджету, по факту положившую ССК конец⁷⁹. Проект продолжал существовать только благодаря поддержке Сената. Впрочем, недолго.

Продолжая линию бывшего сенатора Уильяма Проксмайра, учредившего «Золотое руно» (своего рода антинаграду за самые бесполезные бюджетные программы), те, кто ратовал за отмену проекта, называли ССК не иначе как бессмысленной тратой времени и денег, в которой заинтересована лишь маленькая кучка «ботаников». Зачем, спрашивали конгрессмены, вкладывать миллиарды долларов в проверку теорий, когда судьба казны висит на волоске? Может, вместо частиц стоит прицелиться в материализующийся призрак дефицита федерального бюджета?

«В какой-то момент голосование против ССК стало знаком заботы о финансовом благополучии страны, - рассказывает Рафаэль Каспер, бывший тогда первым помощником руководителя проекта. Сегодня он занимает должность управляющего отделом исследовательских работ в Колумбийском университете. - А здесь как раз подвернулся дорогостоящий проект, против которого можно было проголосовать».

В январе 1993 г. Буша на посту президента США сменил Билл Клинтон. Связь с Техасом порвалась, а вместе с ней ССК лишился серьезной поддержки в правительстве. Хотя Клинтон намекнул, что не собирается бросать проект на произвол судьбы (о чем свидетельствует, в частности, его июньское письмо в Комиссию по бюджетным ассигнованиям), он предложил отодвинуть запуск Суперколлайдера на три года. Это позволило бы снизить нагрузку на государственную казну. Но отсрочка (до 2003 г.) не пошла на пользу репутации ССК, а скорее превратила его в еще более рискованное предприятие. Ведь к моменту запуска коллайдер мог морально устареть: что, если к тому времени «Теватрону» удастся обнаружить бозон Хиггса?

Из-за изменившихся сроков оценочная стоимость проекта выросла до 10 млрд долларов. После этого не оставалось сомнений, что Конгресс, считавший теперь каждый цент, проголосует за свертывание программы без права реанимации. Был лишь вопрос - когда. Смета на продолжение строительства была отклонена Палатой представителей 19 октября 1993 г. с двойным перевесом голосов. А очередные ежегодные ассигнования на ССК решено было пустить на то, чтобы законсервировать уже построенную часть научного комплекса. К тому времени в проект, который был выполнен на четверть с лишним, успели вложить 2 млрд долларов. Все впустую. Результат десяти лет проектирования и тяжелой работы был налицо, но его судьба решена: быть заколоченным в дерево и слиться с прахом. Покойся с миром!

Отказ от ССК действительно принес федеральной казне сиюминутные дивиденды. Сокращение финансирования этой и других программ позволили к концу 90-х сбалансировать бюджет. (Судьба, правда, распорядилась так, что в первое десятилетие XXI в. дефицит снова принял устрашающие размеры, сведя на нет все попытки сэкономить!) Но чем этот отказ обернется в будущем для научного престижа США? Отказаться от экспедиций на Луну, разобрать марсоходы, перестать вглядываться через телескопы в туманные водовороты древних галактик - от всего этого бюджет только выиграет. Но вот пожар людского воображения потухнет. Наука или средства к существованию? Если вопрос стоит так, это одно дело, но наше общество сегодня достаточно богато, чтобы позволить себе и то и другое. Нам еще предстоит увидеть, сумеют ли Соединенные Штаты вернуть себе пальму первенства в физике высоких энергий. Но уже сегодня, оглядываясь назад, многие признают: забросить постройку самого совершенного коллайдера в мире было величайшей ошибкой.

По словам физика из «Фермилаба» Уильяма Джона Уомерсли, «история с ССК бросила огромную тень на физику высоких энергий и на большую науку в целом. Последствия ощущаются до сих пор»⁸⁰.

У ученых, которые поставили на карту свою карьеру и переехали в Техас, жизнь после закрытия ССК складывалась по-разному. Одни решили не сдаваться, разослали резюме (кого-то сразу пригласили) и добились места в какой-нибудь лаборатории или университете. Маститым физикам в некоторым смысле повезло меньше. Далеко не все университеты готовы были их взять на высокие должности на постоянный срок, и кроме того, вместе с закрытием ССК упал спрос на преподавателей в области физики элементарных частиц. Проведенный через год опрос показал, что за это время работу нашли 72 % сотрудников Отдела физических исследований ССК, но только 55 % от этой доли получили должности, имеющие отношение к физике высоких энергий.

Были и те, кто пустил в Техасе корни и уезжать не хотел. Они либо пробовали себя на других работах, либо просто-напросто уходили на пенсию. Несколько человек остались, чтобы помочь распродать оборудование и попытаться найти этому месту другое применение.

Если учесть все то время и усилия, что были потрачены на подбор площадки, рытье тоннелей и постройку зданий, непонятно, почему до сих пор никто не превратил это место во что-нибудь стоящее. Американское правительство передало эту недвижимость в собственность штату Техас, а тот, в свою очередь, округу Эллис. Более пятнадцати лет администрация округа безуспешно пытается привлечь к этим зданиям инвесторов, особенно к бывшей Конструкторской магнитной лаборатории. Подобно одинокой старой деве мисс Хэвишем из романа Диккенса, опустевшая лаборатория, как брошенная невеста, живет прошлыми днями и напрасно ждет подходящей партии. Соглашение, по которому ее хотели преобразовать в склад фармацевтической продукции, сорвалось, а обсуждаемые в кулуарах планы организовать здесь тренировочную базу контртеррористических групп канули в Лету. В 2006 г. король перевозок Дж. Б. Хант задумал устроить здесь информационный центр, но его смерть внесла свои коррективы⁸¹. Справедливости ради отметим, что здешняя местность послужила фоном для съемок разошедшегося по видеосалонам боевика «Универсальный солдат-2»⁸². В кои-то веки Норму Десмонд[22] снова показали крупным планом.

Хотя полезно иногда порассуждать, что было бы, если бы произошло то-то и то-то, физики не могут себе позволить смаковать свою горькую долю. Некогда оглядываться на прошлое - на границе достигнутых энергий еще много необследованных участков. Обронив сожаления на техасских прериях, в конце 90-х американские физики, занимающиеся частицами, собрались с духом и устремились кто на север Иллинойса - выжимать из «Теватрона» все соки, - а кто за океан в страну кантонов - исследовать гурманское взаимодействие между плавленым сыром и порубленным кубиками мясом. В конце концов, у швейцарской Женевы есть свой шарм, секрет которого хорошо описал Ледерман. Сравнивая ее с Ваксахачи, он написал: «В Женеве… не так много ресторанов, где подают ребрышки, зато есть фондю, а ее имя запоминается и произносится гораздо легче»⁸³.

Все надежды обнаружить бозон Хиггса и получить легчайшие суперсимметричные частицы человечеству сейчас следует возлагать на Большой адронный коллайдер. Хотя его максимальная энергия будет меньше, чем у ССК, - 14 ТэВ против 20,-теоретические оценки дают оптимистический прогноз: если «хиггс» существует, БАК должен его найти. Если все пойдет как задумано, скоро у современной физики будет повод для радости.

Рожденный наносить удары. Как строился Большой адронный коллайдер

Век, в который мы живем, - это век открытия основных законов природы, и это время уже никогда не повторится.

Ричард Фейнман.

Характер физических законов ⁸⁴, 1965 г.

В отличие от захватывающих дух водных горок американской физики высоких энергий, в ЦЕРНе исследования шли плавно, как пароход по реке Роне. На каждом витке естественной эволюции ускорителей возникали все более мощные агрегаты, разгонявшие частицы до все более высоких энергий. У американской физики элементарных частиц появился сильный политический привкус, с которым судьба проектов стала зависеть от настроений власть предержащих. Что касается ЦЕРНа, благодаря независимой администрации, а также его заинтересованности во всяческой поддержке и сопровождении уже утвержденных программ он мог успешно закладывать план работы лабораторий на десятилетия вперед.

Один из секретов эффективной работы ЦЕРНа - его способность задействовать старые проекты в качестве узлов новых современных приборов. Скажем, протонный синхротрон, закончив функционировать как отдельная установка, стал инжектором частиц в составе протонного суперсинхротрона (ПСС). Тот, в свою очередь, тоже много где пригодился. Он, в частности, производил предварительный разгон частиц для более мощных машин. Из ЦЕРНа мало что прямиком отправляется на свалку, поэтому-то и обходится он сравнительно недорого.

Это умение разбирать устаревшие проекты «на запчасти» отражает общее стремление европейцев сэкономить пространство и драгоценные ресурсы. Люди в Европе живут теснее, и расточительствовать не в их привычках. Трудно себе вообразить, чтобы Старый Свет решился на постройку комплекса вроде ССК с нуля, да еще вдалеке от всех лабораторий.

Классический пример «вторичной переработки сырья» в ускорительной технике - это тоннель Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП), ставший домом для Большого адронного коллайдера. С 1983 по 1988 г. этот тоннель являлся крупнейшим объектом гражданского строительства в Европе. По сути, инженерам особо негде было развернуться: основное кольцо планировалось вклинить между женевским аэропортом и Юрскими горами. Закладывая заряды, рабочие медленно одолевали твердую горную породу. Чтобы подстроиться под местный рельеф, пришлось наклонить кольцо на полтора градуса. Как ни удивительно, но оно получилось нужного размера и почти идеально уместилось в одной плоскости (когда кольцо замкнули, его концы состыковались с точностью до сантиметра). Это поис-тине подарок судьбы, что под БАК не понадобилось рыть новый тоннель, а можно было использовать уже готовый.

Впервые о планах опустить в кольцо БЭП охлажденные сверхпроводящие магниты и превратить его тем самым в адронный коллайдер (как предлагал Руббиа с соавторами) заговорили в 80-х гг. (Адроны, в том числе протоны, гораздо тяжелее электронов, поэтому, чтобы их удерживать в том же самом кольце, требуются магниты посильнее, например сверхпроводящие.) Ходят слухи, что Руббиа засматривался на этот тоннель с того самого времени, как открылся БЭП. Впрочем, многие церновские физики надеялись, что БАК получится закончить прежде, чем на свет вылупится ССК. То и дело раздавались возгласы, призывавшие установить срок открытия БАК на два года раньше, чем у ССК, и продемонстрировать американцам свое превосходство. Закрытие американского проекта прибавило европейцам энтузиазма. БАК становился главной и единственной надеждой экспериментально обнаружить определенные типы тяжелых частиц. Эпоха миниатюрных ускорителей прошла, и на смену конкуренции мировых лабораторий, проверяющих результаты друг друга, должно было прийти международное сотрудничество с центром в Европе.

Окончательное решение начать возводить БАК было принято через год с небольшим после заморозки ССК. 16 декабря 1994 г. девятнадцать стран, входивших тогда в ЦЕРН, постановили выделить в течение 20 лет 15 млрд долларов на строительство самого мощного коллайдера на Земле. Благодаря твердому слову европейских лидеров континент, подаривший миру Галилея и Кеплера, готовился снова выйти в авангард науки.

БАК, в отличие от ССК, был избавлен от пристального внимания политики. Каждая европейская страна - член ЦЕРН облагается ежегодным взносом, который определяется ее валовым национальным продуктом. Бюджет ЦЕРНа пополняется в основном за счет более богатых стран, таких как Германия, Франция и Великобритания, и обычно размер взносов не выносится на ежегодное обсуждение. (Правда, Великобритания в последнее время проявляет некоторую осторожность в отношении будущих научных программ.) То есть руководство ЦЕРНа рассчитывает на вполне конкретные суммы и, соответственно, учитывает их в своих планах.

Кроме того, европейцы никогда не брали пример с Америки и не организовывали конкурсов на лучшую площадку под проект. Французское население Пэи-де-Жекс, региона, где пролегает большая часть тоннеля, никто не втягивал в кампании а-ля «Руки прочь от Жекса!» и не устраивал здесь политических игрищ. Наоборот, местные жители мирно уживаются с обосновавшимся надолго соседом, и ЦЕРН делит землю с фермерами, виноделами, производителями сыра и другими завсегдатаями здешнего ландшафта. Как гласит местный девиз, Жекс - это «un jardin ouvert sur le monde»[23].

Что касается швейцарской стороны границы, в Женеве всевозможные международные ассоциации давно стали привычным делом. Город, в котором родилась Лига Наций и подписывались судьбоносные договоры, изобилует штаб-квартирами мировых организаций: европейское отделение ООН, Всемирная организации здравоохранения, Международная организация труда, Международная федерация обществ Красного Креста и Красного Полумесяца и другие. ЦЕРН с его организациями-партнерами тоже встретил здесь теплый прием. В калейдоскопе языков, на которых говорят исследователи из разных стран, слышны и английский, и русский, и теория поля. Тактичные обитатели Женевы со всеми найдут общий язык - они бы и на вавилонском столпотворении не потеряли присутствия духа.

Женеву трудно чем-то удивить: она насмотрелась революционных преобразований. На фоне Реформации и Просвещения подземные сражения частиц вряд ли наберут хоть сколько-нибудь больше нуля по исторической «шкале Рихтера».

А вот если поехать на запад от Женевы, то попадешь во французскую сторону, где царят тишина и покой. Чтобы не нарушить эту идиллию, ЦЕРН стремился ступать по здешней земле очень осторожно. По разбросанным тут и там пастбищам и винным фермам у подножия укутанных в туман Юрских гор ни за что не догадаешься, что на глубине около ста метров здесь пролегло гигантское ускорительное кольцо. И только редкие указатели, по которым ориентируются водители церновских микроавтобусов, и линии электропередач, прочерчивающие золотисто-зеленый пейзаж, служат едва заметным намеком.

Кстати, об электроэнергии. Она вызвала, пожалуй, больше всего толков, так как львиная доля электропотребления в этом регионе приходится на ЦЕРН. Сначала лаборатория находилась на попечении Швейцарии, а теперь электричество сюда поставляет Франция. Когда все системы вступят в строй, ЦЕРНу будет нужно столько же электроэнергии, сколько потребляет весь кантон Женева. А поскольку в регионе преобладает электрическое отопление, зимой энергоресурсы будут в особом дефиците.

В итоге, будучи соседом, всегда готовым пойти навстречу, ЦЕРН решил подстраивать свое энергопотребление под текущую ситуацию, например, заранее планируя на самый холодный период технические перерывы. Хоть из-за них накопление данных и задерживается, зимнее выключение, к счастью для экспериментаторов, увлекающихся спортом, приходится как раз на разгар лыжного сезона в прилегающих Альпах.

Чтобы переделать тоннель БЭП под БАК, его сначала пришлось полностью опустошить. Едва электроны с позитронами сделали в 2000 г. по кольцу последний заход, как начался капитальный ремонт. Были заказаны тысячи сверхпроводящих магнитов разных сортов. Первый сорт, так называемые дипольные магниты, предназначался для того, чтобы удерживать в кольце пару протонных (или ионных) пучков. (Научная программа БАК предполагает также эксперименты с ускоренными ионами вместо протонов.) Диполи имеют свойство направлять заряженные тела перпендикулярно своему магнитному полю, что идеально подходит для управления пучком. Магниты второго типа фокусируют пучок, не давая ему «рассыпаться». Чтобы не усложнять конструкцию, их смонтировали через равные участки кольца. По его длине встречаются также вкрапления более изощренных магнитов - секступоли, октуполи и декуполи, которые позволяют выполнять тонкую подстройку пучка. Орбита, как в долгой космической одиссее, должна быть просчитана до мелочей.

Частица в ускорителе испытывает влияние магнитов, которые попеременно то подправляют ее траекторию, то возвращают ее обратно в пучок. Но надо ведь еще и проводить эксперименты, поэтому кольцо не совсем кольцо. На самом деле оно разделено на 8 секторов с автономным питанием. Каждый сектор состоит из дугообразной части и прямого отрезка. В пределах последнего и выполняется большинство операций: впрыск частиц, сужение пучка, проведение экспериментов и масса всего остального.

Ученые знали: для успешной работы необходимо создать в БАК экстремальные условия. А именно воспроизвести на Земле два аспекта суровой космической действительности. Во-первых, полет каждого из пары пучков, пронизывающих магниты, должен проходить по возможности в вакууме. Иначе протоны (или ионы), разгоняясь до сверхвысоких энергий, начнут налетать на молекулы газа, как незадачливые пешеходы. Чтобы этого избежать, установленная система насосов поддерживает в трубках давление в 10⁻¹⁰ (одну десятую триллионной доли) от атмосферного на уровне земной поверхности. Довольно душновато по сравнению с межпланетным пространством, но это тем не менее самый пустой вакуум на Земле.

Во-вторых, эти тысячи магнитов все надо охладить ниже критической температуры, чтобы они перешли и оставались в сверхпроводящем состоянии. Тогда магнитное поле в них выходит на максимум, составляющий свыше 8,3 тесла (в два раза больше, чем у «Теватрона»). Чтобы достичь таких экстремально низких температур, инженеры воспользовались сверхтекучим гелием, нагретым всего на 1,9 градуса выше абсолютного нуля. Это высококоррелированное состояние второго химического элемента даже холоднее реликтового излучения, с помощью которого Пензиас и Вильсон подтвердили теорию Большого взрыва.

На первый взгляд на охлаждение стольких магнитов до таких низких температур ушло бы не одно состояние. Производство сверхтекучего гелия, надо сказать, удовольствие не из дешевых. Однако если окружить каждый «криомагнит» (так называют магниты, охлажденные до сверхнизкой температуры) вакуумной изоляцией, внешний нагрев уже не так страшен. Пустота - превосходное термоодеяло.

Еще одно обстоятельство, с которым инженерам БАК пришлось считаться, - это влияние Луны. Здешняя местность, как ни странно, неравнодушна к лунному присутствию. Нет, в полнолуние леса вблизи Ферней-Вольтер и Мейрен не кишат оборотнями, жаждущими разорвать на куски охлажденные контейнеры в поисках замороженной плоти. По крайней мере такой информацией мы не располагаем. Все дело в гравитационном поле Луны. Притягивая океанские массы, оно вызывает приливы, но и для земной коры его воздействие не проходит бесследно. Скалистые породы, конечно, не сравнятся по текучести с водой, но их твердость тоже не бесконечна. По прихоти нашей спутницы почва в окрестностях Женевы в течение месяца ходит туда-сюда почти на 25 см. В результате длина БАК колеблется со среднемесячной амплитудой около 1 мм⁸⁵. Естественно, этот факт учитывается в любых расчетах, в которые входит длина окружности. На сам эффект обратили внимание, еще когда строили тоннель для БЭП.

Без досконального знания рельефа местности было бы невозможно правильно подсоединить к БАК детекторы. Специально под них вырыли несколько цехов. Самый просторный, в «точке 1», достался АТЛАСу, крупнейшему детектору проекта. Три остальных прибора - CMS, «Алиса» и БАК-b - разместились на других участках кольца. На проектировку каждого из них ушли годы. Как и задумывалось, в проекте БАК они дополняют друг друга - каждый нацелен на регистрацию определенной разновидности продуктов столкновения, а значит, все они специализируются на разных открытиях.

АТЛАС проектировали более десяти лет. Этот детектор явился синтезом нескольких предыдущих проектов, над которыми трудились ученые из целого ряда стран. Эти люди принесли опыт работы с коллайдерными проектами - как удавшимися, так и закрытыми - и приложили все силы, чтобы сделать новый детектор как можно лучше.

Возьмем, к примеру, систему электромагнитной калориметрии АТЛАСа, предназначенную для измерения энергии частиц. В ее основе лежит метод, который Уильям Уиллис предложил в 1972 г. для несостоявшегося коллайдера «Изабелль»: пропускать поток частиц через жидкий аргон - ионизуя его, они вызывают в нем заметный электрический сигнал. Когда «Изабелль» закрыли, Уиллис включил свой метод в заявку, в которой вместе с Баришем и другими излагал свое видение детектора GEM на ССК. Помимо Брукхейвена, непосредственного места работы Уиллиса, способ с жидким аргоном переняли и другие лаборатории, в том числе Стэнфордская и «Фермилаб». Сегодня Уиллис возглавляет американскую группу в составе проекта АТЛАС, а его оригинальный метод с жидким аргоном составляет основу системы измерения энергии в детекторе.

Если жидкий аргон - эго кровь, текущая в сердце АТЛАСа, то кремниевые пиксели и дорожки (светочувствительные пластины, как в цифровых фотоаппаратах) - это его зоркие глаза. Точка столкновения пучков взята в оцепление так называемым внутренним детектором. Его электронные глаза смотрят практически во все стороны, а частицам впору ощутить себя участниками какого-нибудь реалити-шоу. Не считая участков, где пучок влетает и вылетает, внутренний детектор со всех сторон окружен миниатюрными световыми зондами. Другими словами, он обладает высокой «герметичностью» - почти идеал физиков-экспериментаторов в этой области, стремящихся блокировать все ходы и выходы. Подобная панорамная скрытая камера позволяет очень точно воссоздать последовательность событий во время столкновения.

Чтобы пучок просматривался одинаково хорошо со всех сторон, все узлы АТЛАСа, не исключая внутренний детектор, представляют собой набор концентрических цилиндров (барабан). На входе и выходе перпендикулярно пучку стоят дисковые заглушки. Такая конструкция позволяет покрыть телесный угол почти полностью. В системе слежения внутреннего детектора есть светочувствительные пиксели и дорожки, которыми испещрены три самых глубоких слоя барабана, а также сами заглушки.

