Физика обладает особым статусом по сравнению со всеми остальными науками. От нее ждут не только точных и серьезных предсказаний, но порой и ответов на фундаментальные вопросы о природе мироздания. Именно поэтому сообщения о регистрации гравитационных волн или открытии бозона Хиггса вызывают такой интерес.
Благодаря техническому прогрессу в последние годы у нас появилась возможность экспериментально проверить отдельные кусочки картины мира, сформулированной 50–60 лет назад. Разумеется, факт наличия гравитационных волн не ставился под сомнение никем из людей, понимающих суть явления. И пожалуй, было бы интереснее, если бы их не нашли. Это означало бы, что либо теория относительности неверна, либо мы абсолютно неправильно понимаем базовые законы Вселенной. Но теория подтвердилась.
Однако это не значит, что теперь мы живем в мире, законы которого известны наверняка. Огромное количество феноменов и теорий в физике все еще нуждаются в объяснении и экспериментальном подтверждении. Какие еще из фундаментальных концепций планируется проверить в первую очередь и как изменится наше представление о базовых законах Вселенной в случае их подтверждения или опровержения?
Суперсимметрия
Согласно квантовой физике, в природе существует два типа элементарных частиц: бозоны (например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия) и фермионы (электроны, протоны). Эти частицы ведут себя совершенно по-разному. В квантовых системах физические величины (энергия, импульс и т.д.) могут принимать лишь какое-то конкретное значение, а набор этих величин для конкретной частицы называется квантовым состоянием. Фермионы напоминают девушек на вечеринке в разных платьях: каждый из них стремится иметь свой собственный набор значений физических величин. Бозоны же в отличие от них коллективисты и, наоборот, предпочитают находиться в одинаковых квантовых состояниях. Это приводит к кардинальным отличиям в их поведении.
Весь окружающий нас мир построен из фермионов, которые взаимодействуют друг с другом, «перекидываясь» бозонами. Другими словами, фермионы – это шарики, из которых мы состоим, а бозоны – пружинки, соединяющие их. В Стандартной модели (общепринятая на сегодняшний день теория в физике элементарных частиц) все фермионы классифицируются в зависимости от того, с какими бозонами они могут взаимодействовать.
Теория суперсимметрии утверждает, что при очень высокой энергии бозоны и фермионы могут превращаться друг в друга. Иными словами, вещество может переходить во взаимодействие (или в излучение) и наоборот. Математически это достигается за счет добавления к обычным трехмерным координатам специальных (помимо длины, ширины, высоты, например координаты времени и др.), с помощью которых становится возможно преобразовывать частицы друг в друга.
Экспериментальная проверка этой теории уже началась – для этого используется Большой адронный коллайдер. Частицы разгоняются до очень больших энергий, затем их сталкивают друг с другом и изучают, что получилось в результате такого столкновения. Наблюдение суперсимметрии является одной из основных задач CERN. Однако на текущий момент она не подтверждается результатами экспериментов, и часть ученых начинают сомневаться в ее существовании.
Один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере
Denis Balibouse / Reuters
Стоит отметить, что в данном случае важна сама возможность подтверждения или опровержения теории суперсимметрии. Она описывает объекты, которые находятся в своем роде на границе наших текущих знаний. Если ее действительно найдут, это станет первым шагом в «новую» физику. Кроме того, суперсимметрия позволяет объяснить один из самых загадочных космологических феноменов – темную материю.
Темная материя
Изучение космоса – это другая область физики. Звезды, туманности, скопления галактик являются объектами совсем иных масштабов и требуют другого языка для своего описания. Кроме того, мы не можем поставить эксперимент над галактикой, мы можем только наблюдать за ней. Несмотря на это, микро- и макромир тесно связаны.
Термин «темная материя» применяется в астрономии с 20-х годов прошлого века. Именно тогда у ученых появилось предположение, что большая часть массы во Вселенной невидима, то есть не взаимодействует или слабо взаимодействует с электромагнитным излучением. Дальнейшее развитие астрономической техники лишь подтвердило это. Наблюдая за небом, мы можем определить скорость вращения звезд вокруг центра нашей Галактики. Но если оценить массу всех видимых звезд, то получится, что вращение должно быть медленнее. Этому может быть два объяснения: либо законы гравитации неверны (в данном случае закон Ньютона), либо есть какая-то невидимая нам масса, которая ускоряет звезды за счет дополнительной гравитации. Наиболее популярная точка зрения сегодня – теория о скрытой массе.
