Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

рівняння, які керують явищами, що підлягають розглядові. Її наслідок — закони збереження. Так, симетрія переносу, що характеризує однорідність простору, пов’язується зі збереженням енергії. Симетрія обертання, яка характеризує ізотропність простору — а закони фізики однакові незалежно від напрямку, — асоціюється зі збереженням кутового моменту. У більш розгорнутому вигляді принцип відносності передбачає, що всі фізичні закони однакові, хоч би яким був відносний рух окремих спостерігачів, що пересуваються з незмінною швидкістю. Айнштайн поширив цей принцип на прискорені рухи: пришвидшений спостерігач може уявити, ніби не рухається, а сила, дію якої він відчуває, є наслідком гравітаційного поля. Отже, щойно на обрії з’являється гравітація, всі спостерігачі опиняються в рівних умовах. Більш абстрактна симетрія еталону характеризує три негравітаційні різновиди взаємодії. Застосовується вона, приміром, в електриці, де результат залежить лише від різниці потенціалів, а не від їхнього точного значення.

Враховуючи все сказане вище, можна констатувати, що на Землі панує очевидна асиметрія — неврівноваженість матерії та антиматерії. Однак у світі частинок матерія та антиматерія співіснують, достоту близнючки. Разом народжуються і разом зникають. Єдина різниця між ними — протилежні заряди. Чому ж тоді впродовж розвитку Всесвіту вижила тільки матерія, хоча в момент Великого вибуху, як припускають, панувала симетрія?

Складники відповіді на це запитання знаходимо в порушеннях симетрії, відомих як дискретні або уривчасті. Усього відомо три типи таких порушень: передусім ідеться про симетрію люстра, яку називають відповідністю Р; далі — симетрія матерія-антиматерія, відома як поєднання заряду С; нарешті — зміна напрямку часу Т. Відображення у дзеркалі (симетрія Р) здавалося природним, пов’язуючи явища, що могли відбутися з однаковою вірогідністю. Це було справедливим щодо електромагнітних і сильних взаємодій, одначе не здійснилося щодо слабких взаємодій. Порушення симетрії Р відкрили 1956 р. в процесі радіоактивного розпаду кобальту-60, що випромінював електрони. Магнітне поле скеровує рух частинок. Скероване донизу, воно відхиляє спіни ядер кобальту в цьому напрямку. Електрони ж прямують угору. Симетрія у дзеркалі дає конфігурацію поля, скерованого вгору, де електрони рухаються вниз. Тобто, у протилежному напрямку, ніж у реальному світі. Ситуація, що спостерігається, не є наслідком віддзеркалення — симетрія порушується, бо напрямки не є тотожними.

Правильну симетрію намагалися відшукати, порівнявши Р і С — поєднання заряду мало перетворювати частинки на античастинки. В антисвіті ядра антикобальту мають спін, скерований донизу, і випромінюють позитрони також донизу. Напрямки руху електронів і позитронів є протилежними — симетрію С порушено. Більшість фізиків дійшли висновку, що, ввівши в дію одночасно С і Р, можна зберегти симетрію СР — себто після перетворення СР можна отримати рівною мірою вірогідне явище. Але 1964 р. зрозуміли, що химерні нейтральні частинки, названі мезонами-К0 під час розпаду з легкістю порушують цю симетрію. Це порушення — виняткове, бо зустрічається лише в трьох на тисячу актів. І все ж воно є надважливим, і згодом визнають, що воно підтримує правдоподібне пояснення асиметрії матерії-антиматерії, виявленої у Всесвіті. У 1980 р. Джеймсові Вотсонові Кроніну та Велові Лоґсдонові Фітчу дали Нобелівську премію за «відкриття порушення фундаментального принципу симетрії».

Це відкриття здійснили в Брукгейвенській лабораторії, де до того довели існування Ω-баріона та другого нейтрино. Серцем лабораторії був протонний прискорювач потужністю у 30 ГеВ — найпотужніший прискорювач тих часів, який і досі працює.

