Если научная фантастика прошлых лет имеет хоть какое-нибудь значение, наша планета уже давно должна была бы кишмя кишеть киборгами, которые чуть что размахивают лазерными мечами, превращаются в огнеметы и питаются зелеными пищевыми концентратами из планктона. У нас есть ОРЯ-навигация и беспроводные клавиатуры, но где наши колонии на Луне? И нельзя винить в этом писателей-фантастов. Предсказать будущее очень трудно. Например, кто мог предсказать, что мы будем рассуждать о десятимерном пространстве или об ускорении Вселенной, состоящей в основном из темной материи и темной энергии?
Мы посвятили много времени описанию нынешнего положения дел в физике, но то и дело были вынуждены украдкой отходить от определенных заявлений и предаваться робким спекуляциям. Невежество — хорошая отправная точка, и мы выявили в наших теориях ограничения. Вероятно, мы сумеем от них избавиться, если подберем нужные инструменты[134].
Так что пристегните портативные реактивные двигатели: последнюю главу книги мы посвятим судьбоносным вопросам, на которые, как мы надеемся — нет, как мы предсказываем! — мы сможем ответить в ближайшие двадцать лет.
Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи, которая не взаимодействует со светом (потому и темная), но является источником гравитации (потому и материя). Иначе говоря, это название если что и описывает, то лишь наше невежество. Это, прямо скажем, немногим лучше, чем заявить, будто гравитацию наколдовали феи.
Кое-кто из сообщества физиков сильно сомневается, что темная материя действительно существует, поскольку никаких частиц темной материи мы до сих пор не открыли. Астрофизики, в конце концов, честно делают свое дело и предлагают самые простые объяснения того, что они наблюдают, но ведь это не означает, что они обязательно правы. «Очевидная» на первый взгляд интерпретация не раз и не два оказывалась ошибочной. Очевидно, что планеты и звезды движутся вокруг Земли, и так и считали до 1500-х годов, когда Коперник предположил, что это Земля движется вокруг Солнца.
Некоторые скептики так рвутся избавиться от идеи темной материи, что предполагают нечто немыслимое — Или почти немыслимое: они заявляют, что Ньютон и Эйнштейн заблуждались. Было предложено множество теорий, которые пытаются подогнать эйнштейновские уравнения гравитации под данные наблюдений без опоры на всю эту жуткую темную материю. В последние годы большой интерес вызывали теории модифицированной ньютоновой динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир»[135].
Основной ее принцип гласит, что на небольших масштабах, например в Солнечной системе и на Земле, гравитация действует именно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн, однако на более крупных расстояниях, например в масштабе галактик и больше, все обстоит несколько иначе.
Мы не собираемся отстаивать общую теорию относительности только потому, что это любимое детище Эйнштейна. Он много в чем ошибался[136].
С другой стороны, общая теория относительности крайне «элегантна», а на жаргоне физиков это означает, что поскольку уравнения так просты, трудно представить себе, что они неверны. А принять MOND в ее нынешнем виде нам трудно, поскольку она предлагает вместо одной необъяснимой константы (количество темной материи) другую (масштаб, на котором гравитация из «нормальной» становится «модифицированной»).
Хуже того, при помощи MOND очень трудно объяснить все наблюдения, согласующиеся с наличием темной материи. MOND великолепно отвечает на вопрос, который стоит перед нами уже сто лет и заключается в том, что во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать вместе галактики и скопления звезд. Поскольку MOND решает эту задачу, нам не нужна никакая темная материя — по крайней мере так говорят.
Но и это еще не все! Наблюдения некоторых звездных скоплений, в частности скопления «Пуля», при помощи метода гравитационных линз недвусмысленно показывают, что существуют крупные объемы материи, никак не связанные ни со звездами, ни с газом. Наблюдения далеких сверхновых доказывают, что темпы расширения Вселенной меняются со временем, намекая на то, что материи в ней гораздо больше» чем объясняет наличие одной только барионной материи. Наконец, все свидетельствует о том, что с космологической точки зрения Вселенная плоская — что, в свою очередь, лишний раз подтверждает, что 85 % массы Вселенной — темная.
Мы готовы поставить все наши деньги за то, что существует частица, на которой ясно написано «темная материя», — частица, которая, как сказали бы французы, станет le fin du MOND — «концом света».
Примем за данность, что темная материя существует, но умеет ловко прятаться. Хотя мы еще не знаем, что такое темная материя, мы кое-что знаем о том, чем она быть не может. Заряда у нее нет, иначе она бы взаимодействовала со светом. Кроме того, это означает, что ее нельзя ощутить. Все, что вам случалось трогать, как-то «ощущается», поскольку электрические поля вашей руки отталкиваются от электрических полей всего того, что вы пытаетесь потрогать. Если нет электрического поля, ваша рука пройдет сквозь предмет, а вы ничего и не заметите.
В стандартной модели физики имеется лишь две известные частицы, которые можно подозревать в причастности к темной материи, — нейтрино и нейтрон. К сожалению, нейтрино обладает слишком маленькой массой, а одинокие нейтроны распадаются минут через десять. Поскольку Вселенная несколько старше, нейтроны — не совсем то, что мы ищем. Может показаться, будто на данный момент у нас нет верного кандидата, но не надо забывать, что физики необычайно хитроумны, и хотя пока что налицо дефицит частиц темной материи, нет никаких причин полагать, что мы ничего не придумаем[137].
В число частиц-подозреваемых вошли аксионы, миниатюрные черные дыры, монополи Дирака, крупицы кварков (quark nuggets) и многие другие. Некоторых подозреваемых, например черные дыры или монополи Дирака, оправдали на основании наблюдательных и экспериментальных данных, но подтвердить обвинение в темных делишках еще ни разу не удалось — даже отдаленно.
