Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной [заметки]

1

Я буду часто использовать приближенное значение 27 км. — Прим. авт.

2

Рэндалл Л. Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства. — М.: УРСС, Либроком, 2011.

3

Большой адронный коллайдер весьма велик, но используется он для изучения мельчайших объектов. Причины, по которым он сделан таким большим, будут описаны ниже, когда мы рассмотрим детально конструкцию БАКа. — Прим. авт.

4

Conseil Europeenpourla Recherche Nucleaire — Европейский совет ядерных исследований. — Прим. пер.

5

Знаменитая песня Германа Хапфилда, ставшая очень популярной после фильма «Касабланка» (1942), в первоначальном варианте 1931 г. начиналась безошибочно опознаваемой отсылкой к последним достижениям физики:

«Век, в котором мы живем, Становится причиной опасений Из‑за скорости, новых изобретений И вещей наподобие четвертого измерения. Мы уже слегка утомлены Теорией Эйнштейна…» — Прим. авт.

6

Квантовая механика может иметь макроскопические проявления в тщательно подготовленных системах; они также могут выявиться при наборе большой статистики или при использовании самых прецизионных устройств. Однако это не мешает использовать классические теории в большинстве обычных ситуаций. Все зависит от прецизионности, как будет дальше рассказано в главе 12. —Прим. авт.

7

Берн Р. Тайна. — М.: Эксмо; Домино, 2011.

8

Иногда я буду использовать научную запись чисел, в которой размер Вселенной выражается как 10²⁷м. Это означает единицу с 27 нулями, что, конечно, гораздо компактнее, чем «тысяча триллионов триллионов». Самый маленький представимый масштаб составляет 10^-35м, т. е. число, обратное к единице с 35 нулями. Рост человека имеет порядок 1м — это единица вообще без нулей. Таким образом, «человеческий» масштаб находится примерно посередине между двумя крайними значениями. — Прим. авт.

9

Очевидный пример: радужную пленку на воде люди могли видеть и тысячу лет назад, но то, что она появляется вследствие волновой природы света, не имело практического значения. — Прим. пер.

10

Искомая величина определяется через другую величину, измеряемую непосредственно. — Прим. пер.

11

Levenson Т. Measure for Measure: A Musical History of Science. — Simon & Schuster, 1994.

12

Во времена инквизиции католическая церковь не включала труды Тихо Браге в список запрещенных книг, как можно было ожидать исходя из его принадлежности к протестантизму, так как в его теории Земля была неподвижна, и тем не менее наблюдения Галилея ей прямо не противоречили. —Прим. авт.

13

Перевод В. Б. Микушевича. —Прим. пер.

14

Перевод М. Литвиновой.

15

Augustine. The Literal Meaning of Genesis. Vol. 1, books 1-6 (New York: Newman Press, 1982).

16

Эмерджентность — несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним — «системный эффект». — Прим. ред.

17

Holton G. Johannes Kepler’s Universe: Its Physics and Metaphysics // American Journal ofPhysics, May, 1956, №24, pp. 340-351.

18

Calvin J. Institutes of Christian Religion. — Minneapolis: Fortress Press, 1999.

19

К примеру, единица длины Древней Греции — стадия — не имела фиксированной длины, поскольку в разные времена основывалась на длине различных частей тела человека в разных регионах страны. — Прим. авт.

20

Там, конечно, есть электромагнитное поле, но практически нет вещества. — Прим. авт.

21

Величина, на малых скоростях приблизительно равная произведению массы и скорости, а на релятивистских—отношению энергии к скорости света. —Прим. авт.

22

От англ. glue — клей. — Прим. пер.

23

Обратите внимание, что этот рисунок соответствует более точной версии объединения, чем первоначальный вариант Джорджи и Глэшоу, в котором линии сходились почти, но не совсем. Несовершенство теории удалось показать позже, когда появились более точные данные об интенсивности взаимодействий. — Прим. авт.

24

Они сближаются, но сегодня мы знаем, что в пределах стандартной модели объединение невозможно. Однако ее можно достичь в модифицированных вариантах стандартной модели, например с привлечением суперсимметрии, о чем пойдет речь в главе 17. —Прим. авт.

25

Физики в области элементарных частиц измеряют энергию в электронвольтах. Энергию в 1 эВ приобретает электрон, ускоряясь в электрическом поле при разности потенциалов в один вольт. В дальнейшем изложении потребуются гига- и тераэлек- тронвольты: 1 ГэВ = 1 млрд эВ, 1 ТэВ = 1 трлн эВ. —Прим. авт.

