Где ждать прорывов и как отменить Большой взрыв

Когда ждать новых великих открытий? Как изменится наша картина мира в наступившем десятилетии? Какую область физики стоит выбрать молодому исследователю, чтобы прославиться и внести наибольший вклад в прогресс? Об этом «Кот» попросил рассказать выдающегося физика-теоретика Валерия Рубакова. Оказывается, Большого взрыва могло и не быть, зато полная карта скоплений галактик во Вселенной у нас точно будет.

Валерий Рубаков, физик-теоретик, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН. Один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. Один из авторов концепции тёмной материи и модели многомерного мира, включающей дополнительные пространственные измерения, наблюдение которых возможно при высоких энергиях.

Новая физика точно есть, но никто не знает где

Мои интересы лежат в тесно связанных областях: это физика элементарных частиц (микромир) и космология (макромир). И в той и в другой области довольно много предсказали наши предшественники и мы сами лет 20−30 назад, а то и раньше. С одной стороны, эти предсказания блестяще оправдались, с другой — стало ясно, как много мы ещё не понимаем. А значит, и там и там возможны прорывы.

В физике элементарных частиц ещё в 1970-х годах была создана так называемая Стандартная модель. И все новые, предсказанные ею факты подтверждались, сколько я помню себя в этой области. Однако мы знаем, что Стандартная модель неполна. Об этом говорит, например, наличие во Вселенной тёмной материи. Не укладывается она в концепцию! Но какой будет новая физика, где её искать и как проявят себя новые физические явления, выходящие за рамки Стандартной модели — новые частицы и новые взаимодействия, — это область гипотез, которых море.

Молчание коллайдера

Думали, что Большой адронный коллайдер даст ответы на многие вопросы или по крайней мере нащупает направление поиска. Но пока ни он, ни другие эксперименты не показывают, как должна расширяться Стандартная модель. Неясно, при каких энергиях появятся новые явления. Неясно, какие ускорители надо строить — в три, в пять раз мощнее, чем БАК, или и это будет бесполезно? Нет ответа. Потрясающая ситуация: все понимают, что должны быть новые физические явления, но никто не знает, какие именно.

Сколько весит бозон Хиггса?

Последним подтверждением Стандартной модели стало открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Стандартная модель предсказала все его параметры, кроме массы. Этот параметр в неё, наоборот, надо было заложить. Долгое время бозон Хиггса искали на установках предыдущих поколений. Считалось, что он сравнительно лёгкий. Теоретически было известно ограничение его массы сверху: она не должна была превышать 700 ГэВ. Оказалось, он весит 125 ГэВ — не на грани, но довольно тяжёлый.

Мы уже вышли за рамки Стандартной модели

Не все параметры можно было предсказать — некоторые надо было измерить. И сегодня все они измерены с высокой точностью. Бозон Хиггса, хиггсовское поле, отвечает за массу элементарных частиц: электрона, мюона, кварка, W- и Z-бозонов, всех массивных частиц, за исключением нейтрино. В случае нейтрино массы генерируются не так просто. В Стандартной модели нейтрино вообще не имеют массы, но оказалось, что это не так. И в каком-то смысле это уже выход за рамки Стандартной модели.

Откуда у нейтрино масса

За счёт чего нейтрино получают свои малюсенькие массы? Очевидно, в результате взаимодействия с какими-то неизвестными частицами. Но, по всей вероятности, эти новые частицы имеют такие большие массы, что их невозможно создать на ускорителе. Хотя есть модели, доказывающие обратное. Есть предположение, что это частицы той самой тёмной материи, но сейчас эта возможность кажется совсем уж гипотетической. А если они очень тяжёлые, то задача понять, как появляется масса у нейтрино, становится очень трудной. Если повезёт, то поймём. Но с большой долей вероятности решить эту задачу в близком будущем не удастся.

Великое объединение

Красивая и, может быть, правильная идея «большого объединения» состоит в том, что все взаимодействия могут быть сведены в одно. Гравитация стоит особняком, так что для начала было бы неплохо объединить остальные взаимодействия. Может быть, на очень высоких энергиях есть единое взаимодействие, которое при снижении энергии расщепляется сначала на два — электрослабое и сильное, а потом уже на три: механизм Хиггса делит электрослабое взаимодействие на слабое и электромагнитное.

