Текст книги "Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир"

А что если мы действительно открыли частицу БОГА?

Мне никогда не нравилось такое название, я считал его неудачным. Однако я понимаю, что оно не только помогло книге Ледермана стать бестселлером, но и успело укорениться в коллективном сознании. Так что сколько бы усилий мы ни прилагали, как бы ни настаивали на том, что речь идет всего лишь о еще одной материальной элементарной частице, ни журналисты, ни широкая общественность, кажется, не могут уже без него обойтись.

Положа руку на сердце, я с трудом скрываю раздражение каждый раз, когда, выступая на публике, вынужден употреблять словосочетание “частица Бога”. Кроме всего прочего, я нахожу это выражение до некоторой степени оскорбительным. Хотя я сам не верующий, я с глубоким уважением отношусь к тем, кто верует. Когда я говорю о первых мгновениях жизни Вселенной, я стараюсь не задевать чувства тех, кто считает материальный мир сотворенным или, во всяком случае, проявлением высшего разума. Я знаю, что научные соображения отступают в ту секунду, когда переживается акт веры, на который каждый из нас имеет право и о котором я не могу себе позволить судить.

Тем не менее я должен признать, что недавние рефлексии научного сообщества по поводу роли бозона Хиггса могут открыть совершенно новую перспективу. Они, если вдруг подтвердятся, способны серьезно подкрепить это приклеившееся наименование. В соответствии с некоторыми гипотезами, бозон Хиггса в состоянии разрешить три важнейших загадки современной физики: избыток материи над антиматерией, происхождение инфляции и темная энергия.

Первая загадка касается нашего собственного существования как материальных сущностей. Нет оснований думать, что при Большом взрыве материя и антиматерия образовались в неравных количествах, и мы знаем, что, вступив друг с другом в контакт, они обе исчезают, превращаясь во вспышку света. Почему же тогда вся антиматерия полностью исчезла, а в космосе осталась только обычная материя, из которой состоим и мы сами, и все то, что нас окружает?

Космическое реликтовое излучение ясно показывает, что вся окружающая нас сейчас материя – это лишь небольшая часть того, что было сначала. Материя и антиматерия ранней Вселенной аннигилировали, оставив после себя большое количество фотонов, которые мы можем наблюдать вокруг себя и сейчас. Но в силу действия какого‑то механизма, пока еще нам не известного, материальная частица, одна на миллиард из существовавших в первые мгновения, смогла пережить те начальные смертельные объятия. В ходе последующей эволюции этот небольшой остаток превратился во все то, что мы знаем. Так что успех материи в ее противостоянии антиматерии подтверждается нашим собственным существованием – мелкая подробность, скажете вы… но все‑таки мы тут.

На протяжении десятилетий мы думали, что дело в некоей разнице между поведением материи и поведением антиматерии. Что есть некая незначительная аномалия, которая нарушает исходную идеальную симметрию. Проводились подробные исследования и действительно обнаруживались различные механизмы, дающие материи небольшое преимущество в процессах распада частиц и античастиц. Эти механизмы описываются Стандартной моделью, но преимущество материи оказывается слишком незначительным, чтобы объяснять ее наблюдаемый избыток.

В последние годы предпочтение отдается новой гипотезе. Все могло решиться в тот самый момент, когда произошел электрослабый фазовый переход. Наша судьба зависела от того, как проходил этот фазовый переход, и решилась именно в ту самую одну стомиллиардную долю секунды после Большого взрыва. Во вселенной, где материи столько же, сколько антиматерии, и которая, следовательно, в любой момент может превратиться в чистую энергию, достаточно, чтобы бозон Хиггса оказал легчайшее предпочтение частицам материи, решив образовывать связанные состояния с ними, а не с частицами антиматерии, – и вот пожалуйста: возникает материальная Вселенная, что нас окружает. И все‑таки определяющим было то, как именно происходил фазовый переход. По-видимому, все решилось за мгновение до того, как скалярное поле заполонило всю Вселенную, когда возникли первые крошечные пузырьки того странного вакуума, в котором слабое взаимодействие навсегда отделилось от электромагнитного. На поверхности этих пузырьков при быстром расширении могла возникнуть легчайшая асимметрия между материей и антиматерией, которая, при очень быстром прохождении фазового перехода, могла выжить и стать общим свойством.

