Джеймс Бичем: Исследование неразрешенных вопросов в физике

Кое-что в физике не давало мне покоя с самого детства. Речь идет о вопросе, которым ученые задаются почти 100 лет и не получают ответа. Как мельчайшие природные объекты, частицы квантового мира, соотносятся с крупнейшими объектами в природе — планетами, звездами и галактиками, которые удерживает гравитация?

В детстве я ломал голову над подобными вопросами, возился с микроскопами и электромагнитами, читал о слабых взаимодействиях и квантовой механике. Я изумлялся, как прекрасно это описание соответствовало нашим наблюдениям. Я смотрел на звезды и читал о том, насколько хорошо мы понимаем гравитацию; уверенно полагал, что должен быть изящный способ объединить эти две системы. Однако это не так. В книгах говорилось, что мы многое понимаем в каждой из этих систем по отдельности, но при попытке связать их математически все рушится.

В течение 100 лет ни одна из наших идей решения этой главной физической катастрофы не была подкреплена доказательствами. Для меня прежнего — маленького любопытного скептика Джеймса — этот ответ был в высшей степени неудовлетворительным.

Так что я все тот же малыш-скептик. Теперь перенесемся в декабрь 2015 года, когда я в непосредственной близости наблюдал, как мир физики переворачивается с ног на голову. Дело в том, что мы в ЦЕРН увидели нечто занимательное в наших данных: намек на новую частицу, которая может стать исключительным ответом на этот вопрос.

Оставаясь ребенком-скептиком, я также и охотник на частицы. Я физик, работающий в ЦЕРН с Большим адронным коллайдером — крупнейшим научным экспериментом из когда-либо построенных. Это 27-километровый тоннель на границе Франции и Швейцарии, расположенный на глубине 100 метров. В этом тоннеле мы используем сверхпроводящие магниты, которые холоднее космического пространства, чтобы разогнать протоны почти до скорости света и заставить их сталкиваться друг с другом миллионы раз в секунду. Затем мы собираем осколки от этих столкновений для поиска новых, неоткрытых фундаментальных частиц. Тысячи физиков со всего мира десятки лет трудились над его разработкой и строительством. Летом 2015 года мы работали без устали, чтобы включить БАК на самой высокой в истории работы с коллайдерами мощности.

Высокая мощность важна, потому что для частиц существует равнозначность между энергией и массой частицы, а масса – это лишь число, присвоенное природой. Чтобы открыть новые частицы, необходимо достигнуть этих бо́льших чисел. Для этого мы построили коллайдер, который быстрее и мощнее предшественников, и теперь крупнейший и мощнейший коллайдер в мире – Большой адронный коллайдер. Там мы сталкиваем протоны квадриллионы раз и очень медленно, в течение нескольких месяцев, собираем данные. Новые частицы могут появиться в данных в виде неровностей — небольших отклонений от ожидаемых данных, маленьких кластеров, из-за которых линия становится менее плавной. Например, эта неровность: после месяцев сбора данных в 2012 году она привела к обнаружению частицы Хиггса — бозона Хиггса — и к Нобелевской премии за подтверждение его существования.

Этот энергетический скачок в 2015 году предоставил лучшую в истории человечества возможность для открытия новых частиц — это новый ответ на давние вопросы, потому что нынешняя мощность почти в два раза больше той, на которой был открыт бозон Хиггса. Многие мои коллеги посвятили этому моменту всю свою карьеру, и, если честно, для меня — любопытного малыша — это был момент, которого я ждал всю жизнь. Итак, в 2015 году пришла пора действовать.

В июне 2015 года БАК снова запустили. Я вместе с коллегами затаил дыхание и кусал ногти, а затем мы увидели первое столкновение протонов, на крупнейшей в истории мощности. Аплодисменты, шампанское, празднование. Это было важным событием для науки, и мы понятия не имели, что обнаружим в новейших данных. Через несколько недель мы обнаружили неровность. Она была не очень большой, но достаточной, чтобы заинтересовать нас. По 10-балльной шкале удивительности, где 10 означает открытие новой частицы, наше событие тянет на четверочку.