Между внутренним детектором и калориметрами разместился сверхпроводящий соленоид (катушка) с магнитным полем около 2 тесла. Криостаты (холодильные агрегаты) поддерживают его температуру на уровне ниже 5 кельвинов. Предназначение соленоида - отклонять заряженные частицы, когда они влетают во внутренний детектор. В зависимости от их импульса (массы, помноженной на скорость) меняется и угол отклонения. Таким образом, электронная система слежения вкупе с магнитом дает экспериментаторам возможность измерить импульсы осколков.

Покинув пределы внутреннего детектора, частицы попадают в электромагнитный калориметр. Врезаясь в свинцовые прослойки, частицы, участвующие в электромагнитных взаимодействиях, порождают ливни и «размазывают» свою энергию по объему жидкого аргона, после чего ее можно измерить. Тонкая электроника улавливает каждую крупинку оброненной частицей энергии, обеспечивая исследователей еще одним источником информации о событии. Узнать заряд, импульс и энергию частицы - это все равно что спросить у солдата его имя, звание и личный номер. Поскольку все эти физические величины сохраняются, данные о характеристиках пойманных частиц позволяют с большой долей вероятности вычислить ловких контрабандистов (например, нейтральные частицы).

Но электромагнитный калориметр отправляет в нокдаун лишь легковесные частицы вроде электронов, позитронов и фотонов. Более тяжелые (и не имеющие отношения к электромагнетизму) частицы проходят через него насквозь и встречают на своем пути толстую стальную пластину, переложенную сцинтилляторами, - адронный калориметр. Окружающие пластину датчики регистрируют тепло, выделяемое любым участником сильных взаимодействий. В этом приборе протоны, нейтроны, пионы и их адронные сообщники последний раз дают свидетельские показания.

Единственные заряженные частицы, которые не способен уловить ни тот ни другой калориметр, - это мюоны. За ними охотятся внешние, самые толстые слои, составляющие мюонную систему. Она во многом напоминает внутренний детектор, те же магниты и система слежения, но размах у нее гигантский по сравнению с остальными узлами АТЛАСа. На фотографиях готового прибора невозможно не заметить исполинскую заглушку мюонной системы, «колесо обозрения».

По форме огромные сверхпроводящие магниты отличаются от центрального магнита, представляющего собой соленоид. Они имеют форму сильно растянутого тора (бублика), а их длина, равная четверти длины футбольного поля, делает их самыми большими сверхпроводящими магнитами в мире. Разделяя внешний барабан на восемь частей, они придают ему вид порезанного на восемь долек фрукта. Эти магниты отклоняют мюоны сильнее благодаря уже одному только размеру. А мюоны на всем своем длинном пути находятся под неусыпным наблюдением тысяч датчиков, скрупулезно подсчитывающих импульсы частиц.

Вид на детектор АТЛАС с его восемью впечатляющими тороидальными магнuтами.

Частицы, равнодушные к электромагнитному и сильному взаимодействиям, беспрепятственно проходят через весь набор детекторов. Первые подозреваемые среди них, конечно, нейтрино, Они отвечают только на слабые и гравитационные силы, поэтому их так трудно зарегистрировать впрямую, АТЛАС и не пытается этого делать - значения их импульсов и энергий рассчитываются путем сведения баланса. Поскольку протоны до столкновения движутся вдоль пучка, их полный поперечный (направленный под прямым углом к пучку) импульс строго равен нулю. Законы сохранения диктуют нам, что полный поперечный импульс после столкновений, то есть сумма поперечных компонент импульса для всех зарегистрированных частиц, тоже обязан равняться нулю. Если это не так, то баланс можно свести только за счет поперечного импульса ускользнувших осколков. Так группа АТЛАСа может без проблем понять, сколько с собой унесли нейтрино.

На диаметрально противоположной стороне кольца БАК, прямо под французской деревушкой Сесси, расположился другой многоцелевой детектор - CMS («компактный мюонный соленоид»). Слово «компактный» в его названии указывает на тот факт, что CMS претендует на исследование тех же физических процессов, какие идут внутри АТЛАСа, но при этом меньше последнего по размерам. Правда, жилой дом все равно смотрится рядом с ним коротышкой. CMS не богат на магниты - у него всего один, зато исполинский сверхпроводящий соленоид (катушка), который выдает поле примерно в тысячу раз интенсивнее земного, 4 тесла. Магнит отклоняет пролетающие через его внутренность частицы, а установленные там калориметры и кремниевые пиксели системы слежения с высокой точностью меряют импульсы осколков. Зная импульсы, экспериментаторы могут восстановить последовательность событий и обнаружить пропажу (например, нейтрино).

Второе различие между CMS и АТЛАСом кроется в том, как именно они заставляют участников электромагнитных взаимодействий «попасть под ливень». Вместо студеного жидкого аргона электромагнитный калориметр CMS населен восьмьюдесятью тысячами кристаллами вольфрамовокислого свинца. В них возникают ливни, в которых электроны, позитроны и фотоны выделяют свою энергию. Что касается адронов, они поглощаются в плотных занавесках из латуни и стали, а мюоны оканчивают свой путь в дрейфовых камерах и железных пластинах, идущих сразу за магнитом.

У двух коллабораций много общего: большой коллектив исследователей со всего мира, великие цели, многофункциональные измерительные установки, чтобы этих целей добиться… Данные, накопленные каждой группой, будут насчитывать миллионы событий, даже с учетом того, что фильтры заранее отсеют заведомо неинтересные. Информацию в электронном виде разошлют по сотням вычислительных центров, и тысячи компьютеров, объединенных в новейшую систему под названием «Грид», займутся ее обработкой.

Детектор CMS перед установкой.

У обоих коллективов есть все, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если, конечно, его масса лежит в пределах досягаемости БАК, Когда одна из групп найдет божественную частицу, другая подхватит эстафету, чтобы подтвердить это открытие. Статью, сообщающую радостную новость, будет предварять список без преувеличения из тысяч фамилий. Нобелевскому комитету придется немало поломать голову, размышляя о вопросах приоритета, прежде чем присудить премию одному или нескольким экспериментаторам. В отличие, например, от случая с Руббиа и Ван дер Мером, удостоенным высочайшей научной награды за открытия слабых бозонов, здесь выбор будет далеко не очевиден (теоретик, чьим именем зовется частица, само собой).

Квартет детекторов, расставленный по всем точкам столкновений, замыкает пара узкоспециализированных детекторов тоже порядочных размеров: БАК-b и «Алиса». Еще два миниатюрных детектора - БАК-f (LHCf) и ТОТЕМ - размещены соответственно рядом с цехами АТЛАСа и CMS.

Цель эксперимента БАК-b - производить частицы, содержащие b-кварки, и изучать их каналы распада. Эти частицы, как правило, очень тяжелые и, скорее всего, дают весьма разнообразные продукты распада, среди которых ученые надеются увидеть намеки на явления, выходящие за рамки Стандартной модели. В частности, группа БАК-b будет искать факты в пользу нарушения так называемой СР-инвариантности[24] Этот термин означает ситуацию, когда один слабый процесс немного отличается от своего двойника, полученного следующим преобразованием: все заряды меняем на противоположные (плюсы на минусы, минусы на плюсы) и переключаем четность (смотрим на процесс в зеркале). Если заряд частицы изменить на противоположный, выйдет античастица. Ее поведение в распадах с участием слабого взаимодействия, бывает, отличается от поведения самой частицы. Та же история с четностью: как показали Ли и Янг, в слабых процессах она не сохраняется. У физиков была гипотеза, что комбинация этих преобразований даст уже сохраняющуюся величину. Однако в 1964 г. американцы Джеймс Кронин и Вэл Фитч продемонстрировали, что некоторые процессы с участием каонов нарушают эту симметрию. Мезоны, содержащие b-кварк, тоже иногда в слабых распадах нарушают CP-инвариантность. Этими процессами как раз и займется эксперимент БАК-b.

Детектор БАК-b не похож на АТЛАС и CMS, которые со всех сторон окружают свою точку столкновения. Он состоит из набора вспомогательных детекторов, расположенных в ряд вдоль направления вылета осколков. В коллаборацию БАК-b входят несколько сотен ученых из более десятка стран.

«Алиса» - это эксперимент, в котором будут изучаться столкновения ионов, а не протонов. Под него выделят один месяц в году, в течение которого по кольцу будут циркулировать ионы свинца. Столкнувшись, они, возможно, превратятся в так называемую кварк-глюонную плазму - текучую смесь из адронных ингредиентов, похожую, как полагают, на первичный бульон, заполнявший очень раннюю Вселенную. В нормальных условиях все кварки разбиваются на группы по два или по три и, удерживаемые глюонами, образуют адроны. Но в пекле БАК, где эффективная температура в сотни тысяч раз выше, чем в солнечном ядре, эти крепостные стены, уверены физики, падут, выпустив кварки и глюоны на волю. Однако эта свобода будет длиться недолго. Массивный детектор, фиксирующий результаты этих столкновений, представляет собой многослойный барабан из восемнадцати узлов, среди которых калориметры и системы слежения разных типов. В эксперименте участвуют свыше тысячи исследователей из более чем ста научных организаций.

Детектор БАК-f, самый маленький на БАК, питается остатками трапезы АТЛАСа. Он отстоит примерно на 150 м от точки столкновения АТЛАСа и, подобно вратарю, ловит частицы, родившиеся в лобовом соударении протонов. Его задача - оценивать качество различных детекторов космических лучей. Над ней работают несколько десятков ученых из шести стран.

Наконец мы добрались до ТОТЕМа. Этот длинный тонкий детектор напрямую подсоединен к трубке БАК, где бегает пучок. Ему предстоит проводить прецизионные измерения сечений протонов (их эффективных размеров). ТОТЕМ расположен на расстоянии примерно 215 м от детектора CMS и состоит из набора кремниевых дорожек, помещенных в восемь специальных вакуумных камер, в так называемые римские горшки. С помощью этой установки экспериментаторы смогут найти, как меняется угол отклонения в зависимости от прицельного параметра протонов в пучке. Коллаборация ТОТЕМ насчитывает свыше 80 исследователей из и институтов, расположенных в восьми странах.

Члены каждого научного коллектива регулярно собираются, чтобы обсудить успехи того или иного проекта. Особенно это касается крупных детекторов, где требуется отдельная калибровка многочисленных узлов и постоянный контроль их исправности.

Входящие в одну коллаборацию ученые все время уведомляют друг друга о результатах испытаний, чтобы предупредить возможные сбои.

Одна из проблем, которая наиболее актуальна для сложных детекторов, - как устранить взаимное влияние различных узлов друг на друга. Например, электронные приборы имеют свойство создавать помехи для окружающих устройств. Сверхсильное магнитное поле - тоже не самый приятный сосед, и подчас довольно агрессивный. Подтверждение тому - случай, произошедший на испытаниях АТЛАСа в ноябре 2007 г. Один из тороидальных магнитов закрепили недостаточно прочно, и он после включения тока сдвинулся на несколько сантиметров к калориметру заглушки. К счастью, все обошлось. Если поломка происходит в герметично закрытой секции, чаще всего нет иного способа ее устранить, кроме как, нарушив герметичность, попасть внутрь. Такая возможность предоставляется, как правило, во время технических перерывов на БАК - скажем, в зимний период.

«Технические люди», то есть сотрудники, ответственные за планирование и исправную работу ускорителей, проводят свои собственные совещания. Их первоочередная задача - отладить и довести до совершенства функционирование научного комплекса как целого. В частности, на одном из первых мест в их повестке стоит поддержание магнитного поля в диполях, квадруполях и других магнитах ускорителя на оптимальном уровне.

Если магнитное поле и энергию наращивать до высоких значений слишком быстро, это приводит к ужасным последствиям, а именно происходит обжиг. Другими словами, из-за внутренних колебаний отдельные детали перегреваются и разрушают сверхпроводящее состояние. В итоге магнит становится обычным проводником, и его поле падает до неприемлемо низких значений. Чтобы избежать этих никому не нужных проблем, проводят так называемую закалку: интенсивность магнитного поля сначала медленно увеличивают, потом чуть-чуть понижают, затем снова увеличивают и так далее. Процесс чем-то напоминает наши действия перед купанием в горячей ванне: сначала потихоньку пробуешь воду и ногу отдергиваешь, потом снова погружаешь - и так пока не привыкнешь к поначалу обжигающему теплу.

Как научная, так и техническая команды полностью осведомлены о пределе возможностей БАК. У каждого аппарата есть присущие ему ограничения, связанные с его конструкцией. Скажем, из-за конечной фокусирующей способности магнитов светимость пучков не превышает некоторого значения. Экспериментаторы и инженеры имеют это в виду и заранее думают о том, как прибор можно усовершенствовать. Примечательно, что пока одни члены коллаборации готовят и проводят текущие эксперименты, другие в это время набрасывают возможные схемы модернизации детекторов и ускорителей на много лет вперед. Планируемое увеличение светимости, могущее вывести БАК на качественно новый уровень, активно обсуждается уже сейчас. Современная физика элементарных частиц не может позволить себе жить только сегодняшним днем. Часть научной группы решает насущные проблемы, а часть должна думать о проблемах, которые возникнут завтра или через несколько десятилетий.

За всеми этими приготовлениями ученые стараются не потерять из виду леса. Казалось бы, пройдут года, прежде чем они воочию увидят плоды своих трудов, но для истории науки, насчитывающей тысячелетия, это ничто. Обнаружение бозона Хиггса и/или открытие суперсимметричных партнеров может определить развитие всей теоретической физики на десятилетия вперед. Еще одна область, которой открытий БАК не хватает, как воздуха, - это астрономия. Астрономы надеются, что прогресс в физике элементарных частиц поможет им раскрыть величайшую тайну небесного мира: из чего состоят темная материя и темная энергия - субстанции, на которые реагирует светящееся вещество, но которые сами тщательно скрывают свою природу и происхождение?

Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии

Думаю, я здесь выражу настрой целого поколения людей, которые ищут частицы темной материи с тех самых пор, когда были еще аспирантами. Если БАК принесет дурные вести, вряд ли кто-то из нас останется в этой области науки.

Хуан Кояр, Институт космологической физики им. Кавли, «Нью-Йорк Таймс», 11 марта 2007 г.

Один из срочных вопросов, на которые БАК, возможно, даст ответ, далек от теоретических измышлений и имеет самое что ни на есть прямое отношение к нам. Вот уже несколько десятилетий астрономия силится разгадать трудную загадку. Если подсчитать всю массу и энергию в космосе, оказывается, что львиная доля материи скрыта от наших глаз. По современным подсчетам, светящееся вещество составляет всего 4% от полного количества материи во Вселенной. В эту жалкую долю входит все, что сделано из атомов: от газообразного водорода до железных ядер планет вроде Земли. Примерно 22% приходится на темную материю, компоненту вещества, которая не излучает электромагнитных волн и дает о себе знать только посредством своего гравитационного поля. Наконец, современные данные говорят, что 74% находится в форме темной энергии, материи неизвестной природы, заставляющей Вселенную расширяться ускоренно. Одним словом, Вселенная - это несобранная мозаика. Может быть, недостающие кусочки поможет найти БАК?

Гипотезы о скрытой материи начали высказываться задолго до того, как эта проблема была признана широкой научной общественностью. Первые подозрения о том, что помимо видимого вещества Вселенную в узде держит нечто еще, появились в 1932 г. Голландский астроном Ян Оорт подсчитал, что звезды во внешних областях галактик двигаются так, будто на них действует гораздо большее тяготение, чем то, которым обладает наблюдаемая материя. Млечный Путь по сути своей похож на гигантскую карусель с лошадками. Звезды вращаются вокруг галактического центра, одни чуть ближе, а другие чуть дальше от диска Галактики. Оорт измерил их скорости и нашел, какой должна быть гравитационная сила Млечного Пути, чтобы она удерживала звезды вблизи галактической плоскости и не давала Галактике рассыпаться. Зная эту силу, Оорт оценил полную массу нашей звездной системы (эта величина сегодня известна как предел Оорта). Результат оказался неожиданным: она была в два раза больше наблюдаемой массы излучающих свет звезд.

В следующем году физик болгарского происхождения Фриц Цвикки, работавший в Калтехе, независимо исследовал, сколько нужно гравитационного «клея», чтобы удержать вместе богатое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники[25]. Расстояния между галактиками в группе большие, из-за чего Цвикки и получил для гравитационной силы большую величину. По ней можно было посчитать количество материи, необходимой, чтобы такую силу создать. Цвикки изумился, увидев, что оно в сотни раз превосходит массу видимого вещества. Похоже, эта объемистая структура стояла на замаскированных подпорках, которые одни только и могли ее удержать в устойчивом состоянии.

В 30-х гг. XX в. ученым о Вселенной мало что было известно, если не считать обнаруженного Хабблом расширения. Даже представление о других галактиках как об «островных вселенных», подобных Млечному Пути, находилось в зачаточном состоянии. Неудивительно, что при таком младенческом возрасте физической космологии на необыкновенные открытия Оорта и Цвикки почти никто не обратил внимания. Прошли годы, прежде чем астрономы осознали их значение.

Теперешним интересом к темной материи мы обязаны смелости молодой Веры Купер Рубин, которая вопреки всем предрассудкам того времени (на женщин-астрономов тогда смотрели искоса) решила заняться астрономией. Рубин родилась в Вашингтоне, округ Колумбия, и с детства засматривалась из окна своей комнаты на звезды. Любила читать книжки по астрономии, особенно биографию Марии Митчелл, получившей международное признание благодаря открытию кометы. Путь Веры Рубин к своей мечте нельзя назвать легким: астрономическое сообщество напоминало в те годы закрытый клуб с яркой табличкой на двери «Женщинам вход воспрещен».

Рубин потом вспоминала: «Когда я училась в школе, мне твердили, что мне нигде не добиться места астронома и что я должна заняться чем-нибудь другим. Но я никого не слушала. Если тебе и вправду чего-то хочется, надо брать и делать и, наверное, иметь смелость что-нибудь изменить в этой области»⁸⁶.

Получив в Вассар-колледже, где когда-то преподавала Митчелл, степень бакалавра астрономии, а в Корнелльском университете - магистра астрономии, Рубин вернулась в родной город, чтобы продолжить изучать астрономию в Университете Джорджтауна. Научным руководителем ее диссертации на степень доктора философии стал Георгий Гамов. Он хоть и не числился среди преподавателей университета, но тоже интересовался эволюцией галактик, и ему разрешили работать с Рубин. Под его началом она и защитилась в 1954 г.

В заботах о четырех детях, рожденных в браке с математиком Робертом Рубином, ей было непросто найти постоянную работу, которая позволила бы совмещать семью и науку. В конце концов, в 1965 г. Отделение земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне включило ее в состав научных сотрудников. Там Рубин вступила в творческий союз со своим коллегой Кентом Фордом. У того был построенный собственными руками телескоп, и они вместе занялись активными наблюдениями внешних областей галактик.

В первую очередь астрономы направили телескопическую трубу на ближайшую спиральную соседку Млечного Пути, галактику в созвездии Андромеды. С помощью спектрографа они стали собирать данные о доплеровском смещении в спектрах звезд, находящихся на галактической периферии. Доплеровское смещение - это увеличение (уменьшение) частоты излучения от объекта, движущегося к наблюдателю (от наблюдателя). Величина этого смещения зависит от относительной скорости тела. Эффект Доплера свойственен любому волновому процессу, в том числе свету и звуку. Например, всякий раз, когда мы слышим, как пожарная сирена, приближаясь, завывает все выше, а удаляясь, понижает тон, мы имеем дело с этим эффектом. Если говорить о свете, то с приближением источника его излучение сдвигается в фиолетовую область спектра (фиолетовое смещение), а с удалением - в красную (красное смещение). Красные смещения галактик послужили Хабблу доказательством того, что далекие галактики разлетаются от нас. Эффект Доплера в электромагнитных спектрах до сих пор является одним из незаменимых инструментов астрономии.

Сняв спектры звезд во внешних частях Андромеды и измерив величину смещения, Рубин и Форд смогли посчитать скорость звездного вещества. Они определили, насколько быстро звезды на галактической окраине движутся вокруг центра притяжения. Затем ученые из Института Карнеги построили график: по вертикали отложили орбитальные скорости, а по горизонтали - расстояние от центра. Эта зависимость, называемая кривой вращения галактики, наглядно показывала, как на карусели Андромеды кружатся самые крайние ее части.

Как установил Кеплер еще несколько столетий назад, в астрономических объектах, в которых основная часть массы сосредоточена в центре (пример - Солнечная система), чем дальше тело от середины, тем меньше его скорость. Внешние планеты движутся по своим орбитам гораздо медленнее, чем внутренние. Меркурий мелькает около Солнца со скоростью около 50 км/с, в то время как Нептун еле-еле ползет - примерно 5,5 км/с. Причина проста: солнечное притяжение быстро убывает с радиусом, а масса, которая бы могла повлиять на скорости планет, во внешних частях Солнечной системы отсутствует.

