Как возникла наша Вселенная? Из чего состоит вакуум? Что такое черные дыры, темная материя, суперструны и бозон Хиггса? И при чем тут большой адронный коллайдер? Об этом рассказал в популярной лекции «Элементарные частицы и эволюция Вселенной» заведующий кафедрой теоретической физики ТГПУ профессор Иосиф Бухбиндер.

Змея, кусающая свой хвост

По словам профессора Бухбиндера, в школьных и даже вузовских учебниках физики уровень знаний о мире застыл в лучшем случае примерно на уровне 20–30-х

годов прошлого века. Поэтому выпускники школ до сих пор думают, что протоны и нейтроны – это элементарные частицы, а вакуум – всего лишь пустота.

– На самом деле физики давно уже установили, что протоны и нейтроны – это составные частицы, – говорит Иосиф Львович. – Они состоят из кварков и глюонов. А вакуум – самый сложный объект в мире, его можно представить как бурлящую пену элементарных частиц, которые постоянно рождаются и уничтожаются. Но обычными приборами обнаружить это невозможно, используемая энергия слишком мала, поэтому пространство кажется пустым. Однако при энергиях, доступных, например, на большом адронном коллайдере, вакуумные физические процессы вполне измеримы. Глубинные свойства природы на уровне атомов и молекул достаточно давно известны. Они описываются квантовой механикой и используются в бытовых приборах от мобильного телефона до компьютера.

Современная фундаментальная физика развивается сейчас по двум основным направлениям: как устроена природа в наименьших масштабах (элементарные частицы и их взаимодействия) и как устроена природа в наибольших масштабах (структура Вселенной и ее эволюция). Но оказывается, что для понимания эволюции Вселенной нужно понимать взаимодействия элементарных частиц.

– Это как змея, кусающая свой хвост, – поясняет профессор Бухбиндер. – Для того чтобы узнать свойства мира в самых больших масштабах, надо понимать его свойства в самых маленьких масштабах, много меньших, чем размеры ядра атома. Недаром Большой взрыв, в результате которого образовалась Вселенная, возник в бесконечно малой точке пространства.

Теория суперструн

Всеми процессами в природе управляют всего четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Достаточно хорошо изучены фундаментальные аспекты электромагнитного взаимодействия, которое определяет многие свойства мира (от атомов, молекул, биологических систем до макроскопических тел). Построена согласованная с экспериментом стандартная модель элементарных частиц, описывающая объединенное электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Гораздо меньше известно о гравитации на квантовом уровне. Долгое время, начиная с Эйнштейна, делались попытки создать единую всеохватывающую физическую теорию. Наилучший кандидат на такую теорию возник в конце 1980-х годов и получил название теории суперструн, или, используя физический фольклор, теории всего на свете. По сути, теория суперструн вобрала в себя все предшествующие достижения фундаментальной теоретической физики и сформулировала единый общий взгляд на природу материи.

Суперструны – это микроскопические линии, из которых состоит вся материя Вселенной. Их характерный размер на 20 порядков меньше характерного размера атомного ядра. Струны вибрируют, и эти колебания представляют собой элементарные частицы. Иначе говоря, элементарные частицы – это процесс вибрации струн. А так как вариантов колебания может быть бесконечно много, то и количество элементарных частиц тоже может быть бесконечным. Однако характерные энергии, требуемые для возбуждения частиц, за исключением небольшого их числа, очень велики и лежат за пределами современных экспериментальных возможностей.

– Сравнительно недавно выяснилось, что известные элементарные частицы не исчерпывают всю материю во Вселенной, – рассказывает профессор Бухбиндер. – Не так давно астрономы установили существование во Вселенной так называемой темной материи и темной энергии. Другими словами, во Вселенной существует особая материя, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому не видимая в телескопы. Однако эта материя оказывает заметное влияние на движение галактик. Выясняется, что 96% материи Вселенной – это темная материя и темная энергия, физическая природа которой не известна. Так что фундаментальная физика далека от завершения.

Чудо в ускорителе

К середине 1970-х годов была создана стандартная модель элементарных частиц, которая непротиворечиво описывает все известные частицы и их взаимодействия. Из этой модели следовало большое количество предсказаний, и все они в дальнейшем были экспериментально подтверждены. Однако в основе стандартной модели лежало представление о существовании некой частицы, получившей название бозона Хиггса. Все предсказания стандартной модели основывались на свойствах бозона Хиггса. Поэтому обнаружение такой частицы имело принципиальное значение.

Для поисков бозона Хиггса на границе Швейцарии и Франции был построен ускоритель элементарных частиц, названный большим адронным коллайдером и являющийся самым большим физическим прибором в мире. В этом ускорителе на скоростях, близких к скорости света, сталкиваются протоны, в результате чего возникают новые частицы. И в 2012 году бозон Хиггса был, наконец, открыт, его основные свойства установлены и совпали с предсказаниями стандартной модели.

Многие ученые расценили это открытие как чудо. Впрочем, для большинства людей, знающих физику только по школьному курсу, к области чудесного относится практически все, чем занимается современная фундаментальная физика.