Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Теперь поговорим о массах (и почему они такие маленькие)
Вероятно, вы заметили, что я исподтишка подсунул в список необъяснимых параметров массы фундаментальных частиц. «Постойте! — воскликнете вы. — Кажется, вы всю последнюю главу только и делали, что объясняли, откуда берутся массы!»
Так и было, однако хотя поле Хиггса придает различным частицам массу, количество этой массы приходится вводить вручную. Открыть бозон Хиггса, а затем подтвердить его существование было так трудно именно потому, что мы не сомневались, что он существует, но никак не могли установить, какова его масса. Пришлось рассматривать кучу разных вариантов.
Еще страннее, что когда пытаешься угадать массу частицы, почти всегда ошибаешься.
Угадывать массу частицы — это примерно то же самое, что иногда делают на ярмарках, когда соревнуются в точном определении на глаз веса больших головок сыра, только в нашем случае, чтобы понять, как именно масса входит в уравнение, приходится еще учитывать все подсказки и суть законов физики. Для этого приходится перетасовывать и сопоставлять все фундаментальные физические постоянные: с (скорость света), ћ (постоянная Планка) и G (гравитационная постоянная Ньютона).
Эти числа удостоились подобной чести, поскольку описывают не какую-то конкретную силу или конкретную симметрию. Точно так же как скорость света можно принять за 1 (и таким образом приравнять световой год просто к году), остальные постоянные тоже можно всячески тасовать и перемешивать независимо от того, какие единицы измерения рассматриваешь. Стоит перемножить фундаментальные постоянные в нужных степенях — а из соображений размерности это можно сделать лишь одним способом — и получишь массу примерно в 20 миллиардных килограмма. Это называется планковская масса[109], и любой специалист по физике элементарных частиц скажет вам, что она огромна — примерно в 1019 раз больше массы протона.
Поскольку в уравнение входят и гравитационная постоянная, и постоянная Планка, планковский масштаб учитывает воздействие как сильной гравитации, так и квантовой механики. В самом-самом начале вселенной — примерно через 10–44 секунды после Большого Взрыва (это очень-очень мало и называется, кстати, планковское время) — квантовые флуктуации создали черные дыры, которые буквально заполонили вселенную. И мы правда не понимаем, каковы были законы физики в планковское время.
Планковская масса задает естественную шкалу, позволяющую понять, чего можно ожидать от фундаментальных частиц, однако мы так и не нашли частицу, чья масса хотя бы отдаленно была похожа на планковскую. Планковская масса приблизительно в 100 квадрильонов раз больше массы топ-кварка — самой тяжелой из известных нам частиц. Это как будто на ярмарке кто-нибудь предположил бы, что вы весите как Плутон. Это, конечно, очень грубо — зато наталкивает на мысль, что оценщику хорошо бы избрать себе какое-нибудь другое поприще.
Если, к примеру, протон обладает массой в 10–19 планковской, физики понимают, что это как-то очень мало и, наверное, требует объяснений. Какова вероятность, что мы получили столь малую величину по чистой случайности? Поскольку ни одна из известных частиц даже близко не подходит к массе, которая им полагается «от природы», остается вопрос: почему все такое легкое?
Как устроена гравитация?
Когда я описывал стандартную модель, то прибегал к выражениям вроде «три силы за исключением гравитации». Но почему же мы исключаем гравитацию? По всей видимости, ее роль в порядке вещей не так уж незначительна.
Общая теория относительности великолепно описала гравитацию, однако нельзя отрицать, что гравитация по форме разительно отличается от всех остальных взаимодействий: ни частицы-переносчика, ни квантовой неопределенности. Как же нам примирить ее со всеми прочими, а в частности — с квантовой механикой?
Поскольку гравитация доминирует, когда массы достаточно велики, а квантовая механика — на мелких масштабах, как правило, этим двум теориям нечего делить. В нормальных обстоятельствах на то, как объединить квантовую механику и гравитацию, нам намекают излучение Хокинга и эффект Унру, однако мы до сих пор не знаем точно, как объединить эти теории в целом.
Мы не понимаем, как быть с сингулярностями вроде тех, которые мы обнаруживаем в центрах черных дыр и в момент Большого взрыва. Сингулярность — это космологический аналог — волшебная сумка из игры в «Dungeons & Dragons»: можно поместить в конечный объем пространства буквально бесконечное количество вещества. По правде говоря, как это получается, не знает никто.