Раньше думали, что в спиральных галактиках, наподобие Млечного Пути, вещество распределено так же компактно. В наблюдениях видно: плотнее всего звезды населяют центральную часть галактик и образуют шаровидную структуру (астрономы говорят «балдж»). Спиральные рукава и ореол, окутывающий галактический диск, наоборот, выглядят разреженными и эфемерными. Но первое впечатление обманчиво.

Строя кривую вращения Андромеды, Рубин и Форд твердо были уверены, что, как в Солнечной системе, на больших расстояниях скорости будут падать. Но вместо этого график выходил на прямую линию, чем ученые были изрядно озадачены. На месте горного склона оказалось ровное плато. Плоская форма профиля скорости означала, что на самом деле масса простирается далеко за пределы наблюдаемой структуры. Нечто скрытое от наших глаз оказывает ощутимое воздействие на те области, где гравитация, по нашим представлениям, должна быть исчезающе малой.

Чтобы понять, является ли такое поведение скоростей в Андромеде исключением или правилом, Рубин и Форд совместно со своими коллегами из Института Карнеги Норбертом Тоннардом и Дэвидом Берстайном решили проверить еще 60 спиральных галактик. Хотя спиральные не единственный тип галактик - есть эллиптические, есть галактики неправильной формы, - астрономы выбрали «вихрь» за его простоту. В отличие от других типов галактик, в спиральных звезды в рукавах все вращаются в одном направлении. Поэтому их скорости легче отложить на графике, а значит, легче проанализировать.

Группа ученых выполнила наблюдения на обсерваториях Китт-Пик в Аризоне и Серро-Тололо в Чили и построила кривые вращения для всех 60 галактик. На удивление, на каждом графике был такой же плоский участок, как у Андромеды. Отсюда Рубин и ее соавторы сделали вывод, что основная часть вещества в спиральных галактиках собрана в протяженные невидимые образования, которые, если не считать гравитационного поля, никак себя не проявляют. Проблема, мучавшая Оорта и Цвикки, встала во весь рост!

Кто скрывается за маской? Может быть, темная материя состоит из обычного вещества, но его плохо видно? Может, наши телескопы всего-навсего слишком слабы, чтобы разглядеть все объекты в космосе?

Одно время на роль темной материи предлагались небесные тела, в чьем названии отразилась приписываемая им гравитационная мощь: мачо-объекты (МАСНО, акроним от англ. Massive Compact Halo Objects - «массивные компактные объекты гало»). Это массивные небесные тела в гало[26] галактик, излучающие мало света. К ним, в частности, относятся планеты-гиганты (размером с Юпитер и больше), коричневые карлики (звезды с весьма непродолжительной стадией термоядерного горения), красные карлики (слабосветящиеся звезды), нейтронные звезды (звездные ядра, пережившие катастрофическое сжатие (коллапс) и состоящие из нуклонной материи) и черные дыры. Все они состоят из барионного вещества, к которому относится вещество атомных ядер и его ближайшие родственники, например водородный газ.

Для охоты за мачо-объектами и другими тусклыми источниками гравитационного притяжения астрономы разработали искусный метод под названием гравитационное микролинзирование. Гравитационная линза - это массивное тело, которое, подобно призме, отклоняет свет. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, тяжелые тела прогибают вокруг себя пространство-время, из-за чего траектория проходящего мимо луча искривляется. В 1919 г. эффект линзирования наблюдался во время солнечного затмения: в этот момент удается рассмотреть звезды вблизи диска Солнца, которое и отклоняет их свет.

Поскольку мачо-объекты, проходящие между Землей и далекими звездами, должны искажать изображение, микролинзирование дает способ их «взвесить». Если мачо-объект вдруг окажется на луче зрения в направлении наблюдаемой звезды (например, одной из звезд близкой галактики), она благодаря гравитационной фокусировке на миг станет ярче. А когда «мачо» пройдет мимо, звезда потускнеет и примет прежний вид. По этой кривой блеска астрономы могут вычислить массу объекта.

В 90-х гг. в рамках проекта МАСНО международная группа астрономов из обсерватории на горе Стромло в Австралии составила каталог, в который вошли около 15 «подозрительных» событий. Участок за участком просматривая гало Галактики и используя в качестве звездного фона Большое Магелланово Облако (спутник Млечного Пути), ученые натолкнулись на характерные кривые блеска. По этим наблюдательным данным астрономы оценили: около 20% всей материи в галактическом гало составляют мачо-объекты с массой от 15 до 90% массы Солнца. Эти результаты свидетельствовали о том, что окраину Млечного Пути населяют тусклые и сравнительно легкие звезды, которые хоть почти и не светят, но создают силу притяжения. То есть частично прояснилось, какие небесные тела водятся на периферии Галактики, но чем объяснить оставшуюся долю скрытой массы по-прежнему было непонятно.

Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.

Неслучайно мачо-объекты наградили столь брутальным названием: тем самым их хотели противопоставить другому классу тел, предложенных для объяснения темной материи, - неуловимым «вимпам» (WIMP - слово, образованное от англ. Weakly Interacting Massive Particles - «слабовзаимодействующие массивные частицы»). В отличие от «мачо», «вимпы» - это не небесные тела, а новый тип массивных частиц, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Раз они тяжелые, «вимпы» должны обладать небольшими скоростями, что делает их превосходным гравитационным «клеем»: они не дают распасться гигантским структурам, наблюдаемым в космосе, таким как галактики и скопления галактик.

Нейтрино можно было бы не сбрасывать со счетов, будь они тяжелее и усидчивей. Ведь они, как и положено лептонам, обходят стороной сильные процессы, и, как всем нейтральным частицам, им не страшен электромагнетизм. Однако ничтожная масса и непоседливость нейтрино заставляют исключить их из рассмотрения. За их юркость нейтрино можно уподобить поверхностному политику, который то и дело совершает вылазки в разные округа, стремясь привлечь на свою сторону электорат перед выборами в городской совет. Разве захотят люди объединяться вокруг человека, который не в состоянии осесть на одном месте и завоевать твердую поддержку? Так и нейтрино, которые нигде подолгу не задерживаются и мало на что влияют, вряд ли подходят на роль объединяющего стержня.

Нейтриноподобные частицы - слишком легкие и быстрые, чтобы образовывать структуры, - получили название горячей темной материи. Хотя скрытая масса во Вселенной в какой-то степени может состоять из них, с их помощью нельзя объяснить, почему звезды во внешних областях галактик держатся за свой родной «остров» так крепко и почему сами галактики собираются в скопления. Более грузное вещество, отличающееся размеренным шагом, в том числе «мачо» и «вимпы», относятся к классу холодной темной материи. Если бы нам удалось достаточно ее наскрести, мы бы знали, из чего сделаны космические подпорки.

Но если не нейтрино, то какие нейтральные частицы неадронного происхождения обладают значительной массой и могут летать настолько медленно, чтобы оказывать влияние на звезды и галактики? Как ни прискорбно, но в Стандартной модели такие в дефиците. Помимо нейтрино, «мачо» и «вимпов» на роль темной материи претендует, и, как считают некоторые теоретики, небезосновательно, аксион. Эта массивная частица вводится в квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий), но до сих пор экспериментально не обнаружена. На данный момент поиски скрытой массы во Вселенной зашли в тупик.

Самое время попросить помощи у БАК. Возможно, в осколках столкновений на ускорителе будет крыться разгадка тайны холодной темной материи. Первыми в списке претендентов идут легчайшие суперсимметричные партнеры: нейтралино, чарджино, глюино, фотино, скварки, слептоны и некоторые другие. Если их масса (в энергетических единицах) не сильно отличается от тераэлектронвольта, их нетрудно будет заметить по характерным распадам, проявляющимся в калориметрах и системах слежения.

Но если бы темная материя была единственной вселенской загадкой, физики бы прикусили язык, скрестили пальцы и сидели бы тихонько ждали, пока БАК или какой-нибудь еще прибор выдаст подходящие результаты. Это как вывесить объявление о работе и спокойно ожидать, когда на собеседование придет квалифицированный специалист. На горизонте, однако, появился орешек покрепче, уже успевший доставить ученым хлопот. Речь идет о темной энергии. Мало того, что они не знают, что именно от них скрывается, они даже не представляют, где искать.

Впервые научное сообщество лицом к лицу столкнулось с темной энергией в 1998 г.[27] Тогда две группы астрономов - научный коллектив из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли под началом Сола Перлмуттера и наблюдатели обсерватории на горе Стромло (в их числе Адам Рисс, Роберт Киршнер и Брайан Шмидт) - огласили потрясающую новость о расширении Вселенной. Чтобы проследить, как космос расширялся в прошлом, исследователи измеряли расстояния до сверхновых в далеких галактиках. Отложив на одном графике эти расстояния в зависимости от скоростей галактик, найденных по доплеровскому смещению спектральных линий, астрономы смогли определить, как параметр Хаббла, характеризующий скорость удаления, менялся на протяжении миллиардов лет.

Использованные в наблюдениях звезды, так называемые сверхновые типа 1а, обладают замечательным свойством: в интенсивности энергии, излучаемой ими во время взрыва, прослеживаются определенные закономерности. Благодаря столь предсказуемому поведению упомянутым группам удалось посчитать расстояния до звезд, сравнивая наблюдаемую яркость с известным значением. Другими словами, астрономам досталась своего рода рулетка, с помощью которой можно «достать» до звезд, находящихся за миллиарды световых лет от нас, то есть взорвавшихся давно в прошлом.

Астрономический объект с известной абсолютной светимостью называется стандартной свечой. Когда мы едем ночью на автомобиле и смотрим на придорожные фонари, мы можем прикинуть расстояние до того или иного фонаря по тому, кажется ли он нам ярким или тусклым. Если, конечно, предположить, что все они выдают одну и ту же мощность. Приключись так, что во время ночной прогулки вам в глаза ударила яркая вспышка, вы, скорее всего, решили бы, что ее источник около вас. А про едва различимый свет невольно думаешь, что он где-то далеко. Одним словом, мы часто оцениваем расстояние по видимой яркости источника света. Так и астрономы, приняв какой-нибудь объект, например сверхновую типа 1а, за стандартную свечу, получают в свое распоряжение едва ли не единственный инструмент для измерения больших расстояний.

Научный коллектив Перлмутгера, воплощавший проект SCP («Космология со сверхновыми»), имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц. Начнем с того, что эта программа, как и исследования реликтового излучения на спутнике СОВЕ, принесшие Джорджу Смуту Нобелевскую премию, продолжает традиции лаборатории Лоуренса. Такой широкий взгляд на вещи полностью в духе руководителя «Рэд Лаба», который повсюду искал взаимосвязи и пробовал применять методы одной области науки в другой. Кроме того, один из инициаторов проекта SCP, Джерсон Голдхабер, являющийся, по всеобщему признанию, знатной фигурой в истории Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя, возглавлял группу, которая открыла частицу J/ψ. Его старший брат Морис Голдхабер работал в Кавендишской лаборатории во времена Резерфорда и Чэдвика, а потом в течение многих лет занимал пост директора Национальной лаборатории в Брукхейвене. Можно сказать, что космология и физика элементарных частиц - науки о самом большом и самом малом - давно породнились.

Когда стартовала программа SCP, ее участники надеялись, взяв сверхновые за стандартные свечи, убедиться в замедлении Вселенной. Сила тяготения, казалось бы, по самой своей природе стремится задержать разбегание любой системы массивных тел, удаляющихся друг от друга. Проще говоря, подброшенное вверх падает вниз, ну или как минимум замедляется. Космологи поэтому предвидели три возможных пути космической эволюции. В зависимости от соотношения между средней и критической плотностью Вселенной она либо довольно быстро замедляется, и расширение сменяется сжатием, либо замедляется не очень сильно, и точка останова не достигается, либо, при равенстве двух плотностей, пребывает в граничном состоянии и тоже расширяется бесконечно долго.

Все три сценария начинаются с обыкновенного Большого взрыва. Если Вселенная достаточно плотная, она постепенно тормозится, и наконец через миллиарды лет расширение сменяется сжатием. Все сущее, в итоге, перемалывается в Большой мясорубке. Если же плотность ниже критического значения, расширение Вселенной продолжается, замедляясь, бесконечно долго - космос преодолевает дистанцию через силу, как выдохшийся бегун. Хотя разлет галактик становится все более вялым, у них никогда не хватит смелости побежать навстречу друг дружке. Эту альтернативу иногда называют Большим стоном. Третья возможность: средняя плотность в точности равна критической. В этом случае Вселенная тормозится и, того и гляди, вот-вот начнет сжиматься, но этого не происходит. Она, как опытный канатоходец, с легкостью держит равновесие.

Перлмуттер и его сотрудники ожидали увидеть один из этих трех вариантов. Однако наблюдения сверхновых противоречили известным схемам. Из графиков зависимости скорости от расстояния следовало, что расширение совсем не замедляется. Более того, ускоряется. Будто что-то заставило гравитацию перепутать педаль тормоза с газом. Но ни одно из известных веществ в этих происках заподозрить было нельзя. Теоретик Майкл Тернер из Чикагского университета окрестил необычную компоненту темной энергией.

Хотя темная энергия не менее загадочна, чем темная материя, в их свойствах мало общего. Темная материя вызывает такую же силу притяжения, как обычное вещество, а вот темная энергия представляет собой своего рода «антигравитацию», заставляя тела разлетаться с ускорением. Очутись темная материя на вечеринке, она бы стала представлять гостей друг другу и вовлекать во всеобщее веселье. Темной энергии, наоборот, по душе работа в спецназе, подавляющем уличные беспорядки. В самом деле, если бы космос был слишком обильно сдобрен темной энергией, Вселенная встала бы на роковой путь, заканчивающийся Большим разрывом, - ее бы просто-напросто разнесло вдребезги.

В связи с темной энергией физики заговорили о том, чтобы вернуть в общую теорию относительности космологическую постоянную, от которой когда-то отказался Эйнштейн. Хотя слагаемое, описывающее антигравитацию (лямбда-член), разрешает проблему малой кровью, неплохо было бы его обосновать с физической точки зрения. Физики очень неохотно добавляют в стройные теории новые члены, если к этому нет каких-то фундаментальных предпосылок. Другими словами, космологической постоянной надо бы найти место в теории поля. Однако современные теории поля дают немыслимую величину вакуумной энергии. Чтобы из нее получилось реалистичное значение, ее нужно уменьшить почти до нуля (именно что почти, а не точно). Обнаруженное и экспериментально измеренное космическое ускорение задало ученым сложную головоломку.

Более того, если темная энергия остается постоянной во времени и в пространстве, ее влияние никогда не ослабевает. По мере того как гравитация со временем сдает свои позиции темной энергии, Вселенная все ближе к Большому разрыву[28]. Прежде чем смириться со столь мрачным концом, большинство теоретиков предпочитают поразмыслить и придумать что-нибудь получше.

Принстонский теоретик Пол Стейнхардт, а также Роберт Колдуэлл и Рахул Дейв предложили оригинальный способ смоделировать темную энергию. Они ввели новую разновидность материи под названием квинтэссенция. Квинтэссенция - это гипотетическое вещество, которое, вместо того чтобы заставлять тела скучиваться (как обычная материя, служащая источником силы тяготения), расталкивает их (как могучий Самсон колонны филистимлянского храма). Термин для этого вещества взят из античной философии, в которой квинтэссенция («пятая сущность») продолжала ряд четырех элементов Эмпедокла. Разница между космологической постоянной и квинтэссенцией состоит в следующем: в то время как первая стоит на месте как вкопанная, вторая подобна податливому пластилину - может меняться от места к месту и от эпохи к эпохе.

Наблюдения реликтового излучения на спутнике WMAP свидетельствуют в пользу того, что космос заполнен смесью темной энергии, темной материи и видимого вещества (именно в таком порядке). Но снимки с зонда пока, однако, молчат о том, из каких ингредиентов приготовлен двойной темный коктейль.

Физики надеются, что приоткрыть завесу тайны над природой темной энергии и темной материи поможет БАК. Будь на крупнейшем коллайдере открыта, например, квинтэссенция, это означало бы революцию в космологии и радикально изменило бы наши представления о материи, энергии и Вселенной. Посудите сами, благодаря этому открытию мы бы узнали, какое будущее ждет все сущее.

Добавлением лямбда-члена и введением необычного вещества гипотезы не ограничиваются. Как считают некоторые теоретики, настало время пересмотреть саму теорию гравитации. Может быть, гравитационные силы по-разному проявляются на разных масштабах: в пределах планетных систем ведут себя так, а на галактических просторах - по-другому? Может ли так получиться, что общую теорию относительности Эйнштейна, по нашим представлением, вроде бы верную, на самых грандиозных расстояниях придется заменить другой теорией? Как однажды сказала Рубин: «Похоже, пока мы не узнаем, что такое гравитация, мы не узнаем, что такое темная материя»⁸⁷.

В новаторских теориях гравитации предлагается радикально изменить механизм и область ее действия. Некоторые ее свойства, утверждают приверженцы этих теорий, получают естественное объяснение, если предположить, что сила тяготения проникает в скрытые дополнительные измерения, куда доступ остальным формам материи и энергии воспрещен. Тогда темный сектор Вселенной может быть тенью более высоких сфер.

Примечательно, что отдельные экзотические теории такого типа, какими бы странными они ни казались, могут быть проверены на БАК. Горячая топка высокоэнергетичных превращений способна не только вызвать к жизни невиданные частицы, но и нащупать новые измерения. Кто знает, с каких давних секретов природы беспрецедентная мощь БАК сорвет покровы…

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Если это лучший из возможных миров, то каковы же другие?

Вольтер. "Кандид, или Оптимизм". 1759 г.

Большой адронный коллайдер, могущий воздействовать на свойства материи, являет, можно сказать, философский камень наших дней. Кстати, камни из его окрестностей когда-то нашли себе место в стенах дома одного философа. Его имя - Франсуа-Мари Аруэ, известный широкой публике под фамилией Вольтер.

Шато-де-Ферней, где остроумный писатель жил с 1758 г. почти до самой своей смерти в 1778 г., находится примерно в полутора километрах от окольцованного БАК участка. В этом особняке Вольтер написал свое самое знаменитое произведение, «Кандид, или Оптимизм», жестокую сатиру на взгляды немецкого мыслителя Готфрида Лейбница. Вы спросите, что может быть общего у БАК и Лейбница (такого, каким его изобразил Вольтер)? Между ними, однако, существует глубокая связь, в которой фигурируют параллельные вселенные и альтернативные реальности.

Лейбниц, оспаривающий приоритет в изобретении дифференциального и интегрального исчисления у Ньютона, считал, что среди набора всех возможностей наш мир представляет оптимальный вариант. Эту идею Лейбниц почерпнул из развитого им вариационного исчисления, техники, позволяющей находить кратчайшие пути на искривленных поверхностях и решать связанные с этим задачи. Например, пусть требуется пересечь холм, затратив минимум усилий. Тогда вариационное исчисление укажет среди множества маршрутов один самый короткий.

Лейбниц пришел к мысли, что бог, создавая Вселенную, должен был выбрать для нее наилучшее устройство, если другие вообще возможны.

Карикатурный герой произведения Вольтера доктор Панглос, преподающий «метафизико-теолого-космолонигологию», доводит эту идею до абсурда, находя замысловатую подоплеку у всего, что происходит в «лучшем из миров».

«Вот, заметьте, носы созданы для очков, - отмечает Панглос, - потому мы и носим очки. Ноги, очевидно, назначены для того, чтобы их обувать, вот мы их и обуваем»⁸⁸.

Даже после того, как Панглос вместе со своим учеником Кандидом проходит через самые ужасные испытания, которые можно только себе вообразить, включая землетрясение в Лиссабоне и лапы инквизиции, он продолжает искать всему рациональные объяснения. Он приходит к следующему заключению: пусть в космической цепочке событий рвется одно единственное звено, и это приводит к непоправимым последствиям, но какими бы ужасными они не были, в конце концов добро восторжествует. Для Панглоса и Кандида им становится возможность разбить небольшой сад. Следя за злоключениями героев книги, нельзя не проникнуться вольтеровской иронией.

Так живем ли мы в «лучшем из возможных миров»? Эта концепция подразумевает, что существуют альтернативные реальности, возможно, даже вселенные, параллельные нашей. До недавнего времени идея параллельных вселенных относилась к области фантастики. Но сегодня на БАК планируются удивительные эксперименты, призванные проверить очередную версию идеи параллельных вселенных, так называемую гипотезу мира на бране. Согласно ей все наблюдаемое нами умещается на трехмерном острове, затерявшемся в море высших размерностей. Термином «брана» (от слова «мембрана») описываются образования вроде тех, на одном из которых может покоиться вся наблюдаемая нами Вселенная. Гипотеза гласит: единственные частицы, которым дозволяется покидать брану, - это гравитоны, переносчики гравитационного взаимодействия. Таким образом, ученые хотят заметить на БАК уход гравитонов в дополнительные размерности. Если такие измерения высшего порядка будут обнаружены, не исключено, что есть другие браны, параллельные нашей. А если к тому же они необитаемы, тогда мы и правда живем в самом благоприятном мире.

