Коллайдер

Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.

В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP[21] («Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».

На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.

Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.

В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.

Из всех работавших над КЭД именно Фейнману принадлежит самая наглядная интерпретация ее математических формул. Он придумал очень удобную систему графических обозначений, отражающих процесс взаимодействия частиц друг с другом: электроны и остальные заряженные частицы изображаются стрелками, а фотоны - волнистыми линиями. Например, обмен фотоном между двумя электронами будет выглядеть так: две стрелки с течением времени сходятся, между их концами пробегает волнистая линия, и затем они расходятся. Приписав каждой подобной картинке определенное значение и установив правила, по которым они складываются, Фейнман дал рецепт вычисления вероятности любого события с участием электромагнитного взаимодействия. Эта система обозначений, известная как диаграммы Фейнмана, получила широкое распространение.

Квантовая электродинамика излечила некоторые математические недуги, ставшие настоящей напастью для квантовых теорий электронов и других заряженных частиц. До этого теоретики, пытаясь применить квантовую концепцию к электронам, то и дело наталкивались в вычислениях на не имеющие смысла «бесконечности». Фейнман показал, что если применить особую процедуру (провести так называемую перенормировку), вклады от части диаграмм взаимно уничтожаются, и получается конечный ответ.