Почему Е=mc?? И почему это должно нас волновать Кокс Брайан

6. И какое нам до этого дело? Об атомах, мышеловках и энергии звезд

Знаменитое уравнение Эйнштейна заставило нас переосмыслить свои представления о массе. Мы поняли, что масса – это не только показатель количества вещества, содержащегося в чем-то, но и мера потенциальной энергии, которую содержит это вещество. Кроме того, мы пришли к выводу, что, если бы умели высвобождать эту энергию, нам удалось бы получить в свое распоряжение огромный источник энергии. В этой главе мы уделим немного времени изучению способов, посредством которых действительно можно высвободить энергию массы. Но прежде давайте более внимательно проанализируем наше новое уравнение – E = mc + mv.

Вспомните, что версия уравнения E = mc – это всего лишь приближение (хотя и достаточно хорошее) для скоростей, не превышающих 20 процентов от скорости света. Такая запись уравнения делает разделение энергии на энергию массы и кинетическую энергию более очевидным. Мы больше не будем напоминать вам, что это лишь приближенная формула. Напомним также, что мы можем построить вектор в пространстве-времени, длина которого в пространственном направлении представляет собой сохраняющуюся величину, что сводится к старому закону сохранения импульса для небольших по сравнению со скоростью света скоростей. Поскольку длина нового вектора импульса в пространстве-времени сохраняется, длина этого вектора во временном направлении также должна быть сохраняющейся величиной и равна она mc + mv. Мы знаем, что mv – формула кинетической энергии (величины, давно известной ученым), поэтому определили эту сохраняющуюся величину как энергию. Важно то, что мы начали не с закона сохранения энергии. Он возник совершенно неожиданно, когда мы попытались найти пространственно-временную версию закона сохранения импульса.

Представьте себе корзину заряженных мышеловок, в пружинах которых заключена энергия. Мы знаем, что сжатая пружина содержит энергию, так как приведение мышеловки в действие сопровождается громким хлопком (это энергия, высвобожденная в виде звука), а сама мышеловка может подскочить (при этом высвобождается кинетическая энергия). А теперь представьте, что в нашей корзине одна мышеловка срабатывает и приводит в действие все остальные. Когда мышеловки захлопываются, энергия пружин высвобождается, что создает настоящий грохот. Закон сохранения энергии гласит, что количество энергии до срабатывания мышеловок должно быть эквивалентно количеству высвободившейся энергии. Более того, так как мышеловки находились сначала в состоянии покоя, общее количество их энергии должно быть равным mc, где m – общая масса корзины заряженных мышеловок. После срабатывания мы имеем захлопнувшиеся мышеловки и высвободившуюся энергию. Количество энергии до срабатывания мышеловок должно равняться количеству энергии после их срабатывания, а следовательно, корзина заряженных мышеловок должна быть тяжелее корзины захлопнувшихся. Рассмотрим еще один пример, на этот раз связанный с увеличением массы под воздействием кинетической энергии. Масса наполненной газом емкости больше, чем идентичной емкости, содержащей такой же газ, но при более низкой температуре. От температуры зависит скорость движения молекул в емкости: чем выше температура газа, тем быстрее движутся молекулы. Поскольку молекулы перемещаются быстрее, они обладают большей кинетической энергией (другими словами, результат сложения значений mv для каждой молекулы выше при более высокой температуре газа), а значит, в этом случае масса емкости больше. Эта логика распространяется на все, что имеет запас энергии. Масса новой батарейки больше массы отработанной; масса термоса с горячим кофе больше массы термоса с холодным; только что испеченный пирог с мясом и картофелем более массивен по сравнению с остывшим.

Таким образом, превращение массы в энергию – не такой уж необычный процесс. Он происходит постоянно. Когда вы отдыхаете у потрескивающего камина, впитывая тепло от горящих углей, это тепло отнимает энергию у угля. Утром, когда камин уже погаснет, вы можете тщательно собрать пепел и взвесить его на невероятно точных весах. Даже если бы вам удалось чудесным образом собрать весь пепел до последнего атома[31], вы обнаружили бы, что вес пепла меньше веса исходного угля. Согласно формуле E = mc, разность между весом угля и пепла равна частному от деления количества высвободившейся энергии на квадрат скорости света: m = E/c. Мы легко можем подсчитать, насколько крохотным было бы изменение массы угля в камине, согревающем ваш дом, когда надвигается ночь. Если такой камин генерирует тысячу ватт энергии в течение восьми часов, то общее количество выделенной энергии составляет 1000 (8 60 60) джоулей (чтобы получить результат в джоулях, мы должны выполнять расчеты в секундах, а не в часах), что немногим менее 30 миллионов джоулей. Следовательно, соответствующая потеря массы должна быть равной частному от деления 30 миллионов джоулей на квадрат скорости света, а это меньше одной миллионной грамма. Такое крохотное сокращение массы – прямое следствие закона сохранения энергии. До зажигания камина общее количество энергии угля равно произведению общей массы угля и квадраа скорости света. Когда огонь загорается, энергия уходит из камина. Через какое-то время огонь в камине затухает и остается только пепел. Согласно закону сохранения энергии общее количество энергии пепла должно быть меньше общего количества энергии угля на величину, равную энергии, которая ушла на нагревание комнаты. Энергия пепла равна произведению его массы на квадрат скорости света. При этом пепел должен быть легче исходного угля на величину, которую мы рассчитали выше.

Таким образом, процесс превращения массы в энергию и энергии в массу – вполне обычное явление, лежащее в основе всего происходящего в природе. Для того чтобы во Вселенной случались любые события, энергия и масса должны постоянно превращаться друг в друга. Как вообще можно было объяснять любые процессы с участием энергии до того, как мы узнали эти на первый взгляд элементарные факты? Не следует забывать, что Эйнштейн впервые написал свое знаменитое уравнение E = mc в 1905 году, когда мир был уже далеко не примитивен. В 1830 году между Ливерпулем и Манчестером была введена в действие первая междугородняя пассажирская железная дорога, по которой ходили угольные паровые локомотивы. Океанские лайнеры, работающие на угле, пересекали Атлантический океан на протяжении 70 лет, а золотой век пара достиг своего апогея, когда были спущены на воду работающие на паровых турбинах лайнеры – «Мавритания» и «Титаник». Безусловно, ученые викторианской эпохи знали, как сжигать уголь, добиваясь при этом впечатляющего эффекта, но как ученые того времени понимали физику процесса горения до того, как Эйнштейн написал свое знаменитое уравнение? Инженер XIX столетия сказал бы, что уголь содержит потенциальную энергию, эквивалентную энергии множества миниатюрных мышеловок, а под влиянием химической реакции горения угля эти мышеловки захлопываются и энергия высвобождается. Эта схема работает и позволяет выполнять достаточно точные расчеты для создания таких машин, как океанский лайнер или паровой локомотив. Постэйнштейновское понимание данного процесса не противоречит этой схеме, а скорее дополняет ее. Другими словами, теперь мы понимаем, что концепция потенциальной энергии неразрывно связана с концепцией массы: чем большей потенциальной энергией обладает тот или иной объект, тем больше его масса. До Эйнштейна ученым даже в голову не приходила мысль о существовании такой связи между массой и энергией, поскольку им не доводилось рассуждать в этом ключе. Их представления о протекающих в природе процессах были достаточно точными, чтобы объяснить тот мир, который они наблюдали, и решить проблемы, с которыми сталкивались, а изменение массы было настолько крохотным, что не нужно было даже знать о нем.

Здесь следует обратить внимание на еще один важный аспект науки. С каждым очередным уровнем понимания формируется новая, более точная картина мира. Текущее понимание мироустройства никогда не претендовало на полную корректность в том смысле, что в науке нет абсолютных истин. На любом этапе истории, в том числе в наше время, совокупность научных знаний представляет собой не более чем ряд теорий и представлений об окружающем мире, которые еще не были опровергнуты.

Во всех приведенных выше примерах происходит очень маленькое, незначительное изменение массы, но высвобождение соответствующей энергии может быть весьма существенным. Камин согревает нас, а горячий пирог вкуснее холодного. В случае горящего угля энергия, содержащаяся в нем, имеет химическое происхождение. Молекулы, из которых состоит уголь, перегруппируются и превращаются в пепел в результате химической цепной реакции, инициированной зажженной спичкой. Когда связи между молекулами разрываются и перестраиваются, а атомы снова соединяются друг с другом, образуя новые молекулы, этот процесс сопровождается высвобождением энергии и сокращением массы. Химическая энергия берет свое начало в структуре атомов. Самый простой пример – отдельный атом водорода, который состоит из одного электрона, вращающегося вокруг одного протона. Это настолько простая структура, что физики могут использовать квантовую теорию, для того чтобы рассчитать, как должна меняться масса такого атома при изменении движения электрона вокруг протона. Существует минимальное значение массы атома водорода, которое на мизерных 0,00000000000000000000000000000000002 килограмма меньше совокупной массы электрона и протона, расположенных достаточно далеко друг от друга. Тем не менее в случае превращения в энергию значимость этой разницы заметно возрастает. Спросите об этом любого химика или испытайте на собственном опыте, расположившись у камина.

Поскольку специалисты по физике элементарных частиц так же ленивы, как и обычные люди, они не любят записывать очень малые числа со множеством нулей и десятичных знаков и обычно не измеряют массу в килограммах, используя вместо этого единицу под названием «электрон-вольт». Электрон-вольт равен энергии, получаемой электроном, ускоренным полем с разностью потенциалов один вольт. Это очень мало, и мы снова рискуем потратить много чернил, записывая длинные числа. Проще говоря, если вы возьмете батарейку на девять вольт и построите из нее маленький ускоритель частиц, это позволит вам придать электрону девять электрон-вольт энергии. Электрон-вольт можно превратить в массу, разделив его на квадрат скорости света (не забывайте, что E = mc). Чтобы было понятнее, атом водорода имеет наименьшую массу, которая на 13,6 эВ/с меньше совокупной массы протона (938 272 013 эВ/с) и электрона (510 998 эВ/с). (1 эВ – это краткое обозначение одного электрон-вольта энергии.) Обратите внимание, что сохранение знаменателя c в единице измерения позволяет без труда определить, сколько энергии содержится в протоне, находящемся в состоянии покоя. Так как энергия рассчитывается посредством умножения массы на квадрат скорости света, с2 можно сократить и энергия будет равна просто 938 272 013 эВ.

Следует отметить, что масса атома водорода меньше, а не больше суммы его составляющих. Создается впечатление, будто этот атом содержит некую отрицательную энергию. В данном контексте в отрицательной энергии нет ничего мистического: фраза «содержит отрицательную энергию» означает только то, что для разделения атома на части понадобятся определенные усилия. Эту энергию часто обозначают термином «энергия связи». Следующая по величине масса атома водорода на 10,2 эВ/с меньше суммы его составляющих[32]. Мистическая и зачастую неверно понимаемая квантовая теория на самом деле называется так именно потому, что такая масса представляет собой дискретную («квантованную») величину. Например, не существует атома водорода, масса которого была бы на 2 эВ/с больше минимальной массы. В действительности в этом и состоит весь смысл слова «квант». Разность между массами атома водорода обусловлена переходом электрона на другую орбиту, по которой он движется вокруг ядра, представленного в случае атома водорода одним протоном.

С учетом вышесказанного необходимо весьма осторожно подходить к изображению орбит электрона, поскольку они не имеют ничего общего с орбитами планет, движущихся вокруг Солнца. Проще говоря, у атома с наименьшей массой электрон находится ближе к протону, чем у атома со следующей по величине массой, и так далее. Состояние, когда в атоме водорода электрон максимально приближен к протону, называют основным состоянием атома водорода, в котором он имеет минимально возможный вес. Если прибавить определенное количество энергии, электрон перейдет на следующую возможную орбиту и атом станет немного тяжелее, причем это происходит исключительно по причине притока к атому дополнительного количества энергии. В этом смысле приток энергии к атому подобен взведению пружины в мышеловке.

Все это вызывает встречный вопрос: откуда известны такие детали об атоме водорода? Мы ведь не измеряли все эти крохотные различия между значениями массы с помощью обычных весов. В основе квантовой теории лежит волновое уравнение Шредингера, которое мы можем использовать для прогнозирования значеий массы. Легенда гласит, что Шредингер открыл уравнение, ставшее одним из самых важных в современной физике, когда проводил зимний отпуск со своей возлюбленной в Альпах во время новогодних и рождественских праздников 1925–1926 года. В учебниках по физике ничего не сказано о том, как он объяснил все это своей жене. Нам остается только надеяться, что она смогла оценить результат трудов супруга так же, как и целые поколения студентов-физиков, которые знают наизусть уравнение, получившее имя своего создателя. Рассчитать уравнение Шредингера для такого простого атома, как атом водорода, не так уж сложно, и эти расчеты украсили многие экзаменационные работы студентов последних курсов. Однако математическая разрешимость мало что значит без подкрепляющих доказательств, полученных в ходе экспериментов. К счастью, следствия квантовой природы строения атома наблюдать достаточно легко. В действительности мы видим их каждый день. В квантовой теории существует общий принцип, который можно сформулировать примерно так: если оставить в покое более тяжелый объект, он станет более легким, если это вообще возможно. Понять этот принцип нетрудно. Если объект оставить в покое, он не сможет стать тяжелее ввиду отсутствия притока энергии. С другой стороны, всегда существует вероятность, что он выделит часть энергии и станет легче. Безусловно, есть еще третий вариант, когда объект ничего не делает и остается неизменным, как зачастую и происходит. В случае атома водорода это означает, что его более тяжелая версия в конце концов потеряет часть своей массы. Это произойдет в результате выделения атомом водорода одной частицы света – фотона, с которым мы уже встречались. Например, в какой-то момент атом водорода с массой, самой близкой к минимальной, может внезапно превратиться в самый легкий атом водорода вследствие изменения орбиты электрона. Избыточную энергию несет в себе фотон[33]. Может наблюдаться и обратный процесс. Если фотон окажется рядом с атомом водорода, этот атом может поглотить его, что приведет к увеличению массы атома, поскольку под воздействием поглощенной энергии его электрон переходит на более высокую орбиту.

Пожалуй, самый привычный способ обеспечить приток энергии в атомы – их нагреть. Это заставляет электроны переходить на более высокие орбиты, а затем возвращаться, выделяя при этом фотоны (именно такой физический процесс лежит в основе работы натриевой газоразрядной лампы). Эти фотоны несут в себе энергию, количество которой эквивалентно разности энергий на разных орбитах, и обнаружение таких фотонов позволило бы нам приоткрыть окно в структуру материи. К счастью, мы сталкиваемся с ними постоянно, поскольку наши глаза – не более (или не менее) чем детекторы фотонов, воспринимающие их энергию как цвет. Лазурная голубизна океана вокруг тропического острова, желтые бриллианты звезд Ван Гога и ваша кровь цвета красной охры – все это прямой результат восприятия вашими глазами квантовой структуры вещества. Происхождение цветов, излучаемых газами при высоких температурах, было одной из движущих сил открытия квантовой теории на рубеже XX столетия. На протяжении долгих лет множество дотошных ученых внимательно наблюдали за всем, что испускает свет. В нашем языке их труд увековечен в названии газа, которым мы наполняем воздушные шары. Слово «гелий» происходит от древнегреческого «гелиос», что означает «солнце», поскольку спектральную линию этого элемента впервые обнаружил Пьер Жансен[34] во время солнечного затмения в 1868 году. Так ученые открыли гелий в составе нашей звезды еще до того, как нашли его на Земле. Сегодня астрономы ищут признаки жизни в дальних мирах, анализируя характерные следы кислорода в свете звезд, пронизывающем атмосферу планет в тот момент, когда они проходят по диску своих материнских звезд. Спектроскопия (так называется эта научная дисциплина) – мощный инструмент исследования Вселенной снаружи и изнутри.

Все существующие в природе атомы представлены в виде башни энергий (или масс), в зависимости от того, где находятся электроны. Поскольку во всех атомах, кроме атома водорода, содержится больше одного электрона, они излучают свет всех цветов радуги и даже более широкого спектра – именно поэтому нас окружает настолько красочный мир. В самом общем виде химия – это область науки, которая изучает процессы, происходящие в тот момент, когда две группы атомов приближаются друг к другу (но не слишком близко). В случае сближения двух атомов водорода протоны отталкиваются, потому что оба несут положительный электрический заряд. Однако такое отталкивание компенсируется тем, что электрон одного атома притягивает протон другого. В итоге создается оптимальная конфигурация, в которой два связанных между собой атома образуют молекулу водорода. Эти атомы связаны между собой в том же смысле, в котором электрон удерживается на своей орбите вокруг ядра атома водорода. Наличие связи между атомами означает, что требуются определенные усилия, чтобы отделить их друг от друга. В данном контексте под «приложить усилия» подразумевается необходимость обеспечить приток энергии. Если нам нужно добавить энергии, чтобы разбить молекулу на части, значит, масса молекулы меньше общей массы двух атомов водорода, из которого она состоит, точно так же как масса атома водорода меньше совокупной массы его составляющих. В обоих случаях энергия связи возникает под воздействием электромагнетизма, о котором шла речь в начале книги.

Как известно каждому, кто проводил время в школьной химической лаборатории с коробком спичек и невнимательным учителем, химическая реакция порой сопровождается выделением энергии. Горящий уголь в камине – прекрасный, хорошо поддающийся контролю пример: достаточно поднести зажженную спичку – и энергия непрерывно вырабатывается на протяжении многих часов. Более драматичный пример – когда взрывающаяся шашка динамита выделяет то же количество энергии, что и камин, но гораздо быстрее. Эта энергия генерируется не под воздействием спички, которой зажигают камин, или запала шашки динамита, а под воздействием энергии, в них содержащейся. Главное, что в случае потери какого-то количества энергии суммарная масса продуктов реакции всегда должна быть меньше исходной массы.

Последний пример может еще лучше проиллюстрировать идею высвобождения энергии в процессе химической реакции. Представьте себе, что вы сидите в помещении, наполненном молекулами водорода и кислорода. В такой среде мы могли бы дышать, и на первый взгляд это может показаться вполне безопасным и комфортным, поскольку, для того чтобы отделить друг от друга два атома в молекуле водорода, необходима энергия. Это позволяет предположить, что молекула водорода должна быть устойчивой субстанцией. Однако такая молекула может быть расщеплена посредством химической реакции, которая генерирует внушительное количество энергии. Причем настолько внушительное, что газообразный водород можно считать весьма опасным веществом. Этот газ легко воспламеняется в воздухе – достаточно буквально искры, чтобы вызвать настоящую катастрофу. Мы можем проанализировать этот процесс чуть подробнее, описывая его на нашем новом языке. Допустим, мы смешаем газ, состоящий из молекул водорода (два связанных между собой атома водорода), с газом, состоящим из молекул кислорода (два связанных между собой атома кислорода)[35]. А теперь, сидя в своей комнате, вы можете занервничать, узнав, что совокупная масса двух молекул водорода и одной молекулы кислорода больше совокупной массы двух молекул воды, каждая из которых состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Другими словами, четыре атома водорода и два атома кислорода, представленные в виде отдельных молекул, имеют большую массу, чем две молекулы Н₂О. Избыточная масса составляет примерно 6 эВ/с. Таким образом, молекулы водорода и кислорода готовы к тому, чтобы перегруппироваться в две молекулы воды. Единственное отличие будет состоять в конфигурации атомов (и связанных с ними электронов). На первый взгляд в расчете на одну молекулу высвободается крохотное количество энергии, но в заполненном газом помещении находится около 1026[36] молекул, а значит, речь идет о 10 миллионах джоулей энергии, чего вполне достаточно, чтобы в качестве побочного эффекта перегруппировать ваши собственные молекулы. К счастью, если мы будем осторожны, то нам не грозит превратиться в пепел: хотя масса конечных продуктов меньше массы исходных, понадобятся определенные усилия, чтобы составить из них и их электронов правильную конфигурацию. Это почти то же самое, что и подтолкнуть автобус к краю обрыва – необходимо приложить усилия, чтобы сдвинуть его с места, но затем уже ничто не сможет его остановить. Но все же было бы крайне неразумно зажигать спичку, которая выделит достаточно много энергии для запуска процесса перегруппировки молекул и образования воды.