26

Занятно, что сюжет романа «Ангелы и демоны» Дэна Брауна построен на антивеществе, в то время как БАК — первый коллайдер CERN, в котором используется только «обычное» вещество. —Прим. авт.

27

В 1997 г. Европейское физическое общество признало вклад Роберта Браута, Франсуа Энглерта и Питера Хиггса, а в 2004 г. им была присуждена премия Вольфа по физике. В 2010 г. Франсуа Энглерт, Роберт Браут, Питер Хиггс, Джеральд Гуральник, Κ. Р. Хаген и Том Киббл получили от Американского физического общества премию Сакураи в области теоретической физики частиц. Я буду далее ссылаться только на Хиггса, так как меня интересует физический механизм, а не личности. Конечно, если бозон Хиггса будет открыт, Нобелевскую премию получат не более чем три человека, и вопросы приоритета будут весьма сложными. —Прим. авт.

28

В рамках Стандартной модели физики частиц, как она описана в этой книге и где есть только один хиггсовский бозон, в эпоху температур порядка 100 ГэВ в ранней Вселенной имел место фазовый переход другого типа — гладкий кроссовер. — Прим. науч. консулът.

29

Неясно, должна ли Стандартная модель включать очень тяжелые нейтрино ^с «правой» киральностью, которые, по–видимому, существуют и играют роль в массе нейтрино. — Прим. авт.

30

10^-29 м. — Прим. пер.

31

Первоначально он предназначался для ускорения протонов и антипротонов. В настоящее время он используется в составе БАКа в качестве протонного суперсинхротрона SPS и ускоряет только протоны. — Прим. авт.

32

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает темную материю, темную энергию и не включает в себя гравитацию. —Прим. ред.

33

В 2011 г. были достигнуты энергии 3,5 ТэВ на пучок, а в апреле 2012 г. ее подняли до 4 ТэВ на пучок, то есть до энергии столкновения 8 ТэВ в системе центра масс. В течение 2011 г. на ATLAS и CMS было зарегистрировано по 560 трлн столкновений, а план на 2012 г. составлял по 1500 трлн на каждой из установок. —Прим. пер.

34

http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG‑Report.pdf.

35

Назван в честь французского физика Пьера Виктора Оже. — Прим. пер.

36

Выражением to big to fail («слишком велики, чтобы погибнуть»! в 2008 г. описывались несколько крупнейших банков и страховых компаний США, которые пришлось спасать от банкротства за счет вливания бюджетных средств. Власти опасались, что крах подобной системообразующей структуры может вызвать каскад дальнейших банкротств и общий коллапс экономики. — Прим. пер.

37

Posner R. Catastrophe: Risk and Response. — Oxford University Press, 2004.

38

Математическая абстракция, подразумевающая обязательное наличие как выигрывающей, так и проигрывающей стороны. —Прим. пер.

39

Председатели Совета управляющих Федеральной резервной системы США в 1987-2006 гг. и с 2006 г. соответственно. —Прим. пер.

40

Leonhardt D. The Fed Missed This Bubble: Will It See a New One? // New York Times, January, 5, 2010.

41

В этой книге я использую термин «систематическая неопределенность» (systematic uncertainty), а не более частый— систематическая погрешность» (systematic error). Последняя часто ассоциируется с ошибкой, в то время как «неопределенность» указывает на неизбежные ограничения, налагаемые аппаратурой. — Прим. авт.

42

Часто используется термин «статистическая погрешность», когда говорят о неопределенности измерений, связанной с конечностью их числа. — Прим. авт.

43

В этой таблице даны отдельно левые и правые частицы. Они различаются киральностью, которая для безмассовых частиц говорит о вращении (спине) вдоль направления движения. Массивные частицы могут быть обоих типов: например, электрон может быть левым или правым. В данном случае признаки отличия не так важны, как разница во взаимодействиях. Если бы все частицы не имели масс, то слабое взаимодействие, превращающее верхние кварки в нижние, а заряженные лептоны — в нейтральные, действовало бы только на левые частицы. С другой стороны, сильное и электромагнитное взаимодействия влияют на частицы обоих типов, причем только кварки обладают сильным зарядом. —Прим. авт.

44

Три типа нейтрино через слабое взаимодействие «спарены» с тремя разновидностями заряженных лептонов. Однако, раз возникнув, нейтрино могут осциллировать, переходя из одного типа в другой, и связь их с конкретными лептонами теряется. Нейтрино иногда просто нумеруют согласно их относительной массе, а иногда помечают знаком соответствующего лептона в зависимости от контекста. —Прим. авт.