Однако многие физики-ядерщики полагают, что во Вселенной существуют так называемые WIMP — причем в огромных количествах. Слово wimp означает «нытик», но наши WIMP — это вовсе не жертвы школьной травли с вечно хлюпающими носами и бесперебойные источники карманных денег, a Weakly Interacting Massive Particles, то есть массивные частицы слабого взаимодействия; в очередной раз название описывает все то, что мы и так не знаем. Темная материя, конечно, обладает массой, а поскольку она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, то резонно предположить, что она участвует в слабом[138].
Итак, WIMP — хорошее название в том смысле, что оно описательное, но плохое в том смысле, что оно нам почти ничего не говорит. Перед теоретической физикой стоит задача предсказать, что такое WIMP. В нашем случае предсказать означает не просто заявить, что они существуют. Хорошая теория должна рассказать, какая у WIMP масса, с какими частицами и как часто они взаимодействуют, когда и как образовались.
Фаворит наших гонок на звание WIMP следует традиции, согласно которой физики выдумывают частицы, очень похожие на другие частицы. Классический пример — нейтрон. До 1920 года наука знала всего две «фундаментальные» частицы — протон, носитель положительного заряда, и электрон, заряженный отрицательно. В то время ученые могли измерить характеристики атомных ядер, и водород, например, обладал зарядом +1, а гелий — +2. «Очевидный» вывод (основанный на данных химии) гласил, что водород состоит из одного протона, а гелий — из двух, и если бы это было так, то гелий был бы вдвое массивнее водорода. А на самом деле гелий массивнее водорода в четыре раза.
Обширный опыт изучения естественных наук позволил Эрнесту Резерфорду сделать блестящее умозаключение, что четыре больше двух. Он предсказал существование злектрически нейтральной частицы, обладающей примерно той же массой, что и протон, и впоследствии эта частица получила название «нейтрон». Нам-то теперь кажется, будто все очевидно, но на самом деле это было смелое заявление. Нейтрон, подобно темной материи, не взаимодействует со светом, а значит, увидеть его нельзя. Лишь спустя 12 лет Джеймс Чедвик наконец пронаблюдал нейтрон в лабораторных условиях — и оказалось, что эта частица обладает именно теми качествами, которые предсказал Резерфорд.
Как видите, история знает много случаев, когда выдающиеся открытия начинались с того, что физики говорили: «Гм… Если бы у нас была частица, которая выглядела бы почти как вот эта, все бы замечательно сошлось с ответом… А вдруг существует неуловимая частица — и хотя мы ее почему-то не видим, она должна быть вот такой и вот такой». Такой подход, как в случае с нейтроном Резерфорда, иногда выявляет новые частицы, которые значительно упрощают картину[139].
Физики любят симметрию, в чем мы с неудовольствием убедились в главе 4. Согласно стандартной модели, существуют шесть разных кварков и шесть разных лептонов, и каждую из этих групп можно подразделить на две группы по три частицы. В случае лептонов у нас есть три (нейтральных) нейтрино и (заряженные) электрон, мюон и тау-частица. Более того, у каждой частицы есть античастица — причем их свойства практически идентичны, и только заряд противоположен. Существует множество разных способов сгруппировать частицы — но почти всегда в конце концов мы получаем группы с равным количеством частиц. Но в одном случае симметрия дает сбой. Стандартная модель подразделяет все частицы на две группы.
1. Фермионы — составляющие материи. В число фермионов входят кварки, электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — и все эти частицы, как мы только что говорили, образуют чарующе симметричную картину.
2. Бозоны — переносчики взаимодействий. Это частицы, которые переносят различные силы. В число бозонов входят фотоны, глюоны, частицы W и Z, а также гравитон и частица Хиггса, если они существуют.
Если мы все подсчитаем, получится, что с учетом частиц и античастиц существует 28 бозонов — и целых 90 разных фермионов! Пусть количество «фундаментальных» частиц вас не пугает: большинство из них более или менее идентичны друг другу и различаются лишь несущественными деталями — например, цветом, как кварки.
Тем не менее тот факт, что количество фермионов не совпадает с количеством бозонов, откровенно обескураживает многих физиков. Почему частицы материи (фермионы) полностью отделены от сил (бозонов)? Если они две стороны одной медали, значит, фермионов должно быть в точности столько же, сколько и бозонов. Эта идея известна под названием «суперсимметрия» и предполагает, что существует уйма частиц, которых мы никогда не видели. Поскольку все эти частицы полностью гипотетичны, мы даем им смешные названия, похожие на марки макарон: «гравитино», «нейтрадино» (очередной кандидат на звание темной материи) и (наша любимая частица — уж больно остроумное у нее название) «вино» с ударением на «и» — суперсимметричный партнер W-частицы.
Эти частицы ведут себя почти как их обычные частицы-партнеры. Если бы суперсимметрия действительно была совершенной симметрией, тогда частица вино[140] обладала бы той же массой, что и частица W, селектрон[141] — той же массой, что и электрон, и так далее.
Разумеется, если бы это было так, мы уже давно получили бы эти частицы в наших ускорителях. Бели суперсимметрия существует, то она должна быть неполной — а значит, суперсимметричные партнеры, скорее всего, куда массивнее оригиналов.
Суперсимметричные частицы, подобно нейтрону, умели распадаться. Подобно тому, как массивные частицы распадаются на более легкие, вероятно, сейчас остались только легкие, поскольку им не на что распадаться. Все они называются общим термином «легчайшие суперсимметричные частицы» (Lightest Super symmetric Particles, LSP), и многие физики полагают, что это нейтралино. Если эта частица существует, то не исключено, что это и есть та самая частица темной материи, которую мы ищем.
Но мы обязаны сделать одно важное уточнение. На сегодняшний день данные наблюдений не дают ни малейших свидетельств, подтверждающих правильность суперсимметрии. Это физика «за пределами стандартной модели», а значит, объяснить все известные нам факты физики частиц можно и без суперсимметрии. Однако в прошлом мы великолепно подмечали симметрии, и всегда есть шанс, что симметрия и впредь поможет нам расширить свои знания о Вселенной.
