Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Еще одна мысль, которую я бы хотел донести до вас на этой встрече, это то, что эксперименты на машинах вроде Большого адронного коллайдера позволяют увидеть то, что не сможет увидеть напрямую даже космический телескоп им. Джеймса Уэбба. Вы, вероятно, думаете о БАК как о супермикроскопе, но вы можете рассматривать его и как своего рода супертелескоп.

Приключения физики частиц начались немногим более сотни лет назад. Виктор Гесс поднялся в воздух на воздушном шаре и обнаружил космические лучи, энергетические частицы, прилетающие из открытого космоса. В первой половине XX века многие открытия физики частиц были совершены во время наблюдений за тем, что происходит, когда космические лучи попадают в верхние слои атмосферы и производят ливень из других частиц. Одним из примеров служит антивещество, к которому мы вернемся позже.

Но примерно в середине прошлого века физики выяснили, что если они хотят детально изучать эти частицы и открыть законы, которые управляли вселенной, когда она была еще очень молода, им потребуются систематические исследования в контролируемых условиях лаборатории. Поэтому они стали разрабатывать ускорители частиц. В 1950–1980-х годах эти эксперименты породили то, что мы сейчас несколько прозаично называем стандартной моделью физики частиц.

Одним из основоположников этой теории был уроженец Пакистана Абдус Салама. Вместе с двумя американскими физиками, Шелдоном Глэшоу и Стивом Вайнбергом, он разработал эту теорию, опираясь на идеи Питера Хиггса и других, к которым я вскоре вернусь. Первое экспериментальное подтверждение предсказаний этой теории было получено в 1970-х в ходе экспериментов в ЦЕРН, примерно в то же время, когда вы, парни из первого ряда, весело рассаживались на свои ракеты. Более подробные исследования в 1980-х и 1990-х подтвердили, что эта теория весьма точно описывает все видимое вещество во вселенной.

Из чего же состоит стандартная модель? С одной стороны, она содержит частицы вещества. Я уже упоминал электрон, ядро и внутри него самые элементарные из частиц, которые мы можем наблюдать, эти штуки, называемые кварками. Мы знаем теперь, что есть шесть различных видов кварков. В дополнение к электрону есть две другие электроноподобные частицы, более тяжелые, одна из которых (мюон) была обнаружена в космических лучах. Вместе с тремя типами нейтрино они составляют частицы вещества.

Нам известны четыре основных взаимодействия между частицами вещества, из которых два широко известны. Одно из них, конечно, гравитация, о которой мы услышали от наших друзей-астронавтов. Другое – электромагнетизм, основы которого сформулировал Джеймс Клерк Максвелл 150 лет назад, когда он работал профессором Королевского колледжа в Лондоне. Затем у нас есть сильные ядерные взаимодействия, которые удерживают ядра от распада, и слабые ядерные взаимодействия, которые отвечают за некоторые виды радиоактивности. Мне нравится думать об этих частицах и их взаимодействиях как о некоторым образом составляющих космическую ДНК. Их свойства содержат в закодированном виде всю информацию, которая требуется для создания всех видимых объектов вселенной, и очень даже правильных объектов, но не хватает одной детали: понимания, откуда у элементарных частиц берется масса.

Если бы электроны не имели массы, не было бы и атомов, потому что электроны сбежали бы от ядер со скоростью света. Если бы частицы, отвечающие за слабые взаимодействия, не были очень тяжелыми, эти слабые взаимодействия не были бы слабыми, и все мы светились бы в темноте. На самом деле, жизнь была бы невозможна по целому ряду других причин. Поэтому очень важно понимать, откуда у элементарных частиц берется масса, и тут вступают Питер Хиггс и его друзья. Так что позвольте мне немного поговорить о том, почему это такая трудная задача.

Свет переносится частицами, называемыми фотонами, существование которых впервые постулировал Эйнштейн. Именно за это он получил свою Нобелевскую премию, когда использовал идею фотона, чтобы объяснить, как свет взаимодействует с веществом при фотоэлектрическом эффекте. Фотон – это не имеющая массы частица, которая всегда передвигается со скоростью света.

Сильные ядерные взаимодействия переносятся частицей, которая похожа на фотон, и называется глюон. Это «клей», который удерживает ядро от распада. Частица глюон, отвечающая за этот клей, была открыта в 1970-х и, подобно фотону, не имеет массы.