Вот он – тот крошечный дефект, тончайшее несовершенство, из которого все и родилось. Аномалия, давшая начало материальной Вселенной, способной эволюционировать на протяжении миллиардов лет.

Если все рождается в этот момент, то его (этот момент) надо познать во всех подробностях, реконструировать кадр за кадром, в замедленной съемке и под разными углами, как это делается, когда забивается гол, решающий судьбу чемпионата мира. А значит, надо построить еще один ускоритель, куда более мощный, чем LHC. Например, FCC – благодаря энергии в 100 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся протонов – был бы идеальным инструментом, чтобы понять, на что способен бозон Хиггса, когда находится вдали от состояния равновесия, в котором спокойно пребывает с момента Большого взрыва. На это могут уйти годы, может быть десятилетия, но рано или поздно будет написана еще одна важнейшая глава в книге нашей истории.

Второй вопрос, ответ на который мог бы дать бозон Хиггса, окутан еще большей тайной: что могло запустить процесс экспоненциального роста, инфляции, позволившей Вселенной разрастись до космических масштабов в первые мгновения ее существования?

Мы знаем, что для запуска этого процесса нужна скалярная частица, инфлатон. Бозон Хиггса, только что открытый, – первая скалярная фундаментальная частица Стандартной модели. А что если бозон Хиггса и есть этот инфлатон? Такая вероятность существует, и по данному поводу идут острые дискуссии.

Масса нового бозона – 125 ГэВ, это очень подходящая величина, чтобы, по мнению некоторых, создать потенциал, очень похожий на тот, который мог бы запустить космическую инфляцию: нечто вроде холмика с пологим спуском, вдруг срывающимся в потенциальную яму. В отдельных моделях у потенциала скалярного поля могут быть два локальных минимума. В первый момент оно могло устремиться к ближайшему из них, запустив при этом экспоненциальный рост. Потом, благодаря квантовому туннельному эффекту или в силу какого‑то другого механизма, новая частица возобновила свое соскальзывание в состояние устойчивого равновесия, породив электрослабый вакуум, в котором она пребывает и поныне. Выходит, в процессе эволюции Вселенной бозон Хиггса выполняет двойную работу: сначала он создает сумбур, из которого рождается всё на свете, а потом, когда буря стихает, наводит порядок среди взаимодействий и разводит элементарные частицы по семействам, приписывая каждой определенное значение массы, – так, чтобы все могло потом развиваться и эволюционировать еще миллиарды лет. И вот тут не поспоришь: если бозон Хиггса действительно мог сыграть столь выразительную и сложную роль в формировании нашего материального мира, то ему трудно отказать в праве называться частицей Бога.

Впрочем, здесь все же есть о чем подискутировать. У гипотезы, что бозон Хиггса – это и есть инфлатон, как бы она ни была соблазнительна, находятся в научном сообществе серьезные и многочисленные оппоненты. Даже если предположение, что бозон Хиггса играл какую‑то роль в инфляции, верно, есть немало ученых, настаивающих, что необходимо существование и другого скалярного поля, которое должно было сопровождать и поддерживать первое, – так, как будто речь идет о слишком сложной задаче, с которой не справиться в одиночку. И мы вновь возвращаемся к тому вопросу, с которого начали: бозон Хиггса одиночка – или же член целого семейства новых скалярных частиц?

Чтобы это узнать, требуются многочисленные новые исследования. Прежде всего надо точно измерить, как меняется его потенциал с ростом энергии, а это, в свою очередь, зависит от таких параметров, как масса топ-кварка и константа связи сильного взаимодействия, которые тоже надо будет очень точно измерить. Константа связи бозона Хиггса с самим собой – еще один решающий параметр, могущий скрывать сюрпризы. Чтобы его измерить, придется исследовать редчайший процесс, который нам, может быть, удастся наблюдать лишь на этапе высокой светимости LHC: образование пар бозонов Хиггса. Для подробного исследования этого странного механизма – когда один бозон Хиггса распадается на два бозона Хиггса – будет необходимо построить новые ускорители и набраться терпения: процесс настолько редкий и сложный, что придется научиться производить пары миллионами; только после этого удастся отобрать сотню доступных для измерения.

Но, возможно, и этого окажется недостаточно для разрешения всех сомнений относительно роли бозона Хиггса в инфляции. Для того чтобы наверняка подтвердить данную гипотезу, потребуется проверить, не осталось ли в космическом фоновом излучении тончайших реликтовых следов, характерных для первичных бозонов Хиггса.

