3. Частицы ведут себя как волны. Когда мы рассказали вам об этом в главе 2, то пренебрегли одной тонкостью, которая сейчас окажется нам полезной. Если волна» осциллирует (то есть колеблется) между двумя различными состояниями, то чем больше разница в энергии между этими состояниями, тем быстрее будут осцилляции.
А теперь объединим эти три соображения, соберемся с духом и сделаем обескураживающее,"однако совершенно верное предположение — нейтрино разных видов могут превращаться друг в друга.
Эксперименты показали, что у нас есть три разновидности нейтрино: одно взаимодействует с электроном, другое — с мюоном и третье — с тау-частицей. Мы представляем себе электрон как комбинацию двух частиц — электрона со спином, направленным вниз, и электрона со спином, направленным вверх; так вот и нейтрино тоже можно представить себе подобным же образом. Давайте считать, что существует три разных типа нейтрино —N 1, N 2 и N 3 в порядке увеличения массы.
Нейтрино N 1 состоит по большей части из электронного нейтрино в сочетании с хорошей дозой мю-нейтрино и капелькой тау-нейтрино. Нейтрино N 2 устроено иначе, а нейтрино N 3 представлено третьим набором качеств. Неважно, как мы будем их называть — тремя состояниями одной частицы или тремя разными частицами. Важно другое: нейтрино не будут выглядеть каждый раз одинаково. Это соображение получило название осцилляции нейтрино, поскольку нейтрино осциллируют между тремя «личинами» — электронным, тау и мю.
Где же тут. красота? А вот где: все это возможно, только если нейтрино обладают массой, мало того, разной массой. Это прямо следует из квантовой механики. Если они не обладают разной массой, значит, энергия между разными состояниями равна нулю (Е = mc2 !!!), никакой нейтринной осцилляции не будет, и мы не будем наблюдать это явление.
Как измерить разницу в массах
Понять, что нейтрино осциллируют и, следовательно, обладают массой, достаточно просто, это почти что очевидно, но взвесить их на практике трудно — поскольку эксперимент должен быть чистым и с соблюдением ряда условий.
1. Разживитесь атмосферой и подвергните ее бомбардировке космическими лучами. К счастью, атмосфера у нас уже есть. Космические лучи атакуют молекулы воздуха и в числе прочего производят антинейтрино — мю и электронные.
2. Выройте глубоко под землей большой бассейн, наполните сверхчистой водой и снабдите детекторами. Поскольку мы все равно дожидаемся распада протона, такие бассейны у нас тоже уже есть.
3. Подсчитайте электронные и мюонные антинейтрино и посмотрите, сходится ли ответ.
Если нейтрино обладают массой, то на пути из атмосферы к датчику множество мюонных антинейтрино превратятся в электронные антинейтрино, так что детектор нейтрино обнаружит дефицит нейтрино по сравнению с ожидаемым количеством.
В 1998 году этот эксперимент напал на золотую жилу — на «Супер-Камиоканде» первыми обнаружили недвусмысленные признаки осцилляции нейтрино, а следовательно, нейтрино обладают массой. Последующие эксперименты это подтвердили и наложили ограничения на массу нейтрино.
Наверное, вы понимаете, что без осложнений не обошлось. Первое осложнение — в ходе экспериментов масса нейтрино измерена не была, зато выяснилось соотношение нейтрино разных типов, например количество мю-нейтрино в нейтрино N 1. Стандартная модель не дает нам абсолютно никаких объяснений, почему нейтрино смешиваются именно в таком соотношении, а между тем нам крупно повезло, что эти соотношения именно таковы. Иначе было бы крайне трудно обнаружить тот факт, что они вообще смешиваются.
Второе осложнение — непонятно, почему у нейтрино вообще есть масса. Стандартная модель изначально не предполагает массу у нейтрино, и большинство изданных в последнее время учебников по физике частиц предполагают, что нейтрино лишены массы. Но если считать, что масса у них все-таки есть, почему она такая маленькая? Нынешний верхний предел для массы нейтрино — примерно в миллион раз меньше массы электрона, самой легкой элементарной частицы, масса которой установлена. Ответа на этот вопрос у нас нет, как нет и никакой причины выбрать то или иное значение массы.
Третье осложнение — то, что массу нейтрино в результате этих экспериментов узнать невозможно. Математические выкладки позволяют только выяснить разницу между квадратом масс разных типов нейтрино. Если мы сумеем вычислить массу одного из типов, будет проще простого подсчитать массы остальных двух.