Хоть бы один протон распался!

Тут тоже есть загвоздка. Простые модели большого объединения приводили к выводу о конечном времени жизни протона. Протон должен был быть нестабильным. Но до сегодняшнего времени все попытки зафиксировать распад протона оканчивались неудачей. Это обстоятельство ставит крест на простых моделях большого объединения, но не отрицает возможность существования более прихотливых. Если бы мы обнаружили распад протона, то сразу перешли бы на другой масштаб энергий!

Новая фракция во Вселенной

Тёмная материя точно существует. К концу 1980-х годов это стало ясно всем. А кому-то и раньше, конечно. Это новые частицы, новая фракция в нашей Вселенной. Никто не знает, что она представляет собой. Тёмную материю мы пока фиксируем только по гравитации: она участвует в гравитационном взаимодействии точно так же, как обычная. Она реальна, в этом нет сомнений.

Новые частицы лезут отовсюду

Некоторые считают, что если слегка (или не слегка) подправить гравитацию, то можно будет обойтись без тёмной материи. На мой взгляд, это невозможно. Роль тёмной материи в космологии такова, что никакая модификация гравитации её не отменит. Надо вводить новые частицы. Они «вылезают» отовсюду, они видны уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной — во времена, когда образовалось реликтовое излучение.

Реликтовое излучение — равномерно заполняющее Вселенную древнее тепловое излучение, возникшее, когда в немного остывшей Вселенной из элементарных частиц образовались атомы и материя из плазмы стала газом.

Как увидеть тёмную материю

Если смотреть на небо в реликтовом излучении, оно окажется слегка пятнистым, то есть температура в одном направлении чуть-чуть отличается от температуры в другом. Это в некотором смысле фотография того, какой была Вселенная в возрасте, когда реликтовое излучение «отщепилось» от вещества. Этот возраст — всего-навсего 380 тысяч лет (сейчас Вселенной 13,8 миллиарда лет). Когда миру было 380 тысяч лет, температура в нём была 3000 градусов Кельвина. Эта «фотография» показывает, каким было тогда вещество и как оно распределялось, как распределялась масса. Если приглядеться к картинке реликтового излучения, аккуратненько её обработать, то тёмная материя буквально видна.

Свет знает, а мы нет

Да, в то время тоже была тёмная материя, она создавала гравитационные потенциалы. Была и обычная материя, обычное раскалённое вещество, которое светилось. Этот свет, реликтовое излучение, «знает», в каком гравитационном поле находилась обычная материя. Из этой фотографии однозначно можно заключить, что там была тёмная материя, и узнать, сколько её было по массе. Но все попытки зарегистрировать эту форму материи
земными детекторами пока ничем не закончились. Никто не знает, что за частицы присутствуют в тёмной материи, какими свойствами они обладают и какие взаимодействия существуют между ними и нами, кроме гравитационного.

Где кончается теория относительности

Пока всё в наблюдаемом мире прекрасно согласуется с общей теорией относительности. К примеру, чёрные дыры и предсказываются ею, и видны на небе. Теория объясняет всё вплоть до образования гравитационных волн, которые недавно были зарегистрированы. И вот тут вопрос. Мы знаем, что любая теория имеет пределы применимости. А где пределы применимости общей теории относительности?

Полагают, что она перестаёт работать на сверхмалых расстояниях, на планковских масштабах. Но это совсем не обязательно. Может быть, она модифицируется на гораздо больших масштабах? Или при ускоренном расширении Вселенной? А она расширяется всё быстрее! Сейчас для объяснения этого ускорения вводится тёмная энергия. Но что, если как раз на сверхбольших расстояниях при ускоренном расширении Вселенной общая теория относительности перестаёт работать? Это непросто показать теоретически, но «непросто» не значит «невозможно».

Планковский масштаб — минимально представимый в науке масштаб расстояний, порядка планковской длины, равной примерно 1,6×10 в минус 35-й степени метра. Макс Планк предложил эту величину в 1899 году как единицу измерения расстояния в микромире.

Тёмная энергия — это просто число?