Вся Вселенная – это что‑то вроде гигантской микроволновки, которая очень разогрелась миллиарды лет назад и пока еще не до конца остыла. Ее излучение продолжают изучать самыми чувствительными инструментами, потому что оно все еще сохраняет следы – хотя бы и очень слабые – всей той истории, через которую эта “микроволновка” прошла. Поэтому то коловращение фотонов, что мы видим повсюду и что накрывает нас со всех сторон, оказывается ценнейшим источником информации о происходившем в былинные первые мгновения. Чтобы хорошо их изучить, надо избавиться от типичных помех, создаваемых атмосферой Земли; для этого измерительные приборы отправляются на орбиту или же в самых отдаленных регионах Антарктиды устанавливаются очень специальные детекторы.

Если бозон Хиггса запустил инфляцию, то он должен был оставить определенный след. Но если попытаться рассчитать этот след, то окажется, что прикосновение бозона Хиггса было очень нежным. Фотоны реликтового фона окончательно расстались с материей через 380 тысяч лет после Большого взрыва. В течение этого периода, когда фотоны и электроны непрерывно поглощались и переизлучались веществом, у них было достаточно времени, чтобы взаимодействовать с целым морем гравитационных волн, разлившимся из‑за инфляции и тысячелетиями продолжавшем раскачивать раннюю Вселенную. Пространственно-временные возмущения передавались фотонам, с которыми взаимодействовали гравитационные волны, и между ними происходил своего рода импринтинг. Характерная поляризация, специфическая для этого типа взаимодействий, от которой оставались едва заметные следы в реликтовом фоне на протяжении следующих миллиардов лет.

Эту характерную поляризацию ищут во всех самых продвинутых экспериментах, но искомый эффект очень слаб, его заглушают другие явления, и получаемые сигналы остаются невидимы. Это примерно как попытаться услышать спустя 13,8 млрд лет эхо от тихого плача ребенка. Если бозон Хиггса и запустил инфляцию, отзвук этого события все еще остается далеко за пределами чувствительности наших инструментов.

Однако мы можем открыть кое‑что новое относительно связи бозона Хиггса с величайшей загадкой начала третьего тысячелетия – с темной энергией.

Все, что мы знаем об этой не очень хорошо идентифицированной сущности, это то, что она распределена в пространстве с постоянной плотностью. Величина этой плотности очень мала, но все же отлична от нуля. Впрочем, самое удивительное – это не то, что темная энергия существует, а то, что у нее такая маленькая плотность. Если взять вакуум и рассчитать энергию, которую он должен содержать, исходя из известных механизмов квантовых флуктуаций, то мы получим плотность энергии, отличающуюся от измеренной на 120 (sic!) порядков, то есть почти на бесконечность. Ее называют “вакуумной катастрофой”, намекая на рекордное по своей провальности предсказание в истории физики.

Кое-кто думает, что так получается из‑за каких‑то механизмов компенсации, работающих при участии других частиц типа Сьюзи, которые вносят отрицательный вклад в полную энергию, вычитая из нее почти все и доводя до того самого магического значения, – положительного, но очень близкого к нулю. Другие же предполагают, что решение нам даст именно бозон Хиггса.

У хиггсовского поля есть одно специфическое значение, одинаковое во всем пространстве; хиггсовский потенциал при таком значении поля равен нулю. По этой причине разница значений потенциальной энергии в двух произвольных точках пространства в точности равна нулю. Это объясняет, почему вклад хиггсовского поля в темную энергию, строго говоря, нулевой: плотность энергии скалярного поля равна нулю. С другой стороны, если предположить, что значение хиггсовского поля слегка отличалось бы в ту или иную сторону от этого магического значения, которое повсюду обращает потенциал в нуль, то у энергии повсюду появилось бы некоторое ненулевое значение. А если в дополнение к хиггсовскому полю рассмотреть еще и другое, новое и очень слабое скалярное поле, с которым тоже связан какой‑то дополнительный бозон, то это как раз и могло бы создать ту небольшую разницу, что объяснила бы существование темной энергии. Увлекательная гипотеза, которая, хотя и не объясняет огромного расхождения, о котором мы говорили выше, но открывает возможность для наводящего на размышления сценария. Благодаря бозону Хиггса мы сумеем разгадать одну из самых интригующих загадок современной физики.

