Первого декабря 2009 г. я неохотно проснулась в шесть часов утра в отеле Marriott в Барселоне, чтобы отправиться в аэропорт. Я прилетала в город на испанскую премьеру небольшой оперы о физиках и открытиях, написанную на мое либретто. Уикенд получился просто замечательный, но я очень устала и с нетерпением ждала возвращения домой. Однако меня задержал в пути еще один приятный сюрприз.

Заголовок ведущей новости в свежей газете, которую работники отеля не забыли оставить возле моей двери, звучал так: «Ядерный ускоритель устанавливает рекорд». Да, представьте себе! Главной новостью дня была не какая-нибудь жуткая катастрофа и не забавный случай, а рассказ о том, что пару дней назад ученым удалось получить на Большом адронном коллайдере рекордное значение энергии. Журналист писал о новом достижении БАКа с неподдельным возбуждением.

Еще через пару недель, когда два высокоэнергетических протонных пучка и в самом деле столкнулись, на первой полосе The New York Times появилась новостная статья под заголовком «Коллайдер устанавливает рекорд, а Европа принимает у США эстафету лидерства». О рекордной энергии, ставшей темой первой новости, здесь уже говорилось как всего лишь о первом из целой серии рубежей, которых должен достигнуть БАК в ближайшем десятилетии.

В настоящее время на БАКе исследуются самые крохотные расстояния за всю историю человечества. В то же время спутниковые телескопы и обсерватории исследуют крупнейшие расстояния в космосе и разбираются в подробностях реликтового микроволнового фонового излучения, сохранившегося со времен Большого взрыва.

Мы сегодня много знаем о строении Вселенной. Тем не менее, как и в большинстве аналогичных случаев, расширение круга знаний порождает новые вопросы. Некоторые открытия буквально обнажают принципиальные пробелы в наших теоретических построениях. Во многих случаях, однако, мы понимаем природу недостающих звеньев достаточно хорошо, чтобы сознавать, что именно следует искать и как.

Давайте подробнее рассмотрим, какие в настоящий момент ведутся эксперименты и что, согласно нынешним представлениям, мы можем обнаружить с их помощью. В этой главе я расскажу о некоторых главных вопросах и физических исследованиях, которым будет посвящена остальная часть книги.

Стандартная модель элементарных частиц учит нас делать верные предсказания о легких частицах, из которых все мы состоим. Она также описывает другие, более тяжелые частицы с аналогичными взаимодействиями. Эти тяжелые частицы взаимодействуют с легкими частицами и с атомными ядрами посредством тех же самых взаимодействий, которые действуют на частицы, составляющие наши тела и нашу Солнечную систему.

Физикам известно об электроне и о более тяжелых, но аналогичных заряженных частицах, которые называются мюон и тау–лептон. Мы знаем, что каждая из этих частиц, известных под общим именем лептоны, имеет парную нейтральную частицу (то есть частицу без заряда, которая не участвует непосредственно в электромагнитных взаимодействиях) под названием нейтрино; все нейтрино взаимодействуют с другими частицами только посредством силы с прозаическим названием слабое взаимодействие. Именно слабым взаимодействием объясняются радиоактивный бета–распад нейтронов с образованием протонов (а также бета–распад атомных ядер в целом) и некоторые ядерные процессы, протекающие в глубинах Солнца. Все вещество Стандартной модели подвержено слабому взаимодействию.

Нам известно также о кварках, обнаруженных внутри протонов и нейтронов. Кварки подвержены как слабому, так и электромагнитному взаимодействию, а также сильному взаимодействию, которое удерживает легкие кварки вместе внутри протонов и нейтронов. Сильное взаимодействие ставит перед нами некоторые вычислительные проблемы, но базовую его структуру мы себе представляем.

Кварки и лептоны вместе с сильным, слабым и электромагнитным типами взаимодействия составляют суть Стандартной модели (рис. 23). До сих пор этих ингредиентов хватало, чтобы успешно предсказывать результаты всех экспериментов с элементарными частицами. Мы очень хорошо понимаем и частицы Стандартной модели, и то, как работают задействованные в ней силы.

Остается, однако, немало серьезных вопросов и загадок.

