В 1969 году Мартин Рис еще не стал королевским астрономом, лордом Рисом, бароном Ладлоу. Он был постдоком-космологом в Кембриджском университете, размышлял о конце всего и опубликовал шестистраничную статью под названием «The Collapse of the Universe: An Eschatological Study» (Коллапс Вселенной: эсхатологическое исследование), которую он же впоследствии назвал «довольно забавной». Во введении Рис заявил, что хотя данные наблюдений пока не однозначны, они указывают, что «Вселенной суждено коллапсировать. Все структурные особенности космической сцены будут уничтожены в процессе этого разрушительного сжатия». Думаю, что самым забавным в своей работе Рису показалось то, что, согласно его вычислениям, в ходе грядущего коллапса звезды могут быть уничтожены фоновым излучением извне. А кого может не позабавить мысль о возгорании звезд?

Несмотря на аргументы, приведенные Рисом в пользу теории Большого сжатия, данные оставались неоднозначными на протяжении нескольких десятилетий, поэтому было неясно, является ли Вселенная замкнутой (обреченной на сжатие) или открытой (вечно расширяющейся). В 1979 году Фримен Дайсон из института перспективных исследований в Принстоне решил исследовать другую сторону вопроса, заявив: «Я не буду подробно обсуждать модель замкнутой Вселенной, поскольку сама мысль о существовании в коробке вызывает у меня приступ клаустрофобии». Модель открытой Вселенной представлялась ему более привлекательной и просторной альтернативой. В своей статье «Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe» (Время без конца: физика и биология в открытой Вселенной) он представил количественные предсказания и проанализировал значимость идеи открытой Вселенной для человечества, разработав метод, с помощью которого будущие жители космоса, регулируя свою деятельность и периодически впадая в спячку, могли бы бесконечно продолжать свое существование в вечно расширяющемся космосе. Несмотря на то что большая часть статьи была посвящена расчетам и обсуждению теоретических вопросов, во введении он довольно резко раскритиковал сообщество физиков за пренебрежение темой конца Вселенной. «Изучение далекого будущего сегодня кажется столь же сомнительным занятием, каким тридцать лет назад казалось исследование далекого прошлого», – писал он, подразумевая нехватку серьезных работ по данной теме. Затем последовал его космологический призыв к оружию: «Если анализ отдаленного будущего поднимет вопросы, связанные с конечным смыслом и целью жизни, давайте исследуем их смело и без смущения».

Я не могу сказать, что космическая эсхатология наконец получила должный уровень признания как академическая дисциплина. В научной литературе по-прежнему очень редко встречаются статьи, в которых наша возможная судьба исследовалась бы с той же строгостью и глубиной, что и наше происхождение. Тем не менее, изучение обоих концов временной шкалы помогает нам по-разному исследовать принципы, лежащие в основе наших физических теорий. Помимо понимания нашего будущего или прошлого, они могут помочь нам осознать фундаментальную природу самой реальности.

«Размышления о конце Вселенной, так же как и о ее начале, позволяют вам лучше понимать происходящее в настоящий момент и проводить более точную экстраполяцию. Я считаю, что экстраполяция играет огромную роль в области фундаментальной физики», – заявила Хиранья Пейрис, космолог из университетского колледжа Лондона. В 2003 году она возглавила одну из команд, занимавшуюся интерпретацией первой детальной карты реликтового излучения, полученной с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). С тех пор Пейрис продолжает работу на переднем крае наблюдательной космологии. В последние годы она подумывает об использовании данных наблюдений, симуляций и настольных моделей для проверки некоторых ключевых аспектов физики ранней и поздней Вселенной, таких как возникновение «пузырьковых Вселенных» на стадии космической инфляции и механика распада вакуума. При изучении всех этих вопросов она руководствуется одной и той же мотивацией. «Я считаю, что этот период требует всестороннего осмысления. Пока неясно, как то, что мы делаем сейчас, соотносится с этими периодами, но я думаю, что выполнение такой работы позволит нам кое-что узнать о фундаментальной теории».

Нам, безусловно, предстоит многому научиться. В настоящее время космология и физика элементарных частиц находятся в неловком положении, поскольку обе области в некотором смысле являются жертвами собственного успеха. Каждое направление предусматривает точное и всестороннее описание мира, которое очень хорошо работает в том смысле, что до сих пор нам не удалось найти ничего, что бы ему противоречило. Однако недостаток в том, что мы понятия не имеем, почему эти описания работают.