Высвобождение химической энергии путем перегруппировки атомов или гравитационной энергии посредством перемещения тяжелых объектов (подобно огромному объему воды на гидроэлектростанциях) предоставляет в распоряжение нашей цивилизации инструменты для генерации и использования энергии. Кроме того, мы накапливаем все больше знаний и опыта в области применения богатых источников кинетической энергии, существующих в природе. Когда дует ветер, молекулы воздуха быстро перемещаются, и мы можем превратить эту необузданную кинетическую энергию в полезную, поставив на пути воздушного потока ветряную турбину. Молекулы воздуха ударяются о ее лопасти и замедляют движение, передавая свою кинетическую энергию турбине, которая начинает вращаться (кстати, это еще один пример действия закона сохранения импульса). Так кинетическая энергия ветра преобразуется в энергию вращательного движения турбины, которую, в свою очередь, можно использовать для подачи энергии на генератор. Энергия моря используется аналогичным образом, за исключением того, что в этом случае полезная энергия образуется из кинетической энергии молекул воды. С релятивистской точки зрения все виды энергии увеличивают массу. Представьте себе гигантскую коробку с летающими птицами. Вы можете поставить ее на весы и взвесить, получив общую массу птиц и коробки. Но поскольку птицы летают, они обладают кинетической энергией, а значит, коробка будет весить немного больше, чем весила бы, если бы все птицы спали.

Энергия, высвобождающаяся во время химической реакции, была основным источником энергии для нашей цивилизации с доисторических времен. Количество энергии, которое можно получить из определенного количества угля, нефти или водорода, на фундаментальном уровне зависит от силы электромагнитного взаимодействия, поскольку именно эта сила определяет прочность связей между атомами и молекулами, расщепление и перегруппировка которых происходят во время химической реакции. Впрочем, есть и другая сила природы, которая способна выделять гораздо больше энергии в расчете на определенное количество топлива, так как эта сила гораздо больше.

Глубоко внутри атома расположено его ядро – совокупность протонов и нейтронов, прочно связанных друг с другом посредством сильного ядерного взаимодействия. Поэтому, чтобы его расщепить, понадобятся большие усилия, как в случае атома и молекулы. Следовательно, масса ядра меньше совокупной массы отдельных протонов и нейтронов, входящих в его состав. В полном соответствии с происходящим в процессе химической реакции мы могли бы задать себе вопрос: можно ли заставить ядра разных атомов взаимодействовать друг с другом так, чтобы эта разность масс создавала полезную энергию? Разрыв химических связей и выделение энергии, которая содержится в атомах, обеспечиваются довольно легко – порой для этого достаточно всего лишь зажечь спичку. Однако высвобождение энергии, которую содержит ядро атома, – совсем другое дело. Зачастую это труднореализуемый процесс, и для его осуществления необходимо сложное оборудование. Однако так бывает не всегда. Иногда процесс высвобождения энергии атомного ядра носит естественный и спонтанный характер, что влечет за собой важные непредвиденные последствия для планеты Земля.

Ядро такого тяжелого элемента, как уран, содержит 92 протона и (в самой стабильной, естественной форме) 146 нейтронов. В этом виде период полураспада урана составляет около 4,5 миллиарда лет. То есть через 4,5 миллиарда лет половина атомов в куске урана самопроизвольно разделятся на более легкие элементы (самый тяжелый из которых свинец); при этом выделится определенное количество энергии. Если говорить в терминах E = mc, ядро урана расщепляется на два ядра меньшего размера, совокупная масса которых немного меньше массы исходного ядра. Именно эта потеря массы и проявляется в виде ядерной энергии. Процесс деления тяжелого ядра на два более легких называется ядерным распадом. Помимо тяжелого урана со 146 нейтронами существует также менее стабильная естественная форма урана, ядро которого содержит 143 нейтрона и имеет другой период полураспада – 704 миллиона лет (при этом образуется другой изотоп свинца). Эти элементы можно использовать для точной датировки камней, возраст которых может достигать возраста самой Земли, составляющего около 4,5 миллиарда лет.

Методика датировки выделяется своей элегантной простотой. Существует минерал под названием циркон, кристаллическая структура которого в естественной форме содержит уран, но не свинец. Следовательно, можно предположить, что если в таком минерале присутствует свинец, то он образован в результате радиоактивного распада урана, что позволяет установить точную дату образования циркона, просто подсчитав количество ядер свинца и зная скорость распада урана. Тепло, выделяемое в процессе деления урана, играет важную роль в поддержании температуры Земли. Именно оно обеспечивает выработку энергии, которая двигает тектонические плиты и воздвигает новые горы. Без этой движущей силы, подпитываемой ядерной энергией, под воздействием естественной эрозии вся суша разрушилась бы и оказалась под водой. Больше мы ничего не будем говорить о ядерном распаде. Пришло время внимательнее изучить ядро атома и узнать подробности о содержащейся в нем энергии и еще одном важном процессе, который может обеспечить ее высвобождение, – ядерном синтезе.

Возьмем два протона (на этот раз электронов нет, поэтому мы не можем сделать так, чтобы они притянулись друг к другу и образовали молекулу воды). Если оставить их в покое, они разлетятся в разные стороны, поскольку несут в себе положительный электрический заряд, поэтому попытки подтолкнуть протоны поближе друг к другу кажутся бессмысленными. Но давайте представим, что нам удалось их приблизить, и посмотрим, что бы из этого получилось. Один из способов добиться этого – направить протоны друг к другу с большой скоростью. Сила отталкивания между ними увеличивается по мере их приближения. В действительности она вырастет в четыре раза при сокращении расстояния наполовину. Следовательно, может показаться, что протоны обречены всегда стремительно удаляться друг от друга. Если бы электрическое отталкивание было единственной силой в природе, именно так все и происходило бы. Однако существуют сильные и слабые ядерные взаимодействия, с которыми приходится считаться. Когда протоны приближаются друг к другу настолько близко, что почти соприкасаются (протоны не являются твердыми шарами, поэтому мы можем говорить даже об их наложении друг на друга), происходит нечто удивительное. Не всегда, но время от времени после приближения протонов один из них может самопроизвольно превратиться в нейтрон, а избыточный положительный электрический заряд (нейтрон электрически нейтрален, чем и объясняется его название) выделяется в виде частицы под названием позитрон. Позитроны идентичны электронам, за исключением того, что они несут положительный заряд. Кроме того, при этом выделяется еще одна частица – нейтрино. По сравнению с протоном и нейтроном, имеющими почти одинаковую массу, электрон и нейтрино очень легкие и уносятся вдаль, оставляя протон и нейтрон позади. Детали процесса превращения частиц хорошо объясняет теория слабых взаимодействий, разработанная специалистами по физике элементарных частиц во второй половинеXX столетия. В следующей главе мы расскажем, как работает этот процесс. Все, что нам необходимо знать сейчас, – что этот процесс может происходить и действительно существует. Без электрического отталкивания протон и нейтрон могут объединиться под влиянием сильного ядерного взаимодействия. Связанные таким образом, они образуют дейтрон. Процесс превращения протона в нейтрон с выделением позитрона (или наоборот, нейтрона в протон с выделением электрона, что тоже бывает) называется радиоактивным бета-распадом.

Как все это согласуется с нашим пониманием энергии? Каждый из двух исходных протонов имеет массу 938,3 МэВ/с (1 МэВ/с равен 1 миллиону эВ/с; здесь М означает мега, или миллион). Перевести МэВ/с в килограммы довольно просто: показатель 938,3 МэВ/с соответствует массе 1,673 10–27 килограммов[37]. Общая масса двух исходных протонов – 1876,6 МэВ/с. Масса дейтрона – 1875,6 МэВ/с, а энергию, соответствующую остатку 1 МэВ/с, уносят с собой позитрон и нейтрино. Примерно половина этой энергии уходит на образование позитрона, поскольку его масса составляет около 0,5 МэВ/с (нейтрино почти не имеют массы[38]). Таким образом, когда два протона превращаются в дейтрон, сравнительно небольшая доля общей массы (около 1/40 одного процента) разрушается и преобразуется в кинетическую энергию позитрона и нейтрино.

Приближение двух протонов друг к другу для образования дейтрона – один из способов высвобождения энергии, заключенной в этом сильном взаимодействии, а также пример ядерного синтеза. Термин «синтез» используется для описания любого процесса, высвобождающего энергию в результате объединения двух или более ядер. В отличие от энергии, которая выделяется в ходе химической реакции под воздействием электромагнитной силы, сильное ядерное взаимодействие генерирует огромную энергию связи. Например, сопоставьте 0,5 МэВ энергии, выделяемой в результате образования дейтрона, с 6 эВ энергии, высвобождаемой в ходе химической реакции. Здесь, на Земле, такой синтез не происходит каждый день, потому что сильное взаимодействие возможно только на коротких расстояниях. Оно проявляется, лишь когда отдельные составные части находятся очень близко друг к другу, и начинает быстро уменьшаться, когда расстояние между ними становится больше фемтометра (что примерно равно размеру одного протона). Однако приблизить протоны на такое расстояние достаточно трудно из-за действующей между ними силы электромагнитного отталкивания. Один из способов добиться этого – ускорить движение протонов, что на самом деле означает наличие очень высокой температуры, поскольку температура по своей сути – не что иное, как показатель средней скорости объектов: молекулы воды в чашке горячего чая перемещаются быстрее молекул в кружке холодного пива. Чтобы начался процесс синтеза, необходима температура минимум 10 миллионов градусов, а по возможности – гораздо больше. К счастью для нас, во Вселенной есть места, где температура достигает и даже превышает минимум, требуемый для протекания процесса ядерного синтеза. Эти места – в самом сердце звезд.

Давайте совершим путешествие в прошлое, в космические темные века, менее чем через полмиллиарда лет после Большого взрыва, когда во Вселенной был только водород, гелий и вкрапления некоторых легких химических элементов. По мере расширения и охлаждения Вселенной под воздействием гравитации первичные газы постепенно образуют сгустки, набирая скорость в процессе движения друг к другу, подобно тому как эта книга начнет с ускорением падать на пол, если вы ее уроните. Стремительное движение водорода и гелия приводит к повышению их температуры, в результате чего большие сгустки газа становятся все более горячими и плотными. При температуре 10 тысяч градусов электроны сходят со своих орбит вокруг ядер, оставляя после себя газ, состоящий из протонов и электронов и известный как плазма. Отдельные электроны и протоны продолжают неуклонно, все быстрее и быстрее, двигаться внутрь сгустка в процессе неумолимо ускоряющегося сжатия. Необратимое на первый взгляд падение плазмы останавливается при температуре 10 миллионов градусов, когда происходит нечто очень важное – то, что превращает горячий сгусток протонов и электронов в жизнь и свет Вселенной, в великолепный источник ядерной энергии, в звезду. Отдельные протоны сливаются воедино и образуют дейтрон, который, в свою очередь, может слиться с еще одним протоном и образовать гелий, выделяя при этом драгоценную энергию связи. Так новая звезда превращает небольшую часть своей исходной массы в энергию, согревающую сердцевину звезды и помогающую ей сопротивляться гравитационному сжатию на протяжении минимум нескольких миллиардов лет. Этого времени достаточно для согревания холодных каменистых планет, образования жидкой воды, эволюции животных и возникновения цивилизаций.

Наше Солнце – звезда, которая находится сейчас на комфортном этапе середины жизненного цикла: она сжигает водород, чтобы образовать гелий. При этом Солнце теряет 4 миллиона тонн массы каждую секунду каждого дня каждого тысячелетия, превращая 600 миллионов тонн водорода в гелий за одну секунду. Такое изобилие, составляющее основу нашей жизни, не может длиться вечно даже в случае нашего местного сгустка плазмы, достаточно большого, чтобы содержать в себе миллион таких планет, как Земля. Так что же происходит, когда в сердце звезды заканчивается водородное топливо? Без ядерного источника давления, направленного вовне, такая звезда снова будет сжиматься и становиться все горячее. Со временем при температуре около 100 миллионов градусов гелий начнет гореть и процесс сжатия звезды снова остановится. Мы используем слово «гореть», хотя это не совсем точное обозначение происходящего. На самом деле мы имеем в виду начало процесса ядерного синтеза, чистая масса конечных продуктов которого меньше массы исходных частиц, сливающихся воедино. В полном соответствии с формулой E = mc эта потеря массы приводит к выработке энергии.

Процесс сжигания гелия заслуживает более тщательного анализа. Два его ядра, слившись воедино, образуют определенную разновидность бериллия с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. Эта разновидность, получившая название бериллий-8, существует всего одну десятимиллионную одной миллиардной доли секунды, после чего снова распадается на ядра гелия. Жизнь бериллия-8 настолько мимолетна, что вряд ли он способен просуществовать достаточно долго, чтобы соединиться с чем-то еще. По сути, без посторонней помощи именно это всегда и происходило бы, что заблокировало бы путь к синтезу более тяжелых элементов внутри звезд. В 1953 году, когда понимание ядерной физики звезд находилось в зачаточном состоянии, астроном Фред Хойл[39] заключил, что внутри звезд должен протекать процесс образования углерода, что бы ни говорили специалисты по ядерной физике. Он был твердо убежден, что во Вселенной больше нет места, где было бы возможно образование углерода, и предположил, что это может произойти лишь при условии наличия более тяжелой разновидности ядра углерода – ядра, которое может быть весьма эффективно сформировано в результате слияния недолговечного бериллия-8 и третьего ядра гелия. Хойл пришел к выводу, что эта теория верна только в случае, когда более тяжелый углерод на 7,7 МэВ/с2 тяжелее обычного углерода. Если в недрах звезды образовалась новая форма углерода, значит, открывается путь и для создания других, более тяжелых элементов. В то время такая разновидность углерода еще не была известна, но ученые, побуждаемые предсказанием Хойла, без промедления начали ее искать. Буквально через несколько дней после того, как Хойл выдвинул свою гипотезу, специалисты по ядерной физике из лаборатории Келлога при Калифорнийском технологическом институте без тени сомнений подтвердили ее истинность. Эта удивительная история помогает нам обрести уверенность в правильности понимания устройства звезд: нет лучшего доказательства красивой теории, чем проверка исхдного предположения в ходе эксперимента.

В наши дни существует гораздо больше доказательств, подтверждающих теорию эволюции звезд. Один поразительный пример связан с изучением нейтрино, о которых мы уже упоминали выше. Нейтрино всегда выделяются в результате превращения протона в нейтрон в процессе ядерного синтеза. Это призрачные частицы, которые практически никогда не взаимодействуют с чем бы то ни было и, будучи таковыми, беспрепятственно покидают Солнце сразу же после их образования. В действительности поток нейтрино настолько огромен, что каждую секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проникает около 100 миллиардов нейтрино. Информацию об этом легко прочитать, но гораздо труднее осознать, поскольку она поражает воображение. Поднимите руку перед собой и посмотрите на ноготь большого пальца: каждую секунду сквозь него проходит 100 миллиардов субатомных частиц, исходящих из сердцевины нашей звезды. К счастью для нас, нейтрино почти всегда проходят сквозь наши руки (как и сквозь всю поверхность Земли) так, будто их вообще не существует. Тем не менее в редких случаях они вступают во взаимодействие, и вся хитрость в том, чтобы разработать оборудование, позволяющее зафиксировать эти редкие случаи. Детектор Super-Kamiokande, расположенный на большой глубине в шахте Моцуми неподалеку от города Хида в Японии, может решить эту сложную задачу. Super-Kamiokande – это огромный цилиндр высотой и диаметром около 40 метров, содержащий 500 тысяч тонн очищенной воды и окруженный более 10 тысячами фотоэлектронных умножителей, которые способны фиксировать самые слабые вспышки света, образующиеся в момент столкновения нейтрино с электроном в воде. Благодаря этому детектор способен «увидеть» нейтрино, которые испускает Солнце, причем количество прибывающих нейтрино согласуется с прогнозируемыми показателями, установленными на основании предположения о том, что нейтрино образуются в процессе ядерного синтеза, протекающего в недрах Солнца.

Со временем звезда исчерпает свои запасы гелия и начнет сжиматься еще больше. Когда температура ее ядра превысит 500 миллионов градусов, это создаст условия для сжигания углерода и производства множества тяжелых элементов, вплоть до железа. У вас красная кровь, потому что она содержит железо, конечный продукт процесса ядерного синтеза, протекающего в сердце звезд. Более тяжелые элементы, чем железо, не могут образовываться в недрах звезд, поскольку существует закон, согласно которому, если ядра тяжелее ядра атома железа, слияние с другими ядрами не приводит к выделению энергии. Другими словами, прибавление протонов или нейтронов к ядру атома железа только сделает его тяжелее (а не легче, что требовалось бы для того, чтобы процесс ядерного синтеза мог выступать в качестве источника энергии). Более тяжелые ядра, чем ядро атома железа, предпочитают излучать протоны или нейтроны, как мы видели ранее на примере урана. В таких случаях общая сумма массы продуктов меньше массы исходного ядра, а значит, энергия выделяется при делении тяжелого ядра, а не при его синтезе. Железо – это особый случай, своего рода «ядро Златовласки», а это означает, что железо – чрезвычайно стабильный элемент.

Не имея в своем распоряжении других источников энергии для того, чтобы предотвратить неизбежное, звезда, ядро которой богато железом, оказывается в точке невозврата, и гравитация начинает свою упорную работу. Теперь у звезды остается только один, последний шанс предотвратить полный коллапс. Она становится настолько плотной, что электроны, находящиеся поблизости с того самого момента, как отделились от атомов водорода, сопротивляются дальнейшему сжатию согласно принципу запрета Паули. Принцип Паули – важный элемент квантовой теории, действие которого играет решающую роль в сохранении стабильности и структуры атомов. Грубо говоря, этот принцип гласит, что существует предельное расстояние, на которое электроны могут приблизиться друг к другу. В звезде с высокой плотностью электроны оказывают давление вовне, которое увеличивается по мере ее сжатия и в конце концов становится настолько сильным, что может предотвратить дальнейший гравитационный коллапс. Когда это происходит, звезда оказывается в ослабленном, но невероятно долговечном состоянии. У такой звезды нет топлива для сжигания (именно поэтому и начался процесс сжатия), но давление электронов предотвращает процесс дальнейшего сжатия. Эта звезда, которую называют белым карликом, – медленно увядающий памятник безвозвратно утраченному величию, некогда яркий творец элементов жизни, сжатый до размера небольшой планеты. За период, продолжительность которого гораздо больше возраста Вселенной, белые карлики остынут настолько, что перестанут быть видимыми. Здесь следует вспомнить прекрасные слова основоположника теории Большого взрыва Жоржа Леметра[40], сказанные по поводу неизбежного путешествия всего сущего из света во тьму, которого не миновать даже звездам: «Эволюцию Вселенной можно сравнить со зрелищем только что закончившегося фейерверка: несколько тлеющих угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепелище, мы видим медленно угасающие звезды и пытаемся воскресить в памяти исчезнувшее великолепие начала миров».

