Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Достучаться 
до небес

Лиза Рэндалл

Knocking
on Heaven’s
Door

HOW PHYSICS AND SCIENTIFIC 
THINKING ILLUMINATE THE UNIVERSE 
AND THE MODERN WORLD
Lisa Randall

М   о   с   к   в   а
2  0 1 6

Достучаться 
до небес

НАУЧНЫЙ ВЗГЛЯД 
НА УСТРОЙСТВО ВСЕЛЕННОЙ

Лиза Рэндалл

Перевод с английского

ISBN 978-5-91671-264-3 (рус.)
ISBN 978-0-06-172372-8 (англ.)

© Lisa Randall, 2011
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2014

УДК 539.1:001.8
ББК 22.38
Р96                            Переводчик Наталья Лисова
Научные консультанты 
Михаил Ревнивцев, д. ф.-м. н.
Дмитрий Горбунов, к. ф.-м. н.
Редактор Юлия Быстрова

Рэндалл Л.
Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной / Лиза 
Рэндалл; Пер. с англ. — М.: Альпина нон-фикшн, 2016. — 518 с.

ISBN 978-5-91671-264-3

Человечество стоит на пороге нового понимания мира и своего места во 
Вселенной — считает авторитетный американский ученый, профессор физики 
Гарвардского университета Лиза Рэндалл, и приглашает нас в увлекательное 
путешествие по просторам истории научных открытий. Особое место в книге 
отведено новейшим и самым значимым разработкам в физике элементарных 
частиц; обстоятельствам создания и принципам действия Большого адронного 
коллайдера, к которому приковано внимание всего мира; дискуссии между 
конкурирующими точками зрения на место человека в универсуме. Содержательный и вместе с тем доходчивый рассказ знакомит читателя со свежими 
научными идеями и достижениями, шаг за шагом приближающими человека 
к пониманию устройства мироздания.

УДК 539.1:001.8
ББК 22.38

Р96

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и каки
ми бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память 

ЭВМ для частного или публичного использования, без письменного разрешения владельца авторских прав. По вопросу 

организации доступа к электронной библиотеке издательства обращайтесь по адресу lib@alpinabook.ru. 

Издание подготовлено при поддержке

Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 г. Дмитрием Борисовичем 
Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления 
деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом 
запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих 
в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека  «Династии» — издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертамиучеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта. Более 
подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 
7

Часть I

МАСШТАБИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОСТИ

Глава 1 
Тебе — мало, мне — в самый раз 
23
Глава 2 
Раскрывая секреты 
50
Глава 3 
Жизнь в материальном мире 
66
Глава 4 
В поисках ответов 
88

Часть II

МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА

Глава 5 
Волшебная экскурсия в глубь материи 
101
Глава 6 
«Видеть» — значит верить 
130
Глава 7 
На краю Вселенной 
152

Часть III

АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ

Глава 8 
Одно кольцо, чтобы править всем… 
169
Глава 9 
Возвращение кольца 
188
Глава 10 
О черных дырах, которые поглотят весь мир 
214
Глава 11 
Рискованное дело 
228
Глава 12 
Измерение и неопределенность 
255
Глава 13 
Эксперименты CMS и ATLAS 
271
Глава 14 
Как распознать частицы 
302

Часть IV

МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Глава 15 
Истина, красота и другие научные заблуждения 
323
Глава 16 
Бозон Хиггса 
342
Глава 17 
Вакантное место топ-модели 
370
Глава 18 
Снизу вверх или сверху вниз? 
407

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

Часть V

МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Глава 19 
Вселенная наизнанку 
423
Глава 20 
Что велико для тебя, мало для меня 
440
Глава 21 
Гости с темной стороны 
460

