Столкновения частиц
Если бы не взаимодействия, то частицы после столкновений в таких устройствах, как Большой адронный коллайдер, выходили бы из них точно такими же, какими туда входили. Взаимодействия же позволяют элементарным частицам при столкновениях влиять друг на друга (вплоть до превращения в другие частицы!) путём излучения и поглощения особых частиц — калибровочных бозонов, действующих как переносчики фундаментальных взаимодействий.
Физики изображают столкновения частиц с помощью диаграмм Фейнмана. Это схемы, показывающие, как частицы при столкновении могут вести себя по отношению друг к другу. Каждая диаграмма Фейнмана — лишь часть описания поведения частиц при столкновении; чтобы получить полную картину столкновения, диаграммы нужно собрать воедино.
Вот простейшая диаграмма, на которой два электрона приближаются друг к другу, обмениваются одним-единственным фотоном и затем продолжают свой путь. Стрелочками указано направление времени — слева направо, волнистая линия — это фотон, прямыми линиями обозначены электроны (е). Эта диаграмма включает в себя все случаи, когда фотон движется вверх и вниз или вниз и вверх (поэтому волнистая линия расположена вертикально):
Более сложные процессы описываются более сложными диаграммами Фейнмана, включающими в себя более одной виртуальной частицы. Вот, например, диаграмма с двумя виртуальными фотонами и двумя виртуальными электронами:
Для того чтобы полностью описать ту или иную реакцию частиц, необходимо бессчётное количество разнообразных диаграмм. К счастью, учёные научились получать очень хорошие приближения, используя лишь простейшие диаграммы. Ниже показано, что могло бы произойти на Большом адронном коллайдере при столкновении протонов! Буквами u, d и b обозначены кварки, буквой g — глюоны:
Тёмная сторона Вселенной
Один из самых простых вопросов, какие могут прийти в голову человеку, звучит так: из чего состоит наш мир?
В античную эпоху греческий философ Демокрит предположил, что всё сущее построено из мельчайших неделимых частиц — атомов. И он оказался прав, однако за последние две тысячи лет выяснились кое-какие подробности.
Всё, что есть в нашем мире, состоит из сочетаний 92 различных видов атомов, то есть элементов периодической системы — водорода, гелия, лития, бериллия, бора, углерода, кислорода и так далее до урана (номер 92). Растения, животные, горы, полезные ископаемые, воздух, которым мы дышим, и всё, что есть на планете Земля, состоит из этих 92 элементов. И мы знаем, что и остальные планеты Солнечной системы, и само наше Солнце, и другие звёзды тоже состоят из этих же 92 химических элементов. Мы хорошо изучили атомы и здорово наловчились переставлять их туда-сюда, получая всё что угодно — в том числе и мою любимую жареную картошку! Химия — это, по сути дела, и есть наука о том, как строить из атомов всё что угодно; этакое «Лего», где вместо деталек — атомы.
В наши дни уже известно: за пределами Солнечной системы есть что-то ещё, что нас окружает непостижимо огромная Вселенная с миллиардами галактик, в каждой из которых миллиарды звёзд и планет. Из чего же состоит эта Вселенная? Тут-то и начинаются сюрпризы. Наша Солнечная система, другие звёзды и планеты состоят из атомов; но, предположив, что остальная Вселенная тоже состоит из них, мы ошибёмся. Она состоит из очень странных вещей — тёмной материи и тёмной энергии, — о которых мы пока что знаем гораздо меньше, чем об атомах.
Начнём с цифр: если говорить о Вселенной в целом, то 4,5 % её составляют атомы, 22,5 % — тёмная материя, а 73 % — тёмная энергия. На минутку отклонившись от темы, заметим, что меньше десятой части атомов образует звёзды, планеты или, например, живые организмы; остальные же атомы существуют в виде газа, слишком горячего для того, чтобы образовывать небесные тела.
Итак, тёмная материя. Откуда мы вообще о ней узнали? Что она собой представляет? И почему мы не находим её ни на Земле, ни даже на Солнце?