На протяжении всей книги мы пытались детально объяснить читателю, почему все устроено так, а не иначе, и привести соответствующие аргументы и доводы. Представленное здесь описание устройства звезд может показаться слишком замысловатым – мы действительно отклонились от своего обстоятельного стиля объяснений. Вы даже можете нам возразить примерно в таком ключе: поскольку провести лабораторные эксперименты непосредственно на звездах невозможно, мы не можем быть уверены, что они устроены именно так. Но причина нашей краткости на самом деле не в этом, а в том, что излишняя детализация увела бы нас слишком далеко от темы. В качестве подтверждающих доказательств должно быть достаточно прекрасной работы Хойла и успеха таких экспериментов, как детектор Super-Kamiokande, к которым следует добавить замечательный прогноз индийского физика Субраманьяна Чандрасекара[41]. В начале 30-х годов XX столетия, вооружившись общепризнанными физическими законами, он выдвинул гипотезу о существовании верхнего предела массы любого (невращающегося) белого карлика. По первоначальным оценкам ученого такая предельная масса составляла одну солнечную массу (другими словами, массу Солнца). Впоследствии были выполнены более точные вычисления, позволившие получить значение 1,4 солнечной массы. В тот период, когда Чандрасекар проводил свои исследования, была обнаружена только горстка белых карликов. В наше время известно около 10 тысяч звезд такого типа, причем масса большинства из них близка к массе Солнца. Ни один белый карлик не имеет массу, превышающую предел Чандрасекара. В области физики одна из истинных радостей состоит в том, что законы, открытые в процессе проведения кабинетных экспериментов в стенах земных лабораторий, применимы ко всей Вселенной. Субраманьян Чандрасекар сделал свой прогноз, исходя из подобной универсальности физических законов. Именно за эту работу он получил Нобелевскую премию. Подтверждение истинности его прогноза – одно из доказательств, позволяющих физикам обрести уверенность в том, что они действительно знают, как устроены звезды.

Всем ли звездам суждено завершить свой жизненный путь подобно белым карликам? Вышесказанное позволяет предположить, что да, но это еще не вся история: в нашем рассказе было одно узкое место. Если масса белого карлика не может превышать 1,4 солнечной массы, то что происходит с более крупными звездами? Если отбросить вероятность того, что они могут сбрасывать свое вещество таким образом, чтобы не превышать предел Чандрасекара, остается два альтернативных варианта их участи. В обоих случаях большая исходная масса означает, что по мере дальнейшего сжатия электроны начинают со временем двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Когда это происходит, деваться некуда: давления электронов недостаточно для противодействия силе гравитации. Для таких массивных звезд следующая остановка – это нейтронная звезда, в которой в последний раз начинается процесс ядерного синтеза. Протоны и электроны перемещаются настолько быстро, что достигают уровня, когда у них появляется достаточно энергии для запуска процесса слияния протонов и электронов, сопровождающегося созданием нейтронов. Эта реакция представляет собой процесс, обратный процессу радиоактивного бета-распада, в ходе которого нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон, выделяя при этом нейтрино. Так все протоны и электроны постепенно превращаются в нейтроны, и звезда становится не чем иным, как сгустком нейтронов. Плотность нейтронной звезды просто поразительна: одна чайная ложка вещества такой звезды весит больше, чем гора. Масса нейтронных звезд больше массы Солнца, но они сжаты до размера большого города[42]. Многие из известных нейтронных звезд вращаются с огромной скоростью и выбрасывают в пространство пучки радиоактивного излучения, подобно космическим маякам. Эти звезды известны как пульсары и относятся к числу настоящих чудес Вселенной. Масса некоторых пульсаров почти в два раза превышает массу Солнца, хотя их диаметр всего 20 километров, и они совершают более 500 оборотов в секунду. Представьте себе, какие неистовые силы действуют на таком объекте. Мы с вами открыли чудеса, не поддающиеся воображению.

Помимо нейтронных звезд, незавидная участь ждет и более крупные звезды. Подобно тому как электроны могут приблизиться к скорости света в случае белых карликов, нейтроны в нейтронной звезде могут столкнуться с ограничением, наложенным на них Эйнштейном. Когда это происходит, ни одна известная сила не способна предотвратить полный коллапс звезды – и она обречена на превращение в черную дыру. В настоящее время нам не хватает знаний о физике пространства и времени внутри черных дыр. Как мы увидим в последней главе, присутствие массы приводит к искривлению пространства-времени и его отклонению от модели пространства-времени Минковского, с которой мы уже хорошо знакомы. В черной дыре происходит настолько сильное искривление пространства-времени, что даже свет не может вырваться из ее когтей. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать. Найти дальнейший путь – это одна из величайших задач, стоящих перед наукой XXI столетия, поскольку только тогда можно будет закончить историю о звездах.

7. Происхождение массы

Открытие формулы E = mc стало переломным моментом в представлениях физиков об энергии, поскольку этот закон помог понять, что существует огромный запас потенциальной энергии, которая замкнута внутри самой массы. Этот запас энергии гораздо больше, чем кто бы то ни было может себе представить: заключенная в массе протона энергия почти в миллиард раз превышает высвобождаемую в процессе обычной химической реакции. На первый взгляд может показаться, что мы нашли решение энергетических проблем нашей планеты, причем вполне действенное в долгосрочной перспективе. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, и довольно большая: полное разрушение массы сопряжено с серьезными трудностями. В случае атомной электростанции, использующей принцип ядерного распада, разрушается совсем незначительная часть исходного топлива. Остальная часть топлива превращается в более легкие элементы, часть которых может представлять собой в высшей степени токсичные отходы. Даже в недрах Солнца процесс ядерного синтеза протекает крайне неэффективно с точки зрения преобразования массы в энергию, и происходит это не только потому, что доля превращаемой массы очень мала: у любого отдельного взятого протона крайне мало шансов вступить в синтез, поскольку первый шаг процесса превращения протона в нейтрон – весьма редкое событие. На самом деле это бывает настолько редко, что требуется в среднем около 5 миллиардов лет, чтобы в сердце звезды произошло слияние одного протона с другим, что приводит к образованию дейтрона и запускает процесс выделения энергии. Фактически это вообще было бы исключено, если бы на таких малых расстояниях не доминировала квантовая теория: согласно доквантовой картине мира Солнце просто недостаточно горячее для того, чтобы в нужной степени приблизить протоны для их слияния. Для этого его температура должна быть примерно в тысячу раз выше и составлять 10 миллионов градусов. Когда в 1920 году британский физик сэр Артур Эддингтон[43] впервые выдвинул предположение, что такое слияние может являться источником энергии Солнца, ему сразу же указали на наличие потенциальной проблемы в его теории. Тем не менее Эддингтон был твердо убежден, что превращение водорода в гелий посредством ядерного синтеза и есть источник энергии Солнца, а также что решение загадки с низкой температурой скоро будет найдено. «Гелий, с которым мы имеем дело, должен образоваться в какое-то время в каком-то месте, – сказал он. – Мы не спорим с критиком, утверждающим, что звезды недостаточно горячие для этого процесса, а предлагаем ему поискать более горячее место».

Превращение протонов в нейтроны – настолько неэффективный процесс, что в расчете на килограмм массы Солнце в несколько тысяч раз менее результативно превращает массу в энергию, чем организм человека. Один килограмм вещества Солнца генерирует в среднем всего 1/5000 ватт энергии, тогда как человеческий организм – как правило, немногим более одного ватта на килограмм веса. Безусловно, Солнце очень большое, что с лихвой компенсирует его относительную неэффективность[44].

В этой книге мы постоянно подчеркиваем тот факт, что Вселенная живет по определенным законам. Следовательно, не стоит приходить в слишком большой восторг по поводу уравнения, которое (как в случае уравнения E = mc) говорит нам, что могло бы произойти. Существует огромная разница между нашим воображением и реальным ходом событий. И хотя возможности, которые открывает уравнение E = mc, приводят нас в сильное возбуждение, мы все же должны понимать, как именно законы физики делают возможным процесс разрушения массы и выделения энергии. Безусловно, из этого уравнения не вытекает логический вывод о том, что мы имеем право превращать массу в энергию по своему усмотрению.

Одним из самых замечательных достижений в физике за прошедшие сто лет стало осознание того, что, по всей вероятности, нам необходимо совсем немного законов для объяснения почти всех физических процессов, во всяком случае теоретически. Казалось, Ньютон достиг этой цели, когда еще в конце XVII века сформулировал законы динамики. На протяжении следующих двух сотен лет почти не было научных доказательств обратного. Однако сам Ньютон более скромно оценивал ситуацию. Однажды он сказал: «Я был подобен мальчику, который играет на морском берегу и время от времени развлекается тем, что ищет более гладкий камешек или более красивую ракушку, тогда как великий океан истины оставался для меня неизведанным». Эти слова прекрасно передают суть скромного чуда, которое может совершить время, потраченное на изучение физики. Когда видишь всю красоту природы, кажется ненужным и даже глупым претендовать на открытие абсолютной теории. Однако вопреки этой весьма уместной философской скромности в плане оценки научной деятельности постньютоновская картина мира гласила, что все сущее может состоять из крохотных элементов, которые послушно подчиняются законам физики, сформулированным Ньютоном. Следует признать, что при этом оставались на первый взгляд несущественные вопросы, не получившие ответа: как все сущее на самом деле держится вместе? Из чего в действительности состоят эти крохотные элементы? Однако мало кто сомневался, что в основе всего лежит теория Ньютона. Предполагалось, что остальное сведется к выяснению деталей[45]. Однако в XIX столетии ученые наблюдали все больше явлений, которые не подчинялись законам Ньютона и со временем создали предпосылки для теории относительности Эйнштейна и квантовой теории. Как и следовало ожидать, законы Ньютона былиопровергнуты, или, если точнее, было показано, что они представляют собой приближение более точной картины мира. Сто лет спустя мы, похоже, снова игнорируем уроки прошлого и заявляем, что у нас (почти) есть теория, объясняющая все, что происходит во Вселенной. Вполне возможно, что мы опять ошибаемся, и это не так уж плохо. Следует помнить, что в прошлом можно найти много доказательств несостоятельности научного высокомерия. Кроме того, представление о том, что мы знаем об устройстве мира достаточно или даже все, что нужно, всегда приносило и, по всей видимости, будет приносить огромный вред человеческому духу. В 1810 году Гемфри Дэви сказал в своей публичной лекции такие замечательные слова: «Ничто не сказывается на развитии человеческого разума настолько пагубно, как предположение, что наши научные взгляды неоспоримы, что в природе больше нет новых загадок, что наши победы завершились и что больше нет новых миров, которые можно было бы покорять».

Не исключено, что вся физика в известном нам виде – это всего лишь вершина айсберга, а может, мы действительно приближаемся к открытию «теории всего». Как бы то ни было, одно можно сказать наверняка: в текущий момент у нас есть наглядно доказанная теория, ставшая результатом кропотливого труда тысяч ученых во всем мире, которую мы можем использовать для объяснения широкого диапазона явлений. Она удивительная, ибо многое в себе объединяет, хотя ее основное уравнение может поместиться на обратной стороне конверта.

Мы называем это важнейшее уравнение центральным, и оно лежит в основе того, что сейчас известно как стандартная модель физики элементарных частиц. Это уравнение вряд ли будет что-то значить для большинства читателей, но мы не можем не привести его здесь.

Безусловно, только профессиональные физики поймут все детали данного уравнения, но мы разместили его не для них. Прежде всего мы хотели показать читателям одно из самых замечательных уравнений в физике – немного ниже мы объясним, почему оно такое замечательное. Помимо этого, существует реальная возможность прочувствовать всю красоту процессов, описываемых этим уравнением, просто поговорив о приведенных в нем символах даже без каких-либо знаний математики. Давайте для начала проанализируем область действия основного уравнения: какова его задача? Какую миссию оно выполняет? Задача этого уравнения – описать правила, по которым каждая частица во Вселенной взаимодействует с остальными частицами. Единственное исключение состоит в том, что, ко всеобщему огорчению, в этом уравнении не учитывается гравитация. Но несмотря на ее отсутствие, его область действия все же настолько перспективна, что это вызывает восхищение. Построение центрального уравнения – вне всяких сомнений, одно из величайших достижений в истории физики.

Позвольте уточнить, что мы подразумеваем под взаимодействием двух частиц. Мы имеем в виду, что взаимодействие частиц друг с другом оказывает определенное влияние на их движение. Например, две частицы могут разлететься в разные стороны, изменив при этом направление движения. Или могут вращаться друг вокруг друга по орбите, попав в ситуацию, которую физики называют состоянием связи. Атом – один из примеров такого состояния. В случае атома водорода один электрон и один протон связаны друг с другом в соответствии с правилами, сформулированными в основном уравнении. В предыдущей главе мы с вами много говорили об энергии связи, а также о правилах ее расчета для атома, молекулы или атомного ядра, которые отображены в центральном уравнении. В определенном смысле знание правил игры означает, что мы описываем устройство Вселенной на самом фундаментальном уровне. Так каковы же частицы, из которых все состоит, и как они взаимодействуют друг с другом?

В стандартной модели в качестве отправной точки используется факт существования материи. Точнее говоря, эта модель предполагает существование шести типов кварков, трех типов заряженных лептонов (один из которых электрон) и трех типов нейтрино. Вы можете увидеть, как эти частицы вещества появляются в основном уравнении: они обозначены символом (произносится как «пси»). Кроме того, у каждой частицы есть соответствующая античастица. Антиматерия – это не продукт научной фантастики, а неотъемлемая составляющая Вселенной. В 20-х годах XX века британский физик-теоретик Поль Дирак[46] первым осознал необходимость в антиматерии, когда предсказал существование партнера электрона под названием позитрон, который должен был иметь точно такую же массу, но противоположный электрический заряд. Мы уже встречались с позитронами и знаем их как побочный продукт процесса слияния двух протонов и образования дейтрона. Одна из самых впечатляющих характеристик успешной научной теории состоит в ее способности прогнозировать нечто такое, что прежде было неизвестно. Последующее наблюдение этого «нечто» в ходе эксперимента убедительно подтверждает тот факт, что мы поняли что-то истинное об устройстве Вселенной. Если углубиться в суть вопроса, можно констатировать следующее: чем больше прогнозов способна сделать теория, тем большее впечатление производит ее подтверждение в ходе экспериментов. Напротив, если эксперименты не позволяют обнаружить прогнозируемое явление, то теория не может быть верной и ее необходимо отбросить. В таком интеллектуальном поиске нет места для споров: эксперимент – это последний судья. Звездный час Дирака наступил через несколько лет после того, как Карл Андерсон[47] осуществил первое непосредственное наблюдение позитронов, применив для этого космические лучи. За свой труд Дирак получил Нобелевскую премию в 1933 году, а Андерсон – в 1936-м. Каким бы загадочным ни казался позитрон, в наше время факт его существования подтверждается тем, что он используется в повседневной практике в больницах по всему миру. Использование позитронов в ПЭТ-сканерах (PET, positron emission tomography – позитронно-эмиссионная томография) позволяет врачам составить трехмерную карту организма. Скорее всего, Дирак не думал о диагностической визуализации, когда работал над идеей антиматерии. Это в очередной раз говорит о том, что понимание внутреннего устройства Вселенной приносит людям конкретную пользу.

Предположительно существует еще одна частица, но пока заявлять об этом с абсолютной уверенностью не стоит. Эта частица обозначается греческой буквой (произносится как «фи») и появляется в третьей и четвертой строках центрального уравнения. За исключением этой «еще одной» частицы все кварки, заряженные лептоны и нейтрино (а также их частицы-партнеры из антиматерии) были обнаружены в ходе экспериментов. Безусловно, их нельзя увидеть человеческим глазом. В последнее время это делается с помощью детекторов частиц, напоминающих фотокамеры с высоким разрешением, которые могут сделать мгновенный снимок элементарной частицы в момент ее мимолетного появления. Во многих случаях открыватели элементарных частиц получали Нобелевскую премию. Последней в 2000 году была обнаружена частица под названием тау-нейтрино. Этот призрачный кузен электронных нейтрино, излучаемых Солнцем в процессе ядерного синтеза, замыкает группу из 12 известных частиц материи.

Самые легкие кварки называются верхними и нижними. Из них построены протоны и нейтроны. В состав протонов входят главным образом два верхних и один нижний кварк, тогда как нейтроны состоят из двух нижних кварков и одного верхнего. Обычная материя образована из атомов, а в состав атомов входит ядро, сформированное из протонов и нейтронов, вокруг которых на достаточно большом расстоянии вращаются электроны. Таким образом, наряду с электронами верхние и нижние кварки – самые распространенные частицы в обычной материи. Кстати, их название не имеет специального значения. Американский физик Марри Гелл-Манн[48] позаимствовал слово «кварк» из романа ирландского писателя Джеймса Джойса Finnegan’s Wake («Поминки по Финнегану»). Для того чтобы объяснить известные на то время частицы, Гелл-Манну необходимо было три кварка, а небольшой отрывок из романа Джоса казался для этого весьма подходящим:

Гелл-Манн впоследствии писал, что сначала намеревался произносить это слово как «кворк» – именно так оно звучало в его голове до того, как он нашел цитату из «Поминок по Финнегану». Поскольку слово quark в этом стихотворении рифмуется со словами Mark и bark, это создавало определенные проблемы. В итоге Гелл-Манн решил заявить, что это слово может означать quart – «кварта», то есть единица объема жидкости, а не более привычное «крик чайки». Это позволило ему сохранить первоначальное произношение термина. По всей вероятности, мы так и не узнаем, как правильно произносить это слово. Открытие еще трех кварков, последним из которых в 1995 году стал так называемый истинный кварк, дало повод считать происхождение этого термина еще более неподходящим. Пожалуй, это должно послужить уроком будущим физикам, которые попытаются найти в литературе расплывчатые обозначения для своих открытий.

Несмотря на все злоключения с присвоением имени новой частице, Гелл-Манн оказался прав в своем предположении, что протоны и нейтроны состоят из более мелких объектов. Эта гипотеза получила подтверждение, когда кварки в конце концов были обнаружены с помощью ускорителя элементарных частиц в Стэнфорде в 1968 году, через четыре года после формулировки первоначального теоретического прогноза. Марри Гелл-Манн и авторы эксперимента, получившие доказательства существования кварков, были впоследствии удостоены Нобелевской премии за свою работу.

