Исследование неразрешённых вопросов в физике

Джеймс Бичем ищет ответы на самые важные открытые вопросы физики с помощью крупнейшего из когда-либо проводимых экспериментов — Большого адронного коллайдера ЦЕРН. В этом весёлом и доходчивом выступлении о том, как делается наука, Бичем отправляется с нами в путешествие через дополнительные измерения в поисках неоткрытых фундаментальных частиц (и объяснения тайн гравитации) и подробно описывает продолжение исследований.

Кое-что в физике

не давало мне покоя с самого детства.

Речь идёт о вопросе,

которым учёные задаются почти 100 лет

и не получают ответа.

Как мельчайшие природные объекты,

частицы квантового мира,

соотносятся с крупнейшими
объектами в природе —

планетами, звёздами и галактиками,
которые удерживает гравитация?

В детстве я ломал голову
над подобными вопросами,

возился с микроскопами и электромагнитами,

читал о слабых взаимодействиях

и квантовой механике.

Я изумлялся, как прекрасно
это описание соответствовало

нашим наблюдениям.

Я смотрел на звёзды и читал о том,

насколько хорошо мы понимаем гравитацию;

уверенно полагал,
что должен быть изящный способ

объединить эти две системы.

Однако это не так.

В книгах говорилось,

что мы многое понимаем в каждой
из этих систем по отдельности,

но при попытке связать их математически

всё рушится.

В течение 100 лет

ни одна из наших идей решения
этой главной физической катастрофы

не была подкреплена доказательствами.

Для меня прежнего —

маленького любопытного скептика Джеймса —

этот ответ был в высшей степени
неудовлетворительным.

Так что я всё тот же малыш-скептик.

Теперь перенесёмся в декабрь 2015 года,

когда я в непосредственной
близости наблюдал,

как мир физики
переворачивается с ног на голову.

Дело в том, что мы в ЦЕРН увидели
нечто занимательное в наших данных:

намёк на новую частицу,

которая может стать исключительным
ответом на этот вопрос.

Оставаясь ребёнком-скептиком,

я также являюсь охотником на частицы.

Я физик, работающий в ЦЕРН
с Большим адронным коллайдером —

крупнейшим научным экспериментом
из когда-либо построенных.

Это 27-километровый тоннель
на границе Франции и Швейцарии,

расположенный на глубине 100 метров.

В этом тоннеле

мы используем сверхпроводящие магниты,

которые холоднее
космического пространства,

чтобы разогнать протоны
почти до скорости света

и заставить их сталкиваться друг с другом
миллионы раз в секунду.

Затем мы собираем осколки
от этих столкновений

для поиска новых, неоткрытых
фундаментальных частиц.

Тысячи физиков со всего мира
десятки лет трудились

над его разработкой и строительством.

Летом 2015 года

мы работали без устали, чтобы включить БАК

на самой высокой в истории
работы с коллайдерами мощности.

Высокая мощность важна,

потому что для частиц
существует равнозначность

между энергией и массой частицы,

а масса является лишь числом,
присвоенным природой.

Чтобы открыть новые частицы,

необходимо достигнуть этих бо́льших чисел.

Для этого мы построили коллайдер,
который быстрее и мощнее предшественников,

и теперь крупнейшим
и мощнейшим коллайдером в мире

является Большой адронный коллайдер.

Там мы сталкиваем
протоны квадриллионы раз

и очень медленно, в течение
нескольких месяцев, собираем данные.

Новые частицы могут появиться в данных
в виде неровностей —

небольших отклонений от ожидаемых данных,

маленьких кластеров, из-за которых
линия становится менее плавной.

Например, эта неровность:

после месяцев сбора данных в 2012 году

она привела к обнаружению частицы Хиггса —

бозона Хиггса —

и к Нобелевской премии
за подтверждение его существования.

Этот энергетический скачок в 2015 году

предоставил лучшую
в истории человечества возможность

для открытия новых частиц —

это новый ответ на давние вопросы,

потому что нынешняя мощность
почти в два раза больше той,

на которой был открыт бозон Хиггса.

Многие мои коллеги посвятили этому моменту
всю свою карьеру, и, если честно,

для меня — любопытного малыша —

это был момент, которого я ждал всю жизнь.

Итак, в 2015 году пришла пора действовать.

В июне 2015 года

БАК снова запустили.

Я вместе с коллегами
затаил дыхание и кусал ногти,

а затем мы увидели первое
столкновение протонов,

на крупнейшей в истории мощности.

Аплодисменты, шампанское, празднование.

Это было важным событием для науки,

и мы понятия не имели,
что обнаружим в новейших данных.

Через несколько недель
мы обнаружили неровность.

Она была не очень большой,

но достаточной, чтобы заинтересовать нас.

По 10-балльной шкале удивительности,

где 10 означает открытие новой частицы,

наше событие тянет на четвёрочку.