Я провел часы, дни, недели на секретных собраниях, споря с коллегами по поводу маленькой неровности, подвергая ее самым жестким экспериментам, чтобы выяснить, выдержит ли она критику. Однако после месяцев лихорадочной работы, когда мы не выбирались домой и спали в офисах, ужинали шоколадными батончиками и ведрами глушили кофе — физики — это машины по преобразованию кофе в диаграммы — эта маленькая неровность не исчезла. Так что через несколько месяцев мы представили ее миру и ясно дали понять: эта неровность интересная, но неоднозначная, поэтому давайте понаблюдаем за ней, пока не получим больше данных. Мы старались вести себя предельно спокойно.

В любом случае новость облетела весь мир. СМИ она очень понравилась. Людям это напомнило небольшую неровность, которую представили перед открытием бозона Хиггса. Более того, мои коллеги-теоретики — я их просто обожаю — написали 500 научных статей об этой маленькой неровности.

Мир физики элементарных частиц перевернулся с ног на голову. Но что же в этой маленькой неровности заставило тысячи физиков потерять самообладание? Она была уникальной и указывала на то, что мы наблюдали неожиданно большое число столкновений, осколки которых состояли лишь из двух фотонов — двух частиц света. А это редкость.

Cоударение частиц не похоже на столкновение автомобилей. У них разные правила. Столкновение двух частиц почти на скорости света переносит их в квантовый мир. И в квантовом мире эти две частицы могут быстро создать новую частицу, которая живет крошечную долю секунды перед распадом на другие частицы, которые улавливает наш датчик. Представьте, что при столкновении две машины исчезают, а на их месте возникает велосипед.

А затем велосипед распадается на два скейтборда, врезающиеся в датчики.

Надеюсь, не в буквальном смысле. Датчики очень дорогие.

Случаи, когда детектор фиксирует лишь два фотона, очень редки. Из-за особых квантовых свойств фотонов существует очень мало вариантов потенциальных новых частиц — мифических велосипедов, — которые могут породить лишь два фотона. Но один из этих вариантов грандиозный, он связан с давним вопросом о гравитации, который волновал меня с самого детства.

Гравитация может показаться вам очень сильной, однако она гораздо слабее других сил природы. Я могу ненадолго преодолеть гравитацию во время прыжка, но не могу вынуть протон из своей руки. Какова сила гравитации по сравнению с другими силами природы? Десять в минус тридцать девятой степени. Это десятичное число, за которым следуют 39 нулей.

Кроме того, все другие известные силы природы прекрасно характеризует так называемая Стандартная модель, лучшее на сегодняшний день описание мельчайших объектов природы, и, честно говоря, одно из самых успешных достижений человечества — все портит гравитация, которая отсутствует в Стандартной модели. Сумасшествие. Словно бо́льшая часть гравитации пропала без вести. Мы слегка ощущаем ее, но где все остальное? Никто не знает.

Однако есть теоретическое объяснение, которое предлагает безумное решение. Я и вы — даже сидящие в конце зала — живем в трех измерениях. Надеюсь, это неоспоримое заявление.

Все известные частицы также существуют в трех измерениях пространства. По сути, «частица» — это лишь синоним возбуждения в трехмерном пространстве; локализованное колебание в пространстве. Куда важнее, что математика, с помощью которой мы все это описываем, предполагает существование лишь трех измерений пространства. Но это ведь математика, и мы можем играть с ней, как пожелаем. Люди забавлялись с дополнительными измерениями пространства долгое время, но это всегда было абстрактной математической концепцией. Все вы, оглянитесь: несомненно, существует только три измерения пространства.

Но что, если это не правда? Что, если часть гравитации просачивается в дополнительное пространственное измерение, которое невидимо для нас с вами? Что, если бы вы смогли заглянуть в это дополнительное измерение и обнаружить, что гравитация не слабее других сил, а слабой она кажется только потому, что на нас воздействует лишь малая ее часть? Будь это правдой, нам пришлось бы расширить Стандартную модель частиц, чтобы включить дополнительную, гиперпространственную частицу гравитации, особый гравитон, существующий в дополнительных измерениях.

Я вижу, что выражают ваши лица. Вам следует спросить меня: «Каким образом мы проверим эту безумную научно-фантастическую идею, если мы застряли в трех измерениях?» Так же, как и всегда — столкнем два протона с такой силой, что столкновение отразится в любом дополнительном пространственном измерении, на мгновение создав этот гиперспространственный гравитон, который затем снова защелкнется в трех измерениях БАК и оставит два фотона, две частицы света. Этот гипотетический межпространственный гравитон – одна из немногих возможных гипотетических новых частиц, обладающих особыми квантовыми свойствами, которые могут породить нашу маленькую неровность из двух фотонов.

