Влияние этого факта на будущие судьбы Вселенной двояко. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает сегодня никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не так быстро, как плотность масс фотонов, а так же, как плотность масс обычных частиц, и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя.
Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (1029 г/см3), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут все звезды. Тогда в будущем Вселенную ожидает сжатие, разрушение при этом небесных тел, возникновение вновь сверхплотного сверхгорячего вещества со сверхбурными физическими процессами.
Как видно, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня. Либо это состояние будет очень разреженным и холодным, либо – очень плотным и горячим.
Получается, что современные модели эволюции Вселенной предоставляют на выбор несколько сценариев будущего, и, честно говоря, все они не дают оснований для особого оптимизма. Основной сценарий состоит в том, что наша Вселенная будет вечно расширяться и охлаждаться. В конечном итоге останутся только элементарные частицы, включая нейтрино, фотоны и электроны с протонами. Никаких звезд и планет не сохранится среди хаоса случайно блуждающих частиц, разделенных огромными расстояниями. В связи с этим видный космолог и астрофизик современности И. Д. Новиков писал, что с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно 1027 кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 1034 секунд, а пространственные масштабы были порядка 1024 сантиметров. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов, сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное и чрезвычайно растянутое в пространстве. По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь – правда, в непривычных формах – и «пульс жизни» будет биться все медленнее, но никогда не остановится.
Если ускоренное расширение нашего мира не прекратиться, то космологи прогнозирует его гибель в пучине Большого разрыва. Эта идея основывается на предположении, что величина взаимодействия между частицами, благодаря которому существуют все структуры, начиная с атомов, со временем уменьшается. В какой-то момент, когда взаимодействие станет слишком слабым, произойдет распад всех жизненно важных объектов, и Разума в том числе. Впрочем, за много миллиардов лет до этого Вселенная может лишиться массы и превратиться в излучение – скажем, из-за нестабильности Хиггса.
Глава 31Катастрофа Хиггса
Международное детище ЦЕРНа – Большой адронный коллайдер, или просто БАК – абсолютный рекордсмен среди ускорителей элементарных частиц. Он самый большой, самый точный, самый мощный и, конечно же, самый дорогой, ведь расходы на его строительство, наладку, ремонт и эксплуатацию уже превысили 10 миллиардов долларов. 27-километровый ускоритель чем-то напоминает две гигантские пушки, направленные друг на друга. Стреляют данные научные орудия тяжелыми ядерными частицами – протонами и ионами. Сталкиваясь, эти снаряды-частицы порождают фейерверк иных микрочастиц, среди которых физики надеются встретить необычных незнакомцев. Чем выше энергия столкновения, тем более интересны результаты. И вот, летом прошлого года по локальной компьютерной сети, связывающей БАК с двумя сотнями ведущих научных центров мира, прошла долгожданная весть: обнаружены следы новой частицы – бозона Хиггса, который журналисты уже успели прозвать «частицей бога».
Началась тщательная проверка результатов, и вот после некоторых колебаний Нобелевский комитет принимает решение присудить самую престижную премию в мире науки Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру. Эти ныне широко известные физики-теоретики еще в шестидесятые годы ушедшего столетия предсказали существование некой микрочастицы – бозона, теоретически обеспечивающей массу всех других элементарных частиц.
Так в единый фундамент мироздания был заложен еще один важный кирпичик. После этого общая картина стала более полной и понятной. Почему же так важно было открыть существование бозона Хиггса, и как эта «частица бога» умудряется взаимодействовать с иными частицами, делая их тяжелыми?
Теоретически поле Хиггса должно пронизывать все на свете, разливаясь как вселенский океан. Всплески и рябь «океана Хиггса» и представляют те самые «частицы бога». Все материальные тела вместе с нами плывут по волнам этого безбрежного океана и, собственно говоря, именно за счет взаимодействия с «водной средой» поля Хиггса становятся массивными. Мы как бы проталкиваемся сквозь эту среду, а она противодействует движению, тормозя нас. Это была очень красивая гипотеза, и для ее подтверждения предпринимались большие усилия. Но на предыдущих ускорителях эксперименты не получались – не хватало энергии. Для того чтобы поднять волнения в «океане Хиггса», надо было приложить колоссальные усилия. Это было бы по плечу только новому суперколлайдеру, такому как БАК.
