Брайан Кокс про суперколлайдер ЦЕРНа

Это большой адронный коллайдер. Он 27 километров в окружности и это самый большой научный эксперимент, когда-либо поставленный. Более 10 тысяч физиков и инженеров из 85 стран мира объединились вместе на несколько десятилетий, чтобы построить эту машину. Мы занимаемся тем, что ускоряем протоны — атомные ядра водорода — до скорости, равной 99.999999 процентам скорости света. На этой скорости они пролетают эти 27 километров 11 тысяч раз в секунду. И мы сталкиваем их с другим пучком протонов, летящим в противоположном направлении. Мы сталкиваем их внутри гигантских детекторов.

По существу это цифровые камеры. А это детектор, над которым я работаю, — ATLAS. Вы сможете представить размер: вы увидите людей стандартного европейского размера ниже.

(Смех)

Чтобы представить размер: ширина 44 метра, 22 метра в диаметре, вес 7 тысяч тонн. И мы воссоздаем условия, которые были начиная с меньше, чем одна миллиардная секунды после начала Вселенной, до 600 миллионов раз в секунду внутри детектора - это необъятные числа. И если вы видите эти металлические секторы, это огромные магниты, которые направляют электрически заряженные частицы, так что можно измерить, насколько быстро они движутся. Это изображение примерно годовой давности. Эти магниты внутри. А это тот самый человек стандартного европейского размера, чтобы вы могли представить масштаб. И это там будут созданы миниатюрные Большие Взрывы однажды летом этого года.

И, кстати, сегодня утром я получил письмо, сообщающее, что сегодня мы закончили установку последнего компонента ATLAS. Итак, сегодня всё закончено. Мне бы хотелось сказать, что это я так спланировал для TED, но это не так. Сегодня работы завершены.

(Аплодисменты)

Да, это замечательное достижение. Вы можете спросить: "Зачем?" Зачем создавать условия, которые были меньше, чем одна миллиардная секунды после начала Вселенной? Потому что ученые, изучающие элементарные частицы, пустое место без движения вперед. И цель физики элементарных частиц понять, из чего все состоит и как все связано. И под "все" я имею в виду себя и вас, конечно, Землю и Солнце, сотни миллиардов солнц в нашей галактике и сотни миллиардов галактик в обозреваемой Вселенной. Абсолютно все.

Теперь вы можете сказать: "Ну ладно, но почему просто не смотреть на нее? Если вы хотите узнать, из чего я состою, посмотрите на меня." Мы обнаружили, что если вернуться в прошлое, Вселенная становится горячее и горячее, плотнее и плотнее и проще и проще. Сейчас нет реальных оснований, почему я знаю это, но похоже, что это так. Итак, мы считаем, что в ранний период жизни Вселенной, все было очень просто и понятно. Все окружающие нас сложные объекты, включая такую замечательную штуку как человеческий мозг, принадлежат старой, холодной и сложной вселенной. Но там, в начале, в первую миллиардную секунды, в соответствии с нашими представлениями и наблюдениями, вселенная была очень простой.

Она была как ... представьте снежинку в вашей руке, вы смотрите на нее, и она невероятно сложный и красивый объект. Но если вы нагреете ее, она растает в каплю воды, и вы увидите, что она всего лишь состоит из H20, из воды. То же самое когда мы смотрим в прошлое, чтобы понять, из чего состоит Вселенная. И на сегодняшний день она состоит вот из чего. Всего 12 частиц вещества, связанных вместе четырьмя природными взаимодействиями. Кварки, вот эти розовые кубики, составляют протоны и нейтроны, которые составляют атомные ядра в вашем теле. Электрон, который вращается вокруг атомного ядра, держится на своей орбите электромагнитным взаимодействием, которая переносится вот этой частицей, фотоном. Кварки держатся вместе другими частицами, называемыми глюонами.

А эти штуки - это слабое ядерное взаимодействие, возможно, наименее знакомое. Но без него Солнце не будет светить. А когда Солнце светит, огромное количество этих частиц, называемых нейтрино, льются наружу. Вообще-то если вы просто посмотрите на ноготь большого пальца, примерно квадратный сантиметр, то около 60 миллиардов нейтрино в секунду, идущих от Солнца, проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела. Но вы их не чувствуете, потому что слабое взаимодействие названо правильно. Действует на очень коротких расстояниях и очень слабо, поэтому частицы просто пролетают сквозь вас.

И все эти частицы были открыты за прошлое столетие. Первая, электрон, была открыта в 1897-м году, и последняя, называемая тау-нейтрино, в 2000-м году. На самом деле это как, я хочу сказать, что это как пригород Чикаго. Я знаю, это большая страна, Америка, не так ли? Кажется, что близко, но долго добираться. По сравнению со Вселенной обманчиво близко.

