Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Нити темной материи простираются на миллиарды световых лет, образуя нечто вроде космической паутины, оплетающей крошечные (в сравнении с ними) области, где концентрируется видимое вещество. Благодаря изначальной неоднородности этой таинственной формы материи видимое вещество собиралось в сгустки, из которых спустя примерно 400 миллионов лет после Большого взрыва рождались первые звезды, а потом и первые галактики, эволюционировавшие во все остальное, – включая звездные системы, планеты и, в конечном счете, нас самих. Результаты последних исследований говорят нам, что эта невидимая и вездесущая материя – только она одна! – составляет 27?% всей массы Вселенной. Чуть больше четверти материального мира вокруг нас состоит из этой странной темной материи, и нам должно быть стыдно, что мы понятия не имеем, что же она из себя представляет.

Очарование Сьюзи

После того как доказательства существования темной материи стали множиться, теоретики разработали для нее немало возможных объяснений. Эти теории сильно различаются между собой. Одна из наиболее перспективных – суперсимметричная, которая особо любима физиками, потому что не только разгадывает тайну темной материи, но и предлагает элегантные ответы на целый ряд других вопросов.

Вообще?то речь тут идет о целом семействе теорий, концентрирующихся вокруг предположения, что вся известная материя – лишь небольшая часть первичной материи, родившейся в момент Большого взрыва. Согласные с этим ученые считают, что у каждой известной элементарной частицы есть суперсимметричный партнер – элементарная частица практически с теми же самыми свойствами, только более тяжелая и с другим спином (так называют специфическое квантовое свойство элементарных частиц, в чем?то схожее с вращением вокруг своей оси; спин – неизменная внутренняя характеристика данной частицы, как, например, электрический заряд).

Чтобы излишне не напрягать свою память, физики, оставив открытой возможность некоторых исключений, решили называть суперсимметричный партнер тем же словом, которым называют и саму частицу, но с добавлением в начале буквы “с”[7 - Сказанное относится только к случаю, когда сама частица – фермион, а следовательно, частица-суперпартнер – бозон. Если частица – бозон, а ее суперпартнер – фермион, то добавляется суффикс – ино. – Прим. науч. ред.]. Так, суперпартнер электрона называют сэлектроном, а суперпартнер топ-кварка – стоп-скварком. Для того чтобы сделать теорию более привлекательной и описать ее более обобщенно, в обиход был пущен акроним Сьюзи (SUSY – SUper SYmmetry), напоминающий имя девушки.

Теория оказалась внутренне непротиворечивой и полностью совместимой с результатами всех экспериментов, и, стало быть, ее надо принимать всерьез. Но почему же тогда нет никаких следов суперсимметричных частиц в окружающей нас материи? Все просто: в ранней Вселенной эти частицы сосуществовали на равных с частицами обычной материи. Она (Вселенная) была настолько раскалена, что условия для таких массивных частиц, обладающих высокими энергиями, были исключительно благоприятными. Однако ее быстрое охлаждение, вызванное быстрым расширением, повлекло массовое вымирание Сьюзи. Утратив способность к дальнейшему существованию, они стали распадаться, почти моментально, в частицы обычной материи – оттого?то мы их теперь и не находим. Но одна из них могла не исчезнуть. Теория предсказывает, что самая легкая представительница этого семейства должна быть стабильной и ни на что не распадаться. Эта частица, которую называют нейтралино[8 - Наименование “нейтралино” подчеркивает, что эта частица – фермион и что она выступает суперпартнером нейтральным бозонам Стандартной модели, таким как бозон Хиггса или Z-бозон. – Прим. науч. ред.], была бы в Сьюзи аналогична самым легким нейтрино в Стандартной модели. Если она и взаимодействует с другими формами материи, то исключительно слабо, однако она очень тяжелая и способна образовывать колоссальные кластеры, создающие сильное гравитационное поле. И именно тут можно было бы отыскать объяснение тому, что мы видим, когда наблюдаем галактики или скопления галактик. Темная материя, удерживающая от распада эти колоссальные космические структуры, могла бы представлять собой газ тяжелых нейтралино – реликтов первобытной эпохи, когда в мире доминировала суперсимметричная материя.