Часть VI

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

Глава 22 
Думать глобально, действовать локально 
483

Заключение 
499
Благодарности 
506

ВВЕДЕНИЕ

Мир стоит на пороге великих открытий. Сегодня проводятся самые масштабные и интересные в истории эксперименты в области 
физики элементарных частиц и космологии, и самые талантливые 
физики и астрономы мира объединяют усилия для анализа их результатов. Возможно, в ближайшее десятилетие ученые обнаружат 
то, что изменит наши представления о фундаментальном строении 
вещества и структуре самого пространства; не исключено даже, 
что наши представления о природе реальности станут более полными. Ученые, которые вплотную занимаются этими вопросами, 
уверены, что новые факты не просто дополнят уже имеющиеся. 
Мы с нетерпением ждем открытий, которые приведут к зарождению принципиально новой парадигмы структуры Вселенной и изменят представление об ее устройстве, сложившееся на основании 
прошлых открытий.
10 сентября 2008 г. произошло историческое событие — первый пробный пуск Большого адронного коллайдера (БАК), на который все мы возлагаем большие надежды. Слово «большой» 
в названии относится не к адронам, а к самому коллайдеру. Основа БАКа — громадный кольцевой туннель длиной 26,6 км*, расположенный между горами Юра и Женевским озером и дважды 
пересекающий франко-швейцарскую границу. Электрические 
поля внутри этого туннеля разгоняют два пучка частиц, в каждом 
из которых движутся миллиарды протонов (протоны принадлежат 
к классу элементарных частиц, известных как адроны, поэтому 
коллайдер — адронный); частицы носятся по окружности, делая 
за одну секунду примерно 11 000 оборотов.
Коллайдер служит площадкой для крупнейших экспериментов 
из тех, какие когда-либо ставились на Земле. Цель ученых — про
* Я буду часто использовать приближенное значение 27 км. — Прим. авт. 

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

вести детальные исследования структуры материи на невозможных доселе расстояниях и при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде. При таких энергиях должен возникнуть целый ряд 
необычных элементарных частиц; кроме того, предположительно 
должны возникнуть взаимодействия, имевшие место при рождении Вселенной — примерно через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.
При проектировании Большого адронного коллайдера пришлось задействовать всю изобретательность ученых и инженеров 
и все возможности современной техники; его строительство также оказалось сложнейшей задачей. К огромному разочарованию 
ученых и сочувствующих, всего через девять дней после первого 
успешного пуска в коллайдере из-за некачественной пайки в одном из контактов произошла авария. Однако осенью 2009 г. БАК 
вернулся в строй и заработал даже лучше, чем кто-либо надеялся. 
Так многолетние ожидания стали реальностью.
Весной того же года с космодрома во Французской Гвиане 
были запущены научно-исследовательские космические аппараты — крупнейший космический телескоп Herschel и космическая 
обсерватория Planck. Я узнала об этом от группы радостно возбужденных астрономов Калифорнийского технологического института. Они встречали 13 мая в 5:30 утра в Пасадене, а я гостила 
там, чтобы удаленно наблюдать за эпохальным пуском. Миссия 
Herschel — прояснить процессы формирования и эволюции звезд 
и галактик, а Planck — передать на Землю подробные данные 
об остаточном излучении, сохранившемся после Большого взрыва, что позволит больше узнать о начальном периоде эволюции 
нашей Вселенной. Надо сказать, что космический запуск всегда 
вызывает радость и тревогу одновременно — ведь от 2 до 5% их заканчиваются неудачей, и тогда пропадают годы работы над специализированным научным оборудованием спутника, который 
вместе с ракетой падает обратно на Землю. К счастью, этот пуск 
прошел успешно, и весь день приходила информация о благополучном ходе полета. Тем не менее пройдет еще не один год, прежде чем Herschel и Planck передадут нам ценнейшую информацию 
о звездах и Вселенной.