(Смех)

Я провёл часы, дни, недели
на секретных собраниях,

споря с коллегами по поводу
маленькой неровности,

подвергая её самым жёстким экспериментам,

чтобы выяснить, выдержит ли она критику.

Однако после месяцев лихорадочной работы,

когда мы не выбирались домой
и спали в офисах,

ужинали шоколадными батончиками

и вёдрами глушили кофе —

физики являются машинами
по преобразованию кофе в диаграммы —

(Смех)

эта маленькая неровность не исчезла.

Так что через несколько месяцев

мы представили её миру и ясно дали понять:

эта неровность интересная,
но неоднозначная,

поэтому давайте понаблюдаем за ней,
пока не получим больше данных.

Мы старались вести себя
предельно спокойно.

В любом случае новость облетела весь мир.

СМИ она очень понравилась.

Людям это напомнило небольшую неровность,

которую представили
перед открытием бозона Хиггса.

Более того, мои коллеги-теоретики —

я их просто обожаю —

написали 500 научных статей
об этой маленькой неровности.

(Смех)

Мир физики элементарных частиц
перевернулся с ног на голову.

Но что же в этой маленькой неровности

заставило тысячи физиков
потерять самообладание?

Она была уникальной

и указывала на то,

что мы наблюдали неожиданно большое
число столкновений,

осколки которых состояли
лишь из двух фотонов —

двух частиц света.

А это редкость.

Cоударение частиц не похоже
на столкновение автомобилей.

У них разные правила.

Столкновение двух частиц почти на скорости
света переносит их в квантовый мир.

И в квантовом мире

эти две частицы могут
быстро создать новую частицу,

которая живёт крошечную
долю секунды перед распадом

на другие частицы,
которые улавливает наш датчик.

Представьте, что при столкновении
две машины исчезают,

а на их месте возникает велосипед.

(Смех)

А затем велосипед
распадается на два скейтборда,

врезающиеся в датчики.

(Смех)

Надеюсь, не в буквальном смысле.

Датчики очень дорогие.

Случаи, когда детектор фиксирует
лишь два фотона, очень редки.

Из-за особых квантовых свойств фотонов

существует очень мало вариантов
потенциальных новых частиц —

мифических велосипедов, —

которые могут породить лишь два фотона.

Но один из этих вариантов грандиозный,

он связан с давним вопросом о гравитации,

который волновал меня с самого детства.

Гравитация может показаться
вам очень сильной,

однако она гораздо слабее
других сил природы.

Я могу ненадолго преодолеть гравитацию
во время прыжка,

но не могу вынуть протон из своей руки.

Какова сила гравитации по сравнению
с другими силами природы?

Десять в минус тридцать девятой степени.

Это десятичное число,
за которым следуют 39 нулей.

Кроме того,

все другие известные
силы природы прекрасно характеризует

так называемая Стандартная модель,

которая сейчас является лучшим описанием
мельчайших объектов природы,

и, честно говоря,

одним из самых успешных
достижений человечества —

всё портит гравитация,

которая отсутствует в Стандартной модели.

Сумасшествие.

Словно бо́льшая часть гравитации
пропала без вести.

Мы слегка ощущаем её,

но где всё остальное?

Никто не знает.

Однако есть теоретическое объяснение,
которое предлагает безумное решение.

Я и вы —

даже сидящие в конце зала —

живём в трёх измерениях.

Надеюсь, это неоспоримое заявление.

(Смех)

Все известные частицы также существуют
в трёх измерениях пространства.

По сути, «частица» —

это лишь синоним возбуждения
в трёхмерном пространстве;

локализованное колебание в пространстве.

Куда важнее, что математика,
с помощью которой мы всё это описываем,

предполагает существование
лишь трёх измерений пространства.

Но это ведь математика, и мы можем
играть с ней, как пожелаем.

Люди забавлялись с дополнительными
измерениями пространства

долгое время,

но это всегда было абстрактной
математической концепцией.

Все вы, оглянитесь:

несомненно, существует только три
измерения пространства.

Но что, если это не правда?

Что, если часть гравитации

просачивается в дополнительное
пространственное измерение,

которое невидимо для нас с вами?

Что, если бы вы смогли заглянуть
в это дополнительное измерение

и обнаружить, что гравитация
не слабее других сил,

а слабой она кажется
только потому, что на нас воздействует

лишь малая её часть?

Будь это правдой,

нам пришлось бы расширить
Стандартную модель частиц,

чтобы включить дополнительную,
гиперпространственную частицу гравитации,

особый гравитон, существующий
в дополнительных измерениях.

Я вижу, что выражают ваши лица.

Вам следует спросить меня:

«Каким образом мы проверим эту безумную
научно-фантастическую идею,

если мы застряли в трёх измерениях?»

