Хотя мы многое поняли об устройстве мира, в нем еще немало великих загадок. Вот три важные, пока не разгаданные тайны.

• Что спровоцировало Большой взрыв? Может ли он повториться?

• Есть ли значимые закономерности, скрытые в наблюдаемом разрастании сообщества элементарных частиц и сил?

• Как конкретно из материи возникает разум? (Или он возникает вообще не из материи?)

Давайте сосредоточимся на двух больших, но более конкретных тайнах. Поиск их разгадок находится на переднем крае науки и направлен на углубление нашего понимания основ физического мира.

Первая тайна связана со странной особенностью фундаментальных законов, которые остаются неизменными (почти, хотя и не совсем), если обратить время вспять. Вторая возникла в результате обескураживающего открытия: астрономы обнаружили новую силу, по всей видимости гравитационную, но непонятно откуда взявшуюся. На первый взгляд их наблюдения указывают на существование некой «темной стороны Вселенной» и двух новых элементов — темной материи и темной энергии. Оба они, хотя и составляют большую часть массы Вселенной, каким-то образом раньше ускользали от внимания исследователей.

Недавно возникла многообещающая идея, которая, кажется, могла бы пролить свет на эти загадки. Проблема, связанная с обращением времени, заставила многих физиков заподозрить, что существует новый вид частиц — аксионы. Их долгоживущее послесвечение, оставшееся после Большого взрыва, обладает подходящими свойствами, чтобы оказаться темной материей. Шквал разработок, порожденных этой идеей, привел к азартной гонке за открытиями. В ней приняли участие сотни ученых со всего мира.

В нашей жизни не много аспектов столь же очевидных, сколь асимметрия между прошлым и будущим. Мы помним прошлое, но можем только догадываться о будущем. Если вы прокрутите фильм — скажем, «Огни большого города» Чарли Чаплина — в обратном направлении, последовательность событий на экране будет мало похожа на реальность. Этот перемотанный назад фильм никогда не перепутаешь с настоящим.

Тем не менее начиная с зарождения современной науки — классической механики Ньютона — и еще совсем недавно вид фундаментальных законов не менялся при обращении (перемене знака) времени. Следовательно, законы, которые вы хотите использовать для предсказания прошлых состояний исходя из настоящих, — те же, что и для предсказания будущих состояний. Например, если вы представите фильм о планетах, вращающихся вокруг Солнца по законам Ньютона, и прокрутите его назад, планеты в фильме по-прежнему будут вращаться по законам Ньютона. Эта особенность законов называется симметрией относительно обращения времени, или сокращенно T-инвариантностью.

T-инвариантность сохранялась и при расширении области применения законов — например, в уравнениях электромагнетизма Максвелла, и в модифицированных Эйнштейном уравнениях гравитации, и в квантовых версиях этих уравнений. И все наблюдения фундаментальных взаимодействий, казалось, подтверждали эту симметрию.

Контраст между повседневным опытом и фундаментальными законами рождает два вопроса. Один звучит так: как реальная Вселенная определяет предпочтительное течение времени? Мы получили ответ в и (особенно) в , где увидели, что гравитация вышла из равновесия. Другой вопрос формулируется просто: почему? Почему в нашем фундаментальном описании природы есть эта Т-инвариантность, но в том мире, который дан нам в ощущениях, она явно отсутствует?

Родителей маленьких детей иногда раздражают их бесконечные «почему». (Почему мне нужно ложиться спать? Потому что людям нужно отдыхать. Почему людям нужно отдыхать? Потому что их тела устают. Почему их тела устают? Потому что после того, как мы какое-то время напрягаем мышцы, они перестают работать. Почему они перестают работать? Потому что их топливо — пища, которую мы едим, а потом остается некоторое количество отходов, которые нужно убирать. Почему? Потому что все деградирует, подчиняясь второму закону термодинамики. Почему? Потому что во время Большого взрыва гравитация была в неравновесном состоянии…) В конце концов у вас закончатся ответы. В какой-то момент вы поймете, что уже не можете найти достаточно простое объяснение — вы дошли до дна. И тогда вы скажете: «Просто это так».