Так из чего же состоит темная материя — из LSP или из чего-нибудь еще? Если темная материя состоит из каких-то разновидностей WIMP, обнаружить их будет относительно несложно — вот почему мы так уверены, что их откроют в ближайшие несколько десятилетий. Произведем краткий обзор состояния наших знаний на сегодняшний день. Мы с очень хорошей точностью знаем плотность массы темной материи во Вселенной, так что или у нас очень много легких WIMP, или относительно мало очень массивных. Мы точно знаем, что WIMP не могут быть слишком легкими, меньше массы протона, поскольку уже построили множество ускорителей, способных создавать легкие частицы, но пока что никаких WIMP не видели.
С другой стороны, WIMP могут быть очень тяжелыми и при этом не противоречить космологическим наблюдениям. Как мы уже объяснили, было жизненно необходимо, чтобы WIMP на ранних стадиях развития Вселенной умели превращаться в обычную материю, которую мы наблюдаем теперь, и наоборот, что задает нижний предел того, насколько темная материя способна взаимодействовать с обычной. Этот нижний предел взаимодействия задает и верхний предел массы частицы темной материи — она составляет 40 тысяч масс протона, хотя это очень завышенная оценка, поскольку большинство теорий предсказывают, что масса WIMP составляет меньше тысячи масс протона.
Нам нужно вычислить массу частицы темной материи и разобраться, в каких взаимодействиях эта частица участвует, а потом посмотреть, соответствуют ли эти данные суперсимметрии, теории струн или еще чему-нибудь. Однако получить частицы темной материи экспериментально очень трудно, поскольку они буквально утекают сквозь пальцы. Тем не менее мы располагаем несколькими способами узнать их характеристики.
1. Сделайте их сами.
В главе 4 мы уделили много времени разговору о том, как создавать в ускорителях массивные частицы вроде частицы Хиггса. А вдруг там можно создать и частицы темной материи? Конечно, частицы темной материи, как и нейтральную частицу Хиггса, руками не потрогаешь и на стол не положишь, но мысль эта здравая. Столкните друг с другом две частицы с достаточной энергией — и рано или поздно вы получите WIMP. Однако измерение их массы будет основано на том, чего мы не видим. Массой WIMP будет энергия, недостающая в балансе энергии столкновения (и масс сталкивающихся частиц) и энергий (и масс) вылетевших частиц.
2. Их полно кругом!
Мы уже говорили и снова повторим[142], что буквально купаемся в темной материи, но не в состоянии засечь ее прямо, не считая гравитации (которая у отдельных частиц пренебрежимо мала) или слабого взаимодействия (которое вообще пренебрежимо мало, и точка).
Тем не менее кое-что нам под силу — например, сделать ванны из жидкости, которая, будучи предоставлена сама себе, ни с чем не взаимодействует. Едва ли не самое масштабное мероприятие такого рода — это проект XENON100, в котором участвует около 120 килограммов жидкого ксенона. Ксенон выбран потому, что в нормальных условиях он не взаимодействует с другими материалами и не распадается. По мысли исследователей, если поместить детекторы глубоко под землю и внимательно следить, чтобы туда не попадали космические лучи, то при нормальных обстоятельствах необъяснимых сигналов быть не должно.
Установив ванны и детекторы, ученые просто сидят и ждут, когда мимо проскочат частицы темной материи. Может статься, такая частица ударит в протон, а протон выдаст излучение, которое удастся засечь. Пока что ни одной частицы мы не видели, но возлагаем большие надежды на детекторы нового поколения — которые куда чувствительнее.
3. Пусть Вселенная потрудится за вас.
Главное в WIMP — то, что их полным-полно[143], пространство ими так и кишит.
Как бы слабо они ни взаимодействовали, они все же вступают во взаимодействия. Что будет, если столкнуть WIMP и анти-WIMP? Как правило, ничего. Скорее всего они просто пройдут друг сквозь друга. А может быть, сделают то же самое, что делали все частицы и античастицы с начала времен, — уничтожат друг друга, и создадут гамма-излучение. Если направить телескопы в нужную сторону, мы, вероятно, увидим свет, возникший в результате этих столкновений.
Предположительно смотреть стоит именно в ту сторону, где больше массы. Беда в том, что при таком подходе массу следует искать именно в центре галактики, а там происходит много других событий — например, в центральную черную дыру падает вещество, — отчего тоже возникает высокоэнергичное гамма-излучение. Отличить сигнал от помех будет очень трудно, поэтому пока что достоверных наблюдений сделано не было.
В 2008 году НАСА в сотрудничестве с министерствами энергетики США, Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции запустило на орбиту гамма-обсерваторию им. Ферми. Этот космический телескоп позволит нам исследовать центр галактики, а также звездные скопления, потенциальные черные дыры и другие излюбленные места обитания темной материи.
Хотите верьте, хотите нет, а у темной материи остается все меньше тайных убежищ.
Мы, создатели «Руководства», считаем себя психологами-любителями[144].
Мы предполагаем» что люди увлекаются физикой, потому что боятся катаклизмов, черных дыр и конца света либо надеются все о них узнать. Ведь и вы, проезжая мимо автомобильных аварий, всегда притормаживаете, чтобы посмотреть, правда?
Мы не станем подвергать ваши стимулы сомнению, поскольку они такие же, как у нас, и неважно, здоровые они или нет. Мы уже уделили много времени разговорам об исчезновении черных дыр, которое ждет нас в далеком будущем, и о так называемом втором законе термодинамики, согласно которому с течением времени Вселенная превратится в тепловатый бассейн, в котором не будет никакой речи ни о структуре, ни о жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Мы даже упомянули о том факте, что Вселенная подвержена бесконечному экспоненциальному расширению, вызванному темной энергией. Оно будет продолжаться, пока каждая галактика не превратится в остров, полностью отрезанный от остальной Вселенной. Трудно представить себе более унылое будущее.
Но когда общаешься с физиком, всегда следует ожидать худшего. Что если мы вам скажем, что с течением времени сама материя будет медленно выкипать и испаряться?
