Лаборатория Ферми в Чикаго (США). Здесь находится самый эффективный ускоритель мира – теватрон.
Сейчас в природе не существует свободных кварков. Все они стали компонентами каких-либо элементарных частиц. Как правило, те составлены из двух или трех кварков, которые могут высвободиться лишь при экстремально высоких температурах.
Вот тогда вместе с глюонами они и образуют особую смесь, которую именуют кварк-глюонной плазмой.
На страницах журнала «Сайенс» метко было замечено: кварк-глюонная плазма стала «новой увлекательной игрушкой физиков», ради которой они готовы забыть обо всем. Не похоже ли их увлечение на странную страсть средневековых ученых, решивших отыскать «философский камень»? В самом деле, в маниакальном желании теоретиков разложить все существующие ныне частицы на кварки есть что-то от давно забытого намерения алхимиков превратить все химические элементы в золото.
Современная теоретическая физика становится «вещью в себе». Здесь затевают один грандиозный эксперимент ради другого. Подобные опыты оставляют огромную брешь в «святая святых» любой страны – в ее бюджете. Вот небольшой дебет эксперимента в Брукхейвенской лаборатории. Новый ускоритель обошелся в 600 миллионов долларов. Главные детекторы, регистрирующие частицы в хаосе треков, стоили по 100 миллионов долларов каждый. Стоимость суперкомпьютеров, помогавших обрабатывать полученные результаты, – около семи миллионов долларов.
Вправе ли мы расходовать столько времени, сил и средств на эту полюбившуюся «игрушку», в то время как нас одолевает множество других серьезных проблем? Быть может, разумнее потратить деньги на что-то иное? (В скобках заметим, что российские власти в решении этой проблемы оказались «впереди планеты всей». В последнее десятилетие они оставили теоретическую науку без всякой поддержки, обрекая ее на гибель, а ученых – на эмиграцию. Что ж, и впрямь все больше российских физиков, участвуя в грандиозных экспериментах за рубежом, постепенно «подрывают экономику западных стран».)
Однако опустим политические резоны, отстаивать которые, как и любое мнение большинства, дело ошибочное. Наука всегда заслуживает больше времени, сил и средств, чем мы способны ей дать. Вопрос в другом. Почему любая идея, любой каприз физика- теоретика должны быть непременно реализованы на практике?
Современная физика, «ортодоксально» интерпретируя квантовую механику и теорию кварков, создала своего рода катехизис, нарушить который – значит превратиться в «еретика» со всеми вытекающими отсюда последствиями и опасностями. Недаром иные скептики говорят, что физика все более напоминает католическую церковь, повелевающую всеми мирскими науками. В ней есть свои кардиналы (исследователи элементарных частиц, знатоки теории относительности, приверженцы «теории струны»), есть свои папы, рассылающие грозные буллы (издатели авторитетных научно-популярных журналов). Есть и вероотступники, коих отлучают от церкви за взгляды, отличные от общих, и уничтожают, пресекая впредь любые попытки проникнуть в науку. В последние десятилетия физики воздвигли даже собственные соборы: гигантские ускорители.
В свое время средневековые схоласты гадали, сколько ангелов может пуститься в пляс на острие иглы. Перефразируя их гипотезы, лауреат Нобелевской премии по физике Леон Ледерман сказал, что «Бог скрывается на острие протонового луча». Разница лишь в том, что ученые средних веков удовлетворяли свою потребность в гипотетических исчислениях почти бесплатно; в наше же время поиск исходного принципа мироздания поглотает миллионы долларов, а проку – что в перечне ангелов, что в череде кварков и иже с ними – никакого нет и не предвидится.
Подобные сомнения одолевают даже одного из открывателей top- кварка Ханса Грассмана. Пытаясь разрубить сей гордиев узел современной науки, он как-то сказал, что все ускорители надо попросту закрыть. Иначе теоретическая физика превратится в алхимию наших дней.
Эта странная конструкция, установленная близ лаборатории Ферми, символизирует стремление физиков к идеальной симметрии.
Александр Семенов
Астрофизика элементарных частиц
Заголовок этой статьи не совсем точно передает название той отрасли науки, о которой пойдет рассказ. На английском языке он звучит как «AstroparticLe physic», то есть «астрочастичная физика». Решив, что буквальный перевод не слишком благозвучен, я слегка причесал его на свой вкус.
Долгие годы у физики элементарных частиц и астрофизики было не много общего, разве что дороговизна исследований. Физики микромира строили огромные ускорители и открыли целый зоопарк частиц, а потом придумали Стандартную модель, чтобы объяснить все намеренное. Астрофизики атаковали небо при помощи спутников и телескопов, чтобы познакомиться с не менее выразительным паноптикумом экзотических созданий: квазаров, пульсаров, черных дыр и галактических ядер. Но в наши дни эти отрасли знания слились в едином порыве, чтобы узнать, как был устроен мир в первые свои мгновения. На свет появилась астрофизика элементарных частиц.
У этой науки три главных вопроса. Как возникла существующая структура объектов во Вселенной? Какова природа темного вещества? Что лежит за пределами Стандартной модели элементарных частиц? И все эти три проблемы оказываются тесно увязанными друг с другом. Темное вещество играет очень важную роль в образовании структур Вселенной, а состоит оно (предположительно) из неизвестных пока науке частиц.
Крупнейший оптический телескоп имени Кека
Космология – основа астрофизики, поэтому мы и начнем наш разговор с нее. Раньше в статьях о космологии часто цитировали ироническую фразу известнейшего нашего теоретика Льва Ландау: «Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются». Я собираюсь поколебать это утверждение. Астрофизика частиц все прочнее опирается на экспериментальную базу, теория все крепче стоит на ногах и получает мошный импульс для развития.
Сорок лет назад космология была областью науки для ограниченного круга экспертов. Двумя основными проблемами тогда были постоянная Хаббла, определяющая расширение Вселенной, и параметр замедления. Современная эра началась в 1964 году, когда американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон из лаборатории Белла обнаружили реликтовое микроволновое излучение. Хоть и датируется модель Большого Взрыва 1929 годом, когда Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, лишь открытие «эха Большого Взрыва» превратило космологию в науку.
В семидесятые годы спектр микроволнового фона был тщательно промерен на разных д линах волн, и научное сообщество убедилось, что ничем иным, кроме расширяющегося газа фотонов, это излучение быть не может. Тогда же было точно измерено относительное содержание дейтерия и других легких элементов в веществе Вселенной, и оно было как раз таким, как предсказывает теория Большого Взрыва.
Каковы же основные ее положения?
1. В начале Вселенной была плазма из элементарных частиц, кварков, лептонов, фотонов и, может, чего-то еще, нам пока не известного. Вселенная расширялась и остывала. Первые триста тысяч лет энергия была так высока, что постоянно происходило превращение излучения в вещество и обратно.
2. Кварки стали объединяться в частицы через десятитысячную долю секунды после взрыва. Ядра дейтерия, гелия и лития возникли в первые десять – сто секунд, а вот образования атомов пришлось ждать сотни тысяч лет. Тогда температура газа фотонов упала настолько, что они уже не могли больше разбивать атомы. С тех пор вещество и излучение стали расширяться независимо.
3. После отделения вещества от излучения на небольших флуктуациях плотности вещества стали нарастать будущие зародыши галактик, галактических кластеров и других структур.