Было неясно, является ли T-инвариантность точной характеристикой фундаментальных законов и будет ли польза от поиска ее причин. Она казалась изящным, хотя и немного необычным свойством законов. Т-инвариантность могла оказаться тем самым дном. Большинство физиков так и думали.

Ситуация изменилась в 1964 году, когда Джеймс Кронин, Вал Фитч и их коллеги обнаружили крошечный, непонятный эффект в распадах K-мезонов, нарушающий T-инвариантность. Раз T-инвариантность выполняется не совсем точно, она — еще не дно! Возник очевидный вопрос, требующий дальнейшего изучения: «Почему в природе Т-инвариантность выполняется, но все-таки не совсем точно?» Он оказался очень правильным.

В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава совершили прорыв в поиске теоретического ответа. Они взяли за основу каркас из квантовой теории поля и наших теорий «Ядра» для сил (которые в то время еще не были полностью установлены). Как я упоминал ранее, этот каркас очень жесткий — вы не можете его изменить, не нарушив целостности. Никто не знает, как модифицировать его структуру, не нарушая священных принципов теории относительности, квантовой механики и локальности. Но можно постараться не изменить саму структуру, а сделать к ней «пристройку». Кобаяси и Маскава обнаружили, что добавление третьего поколения кварков и лептонов к двум уже известным позволяет ввести взаимодействие, нарушающее T-инвариантность и порождающее эффект, который наблюдали Кронин и Фитч. Если бы существовали только два известных на тот момент поколения, такой возможности не было бы.

Вскоре частицы из третьего поколения, существование которых предсказали Кобаяси и Маскава, начали обнаруживаться на ускорителях при работе в режиме более высоких энергий. С того момента многие эксперименты подтвердили также существование введенного ими взаимодействия.

Однако это еще не конец истории. Существует еще одно возможное взаимодействие. Оно тоже нарушает T-инвариантность и при этом полностью вписывается в жесткий каркас теорий нашего «Ядра» и квантовой теории поля. Это взаимодействие необязательно для объяснения наблюдений Кронина и Фитча или каких-либо других. Похоже, природа просто его не использует. Почему?

В 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили ответ на третье и, вероятно, последнее «почему» о Т-инвариантности. Этим ответом стала теория эволюции, открывшаяся при расширении «Ядра». Авторы предположили, что сила «ненужного» дополнительного взаимодействия — это не просто параметр, а квантовое поле, которое может меняться в пространстве и времени. Они показали, что если новое поле обладает некоторыми требуемыми, достаточно простыми свойствами, то действующие на него силы будут стремиться обратить его в ноль. Печчеи и Куинн неявно предположили, что ноль и есть предпочтительное значение этого поля, к которому оно, согласно космологии Большого взрыва, эволюционирует.

Это наконец может дать нам удовлетворительный ответ на наши вопросы. Он звучит так: почти точная, но не совсем, T-инвариантность характерна для фундаментальных законов вследствие того, как более глубокие принципы — относительность, квантовая механика и локальность — действуют на основные элементы физического мира.

Эти теоретические идеи имеют серьезнейшие последствия. Мы скоро займемся ими. Но сначала давайте обратимся к темной стороне Вселенной.

Темная материя и темная энергия схожи, поэтому имеет смысл представить их вместе. И то и другое имеет отношение к наблюдаемым движениям, у которых нет очевидной причины. Более точной, хотя и менее запоминающейся характеристикой этих явлений была бы формулировка «необъяснимые ускорения». Определенные закономерности, которые они демонстрируют, заставляют предположить связь с гравитацией из неизвестных источников. Чтобы объяснить все наблюдения, нам нужно было их ввести. По определению ими считаются темная материя и темная энергия.

Я хотел бы подчеркнуть, что ни то ни другое не является «темным» в обычном смысле. Оба явления пока просто невидимы. Из мест, где должно находиться «темное» вещество, не зарегистрированы излучения, не нашли там и поглощения света.

Темная материя может состоять из частиц нового вида, образовавшихся во время Большого взрыва и очень слабо взаимодействующих с прочими. Темная энергия может быть и плотностью самого пространства Вселенной.

Пока это самые популярные гипотезы, которые достаточно убедительно объясняют широкий спектр наблюдений. Есть сторонники и других концепций, но те более спекулятивны.