А что слабые взаимодействия, слабые силы, отвечающие за радиоактивность? Хидеки Юкава постулировал в 1930-х, что их могут переносить особые частицы. При этом он понимал, что такая частица должна быть массивной, она не может не иметь массы, как фотон. Юкава был прав, но только в 1983 году эксперименты показали, насколько тяжела эта частица, а именно, что ее масса сравнима с массой ядра средних размеров. Вам придется представить, что каким-то образом глубоко внутри элементарных частиц существуют силы, которые переносятся штуками, тяжелыми как ядра. Это звучит довольно странно, но у нас есть Питер Хиггс и его друзья, которых надо благодарить за понимание, как такое могло случиться. Я говорил выше о вопросах Гогена. Что будет, если мы переведем вопросы Гогена на язык физики частиц?

«Кто мы?» – спрашивал он. Ну что ж, для нас, специалистов по физике частиц, это переводится как: «Из чего состоит вещество?» Я уже рассказал вам большую часть ответа на этот вопрос, но есть еще одна очень важная часть, которой у нас до недавнего времени не было. Она объясняет, почему вещи что-то весят, почему у вещей есть масса. Здесь вступают Питер Хиггс и его друзья.

Мы знаем, что во вселенной есть вещество. Мы также знаем, что антивещества не так много. В конце концов, когда вы, ребята, высадились на Луне, вы не превратились во вспышку излучения, не так ли? Луна состоит из вещества, как и все остальное в видимой части вселенной, насколько мы можем судить. Откуда взялось вещество и почему антивещества совсем немного? Из-за какой-то небольшой разницы между частицами вещества и антивещества?

Я кратко упомянул темную материю. Астрофизики говорят нам, что на самом деле невидимой темной материи во вселенной гораздо больше, чем видимого вещества, про которое мы знаем, которое осязаем. Что это? Состоит ли она из каких-либо частиц?

Как развивается вселенная? Это возвращает нас к еще одному гогеновскому вопросу – откуда мы взялись и куда мы идем. Есть разные ответы на этот вопрос, и я думаю, что Чарли Дюк знает один особенный ответ. Мы, физики, смотрим на это по-другому, но у меня не хватит времени говорить об этом в этом докладе. Каково будущее вселенной? Я планирую вернуться к этому в конце нашего разговора.

Нам, физикам, очень повезло, потому что обращаться к этим вопросам – наша ежедневная работа. Время от времени мы находим один из ответов, и я думаю, что ответ, который дал нам Питер Хиггс, может на самом деле быть связан с некоторыми другими. Поэтому давайте еще раз взглянем на то, что сделали Питер Хиггс и его друзья.

Почему вещи имеют вес? Что же, Ньютон сказал нам, почему вещи весят: они весят потому, что имеют массу. И Эйнштейн, конечно, сказал нам, что энергия сродни массе. К сожалению, два этих выдающихся джентльмена как-то забыли сказать с самого начала, откуда же берется эта масса, и тут вступает Питер Хиггс, и его теория записана на доске. Она также написана на моей футболке. Так что позвольте мне разъяснить по футболке (см. с. 1 вклейки). Верхняя строчка описывает фундаментальные взаимодействия, вторая строчка – то, как эти силы действуют на элементарные частицы – фотоэлектрический эффект Эйнштейна. Третья строчка про то, как бозон Хиггса придает массы частицам вещества, таким как электрон. А нижняя строчка своего рода теоретическая ракета, которая запускает всю эту штуку.

Ключевым моментом его теории является то, что подобно тому, как с электричеством и магнетизмом ассоциирована частица фотон, есть частица, связанная с его механизмом, и она-то и называется бозон Хиггса. Между прочим, Питер Хиггс был и студентом, и аспирантом в Королевском колледже в Лондоне. Возможно, вы удивлены тем, сколько раз я упоминаю Королевский колледж в Лондоне. Это потому что я там работаю профессором, заходите в гости.

Люди связывают все эти идеи с Питером Хиггсом, но я хочу подчеркнуть, что есть еще множество разных людей, у которых схожие идеи появились в то же время. Причина, по которой мы дали этому бозону имя Хиггса, а не Энглера – Браута – Хиггса – Гуральника – Хагена – Киббле и еще кое-кого, состоит в том, что Питер Хиггс был единственным, кто на самом деле привлек внимание научной общественности к факту, что такая частица должна существовать. Простите, если сейчас я перейду на слишком технический уровень, но я хотел бы быстро пояснить вам, что на самом деле сделал Хиггс и чего не сделали остальные.