Концепция параллельных вселенных вошла в физику в абстрактной математизированной форме - через диаграммную технику Ричарда Фейнмана, позволяющую рассчитать вероятности обменных процессов с участием заряженных частиц. Всем возможностям приписываются определенные веса, которые затем суммируются. Один из способов написать явное выражение для этой «суммы историй» - применить аппарат интегралов по путям, являющийся, по сути, развитием вариационного исчисления Лейбница. В этом формализме, если даны начальное и конечное состояния квантовой системы, между ними возникает «холм» со всевозможными траекториями. Нам никогда не узнать, как именно участники взаимодействия пересекли этот холм. На самом деле они прошли по нему множеством тропинок одновременно. Все, что можно посчитать, - это куда они устремлялись наиболее охотно, какая тропинка приводила к цели кратчайшим путем.

Разрабатывая в 40-х гг. свой метод под началом своего научного руководителя Джона Уилера, Фейнман и не думал его представлять как нахождение траекторий в лабиринте параллельных вселенных. Математика сработала на ура, предсказания блестяще подтвердились - что еще надо? Однако в 1957 г. другой ученик Уилера, Хью Эверетт, взглянул на дело шире и предложил свою «многомировую интерпретацию» квантовой механики.

Согласно гипотезе Эверетта, всякий раз, когда микроскопическая частица испытывает воздействие, Вселенная не стоит спокойно, а распадается на пучок немного различающихся возможностей. Измеряя результат взаимодействия, экспериментатор тоже расщепляется на несколько версий, соответствующих альтернативным вариантам развития событий. Каждый его экземпляр получает свой результат измерения, не такой, как у других, и объясняет его появление вероятностью. Но в действительности никакой вероятности у события нет, потому что любой исход эксперимента наблюдается одной из копий экспериментатора, которая не может связаться со своими двойниками и сравнить результаты. Со временем число параллельных вселенных - и их квартирантов - достигает немыслимой величины. По сравнению с ним число атомов в наблюдаемой области космоса выглядит жалкой горсткой.

Несмотря на этот фантастический вывод, в 70-х гг. маститый теоретик Брайс Девитт воспринял эвереттовские построения всерьез. Ему мы, кстати, обязаны названием концепции. Девитт неустанно ее пропагандировал, доказывая, что это единственный разумный способ внести в квантовую механику объективное зерно и изгнать из акта измерения субъективность. В самом деле, кому удастся выйти за пределы Вселенной, снять показания и заставить ее волновую функцию сколлапсировать в один из многочисленных вариантов? Как бы безумно ни смотрелась многомировая интерпретация, разве не безумнее предполагать, будто людям с их органами чувств под силу влиять на Вселенную, вопрошал Девитт? Хотя к тому времени Эверетт уже ушел из теоретической физики (а в 1982 г. в возрасте 51 года и из жизни), Девитт стал достойным продолжателем его идеи о том, что мы живем в разрастающейся паутине параллельных вселенных.

Вместе с Уилером Девитт досконально проработал вопрос о применении квантовых принципов к гравитации. Первый стремился переформулировать эйнштейновскую теорию относительности на языке метода суммирования по историям. В квантовой механике состояния отличаются друг от друга положением, импульсом, спином и т. д. Словно из отдельных нот складывается музыкальная композиция. А как выглядит фортепианная клавиатура общей теории относительности? Наконец, Уилер сообразил, что его симфонию окрасят тембры всевозможных трехмерных геометрий. Вдохновленный этой догадкой, он принялся уговаривать Девитта помочь ему с математической реализацией. Девитт позже вспоминал: «Уилер приставал с этим ко всем. Однажды, по-моему, в 1964 г., он мне позвонил и сказал, что у него пересадка в аэропорту Рэлея-Дурхэма - я тогда был в Северной Каролине - и у него будет пара свободных часов. Не смог бы я туда приехать и поговорить о физике? Он ко всем, я знал, пристает с вопросом: “Какова в квантовой гравитации область определения?” И, по-видимому, он наконец догадался, что это пространство трехмерных геометрий. Меня тогда занимали другие задачи, но эта. в общем, тоже заслуживала внимания… Я прямо там, в аэропорту, записал это уравнение на каком-то клочке бумаги. Уилер пришел от него в восторг»⁸⁹.

Так появилось уравнение Уилера-Девитта, позволяющее приписать веса трехмерным геометриям и, просуммировав их, определить самый вероятный вариант эволюции Вселенной. Теоретически, оно должно было помочь физикам понять, как знакомая нам реальность выкристаллизовалась из неразберихи случайностей. На практике, однако, в интересных случаях оно принимало весьма громоздкий вид.

В 1973 г. Коллинз и Хокинг рассмотрели этот вопрос на классическом уровне в своей знаковой работе «Почему Вселенная изотропна?». Перебирая многочисленные решения уравнений Эйнштейна - как изотропные, так и анизотропные космологии, они пытались понять, какие из них содержат сегодняшнюю Вселенную. Является ли космология изотропной или анизотропной, зависит от эквивалентности или неэквивалентности различных направлений. В первом случае Вселенная расширяется одинаково по всем направлениям, словно круглый шарик, когда его надувают. А если посмотреть в разные стороны в анизотропной Вселенной, то скорости увеличения расстояний в космосе будут тоже отличаться. Когда надуваешь воздушный шарик в форме сосиски, он становится все длиннее и длиннее, хотя поперечный размер почти не меняется.

Как известно из астрономических наблюдений, современная Вселенная в больших масштабах близка к изотропному варианту. Мы видим, что пространство расширяется во всех направлениях примерно одинаково. Реликтовое излучение, которое представляет собой моментальный снимок «эпохи рекомбинации», наступившей через 300 000 лет после Большого взрыва, тоже отличается высокой изотропией. (Как мы уже упоминали, спутники СОВЕ и WMAP все-таки зарегистрировали крошечные отклонения от изотропии.) Коллинз и Хокинг задались вопросом, должна ли была ранняя Вселенная, чей возраст насчитывал доли секунды, тоже быть изотропной. Почему она не может быть похожа на дикий морской берег, хаотично испещренный песчаными барханами?

Чтобы понять, как в поначалу хаотическом мире мог бы установиться порядок, двое ученых ввели в рассмотрение Многомир[29] - своего рода Вселенную вселенных, заключающую в себе весь набор геометрических альтернатив. Какие подвиды в этом космическом зоопарке, спрашивали теоретики, легче всего поддались укрощению и превратились в хорошо знакомое нам изотропное пространство, которое мы сегодня наблюдаем? Из вычислений следовал удивительный результат: лишь бесконечно малая доля первичного множества готова была совершить такой эволюционный скачок. Космос с современными его свойствами могли дать только вселенные, которые уже тогда имели высокую степень изотропии. Любое отклонение от идеальной формы, имевшее место в самом начале, за время жизни Вселенной разрослось бы до чудовищных размеров. Но как тогда в эту картину вписать сегодняшний день, который, как оказывается, является скорее исключением, чем правилом?

Вместо того чтобы искать объяснение этому парадоксу, основанное исключительно на физических законах, Коллинз и Хокинг решили обратиться к принципу, который австралийский физик Брэндон Картер окрестил антропным. Он гласит: устройство Вселенной определяется фактом существования человечества. Если бы Вселенная была устроена в известной степени по-другому - не образовалось бы Солнце, не было бы планет вроде Земли, не появилось бы некое подобие человечества и, значит, некому было бы испытывать действительность на собственном опыте. Следовательно, одно то, что мы, разумные существа, живем в этом мире, означает: Вселенная обязана была родиться такой, какая она есть, чтобы дать шанс таким любознательным наблюдателям, как мы. Давайте посмотрим, как Коллинз и Хокинг с помощью антропного аргумента объяснили, почему Вселенная изотропна. «Допустим, есть бесконечное множество вселенных со всевозможными, непохожими друг на друга начальными условиями. Схлопывания обратно в точку избегают только те вселенные, которые расширяются достаточно быстро, и именно в них появятся галактики, а значит, разумная жизнь. [Они], как правило, будут стремиться стать изотропными. В этой концепции тот факт, что мы наблюдаем изотропную Вселенную, неразрывно связан с самим нашим существованием»⁹⁰.

Дабы проиллюстрировать антропный принцип, представим себе, что мы собираем по всему свету газетные вырезки, где опубликованы результаты лотерей. Как нетрудно догадаться, большое количество везунчиков в данном случае - следствие того, что газеты пишут в основном о выигрышах. Хотя лотерейные билеты покупают миллионы людей, в новостные заголовки попадают лишь те, кто сорвал джекпот. Если бы мы узнавали про лотерейные истории исключительно из газет, нас бы, наверное, мучил вопрос, почему в лотерею так легко выиграть. Ведь, казалось бы, это не только невыгодно для организаторов таких мероприятий, но и грубо нарушает все законы теории вероятности. Однако объяснение лежит на поверхности: принцип отбора самых сенсационных историй отсеивает всех участков лотереи, кроме небольшой горстки тех, которым улыбнулась фортуна. Аналогично принцип отбора сознательных наблюдателей отсеивает все вселенные, кроме небольшой горстки тех, в которых зарождается разумная жизнь.

Благодаря работам почтенных ученых, таких как Девитт, Коллинз и Хокинг, в которых повествуется об огромном или даже бесконечном архиве вселенных, фантастическая концепция альтернативной реальности в последние десятилетия XX в. обрела ощутимые научные очертания. Теоретики стали смелее упоминать параллельные миры, недоступные оку телескопа. Теперь, если какой-то физический параметр не получал своего объяснения в наблюдениях реальной Вселенной, физики зачастую прибегали к эффектам, следующим из гипотезы о Многомире, по большей части скрытом от наших взоров.

В 1980 г. американский физик Алан Гут предложил космическую инфляцию, парадигму, способную разрешить ряд проблем современной космологии, в том числе ответить на вопрос, почему Вселенная такая однородная. Вместо антропного принципа он предположил, что очень ранняя Вселенная испытала стадию сверхбыстрого расширения. В ее ходе все шероховатости растянулись настолько, что стали ненаблюдаемыми: расправляя покрывало на кровати, мы тоже добиваемся, чтобы все складки исчезли. Теория ГУга, однако, хоть и выглядела многообещающей, столкнулась с массой трудностей. В частности, она предсказывала существование переходных зон, разделяющих области Вселенной с разными физическими условиями. Астрономии такие стенки известны не были, поэтому теория требовала правки.

Три года спустя советский космолог Андрей Линде связал инфляцию с концепцией Многомира в рамках единой модели так называемой хаотической инфляции. По версии Линде, Многомир представляет собой инкубатор, в котором обретаются зародыши бесчисленных дочерних вселенных. Эти зародыши бросает скалярное поле (наподобие поля Хиггса, но с большей амплитудой), которое случайно меняется от точки к точке и в каждой области пространства устанавливает свое значение вакуумной энергии. Подчиняясь общей теории относительности, ставящей геометрию в зависимость от массы и энергии, участки с самым плотным вакуумом начинают разрастаться быстрее всех. Ни для кого не секрет, что изобилие рабочих мест приводит к стремительному росту местного населения. Так же как закатанные в асфальт пригороды вытесняют хиреющие деревни, самые быстро расширяющиеся части Вселенной - инфляционные области - вмиг залавливают все остальное. Вывод Линде состоит в том, что мы живем в одном из таких распухших мегаполисов, а другие области загнаны «под ковер», откуда их никакими приборами не достать.

Решение проблемы однородности наблюдаемой Вселенной, предложенное инфляцией, многим пришлось по душе. Ей не нужно человечество, чтобы объяснить, как бурлящий хаос первозданной Вселенной приобрел консистенцию манной каши. В этом одно из основных преимуществ инфляции перед антропным принципом. Однако, вытолкав, в прямом смысле, сестер нашей Вселенной за пределы зрения приборов, инфляция почти лишила нас возможности ее проверить. К счастью, она предсказывает, что материя и энергия после стадии стремительного расширения должны быть распределены во Вселенной определенным образом. Этот характерный рисунок проявляется в карте реликтового излучения, построенной WMAP и другими спутниками. В последнее время астрофизики пришли, в общем-то, к единому мнению. Да, в общих чертах космическая инфляция дает более-менее правдоподобное описание ранних стадий развития Вселенной. Но в какой форме она протекала и чем была вызвана, предстоит еще выяснить.

Недавно выведенная разновидность теории параллельных вселенных, гипотеза мира на бране, имеет дело не с закрытыми комнатами нашего собственного пространства, а с измерениями, дополняющими привычную для нас тройку. Согласно этой глубокой идее, обычное пространство представляет собой трехмерную мембрану (коротко, просто «брану»), плавающую в полноразмерном мире, так называемом контейнере. Гипотеза состоит в том, что контейнер не впускает в себя никакие частицы, кроме гравитонов. А раз переносчики электрослабого и сильного взаимодействий не могут пуститься в свободное плавание, существование контейнера сказывается только на гравитационных процессах. Следовательно, если фотон не способен выйти в контейнер, мы последний и не увидим. А силы тяготения контейнер подтачивает: гравитоны уходят с браны и распыляются в нем. Это объясняет, почему гравитация гораздо слабее всех остальных сил.

Концепция браны является логическим продолжением теории струн. Только вместо струны, напоминающей извивающийся жгут для банги-джампинга, в ней фигурируют пульсирующие тела двух, трех и более измерений, наподобие гибких трамплинов или дрожащих капель дождя. Эти объекты могут иметь самые разные размеры: от крошечных (тогда мы будем их воспринимать как элементарные частицы) до настолько огромных, что в них поместится все наблюдаемое нами пространство. Отсюда недалеко до идеи о том, что все, кроме гравитонов, живет на бране.

Браны в качестве модели элементарных частиц обсуждаются уже не одно десятилетие. Еще в 60-х гг. Дирак высказал мысль, что частицы могут быть не точечными, а протяженными объектами. Однако он не стал развивать эту идею, и она прошла как-то мимо физического сообщества. В 1986 г. техасские ученые Джеймс Хьюз, Цзюнь Лю и Джозеф Полчински впервые построили суперсимметричную теорию мембран, в которой показывалось, как с помощью этих объектов можно моделировать различные типы частиц. Год спустя Пол Таунсхенд из Кембриджского университета ввел в теоретическую физику термин «р-брана». Им он обозначил образования высших размерностей, населяющие 11-мерный мир, - своего рода капли воды замысловатой формы, плавающие в обширной и неспокойной атмосфере. (Буква «р» говорит, сколько измерений у самой мембраны).

Примерно в то же время Таунсхенд, его коллега Майкл Дафф и другие теоретики обнаружили глубокие связи между струнами и мембранами, получившие названия дуальностей. Дуальность - это, грубо говоря, математическое тождество двух случаев, когда в уравнениях пару значений некоторой переменной меняют местами. Например, при прочих равных физических условиях вместо микроскопически малого радиуса подставляют большой. Это как в карточных играх: если какая-то масть объявлена козырной, то вытащенная из колоды «маленькая» карта приобретает значительный вес и дает игроку шанс, побив даже тузы других мастей, выйти победителем. Аналогично в мембранной теории: подстановка вместо больших значений маленьких помогает доказать определенные тождества.

На мембранную теорию физическое сообщество почти не обращало внимания вплоть до середины 90-х гг. прошлого века. Но потом группа теоретиков обнаружила набор дуальностей, с помощью которого удавалось свести воедино все пять разновидностей теории струн. Когда в начале 80-х струнная теория начала серьезно претендовать на звание теории всего сущего, оказалось, что ее формулировка - при соблюдении всех разумных требований - допускает разночтения: по научной терминологии это типы I, IIa, IIb, а также гетеротические теории струн О и Е-типа. Физики только недоуменно разводили руками, ведь теория всего сущего должна быть одна. Как выбрать из этих версий ту самую?

Это как если бы несколько свидетелей преступления давали противоречивые показания. Один бы сказал: «Преступник был одет в длинный серый плащ», а второй убеждал бы следователя: «Нет, на нем была синяя куртка». И только потом криминалист догадался бы, что всему виной игра света и тени, которая и изменила внешность злодея. Из-за тени, отбрасываемой навесом под определенным углом, куртка визуально потемнела и удлинилась. Так и дуальности, подаренные нам мембранной теорией, помогли понять, что, меняя точку зрения, все пять вариантов теории струн можно сводить один к другому.

В 1995 г. на конференции, проходившей на юге Калифорнии, ведущий специалист по теории струн Эд Виттен торжественно заявил об открытии «дуальности дуальностей», позволяющей описать весь струнный ассортимент в рамках единой схемы, которую он назвал М-теорией. Расшифровывать этот термин Виттен отказался и вопрос о его значении оставил открытым. Например, буква «М», считал он, может означать «магическая», «матричная» или «мистическая». Остальным тут же в голову пришли «мембраны» и «мать всех теорий». На волне эйфории, вызванной этим заявлением, и чувствуя, что теория струн вот-вот приобретет законченную форму, теоретики окрестили столь эпохальное событие второй струнной революцией. (Первая случилась в 80-х, когда стало ясно, что в теории струн отсутствуют математические аномалии).

Один из свободных параметров объединенной теории струн - это размер так называемых больших дополнительных измерений (размерностей). В этой иерархии различают несколько типов измерений. Во-первых, это три пространственных измерения - длина, ширина и высота, которые вместе с временной координатой образуют четырехмерное пространство-время. Во-вторых, есть маленькие «компактифицированные» измерения (впервые о них заговорил шведский физик Оскар Кляйн), свернутые в крепкие узелки, настолько крошечные, что наши приборы их не в состоянии заметить. Как показали Виттен и другие, эти размерности могут образовывать 6-мерные конфигурации, названные по имени математиков Эудженио Калаби и Шин-Тун Яу пространствами Калаби-Яу. Наконец, имеется одиннадцатое измерение, размер которого предстоит определить. Дело в том, что благодаря дуальностям оно может разбухать, как заведенное на хороших дрожжах тесто. Именно на эту большую «лишнюю» координату мы, возможно, наткнемся в эксперименте.

Как же представить себе дополнительное измерение, отходящее под прямым углом к обычному миру? Наверное, это сродни попыткам рассказать о полете на воздушном шаре людям, которые никогда не отрывались от земли. До изобретения аэростата никто не видел землю с высоты птичьего полета. Но с приходом заполняемых горячим газом шаров, а потом и самолетов с космическими ракетами мы гораздо больше узнали о третьем измерении - высоте. Если одиннадцатое измерение существует и оно не свернуто, то что нам мешает в него выйти? Как уверены некоторые теоретики, причина тому - «клейкость» струн, из которых состоят вещество и излучение.

Одно из ключевых положений М-теории основано на понятии браны Дирихле, или просто D-браны. Эту идею в соавторстве с Цзинь Даем и Робертом Леем развивал теоретик Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предложивший рассматривать протяженные объекты, к которым могли бы крепиться открытые струны. Открытые струны - это струны, у которых концы не смыкаются, а висят свободно, как у спагетти. Их антипод - замкнутые струны, представляющие собой петли наподобие колец лука. Полчински с соавторами показал, что открытым струнам свойственно цепляться за D-браны, словно их концы смазаны клеем. Замкнутые струны лишены такой возможности.

В теории струн кварки, лептоны, фотоны и большинство других частиц являются состояниями открытых струн. В качестве исключения можно назвать гравитоны, представленные замкнутыми струнами. Таким образом, все частицы, не считая гравитонов, беспрепятственно прилипают к D-бранам. Гравитонам, в свою очередь, ничто не мешает оставить насиженное место на одной D-бране и устремиться перелетными птицами к другой.

Благодаря отличию струнной сущности гравитонов от остальных частиц в М-теории удалось смоделировать относительную слабость гравитационного взаимодействия и тем самым решить упомянутую выше проблему иерархии. В 1998 г. физики из Стэнфордского университета Нима Аркани-Хамед, Савас Димопулос и Джиа Двали, которых для этой работы свел вместе Игнациус Антониадас, обрисовали схему, включающую две D-браны, разделенные большим - около 1 мм - дополнительным измерением. Вторая D-брана в модели АДД (по инициалам авторов) играет роль параллельной вселенной или некой области нашей Вселенной. Она расположена прямо у нас перед носом, но совершенно невидима. Поскольку все поля Стандартной модели привязаны к нашей собственной бране, фотоны не в состоянии перепрыгнуть через пропасть и осветить параллельную брану. Из сильного и слабого взаимодействий тоже шпионов не выйдет - они и представления не имеют о спрятанном под боком мире. Единственный шанс на него наткнуться дают невидимые гравитационные нити.

Так как они, связывая наш мир с параллельным, проходят через ограниченный двумя бранами контейнер, тяготение истощается и становится гораздо слабее других взаимодействий. Представьте себе четыре бойлера, подключенные к системе отопления 10-этажного здания. Пусть первые три снабжают находящуюся за стенкой сауну с джакузи и бассейном, а четвертый тащит на себе все остальные этажи. Посетители сауны наверняка не будут испытывать недостатка в тепле, а вот жителям верхнего этажа, велика вероятность, придется запастись пуховыми одеялами, дабы не замерзнуть. По мощности бойлеры могут и не отличаться, но истощенный нагрузкой четвертый котел будет неспособен полноценно выполнять свои функции. Похожим образом ослабевает и гравитация, хотя изначально, в общем-то, ничем не уступает остальным силам, а все из-за утечки гравитонов, которые просачиваются с нашей браны в контейнер.

