Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Физиков нельзя назвать самыми осторожными людьми, однако изучение сценариев типа «что, если» – это наш хлеб насущный, кроме того, возможность глубоко подумать о реальной физике, стоящей за гипотетической вероятностью всеобщего уничтожения, было бы очень жаль упускать[62]. В 2000 году четыре физика (один из которых впоследствии получил Нобелевскую премию) написали шестнадцатистраничную статью для журнала Reviews of Modern Physics под названием Review of Speculative ‘Disaster Scenarios’ at RHIC («Обзор спекулятивных “катастрофических сценариев” для RHIC»). RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) – это релятивистский коллайдер тяжелых ионов, предшественник БАК, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который был предназначен для столкновения ядер тяжелых элементов вроде золота при высоких энергиях. Сам по себе этот новаторский эксперимент вызывал беспокойство по поводу непредвиденных последствий, которые могли представлять угрозу существованию планеты (или Вселенной), и цель написания этой статьи заключалась в том, чтобы полностью исследовать и по возможности развеять эти опасения.

Полученные результаты были обнадеживающими. Основываясь на теоретических соображениях, исследователи оценили возможность создания странной материи или черных дыр как крайне маловероятную. Кроме того, их выводы подкреплялись и экспериментальными данными, а именно существованием Луны.

Аргументация в пользу любого потенциально разрушительного явления, порожденного коллайдером, основывается на идее о том, что столкновения частиц такой высокой энергии настолько беспрецедентны, что мы не можем предугадать их последствий. Однако при этом игнорируется важный факт: несмотря на то что уровни энергии, достигаемые на RHIC и БАК, непривычны для нас, жалких людишек, космические лучи, путешествующие по Вселенной, постоянно их достигают и сталкиваются между собой и с другими объектами. По словам авторов статьи, посвященной ускорителю RHIC, космические лучи с незапамятных времен проводят во Вселенной RHIC-подобные эксперименты. На протяжении миллиардов лет по всей Вселенной происходили столкновения при гораздо более высоких энергиях, чем может обеспечить любой из наших коллайдеров, и если бы они могли привести к разрушению космоса, мы бы наверняка это заметили.

«Минуточку, – скажете вы, – а что если столкновения космических лучей в глубоком космосе на самом деле невероятно разрушительны, но происходят слишком далеко, чтобы повлиять на нас? Что если по всему космосу разбросаны скопления странной материи, а мы просто этого не знаем?» Такое опасение вполне обоснованно.

Несмотря на то что в большинстве случаев частицы, произведенные в коллайдере, по нашему мнению, обладают остаточным импульсом, который позволяет им покинуть лабораторию сразу после возникновения, в ходе экспериментов мы вполне можем получить нечто опасное, способное задержаться в детекторе. Что тогда?

К счастью, для исследования этих эффектов мы можем использовать Луну. Данные, полученные от наземных детекторов и космических телескопов, говорят о том, что высокоэнергетические космические лучи бомбардируют Луну постоянно. (На самом деле, благодаря радиотелескопам мы можем использовать Луну даже в качестве детектора нейтрино[63], что само по себе довольно здорово.) Если бы столкновения частиц высоких энергий могли превратить обычное вещество в странную материю, это уже давно произошло бы на Луне, и сейчас в небе мы бы видели совершенно другой объект. Если бы на Луне образовалась крошечная черная дыра и поглотила ее, это также повлияло бы на вид ночного неба. Не говоря уже о том, что люди были на Луне, гуляли по поверхности, играли в гольф и привезли оттуда образцы грунта. Судя по всему, Луна прекрасно себя чувствует, поэтому авторы работы, посвященной RHIC, были уверены, что ускоритель не представляет для нас опасности.

Правда, странная материя и черные дыры были не единственными сценариями апокалипсиса. Еще одно опасение, которое также удалось развеять путем наблюдения за высокоэнергетическими космическими лучами, заключалось в том, что столкновения частиц высоких энергий могут вызвать разрушительное для Вселенной квантовое событие под названием «распад вакуума». Эта идея основывается на гипотезе о том, что нашей Вселенной присуща некая фатальная нестабильность. Несмотря на то что такой сценарий может показаться пугающим, каким бы маловероятным он ни был, на момент ввода RHIC в эксплуатацию реальные доказательства существования такой нестабильности отсутствовали, поэтому данная возможность не рассматривалась всерьез.

Однако все изменилось в 2012 году, когда с помощью ускорителя БАК был обнаружен бозон Хиггса.

Состояние Вселенной

Вернейший способ заставить специалиста по физике элементарных частиц поморщиться – это назвать бозон Хиггса «частицей бога», как он известен широкой публике. Недовольство ученых по поводу этого высокопарного прозвища вызвано не только смешением науки и религии (хотя некоторых именно это раздражает больше всего). Дело в том, что название «частица бога» ужасно неточное и, надо сказать, довольно дерзкое. Это не отменяет огромной важности бозона Хиггса для Стандартной модели физики элементарных частиц. Можно даже утверждать, что именно он является ключом к объединению всего остального. Однако центральную роль в работе физики элементарных частиц и в природе космоса играет поле Хиггса, а не частица.

Если коротко, поле Хиггса представляет собой пронизывающее все пространство энергетическое поле, при взаимодействии с которым другие частицы обретают массу. Бозон Хиггса имеет такое же отношение к полю Хиггса, как фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия (и света), к электромагнитному полю, – это локализованное «возбуждение» чего-то, что пронизывает обширное пространство. Более длинная версия этой истории имеет отношение к электрослабой теории, которая объединяет слабое взаимодействие с электричеством и магнетизмом, а также к разделению этих сил вследствие так называемого спонтанного нарушения симметрии.

(Здесь я вынуждена совершить над собой героическое усилие и вместо подробного описания квантовой теории поля ограничиться обсуждением нескольких ключевых вопросов. Однако имейте в виду, что если вы решите изучить математику, стоящую за всем этим, вы увидите, что все намного круче.)

В главе 2 мы говорили о том, что физика работает по-разному в зависимости от уровня энергии. Например, электромагнетизм и слабое взаимодействие проявляются как совершенно независимые феномены на тех уровнях энергии, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, однако в ранней Вселенной, для которой были характерны очень высокие уровни энергии, эти силы представляли собой аспекты одного и того же явления. Поле Хиггса играло важную роль во время этого переходного периода. Когда условия изменились, то же произошло и с законами физики.