В фокусе собственных исследований на протяжении значительной части моей карьеры находилась зарождающаяся область науки, известная как астрофизика элементарных частиц. После целого потока теоретических достижений 1960-х и 1970-х гг. наземным экспериментам, которые ограничены нашими способностями строить сложные установки, такие как ускорители частиц, трудно было не отстать. В результате многие физики обратились за помощью ко Вселенной. Поскольку теория Большого взрыва говорит о том, что ранняя Вселенная была горячей и плотной, в ней существовали условия, которые мы, возможно, никогда не сможем воссоздать в земных лабораториях. Но если подойти к делу с умом, то можно поискать в космосе остаточные признаки тех ранних времен, и, возможно, нам удастся проверить идеи, касающиеся даже самых экзотических аспектов фундаментальной физики.

Моя предыдущая книга «Вселенная из ничего» описывала революции, случившиеся в наших представлениях об эволюции Вселенной на больших масштабах и на протяжении долгого времени. Наши исследования не только обнаружили существование темного вещества, состоящего, скорее всего, как я уже говорил, из новых элементарных частиц, которые пока не удалось пронаблюдать на ускорителях, хотя мы, возможно, уже стоим на пороге этого, но – и это еще более удивительно – открыли, что большая часть энергии Вселенной кроется в пустом пространстве, и мы пока не представляем, откуда она берется.

Теперь наблюдения увели нас назад, к новорожденной Вселенной. Мы наблюдаем тонкие особенности излучения, известного как космический микроволновой фон, или реликтовое излучение, которое приходит к нам из времен, когда возраст Вселенной составлял всего лишь триста тысяч лет. Телескопы возвращают нас к самым ранним галактикам, сформировавшимся, возможно, всего через миллиард лет после Большого взрыва, и позволяют нам наносить на карты громадные космические структуры, включающие сотни галактик и раскинувшиеся на сотни миллионов световых лет, рассыпанные среди ста триллионов или около того галактик видимой Вселенной.

За объяснением этих особенностей теоретики обращаются к идее, которая возникла благодаря развитию теорий Великого объединения. В 1981 г. Алан Гут понял, что нарушающий симметрию переход, который мог иметь место на масштабе ТВО в молодой Вселенной, возможно, отличается от перехода, нарушающего симметрию между слабым взаимодействием и электромагнетизмом. В случае ТВО хиггсоподобное поле, которое конденсируется в пространстве, нарушая ТВО-симметрию между сильным и электрослабым взаимодействиями, может на короткое время замереть в метастабильном высокоэнергетическом состоянии, прежде чем релаксировать и перейти к финальной конфигурации. Но пока оно пребывало в этом состоянии «ложного вакуума», поле должно было обладать энергией, которая высвободилась, когда оно в конечном итоге релаксировало и перешло в предпочтительное для него состояние с самой низкой энергией.

Гут задался вопросом: что произошло бы в ранней Вселенной, если бы подобное случилось во время перехода, описываемого теорией Великого объединения? Что будет, если некое скалярное поле, ведущее себя при этом переходе подобно хиггсовскому полю, останется на короткое время в своем первоначальном (сохраняющем симметрию) состоянии, хотя Вселенная уже охладилась ниже точки, где предпочтительным становится новое (нарушающее симметрию) конденсированное состояние покоя? Гут понял, что этот тип энергии, содержащийся в поле по всему объему пространства до завершения перехода, должен вызывать гравитационное отталкивание. Это заставит Вселенную расширяться – потенциально в громадное число раз, возможно, на двадцать пять или более порядков – за микроскопически короткое время.