Основная проблема здесь — как вписывается во всю эту систему гравитация. Это главный вопрос, в котором БАК имеет некоторый шанс разобраться, но который он вовсе не обязательно решит. Энергия БАКа — достаточно высокая как с точки зрения того, что нам прежде удавалось достичь на Земле, так и по отношению к решению некоторых других крупных вопросов из этого списка — слишком низка, чтобы наверняка получить ответы на вопросы, имеющие отношение к квантовой гравитации. Для этого нам пришлось бы изучить те бесконечно малые расстояния, где могут проявиться и квантово–механические, и гравитационные эффекты, а эти расстояния выходят далеко за пределы возможностей проекта БАКа. Если нам повезет и окажется, что гравитация играет существенную роль в проблемах частиц, которыми мы вскоре займемся, то нам будет гораздо проще искать ответ на этот вопрос, а БАК, возможно, станет источником важной информации о гравитации и пространстве. В противном случае экспериментальной проверки любой квантовой теории гравитации, включая и теорию струн, придется, скорее всего, ждать еще долго.

РИС. 23. Элементы Стандартной модели элементарных частиц, описывающей самые фундаментальные из известных элементов вещества и их взаимодействия. Кварки верхнего и нижнего ряда участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Заряженные лептоны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях, тогда как нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии. Глюоны, слабые калибровочные бозоны и фотоны передают эти взаимодействия. Бозон Хиггса по состоянию на 2010 г. еще только предстояло обнаружить

Однако отношение гравитационного взаимодействия к другим типам взаимодействий — не единственный серьезный вопрос, на который у нас до сих пор нет ответа. Еще один важный пробел в наших знаниях — причем такой, что БАК, по идее, может его заполнить — это вопрос о том, откуда берутся массы фундаментальных частиц.

Вероятно, на первый взгляд такой вопрос кажется странным (если только вы не читали моей первой книги): ведь мы обычно представляем себе массу как некую данность, изначальное и неотъемлемое свойство частицы. В определенном смысле это правда. Масса — это одно из свойств, определяющих тип частицы (вместе с зарядом и типами взаимодействий). Любая частица несет ненулевую энергию, но масса — это изначально присущее частице свойство, которое может принимать разные значения, в том числе и нулевое. Одна из главных заслуг Эйнштейна заключается в выводе о том, что масса частицы говорит, сколько энергии имеет эта частица в состоянии покоя. Но частицы не всегда имеют неисчезающую массу, а те, что имеют нулевую массу покоя, как фотон, никогда в покое не находятся.

Однако ненулевые массы элементарных частиц, присущие им изначально, — громадная загадка. Ненулевую массу имеют не только кварки и лептоны, но и «слабые» калибровочные бозоны — частицы, передающие слабое взаимодействие. Экспериментаторы сумели измерить эти массы, но согласно простейшим законам физики их просто не должно быть. Предсказания Стандартной модели «работают», если мы просто примем эти массы как данность. Но мы не знаем, откуда они берутся. Ясно, что простейшие законы здесь неприменимы и что в данном случае действуют другие, более сложные правила.

Специалисты по физике элементарных частиц считают, что неисчезающие массы возникают только потому, что в самом начале истории нашей Вселенной произошло что-то серьезное и имел место процесс, получивший название механизма Хиггса в честь шотландского физика Питера Хиггса, который одним из первых показал, как могли возникнуть эти массы. Аналогичные мысли, правда, высказали тогда по крайней мере шесть авторов, так что иногда можно услышать и о механизме Энглерта — Браута — Хиггса — Гуральника — Хагена — Киббла; я буду в дальнейшем придерживаться варианта с одним именем. Идея (как бы мы ее ни называли) заключается в том, что имел место фазовый переход (похожий, возможно, на фазовый переход кипящей воды в газообразный пар), изменивший ни много ни мало природу Вселенной. Если в самом начале частицы не имели массы и носились повсюду со скоростью света, то позже — после фазового перехода с участием так называемого поля Хиггса — они уже обладали массой и летали медленнее. Механизм Хиггса говорит о том, как элементарные частицы видоизменились от нулевой массы при отсутствии поля Хиггса к ненулевой массе, которую мы можем измерить экспериментально.