Да, мы знаем, что всерьез испортим вам настроение, поэтому первым делом поймите, что все это случится далеко не завтра. Когда речь идет о галактиках, черных дырах и испаряющейся материи, мы говорим даже не о миллионах и не о миллиардах лет. Мы говорим о периодах времени в триллионы миллиардов раз больше нынешнего возраста Вселенной. Учитывая, сколько гадостей произойдет за это время, гибель материи можно смело поместить в самый низ перечня ваших страхов.
Задаваясь вопросом о распаде материи, мы с практической точки зрения задаемся вопросом о распаде протонов. Мы уже говорили, что при всяком удобном случае нейтрон распадается на протон и кое-что еще, но только потому, что он тяжелее протона. Протон — самый легкий из барионов, поэтому мы ожидаем, что он сколько-то проживет.
Вопрос в том, сколько именно, и на это стандартная модель дает простой недвусмысленный ответ. Вечно. Протоны не распадаются, поскольку общее число барионов должно сохраняться. Поскольку протон — самый легкий барион, распадаться ему не на что.
Но если эта глава чему-то успела вас научить, так это тому, что стандартная модель отвечает отнюдь не на все вопросы. Если реакция идет в одном направлении, значит, должна иметь место и обратная реакция. Наверняка когда-то, еще во время Большого взрыва, было время, когда барионы создавались из ничего. С этой научной проблемой мы встретились в главе 7, когда обнаружили, что если бы барионы с антибарионами всегда создавались только парами, то и аннигилировать они должны тоже парами. Вы живое и ходячее доказательство того, что в какой-то момент все-таки имело место превосходство барионов над антибарионами! Вам повезло.
Вероятно, выработка лишних барионов имела место в конце периода инфляции, примерно через 10-32 секунды после Большого взрыва, а значит, она, вероятно, имела какое-то отношение к унификации электрослабого и сильного взаимодействий. Если закон сохранения количества барионов не действовал тогда, то и сейчас он в некоторой степени тоже не действует.
Представьте себе, что у вас есть собственная великая теория унификации (ВТУ). Первым делом мы бы спросили у вас, сколько, согласно вашей ВТУ, живет типичный протон. Согласно практически всем этим теориям до единой, протоны в конце концов распадаются на позитрон и еще одну частицу под названием пион. Главное различие между разными теориями — средняя продолжительность жизни протона. И это хорошо. Это значит, что если мы сумеем выяснить, сколько живут протоны, то у нас появится отменный критерий точности различных ВТУ — по крайней мере мы сможем тут же просеять эти теории сквозь частое сито.
Некоторые из ранних моделей ВТУ предсказывали, что протон живет примерно 1031 лет. Это очень-очень долго. Гораздо больше возраста Вселенной, поэтому вы вправе предположить, что физики, которые выдвинули эти модели, просто взяли наугад протон-долгожитель и решили, что все равно никто не проживет настолько долго, чтобы опротестовать их нобелевский банковский счет.
К счастью, нам не нужно брать протончик, класть его на стол и ждать, когда он превратится во что-нибудь другое, — у нас есть методы и получше. В 1980-х годах ученые поняли, что для этого нужно построить гигантские подземные бассейны со сверхчистой водой[145].
Главная цель таких экспериментов — посмотреть, распадется ли хоть один протон в бассейне, если оставить его в покое. Если да, то заряженные частицы, создавшиеся при распаде, промчатся по бассейну и испустят излучение, которое будет зафиксировано детекторами. Поскольку протонов много, разумно предположить, что, если наблюдать достаточно долго, хоть один да покинет сию юдоль скорби.
Что-то подобное мы видели в главе 3, когда говорили о космическом генераторе случайных чисел. Представьте себе, что протон и в самом деле живет 1031 лет. Это значит, что каждый год космический генератор случайных чисел бросает игральную кость, у которой 1031 граней, по одному разу на каждый протон в бассейне. Если у генератора выпадет единичка, соответствующий протон распадается. «Супер-Камиоканде» находится в шахте Моцуми неподалеку от японского города Хида, эксперименты подобного рода идут уже 25 лет, и еще ни разу не было засвидетельствовано ни одного распада[146].
Это хорошие новости, поскольку отрицательный результат означает, что в обозримом будущем нам не придется спонтанно распадаться на высокоэнергичные частицы. С другой стороны, это плохие новости для некоторых ВТУ, поскольку теперь их можно легко опровергнуть. В наши дни остается все меньше и меньше моделей, соответствующих все — более и более долгой минимальной жизни протонов, но многие из них предполагают примерно 1036 лет.
Учитывая, насколько мы близки к точному определению этого периода, стоит ли удивляться, что мы уверены, будто определим его совсем скоро?
Обсуждая кандидатов на роль темной материи, мы поговорили и о нейтрино и тут же отмели его. «Легковат», — сказали мы. Если бы вы спросили нас, какова на самом деле масса нейтрино, мы бы начали ерзать и опускать глаза. Попросту говоря, мы не знаем, а долгое время вообще полагали, что нейтрино лишены массы. Оказывается, это не так, но первые признаки того, что нейтрино обладают массой, мы пронаблюдали практически случайно.
Нейтрино — этакие проказливые чертенята. Поскольку они участвуют только в слабом взаимодействии, их нельзя взвесить, а поскольку они электрически нейтральны, на них не действуют электромагнитные поля. Зато мы можем создавать их в ядерных реакторах, и природные реакторы, они же звезды, производят их в изобилии.
Мы расскажем вам одну историю. Примерно 160 тысяч лет назад в одной галактике неподалеку от нас — в Большом Магеллановом Облаке — произошла вспышка сверхновой. Поскольку свет добирается до нас не мгновенно, увидели мы эту вспышку лишь в 1987 году, и это было одно из самых примечательных астрономических событий в истории человечества. Вместе с излучением во время вспышки высвободилось громадное количество нейтрино — настолько громадное, что очень много нейтрино долетели до Земли. Нам повезло, у нас были наготове мощные детекторы, и мы засекли пик нейтрино в тот самый момент, как только увидели свет вспышки. То есть нейтрино прибыли к нам если не со скоростью света, то по крайней мере настолько близко к скорости света, что мы не были в состоянии отметить разницу. Это было предпоследнее свидетельство в пользу того, что если нейтрино и не лишены массы, они необычайно легкие даже по субатомным стандартам.