Помимо частиц материи, о которых мы только что говорили, а также таинственной частицы есть и несколько других частиц, о которых необходимо упомянуть, это W и Z, а также фотон и глюон. Для начала следует сказать пару слов о роли этих частиц. Они отвечают за взаимодействие между всеми остальными частицами. Если бы их не было, ничто во всей Вселенной не поддерживало бы ни с чем взаимодействия. Будем говорить, что их задача – переносить силу взаимодействия между частицами материи. Фотон – частица, которая отвечает за перенос этой силы между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки. Фотон в прямом смысле слова лежит в основе всех физических законов, открытых Фарадеем и Максвеллом, а в качестве бонуса образует видимый свет, радиоволны, инфракрасное и микроволновое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение. Представление о том, как поток фотонов, излучаемых электрической лампочкой, отскакивает от страницы этой книги и попадает в ваши глаза, которые являются не чем иным, как сложным детектором фотонов, совершенно правильное. Физик сказал бы, что фотон выступает в качестве инструмента электромагнитного взаимодействия. Глюон встречается в повседневной жизни не так часто, как вездесущий фотон, но его роль не менее важна. В центре каждого атома находится ядро. Атомное ядро – это шар, имеющий положительный электрический заряд (вспомните, что протоны – это электрически заряженные частицы, тогда как нейтроны – нет). Подобно тому что происходит, когда вы пытаетесь приблизить друг к другу одноименные полюсы магнита, все протоны отталкиваются друг от друга под влиянием электромагнитного взаимодействия. Они просто не желают соединяться друг с другом и предпочли бы разлететься в разные стороны. К счастью, это не случается, благодаря чему и существуют атомы. Глюон выступает в качестве связующего звена, которое «склеивает» протоны в атомном ядре друг с другом (клей на английском – glue, отсюда и название глюона). Кроме того, глюон отвечает за поддержание взаимодействия между кварками в составе протонов и нейтронов. Оно должно быть достаточно мощным, чтобы преодолеть электромагнитную силу отталкивания между протонами, поэтому его и называют сильным взаимодействием.

В данном контексте частицы W и Z можно объединить в одну группу. Частица W отвечает за взаимодействие, которое превращает протон в нейтрон в процессе образования дейтрона в сердце звезды. Превращение протонов в нейтроны (и наоборот) – не единственное, за что отвечает это слабое взаимодействие. Оно отвечает за сотни разных взаимодействий между существующими в природе элементарными частицами, многие из которых были изучены в ходе таких экспериментов, которые проводятся в CERN. Если не считать того, что благодаря частицам W и Z светит Солнце, они напоминают глюон – тем, что не так часто наблюдаются в повседневной жизни. Нейтрино поддерживают взаимодействие только посредством частиц W и Z, именно поэтому они столь неуловимы. Как мы видели в предыдущей главе, поток из многих миллиардов нейтрино каждую секунду пронизывает вашу голову, но вы при этом ничего не чувствуете, поскольку взаимодействие, которое переносят частицы W и Z, очень слабое. Наверное вы уже догадались, что мы назвали его слабым взаимодействием.

До настоящего момента мы всего лишь быстро прошлись по списку частиц, которые «обитают» в основном уравнении. Эти 12 частиц материи должны быть априори включены в теорию, хотя на самом деле мы даже не знаем, почему их именно столько. Благодаря наблюдениям процесса распада частиц Z на нейтрино, которые проводились в 1990-х годах в CERN, у нас действительно есть доказательства того, что таких частиц 12. С другой стороны, для создания Вселенной, по всей видимости, достаточно всего четырех частиц (таких как верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино), поэтому существование остальных восьми частиц остается загадкой. Мы считаем, что они сыграли важную роль на раннем этапе формирования Вселенной, но как именно они проявляли или проявляют свое действие в современной жизни – один из главных вопросов физики, ответ на который пока не найден.

Что касается стандартной модели, то все упомянутые в ее центральном уравнении двенадцать частиц – это элементарные частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие части и представляют собой неделимые структурные элементы. Пожалуй, это действительно противоречит здравому смыслу: на первый взгляд было бы вполне естественным предположить, что любую маленькую частицу можно (теоретически) разделить пополам. Однако квантовая теория работает совсем не так, а наш здравый смысл и в этот раз нельзя назвать хорошим ориентиром в области фундаментальной физики. Согласно стандартной модели эти частицы не имеют субструктуры. Их называют «точечными» и считают конечным элементом материи. В свое время вполне может оказаться, что в ходе какого-либо эксперимента будет обнаружена возможность расщепления кварка на более мелкие фрагменты. Однако все дело в том, что так быть не должно: точечные частицы действительно могут оказаться неделимыми, и тогда вопросы об их субструктуре станут бессмысленными. Таким образом, мы имеем группу частиц, из которых построен наш мир, а также основное уравнение – ключ к пониманию того, как эти частицы взаимодействуют друг с другом.

Однако мы не упомянули об одном тонком моменте: хотя мы постоянно говорим о частицах, на самом деле это не совсем корректный термин. Это не частицы в общепринятом значении этого слова. Они не перемещаются в пространстве, отскакивая друг от друга, подобно миниатюрным бильярдным шарам. Вместо этого они взаимодействуют друг с другом наподобие того, как взаимодействуют волны на поверхности воды, создавая тени на дне бассейна. Эти частицы имеют волновые характеристики, оставаясь при этом частицами. Такая картина весьма парадоксальна и вытекает из квантовой теории. Точная природа волновых взаимодействий строго (то есть математически) задается основным уравнением. Но откуда мы знали, что именно необходимо включить в это уравнение, когда писали его? По каким принципам оно построено? Прежде чем заняться этими важными вопросами, давайте глубже проанализируем основное уравнение и попытаемся понять, что именно оно означает.

Первая строка уравнения описывает кинетическую энергию, которая переносится частицами Wи Z, фотоном и глюоном, и говорит нам о том, как они взаимодействуют друг с другом. Мы еще не обсуждали эту возможность, но она существует: глюоны могут вступать во взаимодействие с другими глюонами, а частицы W и Z могут взаимодействовать между собой. Частица W может также взаимодействовать с фотоном. В этом перечне отсутствует возможность взаимодействия фотонов с фотонами, поскольку оно не происходит. И это большая удача, иначе нам было бы трудно что-либо увидеть. То, что вы можете читать эту книгу, – в каком-то смысле удивительный факт. Дело в том, что свет, исходящий от этой страницы, не отклоняется от пути к вашим глазам под воздействием пересекающего этот путь света от других окружающих вас объектов, которые вы могли бы увидеть, повернув голову. Фотоны буквально проскакивают мимо, не обращая внимания друг на друга.

Большая часть действия происходит во второй строке основного уравнения. Эта строка демонстрирует, как каждая частица материи во Вселенной взаимодействует с остальными частицами. В ней отображены взаимодействия, посредниками в которых выступают фотоны, частицы W и Z, а также глюоны. Кроме того, во второй строке отображена кинетическая энергия всех частиц материи. Третью и четвертую строки уравнения мы не будем пока рассматривать.

Как мы уже подчеркивали, за исключением гравитации в основном уравнении отображены все известные нам фундаментальные законы физики. Это уравнение включает в себя закон электростатического отталкивания в том виде, в котором его описал в количественной форме Шарль Огюстен де Кулон[50] в конце XVIII столетия, а также все аспекты электричества и магнетизма, если уж на то пошло. Понятия, введенные Фарадеем, и прекрасные уравнения Максвелла становятся очевидными, если мы «спросим» основное уравнение, как частицы с электрическим зарядом взаимодействуют друг с другом. И конечно же, вся эта формула твердо опирается на специальную теорию относительности Эйнштейна. В действительности та часть стандартной модели, которая объясняет, как взаимодействуют свет и материя, называется квантовой электродинамикой. Слово «квантовая» напоминает нам, что квантовая теория внесла некоторые, в большинстве случаев совсем незначительные, изменения в уравнения Максвелла, повлекшие за собой едва заметные последствия, которые впервые изучал в середине XX века Ричард Фейнман и другие ученые. Как мы уже видели, основное уравнение содержит также физические основы сильных и слабых взаимодействий. Свойства этих трех сил природы описаны в уравнении во всех деталях, а это означает, что правила игры сформулированы с математической точностью, без какой бы то ни было неопределенности и избыточности. Таким образом, если оставить в стороне гравитацию, мы имеем некий приближенный вариант теории великого объединения. Справедливо также то, что ни в ходе экспериментов, ни в процессе наблюдения космического пространства никто так и не нашел никаких доказательств того, что во Вселенной действует некая пятая сила. Большинство повседневных явлений можно полностью объяснить с помощью законов электромагнетизма и гравитации. Слабое взаимодействие поддерживает горение Солнца, но в повседневной жизни на Земле оно почти не ощущается. С другой стороны, сильное взаимодействие сохраняет целостность атомных ядер, но редко распространяется за пределы ядра, а значит, эта огромная сила не проявляет своего действия в нашем макроскопическом мире. Иллюзию того, что такие твердые вещи, как столы и стулья, на самом деле твердые, поддерживает электромагнитное взаимодействие. На самом деле материя – это главным образом пустое пространство. Представьте себе, что вы увеличили атом настолько, что его ядро стало размером с горошину. В таком случае электроны были бы песчинками, с высокой скоростью вращающимися вокруг ядра на расстоянии в один километр, а все остальное – пустота. Аналогия с песчинкой – в какой-то мере преувеличение, так как мы не должны забывать, что элементарные частицы действуют скорее как волны, а не как песчинки. Но этой аналогией мы хотели показать относительный размер атома в сравнении с размером ядра, расположенного в его центре. Твердость возникает, когда мы пытаемся протолкнуть облако вращающихся вокруг ядра электронов через облако электронов соседнего атома. Поскольку электроны имеют электрический заряд, эти облака отталкиваются и не дают атомам пройти сквозь друг друга, хотя они и представляют собой в основном пустое пространство. Мысль о пустоте материи возникает, когда мы смотрим через окно. Хотя оконное стекло кажется твердым, свет без труда проходит сквозь него, позволяя нам увидеть окружающий мир. В каком-то смысле удивительно другое: почему непрозрачен брусок дерева!

Безусловно, тот факт, что можно описать так много физических законов одним уравнением, производит впечатление. Это красноречивее всяких слов говорит в пользу утверждения Юджина Вигнера о «непостижимой эффективности математики». Почему бы этому миру не быть гораздо сложнее? Разве есть у нас право втискивать так много физических явлений в одно уравнение? Разве мы не должны вносить все эти явления и факты в огромные базы данных и энциклопедии? На самом деле никто не знает, почему природа позволяет описывать себя в столь краткой форме, но верно и то, что такая бесспорная исходная элегантность и простота и есть одна из причин, почему многие физики занимаются своим делом. Напоминая себе о том, что природа может и не подчиняться столь чудесному упрощению, мы можем хотя бы какое-то время восхищаться той глубинной красотой, которую открыли.

Хотя уже было сказано многое, это еще не все. Мы еще не упомянули о предмете особой гордости стандартной модели: она не только охватывает электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие, но еще и объединяет два из них. На первый взгляд может показаться, что явления электромагнитного и слабого взаимодействия никак друг с другом не связаны. Электромагнетизм – исконное явление реального мира, которое все мы понимаем на интуитивном уровне, тогда как слабое взаимодействие скрыто в загадочном субъядерном мире. Как это ни удивительно, стандартная модель говорит о том, что эти две силы – фактически проявление одного и того же. Посмотрите еще раз на вторую строку основного уравнения. Даже не зная математики, вы сможете увидеть взаимодействие между частицами вещества. Те фрагменты второй строки, в которых присутствуют символы W, B и G (для глюона), расположены между двумя частицами вещества, , а это значит, что они говорят нам, как частицы вещества «объединяются» с переносчиками взаимодействия, но с одним важным уточнением. Фотон частично скрыт под символом W и частично – под символом B, но ведь здесь же обитает и Z! Частица W полностью скрыта в символе W. Создается впечатление, что это математическое соотношение рассматривает в качестве фундаментальных объектов W и B, но их сочетание как по волшебству образует фотон и частицу Z. В итоге электромагнитное взаимодействие (которое переносит фотон) и слабое взаимодействие (которое переносят частицы W и Z) связаны друг с другом. Это означает, что свойства, которые можно измерить в ходе экспериментов с электромагнитными явлениями, должны быть связаны со свойствами, измеряемыми в ходе экспериментов со слабым взаимодействием. Это весьма впечатляющий прогноз стандартной модели. И он получил подтверждение: создатели стандартной модели Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам[51] были награждены Нобелевской премией, поскольку их теория помогла предсказать массу частиц W и Z задолго до того, как в 1980-х годах эти частицы были открыты в CERN. Все члены уравнения прекрасно согласуются друг с другом. Но откуда Глэшоу, Вайнберг и Салам знали, что именно следует в нем записать? Как они поняли, что сочетание W и B образует фотон и частицу Z? Ответить на этот вопрос – значит на мгновение увидеть прекрасную сущность современной физики элементарных частиц. Гэшоу, Вайнберг и Салам не просто догадались обо всем, у них в руках была важная путеводная нить: этот мир симметричен.

Симметрия проявляется повсюду. Поймайте снежинку и внимательно присмотритесь к этому самому прекрасному из творений природы. Схема ее рисунка повторяется с математической точностью, как отражение в зеркале. Более обыденный пример – мяч, который выглядит одинаково, как бы вы его ни повернули. Если повернуть квадрат вокруг диагонали или оси, которая проходит через центры его противоположных сторон, на 180°, это не изменит его вид. В физике симметрия проявляется точно так же. Если мы сделаем что-то с уравнением, но оно не изменится, тогда то, что мы с ним сделали, будет называться симметрией уравнения. Это несколько абстрактное понятие, однако следует помнить, что уравнения – это инструмент, с помощью которого физики описывают взаимодействие реальных объектов. Простая, но значимая симметрия, присущая всем важным уравнениям в физике, – свидетельство того, что, если мы возьмем оборудование для проведения эксперимента и разместим его на поезде, эксперимент даст те же результаты (при условии, что поезд движется без ускорения). Мы уже знакомы с этой идеей: речь идет о принципе относительности Галилея, лежащем в основе теории Эйнштейна. Если говорить в терминах симметрии, уравнения, описывающие наш эксперимент, не зависят от того, где именно он проводится: на железнодорожной платформе или в поезде, поэтому сам факт перемещения оборудования для проведения эксперимента – симметрия данного уравнения. Мы уже знаем, что этот простой факт в конечном счете подтолкнул Эйнштейна к открытию теории относительности. Так часто бывает: простая симметрия может повлечь далеко идущие последствия.

Теперь мы готовы поговорить о симметрии, которую использовали Глэшоу, Вайнберг и Салам, когда открыли стандартную модель физики элементарных частиц. У нее довольно причудливое название: калибровочная симметрия. Почему именно калибровочная? Прежде чем объяснять, что это значит, позвольте рассказать о том, что это нам дает. Давайте представим, что мы – Глэшоу, Вайнберг и Салам, ломающие голову над поиском теории, описывающей взаимодействие одних вещей с другими. Начнем с решения построить теорию, касающуюся крохотных неделимых частиц. Эксперименты показали, какие из этих частиц действительно существуют, поэтому наша теория должна охватывать их все, в противном случае она будет поверхностной. Безусловно, мы могли бы поразмышлять еще немного и попытаться понять, почему именно эти частицы должны быть теми, из которых образовано все сущее во Вселенной, или почему они должны быть неделимыми, но это только отвлекло бы нас от главного. На самом деле это два очень важных вопроса, на которые до сих пор нет ответов. Одно из качеств хорошего ученого – его способность определить, какие вопросы задать, для того чтобы двигаться дальше, а какие лучше отложить на потом. Так что давайте примем эти частицы как данность и попытаемся понять, как они взаимодействуют друг с другом. Если бы они не вступали во взаимодействие, мир был бы скучным: все проникало бы сквозь все остальное, ничто не объединялось бы в группы и у нас так и не было бы ядер, атомов, животных или звезд. Однако физика зачастую сводится к совершению небольших шагов. Не так уж трудно построить теорию частиц в случае, когда они не взаимодействуют друг с другом, – для этого достаточно вычеркнуть из второй строки основного уравнения фрагменты с участием W, B и G. И получим квантовую теорию всего, но без каких-либо взаимодействий. Вот мы и предприняли наш первый маленький шаг. А теперь начинается волшебство. Мы выдвинем требование о том, что в нашем мире, а значит, и в нашем уравнении должна присутствовать калибровочная симметрия. Это повлечет за собой поразительные последствия: оставшаяся часть второй строки и вся первая строка уравнения возникнут «просто так». Другими словами, мы будем вынуждены внести изменения в версию уравнения без взаимодействий, если хотим удовлетворить требования калибровочной симметрии. Совершенно неожиданно мы перешли от самой скучной в мире теории к той, в которой существует фотон, частицы W и Z, а также глюон. Более того, они отвечают за перенос всех взаимодействий между частицами. Иными словами, мы получили теорию, способную описать структуру атомов, сияние звезд и даже совокупность таких сложных объектов, как человеческие существа, – и все это благодаря применению концепции симметрии. У нас теперь есть первые две строки теории почти всего, и остается только объяснить, что представляет собой эта удивительная симметрия, а затем рассказать о двух последних строках основного уравнения.

Симметрия снежинки носит геометрический характер, поэтому ее можно увидеть собственными глазами. Симметрия, лежащая в основе принципа относительности Галилея, – это не то, что можно увидеть глазами, но все же можно понять, даже если это абстракция. Калибровочная симметрия подобна принципу Галилея в том, что она носит абстрактный характер, хотя при наличии воображения уловить ее суть не так уж трудно. Для того чтобы помочь вам свести воедино приведенные здесь описания с основными математическими понятиями, мы анализировали центральное уравнение. Давайте сделаем это снова. Как мы уже говорили, частицы вещества представлены в нем греческим символом . Теперь копнем еще глубже. То, что обозначают символом , называется полем. Это может быть поле электрона, или поле верхнего кварка, или любой другой частицы, входящей в стандартную модель. В том месте, где поле самое сильное, вероятнее всего, и находится частица. Пока что нас интересуют электроны, но то же самое верно и для любых других частиц, от кварков до нейтрино. Если в каком-то месте поле имеет нулевое значение, частицы там не будет. Вы можете даже представить себе такое поле в виде реального поля с травой или, что еще лучше, в виде волнообразного ландшафта с холмами и впадинами. Там, где холмы, поле самое сильное, а где впадины – самое слабое. Мы предлагаем вам мысленно нарисовать себе поле электрона. Возможно, вас удивляет тот факт, что наше основное уравнение носит столь неопределенный характер. Оно не работает с достоверными событиями. Более того, мы даже не можем отслеживать движение электрона. Все, что мы можем, – это сказать, что вероятность его пребывания в одном месте (там, где расположена гора) выше, тогда как в другом (там, где впадина) – ниже. Мы можем присвоить определенные значения вероятности пребывания электрона в том или ином месте, но этим все и ограничивается. Такая расплывчатость описания мира на уровне очень малых расстояний объясняется тем, что здесь правит бал квантовая теория, имеющая дело только с вероятностью наступления тех или иных событий. Создается впечатление, что в основе таких концепций, как местоположение и импульс в масштабе малых расстояний, действительно лежит некая фундаментальная неопределенность. Кстати, Эйнштейну очень не нравилось то, что наш мир должен функционировать в соответствии с законами вероятности, и он даже высказал свою знаменитую мысль: «Бог не играет в кости». Тем не менее он был вынужден признать, что квантовая теория оказалась невероятно успешной. Она объясняет результаты всех экспериментов, проведенных в области субатомных частиц, и без нее мы не понимали бы, как работают микросхемы в современных компьютерах. Возможно, в будущем кто-то создаст еще более эффективную теорию, но пока что квантовая теория – наша лучшая попытка. На протяжении всего повествования мы изо всех сил старались обратить ваше внимание на следующий факт: нет абсолютно никаких оснований для того, чтобы окружающий мир подчинялся нашему здравому смыслу, когда мы пытаемся объяснить явления, выходящие за рамки повседневного опыта. Мы развивались в условиях механики большого мира, а не квантовой механики.

