100 великих научных открытий

Исследуя взаимодействия кварков при очень высоких температурах, энергиях и плотностях, ученые пытаются выяснить, как родилась наша Вселенная. Так, высказываются предположения, что на заре мира вся материя существовала в иной форме — расплавленной, жидкой, состоящей из отдельных кварков и глюонов. Попросту говоря, это был раскаленный огненный шар, где ядра постоянно сталкивались между собой и кварки выскакивали из протонов, образуя кварк-глюонную жидкость. Подобную жидкость физики намереваются исследовать, а между тем остается еще немало вопросов, для ответов на которые понадобятся тысячелетия.

Теория взаимодействия частиц во Вселенной

В июле 2012 г. участники семинара ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) рассказали о том, что им наконец удалось обнаружить частицу, похожую на элементарный бозон Хиггса, предсказанный в конце ХХ в. американским ученым Стивеном Вайнбергом. Это событие стало новой вехой в развитии физики, ведь найденный бозон уже давно получил титул Частицы Бога и чуть ли не главного элемента всех процессов и явлений во Вселенной.

Еще Альберт Эйнштейн делал попытки разработать «единую теорию всего», объединив четыре взаимодействия, на которых зиждутся все физические процессы: гравитационное (сила тяжести), электромагнитное, сильное (ответственное за реакции в ядрах атомов) и слабое (влияющее на реакции между элементарными частицами, в том числе нейтрино). Увы, несмотря на все старания, ученый так ни к чему и не пришел.

Но зачем вообще нужно было объединять все эти взаимодействия? Дело в том, что с ростом энергии, выделяющейся при столкновениях и рассеяниях частиц, способы их контактирования постепенно становятся все более схожими. Очевидно, в первые моменты после Большого взрыва, который дал начало нашей Вселенной, существовало лишь одно взаимодействие, но материя охлаждалась, энергия частиц таяла, и взаимодействовать они хотели уже по-разному. Так со временем некогда целостное взаимодействие раскололось на четыре отдельные силы. Ученые долго бились над тем, чтобы представить этот процесс в виде физической и математической моделей, однако им не хватало знаний.

Решение нашел Стивен Вайнберг (р. 1933), написавший знаменитую книгу «Первые три минуты», где понятным языком было изложено то, что происходило в первые 3 мин после Большого взрыва. С 1960-х Вайнберг разрабатывал математическую систему, основанную на симметрии — идее зеркального отражения частиц и их взаимодействий. Если принять эту идею, становится понятным, почему при рассеянии одной частицы на другой наблюдаются те или иные формы взаимодействия между ними.

Само понятие симметрии появилось еще в 1930-х, но ученые никак не могли догадаться, как оно может связать слабые и электромагнитные силы. Знать бы, что общего может быть у этих сил, и можно аналитическим путем прийти к единой теории, поясняющей причины и процесс базовых взаимодействий во Вселенной. А общей у них могла быть лишь некая частица, которая исполняла бы функции переносчика, — подобно тому, как световой квант, фотон, переносит электромагнитные взаимодействия между электронами и позитронами, а глюон переносит заряд между кварками. Сложность состояла в том, что такая частица по идее должна была иметь огромную массу, и технические возможности тогдашних ускорителей не позволяли ее обнаружить.

Только в 1967 г. Вайнберга осенило, что искать загадочную частицу нужно в другом направлении. В попытках соединить тяжелый W-бозон — переносчик слабых взаимодействий — с невесомым фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, ученый пришел к мысли, что упускает какой-то механизм, неведомый ранее. Проведя еще ряд теоретических исследований, Вайнберг нашел этот механизм и назвал его «бозон Хиггса».

В том же 1967 г. ученый издал статью «Модель лептонов», где четко выстроил в единую теорию принципы взаимодействия частиц и квантовую механику, а главное — связал электромагнетизм со «слабой силой», вызывающей определенные ядерные распады. Подчеркнув, что все это — проявления одной и той же силы, Вайнберг ввел механизм Хиггса, который сообщает частицам массу. За это открытие в 1979 г. ему вручили Нобелевскую премию.

С момента выхода статьи Вайнберга ЦЕРН задался целью доказать его умозаключения, для чего принялся конструировать все более мощные ускорители. В 1973 г. установка Gargamelle

представила первое подтверждение существования электрослабого тока. В 1982 г. суперпротонный синхротрон впервые позволил обнаружить W-бозон. Наконец, в декабре 2011 г., проводя эксперименты в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider), ученые смогли четко рассмотреть искомую частицу H.