Такие приборы предназначены для изучения состава материи, для поиска самых маленьких элементов, из которых строится все сущее в мире.[1] В ускорителях частиц активно используется знаменитая формула Эйнштейна Е = mc2. Они превращают энергию движения быстрых частиц в новые кусочки материи. Для этого используется довольно жесткий способ – сталкивание частиц, движущихся практически со световой скоростью. Как еще ученые могли бы рассмотреть, к примеру, что находится внутри протона? В отличие от человеческих органов протоны нельзя разрезать. Вот почему ученые сталкивают протоны друг с другом на больших скоростях, а затем исследуют обломки. Если бы у нас не было острых ножей и мы хотели бы изучить содержимое апельсина, мы могли бы воспользоваться тем же способом – разгонять фрукты до высокой скорости, сталкивать друг с другом и изучать разлетающиеся в стороны мякоть, сок и семена. При этом чем выше была бы скорость апельсинов, тем более ценными стали бы результаты эксперимента. Например, после одного столкновения мы узнали бы, что внутри апельсинов есть семена. Еще несколько столкновений на больших скоростях – и семена бы раскололись. В этом и состоит весь принцип: чем выше энергия столкновения, тем глубже мы можем заглянуть внутрь материи.[2]
За последние полвека мощность ускорителей частиц существенно выросла. Радиоактивные частицы, которые Эрнест Резерфорд использовал в 1911 году для изучения строения атомного ядра, имели в миллион раз меньше энергии, чем те, которые сегодня применяются в Большом адронном коллайдере, гигантском ускорителе частиц, построенном в Женеве, Швейцария. Соответственно, современные физики могут гораздо глубже заглянуть в природу материи и увидеть вещи, которые даже не снились Резерфорду, например элементарные частицы, весящие в сотню раз больше протона, – знаменитые бозоны Хиггса, открытые в июле 2012 года.[3] Если финансирование ускорителей продолжится (я говорю «если», потому что на их обслуживание требуются огромные суммы), можно ожидать, что новые технологии позволят нам изучать еще более высокоэнергетичные процессы и приведут нас к блестящим, а то и революционным результатам.
Однако важно отметить, что технологии ограничивают глубину нашего «проникновения» в физическую реальность. По сути, машины определяют, что именно мы можем измерить, а значит – что именно ученые могут узнать о человечестве и Вселенной. Будучи человеческими изобретениями, машины зависят от нашей фантазии и доступных нам ресурсов. При удачном стечении обстоятельств их точность постоянно повышается, и иногда они могут открыть нам что-то неожиданное. В качестве примера можно привести поразивший Резерфорда факт, что ядро атома занимает лишь небольшую часть его объема, но при этом содержит почти всю его массу. Для Резерфорда и его коллег, работавших в начале ХХ века, мир атомов и субатомных частиц выглядел совершенно по-другому, нежели для нас сейчас. Можно быть совершенно
Определение «минимальные частицы вещества, из которых состоит все сущее в мире» требует подробного объяснения, которое я приведу в части II. Мы должны задаться вопросом, могут ли ученые в принципе быть уверены, что они обнаружили «минимальную частицу вещества». Как вы увидите далее, этот вопрос напрямую связан с ограниченностью человеческого знания.
Здесь следует провести аналогию с крупицей соли, так как апельсины, сталкивающиеся на обычных скоростях, сильно отличаются от частиц вещества, сталкивающихся на скорости, близкой к скорости света. Новые виды частиц возникают, когда энергия движения конвертируется в массу. Если разогнать апельсин до скорости света, то после столкновения нам останутся только капли сока, ошметки мякоти и лопнувшие косточки. Физики любят говорить, что сталкивать частицы для создания новых – все равно что сталкивать два теннисных мяча, чтобы получить в итоге целый «Боинг-747».
«Элементарный» в данном случае означает «неделимый», то есть «не состоящий из более мелких частей» (см. примечание 1). Эта цитата указывает на то, что, когда частицу называют элементарной, мы должны с осторожностью относиться к такому определению. Точнее было бы сказать, что, учитывая наше понимание свойств материи на данный момент, та или иная частица может считаться элементарной или не имеющей структуры. Ключевым в этом определении является выражение «на данный момент».