Как найти абсолютное значение масс
Последние двадцать лет физики ставят перед собой цель вычислить абсолютные значения масс нейтрино, а для этого надо узнать, какова масса какого-нибудь одного типа нейтрино. В Германии сейчас ставят эксперимент под названием KATRIN в надежде, что он сумеет непосредственно установить массу электронного нейтрино.
Устройство эксперимента относительно просто. Берете большой чан трития[119]. Тритий — сравнительно редкая разновидность водорода, состоящая из X протона и 2 нейтронов. Он довольно-таки нестабилен, поэтому в скором времени начнет распадаться на гелий-3, а главное — испустит электрон (засечь который проще простого) и электронное нейтрино, существование и энергию которого можно будет вычислить. Поскольку мы знаем общее количество энергии, которое выделится при распаде, и можем измерить количество энергии электрона, значит, вся остальная энергия будет принадлежать нейтрино. А поскольку мы пронаблюдаем очень много распадов отдельных атомов, то сможем измерить минимальное количество энергии в нейтрино, то есть энергию, необходимую, чтобы получить его массу согласно Е = mс2 . Этот и последующие эксперименты позволят нам вычислить массу электронного нейтрино с точностью до 0,04% массы электрона.
Подготовка эксперимента завертится в 2011 году, так что мы полагаем, что получим точный ответ — причем скорее рано, чем поздно.
IV. Чего мы не сможем узнать в ближайшем будущем?
Уже довольно давно ведутся разговоры о том, что будто бы не за горами «конец физики». Это была расхожая тема интеллектуальных бесед еще в начале XX века. Джеймс Клерк Максвелл на тот момент великолепно описал электричество и магнетизм, а все остальное, как полагали ученые, описывала ньютонова теория гравитации. Затем были открыты квантовая механика и теория относительности, и в результате мы оказались дальше прежнего от унификации физических представлений в аккуратную, простую и полную картину Вселенной. Мы еще не оправились после открытий начала XX века, а некоторые тайны квантового мира еще ждут разгадки, о чем мы, собственно, и писали в этой книге.
Мы хотим сказать, что еще очень и очень рано почивать на лаврах. Стандартная модель физики частиц описывает все до единой частицы и их взаимодействия — но для этого ей требуется четыре разные силы и около 20 свободных параметров. Стандартная модель космологии описывает историю Вселенной и даже предлагает вполне правдоподобную версию событий темного Средневековья до эпохи Комбинации. Но все эти успехи достигнуты с определенными оговорками. Мы подставляем в теоретические формулы некие числа — но понятия не имеем, откуда эти числа взялись. Мы не в состоянии убедительно увязать гравитацию с остальными силами, хотя и описали каждую из них по отдельности очень и очень хорошо. И во множестве случаев мы даже не знаем, что собой представляют эти параметры.
Есть и другие вопросы, которые нам бы очень хотелось прояснить, но по которым невозможно ни достичь согласия, ни даже надеяться на консенсус. Приведем наши любимые.
1. Верна ли теория струн, ошибочна или ни то ни другое?
Посмотрите вверх-вниз, вперед-назад, вправо- влево. По всей видимости, ничего другого пространство предложить не может. Разумеется, дополнительные измерения обладают теми же мерзкими особенностями, что и зубная фея и пиратские клады: если вы их не видели, это не значит, что их не существует.
В этой книге мы пару раз упомянули о теории струн. Казалось бы, это чуть ли не панацея от всех болячек современной физики. Теория струн предполагает, что с фундаментальной точки зрения все частицы одинаковы — всего-навсего кусочки струн. Она претендует на роль Теории Всего, а значит, если она справедлива, то общая относительность и слабые, сильные и электромагнитные силы объединятся в единую теорию. Есть надежда, что естественным следствием некоторых моделей теории струн станет исчерпывающее объяснение, что такое темная материя и темная энергия, а значит, мы сразу поймем, почему Вселенная экспоненциально расширяется.
Однако за все надо платить. Теория струн в ее нынешнем виде предполагает, будто Вселенная
имеет 10 измерений плюс время. Чтобы понять, что представляют собой дополнительные семь измерений, вообразите канатоходца под куполом цирка. Сторонний наблюдатель скажет, что движение канатоходца ограничено двумя направлениями — вперед и назад, и никаких других вариантов у него нет[120]. Зритель, который смотрит представление, вероятно, даже не разглядит, есть ли у каната толщина,— а если он совсем неотесанный провинциал, поверит, будто канат имеет бесконечно малую толщину и на самом деле является одномерной структурой.