Тёмная энергия проявляется в том, что Вселенная расширяется с ускорением. Это всё, что мы про неё знаем. Но это не значит, что всё безнадёжно, — наоборот, очень интересно! Предлагаются разного рода гипотезы. Например, высказано предположение, что тёмная энергия — это космологическая постоянная, то есть просто число, которое характеризует наш мир. Её же называют плотностью энергии вакуума. Или всё-таки мы имеем дело с новым полем?

Это можно проверить. Если тёмная энергия — это энергия какого-то нового поля, она должна зависеть от времени. Пока всё согласуется с гипотезой о космологической постоянной: плотность тёмной энергии не меняется со временем. Но это экспериментальное утверждение, которое верно с некоторой, пока не очень высокой точностью. Простор для других гипотез ещё есть, но сужается. Медленно сужается, поскольку наблюдать за тем, как расширяется Вселенная, — дело непростое.

Вначале было — что?

Мы точно знаем, что была горячая стадия эволюции Вселенной с гигантскими плотностями энергии и гигантскими температурами. Но мы знаем также, что эта стадия была не первой. А что было раньше? Наиболее полный и внятный ответ на этот вопрос даёт инфляционная гипотеза — предположение об экспоненциально быстром расширении Вселенной. Она была сформулирована в начале 1980-х годов Алексеем Старобинским, Аланом Гутом и Андреем Линде, и была надежда, что к нынешнему времени будут получены прямые экспериментальные доказательства. Пока этого не произошло. Простые факты о Вселенной инфляционная гипотеза описывает отлично, но нет железного доказательства, что это не просто гипотеза, а всё так и было на самом деле.

Волны размером со Вселенную

Для того чтобы доказать гипотезу, надо обнаружить гравитационные волны большого размера, а они от нас ускользают. Не те короткие, что недавно открыли, а громадные, размером во Вселенную. Была надежда, что их следы будут открыты в реликтовом излучении. Ничего подобного! Реликтовые гравитационные волны, если они вообще есть, имеют существенно меньшую амплитуду, чем предсказывалось простыми инфляционными моделями.

Большого взрыва могло не быть

Что было до Большого взрыва? На этот вопрос существуют разные ответы — смотря что понимать под Большим взрывом. Если начало горячей стадии, то до неё была какая-то другая стадия, возможно, инфляционная. А если рождение той Вселенной, которую мы знаем, то на этот вопрос я не могу ответить. Но могу сказать, что Большого взрыва, возможно, не было. И этот вопрос меня очень занимает. Можно представить, что давным-давно Вселенная была очень похожа на нашу теперешнюю, но не расширялась, а сжималась. Может, она была пустовата, с меньшим количеством вещества, и потихонечку начинала сжиматься. Потом процесс пошёл быстрее. И в какой-то момент произошло чудо: сжатие сменилось расширением. В этом случае Большого взрыва не было — был переход от сжатия к расширению.

Пульсирует ли Вселенная?

Некоторые учёные ещё обсуждают циклическую модель, согласно которой Вселенная сжимается и расширяется бесконечное число раз. Понятия зарождения Вселенной в этой модели нет.

Есть ещё одна гипотеза. Сначала Вселенная была как наша, большая и плоская, она медленно расширялась. Потом стала расширяться всё быстрее, плотность энергии росла, в какой-то момент эта энергия перешла в тепловую, а дальше началась известная нам горячая стадия. В этом случае Большого взрыва тоже не было — была изначально холодная, пустая и большая Вселенная. А теперь вопрос. Можно ли создать теорию, которая обосновала бы одну из этих возможностей? Некоторое время считалось, что это невозможно. И действительно, если оставаться в рамках общей теории относительности и распространённых представлений о том, какая бывает материя, сделать такое невозможно.

Теоремы о сингулярности Роджера Пенроуза и Стивена Хокинга прямо утверждают, что Вселенная не могла получиться иначе как из классической сингулярности, Большого взрыва.

Теоремы о сингулярности — теоремы в общей теории относительности, которые рассматривают условия возникновения либо пространственной сингулярности (когда

вся материя концентрируется в одной точке), либо временной (как в чёрной дыре, откуда даже свет не может выбраться). Считается, что если мы правильно понимаем свойства Вселенной, то она неизбежно должна была родиться из сингулярности — Большого взрыва.

