Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Гравитационные волны

И только когда физики поняли взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, они задались вопросом, не происходит ли то же самое с гравитационным полем. Это может показаться академическим вопросом, поскольку для создания настолько большого гравитационного поля, чтобы его можно было измерить, нам нужен объект размером с какую-нибудь планету или Луну. Мы не собираемся трясти Землю, чтобы возбудить волны, но найти такой объект во Вселенной – вообще-то не проблема. Наша галактика полна двойных звезд – систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга, естественно, возбуждая при этом колебания гравитационного поля. Приводит ли это к распространению гравитационных волн?

Интересно, что гравитация в том виде, как ее описал Ньютон или Лаплас, не предполагает наличия какого-либо излучения. Теория говорит, что, когда планета или звезда движется, ее гравитационное притяжение изменяется мгновенно во всей Вселенной. То есть тут не распространяющаяся волна, а мгновенное преобразование всей Вселенной.

Это лишь один из пунктов, по которым ньютоновская гравитация, как оказалась, не слишком хорошо согласовывалась с меняющимися физическими концепциями XIX века. Электромагнетизм, и особенно ключевая роль скорости света, сыграли важную роль и вдохновили Альберта Эйнштейна и других ученых на создание теории относительности, что и было сделано в 1905 году. Согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света – даже гипотетические колебания гравитационного поля. От чего-то нужно было отказаться. После десяти лет напряженной работы Эйнштейну удалось построить принципиально новую теорию гравитации, известную как общая теория относительности, которая полностью заменила теорию Ньютона.

Так же как и интерпретация Лапласа ньютоновской теории гравитации, общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах поля, которое определено в каждой точке пространства. Но поле Эйнштейна с точки зрения используемой математики гораздо сложнее, чем поле Лапласа, и может отпугнуть – вместо гравитационного потенциала, определяемого всего одним числом в каждой точке пространства, Эйнштейн использовал так называемый «метрический тензор», который можно определить в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел. Эта математическая сложность укрепила репутацию общей теории относительности как теории, очень трудной для понимания. Но основная ее идея столь же проста, сколь и глубока: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что «гравитационное поле равно нулю», мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида, которую мы учили в школе, справедлива.

Одно радует: из общей теории относительности следует, что, как и в случае с электромагнитными волнами, рябь в гравитационном поле приводит к распространению гравитационных волн со скоростью света. И мы засекли их, хотя и не напрямую. В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили двойную систему, в которой оба объекта – нейтронные звезды, быстро вращающимися на очень близких орбитах. Общая теория относительности предсказывает, что такая система должна терять энергию, испуская гравитационные волны, и по мере сближения звезд это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения. Халс и Тейлор смогли измерить это изменение периода, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала теория Эйнштейна. В 1993 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии.

И все-таки это было косвенным измерением гравитационных волн. Мы, конечно, пытаемся увидеть их, и в настоящее время проводится ряд экспериментов по поискам гравитационных волн, приходящих от астрофизических источников. Как правило, в экспериментах стараются обнаружить изменение расстояний между зеркалами лазеров, отстоящими друг от друга на несколько километров. При прохождении гравитационной волны пространство-время должно то растягиваться, то сжиматься – и тогда и расстояние между зеркалами должно периодически изменяться. Этот крошечный эффект может быть обнаружен при измерении количества длин волн, умещающихся между двумя зеркалами, в зависимости от времени. В США эти эксперименты проводит Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватории (LIGO), включающая в себя две отдельные лаборатории – одна в штате Вашингтон, а другая в Луизиане. Они находятся в постоянном контакте с обсерваториями VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Ни одна из этих лабораторий гравитационные волны пока не нашла, но ученые настроены оптимистически и надеются на недавно проделанную модернизацию оборудования. Если гравитационные волны все-таки будут обнаружены, мы получим прямое подтверждение тому, что гравитационное поле колеблется и испускает гравитационные волны.

Появление частиц из полей

Осознание того, что свет представляет собой электромагнитную волну, пришло в противоречие с ньютоновской теорией света, утверждавшей, что свет – это поток частиц, названных «корпускулами». Веские аргументы были у сторонников обеих теорий. С одной стороны, предметы на свету отбрасывают резкую тень – это понятно, если свет представляет собой поток частиц. К тому же из опыта со звуковыми волнами и волнами на поверхности мы знаем, что волны должны огибать препятствия, а свет этого не делает. С другой стороны, при прохождении через узкие отверстия свет может образовать интерференционную картину, как это делают все волны. Электромагнитная природа света, казалось, решила вопрос в пользу волн.

Концептуально поле (и, соответственно, волна) является противоположной частицам сущностью. Частица локализована в определенном месте в пространстве, в то время как поле существует везде, определяется в каждой точке величиной, равной некоторому конкретному числу, и, возможно, некоторыми другими характеристиками, например направлением. И только квантовая механика, которая появилась в 1900 году и определяла всю физику XX века, в конечном счете примирила две концепции. Кратко идею этого примирения можно сформулировать так: все состоит из полей, но если мы посмотрим на них повнимательнее, то увидим частицы.