По сравнению с МССМ (Минимальной суперсимметричной стандартной моделью) у схемы с большими дополнительными измерениями есть важное преимущество: она предсказывает не несколько, а одну энергию объединения. Согласно этому подходу все взаимодействия сольются воедино при энергии порядка ТэВа, которая, по счастливому совпадению, как раз под силу БАК. Гравитация будет казаться слабее просто потому, что она совершает тайные вылазки в потусторонний мир. В таком случае, получается, нам не придется гнаться за невообразимыми планковскими энергиями - что такое ТэВ по сравнению с ними! - чтобы наблюдать объединение всех взаимодействий. Если это так, то мы сэкономим немало денег.

Кроме того, большие «лишние» измерения стали лакомым кусочком и для тех, кто силится разгадать тайну темной материи. В одном из вариантов модели АДД - так называемой модели складчатой Вселенной - ее авторы вместе с Неманей Калопером из Стэнфорда исследовали, что произойдет, если нашу брану, как меха аккордеона, многократно сложить. Тогда путь к далеким звездам, находящимся за миллиарды световых лет от нас, если идти по бране, можно срезать через одиннадцатое измерение. Это напоминает поездку по горному серпантину: хотя путь к вершине вдоль склона сравнительно короткий (и доступен для скалолазов), по дороге приходится проехать гораздо большее расстояние.

Поскольку гравитоны знают короткую дорогу через контейнер, две, как нам кажется, далекие звезды могут испытывать гравитационное притяжение друг друга. Оно будет ощущаться, но его нельзя будет увидеть, а значит, эта модель предоставляет одно из возможных объяснений темной материи. Попросту говоря, темная материя такого типа на самом деле никакая не темная, а обычное светящееся вещество, чья сила тяготения проникает через толщу контейнера.

Одна из привлекательных черт модели АДЦ - предсказание физических эффектов, которые в принципе доступны сегодняшнему эксперименту. В частности, на расстояниях меньше 1 мм должны наблюдаться отклонения от установленного закона тяготения. Здесь новая теория, по сути, идет вразрез как с Ньютоном, так и с Эйнштейном и гласит, что на маленьких масштабах в закон обратных квадратов необходимо ввести корректирующий множитель. Причем для астрономических расстояний (порядка или больше радиуса лунной орбиты) этот множитель становится несущественным, что объясняет, почему мы его до сих пор не заметили. Впрочем, на данный момент никаких отклонений уловить не удалось и на маленьких масштабах, и модель АДЦ является пока не более чем гипотезой. При всем том, что были проведены многочисленные эксперименты и задействована чувствительнейшая аппаратура. Например, группа экспериментаторов из Университета Вашингтона под началом Эрика Эйделбергера, проведя тонкие опыты с высокоточными крутильными весами, подтвердила закон обратных квадратов до расстояний гораздо меньше 1 мм. Этот результат заставляет усомниться в предложенной теоретической схеме, по крайней мере в простейшей ее форме.

В 1999 г. Лайза Рэндалл и Раман Сундрум построили модель мира на бране, которая не требует таких жертв от закона всемирного тяготения. В ней, как и в теории АДД, постулируется наличие пары трехмерных бран: на одной живет наша Вселенная со всем багажом Стандартной модели, а другая находится «вне зоны доступа», куда никто, кроме гравитонов, выбираться не рискует. Однако пространству между бранами теперь необязательно приобретать ощутимые размеры. Наоборот, параллельные браны могут подходить друг к другу вплотную, да так, что мы никакими приборами не обнаружим близкое соседство.

То есть Рэндалл и Сундрум придумали, как ослабить гравитацию, не привлекая большие дополнительные размерности. В их изящном способе за счет искривления пространства контейнера волновая функция гравитонов начинает концентрироваться вдали от нашей браны. Величина этого искривления напрямую зависит от расстояния от нашей браны в «лишнем» измерении. Как на море - чем дальше от берега, тем глубже. В итоге, гравитоны с большей вероятностью появляются вблизи «чужой» браны и лишь иногда заглядывают в нашу. Следовательно, они редко встречаются с частицами из нашего мира, и гравитация оказывается слабее всех остальных взаимодействий.

Разницу в подходах АДД и Рэндалл-Сундрума проиллюстрируем на примере планирования парковки, задача которой - освободить обочины главной городской магистрали от бесчисленных авто. Первый вариант (соответствующий модели АДД) - разбить в стороне просторную стоянку на одном уровне с магистралью. Однако место в мегаполисах на вес золота, поэтому проектировщики, возможно, захотят вырыть глубокий подземный гараж, в который машины будут попадать по специальным съездам. Цель достигнута - на обочинах автомобилей нет, но в отличие от первого случая городской пейзаж почти не пострадал. Этот второй вариант как раз в духе гипотезы Рэндалл-Сундрума.

Доведем аналогию до конца. Главная магистраль у нас будет играть трехмерного пространства, в котором мы живем, количество припаркованных на ней автомобилей будет являться мерой гравитационного взаимодействия, а съемки со спутника станут показаниями наших приборов. Когда нет нормальных стоянок и главная магистраль загромождена машинами, мы имеем дело с трехмерным пространством, в котором силы тяготения гораздо интенсивнее, чем наблюдается в природе. Ситуация с наружной парковкой соответствует слабой гравитации и большому дополнительному измерению, которое бы ученые легко углядели. Наконец, случай подземной парковки дает нам представление, как гравитацию ослабить, а дополнительное измерение спрятать от любопытных взоров экспериментаторов. Если кто-то попытается оценить дорожную обстановку со спутника, он примет эту местность за тихий городок, где машины большая редкость. Так и взгляд физиков, наблюдающих Вселенную, упирается в маску - из слабой гравитации и всего лишь трех измерений.

Если контейнер действительно, как пылесос, всасывает в себя гравитоны, то можно ли как-то засечь эту утечку с помощью БАК? Один из способов, который, кстати, уже пробовали применить на «Теватроне», - поиск таких событий, когда осколки столкновений выбирают какое-то выделенное направление. Эта асимметрия говорит о том, что некоторую долю энергии и импульса уносит непойманная частица (или частицы). Ею может оказаться гравитон, но сначала надо научиться исключать другие, гораздо более вероятные исходы, например вылет нейтрино. К сожалению, сегодня даже герметичные детекторы вроде АТЛАСа не способны задержать нейтрино. Его вообще почти ничто в природе не в силах остановить. О присутствии нейтрино судят лишь по недостаче импульса, предполагая, что виновна в ней только эта частица. Как надеются некоторые физики, статистические модели рождения нейтрино на ускорителях когда-нибудь станут настолько совершенными, что помогут с запасом отличить реальную картину от ожидаемой. Ответственность за это расхождение тогда можно будет возложить на гравитоны, сбегающие из столкновений через потусторонние ходы.

Чтобы убедиться в существовании «лишних» измерений, можно также попытаться поискать гипотетическую башню Калуцы-Кляйна, носящую имя одного из провозвестников единой теории поля, немецкого математика Теодора Калуцы, а также уже нам известного Кляйна. Так называется набор возбуждений, образованный населяющими контейнер частицами, которые как бы отбрасывают тени на нашу брану. Мы будем их воспринимать как частицы с зарядами, спинами и другими такими же свойствами, как у знакомых нам частиц, но обладающие необычайно большими массами.

В знаменитом «театре теней», описанном Платоном, узники с самого детства прикованы в пещере к своим местам так, что не в состоянии заглянуть в просвет. Они смотрят на стену прямо перед собой и принимают отбрасываемые на нее тени за чистую монету. Они, например, думают, что тени проходящих мимо людей, несущих различную утварь, - это реальные персонажи. В конце концов один узник сбегает, узнает про мир вне пещеры и рассказывает остальным об их заблуждении.

Подобным же образом данные с БАК (полученные АТЛАСом или CMS), может быть, станут для нас теми самыми «тенями на стене», по которым мы будем судить о частицах, бороздящих просторы полноразмерного пространства. У этих частиц должна быть «лишняя» компонента импульса, связанная с дополнительной степенью свободы. Поскольку самого измерения мы не видим, мы не можем наблюдать и то, как вдоль него движется частица. Зато из-за дополнительной составляющей импульса у частицы появляется излишек энергии, а значит, и массы. Ученые надеются, что энергия самых легких возбуждений Калуцы-Кляйна придется на нижнюю границу ТэВного диапазона и их удастся пронаблюдать на БАК.

Проявлениям калуца-кляйновских гравитонов и других частиц, поставляемых дополнительными измерениями, посвящены целые кипы статей. Среди каналов распада называются и превращение в электрон-позитронные пары, и в мюон-антимюонные, и т. д. По энергии продуктов можно будет сказать, что именно распалось. Изучая эти возбуждения, Мы смогли бы получить ценную информацию о размере, форме и остальных свойствах контейнера.

Поиск намеков на дополнительные измерения в список насущных задач БАК не входит. Но узнай мы, что наше мироздание покоится на ходящем ходуном фундаменте, нам, возможно, придется вооружиться мастерками и сменить кладку у физики элементарных частиц. Вдруг мы, как платоновские пещерные люди, до сих пор имели дело лишь с тенями, отбрасываемыми извне? С другой стороны, если все ограничивается привычным трехмерным пространством да временем, погоня за дополнительными измерениями ни к чему не приведет. Тогда теоретики вынуждены будут выдумать еще какой-нибудь правдоподобный ответ на вопрос, почему другие силы перевешивают гравитацию.

Кто знает, может быть, над БАК парит дух Вольтера, увлекаемый вихрями частиц, бегающими по кругу под деревушкой Ферней, где когда-то творил писатель. Он смотрит на поиски других возможных миров и улыбается. Кажется ли это ему стоящим научным занятием или он нас считает последователями Панглоса с его «метафизико-теолого-космолонигологией»? А возможно, он попросту порадуется, что нашел себе пристанище в «un jardin ouvert sur le monde», который и наверху, и внизу возделывают прилежные садовники, запасая пищу для ума и тела.

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Человеческий ум не мог себе и вообразить нечто такое, что меньше атома, но весит тонны… Нечто удивительно прожорливое, прожорливое настолько, что чем больше оно ест, тем прожорливее становится.

Дэвид Брин. Земля. 1990 г. Я Смерть, продвигаясь, миры разрушаю…

Роберт Оппенгеймер, перефразируя Бхагавад-гиту [30] после испытания первой атомной бомбы.

Бытует мнение, что у ученых не все дома. Однако кинематографические образы, начиная с доктора Калигари и заканчивая доктором Зло, имеют с действительностью мало общего: если не считать редких безобидных чудаков, ученых, которые и вправду не в себе, можно пересчитать по пальцам. Но культурные стереотипы сломать непросто. Особо впечатлительные личности уверены, что среднестатистический экспериментатор только и думает, как бы уничтожить все человечество.

Здесь речь идет о мирных научных исследованиях, призванных пополнять копилку человеческого знания. В наше время, когда проекты проходят согласование в многочисленных инстанциях, а любая нештатная ситуация грозит закончиться судебным разбирательством, экспериментаторы, как правило, делают все возможное, чтобы не подвергнуть общество опасности. Людям свойственно ошибаться, но кто-кто, а ученые, пожалуй, всегда отличались осторожностью. Забудем на минуту про образ «безумного профессора». Когда вам попадается в газете новость о химическом выбросе, что, скорее всего, будет говориться о его причинах: авария на промышленном предприятии или провалившийся научный эксперимент? Осмелюсь предположить, что вероятнее первое.

Впрочем, ни для кого не секрет, что в военное время отдельным ученым поручались гораздо более рискованные эксперименты. Желание противостоять тем ужасам, которые приносит с собой война, полностью меняет дело. Участники «Манхэттенского проекта», например, осознавали, насколько мощное и разрушительное оружие они создают и готовятся испытать. Никто не брался говорить наверняка, чего ждать от «Тринити», первой атомной бомбы (на плутонии), разорвавшейся в местечке с подходящим названием Хорнада-дель-Муэрто («Дорога мертвых»), штат Нью-Мексико. Ограничится ли взрыв пределами пустынного плато или, выйдя из-под контроля, распространится, возможно, на весь мир и вызовет неисчислимые жертвы?

Накануне ядерных испытаний Ферми всем, кого не смущал его черный юмор, предлагал держать пари: запустится ли цепная реакция, которая испарит атмосферу, или нет. Участники должны были выбрать, исчезнет ли вся Земля или только Нью-Мексико. Сейчас, конечно, волосы дыбом встают, когда подумаешь, что люди пошли на эксперимент, который мог оказаться роковым для планеты в целом. Не говоря уже об апокалипсических шутках физиков, оставляющих весьма смешанные чувства.

Сегодня мы знаем, что первая бомба осветила небо, как «тысячи солнц» (сравнение принадлежит Оппенгеймеру, который, в свою очередь, позаимствовал его из Бхагавад-гиты, священной книги индуизма). Но мир она, конечно, не уничтожила. От взрыва осталась воронка глубиной около 3 м и диаметром свыше 700 м, а его мощность составила примерно 20 килотонн, то есть 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте.

Взрывы практически никогда не измеряются в ТэВах, просто потому, что эта единица соответствует несравнимо меньшему количеству энергии. Ничто нам, однако, не мешает перевести одни единицы в другие. В таком случае в атомном взрыве «Тринити» выделилось 5х10²⁰ ТэВ. Это пятерка с двадцатью нулями - по-истине астрономическое число, равное, например, числу звезд в миллиарде галактик среднего размера. Получается, даже самая несовершенная атомная бомба производит гораздо больше энергии, чем любое из вышеописанных столкновений на ускорителе.

Буквально через несколько недель после первых ядерных испытаний в атомных взрывах погибли японские города Хиросима и Нагасаки, а вместе с ними ушла в прошлое и Вторая мировая война. С наступлением атомного века человечество лишилось покоя. А что, если ошибка в вычислениях, многократно усиленная опрометчивыми политическими решениями, приведет к концу света? Масла в огонь подливали и такие блестящие ученые, как Эдвард Теллер и Герман Кан, спокойно обсуждая, какие из новых типов ядерного оружия дают больше жертв.

Отдушиной в этой насыщенной паническим страхом атмосфере стали фильмы ужасов. Воображаемую угрозу вторжения пришельцев оказалось морально легче воспринять, чем реальную опасность, исходившую от нас самих. Первых, судя по фильмам, можно было, сплотившись, одолеть, а со второй было даже неизвестно, как бороться. Живой пример - картина 1958 г. «Капля» про разбухающую тварь, прибывшую из космоса. По незатейливому сюжету вместе с упавшим метеоритом на Землю попадает желеобразный организм с непомерным аппетитом. Поглощая очередной «обед», капля каждый раз увеличивается в размерах. Вскоре она достигает необъятной величины и рыщет по местному кинотеатру и кафе в поисках закуски из человечины. Люди в панике разбегаются от незваного прожорливого гостя, но в один прекрасный момент приходит герой (в исполнении Стива Маккуина) и замораживает пришельца огнетушителем.

Если устроить опрос на тему, какие астрономические объекты смогли бы сыграть роль капли, первую строчку, несомненно, заняли бы черные дыры, компактные остатки массивных звезд. Представьте, вот такое небесное тело незаметно проникает в кинозал, засасывает всех зрителей, толстеет и идет искать себе добычу дальше. Впрочем, есть в этом стереотипе зерно истины. Если черная дыра находится, например, в двойной системе, она может своим гравитационным полем оттягивать вещество со своей еще светящейся соседки и со временем набирать массу. В этом процессе нет ничего загадочного или необычного. Разве что черная дыра образует потенциальную яму с более крутыми склонами. В астрономических наблюдениях это перетекание замечают по излучению, которое испускается веществом, падающим на черную дыру.

Физика черных дыр покоится на эйнштейновской общей теории относительности. В 1915 г., едва Эйнштейн успел поставить точку в своей теории гравитации, немецкий физик Карл Шварцшильд, служивший тогда на русском фронте Первой мировой войны, выписал одно из точных решений. Он разрешил уравнения Эйнштейна для статического однородного шара без вращения и определил пространственную геометрию вокруг него. Так называемое решение Шварцшильда описывает поле тяжести простейших, сферически симметричных небесных тел. Оно дает точную картину того, как шар из некоторого вещества, скажем, звезда или планета, прогибает пространство-время и вынуждает пролетающие тела следовать по искривленным траекториям. Улетит тело, останется на орбите или упадет, зависит от его скорости: больше она второй космической, необходимой, чтобы вырваться из гравитационных тисков, или меньше. Если у тела не хватает скорости, как, например, у истощившей весь запас топлива ракеты, ему суждено рухнуть.

У решения Шварцшильда есть одна любопытная черта, которая сначала считалась математическим казусом, но потом привлекла к себе внимание астрономического сообщества. Дело в том, что у достаточно плотных тел появляется воображаемая сферическая граница - горизонт событий - с удивительным свойством: если нечто под нее попало, оно уже не сможет выйти обратно, даже свет. Оказывается, на горизонте событий вторая космическая скорость сравнивается со скоростью света. Поэтому никакое тело не может ее достигнуть и улететь. Такие неизменно темные сверх-компактные объекты Джон Уилер в 60-х гг. окрестил черными дырами. Они представляют собой проколы в ткани пространства-времени, являя собой астрономические «преисподние».

Наличие недоступных областей пространства заставляет задуматься о том, каковы законы физики в этих укрытиях. Соблюдаются ли под горизонтом событий те же физические принципы, что и снаружи? Как об этом узнать, если никому не дано заглянуть внутрь, а потом, вернувшись, рассказать об увиденном? Уилера особенно волновало, что происходит с неупорядоченной материей, когда она достигает той точки, откуда нет пути назад? Согласно давно известному второму закону термодинамики энтропия замкнутой системы в естественных условиях либо сохраняется, либо возрастает. Энтропия - это мера беспорядка или количества отработанного материала в системе. Таким образом, в естественных условиях упорядоченная энергия неизменно превращается в отработанный материал (например, пожар делает из аккуратных насаждений груду пепла), но нет способа полностью превратить все отходы снова в топливо. Никто, правда, не сказал, что второй закон термодинамики можно применять к Вселенной в целом. Тем не менее Уилер не находил себе места: как это так, мы выкидываем мусор в черную дыру, он там бесследно исчезает, а доля упорядоченной энергии во Вселенной при этом возрастает! Может быть, черные дыры - это пластические хирурги космологии, умеющие искусно скрыть возрастные изменения и провести Вселенной омоложение?

В 1972 г. ученик Уилера Якоб Бекеннггейн предложил элегантное решение проблемы энтропии черной дыры. По представлениям Бекенштейна, развитым впоследствии Стивеном Хокингом, любая энтропия, привнесенная упавшим в черную дыру веществом, отзывается увеличением площади горизонта. То есть когда энтропия немного возрастает, горизонт событий черной дыры становится чуть-чуть шире. Набухание черных дыр, следовательно, относится к тем самым возрастным изменениям.

Как продемонстрировал Хокинг, из теории Бекенштейна следует потрясающий вывод о конечной судьбе черных дыр. Хотя из-под горизонта ничто не может выйти не будучи разрушенным,

Хокинг высказал гипотезу, что черные дыры теряют свою массу за счет излучения. Удивлению астрофизиков не было предела. Но так называемое хокинговское излучение является следствием одного из умозаключений Бекенштейна. Он не только определил, что такое энтропия черных дыр, но и показал, что у них есть температура. А поскольку все в природе, нагретое до некоторой температуры, - от лавы до звезд, светится (в видимых или невидимых лучах), Хокинг отсюда заключил, что и черные дыры должны излучать. Чтобы частицы могли обойти препятствие, которое представляет собой горизонт событий, приходится предположить, что они совершают квантовое туннелирование. Примерно так же, как альфа-частицы сбегают из ядра в обход ядерных сил. Частицы будут целую вечность вытекать едва сочащимися струйками, слишком слабыми, чтоб нам их наблюдать. Чем тяжелее черная дыра, тем ниже ее температура и тем дольше она испаряется. Скажем, прежде чем полностью «выкипит» черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды с массой в десять раз больше, чем у Солнца, пройдет 10⁷⁰ (единица с семьюдесятью нулями) лет. Здесь даже сравнивать с возрастом Вселенной бесполезно. Столь большое время жизни пока не позволяет зарегистрировать хокинговское излучение в прямых наблюдениях.

Черные дыры полегче испарятся быстрее. Но возникает задача, как их получить, потому что механизм звездного коллапса здесь уже не работает. Звезды солнечной массы, например, оканчивают свою жизнь не в виде черных дыр, а в виде тусклых белых карликов. Давление внутри них предотвращает дальнейшее сжатие, и такие звезды, застряв на полпути к черной дыре, просто-напросто постепенно остывают.

Как бы то ни было, в решении Шварцшильда о минимальной массе черной дыры ничего не говорится. Однако есть выражение для радиуса Шварцшильда (расстояния от центра до горизонта событий), включающее в себя массу материи, неважно, сколько ее. Чем легче тело, тем меньше у него радиус Шварцшильда.