Но все теоремы имеют в основании предположения, условия. Можно попытаться эти условия обойти. И был период в науке, лет восемь назад, когда казалось, что эти условия довольно легко обойти. Были сформулированы теории, допускающие появление Вселенной либо с отскоком, либо с расширением из пустого пространства. Потом выяснилось, что эти модели имеют свои изъяны и что сделать самосогласованную теорию без Большого взрыва не получается.

Но затем маятник качнулся снова — сейчас представляется, что сложности есть, но дело не безнадёжное. И я не исключаю, что можно создать модели Вселенной без Большого взрыва и, более того, эти модели можно будет проверить экспериментально.

Кварк-глюонная каша

В Дубне строится большой коллайдер тяжёлых ядер — НИКА. Это очень серьёзная машина. Он будет отвечать на несколько иные вопросы, нежели Большой адронный коллайдер, — не о том, как выйти за пределы Стандартной модели, а о том, как устроено очень плотно сжатое адронное вещество. Если взять атомное ядро, состоящее из многих протонов и нейтронов, как следует его сжать и разогреть, то вместо протонов и нейтронов возникнет каша из кварков и глюонов — кварк-глюонная материя. Как она устроена? Вот это НИКА и покажет. Аналогичные задачи решают в Брукхейвене (США) и ЦЕРНе, но там кварк-глюонная материя имеет очень высокие температуры, а на коллайдере НИКА очень высокие плотности будут достигнуты при сравнительно низких температурах. Очень интересно!

Гигантские ускорители Вселенной

Физика высоких энергий и астрофизика представлены в России очень достойно. Помимо НИКИ есть, например, совместный проект ряда институтов, в том числе нашего Института ядерных исследований РАН и ОИЯИ, на Байкале. Интересная машина! Она будет изучать потоки нейтрино из космоса с высокими энергиями. Речь идёт о гигантских энергиях в сотни ТэВ и даже выше. К примеру, Большой адронный коллайдер работает при 13 ТэВ, но во Вселенной есть ускорители, рождающие частицы таких огромных энергий, которые на Земле никогда не получить. Американо-европейская нейтринная установка работает на Южном полюсе, во льдах, а наша на Байкале — в воде. Она уже доросла до ощутимых размеров, вот-вот появятся первые результаты. Очень любопытно, в частности, нет ли источника нейтрино высоких энергий в центре Галактики.

Как создаётся карта Вселенной

Летом 2019 года был запущен «Спектр-РГ» — российско-германский спутник с двумя рентгеновскими телескопами на борту. Он выдаёт очень интересные результаты. Только представьте, он покажет нам все крупные скопления галактик, которые только есть во Вселенной. Почему все? Даже самые далёкие из них светятся в рентгене так сильно, что спутник их увидит.

Это карта Вселенной, причём как нынешней, так и прошлой. Крупные скопления галактик только формируются: некоторые образовались вчера, некоторые позавчера — это совсем недавняя космологическая история.

Что дальше?

Российские физики участвуют в крупных международных коллаборациях. Тот же ЦЕРН, нейтринная программа в Японии, проекты на территории Германии, США — всё с нашим участием. Так что международная кооперация не прерывается. Конечно, хотелось бы больше. В позднесоветское время была сформулирована программа развития физики высоких энергий в нашей стране — она была очень амбициозной, но от неё ничего не осталось: наступили 1990-е годы.

Тем не менее в нашей области всё неплохо. Физика снова стала экспериментальной наукой — для решения большинства принципиальных вопросов сейчас крайне важны наблюдения и эксперименты. Когда мы откроем гравитационные волны огромных размеров, если откроем? Увидим ли распад протона? Зарегистрируем ли частицы тёмной материи?

Но и в теоретической физике всё очень интересно. Что, если в самом начале был не Большой взрыв, а что-то другое? Это увлекательный вопрос, но когда на него будет получен ответ и надо ли молодому физику заниматься именно этими проблемами, я сказать не могу.

Мы вступили в область гипотез, в полосу неизвестного. Интересное время, однако утверждать, что через пять лет точно будет прорыв, нельзя. Но и что его не будет — тоже.

Фото: NASA images/shutterstock.com, NASA — Hubble Space Telescope; D-VISIONS/Shutterstock RusakovParticle / WikiMedia; ESA and the Planck Collaboration/WikiMedia; ESA/Hubble & NASA

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №#nbsp42 за 2020 г.