Итак, перед нами появилась перспектива объяснения тайн гравитации и открытия дополнительных измерений пространства — возможно, теперь вы понимаете, почему тысячи помешанных на работе физиков потеряли самообладание перед этой маленькой 2-фотонной неровностью. Подобное открытие заставит переписать учебники. Но помните сообщение от нас, экспериментаторов, которые постоянно этим занимаются: нужно больше данных. Большое число данных может либо превратить маленькую неровность в новенькую Нобелевскую премию, либо заполнить пространство вокруг этой неровности и вернуть линии плавность.

Поэтому мы собрали в 5 раз больше данных, и спустя несколько месяцев наша маленькая неровность превратилась в плавную линию. В новостях сообщили об «огромном разочаровании», о «потере надежды» и «опечаленных» ядерных физиках. После таких заявлений можно подумать, что мы решили закрыть БАК и разойтись по домам.

Однако мы этого не сделали. Но почему нет? Ведь если я не открыл частицу, почему я сейчас выступаю перед вами? Почему я не пошел домой, понурив голову?

Ядерные физики – исследователи. В основном мы занимаемся картографией. Позвольте мне сказать следующее: забудьте о БАК на секунду. Представьте: вы космический исследователь, прибывший на далекую планету в поисках инопланетян. Что вы делаете в первую очередь? Захо́дите на орбиту планеты, приземляетесь, осматриваетесь в поисках очевидных признаков жизни и докладываете на базу. Мы сейчас находимся на этой стадии. Мы впервые заглянули в БАК в поисках новых, больших и заметных частиц и теперь можем сообщить, что таких нет. Мы увидели подозрительный инородный выступ на горе, но, подойдя ближе, увидели, что это просто камень.

Но что же делать дальше? Просто сдаться и улететь? Однозначно нет; мы были бы ужасными учеными, поступив так. Нет, следующие пару десятилетий мы будем исследовать, составим карту территории, просеем песок качественными инструментами, заглянем под каждый камень, пробурим поверхность. Новые частицы могут возникнуть внезапно, в виде больших, очевидных неровностей, но они также могут обнаружиться спустя годы сбора данных.

Человечество лишь начало исследования в БАК на высокой мощности, и нам предстоят долгие поиски. Но что если через 10 или 20 лет мы так и не обнаружим новую частицу? Мы построим машину побольше.

Мы будем искать на бо́льших мощностях. Уже идет планирование 100-километрового тоннеля, который будет в 10 раз мощнее БАК. Природа решает, где разместить новые частицы, а не мы. Мы только решаем продолжать поиски. Но что, если даже после строительства туннеля на 100 и 500 километров, или создания 10 000-километрового коллайдера в космосе между Землей и Луной, мы так и не обнаружим новые частицы? Тогда, возможно, мы неверно занимаемся физикой частиц.

Возможно, нам нужно многое переосмыслить. Возможно, нам нужно больше ресурсов, технологий и опыта, чем есть сейчас. Мы уже частично используем в БАК искусственный интеллект и техники обучения машин, но представьте эксперимент в физике частиц с такими сложными алгоритмами, что они сами научатся обнаруживать гиперпространственный гравитон.

Но что, если? Главный вопрос: что, если даже искусственный интеллект не сможет помочь ответить на наши вопросы? Что, если открытые столетиями вопросы обречены остаться без ответа в обозримом будущем? Что, если проблемы, которые с детства не давали мне покоя, обречены остаться без ответа до конца моей жизни? Тогда… это будет даже более захватывающе.

Нам придется думать в совершенно новых направлениях, придется вернуться к своим предположениям и поискать в них ошибку. Также необходимо привлекать в науку больше людей, которые смогут взглянуть на эти вековые проблемы свежим взглядом. У меня нет ответов, но я продолжаю их искать. Но кто-то — возможно, сейчас она учится в школе или даже еще не родилась — сможет в итоге заставить нас по-новому взглянуть на физику и указать, что, возможно, мы просто задаем неправильные вопросы. Это будет не концом физики, а только новым началом.

Перевод: Наталья Писемская
Редактор: Екатерина Юссупова

Источник