Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Возвращаясь к моей аналогии со снежным полем, когда возраст вселенной был одна миллионная одной миллионной доли секунды, вселенная была настолько горяча, что снег не мог выпасть и образовать снежный покров. С помощью БАК мы исследуем временной промежуток от одной микросекунды до одной пикосекунды после Большого взрыва. Мы думаем, что в этот момент, возможно, была произведена темная материя. Это одна из вещей, которые мы сейчас ищем на БАК, и я к этому вернусь через короткое время. Возможно, и само вещество появилось примерно тогда же, когда бозон Хиггса сотворил свое чудо. Продолжая свои эксперименты, мы пытаемся ответить на эти гогеновские вопросы.

Ответы на них требуют новой физики, находящейся за пределами стандартной модели, которая описывает видимое вещество во вселенной. Говоря словами Джеймса Бонда, стандартной модели недостаточно[3]. И ниже я перечислю 007 причин для этого.

Первая причина в том, что пустой космос нестабилен, если нет ничего, кроме стандартной модели, и я вернусь к этому позже. Затем есть вопрос о природе темного вещества и вопрос о появлении вещества как такового. И откуда у нейтрино взялась масса? (это, скорее всего, потребует некоторого расширения механизма Хиггса). Почему слабые взаимодействия так сильны? Что объясняет огромные размеры и возраст вселенной? Причиной ли этому загадочная космологическая инфляция? И как мы создадим квантовую теорию гравитации? Это все нерешенные задачи, с которыми мы сейчас сталкиваемся. Я немного расскажу о паре этих проблем, а затем в гранд-финале вернусь к вопросу о нестабильном космосе.

Астрофизики говорят нам, что если мы хотим понять, как не распадаются галактики и, для начала, как вообще сформировались галактики, нужно учесть, что невидимого слабо взаимодействующего темного вещества должно быть больше, чем того видимого вещества, из которого состоят звезды и состоим мы. Возможно, темное вещество состоит из частиц, одна из идей – это так называемые суперсимметричные частицы. Это партнеры известных частиц, которые вращаются с иной скоростью. Суперсимметричные частицы будут иметь значение спина J, отличное от обычных частиц. Никто их никогда не видел и само их существование на текущий момент весьма спекулятивно. Это одна из тех вещей, которые мы ищем на БАК, особенно при увеличении энергии столкновений. Мы не сможем увидеть частицы темной материи непосредственно, потому что они взаимодействуют слабо. Они нейтральны и не светят, но их можно зарегистрировать косвенно, потому что они невидимо уносят из системы энергию и импульс.

Общественный интерес к физике антивещества поддерживается благодаря сериалу «Звездный путь», хотя часть вины лежит и на Томе Хэнксе. Мы, физики, любим изучать антивещество не потому, что, господи упаси, хотим уничтожить Ватикан, а потому, что мы крайне заинтересованы в небольшой разнице между веществом и антивеществом. Поль Дирак и другие физики думали, что частицы вещества и антивещества будут одинаковыми в некоторых свойствах, таких как масса, и противоположны в других. Например, у них будет противоположный электрический заряд. Как я говорил выше, антивещество было обнаружено в космических лучах, а теперь оно рутинным образом используется в медицинской диагностике. Не знаю, проходил ли кто-нибудь в этой аудитории ПЭТ-сканирование – похоже, парочка таких тут есть. «П» в ПЭТ означает позитрон, первую из обнаруженных частиц антивещества. Когда люди обнаружили, что на самом деле вещество и антивещество не то чтобы в чем-то одинаковы и в чем-то противоположны, это стало для всех большим сюрпризом. Российский физик Андрей Сахаров предположил, что эта разница может объяснять, почему вселенная сегодня содержит вещество, а не антивещество. Чтобы понять, верно это или нет, в ЦЕРН ведутся специальные эксперименты.

Мы, физики, мечтаем о том времени, когда мы объединим все фундаментальные взаимодействия. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн искал универсальную теорию всего, но не нашел ее. Одной из идей, с которыми играл Эйнштейн, была идея о том, что у пространства могут быть дополнительные измерения. Сегодня это стало очень популярной темой в теориях квантовой гравитации, таких, как теория струн, и в некоторых из этих теорий допускается, что гравитация может стать сильной уже при энергиях, достижимых в БАК, и в таком случае эти эксперименты могут привести к рождению черных дыр.

Тут сбылись мечты рекламщиков ЦЕРН, ведь это породило безумную идею, что мы можем воссоздать черную дыру, которая уничтожит планету. Плохой рекламы не бывает. Когда мы запускали БАК, по оценкам, миллиард человек смотрели ТВ (это было еще в те дни, когда люди смотрели ТВ), ожидая увидеть, что мы все будем уничтожены. Конечно, с нами ничего не случилось, поскольку эти черные дыры будут распадаться, как только появятся, но это заставило людей думать о фундаментальной физике. Мы ищем черные дыры, но пока ни одной не нашли. Лично я думаю, что будет здорово, если мы найдем несколько штук при перезапуске БАК в будущем году, потому что это открыло бы увлекательное окно в квантовую гравитацию.

Я хочу провести оставшуюся пару минут в обсуждении возможного будущего вселенной, и для этого мне потребуется устроить здесь мою экспериментальную установку. Это стакан воды, и я предлагаю вам думать, что вселенная сейчас здесь, в стакане, как и вода. Это нормальное состояние бозона Хиггса: электроны имеют массу, слабые взаимодействия слабы и т. д. Снаружи стакана то, что мы называем Большим сжатием, которое привело бы к концу нашей вселенной. Это нечто вроде Большого взрыва, только наоборот. Согласно квантовой механике, все на свете колеблется, как сейчас, когда я покачиваю этот стакан воды, и вода колеблется и даже может просочиться сквозь стенки. Но если я не буду болтать стакан слишком сильно, вода не просочится сквозь стекло. Согласно квантовой механике она может сделать это, но это займет невероятно долгое время.

Вопрос в том, насколько быстро космическая вода может просочиться через космическое стекло. В текущей ситуации это, скорее всего, займет очень много времени, но в ранней вселенной вода тряслась куда сильнее, и в этом случае вселенная могла расплескать космическую воду, и тогда нас бы здесь не было, потому что мы были бы снаружи, в том, что мы называем Большим сжатием. Можно решить эту проблему, постулировав новую физику, но для стандартной модели это потенциальная катастрофа.

Как избежать этого Большого сжатия? Можно не слишком трясти воду, но наблюдения фонового микроволнового излучения показывают, что было время, когда она болталась сильно. Или можно добиться, чтобы обод мексиканской шляпы не загибался вниз. Или можно представить некую странную новую физику, которая будет означать, что Большое сжатие никогда не случится. На данный момент мы не знаем, что из перечисленного происходит на самом деле.

Что мы действительно знаем, так это то, что если верить нынешним измерениям частицы Хиггса и t-кварка, получается, что мы находимся в том нестабильном режиме, когда вода может выплеснуться наружу в любой момент времени в течение ближайших 10100 лет (для физика это момент) или около того. И это еще одна причина, по которой я думаю, что физика за пределами стандартной модели должна существовать, что мотивирует нас к поиску новых идей и частиц после перезапуска Большого адронного коллайдера.