Путешествие VIII

Дальний восток

Подведем итоги.

•

Ужин и решение.

•

Восхищение востоком, рассказы и домыслы.

•

Пазлы и непрерывная сеть.

•

Корабли поднимают паруса

XXXII. Зачем нам туда?

Мы стоим на восточном берегу Бозонии, глядя на открывающийся перед нами океанский простор и вспоминая все пройденные земли, все наши исследовательские экспедиции. И думаем о будущем. И тут рождается спор. Можем ли мы, должны ли мы двигаться дальше или настал конец нашим исследованиям? Поднимем ли мы снова паруса или останемся на месте? На набережной есть симпатичный рыбный ресторанчик с террасой и видом на берег. Мы находим столик и садимся ужинать, не прекращая обсуждать наши планы.

За аперитивом и закусками мы снова говорим о наших недавних путешествиях и открытиях. Выслеживание, охота и, наконец, облава на бозон Хиггса были исключительным успехом! Стремление устранить изъян в теории привело к поимке качественно нового, уникального природного объекта: фундаментальной частицы с нулевым спином. Победы, подобные той, которую нам довелось пережить, случаются в физике гораздо реже, чем вы могли бы подумать. Пожалуй, только предсказанное Дираком существование антивещества может сравниться с этим открытием.

Стандартная модель, несомненно, возвеличилась после этого открытия. Разные элементы нашей карты стали наконец единым целым, сложились в непротиворечивую картину.

Земля Атома отличается уникальным порядком элементов, каждый из которых содержит ядро, окруженное электронами; квантовые частицы связаны между собой сложной дорожной сетью электромагнетизма.

Эти электроны пребывают на острове Лептонов вместе с двумя своими восточными союзниками, Мюоном и Тау-лептоном, которые также соединены дорогой. Плюс Нейтринный сектор на юго-западе, доступный только по воздуху, с помощью слабого взаимодействия, которое, хоть и условно, но все-таки связывает все земли, которые мы встречали на пути.

К востоку от земли Атома мы проникли в ядро, на остров Адронов. Протоны, нейтроны и другие адроны связаны путаными железнодорожными колеями сильного взаимодействия, которая перенесла нас на остров Кварков, в города Нижний, Странный и все остальные, поблизости от которых имеются их «штрихованные» аэропорты. В Бозонии же мы разобрались с транспортными сетями и выследили бозон Хиггса недалеко от хребта Нарушения электрослабой симметрии.

В Нейтринном секторе может еще сохраняться нетронутый уголок дикой природы, но в остальном карта полна. Без бозона Хиггса она была бы лишь грубым наброском и совершенно точно врала бы, описывая окрестности хребта Нарушения электрослабой симметрии. Теперь, когда мы поймали бозон Хиггса, все симметрии увязываются вместе, все бесконечности побеждены, и при этом фундаментальные частицы могут обладать массой. При небольшом количестве фундаментальных объектов и принципов стандартная модель описывает и предсказывает огромное разнообразие физических явлений в масштабах энергии от нуля до значений порядка 10¹² эВ, а потенциально и намного дальше, далеко на восток нашей карты. Некоторые члены нашей команды полагают, что этого более чем достаточно. Зачем исследовать что-то еще? Когда приносят первое блюдо, в спор вступают их оппоненты: они настаивают на том, что нельзя быть слишком уж уверенными в универсальности стандартной модели и не стоит огорчаться из-за того, что нам якобы больше нечего открывать.

Кроме того, необходимо учесть некоторые важные факторы. Нужно помнить, что даже наша полная карта не в состоянии охватить одну из фундаментальных сил в природе. Как мы видели в нашем небольшом отступлении от темы, гравитация описывается общей теорией относительности и в таком контексте является следствием кривизны пространства-времени; она не похожа на другие, переносимые бозонами, взаимодействия стандартной модели… Для областей на нашей карте этого вполне достаточно. Там можно даже соорудить квантовую теорию гравитации, вполне рабочую. Хотя она выйдет не подлежащей перенормировке, а это, как мы видели в нашем последнем путешествии, означает, что квантовая гравитация не защищена от бесконечностей. Одним словом, жди тогда неприятностей. И достаточно далеко на востоке, при достаточно высоких энергиях беда действительно случается.