Если физики правы и во Вселенной действительно действует механизм Хиггса, то БАК покажет характерные признаки, которые позволят судить о прошлом Вселенной. В простейшем варианте свидетельством должна стать частица — бозон, названный в честь Хиггса. В более сложных физических теориях, где тем не менее действует указанный механизм, бозон Хиггса может сопровождаться другими частицами примерно той же массы или заменяться какой-то совершенно иной частицей.

Независимо от того, как реализуется механизм Хиггса, мы ждем от БАКа новых интересных открытий. Это может быть бозон Хиггса. Это могут быть свидетельства в пользу другой, более экзотической теории, такой как теория техноцвета, о которой мы поговорим позже. Или это может оказаться что-то совершенно неожиданное. Если все пойдет по плану, эксперименты на БАКе помогут установить, что запустило механизм Хиггса. Но вне зависимости от того, что именно будет обнаружено, это открытие сможет рассказать нам немало интересного о том, как частицы обрели массу.

Стандартная модель элементарных частиц, описывающая самые фундаментальные элементы вещества и их взаимодействия, прекрасно работает. Ее предсказания уже не раз подтверждались с высокой точностью. Не обнаруженная пока частица Хиггса — последняя деталь нашей головоломки. Сегодня мы говорим, что частицы обладают массой. Разобравшись в механизме Хиггса, мы узнаем, откуда взялась у частиц масса. Механизм Хиггса, о котором мы поговорим подробнее в главе 16, очень важен для глубокого понимания массы.

В физике элементарных частиц существует еще одна, даже более крупная загадка, в решении которой БАК вполне может сыграть важную роль. Возможно, что эксперименты на коллайдере помогут осветить вопрос, известный как проблема иерархии в физике элементарных частиц. Если механизм Хиггса имеет отношение к вопросу о том, почему частицы обладают массой, то проблема иерархии задает другой вопрос: почему эти массы именно таковы?

В физике элементарных частиц считается, что массы возникают из-за так называемого поля Хиггса, которое пронизывает Вселенную; кроме того, считается, что нам известна энергия, при которой произошел переход от частиц, не обладающих массой, к частицам массивным. Дело в том, что механизм Хиггса придает некоторым частицам массу вполне предсказуемым образом, который зависит только от силы слабого взаимодействия и от энергии, при которой происходит переход.

Странность в том, что эта энергия перехода с точки зрения фундаментальной теории представляется бессмысленной. Если сложить все, что мы знаем из квантовой механики и специальной теории относительности и вычислить на основании этих данных массу частиц, то расчетные величины окажутся намного больше тех, что измерены экспериментально. По расчетам на основе квантовой механики и специальной теории относительности массы частиц (если не найдется новой, более подходящей теории) должны быть намного больше — ни много ни мало в 10 квадрильонов, или 10¹⁶, раз больше. Теория держится лишь за счет огромной «заплатки», которую физики, ничуть не смущаясь, назвали «тонкой подстройкой».

Проблема иерархии в физике элементарных частиц представляет собой одну из величайших проблем фундаментальной теории вещества. Мы хотим знать, почему массы частиц настолько отличаются от ожидаемых. Из квантово–механических расчетов следует, что их массы должны выходить далеко за пределы масштаба слабых взаимодействий, которые, вообще говоря, эти массы определяют. Мы не в состоянии понять масштаб слабых энергий в совсем несложной, казалось бы, версии Стандартной модели, и это очень серьезное препятствие к созданию полной законченной теории.

Существует вероятность, что нынешнюю весьма наивную модель когда-нибудь сменит более интересная, тонкая и точная теория; физикам такая перспектива представляется куда более убедительной, чем разговоры о тонкой настройке теории и, соответственно, научного взгляда на мир. Несмотря на то что решение проблемы иерархии представляется весьма амбициозной задачей, БАК, скорее всего, сможет пролить на нее свет. Квантовая механика и теория относительности задают не только вклад в массу частицы, но и энергию, при которой должны появиться (или, скорее, проявиться) новые явления. В данном случае речь идет как раз о том диапазоне энергий, с которым будет работать БАК.