В настоящее время в космологии царит парадигма под названием «модель соответствия», или «модель Лямбда-CDM». Согласно ей, Вселенная состоит из четырех основных компонентов: излучения, обычной материи, темной материи (в частности, «холодной» темной материи, CDM (Cold Dark Matter)) и темной энергии в форме космологической постоянной (обозначаемой в уравнениях греческой буквой лямбда, Л). Количества всех этих компонентов точно измерены, и в настоящее время на космологическую постоянную приходится самый большой кусок космического пирога. Мы хорошо понимаем, как их соотношение менялось по мере расширения Вселенной, и у нас есть подробное описание самых ранних этапов, включая период очень быстрого расширения, называемого инфляцией. Кроме того, у нас есть проверенная теория гравитации – эйнштейновская общая теория относительности, которая в модели Лямбда-CDM считается абсолютно правильной. Учитывая, что космологическая постоянная в настоящее время играет важнейшую роль в эволюции космоса, в рамках этой парадигмы мы можем использовать наше понимание гравитации и компонентов Вселенной для предсказания будущего нашего космоса. И это неминуемо подводит нас к выводу о том, что в далеком будущем Вселенной грозит тепловая смерть.

Проблема модели соответствия заключается в абсолютной загадочности наиболее важных ее элементов – темной материи, космологической постоянной и инфляции. Мы не знаем, что такое темная материя; мы не знаем, как произошла инфляция (и действительно ли она имела место); мы не можем объяснить существование космологической постоянной и того, почему она имеет значение, противоречащее физике элементарных частиц. В то же время мы не нашли в данных ничего, что опровергало бы эту модель. У нас нет доказательств, что темная энергия каким-либо образом эволюционирует (это шло бы вразрез с космологической постоянной), ничто не говорит о том, что темную материю можно обнаружить экспериментально (правда, доказательств обратного тоже нет), и за 100 лет в ходе множества экспериментов мы ни разу не видели, чтобы поведение гравитации противоречило общей теории относительности Эйнштейна.

Эндрю Понцен, коллега и соавтор Пейрис (и мой бывший сосед по офису в Кембридже), исследует теоретические аспекты темной материи и уже представил ряд новаторских решений для объяснения формы, которую принимает темная материя в галактиках. По его словам, мы довольно хорошо разбираемся в космологии в том смысле, что наши данные вполне соответствуют модели, включающей темную материю и темную энергию, и, скорее всего, в будущем это не изменится. Нам известно количество и поведение каждого компонента Вселенной. С другой стороны, мы не знаем, как связать темную материю или темную энергию, на которые приходится 95 % массы Вселенной, с фундаментальной физикой. «В этом смысле мы вообще ничего не понимаем», – заявил он.

Между тем, в области физики элементарных частиц дела обстоят не менее удручающе. Еще в 1970-х годах ученые разработали Стандартную модель физики элементарных частиц для описания всех известных частиц: кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонов, к которым относятся нейтрино, электрон и их сородичи, и так называемых калибровочных бозонов, переносчиков фундаментальных взаимодействий (электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия). Несмотря на некоторые незначительные корректировки, такие как превращение нейтрино из абсолютно безмассовой в очень легкую частицу, Стандартная модель оказалась фантастически успешной и с блеском выдержала все экспериментальные испытания. Она даже позволила предсказать существование бозона Хиггса, недостающей части головоломки. За прошедшие годы в ходе экспериментов с частицами мы не обнаружили ничего, что не предсказано Стандартной моделью.

Можно было бы подумать, что это настоящий триумф. Теория работает! Все происходит так, как мы и предсказывали!

Почему же мы просто не наслаждаемся своими блестящими успехами?

Потому что это в некотором смысле наихудший сценарий. Несмотря на то что Стандартная модель отлично соответствует результатам экспериментов, мы знаем, что в ней, как и в космологической модели Лямбда-CDM, отсутствуют некоторые очень важные компоненты.

Помимо того, что эта модель вообще ничего не говорит о темной материи или темной энергии, ей свойственны так называемые «проблемы тонкой настройки» параметров Вселенной, без которой разумная жизнь не могла бы существовать. В идеале у нас должна быть некая теоретическая основа, объясняющая, почему параметр принял то или иное значение. Когда единственным объяснением является аргумент вроде «в противном случае с нами случится что-то плохое» или, что еще хуже, «так показали измерения», это очень обескураживает.

На протяжении нескольких десятилетий мы надеялись перейти от подтверждения важных аспектов Стандартной модели к поиску границ ее применимости, а затем сделать открытия с использованием модели, пришедшей ей на смену. В 1970-х годах для исправления теоретических недостатков Стандартной модели была предложена модель под названием «суперсимметрия» (сокращенно SUSY), предусматривающая новые математические связи между различными типами частиц и объясняющая странную структуру Стандартной модели и ее параметров. Она также предполагала существование целого ряда новых частиц («суперсимметричных партнеров» для частиц Стандартной модели), которые могли быть получены в результате столкновений чуть более высокой энергии по сравнению с достижимой в коллайдерах того времени. Кроме того, суперсимметрия считалась еще одним шагом в направлении многообещающей теории струн, которая должна была объединить гравитацию и квантовую механику в единое целое.