Наверное, вы думаете, будто то, что мы установили и настроили мощные детекторы как раз перед вспышкой сверхновой 1987А — это крайнее везение. Ну что вы, везение тут ни при чем, и вам это станет понятно, когда мы расскажем, как выглядят некоторые детекторы нейтрино. Это гигантские подземные бассейны с суперчистой водой. Вспомнили? Ну конечно. Многие из установок для опытов по распаду протонов в результате сослужили двойную службу[147] — стали обсерваториями нейтрино.
Предсказать вспышку сверхновой невозможно, поэтому представляется несколько неконструктивным дожидаться сверхновой в надежде наловить нейтрино. К счастью, сверхновые — не единственные фабрики нейтрино. Наше собственное Солнце вырабатывает нейтрино в похожих количествах вместе с фотонами в ходе своих термоядерных упражнений. Просто фотоны больше бросаются в глаза.
Ловлей нейтрино мы занимаемся уже довольно давно. В 1960-е годы большой интерес вызывали попытки засечь нейтрино с Солнца, поэтому Раймонд Дэвис из Брукхавенской национальной лаборатории и Джон Бакалл, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, возглавили работу по строительству…да, вы угадали: гигантского подземного бассейна. Обсерватория Хоумстейк, построенная в заброшенных золотых копях в Южной Дакоте, на самом деле была бассейном на тысячи Кубометров, наполненным моющим средством[148].
Нейтрино влетает, ударяется о какой-нибудь атом хлора, превращает хлор в радиоактивный аргон, а аргон распадается, испуская свет. Проще некуда!
Единственная сложность состоит в том, что детекторы не принесли ожидаемых результатов. Бакалл предсказывал, что будет получено раза в два-три больше нейтрино, чем засекли на самом деле. Последующие эксперименты, в которых вместо моющего средства использовалась вода, показали то же самое.
Кто-то крадет почти все нейтрино! Но кто?!
До сих пор мы старательно обходили некоторые вопросы, которые, вероятно, возникли у вас при осмотре нашего полицейского архива в главе 4. Существует три разных типа нейтрино — электронное, мю и тау. Мы не рассказали, чем они различаются, однако в процессе термоядерного синтеза образуются именно электронные нейтрино, поскольку в процессе участвуют еще и электроны. Первые детекторы нейтрино регистрировали только электронные нейтрино, а остальные два типа оказывались попросту невидимыми. Вероятно, «исчезнувшие» нейтрино каким-то образом (по мановению волшебной палочки?) превращались из электронных нейтрино во что-то другое.
Красота физической науки[149] заключается в том, что можно взять на первый взгляд несовместимые идеи, чтобы объединить и истолковать явления, которые иначе ничем не объясняются.
Рассмотрим три соображения — вроде бы никак не связанные между собой.
1. Частицы, которые представляются нам одинаковыми, например электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх, на самом деле при некоторых обстоятельствах ведут себя как разные частицы. Верно и обратное. Две частицы, которые представляются нам разными, при некоторых обстоятельствах ведут себя как одинаковые. Например, протоны и нейтроны ведут себя совершенно одинаково, когда происходит только сильное взаимодействие. Если разница достаточно велика, мы говорим, что это две разные частицы, а если разница незначительна (например, электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх), говорим, что это два разных состояния одной и той же частицы.
2. Многие частицы не находятся в том или ином конкретном состоянии, а являют собой сочетание двух и более разных состояний. В главе 3 мы видели, что направление спина электрона совершенно случайно и становится определенным, только если мы его наблюдаем. Иначе говоря, он одновременно направлен вверх и вниз, и каждое состояние может быть наблюдаемо с некоторой вероятностью. Квантовая механика изобилует частицами, которые одновременно предаются двум (на первый взгляд) взаимоисключающим занятиям.
3. Частицы ведут себя как волны. Когда мы рассказали вам об этом в главе 2, то пренебрегли одной тонкостью, которая сейчас окажется нам полезной. Если «волна» осциллирует (то есть колеблется) между двумя различными состояниями, то чем больше разница в энергии между этими состояниями, тем быстрее будут осцилляции.
А теперь объединим эти три соображения, соберемся с духом и сделаем обескураживающее, однако совершенно верное предположение — нейтрино разных видов могут превращаться друг в друга.
Эксперименты показали, что у нас есть три разновидности нейтрино: одно взаимодействует с электроном, другое — с мюоном и третье — с тау-частицей. Мы представляем себе электрон как комбинацию двух частиц — электрона со спином, направленным вниз, и электрона со спином, направленным вверх; так вот и нейтрино тоже можно представить себе подобным же образом. Давайте считать, что существует три разных типа нейтрино — № 1, № 2 и № 3 в порядке увеличения массы.
Нейтрино № 1 состоит по большей части из электронного нейтрино в сочетании с хорошей дозой мю-нейтрино и капелькой тау-нейтрино. Нейтрино № 2 устроено иначе, а нейтрино № 3 представлено третьим набором качеств. Неважно, как мы будем их называть — тремя состояниями одной частицы или тремя разными частицами. Важно другое: нейтрино не будут выглядеть каждый раз одинаково. Это соображение получило название осцилляции нейтрино, поскольку нейтрино осциллируют между тремя «личинами» — электронным, тау и мю.
Где же тут. красота? А вот где: все это возможно, только если нейтрино обладают массой, мало того, разной массой. Это прямо следует из квантовой механики. Если они не обладают разной массой, значит, энергия между разными состояниями равна нулю (Е = mс2!!!), никакой нейтринной осцилляции не будет, и мы не будем наблюдать это явление.
Понять, что нейтрино осциллируют и, следовательно, обладают массой, достаточно просто, это почти что очевидно, но взвесить их на практике трудно — поскольку эксперимент должен быть чистым и с соблюдением ряда условий.