Далее он обнаружил, что этот период стремительного расширения, которое он назвал инфляцией, мог бы разрешить множество известных парадоксов, связанных с картиной Большого взрыва, включая вопрос о том, почему Вселенная так однородна в больших масштабах и почему трехмерное пространство в больших масштабах представляется геометрически почти плоским. Без инфляции обе эти проблемы выглядят неразрешимыми. Первая из них решается благодаря тому, что в период стремительного расширения любые начальные неоднородности сглаживаются – как сморщенный воздушный шар становится гладким, когда его надувают. Продолжая аналогию с шаром, заметим, что поверхность шара, надутого до очень больших размеров, скажем величиной с Землю, может выглядеть очень плоской, как степи Канзаса. Хотя это двумерный образ, он в принципе применим и к трехмерной кривизне самого космоса. После инфляции пространство должно казаться плоским, то есть выглядеть в точности как Вселенная, в которой, как считало до недавнего времен большинство из нас, мы живем, – где параллельные никогда не пересекаются, а оси x, y и z указывают в одну и ту же сторону в любой точке Вселенной.

После завершения стадии инфляции энергия, запасенная в состоянии ложного вакуума по всему объему пространства, высвобождается, порождая частицы и заново нагревая Вселенную до высокой температуры; при этом складываются естественные и реалистичные начальные условия для последующего стандартного расширения горячего Большого взрыва.

И это еще не все. Через год после того, как Гут предложил свою идею, сразу несколько групп провели расчеты, пытаясь понять, что происходило с частицами и полями в процессе стремительного инфляционного расширения Вселенной. Они обнаружили, что небольшие неоднородности, возникшие вследствие квантовых эффектов в начальные моменты времени, были затем «заморожены» в период инфляции. После окончания инфляции эти небольшие неоднородности могли вырасти и породить галактики, звезды, планеты и т. п.; кроме того, они оставили бы свой отпечаток на космическом микроволновом фоне, очень напоминающий тот рисунок, который впоследствии был обнаружен. Однако при использовании разных инфляционных моделей можно также получить другие предсказания для анизотропии реликтового излучения (в данный момент инфляция скорее модель, чем полноценная теория, и, поскольку эксперимент не определил пока никакого единственного перехода по теории Великого объединения, верными могут оказаться самые разные варианты).

Есть еще одно волнующее и более однозначное предсказание, связанное с инфляцией. В период быстрого расширения в пространстве должна была возникнуть рябь, получившая название гравитационных волн. Эта рябь должна была породить еще одну характерную сигнатуру в космическом микроволновом фоне, которую можно обнаружить. В 2014 г. эксперимент BICEP объявил об обнаружении сигнала, идентичного предсказанному, что вызвало невероятное возбуждение как в теоретическом, так и в наблюдательном сообществе. Мы с Фрэнком Вильчеком написали статью, в которой не только отмечали, что такое наблюдение должно указывать на масштаб нарушения симметрии, соответствующий масштабу нарушения симметрии в теории Великого объединения с суперсимметрией, но и что оно должно однозначно продемонстрировать, что гравитация на малых масштабах должна описываться квантовой теорией, так что поиск квантовой теории гравитации дело не бесполезное.

Однако, к сожалению, заявление BICEP оказалось преждевременным. Аналогичный сигнал могли дать другие фоновые явления в нашей Галактике, и на момент написания книги ситуация по-прежнему представляется мутной; однозначного подтверждения ни инфляции, ни квантовой гравитации пока нет.

Совсем недавно, между завершением первого черновика этой книги и ее окончательным вариантом, было сделано первое достоверное открытие гравитационных волн; сделал его удивительный комплект детекторов, известный как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) и расположенный в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). LIGO – впечатляющая масштабная установка. Чтобы обнаружить гравитационные волны, порожденные слиянием черных дыр в далеких галактиках, экспериментаторам нужно зафиксировать колеблющуюся разницу в длине двух перпендикулярных плеч детектора длиной по четыре километра каждое, равную одной тысячной доле размера протона. Это все равно что измерить расстояние от Земли до ближайшей к нашему Солнцу звезды, альфы Центавра, с точностью до толщины человеческого волоса!

Как ни поразительно открытие инструментом LIGO гравитационных волн, сами волны, которые удалось зарегистрировать, представляют собой результат далекого астрофизического столкновения, а не первых мгновений Большого взрыва. Однако успех LIGO даст старт строительству новых детекторов, так что гравитационная астрономия станет, скорее всего, астрономией XXI века.