Знаючи, що симетрія СРТ, що поєднує три дискретні симетрії, ґрунтується на фундаментальних принципах спеціальної теорії відносності та квантової механіки, можна зробити висновок, що симетрія стосовно зміни напрямку часу Т також порушується. Але не так просто прокрутити назад стрічку про субатомний світ. Це стало очевидно 1998 р. в ході порівняння розпадів К0 та її античастинки.

Досі ми намагалися описувати різні способи фіксації, що сприяли епохальним науковим проривам. Менш відомий бік фізики частинок полягає у використанні набутків інформатики, яка поступово розвивалась і нині перетворилася на науку-гегемона. Адже недостатньо зібрати дані у вигляді світлин з бульбашкових камер або електричних сигналів — з них іще треба «дістати» фізику. Дослід із порушенням СРТ став блискучим вступом до головного аспекту роботи фізика.

Експеримент із відкриттям першого нейтрино полягав в обрахунку частки актів, де фотопомножувачі зафіксували доволі сильний світловий сигнал. Дослід із другим нейтрино можна звести до спостерігання за картинками та обрахунку кількості взаємодій, в ході яких виникав достатньо довгий шлейф. Світлини з бульбашкових камер почали потребувати точного вимірювання викривлення шлейфів під дією магнітних полів.

Дослід із порушенням СР є прикладом сучасного експерименту, коли електричні сигнали ототожнюються з цятками у просторі, а видимі сліди перетинаються задля утворення частинок, які повідомляють про себе лише продуктами свого розпаду. Треба відтворити невидимі частинки-посередників. Зокрема, сигнал про порушення СР полягає в розпаді мезона-К0, тривалість життя якого дорівнює двом життям піона. Отже, йдеться про відтворення незмінної маси двох частинок із протилежними зарядами лише задля того, аби переконатися, що вони походять від К0 відомої маси. Попередні досліди обмежувались обрахунком кількості електричних сигналів, а тут метод набагато більш прогресивний, бо йдеться про математичне ототожнення параметрів шлейфу — отже, застосування кібернетики не уникнути. Нині комп’ютери стали невід’ємним складником процесу фіксації. Вимірювані цятки запам’ятовуються, а дедалі складніші алгоритми стають необхідними для пошуку необхідної інформації серед сирих даних.

Сьогодні науковці з лабораторії фізики частинок здебільшого сидять перед екранами комп’ютерів. До слова, варто зазначити, що в 1960-х роках фізика частинок найбільше сприяла розвиткові кібернетики. ЦЕРН посідав найбільші комп’ютери тих часів, а найповажнішим клієнтом центру був Пентагон. Мережу (Web) винайшли задля полегшення спілкування фізиків частинок. Нині метеорологічні інститути і центри розроблення автомобілів мають однакові засоби обчислень. Фізика мусить повернути собі пріоритет задля експериментів нового покоління, в ході яких доведеться перетравити небачену кількість даних і які потребуватимуть розвитку оброблення даних через паралельне використання тисяч комп’ютерів.

Що дужче, то менше

Розвиток фізики частинок, що полягав у відкритті багатющого бестіарію дивовиж, відвернув увагу від систематичного пошуку глибших структур. У фізиків було забагато роботи з вивченням цілого звіринцю нових частинок та їхньої непередбачуваної поведінки. Втім, фізики не забули про досвід Резерфорда.

Зв’язок між енергією зонду, який виконує роль такого собі скальпеля, та розмірами досліджуваного об’єкта випливає з квантової механіки: розміри, яких можна досягнути під час експерименту з дифузії, відповідають довжині хвилі, випромінювання, за допомоги якого вивчають матерію. Щоби бачити глибше, треба бити сильніше, тож прискорювачі постійно збільшують енергетичну потужність.

Побачити якийсь об’єкт крізь оптику означає зібрати на сітківці ока фотони, передані або відображені цим об’єктом. У цьому випадку носієм інформації виступає видимий фотон, довжина хвилі якого приблизно дорівнює одному мікрону. Він дозволить розрізнити деталі відповідних розмірів. Наприклад, простим оком можна побачити волосину діаметром приблизно 20 мікронів. Оптичний мікроскоп лише концентрує