Но вернемся к нашей задаче. Поскольку квантовая теория определяет правила игры, мы просто обязаны поговорить о полях электронов. Однако недостаточно просто установить поле и определить ландшафт. В математике квантовых полей скрыта одна неожиданность, состоящая в наличии определенной избыточности. Математика гласит, что для любой точки ландшфта, будь то холм или впадина, мы должны указывать не только значение поля в определенной точке (скажем, высоту над уровнем моря в нашей аналогии с реальным полем), соответствующей вероятности пребывания в ней частицы, но еще и то, что обозначают термином «фаза поля». Такую фазу легче всего представить себе в виде циферблата (или круглой шкалы), только с одной стрелкой. Если стрелка указывает на 12 часов, это одна возможная фаза, а если на шесть – другая. Представьте себе, что мы разместили небольшие циферблаты во всех без исключения точках нашего ландшафта, причем каждый из них говорит нам о фазе, в которой находится поле в данной точке. Безусловно, это ненастоящие часы (и они, разумеется, не измеряют время). Существование фазы – это то, что было известно специалистам по квантовой физике задолго до Глэшоу, Вайнберга и Салама. Более того, все знали, что, хотя относительная фаза между различными точками поля имеет значение, фактические показатели не играют никакой роли. Например, вы могли бы перевести все свои крохотные часы на десять минут вперед – и ничего бы не изменилось. Главное здесь то, что вы должны перевести все часы на одинаковое количество минут. Если забудете перевести хотя бы одни из них, это будет означать, что вы описываете другое поле электронов. Следовательно, в математическом описании мира присутствует определенная избыточность.

В 1954 году, за несколько лет до того, как Глэшоу, Вайнберг и Салам создали стандартную модель, Чжэньнин Янг[52] и Роберт Миллс[53] из Брукхейвенской национальной лаборатории задались вопросом, какое значение может иметь избыточность, связанная с введением фазы. Физика часто получает дальнейшее развитие, когда ученые начинают обыгрывать те или иные идеи без достаточных на то оснований. Янг и Миллс именно этим и занимались. Им захотелось узнать, что произошло бы, если бы Вселенной не было никакого дела до фазы. Другими словами, они решили сыграть с математическими уравнениями, перемешав все фазы, и попытались понять, какими могут быть последствия. Это может показаться странным, но если вы посадите пару физиков в одном кабинете и дадите им свободу действий, то именно этим они и займутся. Возвращаясь к нашей аналогии с ландшафтом, вы можете себе представить, что идете по полю, безо всякой системы меняя показания маленьких циферблатов на разные величины. То, что произойдет, на первый взгляд выглядит достаточно просто: вам не позволено так поступать. Это не соответствует симметрии Вселенной.

Для того чтобы точнее сформулировать эту идею, давайте вернемся к основному уравнению и еще раз взглянем на его вторую строку. Теперь исключим из нее фрагменты, содержащие W, B и G. В итоге получим самую простейшую из возможных теорию частиц: частицы просто сидят без дела и никогда не вступают во взаимодействие друг с другом. Эта небольшая часть основного уравнения совершенно определенно не останется неизменной, если мы вдруг возьмем и перенастроим все маленькие часы (вряд ли вы сможете это увидеть, просто глядя на уравнение). Янг и Миллс знали это, но проявили большую настойчивость, поставив один очень важный вопрос: как можно изменить уравнение, чтобы оно все же осталось неизменным? Ответ поражает: необходимо вернуть те его фрагменты, которые мы только что исключили, – больше ничего для этого не подойдет. После этого частицы – переносчики взаимодействий как по волшебству появятся на свет и совершенно неожиданно мы перейдем от мира без взаимодействий к теории, которая способна описать наш реальный мир. Тот факт, что основному уравнению нет никакого дела до показателей на циферблатах (или калибров), – и есть то, что мы подразумеваем под калибровочной симметрией. Самое удивительное, что требование наличия калибровочной симметрии не оставляет нам выбора в том, что записывать в уравнении: калибровочная симметрия неизбежно приводит к основному уравнению. Другими словами, те силы, которые делают наш мир интересным, существуют как следствие того, что калибровочная симметрия – это и есть симметрия Вселенной. В качестве постскриптума добавим, что Янг и Миллс подали пример, но их работа главным образом представляла математический интерес и была выполнена задолго до того, как специалисты по физике элементарных частиц вообще узнали, какие частицы должна описывать фундаментальная теория. Именно Глэшоу, Вайнберг и Салам поняли, что идеи Янга и Миллса можно применить к описанию реального мира.

Итак, мы с вами увидели, как можно составить первые две строки основного уравнения, лежащего в основе стандартной модели физики элементарных частиц, и искренне надеемся, что нам удалось помочь вам получить представление о масштабе и содержании этого уравнения. Более того, мы убедились, что оно не носит произвольный характер – напротив, идея калибровочной симметрии неотвратимо приводит нас к нему. Теперь, когда мы лучше понимаем это самое важное из всех уравнений, можно вернуться к задаче, решить которую мы собирались с самого начала. Мы пытались понять, в какой степени законы природы действительно обеспечивают возможность превращения массы в энергию и наоборот. Разумеется, ответ содержится в основном уравнении, так как именно оно определяет правила игры. Но есть гораздо более привлекательный способ понять, что происходит и как частицы взаимодействуют друг с другом. Этот подход, активно использующий графическое представление, был введен в физику Ричардом Фейнманом.

Что произойдет, когда два электрона приблизятся друг к другу? Или два кварка? Или нейтрино и антимюон? И так далее. Все эти частицы вступят во взаимодействие в точном соответствии с правилами, заданными в основном уравнении. Два электрона в случае сближения оттолкнутся друг от друга, потому что имеют одинаковый электрический заряд, тогда как электрон и антиэлектрон будут притягиваться друг к другу, так как имеют противоположный электрический заряд. Все эти физические процессы описаны в первых двух строках основного уравнения и могут быть кратко обобщены в виде нескольких правил, которые можно представить в графическом виде. На самом деле не так уж трудно понять основные положения этого уравнения, хотя изучение деталей может потребовать более напряженных усилий. Мы с вами остановимся на ключевых положениях.

Давайте еще раз посмотрим на вторую строку основного уравнения. Член уравнения, который содержит два символа  и один символ G, – единственная часть уравнения, описывающая сильное взаимодействие между двумя кварками. Поля двух кварков и глюон взаимодействуют в одной точке пространства-времени – именно об этом говорит нам основное уравнение. Более того, это единственный способ, посредством которого они могут вступить во взаимодействие. Данная часть уравнения показывает нам, как взаимодействуют кварки и глюоны, причем этот способ взаимодействия однозначно задается уравнением, если мы ставим перед собой цель построить теорию, основанную на калибровочной симметрии. У нас просто не остается выбора. Фейнман понял, что такая простота свойственна, по сути, всем базовым взаимодействиям, и начал рисовать диаграммы для каждого взаимодействия, которое допускает теория. На рис. 14 показано, как специалисты по физике элементарных частиц обычно изображают в графическом виде взаимодействие между кварком и глюоном. Волнистая линия представляет глюон, прямая – кварк или антикварк. На рис. 15 изображены другие разрешенные стандартной моделью взаимодействия, вытекающие из первых двух строк основного уравнения. Пусть вас не беспокоят детали этих диаграмм – главное, что мы можем их записать и что их не так уж много. Частицы света (фотоны) обозначены символом , а частицы W и Z – своими символами. Шести кваркам соответствует общее обозначение q, нейтрино присвоен символ  (произносится как «ню»), а три электрически заряженных лептона (электрон, мюон и тау) представлены символом l. Античастицы отмечены горизонтальной линией над соответствующим символом. А вот самый изящный аспект такого представления. Эти графические изображения содержат то, что физики азывают «вершины взаимодействия». Вы можете «сшивать» эти вершины в более крупные диаграммы. Любая диаграмма, которую можно построить таким образом, отображает процесс, который может происходить в природе. И наоборот, если у вас не получается построить диаграмму, стало быть, данный процесс невозможен.

Рис. 14

Рис. 15

Фейнман сделал нечто большее, чем просто ввел диаграммы. Он сопоставил с каждой вершиной математические правила, выведенные непосредственно из основного уравнения. Эти правила позволяют физикам строить сложные диаграммы и рассчитывать вероятность процесса, отображенного соответствующей диаграммой. Например, когда два электрона встречаются друг с другом, самая простая диаграмма, которая позволяет это отобразить, выглядит так, как показано на рис. 16, a. Мы говорим, что происходит рассеяние электронов посредством обмена фотонами. Эта диаграмма построена с помощью склейки двух вершин «электрон-фотон». Вы можете представить себе, как два электрона сближаются, двигаясь слева, разлетаются друг от друга в результате фотонного обмена и продолжают свой путь направо. На самом деле мы незаметно применили здесь еще одно правило: нам разрешается менять частицу на античастицу (и наоборот) при условии, что затем мы превратим ее в исходную частицу. На рис. 16, б показан еще один возможный способ сшивания вершин. Этот рисунок немного сложнее, но он также описывает вероятный способ взаимодействия между двумя электронами. После некоторых размышлений вы согласитесь, что существует бесконечное множество диаграмм и все они отображают возможные способы рассеяния электронов. К счастью для тех из нас, кому приходится выполнять расчеты, одни диаграммы более важны, чем другие. На самом деле сформулировать правило достаточно легко: в общем случае самые значимые – диаграммы с наименьшим количеством вершин. Следовательно, в случае пары электронов диаграмма на рис. 16, a наиболее важна, поскольку содержит всего две вершины. Это значит, что мы можем получить достаточно полное представление о происходящем, рассчитав только эту диаграмму с использованием правил Фейнмана. Замечательно то, что посредством математики можно получить описание физики взаимодействия двух электрических заряженных частиц друг с другом в том виде, в котором это взаимодействие открыли Фарадей и Максвелл. Но теперь мы можем заявить, что гораздо лучше понимаем происхождение этого физического процесса, так как установили его исходя из калибровочной симметрии. Кроме того, математические расчеты на основании правил Фейнмана дают нам нечто большее, чем просто еще один подход к пониманию физики XIX столетия. Даже в случае взаимодействия двух электронов мы можем вычислить небольшие поправки к предсказаниям Максвелла, которые позволят усовершенствовать его уравнения для их более точного соответствия экспериментальным данным. Следовательно, основное уравнение открывает новые горизонты. На самом деле мы только начинаем осваивать эту тему. Как мы уже говорили, стандартная модель описывает все, что нам известно о взаимодействии частиц друг с другом, и представляет собой исчерпывающую теорию сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, которой удалось даже объединить два из них. В эту амбициозную систему понимания того, как все взаимодействует во Вселенной, не включена только гравитация.

Рис. 16

Но давайте вернемся к нашей теме. Каким образом правила Фейнмана, позволяющие кратко сформулировать суть стандартной модели, задают способы, с помощью которых мы можем разрушать массу и превращать ее в энергию? Как мы можем применить эти правила для лучшего использования уравнения E = mc? Для начала вспомним важный вывод, к которому мы пришли в главе 5: свет состоит из частиц без массы. Другими словами, фотоны – это частицы, не имеющие массы. В связи с этим мы можем нарисовать интересную диаграмму – как показано на рис. 17. Электрон и антиэлектрон (позитрон) сталкиваются друг с другом и аннигилируют, образуя при этом один фотон (давайте обозначим для ясности электрон символом e, а позитрон – e+). Правила Фейнмана допускают такое взаимодействие. Эта диаграмма заслуживает особого внимания, поскольку отражает ситуацию, в которой мы начали с небольшого количества массы (электрон и позитрон имеют определенную массу), а закончили ее полным отсутствием (фотоном). Это первичный процесс разрушения материи, в ходе которого вся исходная энергия, заключенная в массе электрона и антиэлектрона, высвобождается в виде энергии фотона. Однако здесь есть одно противоречие. Аннигиляция в один фотон запрещена правилом, согласно которому все происходящее должно подчиняться законам сохранения энергии и импульса одновременно, а для данного процесса это невыполнимо (это не совсем очевидно, но мы не станем приводить здесь доказательства). Однако это противоречие легко обойти, просто образовав два фотона. На рис. 18 показана соответствующая диаграмма Фейнмана, где исходная масса снова полностью разрушилась и превратилась в энергию, в данном случае в два фотона. Процессы такого рода сыграли ключевую роль на раннем этапе формирования Вселенной, когда материя и антиматерия почти полностью уничтожили друг друга именно в ходе подобного взаимодействия. Сейчас мы наблюдаем остатки этого взаимного уничтожения. Астрономы установили, что на каждую частицу, существующую во Вселенной, приходится около 100 миллиардов фотонов. Другими словами, из каждых 100 миллиардов частиц материи, возникших после Большого взрыва, выжила только одна. Все остальные, как наглядно показывает диаграмма Фейнмана, использовали имеющуюся у них возможность избавиться от своей массы и превратиться в фотоны.

Рис. 17

Рис. 18

На самом деле то вещество во Вселенной, из которого созданы звезды, планеты и люди, представляет собой крохотный остаток, сохранившийся после грандиозной аннигиляции массы, произошедшей в самом начале формирования Вселенной. Тот факт, что вообще что-то осталось, – не просто большая удача, а настоящее чудо! Мы до сих пор не совсем понимаем, почему это произошло. Вопрос, почему Вселенная не наполнена только светом и больше ничем, по-прежнему остается открытым, и во всем мире проводятся эксперименты, которые должны нам помочь найти на него ответ. В количестве умных идей нет недостатка, но нам еще предстоит найти убедительные экспериментальные данные или доказательства того, что все они ошибочны. Советский ученый Андрей Сахаров выполнил новаторскую работу в этой области. Он первым сформулировал критерии, которым должна удовлетворять любая успешная теория, преследующая цель ответить на вопрос, почему после Большого взрыва вообще осталась материя.

Мы с вами уже знаем, что у Вселенной есть механизм для разрушения массы, но, к сожалению, он не очень пригоден для использования на Земле, поскольку для этого необходим способ производства и хранения антиматерии. Нам негде добыть антиматерию, и, насколько нам известно, в открытом космосе ее тоже нет. В качестве топлива антиматерия представляется бесполезной, поскольку такого топлива просто нет. Антиматерию можно создать в лаборатории, но только потратив на это огромное количество энергии. Следовательно, хотя процесс аннигиляции материи и антиматерии представляет собой уникальный механизм превращения массы в энергию, он не поможет нам преодолеть мировой энергетический кризис.

А как насчет ядерного синтеза – процесса, который обеспечивает энергией Солнце? Как его можно описать в терминах стандартной модели? Для этого необходимо сфокусировать внимание на вершине диаграммы Фейнмана, в которой участвует частица W. На рис. 19 показано, что происходит, когда слияние двух протонов образует дейтрон. Если вы помните, протоны (в хорошем приближении) состоят из трех кварков: двух верхних и одного нижнего. Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, а нейтрон также содержит три кварка, но на этот раз речь идет об одном верхнем и двух нижних. Диаграмма показывает, как один и протонов можно превратить в нейтрон; как видите, ключевую роль в этом процессе играет частица W. Один из верхних кварков, входящих в состав протона, выделил частицу W и превратился в результате в нижний кварк, тем самым преобразовав протон в нейтрон. Согласно этой диаграмме частица W не остается в таком состоянии. Она прекращает свое существование и превращается в антиэлектрон и нейтрино[54]. Частицы W, образующиеся в ходе формирования дейтрона, всегда погибают. На самом деле их никто никогда не видел, разве что в виде вещества, в которое они преобразуются, когда покидают этот мир. Как показывает опыт, почти все элементарные частицы умирают, потому что вершина диаграммы Фейнмана разрешает это. Исключение из этого правила наблюдается каждый раз, когда невозможно обеспечить сохранение энергии или импульса, а это чаще всего означает, что остаются только самые легкие частицы. Именно этим объясняется тот факт, что вещество, состоящее в основном из протонов, электронов и фотонов, доминирует в повседневной жизни. Этим частицам просто не на что распадаться: верхние и нижние кварки – самые легкие, электрон – самый легкий заряженный лептон, а фотон вообще не имеет массы. Например, мюон во многом идентичен электрону, за исключением того, что он тяжелее. Если вы помните, мы уже говорили об этом, когда обсуждали брукхейвенский эксперимент. Так как масса мюона изначально больше массы электрона, его превращение в электрон не нарушит закон сохранения энергии. Кроме того, как показано на рис. 20, правила Фейнмана разрешают такое превращение, а учитывая, что при этом выделяется также пара нейтрино, нет проблем и с сохранением импульса. Главное в том, что мюоны все же распадаются и живут в среднем 2,2 микросекунды. Кстати, 2,2 микросекунды – очень длительный период по шкале времени большинства интересных процессов в физике элементарных частиц. Напротив, электрон – самая легкая частица стандартной модели и ему просто не на что распадаться. Насколько можно судить, электрон, предоставленный самому себе, никогда не распадется, поэтому единственный способ победить его – заставить аннигилировать вместе с его партнером из антиматерии.

Рис. 19

Рис. 20

Но вернемся к дейтрону. На рис. 19 показано, как он может образоваться в результате столкновения двух протонов. Кроме того, в каждом случае такого слияния можно обнаружить один антиэлектрон (позитрон) и одно нейтрино. Как мы уже отмечали, нейтрино поддерживают очень слабое взаимодействие со всеми остальными частицами Вселенной. Согласно основному уравнению именно так все и происходит, потому что нейтрино – единственная частица, которая вступает только в слабое взаимодействие. В итоге нейтрино, которые рождаются в сердце звезды, могут без всяких усилий сбежать от нее – они разлетаются во всех направлениях, а некоторые отправляются в сторону Земли. Подобно Солнцу, Земля для нейтрино почти прозрачна, и они проходят сквозь нее, даже не замечая, что она встретилась им на пути. Вместе с тем у каждого нейтрино все же есть небольшой шанс вступить во взаимодействие с атомом на Земле. Выше уже упоминалось, что это взаимодействие обнаруживается с помощью таких установок, как детектор Super-Kamiokande.

Как мы можем быть уверены в правильности стандартной модели, во всяком случае на том уровне точности, который обеспечивает современная экспериментальная база? На протяжении многих лет стандартную модель подвергали самым строгим тестам в разных лабораториях мира. Не стоит беспокоиться о том, что ученые предвзято относятся к этой теории. Те, кто проводит такие испытания, очень хотели бы найти слабые места или недостатки в стандартной модели и делают все возможное, чтобы ее развалить. Их мечта – хотя бы на мгновение увидеть новые физические процессы, которые могут открыть поражающие воображение новые перспективы и величественную картину внутреннего устройства Вселенной. Однако до настоящего времени стандартная модель выдержала все испытания.