Ожидается, что именно эксперименты на БАКе помогут появиться новой интересной теории. Этой теории — а она обязательно попытается объяснить загадки, связанные с массами частиц — по идее следовало бы появиться в тот момент, когда будут обнаружены новые частицы, силы или симметрии. Вообще, это одна из самых серьезных загадок, решению которых, как мы надеемся, будут способствовать эксперименты на женевском коллайдере.

Ответ на этот вопрос интересен и сам по себе, но важно еще и то, что он, возможно, окажется ключом к другим, еще более глубоким тайнам природы. Два наиболее убедительных возможных ответа предполагают либо расширение набора симметрий пространства и времени, либо пересмотр наших представлений о пространстве.

В сценариях, которые будут разъяснены более подробно в главе 17, говорится, что пространство может содержать больше, чем три известных нам измерения. В частности, в нем, возможно, имеются совершенно невидимые измерения, в которых заключен ключ к пониманию свойств и масс элементарных частиц. Если это на самом деле так, то БАК поможет ученым доказать это: в экспериментах на коллайдере будут получены свидетельства их существования — так называемые частицы Калуцы — Клейна, путешествующие в полном многомерном пространстве–времени.

Пока же ясно одно: какая бы из теорий ни разрешила проблему иерархии, она должна обеспечить экспериментально доступные доказательства тому в масштабе слабых энергий. Цепочка логически безупречных рассуждений свяжет находки, сделанные на БАКе, с теорией, которая в конечном итоге решит проблему иерархии. Эта теория может оказаться одной из уже предложенных или совершенно неожиданной, но, так или иначе, она должна быть убедительной и безумно интересной.

Не исключено, что помимо вопросов физики элементарных частиц БАК поможет осветить природу темной материи (известной также как скрытая масса) Вселенной — вещества, которое оказывает гравитационное воздействие, но не излучает и не поглощает свет. Все, что мы видим, — Земля, стул, на котором вы сидите, ваш любимый попугайчик — состоит из частиц Стандартной модели, взаимодействующих со светом. Но видимое вещество, которое взаимодействует со светом и взаимодействие которого с окружающим миром мы понимаем, составляет всего лишь около 4% энергетической плотности Вселенной. Еще около 23% энергии Вселенной заключено в так называемом темной материи, сущность которой остается пока для нас совершенной загадкой.

Темная материя — это на самом деле некое вещество. Это значит, что оно собирается в сгустки под действием гравитационных сил и таким образом (вместе с обычным веществом) вносит свой вклад в существующие во Вселенной структуры, к примеру галактики. Однако в отличие от привычного нам вещества, из которого состоим и мы сами, и звезды в небе, оно не излучает и не поглощает света. Наше зрение основано на восприятии излученного или поглощенного света, поэтому «увидеть» темное вещество очень трудно.

На самом деле термин «темная материя» ошибочен. Так называемая темная материя, в общем-то, вовсе не темная. Все темное поглощает свет. Там, где свет поглощается, мы видим темные объекты. А вот темная материя не взаимодействует ни с каким светом никаким наблюдаемым образом, и, говоря формально, это «темное» вещество прозрачно. Но я и дальше буду использовать традиционную терминологию и называть эту неуловимую субстанцию «темной».

О том, что темная материя существует, мы можем судить по ее гравитационному воздействию. Но непосредственно мы ее не видим и не можем знать, что она из себя представляет. Состоит ли она из множества крохотных идентичных частиц? Если так, то какова масса такой частицы, как и с чем она взаимодействует?

Не исключено, однако, что в самом ближайшем будущем мы будем знать больше. Возможно, энергии, достигаемой в БАКе,, окажется достаточно для получения частиц, из которых состоит темное вещество. Ключевой критерий темного вещества — то, что во Вселенной его содержится ровно столько, сколько нужно для получения измеренных гравитационных эффектов. Следовательно, реликтовая плотность — количество запасенной энергии, уцелевшей до наших дней согласно предсказанию наших космологических моделей — должна совпасть с измеренной величиной. Удивительно, но если взять стабильную частицу с массой, соответствующей диапазону слабых энергий, которых будет исследовать БАК (согласно все той же формуле Е = mc²), причем такую, которая взаимодействует с другими частицами того же диапазона энергий, то ее реликтовая плотность по приблизительной оценке будет примерно соответствовать характеристикам темного вещества.