1. Разживитесь атмосферой и подвергните ее бомбардировке космическими лучами. К счастью, атмосфера у нас уже есть. Космические лучи атакуют молекулы воздуха и в числе прочего производят антинейтрино — мю и электронные.
2. Выройте глубоко под землей большой бассейн, наполните сверхчистой водой и снабдите детекторами. Поскольку мы все равно дожидаемся распада протона, такие бассейны у нас тоже уже есть.
3. Подсчитайте электронные и мюонные антинейтрино и посмотрите, сходится ли ответ.
Если нейтрино обладают массой, то на пути из атмосферы к датчику множество мюонных антинейтрино превратятся в электронные антинейтрино, так что детектор нейтрино обнаружит дефицит нейтрино по сравнению с ожидаемым количеством.
В 1998 году этот эксперимент напал на золотую жилу — на «Супер-Камиоканде» первыми обнаружили недвусмысленные признаки осцилляции нейтрино, а следовательно, нейтрино обладают массой. Последующие эксперименты это подтвердили и наложили ограничения на массу нейтрино.
Наверное, вы понимаете, что без осложнений не обошлось. Первое осложнение — в ходе экспериментов масса нейтрино измерена не была, зато выяснилось соотношение нейтрино разных типов, например количество мю-нейтрино в нейтрино № 1. Стандартная модель не дает нам абсолютно никаких объяснений, почему нейтрино смешиваются именно в таком соотношении, а между тем нам крупно повезло, что эти соотношения именно таковы. Иначе было бы крайне трудно обнаружить тот факт, что они вообще смешиваются.
Второе осложнение — непонятно, почему у нейтрино вообще есть масса. Стандартная модель изначально не предполагает массу у нейтрино, и большинство изданных в последнее время учебников по физике частиц предполагают, что нейтрино лишены массы. Но если считать, что масса у них все-таки есть, почему она такая маленькая? Нынешний верхний предел для массы нейтрино — примерно в миллион раз меньше массы электрона, самой легкой элементарной частицы, масса которой установлена. Ответа на этот вопрос у нас нет, как нет и никакой причины выбрать то или иное значение массы.
Третье осложнение — то, что массу нейтрино в результате этих экспериментов узнать невозможно. Математические выкладки позволяют только выяснить разницу между квадратом масс разных типов нейтрино. Если мы сумеем вычислить массу одного из типов, будет проще простого подсчитать массы остальных двух.
Последние двадцать лет физики ставят перед собой цель вычислить абсолютные значения масс нейтрино, а для этого надо узнать, какова масса какого-нибудь одного типа нейтрино. В Германии сейчас ставят эксперимент под названием KATRIN в надежде, что он сумеет непосредственно установить массу электронного нейтрино.
Устройство эксперимента относительно просто. Берете большой чан трития[150].
Тритий — сравнительно редкая разновидность водорода, состоящая из 1 протона и 2 нейтронов. Он довольно-таки нестабилен, поэтому в скором времени начнет распадаться на гелий-3, а главное — испустит электрон (засечь который проще простого) и электронное нейтрино, существование и энергию которого можно будет вычислить. Поскольку мы знаем общее количество энергии, которое выделится при распаде, и можем измерить количество энергии электрона, значит, вся остальная энергия будет принадлежать нейтрино. А поскольку мы пронаблюдаем очень много распадов отдельных атомов, то сможем измерить минимальное количество энергии в нейтрино, то есть энергию, необходимую, чтобы получить его массу согласно Е = тс2
Этот и последующие эксперименты позволят нам вычислить массу электронного нейтрино с точностью до 0,04 % массы электрона.
Подготовка эксперимента завершится в 2011 году, так что мы полагаем, что получим точный ответ — причем скорее рано, чем поздно.
Уже довольно давно ведутся разговоры о том, что будто бы не за горами «конец физики». Это была расхожая тема интеллектуальных бесед еще в начале XX века. Джеймс Клерк Максвелл на тот момент великолепно описал электричество и магнетизм, а все остальное, как полагали ученые, описывала ньютонова теория гравитации. Затем были открыты квантовая механика и теория относительности, и в результате мы оказались дальше прежнего от унификации физических представлений в аккуратную, простую и полную картину Вселенной. Мы еще не оправились после открытий начала XX века, а некоторые тайны квантового мира еще ждут разгадки, о чем мы, собственно, и писали в этой книге.
Мы хотим сказать, что еще очень и очень рано почивать на лаврах. Стандартная модель физики частиц описывает все до единой частицы и их взаимодействия — но для этого ей требуется четыре разные силы и около 20 свободных параметров. Стандартная модель космологии описывает историю Вселенной и даже предлагает вполне правдоподобную версию событий темного Средневековья до эпохи Комбинации. Но все эти успехи достигнуты с определенными оговорками. Мы подставляем в теоретические формулы некие числа — но понятия не имеем, откуда эти числа взялись. Мы не в состоянии убедительно увязать гравитацию с остальными силами, хотя и описали каждую из них по отдельности очень и очень хорошо. И во множестве случаев мы даже не знаем, что собой представляют эти параметры.
Есть и другие вопросы, которые нам бы очень хотелось прояснить, но по которым невозможно ни достичь согласия, ни даже надеяться на консенсус. Приведем наши любимые.
Посмотрите вверх-вниз, вперед-назад, вправо-влево. По всей видимости, ничего другого пространство предложить не может. Разумеется, дополнительные измерения обладают теми же мерзкими особенностями, что и зубная фея и пиратские клады: если вы их не видели, это не значит, что их не существует.
В этой книге мы пару раз упомянули о теории струн. Казалось бы, это чуть ли не панацея от всех болячек современной физики. Теория струн предполагает, что с фундаментальной точки зрения все частицы одинаковы — всего-навсего кусочки струн. Она претендует на роль Теории Всего, а значит, если она справедлива, то общая относительность и слабые, сильные и электромагнитные силы объединятся в единую теорию. Есть надежда, что естественным следствием некоторых моделей теории струн станет исчерпывающее объяснение, что такое темная материя и темная энергия, а значит, мы сразу поймем, почему Вселенная экспоненциально расширяется.