Скажем, у черной дыры вдесятеро тяжелее Солнца этот радиус составит около 30 км, то есть она спокойно поместится на территории штата Род-Айленд. Если б некая мощная сила смогла бы загнать Землю под ее радиус Шварцшильда, наша планета оказалась бы размером с жемчужину. Человек, сжатый до своего радиуса Шварцшалъда, был бы в миллиарды. раз меньше атомного ядра. Да уж, о прямых измерениях здесь говорить не приходится.

В 2001 г. Савас Димопулос вместе с физиком из Браувовскоги университета Грегом Лэндсбергом. опубликовали вызвавшую много толков статью, в которой утверждали, что черные мини-дыры, может быть, удастся зарегистрировать на БАК. Их радиус Шварцшильда должен быть порядка планковской длины, то есть порядка 10⁻³³ см - почти в триллион миллиардов раз меньше атомного ядра. Взяв за основу теории с большими дополнительными измерениями, соавторы оценили, что БАК будет штамповать около 10 млн таких черных дыр в год. БЭП в свое время выдавал примерно столько же Z-бозонов.

Смоделированное изображение рождения и распада черных мини-дыр в детекторе АТЛАС.

Димопулос и Лэндсберг подчеркивали, что если бы на БАК обнаружились черные мини-дыры, они бы послужили тонким инструментом для установления количества дополнительных измерений и, подтвердив утечку гравитонов в параллельную Вселенную, сыграли бы на руку гипотезе о мире на бране. Все потому, что масса этих миниатюрных компактных объектов определяется числом пространственных измерений. А так как хокинговское излучение истощает легкие тела быстрее, крошечные черные дыры стремительно распались бы на какие-нибудь частицы, которые, возможно, удалось бы зарегистрировать. В идеале это позволило бы досконально изучить процесс квантовою испарения и разобраться с идеей о дополнительных измерениях.

На сегодняшний день черные мини-дыры пока остаются лишь теоретической догадкой. Если уж с черными дырами звездного происхождения пока не все понятно, то что говорить об их гипотетических уменьшенных копиях. Димопулос и Лэндсберг предупредили в своей статье, что их вычисления основаны на «полуклассических предпосылках», имеющих место на зыбкой границе между общей теорией относительности и некоторыми моделями квантовой гравитации (в частности, теории струн и М-теории). «Поскольку могут возникнуть неизвестные струнные поправки, - пишут авторы, - наши результаты не более чем приближенные оценки»⁹¹.

Раз у нас такие туманные представления о том, как себя ведет гравитация на самых коротких расстояниях, где в свои права вступает квантовая механика, сразу и не угадаешь, какие теоретические предсказания в итоге окажутся верными. Прелесть детекторов АТЛАС и CMS в том, что они многоцелевые. Собранный ими фактический материал будут обрабатывать научные группы со всего света, которые попытаются дать ответ на вопрос, какой гипотезе он лучше всего соответствует. Но до тех пор черные мини-дыры остаются чисто умозрительной, хоть и будоражащей воображение, возможностью.

Если черные мини-дыры и почтят своим присутствием коллайдер, они вряд ли успеют вступить во взаимодействие с окружающей средой. Собственно, и взаимодействовать особо не с чем: точки столкновения герметично упакованы и погружены в чистейший вакуум, а температура поддерживается на уровне нескольких кельвинов. Едва из кварков двух сталкивающихся протонов образуется черная дыра, как она тут же распадется на элементарные частицы. Всю свою недолгую жизнь она проведет вдали от других тел и, будучи немногим тяжелее атомного ядра, не сможет оказать на них сколько-нибудь заметного влияния. О ее рождении не возвестят ни фейерверки, ни даже вспышка на экране. Единственный способ узнать, что в недрах БАК в течение считаных мгновений существовала черная мини-дыра, - выполнить тщательный анализ данных, который займет далеко не один месяц.

Психологическое восприятие опасности не всегда отвечает реальному положению вещей. Некая экзотическая угроза кажется нам страшнее, чем те риски, которым мы подвергаемся каждый день. Людей не интересует, сколько человек ежедневно оступаются, спускаясь по лестнице, и поскальзываются на мокром полу, пока беда не настигает их самих или их близких. Но вот образ черной мини-дыры, прожорливой, как капля из одноименного фильма, вызывает в них беспокойство, тем более беспричинное, что шансы ощутить на себе воздействие такого тела, особенно если оно крошечного размера, невероятно близки к нулю.

В 2008 г. Уолтер Вагнер и Луис Санчо подали иск в окружной суд американского штата Гавайи. Они хотели в судебном порядке добиться приостановления работы БАК до тех пор, пока не будет проведена всесторонняя оценка опасности, которую может нести Земле ускоритель. Среди ответчиков числились Министерство энергетики США, «Фермилаб», ЦЕРН и Национальная научная организация. Из решения, уместившегося на 26 страницах, следовало, что суд отклоняет претензии истцов, поскольку данный вопрос находится вне сферы его компетенции.

Вагнер, сам специалист в ядерной физике, возглавляет инициативную группу «Граждане против Большого адронного коллайдера». В ее задачи входит информировать мир о возможных сценариях конца света. Один из них - рождение черных минидыр, которые будут устойчивее, чем мы думаем. Например, предполагает активист, хокинговское излучение по какой-то причине окажется слабым или его вообще не существует. В конце концов, его же никто никогда не видел, говорит Вагнер. Выжившая черная мини-дыра либо, как нейтрино, пройдет Землю насквозь, либо будет захвачена земным гравитационным полем. Развивая эту мысль, Вагнер продолжает: дыра застрянет в ядре нашей планеты и начнет заглатывать окружающее вещество, постепенно разбухая все больше и больше и угрожая прекратить наше существование. Санчо и Вагнер пишут в своей жалобе: «В конечном итоге в эту растущую черную мини-дыру провалится вся Земля, а на ее месте появится черная дыра средних размеров, вокруг которой по-прежнему будут обращаться Луна, искусственные спутники, МКС (Международная космическая станция) и т. д.»⁹².

Этот апокалипсический сценарий во многом повторяет катастрофу, описанную Дэвидом Брином в фантастической повести «Земля» 1990 г. Действие книги перенесено в 2038 г., когда ученым удается создать миниатюрную черную дыру, которая однажды случайно ускользает из магнитной ловушки. Вгрызаясь в земную плоть, она грозит отправить в свое чрево всю планету. На ненасытное чудовище объявляется охота. Если его не поймать, человечество ждет неминуемая гибель.

Противники БАК призывают не ждать, пока грянет гром. По их мнению, если есть хоть малейшая вероятность, что черная дыра уничтожит мир, зачем идти на этот риск? Надо исключить любую угрозу не после, а до того, как закрутится протонная рулетка. Можно было бы откликнуться на этот призыв, если бы черные мини-дыры и правда были способны, как прожорливая тварь из «Капли», достичь опасных для Земли размеров. Однако ни в одной научно обоснованной теории нет и намека на такое развитие событий.

Вагнер и его соратники обеспокоены также тем, что БАК может породить «страпельки», конгломераты частиц с равным количеством верхних, нижних и странных кварков. Как гласит гипотеза странной материи, эти образования при некоторых условиях устойчивее, чем обычное ядерное вещество. Подобно тому, как под действием температуры сырое яйцо становится крутым, коллайдер может поспособствовать слиянию кварков в сгустки. И тогда, как говорится в иске Санчо с Вагнером, «благодаря большей, чем у нормального вещества, устойчивости они начнут поглощать обычную материю, превращая ее в странную в составе все более крупной “страпельки”. Частота актов слияния будет катастрофически нарастать, пока вся Земля не станет одной гигантской “страпелькой”»⁹³.

Еще активисты пугают мировую общественность магнитными монополями, магнитами не с двумя, а с одним полюсом, северным либо южным. Если вы разломите намагниченный брусок пополам, то получите два магнита поменьше, причем у каждого будет как северный, так и южный полюс. Что бы ни случилось, полюса всегда идут в магните парами. У монополей же всего один полюс. Эти объекты впервые рассмотрел в 30-х гг. Дирак. Сегодня они играют ключевую роль в некоторых теориях Великого Объединения (ТВО). В эксперименте монополи ни разу не наблюдались, однако часть теоретиков считают, что причина тому - их большая масса, а значит, они могут появиться среди продуктов столкновений на БАК.

Санчо и Вагнер пришли к выводу, что БАК способен породить два тяжелых монополя, один северный, другой южный. Взаимодействуя с обычным веществом, они, не исключено, станут катализаторами определенных процессов, предсказываемых ТВО, и вынудят протоны к распаду. Кроме того, допустим, что запускается цепная реакция, и протоны, а вместе с ними и атомы один за другим разваливаются. В конце концов вся голубая планета превращается в безжизненный шар из продуктов распада, на котором уже ничто не напоминает о былом благоденствии.

История с «Тринити» заставляет нас задаться вопросом, а не делают ли в этот самый момент сотрудники ЦЕРНа ставки на то, какой именно из этих, прямо скажем, нерадостных исходов нас ждет? Может статься, они прям на обеденном перерыве гадают: что - черные дыры, «страпельки», монополи или какой-нибудь еще монстр - проглотит французскую землю, как утренний тост, что продырявит швейцарские горы, сделав из них подобие сыра, а потом устремится в Болонью, чтобы играючи исполосовать ее и дальше продолжить свое всепожирающее шествие? А вдруг это не вся правда и ученые молчат о подлинной угрозе, которую несет Земле величайший в мире коллайдер?

С другой стороны, ЦЕРН славится своей открытостью. Секретность противоречила бы его главному предназначению. Исидор Раби, принимавший участие в «Манхэттенском проекте» и присутствовавший на первом ядерном испытании, основал ЦЕРН, чтобы европейцы после войны могли вернуться к мирной, гражданской науке и развивать ее совместными усилиями. Он подчеркнул, что в ЦЕРНе не будет атомных реакторов и ни одно из сделанных там открытий не будет засекречено, дабы пресечь все попытки использовать результаты исследований в неблаговидных целях.

Не чуждые черного юмора, церновские ученые подчас находят в ажиотаже вокруг черных дыр повод для развлечений. Заговорщически подмигивая друг другу, они как бы дают друг другу знать, что сидят не иначе как на пороховой бочке, которая того и гляди взорвется, а потом, как ни в чем не бывало, садятся дальше писать программы. «[Мои друзья] знают: я не какой-то там злой гений, решивший покончить с этим миром», - говорит аспирантка Джулия Грей⁹⁴.

Теоретики тем не менее в курсе, что квантовая неопределенность таит в себе исчезающе малую, но ненулевую вероятность самых разнообразных исходов. Но есть ли смысл о них беспокоиться? Если все же так случится, что квантовые кости лягут неудачно (хоть это, повторяем, и невероятно), то, по словам Нимы Аркани-Хамеда, «из Большого адронного коллайдера, не исключено, полезут чудища, которые нас слопают»⁹⁵.

Несмотря на беззаботность многих своих сотрудников, сам ЦЕРН, не желая портить безоблачные и основанные на честности отношения с рядовой публикой, относится к любым причинам для общественного беспокойства со всей серьезностью. Вряд ли руководству Центра хотелось бы, чтобы люди думали, будто в его тоннелях и лабораториях творится нечто ужасное.

Хотя в 2003 г. ЦЕРН выпустил исчерпывающий отчет, в котором указывалось, что ни черные мини-дыры, ни «страпельки», ни магнитные монополи не представляют опасности, в июне 2008 г. организация решила повторно проработать этот вопрос. Свежий отчет подтвердил полученную ранее оценку риска. В нем перечислена масса убедительных аргументов в пользу того, что микроскопические черные дыры, «страпельки» и монополи, даже если они и существуют, не таят в себе угрозу для земной цивилизации.

Например, про крошечные черные дыры в отчете говорится, что благодаря законам сохранения они будут неустойчивы. Согласно максиме «все, что не запрещено, разрешено», если черная мини-дыра образовалась из элементарных частиц, она на них же может и распасться. То есть вне зависимости от того, насколько верны наши представления о хокинговском излучении, мини-дыры обязаны распадаться.

Кроме того, так как обсуждаемые микроскопические черные дыры получаются от столкновений протонов, велика вероятность, что они будут заряжены положительно, а значит, будут отталкиваться от всех положительных зарядов на Земле. Им придется изрядно попотеть, чтобы подойти к атомному ядру хоть сколько-нибудь близко. Но даже если предположить, что они останутся целыми и невредимыми и как-то справятся с силами электрического отталкивания, вещество будет падать на них за счет гравитационного притяжения безумно медленно. Короче говоря, любая капля, прибывшая из Лилипутии в БАК, долго в этом мире не задержится. Обречены они, а не мы.

«Страпельки», подчеркивают авторы отчета, если и появятся, то, скорее, в столкновениях тяжелых ионов, а не протонов. На самом деле отдельные теоретики ожидали их появления еще на Коллайдере релятивистских тяжелых ионов (КРТИ), открывшемся в 2000 г. в Брукхейвене. Между прочим, Вагнер подавал иски и против этого коллайдера, добиваясь запрета на его функционирование, впрочем, неудачно. Однако на КРТИ ни одной «страпельки» замечено не было. На расположенные поблизости пляжи Хэмптона по-прежнему слетаются богатые и знаменитые, которых сюда манит рассыпчатый песок и ласковые волны, знать не знающие о странной материи. Раз уж «страпельки» не родились там, где их больше всего ждали, имеет ли смысл беспокоиться об их появлении в не самом приспособленном для этого месте?

Есть основания полагать, что «страпельки», неожиданно затесавшиеся в продукты столкновения, окажутся весьма неустойчивыми. Они должны разрушаться при температурах гораздо ниже тех, что достигаются в столкновениях ионов. Авторы сравнивают рождение стабильной «страпельки» в таких неблагоприятных условиях с «приготовлением льда в топке».

Как указано в отчете 2008 г., монополи были исследованы во всех деталях еще в предыдущем обзоре. Если им все же удастся нарушить целостность протонов (весьма гипотетический сценарий, предсказываемый некоторыми ТВО), максимум, что произойдет: монополь съест пару-тройку кубических сантиметров вещества и, питаемый энергией распадов, выстрелит в космос, не причинив никому вреда. Он разве что может оставить крошечную пробоину в детекторе БАК в память о своем мимолетном присутствии.

Наконец, рассуждая об опасности черных дыр, «страпелек», монополей и прочих высокоэнергетичных монстрах, комиссия приводит свой, пожалуй, самый надежный аргумент. Если бы какой-нибудь из упомянутых сценариев конца света имел место, он бы уже давно реализовался в космических лучах. В космических лучах энергия на порядки превосходит тот порог, который может достигнуть БАК или любой другой коллайдер. «С момента образования Земли, - цитируем, - ее поверхность подвергалась бомбардировке более чем 3 х 10²² космическими частицами с энергиями 10¹⁷ эВ и выше, что не уступает энергии БАК. Это означает, что Природа на сегодняшний день провела на Земле около 100 000 экспериментов, эквивалентных экспериментам на БАК. При всем при том планета до сих пор существует»⁹⁶.

Если заверений ЦЕРНа нам мало, может быть, нас успокоит отсутствие предупреждающих сигналов из будущего. Как утверждают российские математики И.Я. Арефьева и И.В. Волович, не исключено, что энергии БАК хватит, чтобы в пространстве-времени образовались проходимые кротовые норы, связывающие нас с будущим. Тогда, если бы БАК нес человечеству угрозу, ученые будущего, наверное, послали бы нам предупреждение, как в научно-фантастическом романе Грегори Бенфорда «Панорама времени». Или, если уж на то пошло, они бы, как в «Мосте Эйнштейна», попытались бы изменить ход истории и сделать так, чтобы БАК никогда не вступил в строй.

Проходимая кротовая нора - это решение уравнений общей теории относительности, которое описывает удаленные друг от друга, но связанные между собой части пространства-времени. Подобно черным дырам, кротовые норы возникают, когда вещество настолько мнет ткань Вселенной, что появляется глубокая гравитационная яма. Но поскольку в кротовой норе присутствует гипотетическая фантомная (или экзотическая) материя с отрицательной массой и энергией, тела взаимодействуют с этим объектом иначе. Веществу, падающему в черную дыру, суждено быть раздавленным силами тяготения, а вот проходимая кротовая нора благодаря фантомной материи открывает телам проход, и они через «горловину» пространства-времени могут попасть в другую область Вселенной. Проще говоря, если черная дыра - это шредер, то проходимая кротовая нора - принтер.

В конце 80-х ученые заметили, что в некоторых типах проходимых кротовых нор возможны особые траектории, называемые замкнутыми времениподобными кривыми (ЗВК), которые позволяют путешествовать назад по времени. ЗВК - это гипотетические петли в пространстве-времени: развиваясь вперед по времени, какое-нибудь событие в конце концов замыкается на свое собственное прошлое. Чем-то напоминает собаку, гоняющуюся за своим хвостом. Будь у нас достаточно крупная кротовая нора, смельчаки, пролетев (например, на космическом корабле) вдоль всей петли, смогли бы попасть в любой момент времени в прошлом. Если, конечно, на тот момент ЗВК существовала. А через маленькие кротовые норы проходили бы только частицы, и мы могли бы обмениваться информацией с более молодыми копиями самих себя.

Арефьева и Волович предполагают, что в энергетическом котле БАК сварится зелье из кротовых нор, которые откроют нам канал связи с будущим. Об этом экспериментаторы, видимо, смогут догадаться по странным сообщениям на своих компьютерах с датами, относящимися к далекому будущему. А может быть, их ящики с электронной почтой будут ломиться от спама, рассылаемого компаниями, которым только предстоит быть учрежденными.

Научная фантастика полна парадоксов, к которым приводят машины времени. Речь идет о нарушении причинности, принципа, гласящего, что причина предшествует своему следствию. Например, представьте: инженер БАК получает письмо от ученых будущего, которые с помощью кротовых нор, созданных на коллайдере, научились слать в прошлое четкие сигналы. В этом письме потомки нас предупреждают, что в случае запуска родится частица, которая начнет уничтожать Землю. Получив известие, руководство ЦЕРН решает отказаться от БАК. Но тогда первый вариант развития событий прервется! Как же ученым будущего удалось послать нам сообщение? Получается, следствие (остановка ускорителя) либо опередила причину, либо никакой причины вовсе не было.

В таких вот парадоксальных ситуациях очень пригодились бы параллельные вселенные. Всякий раз, когда информация, вещи или люди перемещаются назад по времени, Вселенная - в духе многомировой интерпретации - расщепляется на несколько копий, причем следствие в одной ветке может предшествовать своей кажущейся причине в другой ветке, не вступая в противоречие со здравым смыслом.

Сегодня львиную долю ученых, занимающихся физикой высоких энергий, волнуют гораздо более насущные проблемы, чем мифические всемирные катастрофы и возможность передачи сигналов в прошлое. Когда имеешь дело с таким сложным прибором, каким является БАК, и думаешь, как бы его потом усовершенствовать, все абстрактные измышления меркнут на фоне практических соображений. Детекторы БАК состоят из множества узлов, каждый из которых сам по себе чудо человеческой мысли, - учитывая, что некоторые из них подчас должны функционировать в экстремальных условиях (для примера вспомним о сверххолодных магнитах), можно себе представить, как трудно избежать в этой системе сбоев.

Если в перерывах между попытками выжать все из передовых технологий у увлеченного элементарными частицами физика и бывает время подумать о будущем, то он наверняка задумывается о будущем своей отрасли. Как результаты, полученные на БАК, - каковы бы они ни были - повлияют на развитие физики элементарных частиц? Насколько общество будет лояльно к одной из самых дорогих научных дисциплин в вопросах поддержки и финансирования? С учетом этой неопределенности справедливо ли привлекать в физику высоких энергий молодых исследователей? Что в этой области науки будет происходить через несколько десятилетий?

Послесловие. Будущее физики высоких энергий. Международный линейный коллайдер и прочее

Будущее физики элементарных частиц немыслимо без интенсивного международного сотрудничества.

Лев Борисович Окунь. Круглый стол «Будущее физики элементарных частиц», 2003 г.

Куда нам идти дальше? После более чем 75 лет стремительного прогресса будущее физики высоких энергий сегодня никак нельзя назвать определенным. Многое зависит от того, что мы обнаружим на Большом адронном коллайдере.

В худшем случае, если на БАК не будет найдено ничего интересного, физическому сообществу придется произвести переоценку ценностей. Оправдано ли окажется в финансовом плане дальнейшее повышение энергии ускорителей в надежде натолкнуться на более тяжелые частицы? Будут ли государства готовы выбрасывать гигантские суммы на непонятные рядовому гражданину исследования в этот не самый приятный для мировой экономики период? Если БАК нас ничем не порадует, нечего будет и думать, чтобы заручиться поддержкой политиков, замахиваясь на проект еще более крупного агрегата. «Физике элементарных частиц, наверное, придет конец»⁹⁷, - сказал Мартинус Вельтман, рассуждая о том, что будет, если существующий в природе бозон Хиггса не обнаружат на БАК.

Впрочем, настолько пессимистичные прогнозы не имеют под собой оснований. Предположим, БАК все-таки обнаружит новые частицы (скажем, «хиггс» и суперсимметричных партнеров), укажет пальцем на главных претендентов на темную материю, прольет свет на скрытые измерения и/или найдет что-нибудь совсем уж из ряда вон выходящее. Прочесав экспериментальные данные, теоретики тогда скажут, какие модели их лучше всего объясняют, и предъявят список того, чего им недостает, чтобы заполнить все пробелы.