Поскольку гравитация не интегрирована в стандартную модель должным образом, то, пойди мы достаточно далеко на восток, обнаружим там шкалу расстояний, соответствующую энергиям порядка 10²⁸ эВ. С нее и начинаются все беды. Это так называемая планковская шкала. На этом масштабе гравитация становится такой же сильной, как и другие взаимодействия. Сингулярности и бесконечности вспыхивают повсюду, и у нас нет способа ни понять, ни предсказать, что там может произойти. Стало быть, мы встретимся с непреодолимым пока препятствием в попытках свести все природные явления в единую систему. Стандартная модель, очевидно, не является теорией всего, даже если признает теорию относительности в качестве партнера. Хуже того, даже при более низких энергиях нельзя назвать сотрудничество между стандартной моделью и теорией относительности полностью адекватным. Теория гравитации совершила прорыв в науке, поскольку она одновременно описывает падение тел под действием силы тяжести на нашей планете и движение планет и их спутников в космосе. Так и выглядит успех физики в классическом понимании – единый набор правил, описывающих широкий спектр явлений. Теория гравитации Ньютона была революцией, хотя для правильного вычисления орбит планет (и для точного предсказания орбиты спутника и определения времени – чтобы заработала GPS) необходима общая теория относительности.

Когда мы стремимся точно описать отдаленные астрофизические объекты – звезды, галактики, скопления галактик, – то ожидаем, что теория гравитации должна работать и для них тоже. Взгляните, например, на орбиты звезд вокруг центров галактик и сравните их с орбитами планет вокруг центра Солнечной системы. Для каждой планеты можно предсказать скорость ее движения по орбите в Солнечной системе. Дело в том, что гравитационное притяжение между Солнцем и планетой должно точно соответствовать требуемому центростремительному ускорению на орбите. То же самое относится и к звездам, вращающимся вокруг центра Галактики. В Солнечной системе общая теория относительности работает успешно. Но в случае со звездами ответ не совпадает с наблюдениями. Звезды движутся слишком быстро – их орбитальные скорости слишком высоки.

Скорость звезд была точно измерена с помощью того же метода спектроскопии, который нам встретился в нашей экспедиции по земле Атома. Атомы испускают или поглощают свет вполне определенным характерным образом, продиктованным скачками энергии, которые могут совершать электроны. Наблюдения этих переходов между энергетическими уровнями позволяют нам использовать спектроскопию, чтобы определить типы элементов в звездах – так же, как мы делали, исследуя землю Атома. Но мы также можем наблюдать, что иногда спектральные линии смещаются, потому что звезда либо удаляется от нас, либо приближается к нам. Для иллюстрации такого сдвига обычно приводят классический пример экипажа (автомобиля или поезда), тональность гудка которого меняется по мере того, как он проезжает мимо нас. Так, при приближении частота становится выше (для света это соответствует сдвигу в синюю область спектра), а при удалении – ниже (для света – красный сдвиг, который более привычен, так как в среднем звезды удаляются от нас).

Точные измерения скорости вращения галактик, сделанные с помощью этого метода астрономом Верой Рубин и ее коллегами, показали, что теоретические расчеты не соответствуют наблюдениям. Оказалось, что звезды носятся слишком быстро, и при такой их скорости галактики должны разлетаться.

Есть два способа решения этой головоломки: либо наша теория гравитации ошибочна, либо мы неправильно оцениваем массы галактик. Согласия с расчетными данными удалось бы добиться, если бы масса галактики намного превышала (в среднем в четыре-пять раз) массу тех объектов, которые мы реально видим в галактике (звезды и газ). Это объяснило бы скорость звезд. Хотя недостающая масса, если она действительно есть, не может быть «слеплена» из каких-либо частиц, известных нам из стандартной модели.

Назовем эти таинственные частицы темной материей. Каким бы ни было решение, наличие этой проблемы является хорошим аргументом для продолжения нашего исследования. Есть еще одна трудность, с которой сталкивается современная теория гравитации – наличие темной энергии. Дело в том, что измерения красного смещения и яркости вспышек сверхновых показывают, что Вселенная не просто расширяется после Большого взрыва, но что скорость ее расширения все время увеличивается. Силы гравитации должны бы замедлять расширение, так как звезды и галактики притягиваются друг к другу. Поэтому для объяснения ускорения необходим новый ингредиент. Мы не знаем, что это за новый ингредиент, но темная энергия – это имя, которое мы даем нашему невежеству. Слово «темный», по-видимому, происходит по аналогии с темной материей. Слово «энергия» исходит из того, что она должна представлять собой некий вид эффективной плотности энергии, которая постоянна во всем пространстве (в отличие от материи или фотонов, которые получают более широкое распространение (то есть их плотность падает) по мере расширения пространства). Квантовые петли стандартной модели фактически предсказывают существование такой энергии вакуума. К сожалению, стандартная модель дает ответ, выражаемый единицей со 120 нулями. Это число настолько страшное, что я даже не собираюсь пытаться приводить какие-то аналогии. Это такое огромное количество, что даже некоторые космологи с трудом игнорируют его. Опять же, возможно, ответ лежит на востоке.