Чего нам еще не хватает?
Я сделал довольно смелое заявление, что стандартная модель позволяет нам предсказать все частицы, какие только мы ни наблюдали, и ничего лишнего. Строго говоря, так и есть, только я позабыл напомнить вам, что есть еще несколько физических явлений, которые пока остаются необъясненными, и стандартная модель тут оказывается бессильной.
К несчастью для нас, это не какие-нибудь мелочи, а темное вещество с темной энергией, которые совокупно составляют приблизительно 95 % плотности энергии во вселенной.
Если помните, темное вещество скрепляет галактики и звездные скопления, и его, по всей видимости, раз в пять-шесть больше, чем обычного вещества, состоящего из протонов и нейтронов. Гравитационное воздействие темного вещества мы наблюдаем непосредственно, и это наводит на очевидный вывод, что где-то поблизости шныряет какая-то частица темного вещества. А поскольку темное вещество обеспечивает так много массы, частиц темного вещества должно быть, прямо скажем, очень много. Темное вещество должно быть электрически нейтральным, иначе мы бы его сразу заметили. Этим условиям из всей стандартной модели удовлетворяют одни лишь нейтрино, однако, хотя их и в самом деле очень много, они очень легкие, и на темное вещество их не хватит. Другой вероятный кандидат — аксионы, вот только, как я уже говорил, мы совсем не уверены, что они вообще есть на свете.
Однако есть проблема и похуже — по крайней мере с точки зрения каталогизации долей энергии во вселенной. Это темная энергия, которая, судя по всему, составляет чуть ли не 73 % общей плотности энергии во вселенной. Такого шила в мешке не утаишь.
Простейшее объяснение темной энергии состоит в том, что это суммарное воздействие частиц, возникающих и исчезающих в вакууме. В некотором смысле считать темную энергию энергией вакуума — это идеальный выход из положения. Прорешайте уравнения — и окажется, что энергия вакуума вызывает ускоряющееся расширение вселенной, в точности как темная энергия.
Однако тут таится подвох. Как же без этого.
Плотность вакуума, которая получается из теоретических расчетов, катастрофически велика. Если взять и посчитать ее, выйдет число примерно в 10120 раз больше, чем наблюдаемая во вселенной плотность темной энергии. Если вам интересно, откуда берется такое число, имейте в виду, что плотность вакуума — это отношение одной планковской массы к кубу планковской длины.
Проблема темной энергии куда болезненнее, чем кажется на первый взгляд, поскольку мы даже не знаем, в какой области физики искать решение. Очень может быть, что мы не вполне верно интерпретируем стандартную модель. А может статься, темная энергия заложена в законы гравитации — в эйнштейновскую космологическую постоянную. Если дело в этом, нам либо придется смириться с тем, что темная энергия просто есть, либо мы так и не сможем найти к ней подход, пока не построим рабочую теорию квантовой гравитации.
Напрашивается вывод, что мы просто не представляем себе, что такое темная вселенная. Мы можем количественно оценить ее, что, конечно, уже хорошо, однако о ее сущности ничего особенного сказать не можем.
Сколько можно?! Вернемся к нарушению симметрии!
Довольно нытья. Мы уже так давно отклонились от темы симметрии, что стыдно жаловаться, как много мы не знаем. Вы раскошелились на книжку не ради извинений, а ради объяснений.
Если взглянуть на все чуточку шире, мы обнаружим, что на самом деле перед нами не несовершенные симметрии, а совершенный в своем несовершенстве персидский ковер. А что если было такое время в истории вселенной, когда эти симметрии были совершенны, а потом что-то случилось — например, не так легли карты квантовой механики — и равновесие нарушилось[110]? Иначе говоря, нарушилась симметрия?
Нарушение симметрии уже встречалось нам пару раз, однако поскольку мы думаем о мозголомном мире внутренних симметрий и о физике частиц, не помешает освежить в памяти, о чем, собственно, речь.
Предположим, вы обследуете ледяную планету Хот. Куда бы вы ни направились, жизнь повсюду более или менее одинакова — стоит трескучий мороз. Это потому, что планета находится в центре пространства. Она обладает идеальной сферической симметрией. Жизнь одинакова, куда бы вы ни пошли, и хотя, если вам так уж приспичило рисовать карту, вы вольны выбирать хоть Северный полюс, хоть экватор, без дополнительных ориентиров вроде звезд или каких-то ландшафтных примет подобные направления более или менее лишены смысла.