Не исключено, таким образом, что БАК не только поможет ученым глубже заглянуть в тайны физики элементарных частиц, но и позволит понять, что происходит сегодня там, во Вселенной, и как это все начиналось. Эти вопросы относятся скорее к сфере космологии — науки, которая изучает эволюцию Вселенной.

Об истории Вселенной, как и об элементарных частицах и их взаимодействиях, мы знаем на удивление много. Но и здесь, как и в физике элементарных частиц, остается немало очень серьезных вопросов. Вот главные среди них. Что такое темное вещество (скрытая масса)? Что представляет собой еще более загадочная сущность, получившая название темной энергии? Что было причиной экспоненциального расширения ранней Вселенной, известного как космологическая инфляция?

Сегодня великолепное время для наблюдений, которые, возможно, смогут подсказать нам ответы на эти вопросы. На переднем плане науки, на стыке между физикой элементарных частиц и космологией, активно идут исследования скрытой массы, или темного вещества. Считается, что темное вещество взаимодействует с обычным веществом — таким, из которого мы можем изготовить детекторы — чрезвычайно слабо, причем настолько слабо, что мы до сих пор не видели никаких свидетельств существования темного вещества, кроме его гравитационного воздействия.

В основе нынешних поисков, таким образом, лежит принятое на веру утверждение о том, что темное вещество, несмотря на практически полную невидимость, все же взаимодействует слабо (но не невозможно слабо) с известным нам веществом. Считая так, мы не просто принимаем желаемое за действительное. Мы опираемся на уже упоминавшиеся расчеты, которые показывают, что стабильные частицы с энергией взаимодействия, лежащей в диапазоне, который очень скоро будет исследовать БАК, имели бы подходящую плотность, чтобы быть темным веществом. Так что, хотя до сих пор нам не удалось определить состав темного вещества, мы очень надеемся сделать это в ближайшем будущем.

Однако в большинстве своем космологические эксперименты проходят не на ускорителях. Решением космологических проблем мы обязаны в основном другим экспериментам, направленным вовне и проводимым как на Земле, так и в космосе.

К примеру, астрофизики отправили в космос спутники, которые теперь наблюдают за Вселенной оттуда, где им не мешают физические и химические процессы, протекающие на поверхности Земли и над ней, а также пыль. В то же время земные телескопы и эксперименты, проводимые на поверхности планеты, позволяют получать информацию в среде, которую ученые могут непосредственно контролировать в большей степени. Все эти эксперименты — и земные, и космические — призваны пролить свет на многие вопросы, связанные с рождением Вселенной.

Мы надеемся, что достаточно мощный сигнал в каком-нибудь из этих экспериментов (подробнее мы поговорим о них в главе 21) позволит нам разгадать загадки темного вещества. Возможно, эти эксперименты расскажут нам о природе темного вещества, осветят проблемы, связанные с его взаимодействием и массой. А пока теоретики продумывают всевозможные модели темного вещества и рассуждают о том, как можно при помощи имеющихся у нас средств и методов определить, что оно собой представляет.

Но обычного вещества и темного вещества, даже вместе взятых, недостаточно, чтобы объяснить суммарную энергию Вселенной. Все вещество — и темное, и обычное — составляет здесь всего лишь около 27%. Субстанция, представляющая оставшиеся 73% энергии и еще более загадочная, чем темное вещество, получила название темной энергии.

Открытие темной энергии стало самым крупным событием в физике конца XX в. Конечно, мы многого еще не знаем об эволюции Вселенной, но у нас имеется весьма успешная теория, основанная на представлениях о так называемом Большом взрыве и дополнительном периоде экспоненциального расширения Вселенной, известного как космологическая инфляция.

Эта теория согласуется с широким спектром самых разных наблюдательных данных, включая данные о микроволновом космическом излучении — фоновом излучении, оставшемся со времен Большого взрыва. Первоначально Вселенная представляла собой горячий плотный огненный шар. За 13,75 млрд лет своего существования она успела сильно разредиться и остыть, и температура реликтового излучения на сегодня составляет всего лишь 2,7 К — всего на пару градусов выше абсолютного нуля. Кроме того, в пользу теории Большого взрыва и расширения Вселенной свидетельствуют подробные подсчеты количества ядер, которые были «изготовлены» на ранних стадиях эволюции Вселенной, и данные о скорости ее расширения.