В заключение надо заметить следующее: несмотря на то, что многие ученые разочарованы отсутствием прямых свидетельств Новой физики, кое‑кто начинает задаваться вопросом, а не открыли ль мы ее уже?

Вдруг бозон Хиггса, эта совсем не обычная частица, и есть Новая физика? Ведь новый бозон – частица очень странная, до того странная, что взаимодействует даже сама с собой. Самая простая частица, какую только можно себе представить, на деле оказывается самой сложной для понимания. Что он тут делает в одиночку, этот странный тип, без заряда и без спина, действующий отдельно от всех остальных частиц, организованных в два больших семейства? Какую роль в космической трагедии играет этот экстравагантный персонаж, который дружит то с Монтекки, образующими всю материю, то с Капулетти, переносящими взаимодействия? А что если это только первая частица из целого семейства скаляров, которых не спутаешь ни с Монтекки, ни с Капулетти? Только вообразите, как будут смеяться над нами лет через двадцать: “И что за чудаки были эти ученые начала века: открыли Новую физику, но не замечали ее! Искали ее повсюду, а она была у них под носом”.

Великие дела на будущее

С открытием бозона Хиггса мы оказались на решающей развилке в истории физики. И вот с чем теперь нам предстоит разбираться: происхождение элементарных частиц, механизмы возникновения нашей материальной Вселенной, структура самого пространства-времени, темная материя и темная энергия.

Для движения вперед нам понадобятся эксперименты нового поколения, на новых ускорителях, – но и не только. Изучение крошечных элементарных частиц непременно должно сопровождаться исследованиями, так сказать, на другом конце шкалы, ведущими к более глубокому пониманию крупных космических структур. Открытие новых частиц скорее всего поможет разгадыванию некоторых космических тайн, и наоборот – из астрономических наблюдений удастся добыть знание об исчезающе малом. Никогда прежде эти два пути познания настолько не сближались и настолько не дополняли друг друга.

Наблюдение самых далеких галактик, сверхскоплений, реликтового излучения – это область применения супертелескопов последнего поколения, крупных установок, расположенных либо на Земле, либо на орбитальных обсерваториях. Именно с их помощью исследуются наиболее массивные и наиболее далекие объекты во Вселенной. Новые инструменты пытаются распознать любые возможные сигналы. Каждый день создаются все более подробные космические карты не только в традиционных оптических лучах, но и при помощи радиоволн всех частот, рентгеновского и гамма-излучения – вплоть до нейтрино и космических лучей.

Продолжаются и традиционные исследования – при помощи оптических телескопов, но теперь появились новые, более совершенные технологии, делающие видимыми самые далекие галактики. Сейчас специалисты научились изготавливать гигантские – более десяти метров в диаметре – зеркала, состоящие из десятков элементов, точные, направляемые компьютером, движения которых позволяют сфокусировать даже самые слабые световые сигналы. Были созданы исключительно чувствительные сенсоры, как в видимом диапазоне, так и в инфракрасном и в ультрафиолетовом – что не менее интересно. Наконец, чтобы избежать искажений (связанных либо с движениями атмосферы, либо со световым загрязнением), от которых невозможно избавиться даже в самых далеких пустынях, планируется отправить в космос очередную генерацию орбитальных телескопов, потомков космического телескопа “Хаббл”, вот уже более двадцати пяти лет обращающегося вокруг Земли на высоте 550 километров и продолжающего посылать нам самые красивые изображения галактических узоров, что украшают каждую пядь небесного свода.

Раскинувшиеся на огромные площади радиотелескопы продолжают регистрировать слабейшие радиоволны от пульсаров – нейтронных звезд, вращающихся с невероятной скоростью, и от активных ядер галактик, в каждом из которых сверхмассивная черная дыра поглощает свое ближайшее галактическое окружение. Самые незначительные сигналы, достигающие нас, могут поведать о целых областях во Вселенной, где разворачиваются невообразимые катастрофы; рассказать о царящем там хаосе и об ужасных событиях, столь не похожих на те, что привычны населенному нами тихому уголку мира. Но, может быть, именно благодаря пониманию этих далеких катастроф наши представления о Вселенной станут более полными и точными.