45

В специальных экспериментах по исследованию свойств нейтрино они регистрируются через рождение заряженных лептонов того же поколения при рассеянии на ядрах. —Прим. науч. консульт.

46

По–английски слово jet означает и реактивный двигатель (ракету), и струю. — Прим. пер.

47

Если исходный b–мезон нейтрален, вместо этого будет виден трек, исходящий из точки распада, но не будет предыдущего трека от места его образования. — Прим. авт.

48

Тем не менее взаимодействие между W–бозоном, t–кварком и b–кварком является причиной того, что t–кварк может распасться на b–кварк и W–бозон. —Прим. авт.

49

Через нее можно также определить релятивистскую массу, которая зависит от импульса и энергии, но следствия будут теми же. —Прим. авт.

50

Обратите внимание, что на этой схеме разграничены бозоны и фермионы — два класса частиц, различаемые квантовой механикой. Переносчики взаимодействий и гипотетические частицы Хиггса — бозоны, а все остальные частицы Стандартной модели — фермионы. —Прим. авт.

51

По состоянию на момент написания книги. — Прим. пер.

52

Описание сверхпроводимости через фотонную массу дали в 1950 г. В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау. Идея генерации массы частиц путем спонтанного нарушения симметрии высказана в 1962 г. Филипом Андерсоном. Питер Хиггс в 1964 г. предложил для релятивистских уравнений Гинзбурга — Ландау решение в виде частиц и предсказал существование тяжелого скалярного бозона. Аналогичные идеи одновременно выдвинули Браут и Энглерт, Гуральник, Хаген и Киббл. Последующие работы Виктора Попова и Людвига Фаддеева по калибровочным полям, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама по теории электрослабого взаимодействия и Герарда ’т Хоофта по перенормировке позволили к середине 1970–х гг. сформулировать то, что сейчас известно как механизм Хиггса. —Прим. пер.

53

Дебатируется также вопрос о том, относятся ли к Стандартной модели правые нейтрино. Даже если таковые присутствуют, они, скорее всего, чрезвычайно тяжелы и не слишком важны для низкоэнергетических процессов. — Прим. авт.

54

Так оно и случилось! Четвертого июля 2012 г. было официально объявлено, что на обеих экспериментальных установках достоверно обнаружены нейтральные частицы–бозоны с энергией 125,3–126,0 ГэВ, которые, вероятно, и являются долгожданными бозонами Хиггса. — Прим. пер.

55

Скаляр (от лат. scalaris — ступенчатый) — величина, каждое значение которой может быть выражено одним (действительным) числом. Примерами скаляров являются длина, площадь, время, масса, плотность, температура и т. п. — Прим. ред.

56

Забавно тем не менее, что применение принципа Паули для галактической темной материи из фермионов дает модельно–независимое ограничение снизу на массу частицы темной материи (фермион должен быть тяжелее, чем примерно 1 кэВ). — Прим. науч. консульт.

57

Ранее модель (почти) экспоненциально расширяющейся Вселенной была предложена в работах А. Старобинского для решения проблемы начальной сингулярности в теории горячего Большого взрыва. —Прим. науч. консульт.

58

WMAP был запущен 30 июня 2001 г. и проработал до августа 2010 г. Обработка его научных данных продолжается. Planck запущен 15 мая 2009 г. — Прим. пер.

59

Точнее — из массы, вычисляемой на основании разумных предположений о количестве звездной и газопылевой материи в галактиках скопления с учетом ее размеров и светимости. —Прим. пер.

60

Некоторые частицы темной материи совпадают со своими античастицами. В этом случае они должны встретиться с другими такими же частицами. — Прим. авт.

61

Аномальные события были зарегистрированы экспериментами COGENT, CRESST и усовершенствованным CDMSII. К сожалению, в рамках наиболее мотивированных и разработанных моделей темной материи эти аномалии противоречат результатам других экспериментов— и друг другу, в частности. —Прим. науч. консульт.

62

Что означает примерно следующее: полезный груз для исследования материи и антиматерии и астрофизики легких ядер. —Прим. пер.

63

Гладуэлл М. Гении и аутсайдеры: Почему одним все, а другим ничего? — М.: Юнайтед Пресс, 2010.

64

По–немецки Rand означает «край» или «грань», а All— «Вселенная». —Прим. авт.