Люди задавали вопросы о природе материи на протяжении тысячелетий, но только за последние 120 лет это любопытство наконец привело нас к некоторым ответам. Сегодня наше понимание мельчайших составляющих природы и сил, которые ими управляют, описывается физикой элементарных частиц – одной из самых впечатляющих, сложных и творческих областей, которыми когда-либо занимался человек. Сегодня мы обладаем глубокими знаниями о физической материи Вселенной и о том, как она работает. Мы обнаружили, что реальность обладает богатством и сложностью, которые люди всего несколько поколений назад и представить себе не могли. Мы отвергли идею, что атом – мельчайшая частица нашего мира, открыв фундаментальные частицы, не играющие никакой роли в обычной материи, но необходимые по расчетам математики, которая – несколько чудесным образом – описывает нашу реальность. Всего за несколько десятилетий мы научились собирать все эти фрагменты воедино – от взрыва энергии в начале Вселенной до самых точных измерений.
Наш взгляд на мельчайшие составляющие природы быстро менялся на протяжении последних 120 лет – от радиоактивности и электрона до атомного ядра и ядерной физики, наряду с развитием квантовой механики (которая описывает природу в мельчайших масштабах). В ХХ веке это стали называть «физикой высоких энергий», фокус сместился с атомного ядра на обнаруженные новые частицы. Сегодня изучение всех многочисленных частиц и того, как они формируются, ведут себя и трансформируются, просто называется физикой элементарных частиц.
Стандартная модель физики элементарных частиц классифицирует все известные частицы в природе и силы, с помощью которых они взаимодействуют. Эта модель разрабатывалась многими физиками на протяжении десятилетий, а наша нынешняя версия появилась в 1970-х годах. Эта теория – абсолютный триумф: математически элегантная и невероятно точная, но при этом компактная, как принт на кружке. Студенткой меня невероятно увлекало то, насколько полно Стандартная модель, казалось, описывает работу природы на фундаментальном уровне.
Стандартная модель говорит нам, что вся материя, составляющая наше повседневное существование, состоит всего из трех частиц. Мы состоим из двух типов кварков, «верхних» и «нижних», которые формируют наши протоны и нейтроны. Эти два типа кварков вместе с электронами составляют атомы, удерживаемые вместе силами электромагнетизма и сильным и слабым ядерным взаимодействием. Вот и все! Это мы и все, что нас окружает[1]. Но, несмотря на то что мы состоим всего лишь из кварков и электронов, мы – люди – каким-то образом поняли, что в природе есть нечто большее.
Мы достигли триумфа не только благодаря концептуальным и теоретическим успехам. Стереотип о гении-одиночке, теоретизирующем за письменным столом, в значительной степени неверен. На протяжении более чем столетия такие вопросы, как «Что находится внутри атома?», «Какова природа света?» и «Как эволюционирует Вселенная?», рассматривались физиками сугубо практическим образом. Причина, по которой мы можем сегодня сказать, что наверняка знаем ответы на эти вопросы и что наши теоретические модели отражают реальность, заключается не в том, что наши расчеты кажутся верными, а в проводимых нами экспериментах.
Когда многие из нас в детстве сталкиваются с идеей о том, что протоны, нейтроны и электроны составляют окружающий нас мир, очень мало говорится, как именно человечество узнало о материи, силах и вообще обо всем. Протон в миллион миллионов раз меньше песчинки, и далеко не очевидно, как можно работать с чем-то столь малым. Это и есть искусство экспериментальной физики: следовать за нашим любопытством, от зародыша идеи до реального физического оборудования и накопления новых знаний. Тем вечером в астролагере понимание того, что физика нравится мне больше, когда я имею дело с ней лично, привело меня к идее стать физиком-экспериментатором.
В то время как физики-теоретики могут наслаждаться математическими возможностями, эксперименты подводят нас к пугающей границе уязвимости – реальному миру. Вот в чем разница между теорией и экспериментом: идеи физика-теоретика должны учитывать результаты экспериментов, а у физика-экспериментатора – более тонкая работа. Экспериментатор не просто проверяет идеи физиков-теоретиков – он задает собственные вопросы, а также проектирует и создает оборудование, с помощью которого можно на них ответить.
1
Вы можете заметить, что я не включила сюда гравитацию, несмотря на то, что мы испытываем ее ежедневно. Гравитация не включена в Стандартную модель и невероятно слаба по сравнению с тремя другими силами. Вопрос, почему это так и как объединить эти теории вместе, представляет собой одну из величайших проблем физики XXI века.