Сложные инструменты – и установленные на Земле, и отправленные на космические спутники или станции – способствуют формированию карты Вселенной, показывающей, как она выглядит в лучах рентгеновского диапазона. Для идентификации происхождения космических лучей – в особенности тех, что переносят чудовищные энергии, приходя к нам из самого глубокого космоса, – антеннами покрыли целые долины Тибетского плато и более 3 000 квадратных километров аргентинской пампы. Для регистрации солнечных нейтрино и явлений вроде взрывов сверхновых одни исследователи спускаются в глубочайшие шахты, другие погружают в море – на глубину в сотни метров, в питомнике кашалотов вблизи мыса Капо-Пассеро у берегов Сицилии – длинные нити фотоэлементов, третьи заполняют детекторами километровый ледяной куб в Антарктиде.

Повсюду, даже в самых негостеприимных местах нашей планеты, неустанно работают целые команды, отправившиеся за новым знанием.

Весь мир участвует в охоте за темной материей, приближая разгадку одной из величайших тайн. Исследований на ускорителях недостаточно, чтобы распознать всевозможные покровы, под которыми может прятаться эта странная разновидность материи. И потому изготавливается сверхчувствительная аппаратура, способная идентифицировать сигналы от взаимодействия этих частиц с обычной материей. Это редчайшие события, и выделения энергии при этом самые незначительные, так что приходится изобретать криогенные детекторы, работающие при температурах в непосредственной близости от абсолютного нуля, но умеющие уловить ничтожное количество теплоты, выделившейся при столкновении частицы темной материи со сверхчистым кристаллом, к примеру, германия. И разрабатывается технология выращивания таких кристаллов со сведением на нет любых примесей. Или же ищутся слабые вспышки света – когда какая‑то из этих частиц сталкивается с атомом какого‑то инертного газа (аргона или ксенона). И физики собирают этот газ, чтобы сжижать его тоннами, и придумывают новые методы его дистилляции, доводя его чистоту до предела. Вещества, используемые как сенсоры, должны быть избавлены от любых загрязнений, чтобы какой‑нибудь случайный радиационный распад в случайной примеси не замаскировал ожидаемое событие. Наконец, чтобы свести к минимуму путаницу, вызываемую бомбардирующими Землю космическими лучами, аппаратура устанавливается в заброшенных шахтах или в подземных лабораториях, защищенных километрами горной породы; такие лаборатории появляются и в Северной Америке, и в Европе, и в Китае.

Дабы ничто не осталось незамеченным, аппараты также запускают в космос – чтобы следить за косвенными признаками. Там, в сотнях километров от Земли, проще всего заметить аномальное образование каких‑нибудь редких частиц, например позитронов, которые могли бы указывать на процессы аннигиляции частиц темной материи между собой.

В ближайшие десятилетия, благодаря сочетанию прямых и косвенных наблюдений в ускорителях, подземных лабораториях и на спутниках, темной материи будет все более сложно скрываться от нас. И легко предположить, что еще до середины века эта, одна из самых интригующих загадок природы, окажется разгаданной.

Чтобы добраться до сути темной энергии, было также запущено несколько новых проектов. Один из наиболее интересных среди них, “Обзор темной энергии” (DES – Dark Energy Survey), начал собирать данные пару лет назад[63]63
  Миссия DES началась в августе 2013 г. и завершилась 9 января 2019‑го.


[Закрыть]. В основе эксперимента – широкоугольная цифровая фотокамера, которая, благодаря присоединенному к ней телескопу, позволяет наблюдать одновременно много далеких галактик и следить за их движением. Эта новейшая камера на 570 мегапикселей снабжена десятками связанных друг с другом сенсоров, наиболее чувствительных к градациям красного цвета, который играет самую важную роль при визуализации наиболее удаленных галактик. Чтобы исключить всякие возмущения при восстановлении изображений, камера работает в вакууме и при температуре –100 °C, а в системе восстановления изображений используется подавление шумов. Камера располагается в фокальной плоскости телескопа-рефлектора с четырехметровым зеркалом, который находится в Андах на горе Серро-Тололо, на высоте 2 200 метров над уровнем моря, в 460 километрах к северу от Сантьяго‑де-Чили. Тамошние условия почти идеальны для того, чтобы время от времени наблюдать небольшой участок неба, реконструируя изображения тысяч находящихся там галактик. За пять лет наблюдений предполагается изучить триста миллионов галактик, расположенных в миллиардах световых лет от нас[64]64
  За время выполнения проекта был составлен каталог из 691 млн объектов, 543 млн из которых были классифицированы как галактики и 145 млн – как звезды.


[Закрыть]. Эпоха точных измерений темной энергии уже началась.