Вот так, в попытках понять происхождение темной материи, мы можем наткнуться на таинственную форму материи, о существовании которой едва ли догадывались. Стоим себе, глядя лишь под ноги, – а потом вскидываем голову к небу и открываем для себя его чудеса. Вторая половина Вселенной всегда была прямо перед нами, но нам словно бы недоставало смелости посмотреть на нее.

Чтобы подтвердить теорию, хорошо бы найти Сьюзи-частицы, но это пока никому не удалось. Почему же мы их не видим? Может, потому, что теория не верна. А может быть, все проще и суперчастицы, даже самые легкие, настолько тяжелы, что мы не можем достичь минимальных энергий, необходимых для их рождения, даже с помощью мощнейших ускорителей. Или же у них есть такие особенности, которые мы пока не в состоянии себе вообразить. Но каждый новый день может оказаться подходящим для некоего открытия, которое опрокинет все наши представления об окружающей нас реальности.

И все?таки что?то должно быть возможно… понять[9 - Заголовком этой части служат заголовок и первая строка стихотворения Ирэны Пагануччи:“И все?такиЧто?то должно быть возможно:высажу по кусту розыв начале каждой шпалеры —от лоз отведу болезнида зло отведу от жизни”.(Перевод Дмитрия Манина)При этом в итальянском оригинале стихотворения в заголовке использовано то же “и все?таки” (eppure), что в знаменитом “и все?таки она вертится” Галилея.]

В довершение к вышеописанному (точно его было мало!) относительно недавно произошло открытие, смешавшее нам все карты. Мы уже знали, что расширение Вселенной, начавшееся с Большим взрывом, продолжается и по сей день. В самом деле: достаточно взглянуть на галактики и скопления галактик, чтобы убедиться – чем больше они удалены от нас, тем с большей скоростью они удаляются. И еще не так много лет назад ученые предполагали, что со временем – из?за гравитационного притяжения, действующего на любые формы материи, – скорость расширения должна уменьшаться. Но не тут?то было! В конце 90?х годов из наблюдений самых далеких галактик стало ясно: вместо того, чтобы уменьшаться, она увеличивается. Что?то, некая антигравитация, отталкивающая один островок материи от другого, разгоняет галактики. Если не случится нечто новое, то это будет происходить так долго, пока расстояния между галактиками не станут настолько большими, что все сущее погрузится во тьму и небесный холод пронижет всю Вселенную.

Но в чем же причина такого ускоренного расширения? Мы этого не знаем. Может быть, это еще какое?то поле или свойство вакуума, в котором мы пока не разобрались, или реликт того начального состояния, что дал толчок пароксизму инфляции. А может, случилось так, что этот реликт оставил Вселенную в покое лишь на несколько миллиардов лет, а затем вновь ее потревожил, хотя уже и не так сильно, без пароксизмов.

Не располагая хотя бы самой смутной идеей о том, что это может быть, ученые назвали источник данной расталкивающей силы “темной энергией”. Плотность ее исключительно мала, но коль скоро она заполняет весь объем Вселенной, то оборачивается самым важным ее ингредиентом: ее вклад в общую массу достигает 68?%. Если мы не без скрипа признали, что у нас нет никаких идей относительно темной материи, составляющей четверть массы Вселенной, то представьте себе шок, испытанный научным сообществом, когда ему пришлось признать то же самое и в отношении практически всего остального, составляющего более двух третей того, что нас окружает!

Короче говоря, если окинуть единым взором и темную материю, и темную энергию, являющие собой темную сторону Вселенной, то выяснится, что эта сторона заметно преобладает над всем прочим. Тут уж даже самым отъявленным скептикам придется согласиться с тем, что степень нашего невежества запредельна: 95?% всего того, что есть вокруг нас, полностью, абсолютно непостижимо.

И все?таки что?то должно быть возможно… понять. Мы знаем, что в реликтовом излучении остаются следы самых первых мгновений жизни Вселенной. И эти следы могут подробно поведать обо всем том, что сейчас представляется таким загадочным. Но для этого понадобится чувствительность в сотни, а то и в тысячи раз превосходящая чувствительность наших самых современных инструментов.