Представьте, что вы ночью вышли на улицу. Очень темно, и свет исходит только от свечи, которую держит ваш друг, стоящий на некотором удалении. Если он будет удаляться от вас, то свет свечи будет тускнеть и в конце концов так ослабнет, что вы его вообще перестанете видеть. Вы решите, что скорее всего это связано с плохим зрением, а вот если бы ваши глаза были идеальными, вы увидели бы, как свет свечи постепенно тускнеет, но полностью никогда не исчезает.

На самом деле все происходит не так. Даже обладая идеальным зрением, вы не увидели бы постоянно тускнеющего света. Вначале, при удалении от свечи, ее свет действительно постепенно бы слабел, но в какой-то момент ситуация изменилась бы. Вместо того чтобы слабеть, свет свечи начал бы мерцать – включаться и выключаться, и это при том, что во включенном состоянии его яркость оставалась бы постоянной. По мере того как ваш друг уходил бы от вас все дальше, темные периоды удлинялись бы, а светлые – укорачивались, и в конце концов свеча почти всегда казалась бы темной, и только очень редко можно было бы увидеть слабые вспышки. Эти вспышки – отдельные частицы света – фотоны. Такой мысленный эксперимент описан в книге физика Дэвида Дойча «Структура реальности» (David Deutsch, The Fabric of Reality), где среди прочего отмечается, что у лягушек зрение лучше, чем у людей. Им повезло – они различают отдельные фотоны.

Идея фотонов впервые появилась в работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна, выполненных ими на рубеже XIX–XX веков. Планк исследовал излучение, испускаемое объектами при нагревании. Проблема состояла в том, что экспериментальные результаты и теоретические, полученные в рамках волновой теории света, не совпадали. Согласно теории, интенсивность излучения с очень короткой длиной волны и, следовательно, с очень высокой энергией должна была быть намного больше, чем наблюдаемая в опыте. Планк предложил блестящее и несколько неожиданное решение: свет приходит в виде дискретных пакетов, или «квантов», а квант света с некоторой фиксированной длиной волны должен иметь фиксированную энергию. Требуется изрядное количество энергии, чтобы сформировать даже один квант коротковолнового света, поэтому теория Планка помогла объяснить, почему интенсивность коротковолнового излучения намного меньше, чем это следует из волновой теории.

Связь между энергией и длиной волны – ключевое понятие в квантовой механике и теории поля. Длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Когда она мала, гребни прижимаются ближе друг к другу. Чтобы добиться этого, нужно затратить энергию, так что понятно, почему световые пакеты с короткими длинами волн, как, например, у ультрафиолетового света или у рентгеновских лучей, обладают более высокой энергией. Если длина волны велика, как у радиоволн, отдельные кванты света имеют очень низкую энергию. После того как появилась квантовая механика, эта взаимосвязь между длиной волны и энергией была распространена и на массивные частицы. Большая масса подразумевает короткую длину волны, что означает, что частица занимает меньше места. Вот почему электроны, а не протоны или нейтроны, определяют размер атома: они самые легкие из всех частиц атома, поэтому имеют самую большую длину волны, и, следовательно, занимают больше всего места. В некотором смысле это даже объясняет, почему БАК должен быть таким большим. На ускорителе пытаются рассмотреть то, что происходит на очень малых расстояниях, а это значит, что нужно использовать очень маленькие длины волн, следовательно, нам нужны высокоэнергетичные частицы, то есть нам нужен гигантский ускоритель, чтобы заставить их летать как можно быстрее.

Планк не сумел сделать концептуальный скачок и перейти от метода квантования энергии к идее частиц света в буквальном смысле. Он считал введение квантов просто своего рода трюком, который помогает получить правильный ответ, а не фактом реальности. Этот скачок сделал Эйнштейн, который в то время ломал голову над загадочным явлением под названием «фотоэлектрический эффект». Когда вы освещаете металл ярким светом, вы можете выбить из его атомов электроны. Казалось бы, число таких освободившихся электронов зависит от интенсивности света, поскольку если луч света ярче, в металл вкачивается больше энергии. Но выяснилось, что это не совсем так: свет большой длины волны, даже очень яркий, не сумеет даже расшатать электроны, в то время как довольно слабый, зато коротковолновый свет способен вырвать некоторые электроны из атомов. Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, если считать, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде отдельных квантов. И это справедливо не только для излучения светящегося нагретого тела. «Высокая интенсивность, но длинноволновое излучение» подразумевает море квантов, каждый из которых обладает слишком малой энергией, чтобы оторвать какие-либо электроны от атомов, а «низкая интенсивность, но короткие волны» означает всего несколько квантов, но в каждом достаточно энергии, чтобы освободить электрон.