В идеале уникальные открытия на БАК помогут нам понять, насколько точно Стандартная модель отражает природу в широком диапазоне энергий. С их помощью мы также сможем сделать выбор между Стандартной моделью в ее первоначальном варианте и суперсимметричными теориями или же склониться в пользу других альтернатив. Если получится отсеять какие-то гипотезы и оставить только самые правдоподобные, было бы здорово. Но, судя по предыдущему опыту, творческой активности теоретикам не занимать - как бы нам не оказаться лицом к лицу с еще большим количеством моделей, чем было раньше. Что тогда будем делать?

В памяти слишком свежо фиаско, которое потерпел Сверхпроводящий суперколлайдер, поэтому вряд ли эстафету у ЦЕРНа перехватят американские лаборатории. Не считая участия США в европейских и международных проектах (хотя его значение трудно переоценить), в целом в американской физике высоких энергий движения мало. Новый ускоритель не предвидится, а существующие лаборатории вынуждены работать в условиях постоянного сокращения финансирования.

«Фермилаб» уже больше 20 лет живет в ожидании страшного конца. Едва под ССК была выбрана техасская площадка, экспериментаторы Батавии уже приготовились увидеть последние обороты своей любимой высокоэнергетичной карусели - хотя она еще по-настоящему и не разогналась. Однако судьба продлила аттракциону жизнь. Отмена программы ССК в 1993 г. и открытие в 1995 г. на «Теватроне» топ-кварка дали понять, что без «Фермилаба» физика элементарных частиц многое бы потеряла. И вместо того чтобы законсервировать ускоритель, его всего лишь временно закрыли на ремонт.

С 1996 по 2000 г. в «Теватрон» было вложено 260 млн долларов, которые вывели его на новый уровень. Как только швы зарубцевались, началась вторая серия экспериментов (известная как «Стадия II»), призванная проверить, на что способен коллайдер после косметической операции. «Стадия II» принесла множество значительных результатов, в том числе была уточнена масса топ-кварка, дан нижний предел на массу бозона Хиггса и продолжились исследования адронов, содержащих прелестные кварки. Однако интенсивность столкновений на «Теватроне» в первой половине 2000-х оставляла желать лучшего. Верхушка «Фермилаба» осознала, что если не повысить эффективность коллайдера, шансы сделать сколько-нибудь важные открытия до пуска БАК весьма невелики.

К счастью, за время запланированных технических перерывов зимой 2004/05 г. и весной 2006 г. светимость «Теватрона» удалось довести до рекордных значений. Чтобы справиться с этой непростой задачей, инженеры нашли более выгодный способ подключения к «Теватрону» антипротонного накопительного кольца «Ресайклер» (устройства, в котором «складируются» антипротоны). Они, кроме того, применили метод электронного охлаждения, чтобы ужать антипротонный пучок. Эти меры продлили «Теватрону» жизнь еще на несколько лет.

Впрочем, когда БАК достигнет своих проектных мощностей, особой нужды сохранять «Теватрон» не будет. Имея всего 2 ТэВа максимальной энергии, он вряд ли сможет открыть что-нибудь раньше, чем это сделает БАК. Единственный способ серьезно увеличить его энергетический порог - построить дополнительное кольцо, что при нынешнем раскладе почти невероятно. Антипротоны к тому же служат тем балластом, который тормозит темпы повышения светимости по сравнению с протонными коллайдерами (такими как БАК). Протоны с избытком присутствуют в обычном газообразном водороде, а антипротоны на дороге не валяются. В общем, самоотверженно послужив инкубатором целому сонму частиц, «Теватрон», видимо, удалится на покой. Может быть, позже, чем все думали, но удалится. Как в шутку заметил физик Адам Юркевич, «Теватрон» «прошел очень длинный путь, пар от него так и валит»⁹⁸.

Понимая, что перспективы американских лабораторий весьма туманны, выпускники университетов США, видящие себя в физике высоких энергий, возможно, решат проводить больше времени в Европе или, если получится, вести свои исследования дистанционно. У каждого варианта свои недостатки. Постоянные командировки часто становятся врагом счастливой семейной жизни, а если не выиграть грант, то и кошелька. Ученым, планирующим наезжать в Женеву, на всякий случай следует искать свою вторую половинку и друзей среди послов, банкиров и шеф-поваров элитных ресторанов, желательно, материально обеспеченных.

Второй путь - дистанционные исследования - тоже не без изъянов. Когда стажер приезжает в ЦЕРН и своими глазами видит настройку или ремонт оборудования, он получает бесценный опыт обращения с приборами. Но когда он делает первые шаги в науке, сидя в далеком институте, подсоединенном к церновскому «Гриду», до знакомства с «железом» дело может никогда не дойти. Представьте, аспирант ни разу, что называется, не работал руками, а все время лишь проводил компьютерную обработку данных. Потом он получает должность научного сотрудника и продолжает совершенствовать компьютерные программы. Настает время научного руководства. Решится ли какой-нибудь институт или университет взять на работу экспериментатора, который ничего не смыслит в калибровке калориметров и понятия не имеет, как подсоединять электронику?

Современная физика высоких энергий характеризуется высокой централизованностью. Экспериментальные исследования ведутся лишь в считаных научных лабораториях (возможно, не за горами то время, когда их число сократится до одной), детекторы растут в размерах, становятся все изощренней - в таких условиях почти не остается возможности «потрогать» все своими руками. Дни, когда физики сидели в вагончиках по соседству с тоннелями и ждали судьбоносных сигналов, ушли в прошлое.

Картина классического экспериментального исследования, каким оно было в последние десятилетия XX в., сдана в архив. Теперь считается за счастье побывать на сборке или ремонте детектора. В остальном физика высоких энергий сегодня почти не предполагает работы с техникой. Да разве и может быть по-другому, когда непосредственные измерения происходят внутри сверхохлажденных камер, утопленных в землю на десятки метров, чтобы никакое паразитное излучение их не достало? Правда, возникает вопрос: интересно ли будет молодым исследователям сидеть перед монитором - неважно, в Женеве или где-то еще - и изо дня в день запускать программы для статистической обработки данных?

Однако в середине 2010-х любители повозиться с техникой понадобятся снова. Дело в том, что на БАК запланирован капитальный ремонт, после которого он превратится в, как иногда говорят, Сверхбольшой адронный коллайдер. Главная цель этого мероприятия - значительно повысить светимость ускорителя и заставить сталкиваться частицы еще интенсивнее, чем раньше. Когда коллайдер закроется на ремонт, детекторы тоже начнут перебирать. Истощившую свой ресурс электронику, за годы работы выжженную излучением, заменят. Если необходимо, обновят и остальные узлы, чтобы привести детекторы в боевую готовность.

Помимо Сверхбольшого коллайдера физика элементарных частиц может надеяться на другой, не менее потрясающий проект - Международный линейный коллайдер (МЛК). Как понятно из его названия, это будет первый коллайдер, в который будет вовлечено, в том числе финансово, мировое сообщество, а не отдельно США или Европа. Сверхпроводящий суперколлайдер задумывался как международный проект, но реально так им и не стал. В ЦЕРН поступают средства не только из Евросоюза, но они идут исключительно на детекторы (АТЛАС, CMS и т. д.), основную установку ЦЕРН ведет сам. Так что если проект МЛК осуществится, он станет крупной вехой в истории международного научного сотрудничества.

Согласно предварительным эскизам, МЛК будет состоять из двух идентичных линейных ускорителей, стоящих друг напротив друга и заключенных в тоннеле длиной более 30 км. В одном будут разгоняться электроны, а в другом - позитроны. Линейная конструкция выбрана, чтобы избавиться от потерь энергии на синхротронное излучение. В случае бегающих по кругу релятивистских электронов и позитронов с ним совладать невероятно трудно, но разгон по прямой сильно все облегчает. Ускоряться до околосветовых скоростей пучки будут, проходя через «лесенку» из 8000 сверхпроводящих высокочастотных резонаторов (каждый в длину около метра) - обладающих нулевым сопротивлением металлических листов из ниобия, которые сообщают частицам энергию посредством радиоволн. Ступеньками в этой лестнице будут служить ускоряющие потенциалы в 30 млн вольт. На выходе из трубы и электроны, и позитроны будут иметь по 250 ГэВ, то есть всего на столкновение придется 500 ГэВ энергии, часть которой перейдет в массу рожденных частиц. Следящий детектор рядом с точкой столкновения попытается поймать любые осколки, представляющие интерес.

Электрон-позитронные столкновения являются своего рода чистовиком, на котором отчетливо выступают значения масс. Хотя МЛК будет уступать БАК по энергии, он поможет уточнить массы частиц, открытых на более мощном ускорителе. Например, на БАК обнаружат кандидата на роль темной материи. Тогда МЛК его взвесит и известит астрономов, какая доля космоса заполнена этим веществом. А, как известно, зная плотность Вселенной, можно делать выводы о ее будущей судьбе. Проще говоря, из МЛК получится прецизионный инструмент - своеобразная электронная линейка в мире сверхтяжелых частиц.

Проект МЛК пока находится на стадии раннего обсуждения. Под него даже еще не выбрали место, хотя предложения поступали (например, от России). Все переговоры, касающиеся финансов и инженерных планов, организует директор МЛК Барри Бариш, знакомый нам по руководству проектом GEM («Гамма-кванты, электроны и мюоны») в составе почившего ССК и Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO). Хотя изначально об идее МЛК многие страны отзывались с большим энтузиазмом, некоторые из них, к великому огорчению Бариша, изменили предварительным договоренностям.

В 2007 г. Конгресс неожиданно сократил свои ассигнования на МЛК до 15 млн долларов. Между тем сначала речь шла о поддержке этой программы на уровне 60 млн. К октябрю того же года выделенные средства почти иссякли, хотя их должно было хватить до 2008 г. В декабрьском пресс-релизе Бариш отметил: «Катастрофические последствия не заставили себя ждать»⁹⁹.

Многие европейцы не скрывают своего раздражения тем фактом, что поддержка научных проектов Америкой приобретает столь зыбкие очертания. «В США одобрение на что-либо дается максимум на год, - говорит физик Венетиос Полихронакос. - Никто не будет воспринимать США как надежного партнера»¹⁰⁰.

С Великобританией, раньше не скупившейся на науку, тоже в последнее время не все гладко. В декабре 2007 г. британский Совет по научно-техническому оборудованию (STFC) выпустил отчет, принесший МЛК печальные известия: «Мы прекращаем спонсировать Международный линейный коллайдер. Мы не видим, как проект в его настоящем виде может быть реализован в разумные сроки»¹⁰¹.

Вероятно, ностальгируя по тем временам, когда британские физики-ядерщики были «чемпионами мира»[31], гитарист группы Queen Брайан Мэй, астрофизик по образованию, подверг критике решение Совета. Выступая на церемонии по случаю присвоения ему должности почетного ректора Ливерпульского университета им. Джона Мура, легендарный музыкант сказал: «По-моему, это большая ошибка, и мы ставим под удар наше будущее на международной научной арене… Без поддержки невозможны научные открытия, которыми наша нация славилась до сегодняшнего дня»¹⁰².

Из-за решений, принятых США и Великобританией, полагать, что МЛК будет непременно построен, по меньшей мере наивно. Многое зависит от того, обратят ли снова состоятельные страны свой взор на чистую науку. В эпоху экономического кризиса без масштабных рекламных кампаний деньги на фундаментальные исследования не получить. Открытия, сделанные на БАК, возможно, убедят сильных мира сего заплатить за еще один коллайдер. Если МЛК не разделит судьбу «Изабелль» и ССК, его сторонникам придется включить все свое красноречие, чтобы доказать, что от точного знания масс частиц зависит будущее всей физики.

Разговоров много, но конкретные проекты коллайдеров мощнее, чем БАК, отсутствуют. Потеряв возможность снимать с ускорителей новые данные, физики лишатся одного из основных способов проверки гипотез о сущности фундаментальных сил и элементарных кирпичиков природы. Астрономическим наблюдениям очень ранней Вселенной предстоит тогда стать главным источником информации о свойствах теорий поля. Кто знает, может быть, именно потомки космического зонда WMAP найдут в подробных картах реликтового излучения ключ к объединению всех взаимодействий.

Ну а пока коллайдеры не канули в Лету, восславим блестящие достижения физики элементарных частиц и пожелаем БАК долгой и плодотворной карьеры. Мы склоняем головы перед гениями Резерфорда, Лоуренса, Вильсона, Руббиа и многих других, помогавших человечеству познать стройную красоту скрытого от посторонних глаз субатомного королевства. Так пусть БАК найдет новые клады и величественные заповедники. Как Шлимана, мечтавшего о Трое, под верхними слоями нас ждут искрящиеся россыпи сокровищ.

Литература для дальнейшего чтения

Специализированные работы помечены звездочкой.

1. Азимов А. Загадки микрокосмоса. От атома до галактики. М.: Центрполиграф, 2004.

2. *Арефьева И.Я., Волович И.В. Машина времени на БАК (на англ.: I.Ya. Arefeva, I.V. Volovich. Time Machine at the LHC) // http://arxiv.org/abs/0710.2696 (действующая ссылка от 3 мая 2010 г.).

3. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М.: URSS, 2008.

4. Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. Ижевск: РХД, 2000.

5. Гамов Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография. М.: Наука, 1994.

6. Грин Б. Элегантная Вселенная. М.: URSS, 2008.

7. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия / Пер. с англ. М.: Прогресс, 1992.

8. Лукаш В.Н., Михеева Е.В. Актуальные проблемы космологии // Наука и жизнь. 2006. №5. С. 102-107.

9. *Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. С. 301.

10. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Молодая гвардия.

11. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: URSS, 2008.

12. Кодзики. Записи о деяниях древности. Свиток 1 / Пер. со ст.-яп. Е.М. Пинус. СПб.: Кристалл, 2000.

13. Сегре Э. Энрико Ферми - физик. М.: Мир, 1973.

14. Сиборг Г., Корлисс У. Человек и атом. М.: Мир, 1973.

15. Фейнман Р. Характер физических законов. М.: Наука, 1987.

16. Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. М.: URSS, 2008.

17. * Эйнштейн А. Работы по теории относительности / Предисл. С. Хокинга. М.: Амфора, 2008.

Примечания

1. По Э.А. Эврика. Поэма в прозе (Опыт о Вещественной и Духовной Вселенной) / Пер. К.А. Бальмонта. М.: Эксмо, 2008.

2. В ст.: Фармело Г. Уравнения ценою в жизнь // «Дейли Телеграф». 20 февраля 2002. С. 20 (Farmelo G. Beautiful Equations to Die For // Daily Telegraph. February 20. 2002. P. 20).

3. Брайс Девитт в телефонном разговоре с автором 4 декабря 2002 г.

4. Президент Уильям Дж. Клинтон, письмо в Комиссию по бюджетным ассигнованиям от 16 июня 1993 г.

5. Лин Эванс. Ускоряя науку: БАК дал первый пучок (Lyn Evans, First Beam in the LHC - Accelerating Science), пресс-релиз ЦЕРН от 10 сентября 2008 г. (на англ.), press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR08.08E.html (действующая ссылка от 03.05.2010).

6. Из интервью с Питером Хиггсом «В поисках божественной частицы» (на англ.), «Индепендент» от 8 апреля 2008 г. (In Search of the God Particle // Independent April 8, 2008), http://www. independent.co.uk/news/science/in-search-of-the-god-particle-805757.html (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

7. Знакомьтесь, атомный Эванс - человек, который в среду положит миру конец // «Дейли Мейл». 7 сентября 2008 г. (Meet Evans the Atom, Who Will End the World on Wednesday // Daily Mail September 7, 2008), http://www.mailonsunday.co.uk/sciencetech/article-i05309i/Meet-Evans-Atom-end-world-Wednesday.html (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

8. Блезо Ж.Я. и др. Исследование потенциально опасных событий при столкновениях тяжелых ионов на БАК. Отчет Комиссии по оценке степени безопасности БАК: Отчет ЦЕРН 2003-001 от 28 февраля 2003 г. С. 10 (Blaizot J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events during Heavy-ion Collisions at the LHC: Report of the LHC Safety Study Group: CERN Report 2003-001, February 28, 2003. P. 10).

9. Ньютон И. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света / Пер. с англ.; примеч. С.И. Вавилова; под ред. Г.С. Ландсберга. 2-е изд. М.: Гостехтеоретиздат, 1954. с. 303.

10. Браун Л.М. и др. Спонтанное нарушение симметрии // Рождение Стандартной модели: Физика элементарных частиц в 60-е и 70-е годы / Под ред. Л. Ходдисон и др. Кембридж: Кембридж Юниверсити Пресс, 1997- С. 508 (Brown L. М. et al. Spontaneous Breaking of Symmetry // Lillian Hoddeson et al., eds. The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. P. 508).

11. Воспоминания ученика Э. Резерфорда Марка Олифанта (Mark Oliphant. The Two Ernests. Part I // Physics Today. September 1966:36.

12. Уилсон Д. Резерфорд - просто гений. Кембридж, Массачусетс: МГГ Пресс, 1983 С. 62 (Wilson D. Rutherford, Simple Genius. Cambridge, MA: MIT Press, 1983. P. 62).

13. Томсон Дж. Дж. Воспоминания и размышления. Нью-Йорк: Макмиллан, 1937. С. 138-139 (Thomson J. J. Recollections and Reflections. New York: Macmillan, 1937. Pp. 138-139).

14. Э. Резерфорд в письме Мэри Ньютон, август 1896 г. (Уилсон Д. Резерфорд - просто гений. С. 122-123).

15. Э. Резерфорд в письме Мэри Ньютон, 21 февраля 1896 г. (Уилсон Д. Резерфорд - просто гений. С. 68).

16. Томсон Дж. Дж. Воспоминания и размышления. С. 341.

17. А. С. Ив в ст.: Бадаш Л. Как важно быть Эрнестом Резерфордом // «Сайенс». 173 (з сентября 1971 г.): 871 (Eve A. S. in: Badash L. The Importance of Being Ernest Rutherford // Science. 173 (September 3, 971): 871.

18. Вейцман X. Методом проб и ошибок. Нью-Йорк: Харпер энд Бразерс, 1949* С. 118 (Weizmann Ch. Trial and Error. New York: Harper amp; Bros., 1949- P-118).

19. Там же.

20. Резерфорд Э. Как разрабатывалась теория атомной структуры // Истоки современной науки / Под ред. Д. Нидэма, В. Пагеля. Кембридж: Кембридж Университи Пресс, 1938* С. 68 (Rutherford Е. The Development of the Theory of Atomic Structure // Background to Modern Science / Needham J. and Pagel W., eds. Cambridge: Cambridge University Press, 1938. P. 68).

21. Там же.

22. Эрнест Резерфорд Б. Болтвуду, 14 декабря 1910 г., в кн.: Бадаш Л. Резерфорд и Болтвуд. Нью-Хейвен, Коннектикут: Йель Университи Пресс, 1969. С. 235 (Е. Rutherford to В. Boltwood, December 14, 1910, in: Badash L. Rutherford and Boltwood. New Haven, CT: Yale University Press, 1969. P. 235).

23. Письмо Э. Резерфорда H. Бору от 20 марта 1913 г. Бор Н. Воспоминания об Э. Резерфорде - основоположнике науки о ядре // Успехи Физических Наук. Т. 80. 1963. С. 223.

24. Гейзенберг В. Физика и за ее пределами. Встречи и беседы. Нью-Йорк: Харпер энд Роу, 1971. С. 61 (Werner Heisenberg, Physics and Beyond: Encounters and Conversations. New York: Harper amp; Row, 1971. P. 61).

25. Гамов Г. Моя мировая линия. Неформальная автобиография. Нью-Йорк: Викинг, 1970. С. 77-78 (Gamow G. My World Line: An Informal Autobiography. New York: Viking, 1970. Pp. 77-78).

26. Там же.

27. Сиборг Г., Корлисс Р. Человек и атом. Нью-Йорк: Даттон, 1971. С. 24 (Seaborg G. Т., Corliss R. Man and Atom: Building a New World through Nuclear Technology. New York: Dutton, 1971. P. 24).

28. Лео Сцилард «Ускорение корпускул» (на англ.), заявка на патент от 17 декабря 1928 г., цит. по ст.: Телегди В. Сцилард-изобретатель. Ускорители и другие открытия // Физике Тудей.

53. №10 (октябрь 2000 г.): 25 (Szilard L. Acceleration of Corpuscles, Patent Application, December 17,1928, in Valentine Telegdi, “Szilard as Inventor: Accelerators and More,” Physics Today 53, no. 10 (October 2000): 25).

29. Человек метает молнии в 7 000 000 вольт // «Нью-Йорк Таймс». 29 ноября 1933- С. 14 (Man Hurls Bolt of 7,000,000 Volts // New York Times. November 29,1933. P. 14).

30. Браш A., Ланге Ф. Цайтшрифт фюр Фюзик. 70,1931: 10-11; 17-18 (Brasch A., Lange F. Zeitschriftfur Physik 70 (1931): 10-11; 17-18).