Большой адронный коллайдер – самая последняя из крупных установок, используемых для проверки стандартной модели. Этот проект, в рамках которого сотрудничают ученые всего мира, преследует цель либо подтвердить, либо опровергнуть стандартную модель (немного ниже мы еще вернемся к БАК). Предшественником БАК был большой электрон-позитронный коллайдер (БЭПК), с помощью которого удалось провести ряд тонких тестов. Он находился внутри кольцевого тоннеля длиной 27 километров, вырытого под Женевой и несколькими живописными французскими деревнями. Этот коллайдер исследовал мир стандартной модели на протяжении 11 лет, с 1989 по 2000 год. Сильные электрические поля использовались для ускорения пучков электронов в одном направлении, а позитронов – в другом. Грубо говоря, ускорение заряженных частиц с помощью электрических полей напоминает механизм, применяемый в устаревших телевизионных приемниках с электронно-лучевыми трубками для выброса электронов на экран и создания изображения. Электроны выбрасываются с тыльной стороны устройства (поэтому старые телевизоры такие громоздкие), затем ускоряются электрическим полем и попадают на экран телевизора. Под воздействием магнита пучок электронов перемещается по экрану, создавая изображение.

В БЭПК также использовались магнитные поля, на этот раз для того, чтобы заставить частицы двигаться по кругу в соответствии с изгибом тоннеля. Весь смысл этой затеи состоял в том, чтобы устроить столкновение двух пучков частиц. Как мы уже знаем, столкновение электрона и позитрона может привести к аннигиляции обеих частиц, в результате которой их масса превратится в энергию. Именно эта энергия больше всего интересовала физиков, работавших с БЭПК, поскольку, согласно правилам Фейнмана, ее можно было бы превратить в более тяжелые частицы. На первом этапе работы ускорителя энергия электрона и позитрона очень близка к тому значению, которое существенно увеличивает вероятность создания частицы Z (вы можете просмотреть список правил Фейнмана в стандартной модели и убедиться, что аннигиляция электрон-позитронной пары, приводящая к рождению частицы Z, разрешена). На самом деле у частицы Z достаточно большая масса по сравнению с другими частицами: она почти в 100 раз тяжелее протона и примерно в 200 тысяч раз – электрона и позитрона. Следовательно, для того чтобы рождение частицы Z стало возможным, электрон и позитрон необходимо сталкивать друг с другом на скорости, очень близкой к скорости света. Безусловно, энергии, которая заключена в массе этих частиц и высвобождается после их аннигиляции, совершенно недостаточно для создания частицы Z.

Первоначальная цель, стоявшая перед БЭПК, была достаточно проста: вырабатывать частицы Z посредством многократного столкновения электронов и позитронов. При каждом столкновении пучков частиц существует довольно большая вероятность, что электрон из одного пучка аннигилирует с позитроном из другого пучка, что приведет к рождению одной частицы Z. Выстреливая эти пучки друг навстречу другу с большой скоростью, БЭПК за весь период существования смог образовать более 20 миллионов частиц Z в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары.

Подобно другим частицам стандартной модели, частица Z нестабильна: она живет всего 10–25 секунды, прежде чем погибнуть. На рис. 21 показаны возможные варианты процесса создания частицы Z, которые представляли интерес для полутора тысяч физиков, работавших с БЭПК, не говоря уже о многих тысячах физиков по всему миру, с нетерпением ожидавших результатов. Благодаря использованию огромных детекторов частиц, окружающих точку столкновения и аннигиляции электрона и позитрона, специалисты по физике элементарных частиц смогли обнаружить и идентифицировать то, что образуется в процессе распада частицы Z. Современные детекторы, применяемые в физике элементарных частиц (такие как БЭПК), немного напоминают огромные многометровые цифровые фотоаппараты. Подобно самим ускорителям, эти детекторы представляют собой выдающееся достижение современного инженерного искусства. Расположенные в пещерах размером с собор, они могут с чрезвычайно высокой точностью измерить энергию и импульс единственной субатомной частицы. Эти установки – воплощение передовой инженерной мысли, что делает их прекрасным памятником нашего коллективного стремления к исследованию устройства Вселенной.

Рис. 21

Вооружившись этими детекторами и огромным парком высокопроизводительных компьютеров, ученые поставили перед собой одну из основных задач, решение которой подразумевало достаточно простую стратегию. Им необходимо было проанализировать полученные данные и идентифицировать столкновения, приводившие к рождению частицы Z, а затем определить характер ее распада для каждого такого столкновения. Иногда распад частицы Z приводил к образованию электрон-позитронной пары. А иногда – к созданию кварка и антикварка или, возможно, мюона и антимюона (см. рис. 21). Работа ученых сводилась к тому, чтобы подсчитать количество случаев распада частицы Z в соответствии с каждым из возможных сценариев, предусмотренных стандартной моделью, и сравнить полученные результаты с ожидаемыми показателями, предсказанными теорией. Имея в своем распоряжении данные о более чем 20 миллионах частиц Z, ученые смогли провести достаточно строгую проверку корректности стандартной модели. Как и следовало ожидать, ее результаты показали, что теория работает превосходно. Этот процесс, называемый измерением парциальной ширины, стал одним из самых важных испытаний стандартной модели, выполненных с помощью БЭПК. Впоследствии проводились еще многие испытания, и во всех случаях стандартная модель оказывалась верной. Когда в 2000 году БЭПК был закрыт, полученные с его помощью сверхточные данные позволили проверить стандартную модель с точностью 0,1 процента.

Прежде чем оставить тему тестирования стандартной модели, мы не можем не привести еще один пример эксперимента совершенно другого типа. Электроны (и многие другие элементарные частицы) ведут себя как крохотные магниты, и чтобы измерить этот магнитный эффект, были разработаны очень красивые эксперименты, не имеющие отношения к коллайдеру. Здесь нет никакого грубого столкновения материи и антиматерии. Вместо этого тщательно продуманные эксперименты позволяют ученым измерить магнетизм с поразительной точностью – до триллионной доли, аналогичной измерению расстояния от Лондона до Нью-Йорка с точностью до толщины человеческого волоса. Словно этого было недостаточно, физики-теоретики также работали не покладая рук. Они рассчитали тот же процесс. Раньше для выполнения вычислений такого рода достаточно было ручки и бумаги, но в наше время даже теоретикам не обойтись без хороших компьютеров.

Тем не менее, имея в своем распоряжении стандартную модель и трезвый ум, физики-теоретики рассчитали прогнозы этой модели, и полученные ими результаты полностью совпали с экспериментальными данными. До настоящего времени теория и эксперимент согласуются с точностью до десяти миллиардных долей. Это одно из самых точных испытаний любой теории, которая когда-либо создавалась во всех областях науки. К настоящему моменту, в немалой степени благодаря БЭПК и экспериментам с магнетизмом электронов, мы обрели большую уверенность в том, что стандартная модель физики элементарных частиц находится на правильном пути. Наша теория пребывает в прекрасном состоянии – за исключением одной последней детали, которая на самом деле достаточно серьезна. Что представляют собой две последние строки основного уравнения?

Мы признаем свою вину: мы скрывали информацию, имеющую бесспорно важное значение для тех поисков, которые мы предпринимаем в этой книге. Теперь пришло время раскрыть секрет. Требование наличия калибровочной симметрии, казалось бы, подразумевает, что все частицы стандартной модели не должны иметь массы. Это большое заблуждение. Любые объекты имеют массу, и чтобы это доказать, не нужны сложные научные эксперименты. Мы размышляли об этом на протяжении всей книги и вывели в итоге самое знаменитое уравнение в физике – E = mc, в котором явно присутствует символ m. Эту проблему решают две последние строки основного уравнения. Когда мы поймем их суть, наше путешествие завершится, поскольку мы получим объяснение самого происхождения массы.

Проблему массы сформулировать очень легко. Если мы попытаемся включить ее непосредственно в основное уравнение, то неизбежно нарушим калибровочную симметрию, а она лежит в основе этой теории. Использование данной концепции позволило нам как по волшебству объяснить существование всех сил природы. Более того, в 1970-х годах физики-теоретики доказали, что отказ от калибровочной симметрии – не выход, поскольку в таком случае теория развалится на части и потеряет смысл. Выход из этой на первый взгляд тупиковой ситуации в 1964 году нашли три группы ученых, работавшие независимо друг от друга. Ученые Франсуа Энглер[55] и Роберт Браут[56] из Бельгии, Джеральд Гуральник[57], Карл Хаген[58] и Том Киббл[59] из Лондона, а также Питер Хиггс[60] из Эдинбурга написали выдающиеся работы, которые привели к открытию того, что впоследствии получило известность как механизм Хиггса.

Как же объяснить, что такое масса? Предположим, вы начали с теории об устройстве Вселенной, в которой массы просто нет, и вы даже не изобрели бы термина для ее обозначения. Как мы уже знаем, в таком случае все частицы просто перемещались бы со скоростью света. А теперь представьте, что в рамках этой теории происходит нечто – скажем, некое событие, после которого различные частицы начинают двигаться с другой, более низкой скоростью и, разумеется, больше не перемещаются со скоростью света. В таком случае вы имели бы полное право заявить, что произошедшее отвечает за происхождение массы. Это «нечто» – механизм Хиггса, и нам пора объяснить, что это такое.

Представьте, что у вас завязаны глаза и вы держите на нитке шарик для пинг-понга. Дернув за нитку, вы придете к выводу, что на ее конце находится нечто имеющее совсем небольшую массу. Предположим, что шарик для пинг-понга не болтается свободно на нитке, а погружен в густой кленовый сироп. Дернув за нитку в этот раз, вы почувствуете значительное сопротивление и решите, что на конце нитки находится нечто гораздо тяжелее шарика для пинг-понга. А теперь представьте, что некий космический кленовый сироп пронизывает все пространство, причем он настолько вездесущ, своего рода фон для всего происходящего, что мы даже не замечаем его присутствия.

Безусловно, на этом аналогия с сиропом исчерпывается. Во-первых, это должен быть избирательный сироп, который удерживает кварки и лептоны, но беспрепятственно пропускает фотоны. Вы можете подумать, что можно было бы развить эту аналогию дальше, чтобы объяснить и этот феномен, но мы считаем, что донесли до вас основную мысль. Кроме того, мы не должны забывать, что это всего лишь аналогия. Разумеется, в работах Хиггса и его коллег никакой сироп не упоминается.

В действительности в этих работах идет речь о том, что мы называем сейчас полем Хиггса. Подобно полю электрона, с полем Хиггса связана частица – частица Хиггса. Так же как и в случае поля электрона, значения поля Хиггса изменчивы. Там, где это поле самое сильное, вероятность обнаружить частицу Хиггса наиболее высокая. Однако есть одно существенное отличие: поле Хиггса не является нулевым даже при отсутствии частиц Хиггса – именно в этом смысле оно напоминает вездесущий сироп. Все частицы в стандартной модели двигаются на фоне поля Хиггса, и некоторые из них попадают под его воздействие в большей степени, чем другие. Последние две строки основного уравнения охватывают именно этот физический процесс. Поле Хиггса представлено в уравнении символом , и фрагмент третьей строки, содержащий два символа вместе с B или W (которые в нашей сокращенной записи скрыты в символе D в третьей строке основного уравнения), – именно те члены уравнения, которые генерируют массу для частиц W и Z. Эта теория весьма разумно устроена так, что фотон остается без массы (часть фотона, обозначенная символом B, и часть, обозначенная W, сокращаются; они также скрыты в символе D), а поскольку поле глюона (G) нигде не встречается, у него тоже нет массы. Включение в уравнение поля Хиггса позволило придать частицам массу, не нарушив при этом калибровочную симметрию. Вместо этого масса частиц возникает в результате их взаимодействия с фоновым полем Хиггса. В этом и состоит красота идеи: мы можем получить массу, не теряя калибровочную симметрию. Четвертая строка основного уравнения – место, в котором поле Хиггса генерирует массу для оставшихся частиц материи стандартной модели.

В этой фантастической картине есть одна загвоздка: ни один эксперимент еще не смог обнаружить частицу Хиггса. Все остальные частицы стандартной модели были выявлены в ходе экспериментов, так что бозон Хиггса – недостающая часть головоломки. Если он действительно существует, как было предсказано, то стандартная модель снова одержит победу и сможет включить объяснение происхождения массы во впечатляющий список своих достижений. Подобно взаимодействиям всех остальных частиц, стандартная модель точно определяет, как частица Хиггса должна проявляться в ходе экспериментов. Единственное, чего стандартная модель нам не говорит, – какова масса этой частицы. Однако мы знаем массу частицы W и верхнего кварка, так что теория позволяет оценить диапазон, в котором находится масса частицы Хиггса. Большой электрон-позитронный коллайдер мог бы увидеть бозон Хиггса, если бы его масса находилась в более легкой части прогнозируемого диапазона. Но поскольку на этом коллайдере частицу Хиггса так и не удалось обнаружить, можно сделать предположение, что она слишком тяжела, чтобы получить ее на БЭПК (не забывайте, согласно уравнению E = mc для создания более тяжелых частиц требуется больше энергии). Во время написания этих строк коллайдер Tevatron, расположенный в Национальной лаборатория ускорителей имени Ферми (Fermilab) неподалеку от Чикаго, пытается выявить частицу Хиггса, но пока безрезультатно. Вполне возможно, что у коллайдера Tevatron также недостаточно энергии для того, чтобы получить четкий сигнал о существовании частицы Хиггса, хотя он и принимает активное участие в ее поисках. Большой адронный коллайдер – самый мощный ускоритель среди всех когда-либо построенных. Он действительно должен решить вопрос существования бозона Хиггса, поскольку его энергия намного превышает верхний предел энергии, указанный стандартной моделью. Немного ниже мы объясним, почему так уверены в том, что БАК выполнит задачу, которую не смогли решить его предшественники, но сначала хотели бы объяснить, как именно предполагается получать частицы Хиггса в БАК.

Большой адронный коллайдер построен в том же 27-километровом кольцевом тоннеле, который использовался для БЭПК, однако, кроме самого тоннеля, все остальное изменилось. Совершенно новый ускоритель занимает теперь ту площадь, которую когда-то занимал БЭПК. Этот ускоритель способен разгонять по тоннелю в противоположных направлениях протоны до энергии, более чем в 7 тысяч раз превышающей их энергию массы. Благодаря возможности сталкивать протоны друг с другом на уровне таких энергий физика элементарных частиц вступает в новую эру, и если стандартная модель справедлива, это приведет к образованию множества частиц Хиггса. Протоны состоят из кварков, поэтому, если мы хотим понять, что должно произойти в БАК, все, что нам нужно, – определить соответствующие диаграммы Фейнмана.

Самые важные вершины, соответствующие взаимодействиям между обычными частицами стандартной модели и бозоном Хиггса, показаны на рис. 22, где частица Хиггса, изображенная точечным пунктиром, вступает во взаимодействие с самым тяжелым кварком – истинным кварком (обозначенным как t), а также с достаточно тяжелыми частицами W и Z. Пожалуй, вряд ли стоит удивляться тому, что частица, которая отвечает за происхождение массы, предпочитает вступать во взаимодействие с самыми массивными частицами. Зная, что протоны представляют собой источник кварков, наша задача – найти способ внедрения вершины частицы Хиггса в более крупную диаграмму Фейнмана. После этого мы сможем понять, как в БАК могут образоваться бозоны Хиггса. Поскольку кварки взаимодействуют с бозонами W (или Z), не составляет труда определить, как бозоны Хиггса могут быть образованы с помощью частиц W (или Z). Результат показан на рис. 23: кварки, полученные от каждого из сталкивающихся протонов (обозначенных как p), испускают частицу W (или Z), затем эти частицы сливаются воедино и образуют бозон Хиггса. Считается, что этот процесс, названный слиянием промежуточных бозонов, станет ключевым процессом, протекающим в БАК.

Рис. 22

Рис. 23

Механизм образования истинного кварка немного сложнее. Истинных кварков в протонах нет, поэтому нам необходимо найти способ перейти от легких (верхних или нижних) кварков к истинным. Так вот, истинные кварки взаимодействуют с более легкими кварками посредством сильного взаимодействия – другими словами, с помощью испускания и поглощения глюона. Результат показан на рис. 24. Этот процесс очень напоминает процесс слияния промежуточных бозонов, за исключением того, что здесь место частиц W и Z занимают глюоны. В действительности, поскольку этот процесс осуществляется посредством сильного взаимодействия, он представляет собой самый вероятный способ образования бозонов Хиггса в БАК, известный как слияние глюонов.

Рис. 24

В настоящее время механизм Хиггса представляет собой общепризнанную теорию происхождения массы во Вселенной. Если все пойдет по плану, БАК либо подтвердит, либо опровергнет принятое в стандартной модели описание происхождения массы. Именно это делает несколько следующих лет волнующим периодом для физиков. Мы находимся в классической научной ситуации, когда есть теория, прогнозирующая, что именно должно произойти в ходе эксперимента, а значит, по его результатам она либо уцелеет, либо погибнет. Но что, если стандартная модель ошибочна? Не может ли случиться нечто совершенно иное и непредвиденное? Ведь не исключено, что она не совсем точна и нет никакой частицы Хиггса. Безусловно, такой сценарий возможен. Специалисты по физике элементарных частиц особенно взволнованны, поскольку знают, что БАК должен открыть нечто новое. Вероятность того, что это не произойдет, вообще не рассматривается, поскольку без бозона Хиггса стандартная модель абсолютно не имеет смысла на уровне энергий, которые способен генерировать БАК, а прогнозы стандартной модели в таком случае просто рассыплются в прах; БАК – первый коллайдер, который проникнет в эту неисследованную область. Строго говоря, если две частицы W сталкиваются друг с другом при энергиях, в тысячу раз превышающих энергию массы протона (что определенно происходит в БАК), то, просто выбросив частицы Хиггса из основного уравнения, мы потеряем возможность расчета происходящего. Включение частиц Хиггса в уравнение делает такие расчеты рабочими, но есть и другие способы рассеяния частиц W, так что механизм Хиггса – не единственный вариант. Какой бы способ ни выбрала Вселенная, БАК абсолютно неизбежно зафиксирует нечто содержащее такие физические явления, с которыми мы еще никогда не сталкивались. Ученым очень редко удается проводить эксперименты с явной гарантией того, что в их ходе будет обнаружено нечто интересное. Именно это делает эксперименты в БАК самым ожидаемым событием за многие годы.

8. Искривление пространства-времени

До настоящего момента мы воспринимали пространственно-временной континуум как нечто неизменое, подобное четырехмерной сцене или арене, на которой происходит все сущее. Кроме того, мы пришли к выводу, что у пространства-времени есть своя геометрия и она почти наверняка неэвклидова. Мы видели, как концепция пространства-времени естественным образом приводит к формуле E = mc и как это простое уравнение и физические процессы, которые оно описывает, стало краеугольным камнем и современных теорий устройства Вселенной, и индустриального мира. Позвольте перейти к последнему повороту нашего повествования, задав такой вопрос: возможно ли, что пространство-время по-разному изогнуто и искривлено в разных местах Вселенной?