Так же, как и всегда —

столкнём два протона

(Смех)

с такой силой, что столкновение отразится

в любом дополнительном
пространственном измерении,

на мгновение создав этот
гиперспространственный гравитон,

который затем снова защёлкнется
в трёх измерениях БАК

и оставит два фотона,

две частицы света.

Этот гипотетический
межпространственный гравитон

является одной из немногих возможных
гипотетических новых частиц,

обладающих особыми квантовыми свойствами,

которые могут породить нашу маленькую
неровность из двух фотонов.

Итак, перед нами появилась перспектива
объяснения тайн гравитации

и открытия дополнительных
измерений пространства —

возможно, теперь вы понимаете,

почему тысячи помешанных на работе физиков
потеряли самообладание перед этой

маленькой 2-фотонной неровностью.

Подобное открытие
заставит переписать учебники.

Но помните сообщение

от нас, экспериментаторов,

которые постоянно этим занимаются:

нужно больше данных.

Большое число данных

может либо превратить маленькую неровность
в новенькую Нобелевскую премию,

(Смех)

либо заполнить пространство
вокруг этой неровности

и вернуть линии плавность.

Поэтому мы собрали в 5 раз больше данных,

и спустя несколько месяцев

наша маленькая неровность

превратилась в плавную линию.

В новостях сообщили
об «огромном разочаровании»,

о «потере надежды»
и «опечаленных» ядерных физиках.

После таких заявлений

можно подумать, что мы решили
закрыть БАК и разойтись по домам.

(Смех)

Однако мы этого не сделали.

Но почему нет?

Ведь если я не открыл частицу,

почему я сейчас выступаю перед вами?

Почему я не пошёл домой,

понурив голову?

Ядерные физики являются исследователями.

В основном мы занимаемся картографией.

Позвольте мне сказать следующее:
забудьте о БАК на секунду.

Представьте: вы космический исследователь,
прибывший на далёкую планету

в поисках инопланетян.

Что вы делаете в первую очередь?

Захо́дите на орбиту планеты,
приземляетесь, осматриваетесь

в поисках очевидных признаков жизни

и докладываете на базу.

Мы сейчас находимся на этой стадии.

Мы впервые заглянули в БАК

в поисках новых,
больших и заметных частиц

и теперь можем сообщить, что таких нет.

Мы увидели подозрительный
инородный выступ на горе,

но, подойдя ближе, увидели,
что это просто камень.

Но что же делать дальше?
Просто сдаться и улететь?

Однозначно нет;

мы были бы ужасными учёными,
поступив так.

Нет, следующие пару десятилетий
мы будем исследовать,

составим карту территории,

просеем песок
качественными инструментами,

заглянем под каждый камень,

пробурим поверхность.

Новые частицы могут возникнуть внезапно,

в виде больших, очевидных неровностей,

но они также могут обнаружиться
спустя годы сбора данных.

Человечество лишь начало исследования
в БАК на высокой мощности,

и нам предстоят долгие поиски.

Но что если через 10 или 20 лет
мы так и не обнаружим новую частицу?

Мы построим машину побольше.

(Смех)

Мы будем искать на бо́льших мощностях.

Уже идёт планирование
100-километрового тоннеля,

который будет в 10 раз мощнее БАК.

Природа решает, где разместить
новые частицы, а не мы.

Мы только решаем продолжать поиски.

Но что, если даже после строительства

туннеля на 100 и 500 километров,

или создания 10 000-километрового
коллайдера в космосе

между Землёй и Луной,

мы так и не обнаружим новые частицы?

Тогда, возможно, мы неверно
занимаемся физикой частиц.

(Смех)

Возможно, нам нужно многое переосмыслить.

Возможно, нам нужно больше ресурсов,
технологий и опыта,

чем есть сейчас.

Мы уже частично используем в БАК
искусственный интеллект

и техники обучения машин,

но представьте эксперимент в физике частиц

с такими сложными алгоритмами,

что они сами научатся обнаруживать
гиперпространственный гравитон.

Но что, если?

Главный вопрос:
что, если даже искусственный интеллект

не сможет помочь ответить на наши вопросы?

Что, если открытые столетиями вопросы

обречены остаться без ответа
в обозримом будущем?

Что, если проблемы, которые с детства
не давали мне покоя,

обречены остаться без ответа
до конца моей жизни?

Тогда...

это будет даже более захватывающе.

Нам придётся думать в совершенно
новых направлениях,

придётся вернуться к своим предположениям

и поискать в них ошибку.

Также необходимо
привлекать в науку больше людей,

которые смогут взглянуть на эти
вековые проблемы свежим взглядом.

У меня нет ответов,
но я продолжаю их искать.

Но кто-то — возможно,
сейчас она учится в школе

или даже ещё не родилась —

сможет в итоге заставить нас
по-новому взглянуть на физику

и указать, что, возможно, мы просто задаём
неправильные вопросы.

Это будет не концом физики,

а только новым началом.

Спасибо.

(Аплодисменты)