Предполагается, что вы рассматриваете вселенную, похожую на мексиканскую шляпу. У мексиканской шляпы есть выпуклость в середине и поля с краю. В каком состоянии вселенная хочет находиться? Как указывали Намбу, Голдстоун и другие, она не захочет находиться на вершине в центре шляпы. Она захочет скатиться на край. Тогда, как указывали Энглет, Браут, Хиггс и другие, по мере того, как вселенная оказывается на краю полей шляпы, частица-переносчик слабого взаимодействия, электрон и связанные с ними частицы приобретают массу. Дополнительная вещь, на которую указал Питер Хиггс, становится довольно очевидной, если вы посмотрите на мою картинку. Могут быть осцилляции, квантовые вибрации, идущие радиально вверх и вниз по краям шляпы, и эти вибрации вверх и вниз по краям шляпы соответствуют частице, которую мы называем бозоном Хиггса.

Теперь позвольте мне предложить вам аналогию, чтобы подумать обо всем этом. Согласно идеям Питера Хиггса и других исследователей, существует то, что мы, физики, называем полем; возьмите электромагнитное поле, возьмите гравитационное поле, возьмите поле Хиггса, распространяющиеся на всю вселенную – однородное, изотропное, одно и то же во всех направлениях. Я люблю сравнивать его со снежным полем в Сибири, простирающимся во всех направлениях, покуда видит глаз. Таким же образом у нас есть это универсальное снежное поле Хиггса, которое является средой, проницающей весь космос. Теперь попробуем пересечь хиггсовскую Сибирь. Если мы умные, то у нас будут лыжи, и мы будем очень быстро скользить поверх этого хиггсовского снега. Мы не будем проваливаться, мы не будем взаимодействовать с этим полем Хиггса. Это как частица, не имеющая массы, как фотон. Он не взаимодействует с полем Хиггса. Он как лыжник, который движется очень быстро – в случае фотона всегда со скоростью света.

Но предположим, что на вас снегоступы. В этом случае вы будете проваливаться в снег, и это – аналогия взаимодействия с полем Хиггса. Вы передвигаетесь медленнее лыжника, что похоже на частицу, которая движется медленнее скорости света, которая имеет массу, может быть, на электрон. Наконец, вы можете оказаться достаточно сумасшедшим, чтобы попробовать пересечь эту хиггсовскую Сибирь вовсе без снаряжения. В этом случае вы погрузитесь очень глубоко. Вы будете сильно взаимодействовать с этим снежным полем Хиггса, будете двигаться гораздо медленнее скорости света, как частица с очень большой массой.

Так из чего сделан снег? Каков квант снежного поля Хиггса? Все мы знаем, что снег состоит из снежинок, так что бозон Хиггса в некотором смысле можно рассматривать как снежинку. И даже если вы думаете, что это ненадежная теория, знайте, что она была подтверждена экспериментом. Однако на это ушло много времени. Вот график, который я украл из журнала Economist, и на нем показано, сколько ушло времени на экспериментальное подтверждение существования первоначально гипотетических частиц. В случае бозона Хиггса на это ушло 48 лет – достаточно времени, чтобы Хиггс превратился из волосатого юноши в пожилого человека без волос.

Питер Хиггс и его друзья предложили эти идеи в 1964 году. Мой личный интерес к этому вопросу появился в 1975 году, когда с двумя коллегами, Мари Гайяр и Димитри Нанопулосом, мы пытались выяснить, как эта частица будет выглядеть, о чем в то время мало кто думал. Но мы были крайне не уверены в этих идеях. Мы не были уверены, что Хиггс не порет чушь. Поэтому мы были осторожны и в конце статьи написали, что мы не поощряем большой эксперимент по поиску бозона Хиггса. К счастью, коллеги-экспериментаторы проигнорировали наш скромный совет.

Как искать бозон Хиггса? Нужно сталкивать частицы очень высоких энергий. Вот модель высокоэнергетического столкновения двух протонов. В таком столкновении рождается множество заряженных частиц и множество нейтральных, и в этой симуляции скрыт бозон Хиггса. Я говорю, что он скрыт, потому что это нейтральная частица, и она не оставляет следов, а кроме того, это очень нестабильная частица, так что впрямую вы ее не увидите в любом случае. Но в этой симуляции она распалась на две частицы очень высокой энергии, вот эти две синие башни справа и еще две желтые линии слева.

Задача экспериментов на БАК состоит в поиске таких вот вещей среди миллиардов и миллиардов других столкновений, среди той кучи мусора, которая тоже производится. Я уже говорил вам, что он большой, 27 км в окружности. В среднем он находится на глубине 100 метров под землей, и когда он работает, тысячи миллиардов частиц, протонов, летят по кругу в противоположных направлениях, сталкиваясь и воссоздавая условия, существовавшие на ранних этапах Большого взрыва.

