Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

Представьте себе два двухэтажных автобуса, мчащихся навстречу друг другу на большой скорости. Столкнувшись, они рассыпаются на отдельные сиденья, двигатели, колеса, окна и — придется признать — пассажиров и водителей. Но в случае с ускорителями все выглядит совсем не так. Физики строят ускорители, чтобы получить столкновения частиц все больших и больших энергий и при этом создать частицы, которых раньше никто никогда не «видел». Результаты таких столкновений могут оказаться столь же поразительными, как если бы при аварии двух двухэтажных автобусов образовались бы белый «Форд Мондео», черный мотоцикл «Харлей Дэвидсон», электрическая кухонная плита, три деревянных обеденных стола, сотня чашек, шесть корзин с продуктами из супермаркета и тонна мела.

Вы спросите: почему так происходит? Если эксперимент проходит благополучно, столкновения происходят на такой скорости, что вся масса частиц преобразуется в энергию. Одно из важнейших открытий Эйнштейна заключается в том, что масса и энергия эквивалентны и, таким образом, одно можно «обменять» на другое. Его уравнение е=тс² — это, вообще говоря, обменный курс, ну как обменный курс фунта стерлингов и доллара, который можно выразить формулой £=$с², где с — это 1,25, и соответственно с² — это 1,56, то есть вы можете обменять фунт стерлингов на 1,56 доллара. Обменяв на доллары 100 фунтов, вы можете затем обменять полученные 156 долларов на любую другую валюту, и уже совершенно не важно, что начинали вы с фунтов.

Так, первым результатом столкновения частиц становится исчезновение самих частиц, точно так же, как исчезают ваши фунты. Они заменяются всплеском энергии — или пачкой долларов. За этим событием немедленно следует преобразование энергии в частицы. Поскольку всплеск энергии не обладает «памятью» о частицах, изначально участвовавших в столкновении, он волен преобразовываться в абсолютно любые частицы, лишь бы только соблюдался «обменный курс» между энергией и массой. Если проводить этот эксперимент достаточно часто, то среди частиц, образовавшихся в результате столкновений и всплесков энергии, могут появляться новые типы частиц, которых вообще не существует в нашей с вами сегодняшней Вселенной. Вооруженные этим знанием, физики пытаются при помощи ускорителей частиц воссоздать условия, существовавшие в первые мгновения жизни Вселенной (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»), когда, по их мнению, происходило то же самое: самые разнообразные частицы создавались и разрушались в результате колоссального всплеска энергии.

Увидеть нейтрино

Когда задумываешься, сколько денег и интеллектуальных усилий тратится на постройку ускорителей частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель частиц?»), чья единственная цель — выявлять мельчайшие частицы материи, может показаться удивительным, что одну из самых крошечных и легких частиц — нейтрино — может наблюдать каждый, у кого есть глаза. Да и одного глаза, в принципе, достаточно.

Нейтрино — странные частицы, гораздо более загадочные, чем заурядные составляющие материи, такие, как протоны, нейтроны и электроны. У этих трех типов частиц есть какая-никакая масса. Хотя электрон в две тысячи раз легче протона или нейтрона, все равно его масса поддается измерению. Однако нейтрино настолько легче даже электронов, что долгие годы никому не удавалось их обнаружить. Ученые верили, что эти частицы существуют, поскольку без них не сходились некоторые физические уравнения, вот только никак не находилось способа продемонстрировать их существование. Отчасти проблема заключалась в слишком маленькой массе нейтрино. Грубо говоря, у них вообще нет массы. Вспомните, насколько ничтожны массы «нормальных» атомных частиц, — так вот, нейтрино «весит» как минимум в 10000 раз меньше, чем электрон.