Если продолжатели дела LIGO и BICEP в этом или следующем столетии смогут непосредственно измерить сигнатуру инфляционных гравитационных волн, это откроет перед учеными окно прямо в физику Вселенной в тот момент, когда ее возраст составлял менее одной миллиардной миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды. Это позволит нам непосредственно проверить и свои представления об инфляции, и даже Великое объединение, а может быть, даже прольет свет на возможное существование иных вселенных, разом превратив то, что сегодня является метафизикой, в физику.

Пока же инфляция – это всего лишь мотивированное предположение, судя по всему, естественным образом разрешающее большинство основных загадок космологии. И хотя инфляция остается единственным кандидатом на фундаментальное теоретическое объяснение главных наблюдательных особенностей нашей Вселенной, она полагается на существование нового, введенного ситуативно скалярного поля, придуманного исключительно для того, чтобы породить инфляцию, и точно настроенного на то, чтобы запустить ее, когда ранняя Вселенная только начала остывать после Большого взрыва.

До открытия бозона Хиггса это рассуждение можно было считать в лучшем случае правдоподобным. Притом что нам не было известно ни одного примера какого-либо фундаментального скалярного поля, предположение о том, что нарушение симметрии Великого объединения возникает в результате действия еще одного простого хиггсоподобного механизма, было экстраполяцией, опиравшейся на ненадежное основание. Как я уже отмечал, нарушение электрослабой симметрии стало очевидным с открытием W- и Z-частиц. Однако простое хиггсовское поле вполне могло оказаться сказочным заменителем какого-то гораздо более сложного и, возможно, гораздо более интересного фундаментального механизма.

Теперь ситуация изменилась. Бозон Хиггса существует, а с ним существует, очевидно, и фоновое скалярное поле, пронизывающее на сегодняшний день все пространство Вселенной, придающее массу частицам и порождающее такие характеристики Вселенной, при которых возможно наше существование. Если и правда существует теория Великого объединения, собирающая все три взаимодействия в одно где-то у начала времен, то примерно тогда же должно было произойти какое-то нарушение симметрии, в результате которого три известных негравитационных взаимодействия начали расходиться в свойствах. Бозон Хиггса демонстрирует, что нарушение симметрии в законах природы может возникать в результате присутствия в пространстве конденсата скалярного поля. Таким образом инфляция в том или ином варианте становится намного более естественной и потенциально шаблонной возможностью. Как в шутку сказал однажды мой коллега Майкл Тёрнер, перефразируя главу Федеральной резервной системы Алана Гринспена, «периоды инфляции неизбежны!».

Это заявление может оказаться более провидческим, чем кто-то в то время мог вообразить. В 1998 г. было обнаружено, что наша Вселенная в настоящее время переживает новый вариант инфляции; подтвердились некоторые более ранние и слегка еретические предсказания отдельных теоретиков. Как я упоминал ранее, это подразумевает, что большая часть энергии Вселенной в настоящее время, судя по всему, скрыта в пустом пространстве – это наиболее правдоподобное объяснение того, почему наблюдаемое расширение Вселенной ускоряется. Нобелевская премия была присуждена Брайану Шмидту, Адаму Риссу и Саулу Перлмуттеру за открытие этого замечательного и весьма неожиданного явления. Естественно, встают вопросы: что могло бы стать причиной текущего ускоренного расширения? Каков источник этого нового типа энергии?

Здесь видятся две возможности. Во-первых, это может оказаться фундаментальным свойством пустого пространства. На самом деле эту возможность предрек еще Альберт Эйнштейн вскоре после того, как разработал общую теорию относительности. По его мнению, в этой теории могло содержаться нечто, названное им «космологической постоянной». Сегодня мы понимаем, что эта постоянная, возможно, просто представляет собой ненулевую энергию основного состояния Вселенной, которая продолжит существовать в будущем до бесконечности.