Просто чтобы подразнить моих друзей-астрофизиков, позволю вам заглянуть внутрь Большого адронного коллайдера. Там есть трубы, по которым частицы движутся по кругу. Они должны соударяться, так что нужно добиться глубокого вакуума, чтобы протоны сталкивались друг с другом, а не с молекулами газа. Вакуум внутри этих труб лучше того, что был у вас на поверхности Луны. Простите меня за это. Теперь для Джона Мэзера, который сидит во втором ряду, я бы хотел провести сравнение с открытым космосом. Наши магниты охлаждены до температуры в 1,9° выше абсолютного нуля, в то время как космическое микроволновое излучение имеет температуру в 2,7° выше абсолютного нуля. Так что я заявляю, что физика частиц на 0,8 градуса круче, чем космология. Кроме тех случаев, конечно, когда происходит столкновение, потому что при этом на очень короткий момент образуется невероятно маленькое и невероятно горячее пространство, из которого вылетают десятки, сотни, может быть, тысячи частиц, и на короткий момент получается точка с температурой намного, намного выше, чем в центре Солнца.

Потом мы пытаемся зарегистрировать эти частицы, и на БАК идут четыре больших эксперимента, я хочу подчеркнуть, что в эти эксперименты вовлечены тысячи физиков из буквально десятков стран. Это по-настоящему всемирные усилия. Это не просто группа швейцарских парней играет с часами, это настоящая работа мирового масштаба.

Теперь кое-что про открытие бозона Хиггса. Мне кажется, что описать реакцию физиков, занимающихся частицами, на то, что эта частица в конце концов была обнаружена, можно как массовую хиггстерию. И в нескольких экспериментах нам удалось обнаружить следующее. В рамках ATLAS, одного из больших экспериментов по поиску бозона Хиггса, увидели такую картину: если вы присмотритесь очень внимательно, вы увидите четыре прямые красные линии, выходящие из столкновения – две вверх и налево и две, выходящие снизу. Это энергичные частицы, которые могли появиться при распаде бозона Хиггса, и это похоже на симуляцию. Это событие увидели и в другом эксперименте по охоте на бозон Хиггса, CMS. Его поведение иллюстрируют замеченные в космических лучах линии. Они соответствуют двум частицам с высокой энергией, возможно, очень энергичным фотонам. Они не заряжены, потому что не оставляют за собой следа, и такой распад бозона Хиггса на два фотона был рассчитан нами с Мари Гайяр и Димитрием Нанопулосом в 1975 году.

4 июля 2012 года ATLAS и CMS осмелились заявить об открытии новой частицы. На другой стороне Атлантики 4 июля отмечается по другому поводу, но у нас, по крайней мере, в то 4 июля, было свое большое празднование.

Что же обнаружили в ходе экспериментов? Что ж, в основном ничего. То, что вы видите здесь, это данные, выбивающие основу из-под известной физики. Они колеблются вверх и вниз, но нет ничего существенного, да? Никакого бозона Хиггса, не на чем глаз остановить. Но если убрать наложение в середине, вы увидите очень значительный пик. В нем – переизбыток полезных событий, и это то, что, как мы полагаем, и есть бозон Хиггса, наконец появляющийся из шума.

Бозон Хиггса – это важная вещь. Без бозона Хиггса не было бы атомов, потому что у электронов не было бы массы, и они улетали бы от ядра со скоростью света. Не было бы тяжелых ядер, потому что у кварков не было бы массы. Слабые взаимодействия, ответственные за радиоактивность, не были бы слабыми. Они были бы той же силы, даже сильнее, чем электричество и магнетизм, и жизнь была бы невозможна. Не просто все было бы радиоактивным, но и вселенная была бы совсем не похожа на нашу вселенную.

Когда бозон Хиггса начал играть важную роль во вселенной? Сегодня она заполнена космическим микроволновым фоновым излучением, которое высвободилось при формировании атомов примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого не было ни атомов, ни химии, ни биологии, только физика. Когда вы сдвинетесь еще дальше назад, к моменту, когда вселенной было меньше трех минут, вы обнаружите, что там не было ядер, только протоны, электроны, фотоны и т. п. Вот так, никакой ядерной физики тогда еще не было. Если сдвинуться еще, к тому времени, когда от рождения вселенной была одна микросекунда, можно было бы обнаружить, что там не было протонов и нейтронов, вокруг летали только кварки и глюоны. Мы думаем, что если еще сдвинуться к возрасту вселенной в одну пикосекунду, т. е. одну миллионную миллионной доли секунды, то вот это будет тот момент, когда начал свою работу бозон Хиггса, и до этого момента у частиц не было массы.