(Смех)

Итак, эта частица была открыта в 2000-м году, так что это относительно свежая картинка. Одна из замечательных вещей, которую я обнаружил, это что нам удалось открыть их все, осознавая насколько они крошечные. Они - один шаг в размере всей обозримой Вселенной. Итак, 100 миллиардов галактик на расстоянии 13,7 миллиардов световых лет это шаг расстояния от них до Монтеррея и это примерно то же самое, как от Монтеррея до них. Абсолютно, совершенно мелкие, но мы открыли почти полный комплект.

Итак, один из моих знаменитых предшественников в Манчестерском университете Эрнест Резерфорд, открыватель атомных ядер, однажды сказал: "Есть только две науки: физика и коллекционирование марок." Я не думаю, что он хотел оскорбить остальные науки, хотя он был из Новой Зеландии, так что это возможно.

(Смех)

Но он имел в виду, что то, что мы сделали, на самом деле коллекционирование марок. Хорошо, мы открыли частицы, но до тех пор, пока вы не поняли основополагающую причину этой структуры: почему все спроектировано так, как есть, - действительно вы только собирали марки, не занимались наукой. К счастью у нас есть возможно одно из величайших научных достижений 20-го века, которое подкрепляет эту структуру. Это законы Ньютона, если желаете, физики элементарных частиц. Это простое до изящества математическое уравнение, которое называется стандартная модель. Вы можете приклеить его на футболку, что всегда является признаком элегантности. Вот оно.

(Смех)

Я немного соврал, развернув его со всеми кровавыми подробностями. Тем не менее это уравнение позволит вам посчитать все, кроме гравитации, что происходит во Вселенной. Итак, вы хотите узнать, почему небо синее, почему атомные ядра связаны друг с другом, - и у вас есть достаточно большой компьютер - почему ДНК той формы, которую она имеет. В принципе, вы можете вычислить это из этого уравнения.

Но здесь есть проблема. Кто-нибудь знает, где? Бутылка шампанского любому, кто скажет. Я упрощу его, увеличив одну из строк. По существу, каждое из этих обозначений относится к какой-нибудь частице. Эти W здесь относятся к слабым взаимодействиям и их связи. Они носители слабого взаимодействия, и тоже самое с Z. Но есть еще дополнительный символ в уравнении: H. Да, H. H означает бозон Хиггса. Бозоны Хиггса еще не обнаружены. Но они необходимы, они необходимы, чтобы сделать математическую работу. Поэтому все очень подробные подсчеты, которые мы можем сделать с этим замечательным уравнением, невозможны без этого дополнительного элемента. Так что это предсказание, предсказание новой частицы.

Что она делает? У нас было много времени для создания аналогий. И тогда, в 80-х, когда нам нужны были деньги от правительства Великобритании для коллайдера, Маргарет Тэтчер, в то время, сказала: "Если вы сможете объяснить на языке, понятном политикам, что за ерунду вы делаете, то вы получите деньги. Я хочу знать, что делает этот бозон Хиггса." И мы придумали эту аналогию и, кажется, она сработала. Бозон Хиггса дает массу фундаментальным частицам. И суть в том, что вся Вселенная, - это не значит только космос, это значит и меня, и то, что внутри вас, - вся Вселенная заполнена чем-то, что называется полем Хиггса. Частицы Хиггса, если угодно.

Аналогия в том, что эти люди в комнате это частицы Хиггса. И когда частица движется сквозь Вселенную, она может взаимодействовать с этими бозонами Хиггса. Но представьте кого-нибудь не очень популярного, проходяшего через комнату. Все проигнорируют его. Он легко может пересечь комнату очень быстро, по существу со скоростью света. Он не имеет массы. А представьте кого-нибудь невероятно важного, известного и умного, входящим в комнату. Его окружат люди, и его путь через комнату затруднен. Почти как будто он потяжелел. Обрел массу. И это как раз то, как работает Хиггсовский механизм. Суть в том, что электроны и кварки в вашем теле и во Вселенной, которую мы видим вокруг, тяжелые, в некотором смысле, и имеют массу, потому что окружены частицами Хиггса. Они взаимодействуют с полем Хиггса.

Если это образ верен, то нам нужно обнаружить эти частицы Хиггса в коллайдере. Если это неверно, потому что это достаточно сложный механизм, хотя и самый простой, который мы смогли представить, то, что бы ни делало работу частиц Хиггса, мы знаем, должно обнаружиться в Большом Адронном Коллайдере. Это одна из первостепенных причин, почему мы построили эту гигантскую машину. Я рад, вы узнали Маргарет Тэтчер. Вообще-то я думал сделать картинку более соответствующей стране, но (Смех) ничего страшного. Итак, это первая задача. Это по существу гарантия того, что найдет коллайдер.