Подобные проблемы — проблемы скрытых источников ускорений — возникали и раньше в астрономии. Расскажу одну такую историю.

В 1687 году Ньютон представил миру свою механику и закон всемирного тяготения, которые называл «Системой мира». За последующие десятилетия их правильность не раз триумфально подтверждалась. За это время многие астрономы осуществили гораздо более точные наблюдения за движениями небесных тел, а другие исследователи провели гораздо более точные вычисления разнообразных эффектов, вытекающих из ньютоновской теории. Почти все наблюдения соответствовали предсказаниям.

Однако два противоречия нарушали эту благостную картину. Они касались движения Урана и Меркурия. Предсказания теории Ньютона и наблюдаемые положения этих планет расходились. Расхождения были сравнительно небольшими — намного меньше, чем, скажем, размер Луны в небе, но тем не менее вызывали сомнения. Либо в расчетах что-то не учитывалось, либо теория была ошибочной. Загадка требовала ответа.

Когда чрезвычайно успешная во всех прежних ситуациях теория сталкивается с противоречием, первая мысль, которая приходит на ум: чего-то не хватает. Исходя из этого, Джон Коуч Адамс и Урбен Леверье предположили существование еще одной неизвестной планеты, гравитация которой могла сбивать Уран с курса. Другими словами, они предположили, что здесь действует очень специфический вид темной материи.

Адамс и Леверье рассчитали, где должна быть новая планета и где она должна появиться на ночном небе. Леверье сообщил о своем предположении Берлинской обсерватории. И наблюдатели ее увидели. Новую планету, открытую в 1846 году, назвали Нептуном.

Леверье попытался аналогично решить проблему с Меркурием: предположил существование еще одной планеты, которую назвал Вулканом. Вулкан должен был располагаться очень близко к Солнцу, чтобы его гравитация повлияла на Меркурий, но не оказала заметного действия на другие планеты. Это также объяснило бы, почему Вулкан не наблюдался: за мощью солнечного излучения трудно что-либо разглядеть.

Астрономы задались целью обнаружить Вулкан. Особенно тщательно его искали во время солнечных затмений, многие даже сообщали об успехе. Но ни одно наблюдение не убедило научное сообщество, и проблема усугубилась. В итоге решение пришло совсем с другой стороны и многим позже.

Альберт Эйнштейн предложил принципиально новую теорию гравитации. Хотя теория Ньютона и общая теория относительности основаны на радикально разных идеях, они делают много схожих предсказаний. В пределах Солнечной системы, безусловно, самое значительное (но все равно небольшое) расхождение касается движения Меркурия. Одним из первых триумфальных достижений теории Эйнштейна, уже вошедших в его оригинальную статью, была ее способность объяснить наблюдаемое движение Меркурия, не вводя дополнительную планету. Вулкан больше не вспоминали.

Открытие темной энергии потребовало изменения закона тяготения, и Эйнштейн модифицировал его с позиций общей теории относительности. Он учел темную энергию, дав ей другое название — «космологическая постоянная». В рамках концепций общей теории относительности это, по сути, был единственный способ изменить закон тяготения — ввести такой вот «свободный параметр». Когда Эйнштейн работал над уравнением, еще не существовало наблюдений, которые требовали бы ненулевой космологической постоянной, и в духе бритвы Оккама Эйнштейн приравнял ее к нулю. Но она могла бы принять и ненулевое значение, если бы того потребовали наблюдения.

Подводя итог этим историческим параллелям, можно в шутку сказать, что темную материю породил Нептун, а темную энергию — Меркурий. А мораль в том, что у хороших научных загадок часто находятся достойные отгадки.

Современная проблема темной материи затрагивает всю Вселенную. Астрономы сталкиваются со множеством «избыточных» ускорений разных масштабов. Здесь я упомяну два класса наблюдений, которые охватывают десятки, если не сотни документально подтвержденных примеров.