Что уж тут толковать о возможности обнаружить самые неуловимые из существующих сигналов, которые излучаются в виде гравитационных волн. Эти сигналы настолько слабы, что за десятилетия систематических наблюдений с применением самых изощренных экспериментальных методик их так и не удалось зарегистрировать[10 - О регистрации коллаборациями LIGO и Virgo 14 сентября 2015 г. гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016 г., то есть уже после выхода в свет итальянского оригинала этой книги.]. Физики мечтают об изобретении новых приборов, позволяющих уловить либо их, либо какие?то совершенно новые сигналы, тишайшим шепотом рассказывающие о тайнах зарождения космоса

Ускорители элементарных частиц (LHC – самый известный из них) – важная часть этого огромного проекта. На кону стоит понимание реальности, в которой мы живем, и только что открытый бозон Хиггса мог бы о многом нам рассказать. Невероятно, но факт: одна-единственная элементарная частица – причем весьма трудно уловимая – способна стать ключом к новому удивительному знанию о происхождении мира и материи.

Всякий ученый хотя бы однажды мечтал дожить до того волшебного момента, когда можно взмыть над пропастью, обозначающей рубеж нашего познания, и заглянуть за нее. И ему думается, будто увиденное им (никому, кроме него, в тот момент неведомое) способно принципиально изменить всю картину мира, всю нашу жизнь, наше общество, наше будущее. К такому, безусловно, стоит стремиться.

Глава 2

Ребята шестьдесят четвертого[11 - Намек на музыкальный фильм Марчелло Джанини “Ребята хали-гали”, снятый в 1964 г.]

Им надо многое сказать друг другу

Стокгольм,

23 июля 2013 г., 18.30

У него легкая мальчишеская походка, и по всему ясно, что к ходьбе он привычный. Несмотря на свои 84 года и хрупкое телосложение, он тут же, едва я предложил ему пройтись, сделал знак водителю голубого “мерседеса”, который организаторы конференции предоставили в его распоряжение, и мы отправились в путь. От гостиницы до Музея корабля “Васа” полтора километра, нам придется обогнуть залив, однако погода нынче отличная. Мы идем на банкет, который состоится именно там – в единственном в мире музее, посвященном некоему эпическому провалу.

Галеон “Васа” был гордостью королевского флота Густава-Адольфа. Ему предстояло стать самым красивым, самым мощным и самым хорошо вооруженным флагманским кораблем в мире. Судно торопились поскорее спустить на воду, чтобы задействовать в операциях против поляков и литовцев, которые решили оспаривать монополию Швеции на балтийскую торговлю. Исходный проект показался королю не слишком впечатляющим, и он настоял, чтобы инженеры добавили еще одну палубу, заставленную бронзовыми орудиями. Осторожные возражения опытных кораблестроителей услышаны не были: повеления монарха не обсуждаются.

И зря. Пренебрежение мнением плотников обошлось очень дорого. 16 августа 1628 года, в день своего торжественного спуска на воду Стокгольмского залива, корабль, построенный во славу шведской короны, плюхнулся туда, словно медведь в лужу, и сразу неспешно пошел ко дну. Извлекли его из воды спустя века – в первозданном виде, с изящными деревянными украшениями и бронзовыми пушками, так и не выпустившими ни единого ядра.

Теперь им можно полюбоваться в музее, который построили менее чем в сотне метров от того места, где он более трех веков покоился на дне морском. К радости мальчишек всего мира, которые могут подняться на борт одного из тех кораблей, что снятся им по ночам.

Наша прогулка продолжается всего двадцать минут, но за это время Питер успевает весело рассказать мне об окрестностях Эдинбурга и о многочисленных маршах мира, в которых он участвовал. А потом внезапно с любопытством спрашивает: “Но как вам удается сделать так, чтобы три тысячи физиков работали одновременно и слаженно?” И тогда уже я увлеченно принимаюсь вспоминать о конфликтах, ссорах и сомнениях, терзавших нашу коллаборацию, когда мы только приступили к охоте за частицей, которая носит его имя. Когда же я рассказываю о пари, которые собираюсь выиграть, он искренне смеется: “Честно говоря, то, что вы ее все?таки нашли, удивило даже меня. Я вовсе не был уверен, что она и в самом деле существует”.