Или, во-вторых, это может быть энергия, накопленная в еще одном невидимом фоновом скалярном поле Вселенной. Если это так, то следующий очевидный вопрос: высвободится ли эта энергии в процессе еще одного будущего фазового перехода, подобного тому, которым завершилась инфляция, когда Вселенная еще охладится?

В настоящее время ответа нет, проблема ждет своего исследователя. Хотя предположительная плотность энергии пустого пространства на сегодня больше, чем плотность энергии всего остального, что мы видим во Вселенной, в абсолютных единицах на шкале энергий, связанных с массами известных нам элементарных частиц, она мала до чрезвычайности. Ни у кого нет разумного объяснения на основе первичных принципов и известных в физике элементарных частиц механизмов, как энергия основного состояния Вселенной может быть ненулевой и давать в результате космологическую постоянную Эйнштейна, но при этом оказаться столь малой, чтобы допускать то плавно ускоряющееся расширение, которое мы испытываем в настоящий момент. (Одно правдоподобное объяснение все же существует – первым его высказал Стивен Вайнберг. Хотя это объяснение умозрительно и опирается на спекулятивные идеи о возможных законах физики далеко за пределами той области, которую мы на сегодняшний день понимаем. Если существует много вселенных, а плотность энергии пустого пространства, принимаемая за космологическую постоянную, не устанавливается жестко фундаментальными физическими ограничениями, а вместо этого случайно варьирует от одной вселенной к другой, то только в тех вселенных, где энергия пустого пространства ненамного выше той величины, которую мы измеряем у себя, возможно формирование галактик, а потом звезд, и уж потом планет, и только потом астрономов…)

Пока же ни у кого нет разумной модели нового фазового перехода, предсказанного в физике элементарных частиц, такого, что связанное с ним новое скалярное поле хранит в пространстве так мало энергии. Под разумной моделью я подразумеваю модель, которую счел бы правдоподобной хоть кто-нибудь, помимо ее авторов.

Тем не менее Вселенная такова, какова она есть, и тот факт, что нынешняя фундаментальная теория никак принципиально не объясняет нечто столь фундаментальное, как энергия пустого пространства, не подразумевает ничего мистического. Как я уже говорил, недостаток понимания не доказывает существования Бога. Он свидетельствует лишь о недостатке понимания.

Имея в виду, что мы не знаем источника предполагаемой энергии, скрытой в пустом пространстве, мы вольны надеяться на лучшее, и в данном случае это означает, возможно, надежду на то, что верным окажется объяснение, связанное с космологической постоянной, а не с неким новым, еще не открытым скалярным полем, которое может однажды сбросить напряжение и перейти в новое состояние, высвободив при этом запасенную в пространстве энергию.

Не забывайте, что из-за соединения хиггсовского поля с остальным веществом Вселенной, когда это поле сконденсировалось в состояние с нарушением электрослабой симметрии, свойства вещества и сил, управляющих взаимодействиями материи, кардинально изменились.

Если в природе произойдет какой-то аналогичный фазовый переход с участием некого нового скалярного поля, стабильность вещества, какой мы ее знаем, может исчезнуть. Галактики, звезды, планеты, люди, политики и все, что мы сегодня видим вокруг, могут исчезнуть в буквальном смысле. Единственная хорошая новость здесь (помимо исчезновения политиков) состоит в том, что этот переход, предполагая, что начнется он с какого-то маленького зернышка в одном месте нашей Вселенной (так же, как маленькие пылинки могут запустить формирование ледяных кристаллов на нашем замерзшем окне или снежинок в процессе их падения на землю), распространится затем по пространству со скоростью света. Мы не узнаем, что на нас обрушилось, пока это не произойдет, а когда это произойдет – нас уже не будет и знать это будет некому.