Первый класс касается скорости, с которой звезды и газовые облака на внешних окраинах галактик вращаются вокруг этих галактик. Один из законов Кеплера, который, как мы знаем сегодня, следует из обеих теорий гравитации — Ньютона и Эйнштейна, — связывает скорость вращения по орбите с количеством находящейся у нее внутри массы. Таким образом, по этой скорости можно предположить, как распределяются массы в интересующей нас галактике. Но обнаружилось, что для объяснения наблюдаемых скоростей требуется наличие большой массы в местах, где излучается мало света. Практически все изученные галактики как будто окружены ореолами из темной (невидимой) материи. На самом деле правильнее сказать, что освещенная часть галактики — инородная примесь в облаке темной материи. И гало темной материи в сумме весит примерно в шесть раз больше, чем эта «примесь».

Второй класс наблюдений касается искривления света, или так называемого гравитационного линзирования. Астрономы во многих случаях отмечали, что изображение далеких галактик сильно искажено, как если бы вы смотрели на них через стакан с водой или бутылку из-под колы. В частности, это происходит, когда свет наблюдаемой галактики проходит через область пространства, содержащую кластер других галактик. Общая теория относительности предсказывает, что гравитация должна искривлять свет, поэтому существование гравитационного линзирования неудивительно. Удивителен его масштаб. И для объяснения такого эффекта астрономам нужно, чтобы галактики в кластере весили примерно в шесть раз больше, чем видимые звезды и газовые облака.

Эти и другие наблюдения говорят о том, что темная материя составляет около 25% массы Вселенной. Доля «обычной» материи — той, которую мы понимаем и из которой сделаны, — около 4%. Большая часть того, что остается, — это темная энергия.

Другой класс наблюдений приводит нас к темной энергии. Здесь важна предыстория.

Напомню, Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию гравитации — общую теорию относительности — в 1915 году, а вскоре, в 1917-м, изменил уравнения и ввел в них «космологическую постоянную». Физически введение этого параметра соответствует наделению ненулевой плотностью самого пространства. Ненулевое значение космологической постоянной означает, что каждая единица объема пространства вносит равный, ненулевой вклад в общую массу Вселенной, даже когда (как нам кажется) там ничего нет.

Ненулевая космологическая постоянная легко укладывается в рамки общей теории относительности, не требуя значительного изменения основных ее принципов. Материя искривляет пространство-время так же, как раньше, и так же реагирует на искривление. Космологическая постоянная просто учитывает возможность того, что само пространство-время — материя, которую наша теория позволяет изгибать, толкать и трясти, — также обладает инерцией. Другие возможные вариации общей теории относительности либо чрезмерно искусственны, либо приводят к малым физическим эффектам.

Универсальная плотность космического вакуума, соответствующая космологической постоянной, сопровождается другим специфическим свойством. Вместе с положительной плотностью массы пространства необходимо ввести отрицательное давление, абсолютная величина которого равна плотности, умноженной на квадрат скорости света. Это соотношение между плотностью и давлением для массы, связанной в космосе, и есть аналог соотношения для частиц E = mc², которое связывает их энергию с массой.

В 1990-х годах космологическая постоянная подверглась «ребрендингу» и стала темной энергией. Новое название отражает новое отношение. Современные физики извлекли уроки из понимания других сил и осознали: плотность пространства — не просто параметр, фигурирующий в общей теории относительности и не имеющий иного смысла. Он связан с остальной физикой, и на него могут влиять разные источники. Во Вселенной, наполненной вездесущими квантовыми полями, было бы удивительно, если бы космическое пространство не обладало инерцией.

В 1998 году астрономы «поймали» темную энергию. Точнее, они наблюдали, как скорость расширения Вселенной возрастает, что соответствует отрицательному давлению. Данные получили из измерений красного смещения, подобно тому, как это делал Хаббл, но с использованием сверхновых вместо цефеид — пульсирующих переменных звезд. Сверхновые намного ярче, и их возможно наблюдать на больших расстояниях.

Плотность пространства, которую ученые измерили, по всем меркам крайне мала. Объем пространства, равный объему Земли, весит около 7 миллиграммов. В пределах Солнечной системы или даже Галактики доля массы пустого пространства совершенно ничтожна по сравнению с массой обычной (или темной) материи. Но межгалактические пустоты настолько велики, что эта небольшая, зато рассеянная по всему космосу плотность вносит основной вклад в общую массу Вселенной.

