Розділ «4. Частинки»

У всесвіті, описаному в минулому уроці, світло і тіла рухаються. Світло складається з фотонів, частинок світла, які інтуїтивно прозрівав Ейнштейн. Речі, що ми бачимо, складаються з атомів, кожен атом – із ядра, оточеного електронами, кожне ядро – зі щільно упакованих протонів і нейтронів. І протони, і нейтрони складаються з навіть іще менших частинок, які американський фізик Мюррей Геллман назвав кварками. Його надихнуло абсурдне слово в абсурдній фразі з твору Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом» – «Три кварки для Мастера Марка!» Усе, чого ми торкаємось, складається з електронів і цих самих кварків.

Сила, що склеює кварки всередині протонів і нейтронів, генерується частинками, що їх фізики дещо жартома назвали «глюони»[1].

Електрони, кварки, фотони і глюони – компоненти всього, що «гойдається» у просторі навколо нас. Це і є елементарні частинки, що їх вивчає фізика елементарних частинок. До них ми можемо додати нейтрино, що мчать крізь всесвіт і мало взаємодіють з нами, а також бозони Гіггса, відкриті нещодавно в ЕОЯДі[2], на великому електронно-позитронному коллайдері в Женеві. Але їх зовсім не так багато, фактично менше ніж десять типів. Жменька елементарних інгредієнтів, що діють як деталі гігантського набору «Лего», з яких, власне, і сконструйована матеріальна реальність, що нас оточує.

Природа цих частинок та способи їхнього руху описуються квантовою механікою. Ці частинки не можна уявляти як камінчики або піщинки, вони – кванти відповідного поля, як фотони – кванти електромагнітного поля. Вони – елементарні збудники в рухливому субстраті, подібному до поля Фарадея і Максвелла, крихітні рухливі хвильки. Вони зникають і знову з’являються за дивовижними законами квантової механіки, де все, що існує, не є стабільним, а є нічим іншим, як стрибками від однієї взаємодії до іншої. І навіть якщо ми обстежимо маленький порожній клаптик всесвіту, де немає атомів, ми все ж відшукаємо там дрібнесенькі брижі від цих частинок.

Не існує справжньої порожнечі, абсолютно порожньої, навіть на поверхні найспокійнішого моря є легенькі, слабкі брижі і тремтіння. Так і поля, що формують світ, здатні до вкрай малих флуктуацій; і можна собі уявити, що частинки, які їх утворюють, мають коротке та ефемерне існування, постійно створюються та руйнуються у постійному русі.

Це світ, описаний квантовою механікою і теорією елементарних частинок. Ми опинилися далеко від механічного світу Ньютона і Лапласа, де дрібнісінькі холодні камінці рухаються вічно, по безкінечних усталених траекторіях у геометрично правильному космосі. Квантова механіка та експерименти з частинками навчили нас, що світ – це постійне невтомне роїння, постійне виникнення і зникнення ефемерних сутностей, сукупність вібрацій, як у психоделічному світі хіппі 60-х років.

Деталі теорії частинок вибудовувались поступово в 1950-х, 1960-х та в 1970-х роках великими фізиками Річардом Фейнманом і Маррі Гелл-Маном. Ця робота привела до дуже складної теорії, яка ґрунтується на квантовій механіці; теорії, що отримала не дуже романтичну назву «стандартна модель елементарних частинок». «Стандартна модель» була завершена в 1970-х роках після тривалої серії експериментів, що підтвердили всі припущення.

Заключне підтвердження відбулося у 2013 році з відкриттям бозона Гіггса.

Але попри серію успішних експериментів стандартна модель ніколи не сприймалась фізиками серйозно. Це теорія, на перший погляд часткова і зібрана з розрізнених частин. Вона складається з різних частин та рівнянь, зібраних без чіткого упорядкування. Певна кількість полів (але чому саме ці поля?) взаємодіють між собою з певними силами (але чому саме ці сили?), кожна визначається певними константами (але чому саме ці конкретні значення?), продемонстровані певні симетрії (але знову ж таки – чому саме ці?). Ми віддалилися від простоти рівнянь загальної відносності і квантової механіки.

Способи, за допомогою яких рівняння стандартної моделі роблять припущення про світ, теж чомусь абсурдно ускладнені. Якщо застосовувати ці рівняння безпосередньо, отримаємо нісенітницю в передбаченнях – кожна обчислювана величина перетворюється на нескінченність. Щоб отримати осмислені результати, щоб збалансувати абсурдні результати і зробити їх прийнятними, надати їм здорового глузду, треба уявити параметри, що входять до них, теж нескінченно великими.

Ця ускладнена і «барокова» процедура отримала термінологічну назву «реномалізація». На практиці це працює, але полишає гіркий присмак у роті кожного, хто жадає простоти законів природи.

В останні роки свого життя другий після Ейнштейна великий фізик ХХ століття, Поль Дірак, архітектор квантової механіки й автор першого і основного рівняння стандартної моделі, неодноразово висловлював незадоволення з цього приводу, підсумовуючи, що «ми так і не розв’язали задачу».

На додачу до всього – нещодавно виявили разючі обмеження стандартної моделі. Навколо кожної галактики астрономи спостерігають велику хмару речовини, існування якої можна виявити через гравітаційне тяжіння, яким ця хмара діє на зірки, а також відхиляє світло. Але ці великі хмари, в яких ми спостерігаємо гравітаційний ефект, не видно безпосередньо, і ми не знаємо, з чого вони складаються.

Було запропоновано численні гіпотези, але, здається, жодна з них не працює. Ясно, що там є щось. Зараз це називають «темна матерія». Це щось, чого не описує стандартна модель, інакше ми б це бачили.

Щось інше, не атоми, не нейтрино, не фотони…

Дивно, любий читачу, але в небі та на Землі є ще речі, які й не снилися нашій філософії – або нашій фізиці.

До недавнього часу ми навіть не підозрювали про існування радіохвиль і нейтрино, які наповнюють Всесвіт. Стандартна модель сьогодні залишається найкращим з того, що ми маємо. Якщо судити про світ речей – її прогнози були підтверджені, за винятком «темної матерії» і гравітації, як вона презентована в теорії відносності, як викривлення простору-часу; вона добре описує всі аспекти сприйманого світу.

Альтернативні теорії були запропоновані, тільки щоб їх зруйнували експерименти. Хорошу теорію було запропоновано у 1970-х роках, їй було надано технічну назву SU5. Пропонувалося замінити невпорядковані рівняння стандартної моделі набагато простішою та елегантнішою структурою. Припускалося, що протон може розпадатися з певною ймовірністю на електрони і кварки. Для спостерігання за розпадом протонів було побудовано складні великі машини. Фізики присвячували життя пошуку способів спостерігати розпад протона. (Ви не можете дивитись увесь час на один протон, бо процес розпаду займає багато часу. Ви берете тонни води, оточуєте її чутливими детекторами й очікуєте на ефекти розпаду.) Але, на жаль, ніхто так і не побачив розпад протона. Красива теорія SU5, попри свою елегантність, не припала до смаку Господу Богу.

Історія, ймовірно, повторюється – тепер із групою теорій, відомих як «суперсиметричні», що припускають існування нового класу частинок. Протягом усієї своєї кар’єри, слухаючи колег, я очікував, з повною впевненістю, цих частинок.