Возвращаясь к моей аналогии со снежным полем, когда возраст вселенной был одна миллионная одной миллионной доли секунды, вселенная была настолько горяча, что снег не мог выпасть и образовать снежный покров. С помощью БАК мы исследуем временной промежуток от одной микросекунды до одной пикосекунды после Большого взрыва. Мы думаем, что в этот момент, возможно, была произведена темная материя. Это одна из вещей, которые мы сейчас ищем на БАК, и я к этому вернусь через короткое время. Возможно, и само вещество появилось примерно тогда же, когда бозон Хиггса сотворил свое чудо. Продолжая свои эксперименты, мы пытаемся ответить на эти гогеновские вопросы.

Ответы на них требуют новой физики, находящейся за пределами стандартной модели, которая описывает видимое вещество во вселенной. Говоря словами Джеймса Бонда, стандартной модели недостаточно[3 - Имеется в виду песня The World is not Enough («Этого мира мало») из 19-го эпизода бондианы. – Прим. ред.]. И ниже я перечислю 007 причин для этого.

Первая причина в том, что пустой космос нестабилен, если нет ничего, кроме стандартной модели, и я вернусь к этому позже. Затем есть вопрос о природе темного вещества и вопрос о появлении вещества как такового. И откуда у нейтрино взялась масса? (это, скорее всего, потребует некоторого расширения механизма Хиггса). Почему слабые взаимодействия так сильны? Что объясняет огромные размеры и возраст вселенной? Причиной ли этому загадочная космологическая инфляция? И как мы создадим квантовую теорию гравитации? Это все нерешенные задачи, с которыми мы сейчас сталкиваемся. Я немного расскажу о паре этих проблем, а затем в гранд-финале вернусь к вопросу о нестабильном космосе.

Астрофизики говорят нам, что если мы хотим понять, как не распадаются галактики и, для начала, как вообще сформировались галактики, нужно учесть, что невидимого слабо взаимодействующего темного вещества должно быть больше, чем того видимого вещества, из которого состоят звезды и состоим мы. Возможно, темное вещество состоит из частиц, одна из идей – это так называемые суперсимметричные частицы. Это партнеры известных частиц, которые вращаются с иной скоростью. Суперсимметричные частицы будут иметь значение спина J, отличное от обычных частиц. Никто их никогда не видел и само их существование на текущий момент весьма спекулятивно. Это одна из тех вещей, которые мы ищем на БАК, особенно при увеличении энергии столкновений. Мы не сможем увидеть частицы темной материи непосредственно, потому что они взаимодействуют слабо. Они нейтральны и не светят, но их можно зарегистрировать косвенно, потому что они невидимо уносят из системы энергию и импульс.

Общественный интерес к физике антивещества поддерживается благодаря сериалу «Звездный путь», хотя часть вины лежит и на Томе Хэнксе. Мы, физики, любим изучать антивещество не потому, что, господи упаси, хотим уничтожить Ватикан, а потому, что мы крайне заинтересованы в небольшой разнице между веществом и антивеществом. Поль Дирак и другие физики думали, что частицы вещества и антивещества будут одинаковыми в некоторых свойствах, таких как масса, и противоположны в других. Например, у них будет противоположный электрический заряд. Как я говорил выше, антивещество было обнаружено в космических лучах, а теперь оно рутинным образом используется в медицинской диагностике. Не знаю, проходил ли кто-нибудь в этой аудитории ПЭТ-сканирование – похоже, парочка таких тут есть. «П» в ПЭТ означает позитрон, первую из обнаруженных частиц антивещества. Когда люди обнаружили, что на самом деле вещество и антивещество не то чтобы в чем-то одинаковы и в чем-то противоположны, это стало для всех большим сюрпризом. Российский физик Андрей Сахаров предположил, что эта разница может объяснять, почему вселенная сегодня содержит вещество, а не антивещество. Чтобы понять, верно это или нет, в ЦЕРН ведутся специальные эксперименты.

Мы, физики, мечтаем о том времени, когда мы объединим все фундаментальные взаимодействия. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн искал универсальную теорию всего, но не нашел ее. Одной из идей, с которыми играл Эйнштейн, была идея о том, что у пространства могут быть дополнительные измерения. Сегодня это стало очень популярной темой в теориях квантовой гравитации, таких, как теория струн, и в некоторых из этих теорий допускается, что гравитация может стать сильной уже при энергиях, достижимых в БАК, и в таком случае эти эксперименты могут привести к рождению черных дыр.