КЕМБРИДЖ. Современная физика и космология предполагает, что основные принципы того, как функционирует природа и как возникла Вселенная, видны только тем, кто может видеть события, которые происходит быстрее, чем необходимо времени, чтобы свет пересек протон, и тем, чье зрение может различать субъядерные расстояния. К счастью, это определение не исключает людей, так как мы можем улучшить зрение, с которым мы родились.
Большой андронный коллайдер (БАК) предоставляет такую возможность. Сталкивая с беспрецедентной энергией протоны, отслеживая многочисленные частицы, которые возникают при столкновениях, и реконструируя первичные события, благодаря которым частицы возникли, физики фактически сконструировали самый быстрый микроскоп с самым высоким разрешением. В основе его работы лежит принцип, что каждый протон делает моментальный снимок внутренней части другого протона.
БАК – это великолепный инженерный проект, о чьих «сенсационных характеристиках» широко информировали в прессе. Я пропущу все это и перейду к сути: что мы надеемся увидеть?
Мы
увидим
, на что была похожа Вселенная, когда она существовала всего лишь тысячную долю секунды, в самом начале «Большого взрыва». Первичные события в БАКе фактически являются «маленькими взрывами», крошечными световыми излучениями, которые воспроизводят условия «большого взрыва», хотя и в очень маленьких объемах.
Это воспроизводство ранней Вселенной открывает восхитительную возможность. Мы знаем, что Вселенная содержит своего рода вещество, так называемое «темную материю», которая отличается от всего, что мы до сих пор наблюдали.
Темная материя фактически не является темной в обычном смысле, но весьма прозрачной. Она не излучает и не поглощает свет, именно поэтому астрономы не могли заметить ее в течение тысячелетия, несмотря на то, что темная материя весит в пять раз больше, чем нормальная материя в общей массе Вселенной. Только в конце двадцатого века тщательное изучение нормальной видимой материи обнаружило гравитационное влияние большого количества другой невидимой материи.
Access every new PS commentary, our entire On Point suite of subscriber-exclusive content – including Longer Reads, Insider Interviews, Big Picture/Big Question, and Say More – and the full PS archive.
Subscribe Now
Так как изначальный «Большой взрыв» произвел темную материю, то «маленькие взрывы», возможно, произведут еще некоторое количество этой материи. Поэтому исследователи будут искать новые частицы с нужными характеристиками, чтобы произвести астрономическую темную материю: очень долговечную и очень слабо взаимодействующую с обычной материей или светом. Таким образом, для нас существует хорошая возможность узнать, чем является эта вездесущая, имеющаяся в большом количестве, однако неуловимая материя.
Вообразите расу разумных рыб, которая начинает размышлять о мироздании. На протяжении тысячелетий их предки воспринимали свою водную среду как нечто само собой разумеющееся: для них она была «пустотой», настолько пустой, насколько они могли это постигнуть. Но после изучения механики и использования воображения рыбки-физики осознали, что они могут вывести законы движения, которые намного проще по своей сути, предположив, что они окружены средой (водой!), которая усложняет положение вещей.
Мы являемся такими рыбками. Мы обнаружили, что мы можем получить намного более простой набор фундаментальных уравнений физики, предположив, что то, что мы обычно воспринимаем как пустое пространство, в действительности является средой. Мы наблюдали эффект «воды», который мы используем, чтобы упростить наши уравнения – она замедляет частицы и делает их тяжелыми – но мы не знаем, из чего она сделана.
БАК позволит нам рассмотреть микроскопическую структуру среды Вселенной. Самая простая идея заключается в том, что она сделана из одного нового вида частиц, так называемого «хиггсовского бозона». Но я подозреваю, что кроме него есть и другие (можно получить лучшие уравнения с пятью новыми частицами, но частиц может быть даже больше).
В 1860-х годах Джеймс Кларк Максвелл составил уравнения для электричества и магнетизма, так как они были тогда известны, и обнаружил их противоречивость. Он исправил противоречивость, добавив новые члены в уравнения.
Расширенные уравнения, которые сегодня известны как уравнения Максвелла, описали единую теорию электричества и магнетизма. Новые уравнения показали, что светом является движущееся самообновляющееся возмущение в электрических и магнитных полях, и они предсказали, что возможны новые виды возмущений.