ВВЕДЕНИЕ   9

***
На сегодняшний момент физика дает прочную базу для наших 
знаний о том, как функционирует Вселенная на самых разных 
пространственных масштабах и при самых разных энергиях. 
Теоретические и экспериментальные исследования позволили 
ученым глубоко понять элементы и структуры — от самых крошечных до громадных. Со временем нам удалось восстановить 
подробную и непротиворечивую картину того, как из отдельных 
кусочков складывается целое. Физические теории описывают, 
как развивался космос: из крошечных составляющих сформировались атомы, которые в свою очередь слились в звезды, а те — 
образовали галактики и более крупные структуры, разбросанные 
по Вселенной. Затем некоторые звезды взорвались и породили 
тяжелые элементы, которые попали в нашу Галактику и в Солнечную систему, — без них в конечном итоге не возникла бы жизнь. 
На базе надежных и обширных сведений, полученных при помощи БАКа и космических аппаратов, физики надеются расширить 
наши представления об окружающем мире и достигнуть большей 
точности, чем когда-либо прежде. Это рискованная и амбициозная затея.
Вероятно, вам доводилось слышать четкое и на первый взгляд 
точное определение науки, противопоставляющее ее всевозможным системам верований, таким как религия. Однако реальная 
история развития науки далеко не проста. Нам, безусловно, нравится думать — по крайней мере сама я поначалу думала именно 
так, — что наука достоверно отражает реальность и правила, которым подчиняется физический мир. Но актуальные исследования 
почти неизбежно проходят в ситуации неопределенности, когда мы 
надеемся, что продвигаемся вперед, но не до конца в этом уверены. 
Чтобы достойно ответить на вызовы, ученый должен рождать перспективные идеи и при этом всегда сомневаться в них, проверять 
истинность их самих и вытекающих из них следствий. Научные 
исследования неизбежно балансируют на грани сложных, иногда 
противоречивых или конкурирующих, но, как правило, чрезвычайно интересных идей. Задача ученых — расширять пределы челове

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

ческих знаний. Но, когда жонглирование данными, концепциями 
и уравнениями только начинается, их интерпретация часто остается неясной — причем для всех, включая и самих ученых.
Мои исследования сосредоточены на теории элементарных 
частиц (самых маленьких из известных нам объектов), но иногда 
затрагивают и теорию струн, и космологию (самые крупные объекты). Мы с коллегами пытаемся понять, что лежит в основе материи, что находится там, далеко во Вселенной, и как связаны между 
собой все фундаментальные величины и свойства, обнаруженные 
экспериментальным путем. Физики-теоретики не проводят настоящих экспериментов, цель которых — определить, какие из имеющихся теорий применимы в реальном мире. Вместо этого мы пытаемся предсказывать возможные выводы из того, что могут дать 
эксперименты, и разрабатываем новые способы проверки идей. 
Ответы на вопросы, которые мы пытаемся отыскать, вряд ли изменят в ближайшем будущем нашу повседневную жизнь. Но в итоге 
они, возможно, помогут нам понять, кто мы и откуда взялись.
Эта книга — о наших исследованиях и важнейших научных 
вопросах, стоящих перед человечеством. Новые открытия в физике частиц и космологии способны радикально изменить наши 
представления о мире: о его устройстве, эволюции и силах, им 
управляющих. В книге рассказывается об экспериментальных исследованиях на базе Большого адронного коллайдера и о теоретических работах, в которых ученые выступают как провидцы. 
В ней говорится также о космологических исследованиях — о том, 
как человек пытается проникнуть в суть Вселенной, особенно так 
называемой «темной» материи.
Но это еще не все. Здесь рассматриваются и более общие вопросы, свойственные любым научным поискам. Наряду с описанием 
исследований, идущих в авангарде современной науки, я пытаюсь 
прояснить для читателя природу науки. Вы узнаете, как ученые 
решают, какие именно вопросы перед собой ставить, почему они 
не всегда могут договориться даже об этом и как верные научные 
идеи в конце концов побеждают. Я рассказываю, какими путями 
развивается наука и чем она принципиально отличается от иных 
способов поиска истины, стараюсь раскрыть философские основы 