На сегодня считается, что темная энергия составляет около 70% массы Вселенной. Никто не знает, почему несколько различных, гораздо более крупных вкладов от разных источников — и положительных, и отрицательных — вместе приводят именно к такому результату. Это большая космическая загадка.

Понимая, что темная материя и темная энергия в настоящее время составляют (гипотетически) большую часть массы Вселенной, мы можем ожидать, что и в ранней ее истории они играли значительную роль. Но чтобы «прокрутить фильм в обратном направлении» и проверить это предположение, нужно познакомиться с ними ближе.

Вернувшись к Большому взрыву, мы получим шанс узнать о свойствах темной стороны Вселенной. И если здесь мы сделаем какие-то ошибочные предположения, наша модель Большого взрыва не сможет привести к созданию наблюдаемой Вселенной.

Учитывая, сколь мало мы знаем, кажется нереальным вообще предположить, как темная материя и темная энергия могли вести себя в первые моменты после Большого взрыва. К счастью, оказалось, что нам и не нужно знать много. Хватит и некоторых простых догадок.

Во-первых, мы предполагаем, что темная материя состоит из неких частиц, которые слабо взаимодействуют как друг с другом, так и с обычной материей. Вначале темная материя находилась в равновесии с остальной частью космического огненного шара, но почти сразу отделилась, превратившись в долгоживущее послесвечение того типа, который мы обсуждали в . Тонкий момент, из-за которого более ранние предположения о темной материи провалились, заключается в том, что, отделившись, ее частицы должны были двигаться намного медленнее скорости света. Поскольку (по предположению) гравитация — единственная значимая сила и она одинаково действует на любую материю, это все, что нам нужно знать. Мы можем вычислить, как движется темная материя, отделившаяся от прочей, и как она влияет на Вселенную. Это так называемая модель холодной темной материи.

Во-вторых, мы принимаем идею Эйнштейна о том, что темная энергия представляет собой универсальную плотность самого пространства и связана с универсальным отрицательным давлением.

Теперь мы можем проследить эволюцию контрастов плотности в реликтовом излучении, возникшем через 380 000 лет после Большого взрыва, — и сделать это вплоть до настоящего времени. Добавление темной материи заставляет нестабильность развиваться быстрее; при включении ее в расчеты модельная Вселенная эволюционирует и становится похожей на нашу. Таким образом, темная сторона Вселенной позволяет нам подтвердить прогнозы, полученные в рамках космологической модели Большого взрыва: начав с зародышевых контрастов плотности и учтя гравитационную нестабильность, мы можем воссоздать структуру Вселенной, наблюдаемую сегодня.

Подростком я иногда сопровождал маму в походах в супермаркет. Во время одного из них я заметил стиральный порошок Axion и подумал, что это хорошее название для элементарной частицы. Слово было коротким, запоминающимся и хорошо сочеталось с названиями «протон», «нейтрон», «электрон» и «пион». Мелькнула мысль, что если у меня когда-либо появится шанс назвать частицу, то я назову ее «аксион». В 1978 году шанс появился. Я понял, что идея Печчеи — Куинн о введении нового квантового поля имела важное следствие, которое они не заметили.

Как мы обсуждали ранее, квантовым полям соответствуют частицы — их кванты. И именно этому полю соответствовала необычайно интересная частица. У нее была интригующая техническая особенность — устранение проблемы с аксиальным током. Звезды сошлись, и аксионы вошли в мир — по крайней мере, в мир физической литературы. Между прочим, с этим названием никогда бы не согласились редакторы Physical Review Letters и, возможно, создатели моющего средства Axion, если бы я еще до публикации сболтнул лишнего о том, что в действительности вдохновило меня на такое название. Так что я просто сослался на аксиальный ток.

Аксионы обладают свойствами, необходимыми для того, чтобы образовать космологическую темную материю. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с прочими частицами. Аксионы образовались при высокой температуре, а позже высвободились из космического огненного шара. Их долгоживущее послесвечение заполняет Вселенную. Расчетная плотность фона аксионов согласуется с наблюдаемой плотностью темной материи, а в момент образования они были почти неподвижны. Таким образом, они удовлетворяют требованиям космологической теории «холодной темной материи».