Сегодня мы называем все эти возмущения радиоволнами, микроволновым излучением, инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, рентгеновскими лучами и гамма-излучением. Мы используем их, чтобы общаться, готовить еду, диагностировать и лечить болезни. Единая теория электромагнетизма привела к большому прогрессу во всех физических науках, начиная от ядерной физики, где лазеры и квантовые генераторы являются важнейшими инструментами), до космологии (где микроволновое фоновое (реликтовое) излучение является нашим окном к «Большому взрыву»).
Наше нынешнее понимание физики значительное и точное, насколько это возможно, но оно не такое красивое и связное, каким оно должно быть. Мы имеем отдельные уравнения для четырех сил: силы, обусловленной сильным взаимодействием, силы, обусловленной слабым взаимодействием, электромагнитной силы и силы притяжения. Эта путаница напоминает раздельные уравнения для электричества и магнетизма до Максвелла.
Некоторые из нас предложили расширять уравнения, которые объединяют различные силы. Эти расширенные уравнения, которые включают идею, называемую суперсимметрия, предсказывают много новых эффектов. Пара предсказанных эффектов уже наблюдалась (для экспертов: наличие крошечной массы покоя у нейтрино и унификация взаимодействий). Но, как заметил Карл Саган, «экстраординарные заявления, требуют экстраординарных доказательств», при этом существующее здесь доказательство зависит от обстоятельств.
К счастью, эти идеи для новой унификации предсказывают, что экстраординарные вещи можно будет увидеть на БАКе. Если так, то будет открыт целый новый мир частиц: каждая ныне известная частица будет иметь своего более тяжелого «родственника» – своего суперпартнера – с другими, но предсказуемыми, характеристиками.
Таковы мои надежды и ожидания от БАКа. В изобилии существуют другие предположения, по поводу того, что можно увидеть: они включают дополнительные размерности пространства, струны вместо частиц и миниатюрные черные дыры. Вполне возможно, что реальность опровергнет все предположения.
To have unlimited access to our content including in-depth commentaries, book reviews, exclusive interviews, PS OnPoint and PS The Big Picture, please subscribe
The escalating war in the Middle East must be understood in a broader context. The fact that the Iranian regime felt emboldened to risk a direct strike on Israel attests to a changing world order in which Western power is increasingly open to challenge.
considers the implications of Iran’s unprecedented decision to launch a direct strike on Israeli territory.
КЕМБРИДЖ. Современная физика и космология предполагает, что основные принципы того, как функционирует природа и как возникла Вселенная, видны только тем, кто может видеть события, которые происходит быстрее, чем необходимо времени, чтобы свет пересек протон, и тем, чье зрение может различать субъядерные расстояния. К счастью, это определение не исключает людей, так как мы можем улучшить зрение, с которым мы родились.
Большой андронный коллайдер (БАК) предоставляет такую возможность. Сталкивая с беспрецедентной энергией протоны, отслеживая многочисленные частицы, которые возникают при столкновениях, и реконструируя первичные события, благодаря которым частицы возникли, физики фактически сконструировали самый быстрый микроскоп с самым высоким разрешением. В основе его работы лежит принцип, что каждый протон делает моментальный снимок внутренней части другого протона.
БАК – это великолепный инженерный проект, о чьих «сенсационных характеристиках» широко информировали в прессе. Я пропущу все это и перейду к сути: что мы надеемся увидеть?
Мы увидим , на что была похожа Вселенная, когда она существовала всего лишь тысячную долю секунды, в самом начале «Большого взрыва». Первичные события в БАКе фактически являются «маленькими взрывами», крошечными световыми излучениями, которые воспроизводят условия «большого взрыва», хотя и в очень маленьких объемах.
Это воспроизводство ранней Вселенной открывает восхитительную возможность. Мы знаем, что Вселенная содержит своего рода вещество, так называемое «темную материю», которая отличается от всего, что мы до сих пор наблюдали.
Темная материя фактически не является темной в обычном смысле, но весьма прозрачной. Она не излучает и не поглощает свет, именно поэтому астрономы не могли заметить ее в течение тысячелетия, несмотря на то, что темная материя весит в пять раз больше, чем нормальная материя в общей массе Вселенной. Только в конце двадцатого века тщательное изучение нормальной видимой материи обнаружило гравитационное влияние большого количества другой невидимой материи.