Однако за все надо платить. Теория струн в ее нынешнем виде предполагает, будто Вселенная имеет 10 измерений плюс время. Чтобы понять, что представляют собой дополнительные семь измерений, вообразите канатоходца под куполом цирка. Сторонний наблюдатель скажет, что движение канатоходца ограничено двумя направлениями — вперед и назад, и никаких других вариантов у него нет[151].
Зритель, который смотрит представление, вероятно, даже не разглядит, есть ли у каната толщина, — а если он совсем неотесанный провинциал, поверит, будто канат имеет бесконечно малую толщину и на самом деле является одномерной структурой.
А вот у муравья, ползущего по канату, никаких подобных иллюзий нет. Он может ползти не только взад-вперед по веревке, но и вокруг каната — и это эквивалентно одному из скрытых измерений в теории струн. Некоторые измерения, вероятно все недостающие семь, весьма и весьма компактны. Вероятно, мы не замечаем этих компактных измерений, поскольку обречены плыть на трехмерной бране по Вселенной, где измерений больше.
Между тем маленькие измерения могут играть очень важную роль, поскольку главный режиссер этого спектакля — квантовая механика. Что будет, если вокруг одного из маленьких измерений обернется петля из струны? В главе 2 мы видели, что если поместить частицу в крошечную коробочку (или в крошечное измерение), частица приобретает уйму дополнительной энергии. В нормальной обстановке мы увидим выражение этой энергии — частица начнет метаться туда-сюда. Единственная сложность состоит в том, что метаться она не может. А следовательно, дополнительная энергия становится, согласно великому уравнению Е = тс2, массой частицы.
Веда в том, что нужная для этого энергия примерно в 1016 раз превышают энергии, которых мы способны добиться в БАК. Иначе говоря, эту теорию, по всей видимости, нельзя проверить экспериментально, так как еще очень и очень долго у нас не будет никакой технической возможности проделать такой эксперимент.
Что бы нам ни говорили, точность научной теории никогда не удается доказать. Если мы говорим, будто теория «верна», значит, нам не удалось ее опровергнуть. Признак хорошей научной теории — то, что ее сторонники должны придумать эксперимент или несколько экспериментов, в ходе которых теория может оказаться ошибочной, но не оказывается. Концепцию «опровергаемости», ставшую основой современной науки, ввел философ Карл Поппер. Это и есть главный недостаток так называемой теории разумного замысла. Недостаточно просто провозгласить, будто ваша теория верна, даже если она объясняет все наблюдаемые на сегодня феномены. Домашнее задание: придумать тест, а в идеале — много тестов, которые ваша теория может не пройти, и если она их не пройдет, вам придется признать, что вы заблуждались. Теория разумного замысла этого не делает.
Как обстоят дела с этим у теории струн? Вспомним некоторые популярные книги, вышедшие в последние годы, с названиями вроде «Даже не ошибка» (Питер Войт) или «Упрямая физика»[152].
Главная мысль обеих этих книг — что теорию струн можно привести в соответствие со стандартной моделью, причем нельзя поставить эксперимент, который бы ее опроверг. Отчасти сложность состоит в том, что единой версии теории струя не существует. Количество теорий струн на сегодняшний день колоссально — Смолин насчитывает 10 500, число настолько нелепое по размаху, что даже Знак, герой «Улицы Сезам», подумал бы о смене карьеры.
Похоже, что под теорию струн со всеми ее вариантами вполне можно подогнать любые искажения физических законов. А мы надеялись на нечто прямо противоположное. В идеале мы хотели получить фундаментальный физический закон, который не только опишет все существующие законы физики, но и не потребует для этого никакой подгонки теории.
В результате нет никакого определенного представления о том, что такое теория струн, а следовательно — как ее проверить. Как пишет Смолин: «На сегодня нет никакой реальной возможности проделать эксперимент, который определенно подтвердил бы или опроверг какое бы то ни было конкретное предположение этой теории». Мы готовы сделать крупную ставку на то, что в обозримом будущем не будет проделан никакой опыт по исследованию количества измерений во Вселенной, так что даже если мы живем не в трехмерном мире, надо вести себя так, словно измерений именно три.
Наблюдения показывают, что во Вселенной, похоже, существует невидимая, однако вездесущая темная энергия, которая подталкивает Вселенную к экспоненциальному расширению. Стандартная модель даже выдвигает кандидата, обладающего всеми качествами темной энергии. Это так называемая энергия вакуума, и, как мы видели, главная сложность состоит в том, что наша теория предполагает, будто ее примерно в 10100 раз больше, чем показывают наблюдения. Мы бы еще пережили, если бы темная энергия равнялась нулю — это как-то «естественно». Но такое масштабное расхождение как-то нервирует. Одна из самых крупных проблем — то, что теории струн и квантовой гравитации нужно очень уж видоизменять, чтобы подогнать под ту плотность темной энергии, которую мы видим. По нашим представлениям, Теорию Всего можно было бы считать хорошей, если бы плотность темной энергии следовала из нее сама собой, и это одна из первых проверок, которым следует подвергать подобные теории.
Пытаясь описать основные принципы, управляющие физикой, мы ловко обошли тот факт, что существует множество чисел, которые приходится просто вписывать от руки. Самые естественные числа — это те, которые представляют собой простое сочетание физических констант, а значит, мы были бы вправе предположить, будто все элементарные частицы обладают планковской массой — если бы у нас не было других данных. Нет, масса у них не планковская — поэтому мы вправе спросить, почему электрон настолько легче планковской массы, а нейтрино настолько легче электрона. Мы не знаем, откуда у электрона берется именно такой заряд, и пока что не знаем, почему сильное взаимодействие обладает именно такой силой.