31. Чайлдс Г. Американский гений. Жизнь Эрнеста Орландо Лоуренса. Нью-Йорк: Даттон, 1968. С. 40-41 (Childs Н. An American Genius: The Life of Ernest Orlando Lawrence. New York: Dutton, 1968. Pp. 40-41).

32. Лоуренс Э. О., Бимс Дж. У. Элемент времени в фотоэлектрическом эффекте // «Физикал Ревью». 32. N 3. 1928. 478-485 (Lawrence Е. О. and Beams J. W. The Element of Time in the Photoelectric Effect // Physical Review, 32. N 3. 1928. C. 478-485).

33. Воспоминания ученика Э. Резерфорда Марка Олифанта (Oliphant М. The Two Ernests. Part I // Physics Today. September 1966: 38).

34. Чайлдс. Американский гений. С. 146-147.

35. Дэвис Н.Ф. Лоуренс и Оппенгеймер. Нью-Йорк: Да Капо, 1986. С. 28 (Davis N. P. Lawrence and Oppenheimer. New York: Da Capo, 1986. P. 28.

36. Уолтон Э. Т. С. Воспоминания о ядерной физике начала 30-х годов XX в. // «Еврофизикс Ньюс». 13, N 8/9 (август/сентябрь 1982): 2 (Walton Е. Т. S. Recollections of Nuclear Physics in the Early Nineteen Thirties // Europhysics News. 13, N 8/9 (August/ September 1982): 2).

37. Там же.

38. Э.Т.С. Уолтон в письме Уинифред (Фреде) Уилсон от 17 апреля 1932 г., цит.: Каткарт Б. Муха в соборе - как группа кембриджских ученых выиграла международную гонку за расщепление атома. Нью-Йорк: Фаррар, Штраус и Жиру, 2004. С. 238 (Е. Т. S. Walton to Winifred (Freda) Wilson, April 17, 1932, in: Cathcart B. The Fly in the Cathedral: How a Group of Cambridge Scientists Won the International Race to Split the Atom. New York: Farrar, Straus and Giroux, 2004. P. 238).

39. Воспоминания Олифанта. С. 45.

40. Чайлдс. Американский гений. С. 210.

41. Воспоминания Олифанта. С. 44.

42. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4 т. / Под ред. И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова. М.: Наука, 1966. Т. 2. С. 279.

43. Сегре Э. Энрико Ферми - физик. М.: Мир, 1973 С. 101.

44. Пауэлл С. Фрагменты автобиографии. Бристоль: Юнивер-сити оф Бристол Пресс, 1987* С. 19 (Powell С. Fragments of Autobiography. Bristol: University of Bristol Press, 1987. P. 19).

45. Гамов. Моя мировая линия. С. 127.

46. Из рассказа Роберта Р. Вильсона в интервью Спенсеру Уирту, 19 мая 1977 г., в ст.: Вильсон Р. Р. От эмигранта до физика // «Физике ин Перспектив». 2, 2000. С. 182 (Wilson R. R. From Frontiersman to Physicist // Physics in Perspective 2 (2000): 182).

47. Там же. С. 173.

48. «Космотрон», сайт Брукхейвенской национальной лаборатории (на англ.), http://www.bnl.gov/bnlweb/histoiy/cosmotron.asp (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

49. Сесслер Э., Вильсон Э. Двигатели прогресса - эпоха ускорителей частиц. Сингапур: Уэрлд Сайнтифик, 2007. С. 59 (Sessler А., Wilson Е. Engines of Discovery: A Century of Particle Accelerators. Singapore: World Scientific, 2007. P- 59).

50. Роджерс П. К БАК и дальше // «Физике Уэрлд». 17 1 сентября 2004. С. 27 (Rodgers P. То the LHC and Beyond // Physics World 17 (September 1, 2004): 27).

51. Хилтс Ф. Дж. Научный темперамент - три примера из современной науки // Нью-Йорк: Саймон энд Шустер, 1982. С. 23 (Hilts P. J. Scientifi с Temperaments: Three Lives in Contemporary Science. New York: Simon amp; Schuster, 1982. P. 23).

52. Джексон Дж. Д. Славные дни вина и сыра // Ежегодный отчет «Фермилаба». Батавия, Иллинойс: Ускорительная лаборатория им. Э. Ферми, 1992 (Jackson J. D. Early Days of Wine and Cheese.

Fermilab Annual Report. Batavia, IL: Fermi National Accelerator Laboratory, 1992).

53. Криз P., Манн Ч. Второе творение. Революционеры физики XX в. Нью-Йорк: Коллье Букс, 1986. С. 343 (Crease R. P., Mann Ch. С. The Second Creation: Makers of the Revolution in 20th - Century Physics. New York: Collier Books, 1986. P. 343).

54. Вильсон P. P., Колб А. Как строился «Фермилаб». Рай для сотрудников // Рождение Стандартной модели: Физика элементарных частиц в 60-е и 70-е годы / Под ред. Л. Ходцисон и др. С. 356-357.

55. Переливы 15-футовой пузырьковой камеры в «Фермилабе» / Под ред. М. Боднарчук. Батавия, Иллинойс: Фермилаб, 1988 (Bodnarczuk М., ed. Reflections on the Fifteen - Foot Bubble Chamber at Fermilab. Batavia, IL: Fermilab, 1988).

56. Рихтер Б. На заре сталкивающихся пучков // Рождение стандартной модели: физика элементарных частиц в 60-е и 70-е годы / Под ред. Лилиан Ходцисон и др. С. 263.

57. Криз, Манн. Второе творение. С. 345.

58. Хайдт Д. Открытие слабых нейтральных токов // Вестник физических обществ азиатско-тихоокеанского региона. 15. №1. Февраль 2005 г. С. 49 (Haidt D. The Discovery of the Weak Neutral Currents // AAPPS Bulletin 15. №1 (February 2005): 49).

59. Таубс Г. Карло Руббиа и открытие W и Z // «Физике Уэрлд». 9 января 2003 г. С. 23 (Taubes G. Carlo Rubbia and the Discovery of the W and the Z // Physics World. January 9, 2003: 23).

60. Денегри Д. Когда ЦЕРН дошел до конца алфавита // «Курьер ЦЕРН». 43. №4. 1 мая 2003 г. С. 30 (Denegri D. When CERN Saw the End of the Alphabet // CERN Courier 43. №4 (May 1, 2003): 30).

61. «Нью-Йорк Таймс» от 6 июня 1983 г., разд. А, с. 16 (Europe 3, U.S. Not Even Z - Zero, New York Times, June 6, 1983, sec. A, p. 16).

62. Макдэниэл Б.Д. и Зильверман А. Роберт Ратбан Вильсон (1915-2000) // Биографические заметки. Т. 8о. Вашингтон, округ Колумбия: Нэшнл Акэдеми Пресс, 2001. С. 12 (McDaniel В. D. and Silverman A. Robert Rathbun Wilson (1915-2000) // Biographical Memoirs. Vol. 80 (Washington, DC: National Academy Press, 2001), p. 12).

63. Хервиг Шоппер, телетайп Леону Ледерману, 5 июля 2003 г., архив «Фермилаба».

64. Ходдисон Л., Колб А. Форпост науки - Сверхпроводящий суперколлайдер, 1983-1988 // «Минерва». 38, 2000. С. 275 (Hoddeson L. and Kolb A. W. The Superconducting Super Collider's Frontier Outpost, 1983-1988 // Minerva. 38 (2000): 275).

65. Леон Ледерман для Дика Терези: Божественная частица: если Вселенная - это ответ, то каким был вопрос? Нью-Йорк: Хьютон Миффлин, 2006. С. 379 (Leon Lederman with DickTeresi, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? (New York: Houghton Mifflin, 2006. P. 379)).

66. Уилл Д. Ф. Суперколлайдер // «Вашингтон Пост». 15 февраля 1987* С. С7. (Will G. F. The Super Collider // Washington Post. February 15,1987. P. C7).

67. «Комментарии президента на встрече со сторонниками программы Сверхпроводящего суперколлайдера» (на англ.), 30 марта 1988 г., исторический архив «Фермилаба».

68. Бегли Ш. Сверхпроводящая кормушка суперколлайдера. // Ньюсуик. 2 июля 1990 г. (Begley Sh. The ‘Quark Barrel’ Politics of the SSC // Newsweek. July 2.1990).

69. «Да-да, большая наука. Но какие проекты выбрать?» // «Нью-Йорк Таймс». 20 мая 1988 г. С. А30 (“Yes, Big Science. But Which Projects?” // New York Times. May 20,1988. P. A30).

70. Рейнхолд P. «Физика, шизика… - a 6 млрд долларов на дороге не валяются» // Нью-Йорк Таймс. 29 марта 1987 г. С. D4 (Reinhold R. «Physics, Shymics - This Project Is a $6 Billion Plum» // New York Times. March 29,1987. P. D4).

71. Томсен Д. Близится срок подачи заявок на площадку под ССК - гонка штатов за обладание сверхпроводящим суперколлайдером подходит к концу // «Сайенс Ньюс». 12 сентября 1987 г. (Thomsen D. Е. States Race SSC Site - Proposal Deadline - Superconducting Super Collider Site Selection // Science News. September 12,1987).

72. Франклин Б. Техас выиграл право воплощать гигантский национальный проект по дроблению атома (на англ.) // «Нью-Йорк Таймс». 11 ноября 1988 г. С. A1 (Franklin В. A. Texas Is Awarded Giant U.S. Project on Smashing Atom // New York Times. November 11.1988. P. A1).

73. В разговоре с автором в ЦЕРНе, 27 июня 2008 г.

74. Ледерман Л. О перспективе массовой миграции ученых «Фермилаба» // «Нью-Йорк Таймс». 15 ноября 1988 г. С. С8 (Lederman L. Exodus of Scientists Forecast at Fermilab // New York Times. November 15.1988. P. C8).

75. Том Кирк Майклу Рьордану, 17 июля 1999 г., в кн.: Ходцисон Л., Колб А Форпост науки - сверхпроводящий суперколлайдер, 1983-1988. С. 304.

76. Рьордан М. Сказ о двух культурах, или Как строился сверхпроводящий суперколлайдер // Исторические исследования в физических и биологических науках. 32, 2001. С. 129 (Riordan М. A Tale of Two Cultures: Building the Superconducting Super Collider // Historical Studies in the Physical and Biological Sciences. 32 (2001): 129).

77. Нейл Эшкрофт в ст.: Броуда У. Непомерные затраты на крупные проекты ставят под угрозу базовые дисциплины // «Нью-Йорк Таймс». 27 мая 1990 г. С. A1 (Broad W. J. Heavy Costs of Major Projects Pose a Threat to Basic Science // New York Times. May 27, 1990. P. A1).

78. Пензиас А в ст.: Брауни М. Растущие расходы на суперколлайдер вызывают недовольство // «Нью-Йорк Таймс». 20 мая 1990 г. С. A1 (Browne М. Supercollider’s Rising Cost Provokes Opposition // New York Times. May 29,1990. P. A1).

79. Рьордан М. Закат сверхпроводящего суперколлайдера // «Физике ин Перспектив». 2, 2000. С. 416 (Riordan М. The Demise of the Superconducting Super Collider // Physics in Perspective. 2 (2000). P. 416).

80. Уильям Джон Уомерсли в ст.: Зайфе Ч. Физика пытается выбраться из тоннеля // «Сайенс». 302, N 5642» 3 октября 2003 г. С. 36 (William John Womersley, in: Seife Ch. Physics Tries to Leave the Tunnel // Sience 302. N 5642 (October 3, 2003): 36).

81. Бергер Э. Обратная сторона научных удач. Провал техасского эксперимента // «Хьюстон Кроникл». 25 мая 2008 г. С. 1 (Berger Е. Behind a Scientifi с Success, a Failed Texas Experiment // Houston Chronicle. May 25, 2008. P. 1).

82. Мервис Дж. Ученые разъехались, но от горьких воспоминаний не спрятаться // «Сайенс». 302. N 5642* 3 октября 2003 г. С. 40 (Mervis J. Scientists Are Long Gone, But Bitter Memories Remain // Science. 302. N 5642 (October 3, 2003): 40).

83. Ледерман Л. Божественная частица.

84. Фейнман Р. Характер физических законов / Пер. с англ. B. П. Голышева, Э.Л. Наппельбаума. 2-е изд., испр. М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1987.

85. Гид по БАК. Часто задаваемые вопросы. С. 12, http://visits.web.cern.ch/visits/guides/tools/presentation/LHC_booklet-2.pdf (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

86. Вера Рубин в ст.: Боггз Э. Премия сообщества выпускников Вассар-колледжа за выдающиеся достижения // Ежеквартальный вестник сообщества выпускников / Вассар-колледж. 103. N 1. Зима 2006 г. (Vera Rubin, in: Boggs A. AAVC Award for Distinguished Achievement // Vassar, The Alumnae/i Quarterly. 103,1. Winter 2006).

87. Вера Рубин, в ст.: Чхон С. Выпускнице Вере Рубин присуждена премия за достижения в астрофизике // «Миселани Ньюс» (Вассар-колледж). 15 февраля 2007 г. (Vera Rubin, in: Cheung S. Alum Vera Rubin receives award for achievements in astrophysics // Miscellany News (Vassar College). February 15, 2007).

88. Вольтер. Кандид, или Оптимизм / Пер. с фр. Ф. Сологуба // Вольтер. Избранные сочинения / Пер. с фр. М.: Рипол Классик, 1997.

89. Брайс Девитт в телефонном разговоре с автором 4 декабря 2002 г.

90. Коллинз Б., Хокинг С. В. Почему Вселенная изотропна? // «Астрофизикал Джорнал». 180,1 марта 1973- С. 171 (С. В. Collins and S. W. Hawking, “Why Is the Universe Isotropic?”Astrophysical Journal 180 (March 1,1973): 171).

91. Димопулос С., Лэндсберг Г. Черные дыры на БАК // «Физикал Ревью Леттерс». 87,2001.161602 (Dimopoulos S. and Landsberg G. Black holes at the LHC // Physical Review Letters. 87 (2001): 161602).

92. «Запрос на временное запретительное постановление, предварительный судебный запрет и бессрочный судебный запрет», истцы: Луис Санчо и Уолтер Вагнер, гражданское дело N 08-00136-HG-KSC, окружной суд штата Гавайи, США.

93. Там же.

94. Джулия Грей в разговоре с автором в ЦЕРНе 26 июня 2008 г.

95. Нима Аркани-Хамед, в ст.: Овербай Д. Судебный иск о спасении мира, а может быть, и не только мира // «Нью-Йорк Таймс».

29 марта 2008. С. 1 (Nima Arkani-Hamed, in: Overbye D. Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More // New York Times. March 29, 2008. P. 1).

96. «Обзор вопросов безопасности при столкновениях на БАК» (на англ.), отчет ЦЕРН, июнь 2008 г. («Review of the Safety of LHC Collisions», LHC Safety Assessment Group, CERN Report, June 2008).

97. Мартинус Вельтман, в ст.: Минкел Дж. Р. Запуск БАК на носу: ученым снятся Нобелевские премии… и кошмары // «Сайнтифик Американ». 2 июля 2008 г. (Martinus Veltman, in: Minkel J. R. As LHC Draws Nigh, Nobelists Outline Dreams - and Nightmares // Scientifi с American. July 2, 2008). http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=as-lhc-draws-nigh-nobelis (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

98. Адам Юркевич в разговоре с автором в ЦЕРНе 26 июня 2008 г.

99. Барит Б. Колонка директора // «Новости МЛК». 20 декабря 2007 г. (Barish В. Director’s Corner. ILC Newsline. December 20, 2007. http://www.linearcollider.org/GDE/Director%27s-Corner/2007/20-December-2007-Omnibus-is-ominous (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

100. Венетиос Полихронакос в разговоре с автором в ЦЕРНе 27 июня 2008 г.

101. Совет по научно-техническому оборудованию, «План поставок» (на англ.), и декабря 2007 г. (Science and Technology Facilities Council, «Delivery Plan», December 11, 2007). www.scitech. ac.uk/resources/pdf/delplan_07.pdf (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

102. Брайан Мэй, в ст.: Хайфилда Р. Брайан Мэй осудил сокращение научного финансирования // «Дейли Телеграф». 14 апреля 2008 г. (Brian May, in: Highfield R. Brian May Attacks Science Research Cuts // Daily Telegraph. April 14, 2008). http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/3339436/Brian-May-attacks-science-research-cuts.html (действующая ссылка от 03.05.2010 г.).

notes

Примечания

1

Его же иногда называют истинным кварком. - Прим. пер.

2

20 ноября 2009 г. пучки снова были запущены в кольцо, а 23 ноября произошли первые столкновения. - Примеч. пер.

3

Под буквой «b» в названии кварка обычно понимают слово «bottom» - «дно» (англ.), но некоторым физикам больше нравится расшифровывать ее как beauty («красота», «прелесть»). Отсюда и имя детектора. - Примеч. пер.

4

В рамках общей теории относительности Эйнштейна рождение черных дыр на БАК невозможно. Среди альтернативных теорий гравитации, допускающих такую возможность, - так называемая тэвная гравитация, использующая понятие о дополнительных измерениях. Между тем эта теория ничем не подтверждена (см. главу «На поле браны…»). - Примеч. пер.

5

В том же 1820 г. французские физики Ж.Б. Био и Ф. Савар опытным путем установили соотношение между электрическим током и производимым им магнитным полем. - Примеч. пер.

6

Сам Рентген назвал излучение икс-лучами и был против, чтобы им давали его имя. Лишь в немногих языках (например, в русском и немецком) эти лучи носят имя своего первооткрывателя. - Примеч. пер.

7

В современной физике под массой, как правило, подразумевают только массу покоя. А чтобы избежать путаницы, вместо релятивистской массы говорят о полной энергии тела. - Примеч. пер.

8

Annus Mirabilis (лат.). - Примеч. пер.

9

Кроме таких есть и менее населенные галактики. - Примеч. пер.

10

Читается: «дубль-вэ плюс» и «дубль-вэ минус-бозоны». - Примеч. пер.

11

«СуСи» - Примеч. пер.

12

и Поповым - Примеч. пер.

13

Согласно официальному сайту Кембриджского университета (www.phy.cam.ac.uk/histoiy/old.php), лаборатория получила свое название в честь своего основателя Вильяма Кавендиша, приходившегося Генри Кавендишу дальним родственником. - Примеч. пер.

14

Доктор философии (Doctor of Philosophy, сокр. Ph.D.) - в определенном смысле заграничный аналог российской степени кандидата наук. - Примеч. пер.

15

Dear Professor Rutherford, We students of our university physics club elect you our honorary president because you proved that atoms have balls.

16

(Атомное) ядро. - Примеч. пер.

17

(Пушечные) ядра, balls (груб.) - яички. - Примеч. пер.

18

Ассоциация восьми американских университетов, которые, как считается, отличаются высоким качеством образования. - Примеч. пер.

19

Калифорнийский технологический институт. - Примеч. пер.

20

Более точно (и в соответствии с издевательским замыслом Хойла) английское Big Bang можно было бы перевести как «Большая хлопушка». - Примеч. пер.

21

Исторически первым проектом такого рода стал советский эксперимент «Реликт-1», проводившийся в 1983-1984 гг. В мае 2009 г. на орбиту был выведен PLANCK, спутник нового поколения для изучения анизотропии (неоднородностей) реликтового излучения. - Примеч. пер.

22

Норма Десмонд - героиня фильма Билли Уайлдера «Бульвар Сансет», забытая звезда киноэкрана. - Примеч. пер.

23

Сад, раскрывший объятия всему миру (фр.). - Примеч. пер.

24

Инвариантность «заряд-четность» (англ.). - Примеч. пер.

25

Это скопление также называют скоплением Coma - по латинскому названию созвездия (Coma Berenices). - Примеч. пер.

26

Гало - сферическая подсистема галактики. В него также входит звездный балдж. - Примем. пер.

27

Вообще говоря, подозрения насчет темной энергии возникли раньше 1998 г. Данные спутника СОВЕ, наблюдавшего неоднородности реликтового излучения, позволяли оценить полную плотность материи во Вселенной, а из астрономических наблюдений можно было подсчитать, сколько вещества (в том числе темного) находится в структурах (галактиках, их скоплениях, межгалактическом пространстве и т. д.). Расхождение между этими двумя цифрами следовало приписать некой материи, которая не собирается в структуры. Таковая как раз обладает свойствами темной энергии. - Примеч. пер.

28

Под сценарием Большого разрыва обычно подразумевают ситуацию, когда бесконечный размер Вселенной (бесконечное расстояние, скажем, между любыми двумя галактиками) достигается в конечный момент времени. В случае эйнштейновской космологической постоянной этот вариант развития не имеет места: в каждый момент времени все расстояния конечны, хотя и стремительно увеличиваются. - Примеч. пер.

29

Некоторые ученые для обозначения этого понятия предпочитают транслитерировать английский термин - Мультиверс (Multiverse). Однако слово «Многомир» представляется нам более «говорящим». Кроме того, концепция Многомира имеет близкое отношение к многомировой интерпретации Эверетта. - Примеч. пер.

30

Глава 11, стих 32 см., например, перевод Б.Л. Смирнова. - Примеч. пер.

31

Слова из знаменитой песни «We Are The Champions» группы Queen. - Примеч. пер.