Subscribe to PS Digital
Access every new PS commentary, our entire On Point suite of subscriber-exclusive content – including Longer Reads, Insider Interviews, Big Picture/Big Question, and Say More – and the full PS archive.
Subscribe Now
Так как изначальный «Большой взрыв» произвел темную материю, то «маленькие взрывы», возможно, произведут еще некоторое количество этой материи. Поэтому исследователи будут искать новые частицы с нужными характеристиками, чтобы произвести астрономическую темную материю: очень долговечную и очень слабо взаимодействующую с обычной материей или светом. Таким образом, для нас существует хорошая возможность узнать, чем является эта вездесущая, имеющаяся в большом количестве, однако неуловимая материя.
Вообразите расу разумных рыб, которая начинает размышлять о мироздании. На протяжении тысячелетий их предки воспринимали свою водную среду как нечто само собой разумеющееся: для них она была «пустотой», настолько пустой, насколько они могли это постигнуть. Но после изучения механики и использования воображения рыбки-физики осознали, что они могут вывести законы движения, которые намного проще по своей сути, предположив, что они окружены средой (водой!), которая усложняет положение вещей.
Мы являемся такими рыбками. Мы обнаружили, что мы можем получить намного более простой набор фундаментальных уравнений физики, предположив, что то, что мы обычно воспринимаем как пустое пространство, в действительности является средой. Мы наблюдали эффект «воды», который мы используем, чтобы упростить наши уравнения – она замедляет частицы и делает их тяжелыми – но мы не знаем, из чего она сделана.
БАК позволит нам рассмотреть микроскопическую структуру среды Вселенной. Самая простая идея заключается в том, что она сделана из одного нового вида частиц, так называемого «хиггсовского бозона». Но я подозреваю, что кроме него есть и другие (можно получить лучшие уравнения с пятью новыми частицами, но частиц может быть даже больше).
В 1860-х годах Джеймс Кларк Максвелл составил уравнения для электричества и магнетизма, так как они были тогда известны, и обнаружил их противоречивость. Он исправил противоречивость, добавив новые члены в уравнения.
Расширенные уравнения, которые сегодня известны как уравнения Максвелла, описали единую теорию электричества и магнетизма. Новые уравнения показали, что светом является движущееся самообновляющееся возмущение в электрических и магнитных полях, и они предсказали, что возможны новые виды возмущений.
Сегодня мы называем все эти возмущения радиоволнами, микроволновым излучением, инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, рентгеновскими лучами и гамма-излучением. Мы используем их, чтобы общаться, готовить еду, диагностировать и лечить болезни. Единая теория электромагнетизма привела к большому прогрессу во всех физических науках, начиная от ядерной физики, где лазеры и квантовые генераторы являются важнейшими инструментами), до космологии (где микроволновое фоновое (реликтовое) излучение является нашим окном к «Большому взрыву»).
Наше нынешнее понимание физики значительное и точное, насколько это возможно, но оно не такое красивое и связное, каким оно должно быть. Мы имеем отдельные уравнения для четырех сил: силы, обусловленной сильным взаимодействием, силы, обусловленной слабым взаимодействием, электромагнитной силы и силы притяжения. Эта путаница напоминает раздельные уравнения для электричества и магнетизма до Максвелла.
Некоторые из нас предложили расширять уравнения, которые объединяют различные силы. Эти расширенные уравнения, которые включают идею, называемую суперсимметрия, предсказывают много новых эффектов. Пара предсказанных эффектов уже наблюдалась (для экспертов: наличие крошечной массы покоя у нейтрино и унификация взаимодействий). Но, как заметил Карл Саган, «экстраординарные заявления, требуют экстраординарных доказательств», при этом существующее здесь доказательство зависит от обстоятельств.
К счастью, эти идеи для новой унификации предсказывают, что экстраординарные вещи можно будет увидеть на БАКе. Если так, то будет открыт целый новый мир частиц: каждая ныне известная частица будет иметь своего более тяжелого «родственника» – своего суперпартнера – с другими, но предсказуемыми, характеристиками.
Таковы мои надежды и ожидания от БАКа. В изобилии существуют другие предположения, по поводу того, что можно увидеть: они включают дополнительные размерности пространства, струны вместо частиц и миниатюрные черные дыры. Вполне возможно, что реальность опровергнет все предположения.