К сожалению, несмотря на многолетнюю работу по улучшению и модернизации ускорителя БАК, мы так и не увидели никаких признаков обещанных суперсимметричных частиц. Некоторые физики продолжали надеяться на суперсимметрию, предлагая корректировки, затрудняющие поиск новых частиц, но в какой-то момент они стали столь экстремальными, что в суперсимметрии появилось столько же теоретических проблем, как и в Стандартной модели. А сигнал до сих пор не обнаружен. Время от времени возникает волнение, вызванное физиками, спешащими объяснить неожиданные события, произошедшие в одном из детекторов ускорителя частиц. Однако до сих пор все эти странности в данных представляли собой лишь статистическую случайность, не воспроизводимую в ходе последующих экспериментов.

Вот что сказала мне по этому поводу Фрейя Блэкман, физик-экспериментатор, занимающаяся анализом данных БАК на предмет того, что выходит за рамки Стандартной модели: «За двадцать лет работы в этой области я была свидетелем многочисленных крайностей, а также появления и дальнейшего опровержения многих популярных моделей. Побеседовав с людьми, вы можете заметить, что некоторые из них разочарованы, поскольку им очень долго говорили, что они уже давно должны были что-то обнаружить. А эксперименты не показывают ничего, что выходило бы за рамки Стандартной модели». Однако, по ее мнению, это разочарование неуместно. Не потому, что люди не видят подсказок, которые на самом деле там есть, а просто потому, что никто не гарантировал, что эти эксперименты позволят обнаружить что-то новое.

Тем не менее отсутствие ориентиров в результатах экспериментов может вызвать у некоторых исследователей достаточно сильный дискомфорт, чтобы заставить их бросить физику элементарных частиц и заняться космологией. Именно так и поступил Педро Феррейра, космолог из Оксфордского университета, который во время обучения в докторантуре переключился с квантовой гравитации на космологию и теперь изучает реликтовое излучение и общую теорию относительности в астрофизике, надеясь обнаружить в этих областях более многообещающие идеи. «В физике элементарных частиц с 1973 года не происходило никаких революционных открытий, которые можно было бы проверить экспериментально», – сказал он. В этой области появилось много новых теоретических идей, и некоторые из них казались довольно многообещающими, но без четких экспериментальных доказательств существования чего-то, выходящего за рамки Стандартной модели, было трудно понять, куда двигаться дальше и какое из многочисленных предположений, скорее всего, является правильным. «Мы собрали так много замечательных данных, но решили ли мы проблему квантовой гравитации? Я так не думаю. Да и как мы вообще можем узнать, решили мы ее или нет?»

К счастью, ученые не сдаются. Я поговорила с десятками космологов и специалистов по физике элементарных частиц о перспективах развития теоретической физики, космологии и Вселенной в целом, и хотя не услышала единого мнения об оптимальном подходе, мне все-таки удалось выявить пару общих тем. Одной из них является диверсификация: в каких бы крупных международных экспериментах или наблюдательных программах мы ни решили участвовать, важно диверсифицировать применяемые подходы и предлагать идеи, позволяющие по-новому взглянуть на старые проблемы (и это касается как теории, так и сбора данных). Другая тема сводится к тому, что нам следует собирать как можно больше новых данных и анализировать их всеми возможными способами.

Клиффорд В. Джонсон, физик-теоретик из университета Южной Калифорнии, занимается теорией струн, черными дырами, дополнительными измерениями пространства и нюансами энтропии. Из тех, кого я знаю, он, вероятно, глубже всех погружен в чистую теорию, и его очень радует современная ситуация с данными. «По-моему, нам не хватает хорошей общей идеи, но недостатка в источниках данных у нас не наблюдается, – сказал он. – Это напоминает мне о днях, предшествовавших формулированию квантовой теории». В те дни представления о структуре атомов и ядер сыпались как из рога изобилия, но ни одно из них не было достаточно убедительным. «Но затем мы получили все эти замечательные данные, благодаря которым теория в итоге начала обретать форму. Не вижу причин, почему бы этому не повториться. Судя по истории развития науки, именно так это и работает».

Итак, давайте поговорим о данных. О том, что и как мы исследуем в космологии и физике элементарных частиц. Что это может рассказать нам о физике современной Вселенной и ее возможном конце. А затем опять дадим слово теоретикам, чтобы познакомиться с некоторыми из наиболее невероятных обсуждаемых ими концепций.