Обед не окончен, и наше обсуждение продолжается. Мы ищем причины для дальнейшего изучения востока. Еще одну удалось выдумать, когда подали десерт. А как насчет материи и антиматерии? Исследовав остров Кварков, мы обнаружили, что симметрия между материей и антиматерией нарушена, то есть существует реальная разница между миром, состоящим из материи, и миром из антиматерии. Однако крохотные нарушения симметрии материи и антиматерии, о которых мы знаем, кажутся слишком малыми, чтобы объяснить чудовищно грубую асимметрию, которую мы наблюдаем вокруг себя. Действительно, материя распространена, а антивещество встречается крайне редко.

Экспедиции в Нейтринный сектор острова Лептон могут выявить источник асимметрии материи и антиматерии, который может быть вписан в стандартную модель. Но если там не появится что-то новое помимо предписываемого стандартной моделью, то этот источник асимметрии также окажется слишком маленьким.

Пример «чего-то за пределами стандартной модели», которое могло бы быть в принципе обнаружено, – это то, что нейтрино оказываются собственными античастицами. Эту возможность мы уже обсуждали в экспедиции. Такое открытие также будет иметь большое значение для дальнего востока нашей карты: например, там могут быть обнаружены сверхмассивные нейтрино.

Наконец, последний и главный аргумент в пользу продолжения путешествия приходит нам в голову, когда мы принимаемся за кофе. Из наших прежних исследований видно, что, будучи элегантной и экономичной по сравнению с предыдущими теориями, стандартная модель содержит довольно много параметров, значения которых кажутся нам произвольными, но все же наводят нас на определенные размышления. Например, массы частиц распределены в огромном диапазоне, от нейтрино на западе до истинного кварка на востоке (не говоря уже о безмассовых фотоне, глюоне и, возможно, гравитоне).

Действительно ли массы разбросаны случайным образом или где-то есть задающая их схема? Есть некоторые наводящие соображения. Например, сумма квадратов всех масс бозонов (Хиггса, W, Z) примерно такая же, как сумма квадратов всех масс фермионов (кварков и лептонов). Это просто совпадение или это подсказка?

Особенно беспокоит масса бозона Хиггса. Мы знаем, что все частицы получают бесконечные вклады в свои массы из квантовых петель, и эти бесконечности удаляются путем подстановки в уравнения экспериментально полученной массы. Это метод, который опирается на симметрию взаимодействия, защищающий от возникновения бесконечностей.

Но для массы бозона Хиггса из-за того, что он имеет нулевой спин, петлевые поправки огромны. Нет бесконечности, защита все еще работает, но если вы хотите, чтобы масса бозона Хиггса имела разумное значение как в электрослабой шкале (которая находится там, где она есть), так и на востоке на другой энергетической шкале, скажем, на планковской, то отмена этих поправок должна быть «точно настроена». И точность такой настойки просто невероятна! Такое впечатление, как будто бозон Хиггса балансирует на кромке ножа между гигантскими порядками величин, простирающимися в обе стороны, где падение в любую сторону может сделать глупостью стандартную модель. Моя любимая аналогия – это банковский счет с кредитами и дебетами (квантовыми поправками) на миллиарды фунтов, возникающими, казалось бы, случайным образом в течение месяца, но в последний день каждого месяца счет волшебным образом содержит ровно 125 фунтов стерлингов. Для простого совпадения это чересчур. Безусловно, должен быть бухгалтер, обращающий внимание на такие странные совпадения – или, в случае физики, должна быть более мощная теория, которая дергает за ниточки стандартную модель.

Даже количество поколений частиц выглядит подозрительно. Казалось бы, должно хватить одного первого поколения, чтобы составить все элементы Вселенной. Как мы видели, три поколения – это минимальное их количество, позволяющее провести реальное различие между веществом и антивеществом. По-видимому, это неспроста. Но, возможно, мы просто не продвинулись достаточно далеко в восточные области. Может быть, есть четыре, пять или даже бесконечное количество поколений частиц?

К облегчению официантов, мы расплачиваемся по счетам и покидаем ресторан. Но дискуссия не утихает, когда мы возвращаемся по набережной назад к нашему отелю.