Любопытный читатель, возможно, заметил, что все эти дискуссии относятся к новым скалярным полям, возможно существующим в природе. А как же хиггсовское поле, предусмотренное Стандартной моделью? Может ли оно играть роль во всем этом космическом безобразии? Может ли оказаться, что в хиггсовском поле и запасена энергия, ответственная за инфляцию – то ли на раннем этапе развития Вселенной, то ли сейчас? Может ли оказаться, что хиггсовское поле находится не в окончательном своем состоянии, а предстоит еще один переход, который вновь изменит конфигурацию электрослабого взаимодействия и массы частиц Стандартной модели?

Хорошие вопросы. А ответ один: мы не знаем.

Это не мешает многим теоретикам порассуждать об этой возможности. Мой любимый пример – любимый не потому, что он лучше остальных, но лишь потому, что мы рассуждали об этом с коллегой, Джеймсом Дентом, вскоре после открытия бозона Хиггса, – состоит в том, что хиггсовский механизм, возможно, все же играет какую-то роль в наблюдаемом расширении Вселенной. Как признают многие авторы, существование конденсата фонового поля и частиц, которые он в себя включает, может обеспечить нам уникальное окно, или «портал», способный обеспечить недостижимую иным способом чувствительность к существованию в природе других хиггсоподобных полей, каким бы слабым ни было их непосредственное взаимодействие с частицами, которые мы наблюдаем в Стандартной модели.

Если бозон Хиггса и другие хиггсоподобные частицы существуют (возможно, на масштабе теории Великого объединения), то физическая частица Хиггса – та, что была открыта в ЦЕРН, – может оказаться смесью с участием бозона Хиггса, отвечающего за слабое взаимодействие, и небольшой примеси какой-то другой хиггсоподобной частицы. (В этом нам указывает путь физика нейтрино, где аналогичные явления играют принципиально важную роль в понимании поведения нейтрино, рожденных, к примеру, при ядерных реакциях в глубинах Солнца и измеренных на Земле.) В таком случае можно по крайней мере предположить, что, когда поле Хиггса для слабого взаимодействия конденсируется в пустом пространстве, этот процесс способен подстегнуть конденсацию какого-нибудь другого хиггсоподобного поля со свойствами, которые позволяют ему запасать в точности нужное количество энергии, чтобы объяснить наблюдаемую сегодня инфляцию Вселенной. Математика, нужная для этого, весьма заумна, а модель некрасива. Но кто знает? Может быть, она некрасива потому, что мы не нашли пока правильной структуры, в которую ее можно было бы встроить.

Тем не менее у этого сценария есть одна привлекательная черта, которая делает его упоминание здесь чуть менее отдающим саморекламой. В этой картине энергия, несомая вторым полем, которое должно служить двигателем нынешнего измеренного ускоренного расширения Вселенной, будет, скорее всего, в конечном итоге высвобождена в новом фазовом переходе к истинному конечному состоянию Вселенной. Из-за того, что новое поле может быть слабо связано со всеми наблюдаемыми частицами, этот переход, в отличие от многих других возможных вариантов будущих фазовых переходов в нашей Вселенной, не повлечет за собой изменения наблюдаемых свойств каких бы то ни было известных частиц на сколько-нибудь заметную величину. То есть если эта модель верна, известная нам Вселенная, может быть, уцелеет.

Но праздновать пока рановато. Независимо от подобных рассуждений, открытие частицы Хиггса поднимает целый спектр других, куда менее оптимистичных возможностей. Хотя будущее, в котором наблюдаемое ускорение расширения Вселенной продолжается вечно, довольно безрадостное для жизни и для возможности нам и дальше исследовать Вселенную (ведь со временем все галактики, которые мы сегодня наблюдаем, начнут убегать от нас быстрее света и окончательно исчезнут с нашего горизонта, оставив Вселенную холодной, темной и по большей части пустой), будущее, которое может наступить из-за хиггсовского поля с массой, равной 125 массам протона, может оказаться куда хуже.

Если вспомнить, что Хиггсова масса лежит на границе разрешенного диапазона для массы найденной частицы Хиггса, и пока считать, что Стандартная модель не дополняется большим количеством новых объектов на более высоких энергиях, то расчеты показывают, что существующий конденсат хиггсовского поля колеблется на грани нестабильности – и может измениться с нынешнего своего значения на совсем другое, связанное с более низким энергетическим состоянием.