ВВЕДЕНИЕ   11

науки и описать промежуточные этапы, когда еще неясно, чем закончится дело и кто окажется прав. Кроме того — и это не менее 
важно, — книга показывает, как научные идеи и методы применяются вне науки и способствуют более разумному принятию решений во всех сферах жизни.
Эта книга предназначена для всех, кто хотел бы получить лучшее представление о текущем состоянии теоретической и экспериментальной физики, а также о природе современной науки 
и принципах здравой научной мысли. Люди часто не понимают, 
что такое наука и что человечество может узнать с ее помощью. 
И книга — моя попытка развенчать некоторые неверные представления и, возможно, выразить собственное раздражение от того, 
как сейчас понимают и применяют науку.
Несколько последних лет подарили мне уникальные впечатления и беседы, которые многому меня научили, и мне хотелось бы 
поделиться ими. Я не являюсь специалистом во всех областях, 
которые затрагиваю, да и рассмотреть их здесь сколько-нибудь 
подробно невозможно. Но все же я надеюсь, что эта книга поможет читателю распознать самые надежные источники научной 
информации — или дезинформации, — что, безусловно, пригодится в будущем при самостоятельном поиске ответов. Некоторые 
мои соображения могут показаться очевидными, но более полное 
представление о том, как устроена современная наука, поможет 
лучше разобраться и в текущих исследованиях, и в проблемах, 
с которыми сталкивается в наши дни человечество.
Сегодня, в эпоху приквелов, вряд ли кого-то удивит, что в этой 
работе содержится как бы предыстория сюжета моей предыдущей 
книги «Закрученные пассажи»* и одновременно — информация 
о том, как обстоят дела в сегодня и чего мы ждем в будущем. Она 
заполняет пробелы — описывает научную базу новых идей и открытий — и объясняет, почему мы в настоящий момент с нетерпением ждем появления новых данных.
В книге подробности самых современных научных исследований чередуются с размышлениями о темах и концепциях, на кото
* Рэндалл Л. Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей 
пространства. — М.: УРСС, Либроком, 2011.

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

рых зиждется наука и которые помогают разобраться в окружающем мире. Часть I, главы 11 и 12 части II, главы 15 и 18 части III 
и финальная часть VI (подведение итогов) больше рассказывают 
о научном мышлении, тогда как в остальных главах говорится преимущественно о физике — о сегодняшнем ее состоянии 
и о том, как мы к нему пришли. В определенном смысле это две 
книги в одной, но читать их лучше всего вместе. Кому-то может 
показаться, что современная физика слишком далека от повседневной жизни, чтобы быть понятной; однако знакомство с базовыми философскими и методологическими концепциями, направляющими нашу мысль, поможет прояснить для себя как сущность науки, так и значение научного мышления как такового, 
в чем мы убедимся на множестве примеров. И наоборот, полное 
понимание базовых элементов научного мышления достигается 
лишь на примерах из прикладной науки. Желающие могут, разумеется, бегло просмотреть или вообще пропустить одну из двух 
частей, но следует иметь в виду, что лишь вместе они образуют 
гармонию.
Ключевую роль на протяжении всей книги будет играть понятие масштаба. Законы физики — это те рамки, которые соединяют 
теоретические и физические описания в единое логически последовательное целое — от мельчайших сгустков частиц, которые 
в настоящее время исследуются на БАКе, до громадного космоса*. 
Категория масштаба принципиально важна как для нашего мышления, так и для конкретных фактов и идей, с которыми мы будем 
иметь дело. Признанные научные теории имеют свое применение 
на доступных нам масштабах. Но, по мере того как мы получаем 
все новые данные о неисследованных прежде объектах (больших 
и маленьких), эти теории постепенно поглощаются другими, все 
более точными и фундаментальными. В главе 1 мы попытаемся 
определить элементы масштаба и объяснить, почему в физике так 
важно классифицировать объекты по размерам и как новые научные достижения выстраиваются на фундаменте прежних.

* Большой адронный коллайдер весьма велик, но используется он для изучения 
мельчайших объектов. Причины, по которым он сделан таким большим, будут описаны 
ниже, когда мы рассмотрим детально конструкцию БАКа. — Прим. авт.