И тут приходит на помощь суперсимметрия. Одним из ее следствий является то, что у каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнер, своего рода отражение в «суперсимметричном зеркале». Для фотона, кванта электромагнитного поля, таким партнером будет фотино. У этой частицы нет заряда, она достаточно тяжелая и вполне может быть частицей темной материи. Таким образом, проверка суперсимметрии позволит не только подтвердить красивую теорию в физике элементарных частиц, но и разрешить одну из самых больших проблем современной космологии. Сейчас существует несколько экспериментальных комплексов в мире, которые пытаются”поймать” темную материю. Пока, к сожалению, безуспешно. Например, в рамках CDMS (Cryogenic Dark Matter Search – криогенный поиск темной материи) эти частицы пытаются обнаружить с помощью полупроводниковых кристаллов, которые находятся при температуре порядка 0,01° Кельвина. Для защиты от помех установка расположена глубоко под землей, в бывшей шахте по добыче железной руды.
Обнаружение таких частиц позволит не только понять, что собой представляет темная материя, но и подтвердит теорию суперсимметрии. В связи с этим существует ряд альтернативных гипотез, согласно которым нужно искать другие частицы или вообще использовать альтернативные законы гравитации. Несмотря на это, темная материя является концептуально понятным феноменом. Скорее всего, во Вселенной есть нечто, что мы пока не можем зафиксировать. Но в космологии существует и гораздо более масштабная проблема – темная энергия.
Темная энергия
Согласно современным оценкам, темная материя составляет примерно 26% массы Вселенной, еще около 4% приходится на "обычную” материю, из которой состоят звезды и планеты. Остальные 70% – темная энергия; явление, которое приводит к главному парадоксу современной физики, иногда его еще называют проблемой космологической постоянной.
Космологическая постоянная – это величина, введенная Эйнштейном в уравнения общей теории относительности во многом из эстетических соображений. До недавнего времени она рассматривалась как необязательная, пока в 1998 году не было открыто, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Так как любое ускорение нуждается в энергии, то получалось, что есть какая-то невидимая сила, влияющая на происходящее расширение. Именно это явление получило название темной энергии.
Из наблюдений получалось, что темная энергия обладает весьма странными свойствами. Во-первых, она создает своего рода антигравитацию: частицы привычной нам материи притягиваются друг к другу, взаимодействуя с помощью гравитации, и чем ближе они находятся, тем больше становится их энергия. В отличии от них, темная энергия работает по-другому: при увеличении плотности, она наоборот уменьшается, приводя тем самым к расширению Вселенной. Во-вторых, она равномерно распределена по всему пространству, а ее плотность практически не зависит от времени. Получается, что каждый кусочек пространства обладает некоей собственной, постоянной энергией. На самом деле это не так безумно, как кажется на первый взгляд. В квантовой физике такой феномен известен и называется энергией вакуума.
Казалось бы, вакуум – это пустота. Как там, где ничего нет, может быть какая-то энергия? Но согласно современной физике, пустота оказывается полна жизни. В квантовой физике существует принцип неопределенности Гейзенберга, который, если упростить, состоит в том, что мы никогда не можем точно измерить энергию частицы. Эта неопределенность приводит к тому, что в вакууме могут на очень короткое время рождаться и умирать "несуществующие” частицы (их называют виртуальными). Такой процесс называется нулевыми колебаниями вакуума.
Скопление галактик в центре содержит столько темной материи, что гравитация изгибает лучи света
NASA, ESA, CRAL, LAM, STScI
И здесь главная проблема в том, что предсказанное квантовой физикой значение космологической постоянной в 10120раз больше, чем получаемое из общей теории относительности. Иногда это называют худшим предсказанием в истории физики. Тут возникает сложная ситуация: либо мы не понимаем, из чего состоит большая часть окружающего нас мира, либо нужно перестраивать две фундаментальные физические теории, пытаясь увязать их друг с другом. Ясно лишь, что общая теория относительности создавалась для описания гравитации на космических масштабах и ее нельзя применять для работы с квантовыми объектами, но какой-то общепринятой квантовой теории гравитации на сегодняшний день не существует.
С большими оговорками выходит, что мы представляем себе устройство лишь четырех процентов Вселенной. И чем больше мы узнаем о ней, тем больше вопросов возникает.
Квантовые петли и теория струн
Даже без учета парадокса космологической постоянной гравитация – больное место для всей физики элементарных частиц. Основной проблемой является то, что непонятно, какая теория заменяет общую теорию относительности на квантовых масштабах. Мы умеем описывать пространство и время на крупных масштабах. Но физики мечтают понять саму природу пространства. В теории Эйнштейна пространство-время является единой переменной, зависящей от характеристик объектов внутри ее. Квантовая физика, в свою очередь, использует некое внешнее пространство-время, в которое погружены частицы.
Как связать обе эти теории, на сегодняшний день непонятно. Но существует множество предполагаемых решений этой проблемы – например, петлевая квантовая гравитация и теория струн.