Фундаментальные уравнения, которыми мы пользуемся при описании эволюции Вселенной, —это уравнения, полученные Эйнштейном в начале XX в. Они говорят о том, как получить характеристики гравитационного поля на основании данных о распределении вещества и энергии. Эти уравнения можно использовать для описания гравитационного поля между Землей и Солнцем, но с тем же успехом они справедливы и по отношению к Вселенной в целом. В любом случае, чтобы вычислить что-то на основании этих уравнений, необходимо знать все о веществе и энергии вокруг нас.

Тот факт, что измеренные параметры Вселенной требуют присутствия новой неизвестной формы энергии, стал для ученых настоящим шоком. Эта неизвестная энергия не переносится ни частицами, ни какой бы то ни было другой формой вещества, и не собирается в сгустки, подобно традиционному веществу. Она также не становится более разреженной по мере расширения Вселенной, а сохраняет постоянную плотность. Благодаря этой таинственной энергии, равномерно пронизывающей всю Вселенную даже там, где в ней совсем нет вещества, расширение Вселенной постепенно ускоряется.

Эйнштейн первоначально предложил учесть существование такой формы энергии в виде константы, которую он назвал универсальной константой; позже она получила известность среди физиков под именем космологической константы. Однако Эйнштейн вскоре решил, что это была ошибка и что он зря попытался объяснить таким образом стационарность Вселенной, — ведь Вселенная на самом деле расширяется, как установил Эдвин Хаббл вскоре после того, как Эйнштейн предложил свою константу. Расширение Вселенной вполне реально, но в настоящее время считается, что она расширяется все быстрее благодаря той самой забавной энергии, которую в 1930–е гг. сначала предложил, а затем отверг Эйнштейн.

Мы, ученые, хотим больше узнать о загадочной темной энергии и лучше понять ее. В настоящее время разрабатываются эксперименты, цель которых — определить, что она собой представляет — просто фоновую энергию, которую предлагал ввести Эйнштейн, или новую форму энергии, изменяющейся во времени. А может, это что-то третье и совершенно неожиданное — что-то такое, чего мы пока даже представить не в состоянии.

Это всего лишь пример — хотя и весьма важный — тех задач, которые мы сегодня решаем. Кроме уже описанных, в настоящее время готовится немало и других космологических экспериментов. Детекторы гравитационных волн попытаются уловить гравитационное излучение, возникающее при слиянии черных дыр и при других интереснейших явлениях, в которых принимают участие громадные количества массы и энергии. Космические эксперименты по регистрации микроволнового излучения позволят нам больше узнать об инфляции. Детекторы космических лучей расскажут нам новые подробности о составе Вселенной. А детекторы инфракрасного излучения, возможно, обнаружат в небе новые необычные объекты.

В некоторых случаях мы сможем понять данные, полученные в результате экспериментов, достаточно хорошо, чтобы сделать на их основе новые выводы о фундаментальной природе вещества и законов природы. В других случаях нам придется потратить немало времени на то, чтобы разобраться в полученных данных и понять, что же они означают. В любом случае работа по согласованию теории и экспериментальных данных позволит нам пройти еще несколько шагов по пути познания окружающего мира и распространит наши знания на новые, пока недоступные области.

Результаты некоторых экспериментов, вполне вероятно, будут получены очень скоро. Другие, может быть, растянутся на много лет. Но так или иначе по мере поступления данных теоретики вынуждены будут пересматривать и иногда даже отвергать существующие объяснения; теории придется дорабатывать и учиться корректно применять. Возможно, это звучит не слишком оптимистично, но на самом деле все не так плохо. Мы очень рассчитываем на новые ориентиры, которые помогут нам ответить на старые вопросы, а результаты экспериментов указывают нам путь и гарантируют, что когда-нибудь прогресс будет достигнут, даже если новые данные потребуют отказаться от старых представлений. Научные гипотезы зачастую основываются на теоретической непротиворечивости, но, как мы убедимся далее, в итоге именно эксперимент — а ни в коем случае не слепая вера — определяет, которая из них верна.