Мы знаем, что она есть, потому что сила её притяжения удерживает вместе нашу Галактику, Туманность Андромеды и все остальные большие структуры во Вселенной. Видимая часть Туманности Андромеды, как и всех прочих галактик, располагается в середине очень большого — в десять раз больше этой видимой части — шара из тёмной материи; астрономы называют этот шар галактическим гало. Если бы не притяжение тёмной материи, большинство звёзд, солнечных систем и всего остального, что есть в галактиках, просто разлетелись бы по космосу куда попало, и это было бы очень плохо.
Пока что мы не знаем точно, из чего состоит тёмная материя (примерно так же обстояло дело и у Демокрита, который правильно догадался про атомы, но не знал, как они устроены). Однако кое-что мы всё-таки знаем.
Частицы тёмной материи, в отличие от атомов, не состоят из протонов, нейтронов и электронов: это совершенно иная форма материи! Не удивляйтесь: человечеству понадобилось почти 200 лет, чтобы открыть все химические элементы, а со временем было обнаружено много новых форм атомной материи.
Поскольку тёмная материя не состоит из атомов, она не обращает на них никакого внимания — как и они на неё. Больше того, частицы тёмной материи не интересуются даже другими частицами тёмной материи. Физик сказал бы так: частицы тёмной материи взаимодействуют с атомами и между собой очень слабо, если вообще взаимодействуют. Поэтому, когда наша и другие галактики сформировались, тёмная материя оставалась в очень большом и рассеянном галактическом гало, в то время как атомы сталкивались друг с другом и оседали в центр этого гало, постепенно образуя звёзды и планеты, состоящие почти полностью из атомов.
Выходит, звёзды, планеты и мы с вами состоим не из тёмной материи, а из атомов именно из-за этой «застенчивости» частиц тёмной материи.
Тем не менее частицы тёмной материи носятся вокруг нас: в любой момент времени в любой чайной чашке найдётся минимум одна такая частица. И это подсказывает, как можно проверить одну смелую гипотезу. Частицы тёмной материи, конечно, «застенчивы», но всё же способны время от времени оставлять вполне заметный след в очень-очень чувствительном детекторе частиц. Поэтому физики построили большие детекторы и разместили их под землёй (защищая от космического излучения, бомбардирующего поверхность Земли), чтобы выяснить, действительно ли гало нашей Галактики составляют частицы тёмной материи.
Ещё более захватывающая идея — самим создать частицы тёмной материи в ускорителе частиц, превратив энергию в массу по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2.
Большой адронный коллайдер в Швейцарии, самый мощный в истории ускоритель частиц, призван создать частицы тёмной материи и проследить за ними.
А спутники в небе ищут части атомов, которые образуются, когда частицы тёмной материи в гало случайно сталкиваются и порождают обычную материю (процесс, противоположный тому, которого пытаются добиться с помощью ускорителей частиц).
Если какие-то из этих методов принесут плоды — а я надеюсь, что хоть один да принесёт, — то подтвердится, что большую часть материи во Вселенной составляют не атомы, а нечто другое. Представляете? Вот то-то же.
Теперь мы с вами готовы к разговору о величайшей научной тайне всех времён: о тёмной энергии. Уверен, что разгадать эту тайну в ближайшие годы не удастся — это предстоит вашему поколению. Возможно, разгадка даже перевернёт с ног на голову эйнштейновскую теорию гравитации — общую теорию относительности!
Все мы знаем, что Вселенная расширяется и увеличивается в размерах в течение последних 13,7 миллиарда лет, прошедших с Большого взрыва. С тех пор как восемьдесят с лишним лет назад Эдвин Хаббл обнаружил это расширение, астрономы всё пытались измерить, насколько оно замедляется из-за гравитации. Гравитация — сила, которая не даёт нам свалиться с Земли и удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, — этакий космический клей. Гравитация притягивает объекты друг к другу, замедляет скорость снарядов и ракет, пущенных с Земли; так что и расширение Вселенной должно бы замедляться благодаря тому, что всё в ней ко всему притягивается.
Так вот, в 1998 году астрономы обнаружили, что эта простая, но очень логичная идея совершенно неверна: оказалось, что расширение Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Обнаружилось это благодаря особому свойству телескопов, роднящему их с машиной времени: поскольку свету требуется время, чтобы долететь до нас через Вселенную, то, глядя на удалённые объекты, мы видим их такими, какими они были давно. С помощью мощных телескопов, таких как знаменитый космический телескоп «Хаббл», учёные сумели определить, что в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем сейчас.