Безусловно, идея искривленного пространства не должна казаться нам новой. Эвклидово пространство плоское, а пространство Минковского искривлено. Мы имеем в виду, что теорема Пифагора неприменима в пространстве-времени Минковского – применима версия уравнения расстояния со знаком минус. Кроме того, мы знаем, что расстояние между двумя точками в пространстве-времени аналогично расстоянию между различными местами на карте Земли – самое короткое расстояние между двумя точками – не прямая линия в общепринятом смысле слова. Таким образом, пространство-время Минковского и поверхность Земли – примеры искривленного пространства. Вместе с тем расстояние между двумя точками в пространстве-времени Минковского всегда удовлетворяет уравнению s2 = (ct)2 – x2, а это означает, что оно одинаково искривляется повсюду. То же самое можно сказать и о поверхности Земли. Однако имеет ли смысл говорить о поверхности, которая искривляется по-разному в разных местах? Как выглядело бы пространство-время в таком случае и какими бы оказались последствия для часов, линеек и законов физики? Для того чтобы исследовать эту на первый взгляд загадочную вероятность, мы снова перейдем от поражающих воображение четырех измерений к привычным двум измерениям и сосредоточим внимание на поверхности сферы.

Гладкий мяч искривлен одинаково повсюду – это совершенно очевидно. Однако этого нельзя сказать о мяче для гольфа, имеющем углубления. Поверхность Земли также не идеальная сфера. При ближайшем рассмотрении мы видим на ней долины и впадины, горы и океаны. Закон для определения расстояния между двумя точками на поверхности Земли один и тот же повсюду только в приближенном варианте. Для получения более точного ответа нам необходимо знать, как изменяется холмистая поверхность Земли, когда мы перемещаемся по горам и долинам между начальным и конечным пунктом путешествия. Могут ли в пространстве-времени быть такие углубления, как на мяче для гольфа, или горы и долины, как на поверхности Земли? Может ли пространство-время «искривляться» в разных местах?

Когда мы впервые вывели уравнение расстояния в пространстве-времени, создалось впечатление, что мы не можем его менять в разных местах. Фактически мы утверждали, что точная форма уравнения расстояния навязана нам ограничениями причинно-следственных связей. Однако мы все же приняли одно важное предположение: пространство-время повсюду одинаково. Есть веские основания утверждать, что это предположение работает на удивление хорошо и что экспериментальные данные говорят главным образом в его пользу, поскольку именно оно сыграло важнейшую роль в получении формулы E = mc. Но, может быть, мы были недостаточно внимательны? Может ли пространство-время быть не совсем одинаковым в разных местах и может ли это повлечь за собой поддающиеся наблюдению последствия? Ответ – твердое «да». Для того чтобы прийти к такому заключению, давайте еще раз последуем по пути Эйнштейна, которому понадобилось десять лет тяжелого труда, прежде чем он сформулировал еще одну грандиозную теорию: общую теорию относительности.

Путь Эйнштейна к специальной теории относительности начался с одного простого вопроса: что произошло бы, будь скорость света одинаковой для всех наблюдателей? Гораздо более извилистый путь Эйнштейна к общей теории относительности тоже начался с простого наблюдения, которое так его поразило, что он не мог успокоиться, пока не понял его истинную значимость. Речь идет вот о каком утверждении: все объекты падают на землю с одним и тем же ускорением. Да, все верно: именно это так взволновало Эйнштейна! Только такой пытливый ум, как у Эйнштейна, способен понять, что столь непримечательный на первый взгляд факт может иметь глубинный смысл.

В действительности этот широко известный в физике вывод был сделан задолго до рождения Эйнштейна. Считается, что первым к нему пришел Галилей. Легенда гласит, что он взобрался на падающую башню в Пизе, бросил с крыши два шара разной массы и увидел, что они достигли поверхности в одно и то же время. На самом деле не так уж важно, действительно ли Галилей провел этот эксперимент, важнее то, что он правильно оценил результат. Мы точно знаем, что в конце концов этот эксперимент все же был поставлен, но не в Пизе, а на Луне, и сделал это в 1971 году командир космического корабля «Аполлон-15» Дэвид Скотт. Он бросил перышко и молоток – и оба предмета опустились на поверхность Луны одновременно. Мы не можем провести этот эксперимент на Земле, поскольку перышко подхватывает и замедляет ветер, но когда такой эксперимент проводится в глубоком вакууме на лунной поверхности, это производит огромное впечатление. Безусловно, нет особой надобности отправляться на Луну, чтобы удостовериться в правоте Галилея, но это все равно не снижает драматизма демонстрации, устроенной членами экипажа корабля «Аполлон-15» (настоятельно рекомендуем посмотреть видео этого эксперимента). Важно то, что все объекты падают с одним и тем же ускорением при условии устранения всех мешающих факторов, таких как, скажем, сопротивление воздуха. Но здесь возникает очевидный вопрос: почему? Почему все падает с одинаковым ускорением и почему мы расцениваем это как нечто очень важное?

Представьте, что вы стоите в неподвижном лифте. Ваши ступни твердо опираются на поверхность, а голова втянута в плечи. Желудок остается на месте. А теперь представьте, что вам не повезло и вы имеете несчастье находиться внутри лифта, который стремительно падает на землю, потому что порвались тросы. Поскольку все падает с одинаковым ускорением, ваши ступни больше не давят на пол, голова не упирается в плечи, а желудок свободно парит внутри тела. В общем, вы стали невесомым. Это важное событие, так как происходит в точности то же, что произошло бы, если бы кто-то отключил гравитацию. Астронавт, свободно парящий в открытом космосе, чувствовал бы себя примерно так же. Точнее говоря, в случае падения лифта нет таких экспериментов, которые можно было бы выполнить внутри него и которые позволили бы выяснить, падаете ли вы на землю или парите в открытом космосе. Безусловно, вы знаете ответ, потому что вошли в лифт и, возможно, показания счетчика этажей с пугающей скоростью приближаются к отметке первый этаж. Однако речь не об этом. Суть в том, что законы физики идентичны в обоих случаях. Именно это произвело на Эйнштейна столь неизгладимое впечатление. У такой универсальности свободного падения есть свое имя: принцип эквивалентности.

В самом общем виде сила тяжести в разных местах разная. Чем выше вы находитесь над уровнем Земли, тем она меньше, хотя разница между силой тяжести на уровне моря и на вершине Эвереста не такая уж и большая. На Луне сила тяжести гораздо меньше, поскольку масса Луны меньше массы Земли. Аналогично сила притяжения Солнца намного больше, чем сила притяжения Земли. Но где бы в Солнечной системе вы ни находились, сила тяжести в непосредственной близости от вас почти не меняется. Представьте, что вы стоите на земле. Гравитация у ваших ног будет немного сильнее, чем на уровне головы, но разница совсем невелика. Причем она будет меньше для низкорослого человека и больше для высокого. Вообразите крохотного муравья. Разница между силой тяжести у его ног и на уровне головы будет еще меньше. Давайте еще раз отправимся по проторенному пути мысленного эксперимента и станем рисовать себе все более и более мелкие объекты, вплоть до крохотного лифта, который настолько мал, что можно предположить, что сила тяжести в ем повсюду одинакова. В этом крохотном лифте обитают еще более крохотные физики, задача которых – ставить в нем научные эксперименты. А теперь представим, что этот крохотный лифт находится в состоянии свободного падения. В этом случае ни один из крохотных физиков даже не произнес бы слово «гравитация» своим писклявым голосом, так как обнаружить данный эффект посредством наблюдений в лифте невозможно. В описании мира с точки зрения наблюдений, сделанных этой группой крохотных падающих физиков, был бы один поразительный аспект: силы тяжести в нем просто нет. Но подождите-ка! Ведь нечто явно удерживает Землю на орбите вокруг Солнца. Это просто еще один хитрый трюк или в этом есть что-то важное?

Давайте на минуту оставим в стороне силу тяжести и пространство-время и вернемся к искривленной поверхности Земли. Пилот, планирующий перелет из Манчестера в Нью-Йорк, должен учитывать, что поверхность Земли имеет определенную кривизну. С другой стороны, когда вы переходите из столовой на кухню, вам не нужно помнить о кривизне поверхности Земли и вы вполне можете исходить из того, что эта поверхность плоская. Другими словами, геометрия этого участка поверхности очень близка к эвклидовой. По большому счету именно поэтому людям понадобилось так много времени, чтобы открыть тот факт, что Земля не плоская, а круглая: радиус кривизны гораздо больше, чем те расстояния, с которыми люди раньше имели дело. Давайте мысленно разделим поверхность Земли на небольшие квадратные участки, как показано на рис. 25. Каждый участок имеет почти плоскую поверхность, причем чем меньше размер участка, тем он более плоский. На каждом таком участке правит эвклидова геометрия: параллельные прямые не пересекаются и теорема Пифагора работает. Кривизна поверхности Земли становится очевидной, только когда мы пытаемся покрыть большие площади этой поверхности эвклидовыми участками. Для того чтобы построить искривленную поверхность сферы, необходимо соединить вместе огромное множество таких участков.

Рис. 25

Теперь давайте вернемся к нашему маленькому лифту, находящемуся в состоянии свободного падения, и представим, что рядом с ним расположено множество других маленьких лифтов – фактически в каждой точке пространства-времени. Внутри каждого такого лифта пространство-время примерно одно и то же, причем чем меньше лифт, тем точнее приближение. А теперь вспомните: в главе 4 мы обращали ваше внимание на предположение, что пространство-время должно быть неизменным и одинаковым повсюду – это было крайне важно для построения формулы расстояния в пространстве-времени Минковского. Поскольку пространство-время внутри каждого крохотного лифта также неизменно и везде одинаково, следовательно, мы можем использовать формулу расстояния Минковского внутри каждого отдельного маленького лифта.

Будем надеяться, что здесь уже начинает возникать аналогия со сферой. Вместо фразы «плоский участок поверхности Земли» следует употребить фразу «падающий лифт в пространстве-времени», а вместо «искривленная земная поверхность» – «искривленное пространство-время». В действительности именно по этой причине физики часто называют пространство-время Минковского плоским пространством-временем. В данной аналогии пространство-время Минковского играет роль эвклидова пространства. В этой книге мы используем слово «плоский» применительно к эвклидовой геометрии, а знак минус, который присутствует в сформулированной Минковским версии теоремы Пифагора, подтолкнул нас к употреблению термина «искривленное пространство-время». Использовать язык порой не так просто, как хотелось бы! Таким образом, совокупность маленьких лифтов относится к пространству-времени, как совокупность маленьких участков – к сфере. В каждом крохотном лифте гравитации нет, но можно представить, как совокупность маленьких участков пространства-времени Минковского образует искривленное пространство-время, аналогично тому, как мы строили криволинейную поверхность Земли из плоских эвклидовых участков. Не будь гравитации, мы могли бы обойтись одним большим лифтом, в котором имеет место геометрия Минковского. Таким образом, мы только что узнали, что при наличии гравитации можем сделать так, чтобы она исчезла, но только ценой искривления пространства-времени. Какой удивительный вывод!

Если взглянуть на ситуацию с другой стороны, то, по всей вероятности, мы открыли тот факт, что сила тяжести – не что иное, как сигнал об искривлении самого пространства-времени. Действительно ли это так и что вызывает подобное искривление? Учитывая, что действие гравитации проявляется только в непосредственной близости от материи, мы можем предположить, что пространство-время искривлено поблизости от материи и энергии, поскольку E = mc. Мы не упоминали о величине искривления пространства-времени и не будем останавливаться на этой концепции подробно, так как она, как принято говорить в физике, нетривиальна. В 1915 году Эйнштейн написал уравнение, которое позволяет определить, каким именно должно быть искривление пространства-времени при наличии материи и энергии. Это уравнение улучшает старый ньютоновский закон тяготения таким образом, чтобы он автоматически соответствовал специальной теории относительности (закон Ньютона не согласуется с ней). Безусловно, это обеспечивает результаты, очень похожие на действие закона Ньютона в большинстве ситуаций, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, но все же подчеркивает тот факт, что теория Ньютона – это только приближение. Для того чтобы проиллюстрировать различия в подходах к пониманию гравитации, давайте посмотрим, как Ньютон и Эйнштейн описали бы движение Земли вокруг Солнца. Ньютон сказал бы нечто в таком роде: «Земля притягивается к Солнцу силой тяжести, и это притяжение мешает ей улететь в космос, заставляя вместо этого двигаться по большому кругу»[61]. Эта ситуация аналогична вращению привязанного к веревке мяча над головой. Такой мяч будет перемещаться по кругу, поскольку натяжение веревки мешает ему двигаться иначе. Если перерезать веревку, мяч сразу же улетит по прямой. Точно так же если бы вам удалось отключить притяжение Солнца, то, как сказал бы Ньютон, Земля отправилась бы по прямой в открытый космос. Описание Эйнштейна было бы совсем другим и выглядело бы примерно так: «Солнце – массивный объект и, будучи таковым, искажает пространство-время вблизи себя. Земля свободно перемещается в космическом пространстве, но искривление пространства-времени заставляет ее двигаться по кругу».

Для того чтобы понять, как очевидная сила может быть не чем иным, как следствием геометрии, рассмотрим ситуацию: два друга идут по поверхности Земли. Им сказано отправляться с экватора и двигаться строго на север параллельно друг другу по идеальной прямой. Если ни один из друзей не мошенничал и не отклонялся от курса, они вполне могут прийти к выводу, что по мере их продвижения к Северному полюсу между ними действовала некая сила, которая притягивала их друг к другу. Это одно из объяснений происходящего, но есть и другое: поверхность Земли искривлена. То же самое происходит и с Землей, когда она движется вокруг Солнца.

Для того чтобы лучше понять, о чем идет речь, давайте вернемся к одному из наших отважных путешественников, идущих по поверхности Земли. Как и прежде, ему приказано идти только по прямой. В локальном масштабе он без всякого замешательства выполнит эту инструкцию, поскольку в любом месте на Земле может исходить из предположения, что работает эвклидова геометрия, а значит, концепция прямой линии ему вполне понятна. А теперь давайте вернемся к гравитации и пространству-времени. Концепция прямых линий, пролегающих в пространстве-времени, аналогична концепции прямых линий на поверхности Земли. Трудность возникает только в связи с тем, что пространство-время – это четырехмерная «поверхность», тогда как поверхность Земли двумерна. Однако эта трудность обусловлена нашим ограниченным воображением, а не повышенной сложностью математических выкладок. В действительности математическое описание геометрии в пространстве-времени не сложнее математического опсания геометрии на поверхности сферы. Вооружившись концепцией прямых линий в пространстве-времени (известных как геодезические линии), мы можем взять на себя смелость выдвинуть предположение о том, как действует сила тяжести. Мы уже видели, что гравитацию можно исключить из рассмотрения в обмен на концепцию искривленного пространства, а также что в локальном масштабе пространство-время – это «плоское» пространство-время Минковского. На данном этапе изложения материала мы уже хорошо знаем, как двигаются объекты в такой среде. Например, если частица находится в состоянии покоя, она в нем и останется (если только какой-то внешний фактор не приведет ее в движение). Это означает, что данная частица перемещается в пространстве-времени лишь по оси времени. Аналогичным образом объекты, движущиеся с постоянной скоростью, будут перемещаться в одном и том же направлении с одной и той же скоростью (если что-то не собьет их с курса). Эти объекты будут следовать по прямым линиям диаграммы пространства-времени, наклоненным относительно временной оси. Таким образом, при отсутствии воздействия какой-либо внешней силы на каждом крохотном участке пространства-времени все должно перемещаться по прямым линиям. Сила тяжести начнет действовать, лишь когда мы соединим все маленькие участки воедино, поскольку только в этом случае отдельные прямые линии объединятся и образуют нечто более интересное, например орбиту движения планеты вокруг звезды. Мы еще не говорили о том, как именно необходимо соединить эти участки, чтобы создать искривление пространства-времени, но уравнение, написанное Эйнштейном в 1915 году, в точности определяет, как это следует делать. Однако суть происходящего крайне проста: мы исключили гравитацию из рассмотрения, заменив ее чистой геометрией.

Следовательно, сила тяжести – геометрическая концепция, а все объекты перемещаются в пространстве-времени по прямым линиям, если ничто не вынуждает их отклоняться от курса. Однако в любой заданной точке пространства-времени существует бесконечное количество геодезических линий, подобно тому как бесконечное количество прямых линий проходит через любую точку на поверхности Земли (или любой другой поверхности, если уж на то пошло). Так как же нам понять, по какой траектории в пространстве-времени будет перемещаться объект? Ответ достаточно прост: это зависит от обстоятельств. Например, человек, совершающий кругосветное путешествие, может отправиться в любом из возможных направлений. Он сам выбирает себе путь. Точно так же предмет, падающий вниз с любого места неподалеку от земной поверхности, будет перемещаться по одной геодезической линии в пространстве-времени, тогда как брошенный объект отправится по другой геодезической линии. Определив направление движения объекта в пространстве-времени в любой заданной точке, мы тем самым получаем полную траекторию его движения. Более того, все объекты, которые отправятся в данном направлении, обязательно будут двигаться по той же траектории, какими бы ни были их внутренние свойства (такие как масса или электрический заряд). Эти объекты просто следуют по прямой, и все. Таким образом, понимание гравитации в контексте искривления пространства-времени превосходно отражает принцип эквивалентности, так поразивший воображение Эйнштейна.

Размышления о природе пространства и времени привели нас к пониманию того, что Земля не просто падает по прямой линии вокруг Солнца. Эта прямая линия расположена в искривленном пространстве-времени, что проявляется в виде почти круговой орбиты движения в космическом пространстве. Но мы не пойдем дальше и не будем приводить доказательств того, что Земля падает по геодезической линии, тень которой в трехмерном пространстве оказывается почти круговой. Мы не делаем этого только потому, что это предполагает слишком сложные математические вычисления. Кроме того, это заставило бы нас высказать некоторые утверждения о том, как объекты искажают пространство-время, а мы всячески избегаем здесь этой темы. Математическая сложность – основная причина того, почему Эйнштейну понадобилось десять лет на разработку своей теории. Общая теория относительности достаточно проста с концептуальной точки зрения, но сложна в математическом плане, однако эта сложность ни в коем случае не омрачает ее красоту. Действительно, многие физики считают общую теорию относительности Эйнштейна самой красивой из всех теорий об устройстве Вселенной.

Вы наверняка обратили внимание, что в процессе обсуждения этой темы мы не выделяли один тип объектов на фоне других. В частности, сам свет также должен перемещаться в пространстве-времени по геодезическим линиями. На каждом участке пространства-времени, по которому проходит свет, он перемещается по одной из диагональных прямых, о которых шла речь в главе 4, но после соединения всех участков вместе мы обнаружим траекторию, которая отклоняется в пространстве. Это отклонение отображает деформацию пространства-времени под воздействием массы и энергии. Как и в случае перемещения Земли по орбите вокруг Солнца, траектория движения света сквозь пространство представляет собой тень его четырехмерной геодезической линии. Действенность принципа эквивалентности и предполагаемое отклонение траектории движения света можно наглядно проиллюстрировать с помощью еще одного мысленного эксперимента.

Представьте, что вы стоите на поверхности Земли и выстреливаете лазерный луч в горизонтальном направлении. Что с ним происходит? Об этом нам расскажет принцип эквивалентности. Свет падает на земную поверхность точно с такой же скоростью, что и любой предмет, выпущенный в тот же момент времени, когда выстреливается лазерный луч. Если бы у Галилея был доступ к лазеру и он выстрелил лазерным лучом с Пизанской башни горизонтально, выпустив одновременно пушечное ядро, то, согласно прогнозу Эйнштейна, лазерный луч достиг бы поверхности в то же время, что и ядро. Проблема проведения такого эксперимента в реальных условиях состоит в том, что поверхность Земли искривляется достаточно быстро, и лазерный луч так и не упадет на нее, улетев за пределы Земли. Если мы представим, что стоим на плоской поверхности, тогда эта проблема исчезнет и мы сможем ожидать, что лазерный луч упадет на землю точно в то же время, что и пушечное ядро, но только гораздо дальше. В действительности, если ядро достигает поверхности через одну секунду, то лазерный луч соприкоснется с поверхностью через одну световую секунду от башни, то есть на расстоянии около 300 тысяч километров.