Важная деталь, часто упускаемая в восторженных репортажах об открытии бозона Хиггса, состоит в том, что эта частица в принципе не наблюдаема. По крайней мере, в диапазоне энергий, достигаемых ВАКом. «Частица бога» чрезвычайно неустойчива и распадается на более легкие микрообъекты тотчас после возникновения.
Единственный способ зафиксировать рождение бозона – это собрать и проанализировать большой массив информации о столкновениях элементарных частиц и выявить особый «стереотип расщепления», который характерен именно для данной микрочастицы.
До самого последнего момента выпуска судьбоносного пресс-релиза, зафиксировавшего открытие Хиггса, происходила драматическая гонка двух больших научных коллективов. Со специалистами БАКа соревновались их американские коллеги, работающие в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми близ Чикаго. Хотя их рабочий инструмент – ускоритель Теватрон (Tevatron) – был остановлен осенью 2011 года после 28 лет успешной эксплуатации, они упорно продолжали анализ данных о 500 триллионах столкновений элементарных частиц, которые за последнее десятилетие произошли в их коллайдере.
Увы! Мощности Теватрона все же немного не хватило, и пальма первенства окончательно перешла к БАКу.
Разумеется, БАК создавался не только для решения проблемы поиска «частицы бога». Физики рассчитывали найти на нем нечто принципиально новое – неизвестные частицы, новые симметрии и новые взаимодействия. Вся эта «новая физика» проявляется при очень высоких энергиях, находящихся за пределами стандартной модели. Среди «зоопарка» гипотетических частиц, ждущих своего экспериментального подтверждения, есть экзотические экземпляры. В частности, астрофизики очень рассчитывают обнаружить частицы таинственной темной материи. Это невидимое вещество очень слабо взаимодействует с обычным веществом и проявляется только гравитационным образом – по притяжению. Вместе с темной энергией эта неизвестная форма материи составляет основную массу вещества Вселенной. При этом обычного светящегося вещества, видимого в телескопы, на самом деле всего лишь 4–5 %! Получается, что темная материя пронизывает все вокруг, но ни в одном опыте еще не удалось обнаружить ее присутствие. Считается, что эти загадочные частицы образовались еще в очень молодой Вселенной, когда после Большого взрыва прошло меньше секунды.
Некоторые энтузиасты из команды ВАКа не теряют надежды на фантастические открытия составных частей у элементарных частиц, таких как электрон или позитрон. Кто-то считает, что будущие эксперименты помогут продвинуться в понимании таких непростых фундаментальных вопросов, как квантовая проблема измерения. Это когда в экспериментах с микрочастицами, такими как те же электроны, детекторы фиксируют определенное число. Квантовая физика предсказывает только вероятность его значения, но никогда не указывает точный вид. Техника вычислений здесь отработана до мелочей, но почему-то в каждом одинаковом эксперименте фиксируются различные значения одной и той же величины.
Так, может быть, новая физика даст ответ? Найдут частицы с новыми свойствами, совершенно непохожими на наблюдаемые. Не исключено, что на еще более глубоком уровне есть законы, которые отличаются от законов квантовой механики так же, как квантовая механика от макромира. Но даже в рамках того, что называют новой физикой, перспективы подобных исследований очень неопределенны…
Поиски «физического Грааля»
Итак, Нобелевская премия по физике 2013 года наконец-то поставила точку в сорокалетней охоте за «святым Граалем» физики элементарных частиц – неуловимой «божественной частицей».
Справедливости ради надо напомнить, что в шестидесятых годах гипотезу о существовании нового бозона разрабатывал не только профессор Питер Хиггс. Кроме него, гипотезу о том, что Вселенная пронизана незримым полем, состоящим из бозонов – частиц, с помощью которых материя обретает массу, в свое время разрабатывали еще один английский физик и две независимые исследовательские группы из США и Бельгии. Их совместный труд и создал поразительную модель бозонов, наполняющих Вселенную особым полем. В нем микрочастицы фактически «прилипают» к «божественным бозонам», обретая массивность. В то же время фотоны – кванты электромагнитного излучения с нулевой массой покоя – с бозонами Хиггса не взаимодействуют.