Красивая версия, но правдивая ли? Да, аксионы слабо взаимодействуют с материей, но теория говорит нам, что они с ней все-таки взаимодействуют, и рассказывает, каким образом. Чтобы обнаружить фоновое аксионное излучение, нам потребуется разработать новые чувствительные детекторы. Сотни физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов, работают сегодня над этой задачей. Если есть в мире справедливость и если нам улыбнется удача, мы вскоре добьемся успеха, достойного встать в ряд с открытиями Нептуна, космического микроволнового излучения, частицы Хиггса, гравитационных волн и экзопланет. Часто разгадки научных тайн несут огромную ценность.

Упомянутый нами Вал Фитч, один из первооткрывателей нарушения Т-инвариантности, был мудрым человеком с тонким чувством юмора. Когда в начале карьеры я профессорствовал на физическом факультете Принстонского университета, он был там деканом. Рассказывая ему о возникших у меня идеях насчет аксионов и темной материи, я рассуждал о нарушении Т-симметрии, как если бы это был факт из древней истории. В то время я не знал ничего иного. В какой-то момент он мягко улыбнулся и сказал: «Вчерашняя сенсация сегодня становится нормой».

Такова судьба всех успешно разгаданных научных загадок. Я пережил это и сам, работая над проблемой асимптотической свободы и теорией КХД (квантовой хромодинамики). В первые годы после нашего прорыва было много шума и сомнений, всех волновал вопрос, действительно ли тайна сильных взаимодействий раскрыта. На крупных международных конференциях доклады по теме «Проверка теории КХД», где сообщалось об использовании теории для предсказаний и ее экспериментальной проверке, были гвоздем программы. Но по мере того, как сомнения исчезали, постепенно утихал и ажиотаж. Сегодня работы такого сорта, но гораздо более сложные, считаются ординарными. Это называется фоновыми вычислениями. Вчерашняя сенсация — это сегодняшняя норма и завтрашняя история.

Помимо будущего конкретных загадок, есть интересные вопросы о том, что ждет загадки вообще.

Фонд Математического института Клэя предложил приз в размере миллиона долларов за доказательство того, что теория КХД предсказывает конфайнмент — удержание кварков. У физиков более низкие — или, скорее, другие — стандарты. По-моему, мы сделали большее. С помощью компьютеров мы можем практически безошибочно рассчитать, какие частицы возникают в теории КХД. Изолированных кварков среди них нет. И действительно, расчеты дают нам частицы с теми массами и свойствами, которые мы наблюдаем в Природе — ни больше ни меньше. Должен ли получить приз суперкомпьютер? Или работающие на нем программисты?

В 2017 году в AlphaZero — новейшую программу на основе искусственных нейронных сетей — ввели правила игры в шахматы. После этого она несколько часов играла сама с собой, училась на собственном опыте и достигла сверхчеловеческого мастерства. И что, AlphaZero понимает, что такое шахматы? Если вы хотите ответить «нет», я отсылаю вас к Эмануилу Ласкеру, многократному чемпиону мира по шахматам с 1894 по 1921 год.

Подобные примеры показывают, что есть способы познания, недоступные людям. Но на самом деле это не новость.

Геномы людей и других земных существ — большое хранилище бессознательных знаний. Мы решили множество сложных проблем, возникающих при создании жизнеспособных организмов, и выполнили трюки, которые и представить не может техническая мысль. Мы «научились» этому в ходе длительной, неэффективной биологической эволюции, а не с помощью логических рассуждений. И мы определенно не знаем на сознательном уровне всего, что знаем. Например, как с огромной скоростью обрабатывать визуальную информацию или как заставлять тело оставаться в вертикальном положении, ходить и бегать.

Способность наших машин выполнять длительные, но точные вычисления, хранить огромное количество информации и чрезвычайно быстро учиться на практике уже открывает новые возможности понимания. Они будут сдвигать границы познания в таких направлениях и позволят забираться в такие места, которые без их помощи недоступны для человеческого мозга. И они, конечно, помогут нам в исследованиях.

Особое качество людей, которого нет ни у эволюционного механизма, ни (пока что) у машин, — способность распознавать пробелы в нашем понимании и получать удовольствие от их заполнения. Это ценное и мощное наше свойство — умение видеть загадки. И оно дает нам немало преимуществ.