Если такой переход произойдет, обычное вещество, каким мы его знаем, изменит свою форму, и галактики, звезды, планеты и люди, скорее всего, исчезнут, как кристаллы льда теплым солнечным утром.

Для тех, кому нравятся ужастики, могу предложить другой, еще более жуткий возможный вариант. В принципе может существовать нестабильность, которая вызовет бесконечный рост величины хиггсовского поля. В результате такого роста энергия, запасенная эволюционирующим хиггсовским полем, может стать отрицательной. А это вызовет коллапс Вселенной в катастрофическом процессе, обратном Большому взрыву – Большом схлопывании. К счастью, данные не подтверждают такой возможности, какой бы поэтичной она ни казалась.

В сценарии, где все, что мы сегодня видим вокруг, исчезает при внезапном переходе хиггсовского поля в новое основное состояние, я хочу подчеркнуть, что измеренная в настоящее время масса бозона Хиггса благоприятствует стабильности, но ее величина характеризуется существенной неопределенностью и может оказаться по любую сторону от разделительной линии – либо порождать стабильный на первый взгляд вакуум, в котором мы в настоящее время неплохо себя чувствуем, либо благоприятствовать такому переходу. Более того, этот сценарий основан на расчетах в пределах исключительно Стандартной модели. Любые новые физические закономерности, открытые на БАКе или будущих установках, могут полностью изменить картину, стабилизировав хиггсовское поле, которое в ином случае может оказаться нестабильным. А поскольку мы почти уверены, что новые физические закономерности ждут своего открытия, нет причин для отчаяния.

Если такого утешения недостаточно, то для тех, кто все еще боится, что окончательное будущее Вселенной может оказаться худшим из только что описанных мной вариантов, замечу, что те же расчеты, которые указывают на это, возможно, указывают также на то, что наше нынешнее метастабильное состояние реальности будет существовать еще не просто миллиарды лет, но миллиарды миллиардов миллиардов лет.

Несмотря на тревогу о будущем, сейчас подходящее время, чтобы еще раз подчеркнуть, что Вселенной нет никакого дела до того, чего бы нам хотелось; ей наплевать, выживем ли мы. Ее жизнь продолжается независимо от того, существуем мы или нет. По этой причине мне кажется странно привлекательным только что описанный сценарий Судного дня. В этом случае замечательная случайность, приведшая к нашему существованию, – конденсация поля, обеспечивающего нынешнюю стабильность вещества, атомов и самой жизни, – представляется выпавшей нам ненадолго удачей.

Воображаемые ученые, живущие на гребне ледяного кристалла на морозном окне, который я описывал ранее, первым делом открыли бы, что одно из направлений в их вселенной является особым (несомненно, тамошние теологи объявили бы этот факт наглядным проявлением Божьей любви). Копая глубже, они, возможно, обнаружили бы, что это особое обстоятельство всего лишь случайность и могут существовать другие ледяные кристаллы, в которых выделяются другие направления.

Вот и мы открыли, что наш мир с его взаимодействиями и частицами и поразительной Стандартной моделью, которая привела к замечательно удачной расширяющейся Вселенной со звездами, планетами и жизнью, способной развить сознание, также простая случайность, ставшая возможной благодаря тому, что хиггсовское поле на раннем этапе развития Вселенной сконденсировалось именно таким образом, а не иначе.

Воображаемые ученые на гипотетическом ледяном кристалле могут праздновать свои великие открытия (как склонны делать и мы) и не знать, что Солнце вот-вот встанет, их кристалл скоро растает и все следы их краткого существования исчезнут. Но даже тогда – неужели это сделало бы их краткое существование менее захватывающим? Конечно, нет. Если наше будущее столь же эфемерно, мы можем по крайней мере наслаждаться нашим приключением и ценить все без исключения аспекты этой величайшей из когда-либо рассказанных историй… пока.