В лекции для Perimeter Institute физик Полин Ганьон рассказывает о том, как устроена работа в ЦЕРН и почему изучение «бесполезных» частиц имеет решающее значение для будущего человечества. Она объясняет сложнейшие концепции микромира через простые аналогии и делится личными историями о создании самого большого эксперимента в истории — Большого адронного коллайдера.
🧱 Леголенд микромира: из чего всё состоит 4:22
Цель физики элементарных частиц — найти самые маленькие «кирпичики» материи. Полин Ганьон сравнивает устройство Вселенной с парком Legoland в Копенгагене . Если разбить любую фигуру в этом музее, мы обнаружим, что она состоит из конечного числа стандартных деталей LEGO. Природа устроена точно так же, только её детали бесконечно малы .
Для понимания масштабов Полин Ганьон приводит следующие факты:
- Атом: Его размер составляет 10^-10 метра. Это в миллион раз меньше толщины человеческого волоса .
- Ядро: Находится в центре атома и в 10 000 раз меньше его самого (10^-14 м). Если бы ядро было размером с Полин, её электроны находились бы на расстоянии 20 километров, а между ними была бы пустота .
- Кварки: Составляющие протонов и нейтронов. Их размер — 10^-19 метра, что в миллиард раз меньше атома .
Всего существует 12 фундаментальных строительных блоков материи (фермионов), разделенных на две семьи :
- Лептоны: Сюда входят электрон, более тяжелые мюон и тау-лептон, а также три соответствующих им вида нейтрино .
- Кварки: Шесть типов (ароматов) — верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top) и прелестный (bottom) .
По словам Ганьон, поразительно, что для создания всей видимой материи во Вселенной — от деревьев до звезд — природа использует только «первый ряд» этих частиц: верхний и нижний кварки (из которых состоят протоны и нейтроны) и электроны . Остальные частицы кажутся «запасными деталями» в конструкторе, назначение которых науке ещё предстоит осознать.
⛸️ Силы как обмен частицами 14:47
В физике частицы не просто связаны статичными линиями. Взаимодействие между ними — это динамический процесс. Полин Ганьон объясняет это на примере двух фигуристов на льду . Если один из них бросит другому тяжелый мяч, оба изменят свою траекторию. Со стороны это будет выглядеть как некая «сила», действующая на расстоянии, но на самом деле это результат обмена физическим объектом.
Эти объекты называются бозонами, и они отвечают за фундаментальные силы :
- Глюон: «Склеивает» кварки внутри протонов и нейтронов.
- Фотон: Переносчик электромагнитного взаимодействия.
- W- и Z-бозоны: Отвечают за слабое взаимодействие (благодаря которому светит Солнце).
- Гравитон: Гипотетическая частица гравитации, которая пока не обнаружена .
🌌 Тайна массы и поле Хиггса 17:33
В 1960-х годах физики столкнулись с проблемой: в уравнениях частицы не имели массы, хотя в реальности она у них была. Решение предложили Франсуа Энглер, Роберт Браут и Питер Хиггс .
Они постулировали существование особого поля, пронизывающего всю Вселенную. Полин Ганьон сравнивает его с толпой людей в комнате . Если в пустой комнате вы можете бежать быстро (как безмассовый фотон), то в комнате, заполненной людьми, вам придется постоянно взаимодействовать с ними, что замедлит ваше движение. Это сопротивление движению и проявляется как масса .
Критически важные уточнения от лектора:
- Авторство формулы E=mc²: По мнению Полин Ганьон, Альберт Эйнштейн работал над своими идеями совместно со своей первой женой Милевой Марич . Лектор утверждает, что они делали всё вместе до 1914 года, и это отражено в её книге .
- Природа бозона Хиггса: Если поле Хиггса — это океан, то бозон Хиггса — это волна на поверхности этого океана, созданная в результате сильного всплеска энергии . Именно эту «волну» ученые зафиксировали в ЦЕРН в 2012 году.