В стандартную модель кроме этих коэффициентов входит еще уйма параметров, а в теории струи — еще больше. Например, мы упомянули о том, что различные нейтрино превращаются друг в друга и что существует некоторое численное соотношение, которое показывает вероятность этого перехода. Откуда берутся эти числа? Неизвестно. В целом в стандартную модель входит больше 20 свободных параметров — и это только стандартная модель. Среди них есть числа, которые с точки зрения всех наших фундаментальных теорий могут объясняться чем угодно.
Остается надежда, что Теория Всего, когда она наконец будет сформулирована, теоретически объяснит все свободные параметры. Но так ли это? В главе 8 мы говорили об условиях, которые должны были создаться на ранних стадиях существования Вселенной, чтобы зародилась разумную жизнь. Не исключено, что в разных вселенных и параметры разные, а в таком случае мы никогда не выявим «глубинную» причину, по которой фундаментальные параметры имеют именно те, а не иные значения. Лично нас это крайне огорчает, и мы надеемся, что до этого дело не дойдет.
Разумеется, мы можем заблуждаться.
Этот перечень никоим образом нельзя считать исчерпывающим. Самое прекрасное в физике — то, что всегда найдется новая задача, которая потребует немедленного внимания, сколько бы задач вы ни решили. Чем больше ответов на вопросы вы найдете, тем интереснее будет для вас следующий вопрос.
Ко всему прочему, Вселенная не статична. Ее жизнь устроена очень просто. Все меняется — постоянно, но (как правило) предсказуемо. А мы по традиции подсматриваем через дырочки в заборе и пытаемся сложить цельную картину из всего, что увидели.
Говорят, что нет ничего на свете невозможного, стоит только захотеть. Те, кто это говорит, — сборище идиотов. Мы со всем уважением относимся к ведущим тренингов по мотивации, но все же есть тонкое различие между тем, что кажется невозможным, и тем, что и вправду невозможно, — как есть тонкое различие между ужасно большим и бесконечным, хотя это не всегда удается понять. Например, нам очень-очень трудно двигаться со скоростью 99,99999 % скорости света, но тexничeски это достижимо. А вот двигаться со скоростью 100,00001 % скорости света абсолютно невозможно, хотя это всего-навсего на 210 километров в час быстрее. Это не просто сложно, не просто интересная и трудная задача — это невозможно, что бы вы ни придумывали, как бы ни пыжились и как бы ни давили на газ. Поскольку в этой книге мы поговорили о многом, то хотели бы дать вам наглядную сводную таблицу невозможных вещей на тот случай, если вас втянут в занудный спор с каким-нибудь сторонником псевдонауки.
Якобы невозможно, а на самом деле возможно:
• создать машину времени (вероятно);
• что Вселенная расширяется быстрее скорости света;
• быть в двух местах одновременно;
• что Вселенная обладает более чем тремя пространственными измерениями;
• параллельные вселенные и мультивселенная;
• что Вселенная циклична;
В принципе невозможно:
• при помощи машины времени изменить ход истории или вернуться в прошлое до того момента, как вы создали свою машину времени;
• перегнать луч света — даже в расширяющейся Вселенной;
• точно засечь, где находится электрон;
• путешествовать в другие измерения — вы уже «находитесь» во всех измерениях во Вселенной;
• посетить другую вселённую;
• сказать чтобы то ни было о времени до Большого взрыва-это такие же глупости, как говорить о направлении на юг, стоя на Южном полюсе.
Два литра диетической колы, полдюжины аспирантов-невротиков и телега грантовых денег.
Физики превратили странноватые сокращения в настоящее искусство.
Вспомните, например, ЭПР-парадокс из главы 3. И, несмотря на все его предостережения, мужчины до сих пор носят штаны.
Открыть новую частицу не так просто, как нарисовать кружочек на клеенке, на которой остались следы от чашек с кофе. Физикн-теоретики годы напролет изучают симметрии, организуют эксперименты в ускорителях стоимостью миллионы долларов и в конце концов рисуют кружочки на салфетках, облитых шампанским на банкете по случаю получения Нобелевки.
Мы несколько передергиваем факты. Как мы уже сказали, существует много кандидатов иа роль темной материи, в том числе аксионы, черные дыры и монополи Дирака, которые не являются WIMP. Но мы бы все-таки делали ставку на какой-то вариант WIMP.
С другой стороны, история знает много случаев, когда физики пили ртуть или хранили радиоактивные реактивы в прикроватных тумбочках.
Если хотите знать, вино само по себе не кандидат на роль темной материи, но ведь Рыжий, когда надерется, ничего не разбирает.
Лишняя «с» означает «супер».
А вы нам не верите!
Видите? Так что не бойтесь поднять руку, пусть вас тоже сосчитают.
И мамам своим мы звоним с завидной регулярностью, возможно, компульсивно, поэтому стараемся не слишком увлекаться психоанализом.
Для наглядности: бассейн «Супер-Камиоканде» примерно в 10 раз больше по объему олимпийского плавательного бассейна — и все это находится в километре под землей. Это нужно, чтобы защитить бассейн от всех посторонних сигналов вроде космических лучей.
Это означает, что мы катастрофически недооценили количество граней на нашей игральной кости. Теперь мы добавляем количество граней, пока не окажется, что разумно ожидать отрицательного результата. И не только отмели несколько ранних теорий, но и уяснили, что протон живет как минимум 1035 лет.
Или одинарную — ведь распада протонов пока никто не пронаблюдал.
Мы предпочитаем перхлороэтилен — у него такой яркий букет, — но в крайнем случае можете использовать и тетрахлорэтен. Нейтрино он ловит ничуть не хуже, и ваши гости не заметят разницы.
Красоту самих физиков мы обсуждать не будем, это вопрос спорный.
Да уж, только в мире физики огромный бак радиоактивного газа, который еще поди собери, называется «относительно простым устройством».
Предположим, опция «вниз» не рассматривается. Будем считать, что это очень искусный канатоходец.
Wolt, Peter. Not Even Wrong; Smolin, Lee. The Trouble with Physics.