Даже сейчас, когда протоны завершили последние круги в самом успешном в истории физики элементарных частиц ускорителе, ученые надеются, что чудо произойдет и победа будет одержана. Под поверхностью нетронутой зеленеющей иллинойсской прерии с пасущимися по ней бизонами по четырехмильному туннелю мчатся в противоположных направлениях протоны и антипротоны. И каждую секунду сотни тысяч этих частиц сталкиваются, порождая взрывное испускание массы различных частиц. Это происходит на Теватроне. подземном ускорителе элементарных частиц, находящемся в Лаборатории ускорителей им. Энрико Ферми (Фермилабе), которая находится на участке в 2751,9 га поблизости от городка Батавия, в 80 км к западу от Чикаго. Эксперименты длились не один день, и многие из них дали выдающиеся результаты; из 17 фундаментальных частиц, которые, по мнению физиков, образуют всю обычную материю и энергию во Вселенной, три были открыты здесь. Но эти дни закончились: 1 октября было навсегда отключено электропитание всех (более тысячи) охлаждаемых жидким гелием сверхпроводящих магнитов, и завершилась 28-летняя работа ускорителя, который до недавнего времени был самым мощным в мире.

Уравнение Дирака для электрона стало для физики поворотным пунктом во многих отношениях. В 1928 году, когда Дирак предложил свое уравнение, из всех элементарных частиц науке были известны лишь электроны, протоны и фотоны. Свободные уравнения Максвелла описывают фотоны, предсказанные Эйнштейном в 1905 году. Эта ранняя работа была постепенно развита Эйнштейном, Бозе и другими, и 1927 году Иордан и Паули создали полную математическую схему для описания свободных фотонов путем введения квантования в максвелловскую теорию свободного поля. Казалось также, что протон, как и электрон, достаточно хорошо описывается уравнением Дирака. В теорию Дирака отлично укладывалось электромагнитное взаимодействие, описывающее, как воздействуют фотоны на электроны и протоны, благодаря идее калибровки (введенной Вейлем в 1918 году). Начало формулировке полной теории электронов (или протонов), взаимодействующих с фотонами (т.е. квантовой электродинамике), было положено самим Дираком в 1927 году . Таким образом, казалось, что имеются под руками все более или менее основные средства для описания всех частиц, существующих в Природе, а также наиболее очевидных взаимодействий между ними.

Физика элементарных частиц (или физика высоких энергий) — это наука исключительно XX века, которая целиком основана на квантовых представлениях о мире. Ее теоретические и экспериментальные методы развивались вместе. Во многих экспериментах находили новые частицы, но иногда и теоретики предсказывали существование неизвестных ранее частиц.

Специалисты по физике частиц, изучающие рождение Вселенной, реконструируют первые мгновения истории космоса. История становления нового направления в физике — космологии элементарных частиц — наглядно демонстрирует, какими путями идет развитие современной науки.

Обычно ионизация происходит следующим образом: отрицательно заряженному электрону, чтобы преодолеть силу электростатического притяжения, которая удерживает его у положительно заряженного ядра, и вылететь из атома, требуется поглотить фотон достаточно большой энергии (ультрафиолетовый или рентгеновский). Однако недавно немецко-голландская группа исследователей впервые продемонстрировала другой механизм ионизации. Сильные электрические поля лазерного импульса способны на короткое время ослабить электростатическую связь и дать электрону возможность покинуть атом посредством квантового туннельного эффекта.

О том, что у частиц имеются двойники — античастицы, широко известно. Менее известно, что эта симметрия природы с необходимостью вытекает из свойств пространства и времени, установленных специальной теорией относительности. Этому вопросу посвящена настоящая статья.

Парадоксы возникают лишь тогда, когда исследователь не удовлетворяется физическим уровнем теории, когда он ставит такие вопросы, которые в физике ставить не принято, другими словами - когда он берет на себя смелость попытаться выйти за пределы физики. Этот очерк является продолжением статьи Жизнь в квантовом мире. Приобретенных нами познаний достаточно для того, чтобы рассказать о судьбе Шредингеровой кошки, которая так нравилась Эйнштейну.

LHC (большой адронный коллайдер) уже начал свою работу. Среди нескольких теорий, которые будут проверяться на LHC, не последнее место занимают суперсимметричные модели. Суперсимметрия как раз является областью моей научной деятельности, и я решил в научно-популярной форме попытаться рассказать, что же это такое.

Кажется, что Вселенная сегодня почти полностью состоит из материи. Современные данные из космологии и физики частиц (исследования Вселенной в наибольшем и наименьшем масштабах) предлагают объяснение этого факта. Все фундаментальные составляющие материи встречаются подходящими парами: для каждой частицы имеется античастица той же массы, но противоположная в других отношениях, таких, как электрический заряд. Симметричное удвоение частиц и античастиц требуется для соединения двух великих теорий в физике двадцатого века — релятивизма и квантовой механики. Эта симметрия хорошо подтверждена экспериментом. С 1932 г., когда был открыт позитрон (или антиэлектрон), каталог античастиц быстро рос вместе с каталогом частиц. В действительности частицу и ее античастицу часто открывали одновременно, когда обе они рождались парой в результате столкновения частиц в ускорителе при высоких энергиях. Такие столкновения всегда, кажется, порождают материю и антиматерию в равных количествах; действительно, долгое время считалось, что законы природы не отдают предпочтения материи или антиматерии.

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10^-16 см.