Первая предполагает, что пространство и время состоят из отдельных частей, своего рода квантовых ячеек, которые соединены друг с другом определенным образом, что приводит к возникновению гравитации.
Согласно же теории струн, каждая частица является двумерной вселенной с одним пространственным и одним временным измерениями. При этом пространственное измерение имеет конечные размеры. Например, оно может быть замкнуто в очень маленькую петлю. Такие объекты называются струнами. И их колебания с разной частотой отвечают разным элементарным частицам, которые мы наблюдаем, ведь с больших расстояний мы видим маленькую струну как точечную частицу. За счет этого появляется возможность элегантно связать все фундаментальные взаимодействия: гравитационное и электромагнитное, слабое и сильное.
Помимо этого, теория струн построена таким образом, что непротиворечиво существовать она может только в пространстве-времени размерности десять. Таким образом, в рамках этой теории предполагается, что наш мир состоит из большой четырехмерной части (того пространства, в котором мы живем) и маленькой шестимерной. Это можно представить как то, что каждая точка нашего пространства при пристальном взгляде имеет внутреннюю шестимерную структуру. На первых порах даже существовала надежда, что из логической непротиворечивости теории струн на столь странном десятимерном пространстве возникнет объяснение, почему мы живем в четырехмерном пространстве-времени. На данный момент, однако, большая часть сообщества ученых, занимающихся струнами, придерживаются той точки зрения, что эта надежда не оправдалась.
И наконец, в теории струн все заряды и массы частиц приобретают геометрический смысл. Некоторые из них возникают, например, как размеры различных частей маленького шестимерного пространства. Таким образом, теория струн является наукой на стыке физики, геометрии и алгебры, что отчасти объясняет ее исключительную привлекательность в среде научного сообщества.
Это напоминает ситуацию с Общей теорией относительности, первоначально сформулированной Эйнштейном на бумаге и только спустя годы окончательно подтвержденной. Однако невозможность даже косвенной экспериментальной проверки и большое число различных ответвлений теории приводят к скептическому отношению к ней множества ученых.
Пожалуй, в современной физике нет другой области, которая вызывала бы такое количество дискуссий. Причем это споры философского характера, по существу сводящиеся к тому, что же именно является предметом изучения этой науки.
Бесконечность вопросов
Каждая из решенных проблем в физике приводит нас к вопросам из категории "почему?”. Поэтому даже когда все вопросы "как?” иссякнут, нам еще предстоит многое познать. Например, мы не можем объяснить, почему наш мир трехмерный и действительно ли он такой. Когда мы смотрим на бумажную салфетку, нам кажется, что она плоская, хотя на самом деле у нее есть и третье измерение. Что, если и размерность нашего мира на самом деле больше, а мы просто не можем это увидеть? Все это сейчас проверяется экспериментально с помощью измерения закона всемирного тяготения Ньютона на малых масштабах.
Мы также не можем объяснить, зачем нужны три поколения частиц в Стандартной модели. Наш мир построен из частиц одного поколения, но существуют еще два, причем эти частицы идентичны друг другу, но отличаются по массе: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Зачем природе потребовалось создавать их?
Другой вопрос, почему существует именно четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое? Можно ответить на это, исходя из антропного принципа, объяснив, что все во Вселенной настроено таким образом, чтобы появился человек. Тогда все выглядит согласованно: гравитационное взаимодействие формирует объекты на космических масштабах, создавая звезды и планеты. Живые организмы получают энергию от Солнца вместе с солнечными лучами, то есть за счет электромагнитного взаимодействия. Для того чтобы Солнце светило, на нем должны происходить термоядерные реакции, а это распадные процессы, слабое взаимодействие. Вещество вокруг нас и составляющее нас состоит из атомов, внутри атома есть ядро, которое распалось бы на протоны и нейтроны, если бы они не удерживались вместе за счет сильного взаимодействия. Но почему нужно именно такое количество взаимодействий? Возможно, есть еще что-то, о чем мы просто пока не знаем?
На этом вопросы не заканчиваются. Почему наш мир состоит из материи, а не из антиматерии? Почему Вселенная имеет такую малую энтропию? Что происходит с информацией внутри черных дыр?
У ученых еще масса вопросов, ответов на многие из которых пока нельзя получить даже математическим путем, не говоря уже о практическом подтверждении. Вся история человечества пестрит примерами, как самые, казалось бы, стройные теории, в том числе и научные, рушились под давлением прогресса и новой научной мысли. И мы не можем утверждать, что этого не произойдет и в наше с вами время, и в будущем. А пока мы живем в таком мире, какой он есть, с понятными неизвестными, и наша цель как человечества – понять не только как, но и почему Вселенная устроена именно так.