Многие считают, что у Питера Хиггса сложный характер, – полагают его этаким нелюдимом, малословным и нудным. Нет ничего более далекого от реальности. Дурная слава родилась, вероятнее всего, из?за его плохого отношения к журналистам. После одной неприятной истории Питер действительно старается их избегать. Тогда некий недобросовестный корреспондент сыграл с ним злую шутку: опубликовал интервью, в которое вставил агрессивные фразы, никогда Питером не произносившиеся. И это нежелание встречаться с представителями прессы породило мнение о нем как о мизантропе. Да, Питер относится к журналистам со страхом и недоверием, и даже вчера, во время пресс-конференции, были заметны его напряженность и скованность.

Конференция Европейского физического общества – самая важная в году. Она проходит в Стокгольме за три месяца до сакраментальной даты 8 октября, когда Королевская академия наук объявляет миру лауреатов Нобелевской премии по физике. Все уже знают, что в минувшем году мы нашли на LHC окончательные доказательства того, что новая частица, зарегистрированная в 2012?м, обладает всеми характеристиками, предсказанными Браутом, Англером и Хиггсом в 1964?м. Предполагается, что Королевской академии наук тоже об этом известно, и потому на конференции взгляды присутствующих прикованы к двоим “тем самым парням”. Мы все в ожидании: этот год должен стать удачным.

Вчера Франсуа и Питер практически одновременно прочитали каждый свою лекцию[12 - В программе описываемых мероприятий выступление Франсуа Англера не значится; он участвовал в работе конференции в качестве гостя. – Прим. науч. ред.], а сразу после открывавшего конференцию пленарного заседания оргкомитет собрал в их честь пресс-конференцию.

Один из журналистов спросил Питера Хиггса о причинах, по которым все считают его отцом-первооткрывателем такой важной частицы, на что Питер ответил коротко: “Никаких особых причин для этого нет, так как мой вклад был минимальным”. Однако корреспондентам хотелось найти какую?то яркую ноту и они продолжили настаивать: “А расскажите нам о моменте Эврика!” Питер застенчиво улыбнулся: “Был август, мою статью только что отклонили. Пару дней я думал, что надо бы бросить это дело. Но потом все же добавил к ней пару фраз, так как в редакции, очевидно, просто ничего не поняли”.

Эти двое – очень разные. Их характеры диаметрально противоположны. Если Питер скромен и немногословен, то Франсуа – шумен и напорист. Первый говорит скованно, невнятно, еле шевеля губами, с трудом выдавливая из себя немногочисленные слова. Второй же волнуется, машет руками и чуть ли не извивается всем телом, чтобы сделать излагаемые идеи яснее; он шутит, сыплет анекдотами, извергает потоки слов, которым, кажется, не будет конца.

Франсуа Англер из еврейской семьи. Во время войны он пережил Холокост – сам остался цел, но его родные пострадали. Он был ребенком, когда нацисты вторглись в Бельгию, и спасся от облав лишь чудом. Он один из enfants cachеs[13 - “Спрятанные дети” (фр.). Так называли еврейских детей, укрывавшихся в семьях на оккупированных территориях Бельгии и Франции во время Второй мировой войны. Название получило полуофициальный статус после встречи таких детей в 1992 г. в Нью-Йорке. В 1999 г. их статус был в Бельгии узаконен королевским указом и их приравняли к жертвам войны.]– тех еврейских детей, кого выдавали за христиан и укрывали либо в приютах, либо в семьях отважных людей. Франсуа несет в своей душе все полученные в то ужасное время травмы, но при этом его переполняют энтузиазм и радость жизни, являющиеся реакцией на долгое существование в страхе. Многие его родные перебрались в Израиль – страну, где он часто бывает и к которой у него совершенно особое отношение.

Питер Хиггс совсем не такой. С 60?х годов он принимает участие в маршах за мир и разоружение. Он убежденный активист, и политическая позиция нередко приводит его в ряды демонстрантов, требующих создания Палестинского государства. В 2004 году ему присудили премию Вольфа, престижную награду от одноименного израильского фонда, уступающую только Нобелевской премии. Он должен был присутствовать на церемонии вместе с Франсуа Англером и Робертом Браутом. Но протокол предполагал, что победители получают премию из рук Моше Кацава, бывшего в то время президентом Израиля, и Питер решительно отказался лететь в Иерусалим. В итоге в церемонии участвовали только бельгийцы Англер и Браут[14 - Роберт Браут, как и Англер, из еврейской семьи, но родом из США. В 1961 г. он переехал в Бельгию и принял бельгийское гражданство.]