Безусловно, описание гравитации в геометрических терминах звучит чрезвычайно убедительно и приводит к поразительным выводам, однако, как мы неоднократно подчеркивали на протяжении всей книги, оно совершенно бесполезно, если не позволяет составлять прогнозы, истинность которых можно проверить посредством экспериментов. К счастью для Эйнштейна, ему пришлось ждать всего четыре года, прежде чем его нетривиальные гипотезы получили подтверждение. Первая серьезная проверка истинности его теории была выполнена в 1919 году, когда Артур Эддингтон, Фрэнк Дайсон и Чарльз Дэвидсон написали работу под названием «Определение отклонения лучей света в гравитационном поле Солнца по данным наблюдений, проведенных во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года». Эта работа, опубликованная в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London, содержит бессмертные слова: «…оба результата указывают на полное отклонение 1,75", соответствующее общей теории относительности Эйнштейна». Так Эйнштейн в одночасье стал мировой суперзвездой. Его эзотерическая теория об искривлении пространства-времени была подтверждена довольно значительными усилиями Эддингтона, Дайсона и Дэвидсона: для того чтобы увидеть солнечное затмение, им пришлось организовать экспедиции в город Собрал в Бразилии и на остров Принсипи у Западного побережья Африки. Затмение позволило ученым рассматривать звезды, которые находятся очень близко к Солнцу, из-за чего при обычных обстоятельствах солнечный свет не позволяет их увидеть. Свет этих звезд лучше всего подходил для проверки теории Эйнштейна: отклонение их лучей должно было быть самым большим, поскольку по мере приближения к Солнцу кривизна пространства-времени увеличивается. По существу, Эддингтон, Дайсон и Дэвидсон пытались выяснить, изменяют ли звезды свое положение в небе, когда Солнце проходит мимо них. Солнце в буквальном смысле слова изгибает пространство-время и действует в качестве линзы, искажая схему расположения звезд на небе.

В наше время была проведена более строгая проверка теории Эйнштейна с использованием самых удивительных объектов во Вселенной: быстро вращающихся нейтронных звезд под названием пульсары. Мы уже встречались с ними в конце главы 6, когда говорили, что во Вселенной пульсаров очень много. Из всех объектов, которые мы можем тщательно изучить с Земли с помощью телескопов, вращающиеся нейтронные звезды представляют особый интерес, так как предоставляют в наше распоряжение информацию о крупных искажениях пространства-времени и точную временную шкалу, которая соперничает по уровню стабильности с лучшими в мире атомными часами. Если бы вам нужно было найти объект, способный обеспечить идеальную среду для проверки общей теории относительности, вы вполне могли бы выбрать для этого пульсар. Пульсары формируют временную шкалу посредством излучения радиоволн в процессе вращения. Вы можете представить себе пульсар в виде маяка, излучающего пучок света, который примерно каждую секунду сканирует окружающее пространство. Эти чрезвычайно полезные объекты совершенно случайно обнаружили в 1967 году Джоселин Белл Бернелл[62] и Энтони Хьюиш[63]. Как же им это удалось? Джоселин Белл Бернелл искала отклонения в интенсивности радиоволн, излучаемых отдаленными объектами, известными как квазары. Считалось, что такие отклонения вызваны солнечным ветром в межзвездном пространстве. Однако, будучи хорошим ученым, она всегда высматривала что-либо неординарное в полученных данных. Одним ноябрьским вечером Джоселин Белл зафиксировала сигнал, который они с ее руководителем Энтони Хьюишем приняли за шум земного происхождения. Последующие наблюдения убедили их в том, что это не так и что источник сигнала должен находиться за пределами нашей планеты. «Тем вечером я ушла домой очень рассерженной, – рассказывала впоследствии Белл Бернелл о своих наблюдениях. – Я всеми силами пытаюсь получить ученую степень за новую методику, а какие-то маленькие зеленые человечки почему-то выбрали мою антенну и мою частоту для налаживания с нами контакта».

Хотя пульсары достаточно распространены во Вселенной, существует только один известный пример их вращения вокруг друг друга. Радиоастрономы установили факт существования этого двойного пульсара в 2004 году, а последующие наблюдения позволили выполнить самую точную проверку общей теории относительности Эйнштейна.

Двойной пульсар – удивительный феномен. Теперь мы знаем, что он состоит из двух нейтронных звезд, расположенных на расстоянии около миллиона километров друг от друга. Представьте, насколько стремительна эта система. Две звезды, каждая из которых имеет массу Солнца, сжатую до размера крупного города, вращаются вокруг своей оси со скоростью сотни оборотов в секунду и двигаются вокруг друг друга на расстоянии, всего в три раза превышающем расстояние от Земли до Луны. Для тех ученых, которые занимаются проверкой теории Эйнштейна, преимущество системы из двух пульсаров состоит в том, что радиоволны от одного из них иногда проходят очень близко от другого. Это означает, что ультрарегулярный пучок электромагнитного излучения проходит через область сильно искривленного пространства-времени, которое задерживает его прохождение. Тщательные наблюдения позволяют измерить эту задержку и таким образом подтвердить состоятельность теории Эйнштейна.

Еще одно преимущество двойной системы пульсаров состоит в том, что их вращение вокруг друг друга создает в пространстве-времени пульсирующие волны, которые распространяются вовне. Эти волны уносят энергию от вращающегося движения пары звезд и заставляют их медленно двигаться по спирали внутрь системы. У этих волн есть свое имя – гравитационные волны, и их существование было предсказано теорией Эйнштейна (в ньютоновской теории гравитации таких волн не было). Не так давно ученым удалось добиться одного из величайших достижений в экспериментальной науке. С помощью 64-метрового телескопа Parkes в Австралии, 76-метрового телескопа Lovell в британском городе Джодрелл-Бэнк и 100-метрового телескопа Green Bank в Западной Вирджинии астрономы провели необходимые измерения и пришли к выводу, что скорость перемещения пульсаров по спирали внутрь системы составляет всего семь миллиметров в день, что полностью соответствует предсказанию общей теории относительности. Это поразительное открытие. Быстро вращающиеся нейтронные звезды двигаются вокруг друг друга на расстоянии в миллион километров и расположены в двух тысячах световых лет от Земли. Поведение этих звезд было предсказано с точностью до миллиметра с помощью теории, которую сформулировал еще в 1915 году человек, захотевший понять, почему два объекта, брошенные с Пизанской башни за три столетия до этого, упали на Землю одновременно.

Каким бы притягательным и загадочным ни было измерение параметров далекого двойного пульсара, общая теория ощутимо присутствует даже здесь, на Земле, в контексте гораздо более распространенного феномена. Система спутников GPS охватывает весь мир, а ее успешное функционирование зависит от точности теорий Эйнштейна. Действующая 24 часа в сутки сеть спутников расположена вокруг Земли на высоте 20 тысяч километров, причем каждый спутник ежедневно делает два полных оборота вокруг планеты. Эти спутники применяются для триангуляции местоположения различных объектов на Земле с использованием точных бортовых часов. Спутники, размещенные на такой высокой орбите, находятся в более слабом гравитационном поле, а это означает, что их пространство-время искривлено иначе, чем для аналогичных часов на Земле. В итоге часы на спутниках спешат на 45 микросекунд в день. Кроме этого гравитационного эффекта, спутники еще и движутся с высокой скоростью (около 14 тысяч километров в час), поэтому вследствие замедления времени, предсказанного специальной теорией относительности Эйнштейна, часы отстают на семь микросекунд в день. В совокупности эти два эффекта приводят к тому, что часы на орбите спешат на 38 микросекунд в день. На первый взгляд может показаться, что это не так уж много, но игнорирование данного эффекта привело бы к полному выходу системы GPS из строя всего за несколько часов. Свет перемещается со скоростью около 30 сантиметров за одну наносекунду, которая составляет одну тысячемиллионную долю секунды. Следовательно, 38 микросекунд эквивалентны десяти километрам в день, что сделало бы невозможной точную навигацию. Решить эту проблему весьма просто: для этого достаточно настроить спутниковые часы так, чтобы они отставали на 38 микросекунд в день, – это позволит системе работать с точностью до метров, а не километров.

Эффект часов, размещенных на спутниках системы GPS и спешащих по сравнению с часами на Земле, легче понять с помощью материала, изложенного в данной главе. Фактически ускорение часов представляет собой прямое следствие принципа эквивалентности. Для того чтобы разобраться с этим, давайте мысленно перенесемся в 1959 год, в лабораторию Гарвардского университета. Роберт Паунд[64] и Глен Ребка[65] решили провести эксперимент, позволяющий «уронить» свет с крыши лаборатории в подвал, расположенный на 22,5 метра ниже. Если свет будет падать в строгом соответствии с принципом эквивалентности, то по мере его падения энергия должна увеличиваться в точности на ту же величину, что и в случае любого другого предмета, брошенного с этой же высоты[66]. Нам необходимо знать, что произойдет со светом по мере увеличения энергии. Другими словами, что Паунд и Ребка рассчитывали увидеть в подвале лаборатории в момент прибытия лучей света? Существует единственный способ, позволяющий свету увеличивать свою энергию. Мы знаем, что свет не может повысить скорость, поскольку уже перемещается с универсальной предельной скоростью, однако может увеличить частоту. Помните: свет можно рассматривать как волновое движение – серию пиков и впадин, напоминающих волны, распространяющиеся на поверхности пруда от брошенного камня. Частота таких волн – это просто количество пиков (или впадин), проходящих через конкретную точку каждую секунду, а пики и впадины можно использовать в качестве тактового сигнала часов. В частности, представьте, что в ходе эксперимента Паунд находится рядом с источником света на крыше башни.

Он может подсчитать, сколько пиков световой волны приходится на один удар его сердца. Теперь предположим, что Ребка также находится рядом с аналогичным источником света. Он тоже может подсчитать, какое количество пиков волны соответствует одному удару его сердца. Ответ Ребки должен совпадать с ответом его коллеги, так как у них идентичные источники света и идентичные сердца. Конечно, они получат абсолютно одинаковые показатели только в том случае, если у них одинаковые сердца, а это не так. Но допустим, что их сердца действительно бьются как одно. Теперь представьте, что Ребка, сидя в подвале, наблюдает за тем, как прибывает свет, выпущенный из источника света Паунда, расположенного на крыше. Свет увеличил свою энергию, а значит, повысилась его частота, и Ребка обнаружит, что пики световых волн прибывают чаще, чем в случае, когда их испускает расположенный рядом источник света. Однако эти пики синхронизированы с частотой пульса его коллеги. Это означает, что в восприятии сидящего в подвале Ребки сердце Паунда бьется чаще, а следовательно, он будет стареть быстрее. Это крохотный эффект, соответствующий ускорению времени на одну секунду за 13 миллионов лет. Следует отдать должное мастерству и изобретательности Паунда и Ребки, которым удалось разработать эксперимент, способный зафиксировать данный эффект. Именно такое ускорение времени происходит в часах, расположенных на спутниках системы GPS. Эти часы размещены гораздо выше, чем 22,5 метра в лаборатории Гарвардского университета, но основная идея та же: в более слабом гравитационном поле часы идут быстрее.

Общая теория относительности Эйнштейна, получившая прекрасное подтверждение в ходе экспериментов, привела к тому, что мы начали воспринимать пространство-время не как неизменную смесь пространства и времени, а как более динамичную сущность – то есть то, на что можно воздействовать посредством присутствия массы и энергии, поскольку благодаря уравнению E = mc нам известно, что они взаимозаменяемы. С другой стороны, динамичная структура пространственно-временного континуума определяет движение объектов сквозь него. Мы больше не должны воспринимать пространство как инертную среду, в которой происходит все сущее, а время – как непреложное и абсолютное тиканье гигантских часов, расположенных на небесах. Пожалуй, главный урок, который следует извлечь из этого кардинального пересмотра картины мира, состоит в том, что неразумно экстраполировать опыт за пределы той области, в которой он получен. Почему быстро движущиеся объекты должны вести себя в соответствии с теми же законами, что и медленно движущиеся, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни? Разве мы имеем право делать выводы о поведении массивных объектов, изучив только более легкие?

Разумеется, повседневный опыт оказался плохим ориентиром и, как показал нам Эйнштейн, более глубокий уровень понимания гораздо элегантнее. Объединив в единое целое такие на первый взгляд несовместимые концепции, как масса и энергия, пространство и время, а также в конечном счете гравитация, специальная и общая теории относительности Эйнштейна навсегда останутся двумя величайшими достижениями человеческого разума. В будущем на основе новых наблюдений и экспериментов может сформироваться новое понимание происходящего, которое приведет к пересмотру представленных в этой книге идей. В действительности многие физики уже сейчас говорят о новом подходе к поиску более точных и более широко применимых теорий. Скромный урок, из которого следует, что не стоит экстраполировать опыт за пределы области исследований, распространяется не только на теорию относительности. В XX столетии в физике произошел еще один великий прорыв – открытие квантовой теории, которая позволяет объяснить поведение всех объектов на атомарном и даже еще более детальном уровне. Никто никогда не изучал устройство Вселенной на уровне малых расстояний, опираясь только на повседневный опыт. Люди, непосредственные наблюдения которых ограничены достаточно крупными объектами, воспринимают квантовую теорию как нечто противоречащее здравому смыслу, но в XX веке она лежит в основе многих неотъемлемых элементов современной жизни – от медицинской диагностики до самых передовых компьютерных технологий, поэтому мы должны принять ее независимо от нашего к ней отношения.

Сегодня физики столкнулись с дилеммой. Общая теория относительности Эйнштейна, лучшая из имеющихся теория гравитации, не согласуется с квантовой теорией. Либо одну из них, либо обе необходимо пересмотреть. Действительно ли пространство-время «распадается» на уровне малых расстояний? Может, на самом деле его вообще нет, а есть только иллюзия, сформировавшаяся под влиянием постоянно растущего множества «происходящих вещей»? Действительно ли фундаментальные объекты Вселенной представляют собой малейшие вибрации энергии, известные как струны? Или ответ содержится в какой-то другой теории, которую еще предстоит открыть? Это передний край фундаментальной физики, а ученые, которые работают в этой области, взволнованно и с вдохновением заглядывают в неизведанное.

В конце книги о теориях относительности Эйнштейна появляется соблазн внести свою лепту в формирование культа этой великой личности, который, к сожалению, сложился в последнее время. Однако это не входит в наши намерения. На самом деле такой культ сдерживает будущее развитие, поскольку создает впечатление, что наука – это прерогатива выдающихся людей, обладающих уникальной способностью понимать суть происходящего, недоступную остальным. Нет ничего более далекого от истины. Теория относительности не была результатом работы одного человека, хотя под влиянием книг, посвященных этой теме, порой может сложиться именно такое мнение. Вне всяких сомнений, Эйнштейн был одним из величайших представителей науки, но, как мы подчеркивали на протяжении всего повествования, он пришел к кардинальному пересмотру концепций пространства и времени под влиянием результатов, полученных благодаря любознательности и мастерству многих других ученых. Эйнштейн не был особенным человеком, а его интеллект не был сверхъестественным. Он был великим ученым, который сделал то, что делают все ученые: серьезно воспринял простые вещи и сделал из этого логические выводы. Гениальность Эйнштейна заключалась в том, что он серьезно отнесся к постоянству скорости света, которая вытекала из уравнений Максвелла, а также к принципу эквивалентности, открытому Галилеем.

Мы искренне надеемся, что написали книгу, которая поможет далеким от науки людям понять теории Эйнштейна. Она доступна для неспециалистов, поскольку на самом деле не настолько сложна. При наличии подходящей отправной точки путь к более глубокому пониманию устройства Вселенной можно преодолеть, совершая небольшие осторожные шаги. Наука по своей сути – скромное занятие, и эта скромность лежит в основе ее успеха. Теории Эйнштейна пользуются уважением, так как они правильны ровно настолько, насколько мы можем об этом судить, но все же это не Священное Писание. Откровенно говоря, они будут сохранять актуальность до тех пор, пока не появится нечто более совершенное. Великих представителей науки глубоко уважают не как пророков, а как кропотливых тружеников, которые вносят значимый вклад в наше понимание мироустройства. Безусловно, имена некоторых из них известны миллионам людей, но нет ни одного ученого, репутация которого могла бы защитить его теорию от жесткой критики эксперимента. Вселенная не считается с репутацией. Галилей, Ньютон, Фарадей, Максвелл, Эйнштейн, Дирак, Фейнман, Глэшоу, Салам, Вайнбег… Все они великие ученые, хотя первые четверо были правы только отчасти, а остальных эта же судьба вполне может ожидать в XXI столетии.

С учетом вышесказанного мы абсолютно уверены, что специальную и общую теории относительности Эйнштейна всегда будут помнить как два величайших достижения человеческого интеллекта, причем не в последнюю очередь потому, что эти теории демонстрируют силу воображения. На основании вдохновляющего сочетания чистой мысли и небольшого количества экспериментальных данных человек смог изменить представления об устройстве Вселенной. Физика Эйнштейна, которая доставляет огромное эстетическое и философское удовольствие и в то же время приносит огромную пользу, позволяет извлечь важный урок, истинную значимость которого редко ценят по достоинству. Наукой движет пытливый ум, наделенный даром мечтать, в сочетании с техническими возможностями и дисциплиной мышления. Если бы общество времен Эйнштейна пришло к выводу, что ему необходим новый источник энергии для удовлетворения нужд граждан, то невозможно даже представить, что некий просвещенный политик для решения этой проблемы направил бы общественные фонды на изучение природы пространства и времени. Но, как мы увидели, именно этот путь привел к открытию уравнения E = mc и обеспечил возможность высвободить энергию атомного ядра. На основании простейших идей (что скорость пучка света – это одинаковая абсолютно для всех величина) был открыт настоящий клад. «На основании простейших идей…» Если бы нужно было написать эпитафию величайшим научным достижениям, она начиналась бы именно с этих слов. Пытливый ум получает удовольствие от наблюдения и анализа мельчайших, на первый взгляд незначительных деталей окружающего мира, что не раз приводило к самым удивительным открытиям. Чудеса окружают нас со всех сторон, и, если мы готовы их увидеть и осознать, перед нами откроются безграничные возможности. Пока во Вселенной есть люди, движимые естественным стремлением понять окружающий мир, Альберта Эйнштейна будут помнить, воспринимая его как источник вдохновения и пример для подражания.

От автора

Мы благодарны нашим менеджерам и агентам Сьюзан, Диане и Джорджу, а также редакторам Бену и Циске. Мы также выражаем особую признательность своим коллегам: Ричарду Бэтти, Фреду Лебингеру, Робину Маршаллу, Саймону Марцани, Иэну Морисону и Гэвину Смиту. Мы искренне признательны Наоми Бейкер, особенно за комментарии к первым главам, а также Джиа Милинович за уместные вопросы.