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.