🏰 ЦЕРН: Наука без начальников 31:07
ЦЕРН — это не просто лаборатория, а пример уникального международного сотрудничества. Сегодня в нем участвуют исследователи из 63 стран, включая страны, у которых нет даже дипломатических отношений (например, Израиль и Пакистан) .
Ганьон подчеркивает специфический стиль управления в ЦЕРН:
- Отсутствие жесткой иерархии: В проектах нет директоров в привычном смысле, есть только координаторы .
- Принцип консенсуса: Решения принимаются в ходе бесконечных совещаний. Если один из тысячи участников аргументированно против технологии, его обязаны выслушать .
- Стиль «пикника»: Проект Большого адронного коллайдера (БАК) напоминает организацию огромного пикника. Каждый институт «приносит» то, что умеет лучше всего: кто-то делает датчики, кто-то — кабели .
- Отсутствие финансовых бонусов: Ученые работают за идею и признание коллег, а не за премии .
Полин делится личной историей о работе с российским инженером над трекером детектора ATLAS . Из-за языкового барьера они не могли общаться словами, но инженер оказался гением визуализации и чертежей. Ганьон поняла, что лучший способ управления таким специалистом — «просто не мешать ему» .
🔬 Инструменты познания: БАК и детекторы 35:46
Большой адронный коллайдер (БАК) — это кольцо длиной 27 километров, расположенное на глубине 100 метров под землей на границе Франции и Швейцарии .
Основные характеристики установки:
- Процесс: Протоны ускоряются почти до скорости света и сталкиваются лоб в лоб. Энергия столкновения материализуется в новые частицы .
- Детекторы: Огромные машины (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE), работающие как 3D-камеры. Детектор ATLAS имеет высоту шестиэтажного дома и весит 7000 тонн (как Эйфелева башня) .
- Сложность: ATLAS содержит 4000 километров кабелей . Ганьон называет его «швейцарскими часами на стероидах» .
- Вакуумирование: Перед запуском ученые-волонтеры (включая саму Полин) пылесосили внутренности детектора, чтобы убрать железные опилки и забытые инструменты. Среди находок бывали даже бутылки из-под водки .
💰 Зачем тратить миллиарды на «бесполезные» частицы? 58:32
На вопрос налогоплательщиков о пользе бозона Хиггса Ганьон отвечает честно: скорее всего, у самой частицы никогда не будет практического применения, так как она живет 10^-22 секунды . Однако фундаментальная наука — это мощнейший двигатель экономики.
Аргументы в пользу финансирования:
- Экономический эффект: Каждый вложенный в исследования доллар возвращается в экономику в десятикратном размере .
- Технологии: Именно в ЦЕРН была создана Всемирная паутина (WWW), чтобы физики могли обмениваться данными .
- Медицина: МРТ, КТ и современная адронная терапия рака напрямую вышли из технологий физики частиц . Адронная терапия позволяет уничтожать опухоли, не повреждая здоровые ткани, благодаря точному управлению энергией пучка .
- Мир: Общая работа над научными задачами сближает людей разных национальностей лучше, чем политика .
🕯️ Будущее: Мы знаем только 5% 1:03:39
Полин Ганьон отмечает, что современная физика находится в тупике. Всё, что мы изучили (Стандартная модель), составляет лишь 5% содержимого Вселенной . Остальные 95% — это:
- Темная энергия (68%): О ней почти ничего не известно .
- Темная материя (27%): Она не излучает свет, но удерживает галактики вместе .
Лектор рассказала поучительную историю о «ложной надежде» в науке . В декабре 2015 года на детекторах ATLAS и CMS был замечен небольшой избыток событий (сигнал при 750 ГэВ), который мог означать открытие новой частицы. За следующие месяцы теоретики написали 554 научные статьи, пытаясь объяснить этот сигнал . Однако в августе 2016 года, после сбора новых данных, эффект исчез — это оказалась просто статистическая флуктуация .
«Мы застряли», — признает Ганьон . Ученым крайне необходима экспериментальная зацепка, чтобы понять, в каком направлении двигаться дальше. Возможно, это будут «темные фотоны» или суперсимметрия, но пока 95% Вселенной остаются неразгаданной тайной для будущих поколений физиков.
