XXXVIII. Пятая сила

Некий дотошный мечтатель, прислонившись к колонне у бильярдного стола, замечает нам, что вполне может оказаться так, что взаимодействия, которые мы считаем фундаментальными, на самом деле таковыми не являются. Кварки, лептоны и бозоны стандартной модели могут состоять из более мелких частей – точно так же, как атомы периодической таблицы химических элементов оказались сделаны из других частиц. И тогда решения остающихся проблем стандартной модели можно было бы отыскать, изучая взаимодействия этих новых, еще более мелких элементов.

Такие рассуждения были отчасти мотивированы желанием избежать необходимости существования бозона Хиггса. Тем не менее, есть версии, в которых бозон Хиггса тоже является составной частицей. Такой сценарий будет включать в себя новые фундаментальные силы, и, вероятно, будет означать, что силы, которые мы в настоящее время считаем фундаментальными, таковыми не являются, а возникают из теории более высоких энергий, меньших расстояний, живущей на далеком востоке.

Есть и другие модели, в которых известные нам фундаментальные силы остаются, но добавляются новые или модифицируются существующие. Поскольку гравитация – связующая нить многих проблем современной физики (темной материи, темной энергии, отсутствия квантовой гравитации), то вполне разумно ожидать, что общая теория относительности нуждается в изменениях. Эта мысль пришла в голову многим физикам. Однако общая относительность настолько тонкая, и настолько… общая, что заменить ее или даже хотя бы успешно перенастроить очень трудно.

Тем не менее физики настойчивы и все время генерируют новые идеи и предложения. Одна из таких возможных настроек – это постулирование новой частицы, которая является переносчиком «пятой силы» (дополнительно к уже имеющимся электромагнетизму, слабому и сильному взаимодействиям и гравитации). Может быть, на далеком востоке есть какой-то другой вид транспорта, кроме наших автомобильных, железнодорожных и воздушных путей, и отличный от гравитации?

Для объяснения феномена темной энергии новая сила должна воздействовать на всю материю – как это делает сама гравитация – и должна проявляться на больших расстояниях. Подобные силы уже искали – и если они влияют на движение планет в Солнечной системе, то они должны быть гораздо более слабыми, чем гравитация, иначе мы бы их уже видели. Но если они гораздо слабее гравитационной силы, действующей между звездами и галактиками, то они не будут иметь никакого значения для задач темной энергии или темной материи… Получается, что изобретение такой силы – это пустая трата времени.

Одним из возможных способов обойти эту головоломку является процесс, называемый «скрининг», в котором сила взаимодействия зависит от окружающей среды, в которой она действует. Возможно даже, что такая сила экранируется самой материей. Можно строить теории, согласно которым в плотных областях Вселенной (например, на Земле) сила может быть скрыта, а в пустом пространстве может действовать. Что касается проблемы темной энергии, которую некоторые подобные теории стремятся решить, такой подход может обеспечить именно то, что нужно для объяснения наблюдательных астрономических данных.

Сила может заставить Вселенную ускоряться на больших расстояниях, не оказывая при этом никакого измеримого влияния на орбиты планет. В качестве бонуса эта новая сила также может оказать значительное влияние и на вращение галактик, что может (по крайней мере, частично) решить проблему темной материи.

Принцип работы такой гипотетической новой силы напоминает принцип теории Брута – Энглерта – Хиггса, дающей массу фундаментальным частицам. Теория включает в себя скалярный бозон – частицу, подобную бозону Хиггса, которая не имеет спина. В теорию входит и идея нарушения симметрии.

Чтобы лучше понять этот подход, рассмотрите картину пуантилиста, в которой изображение и даже цветовое сочетание внутри него состоят из множества крошечных точек.

При усреднении по плотным областям пространства симметрия скрывает «пятую силу». Будто смотришь на картину с расстояния в метр или около того. Точки скрыты в цветах и пейзаже картины. Но стоит подойти ближе – и на полотне становятся различимы отдельные точки. Точно так же для объектов размером с атом или меньше усреднения не происходит, поэтому может появиться «пятая сила». На гигантских масштабах пространство очень пустое, поэтому плотность низкая, и там снова появляется «пятая сила». Точно так же на большом расстоянии отдельные точки на картине сливаются в цельное изображение. Эту идею по крайней мере нужно проверить с помощью многочисленных экспериментов. Новые обсерватории вскоре могут охарактеризовать гравитацию и темную энергию в астрофизических масштабах. Точные эксперименты в атомной физике могли бы измерить влияние «пятой силы» на атомы, и БАК может подтвердить или исключить некоторые разновидности странных частиц, так называемых частиц-хамелеонов.

Теоретические основы, например суперсимметрия или стандартная модель физики частиц, играют роль рисунка-подсказки на коробке с пазлом. Эта подсказка дает вам представление о том, где может располагаться эта «деталька» и как она может соединиться с другими. Попытка собрать паззл, не глядя на картину на коробке, – дело чрезвычайно сложное. Конечно, приметив хорошее место для детали, стоит приложить ее туда, чтобы убедиться, верна ли догадка. И в научном варианте этой головоломки мы должны иметь в виду, что наша общая картина почти наверняка неполна (например, в случае стандартной модели, которая хорошо описывает множество экспериментальных данных). Возможно, что эта общая картина совершенно неправильная (как, возможно, суперсимметрия или модели с дополнительными измерениями, для которых в настоящее время нет никаких экспериментальных свидетельств). Но в какой-то степени любая картина лучше, чем вообще никакой, да и особого выбора у нас нет.

Однажды мы можем собрать достаточно кусочков, чтобы понять, что это неправильно, выбросить всю картину целиком и попробовать новую, осуществить своего рода замену «парадигмы» головоломки, дабы заставить производителя таких игрушек уйти из развлекательного бизнеса под грузом возвращенных покупателями рождественских подарков.

Рамки хорошей теории или группы теорий направляют исследования, но затрудняют признание новой теории. Диссидентские теории, которых много вокруг нас, могут быть либо приведены в соответствие с существующей картиной, либо полностью заменить ее. В последнем случае такие теории должны вписаться в уже хорошо сложенную головоломку. Именно поэтому, а не из-за заговора мировой закулисы (или даже закоренелых консерваторов) идеи типа «Эйнштейн был неправ» не стоит принимать очень серьезно без большого количества подтверждающих доказательств и возможности приспособить предыдущие доказательства того, что он был в значительной степени прав.

Не следует просто констатировать существование монстров на востоке, потому что это, вероятно, будет противоречить тому, что мы уже знаем о землях, которые подробно изучили. Важно целое и взаимозависимость его частей – такой подход и есть целостный взгляд на науку. В эссе под названием «Когда ученые сбиваются с пути» великий физик-теоретик Филип У. Андерсон называл это «бесшовной сетью»:

«…Надежные теории ныне покрывают область физики, затрагивая молекулярную биологию, которая пока таит ловушки недостоверных наблюдений. Уже известны законы и системы законов – сохранения энергии, квантовой механики, теории относительности, генетики, – которые ограничивают толкование любого результата и делают ошибки легко заметными. Наука в основе своей, таким образом, “переопределена”».

Нельзя назвать это суждение непогрешимым, но это лучшее, что у нас есть.