Есть еще много других. Вы слышали о многих важных задачах физики элементарных частиц. Одна из них, о чем вы слышали, это темное вещество, темная энергия. Есть еще один вопрос, он заключается в том, что природные взаимодействия, вообще-то достаточно красивые, чем дальше в прошлое, тем больше кажется, что их сила меняется. Их сила действительно меняется. Таким образом электромагнитное взаимодействие, которое держит нас вместе, усиливается, чем выше температуры. Сильное взаимодействие, ядерное взаимодействие, которое связывает ядра вместе, становится слабее. И вы видите, что стандартная модель - вы можете посчитать, как они меняются, - это взаимодействия, три взаимодействия, отличные от гравитации, почти объединяются в одной точке. Это почти так же, как если бы было одно красивое супер-взаимодействие там, в начале времени. Вот только они не совсем точно объединяются.

Сейчас есть теория суперсимметрии, которая удваивает число частиц в стандартной модели. Что, на первый взгляд, не выглядит упрощением. Но в действительности с этой теорией мы видим, что природные взаимодействия действительно объединяются вместе там, в момент Большого Взрыва. Безусловно превосходное предсказание. Модель была построена не для него, но, похоже, она исполняет его. Также эти суперсимметричные частицы многообещающие кандидаты на темное вещество. Таким образом очень убедительная теория это действительно основное направление физики. И если бы я делал ставки, то я бы поставил на то, - что очень ненаучно - что эти частицы тоже будут обнаружены в коллайдере. Коллайдер может открыть и много другого.

Но за несколько оставшихся минут я просто хочу показать вам другое представление о том, что я думаю, что физика элементарных частиц действительно означает для меня, физика элементарных частиц и космология. Я думаю, что нам дан замечательный сюжет, почти история сотворения, если желаете, Вселенной, современной наукой за несколько прошедших десятилетий. И я бы сказал, что она заслуживает в духе выступления Уэйда Дэвиса по крайней мере быть в одном ряду с этими замечательными историями сотворения мира людей высоких Анд и замерзшего севера. Я думаю, что эта история сотворения мира столь же замечательна.

История начинается так: мы знаем, что Вселенная началась 13,7 миллиардов лет назад в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, размером гораздо меньшим, чем один атом. Она началась расширяться примерно через одну миллионую миллиардную миллиардную миллиардную миллиардную секунды - думаю, я назвал правильно, - после Большого Взрыва. Гравитация отделилась от остальных взаимодействий. Затем Вселенная подверглась экспоненциальному расширению, называемому инфляционным. За первую миллиардную долю секунды или около того появилось поле Хиггса, и кварки, глюоны и электроны, которые составляют нас, обрели массу. Вселенная продолжила расширяться и остывать. Через несколько минут в ней был водород и гелий. И все. Вселенная состояла из 75% водорода и 25% гелия. Как и сегодня.

Она продолжала расширяться около 300 миллионов лет. Затем свет начал путешествовать через Вселенную. Она стала достаточно большой, чтобы быть прозрачной для света, и это то, что мы видим как реликтовое излучение в космосе, которое Джордж Смут описал как взгляд в лицо Богу. Через около 400 миллионов лет сформировались первые звезды, а затем водород и гелий стали превращаться в более тяжелые элементы. Таким образом элементы жизни: углерод, кислород и железо - все те элементы, которые необходимы, чтобы создать нас, были созданы в первых поколениях звезд, которые потом взорвались, когда в них закончилось топливо, и выбросили эти элементы назад во Вселенную. Элементы потом снова сжались в новое поколение звезд и планет.

И на некоторых из тех планет кислород, который был создан в первом поколении звезд, смог объединиться с водородом сформировалась вода, жидкая вода на поверхности. По крайней мере на одной и, может быть, только на одной из тех планет развилась примитивная жизнь, которая эволюционировала за миллионы лет в существа, которые ходили прямо и оставили следы около трех с половиной миллионов лет назад в ваттах Танзании, и наконец оставили следы в другом мире. И построили эту цивилизацию, эту замечательную картину, которая превратила темноту в свет, и теперь вы можете увидеть эту цивилизацию из космоса. Как сказал один из моих великих героев, Карл Саган, такие вещи, как - и не только они, если оглядеться, - такие вещи, как ракеты Сатурн-5, и Спутник, и ДНК, и литература, и наука - это то, что атомы водорода делают, когда у них есть 13,7 миллиардов лет.

Безусловно удивительно. И законы физики, не так ли? Итак, правильные законы физики изящно сбалансированы. Если бы слабое взаимодействие было немного другим, то углерод и кислород не были бы устойчивы внутри ядер звезд и ничего этого не было бы во Вселенной. И я думаю, это замечательная и знаменательная история. 50 лет назад я бы не смог рассказать эту историю, потому что мы не знали ее. Из-за нее я действительно думаю, что цивилизация, которая, как я сказал, если вы верите в научную историю сотворения мира, возникла исключительно как результат законов физики и нескольких атомов водорода, и по крайней мере меня она заставляет чувствовать необычайно значимым.

И все это коллайдер. Коллайдер, когда летом его включат, несомненно напишет следующую главу этой книги. И я конечно жду с огромным волнением, когда он будет включен. Спасибо.

(Аплодисменты)