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

К сожалению, несмотря на многолетнюю работу по улучшению и модернизации ускорителя БАК, мы так и не увидели никаких признаков обещанных суперсимметричных частиц. Некоторые физики продолжали надеяться на суперсимметрию, предлагая корректировки, затрудняющие поиск новых частиц, но в какой-то момент они стали столь экстремальными, что в суперсимметрии появилось столько же теоретических проблем, как и в Стандартной модели. А сигнал до сих пор не обнаружен. Время от времени возникает волнение, вызванное физиками, спешащими объяснить неожиданные события, произошедшие в одном из детекторов ускорителя частиц. Однако до сих пор все эти странности в данных представляли собой лишь статистическую случайность, не воспроизводимую в ходе последующих экспериментов.

Вот что сказала мне по этому поводу Фрейя Блэкман, физик-экспериментатор, занимающаяся анализом данных БАК на предмет того, что выходит за рамки Стандартной модели: «За двадцать лет работы в этой области я была свидетелем многочисленных крайностей, а также появления и дальнейшего опровержения многих популярных моделей. Побеседовав с людьми, вы можете заметить, что некоторые из них разочарованы, поскольку им очень долго говорили, что они уже давно должны были что-то обнаружить. А эксперименты не показывают ничего, что выходило бы за рамки Стандартной модели». Однако, по ее мнению, это разочарование неуместно. Не потому, что люди не видят подсказок, которые на самом деле там есть, а просто потому, что никто не гарантировал, что эти эксперименты позволят обнаружить что-то новое.

Тем не менее отсутствие ориентиров в результатах экспериментов может вызвать у некоторых исследователей достаточно сильный дискомфорт, чтобы заставить их бросить физику элементарных частиц и заняться космологией. Именно так и поступил Педро Феррейра, космолог из Оксфордского университета, который во время обучения в докторантуре переключился с квантовой гравитации на космологию и теперь изучает реликтовое излучение и общую теорию относительности в астрофизике, надеясь обнаружить в этих областях более многообещающие идеи. «В физике элементарных частиц с 1973 года не происходило никаких революционных открытий, которые можно было бы проверить экспериментально», – сказал он. В этой области появилось много новых теоретических идей, и некоторые из них казались довольно многообещающими, но без четких экспериментальных доказательств существования чего-то, выходящего за рамки Стандартной модели, было трудно понять, куда двигаться дальше и какое из многочисленных предположений, скорее всего, является правильным. «Мы собрали так много замечательных данных, но решили ли мы проблему квантовой гравитации? Я так не думаю. Да и как мы вообще можем узнать, решили мы ее или нет?»

К счастью, ученые не сдаются. Я поговорила с десятками космологов и специалистов по физике элементарных частиц о перспективах развития теоретической физики, космологии и Вселенной в целом, и хотя не услышала единого мнения об оптимальном подходе, мне все-таки удалось выявить пару общих тем. Одной из них является диверсификация: в каких бы крупных международных экспериментах или наблюдательных программах мы ни решили участвовать, важно диверсифицировать применяемые подходы и предлагать идеи, позволяющие по-новому взглянуть на старые проблемы (и это касается как теории, так и сбора данных). Другая тема сводится к тому, что нам следует собирать как можно больше новых данных и анализировать их всеми возможными способами.

Клиффорд В. Джонсон, физик-теоретик из университета Южной Калифорнии, занимается теорией струн, черными дырами, дополнительными измерениями пространства и нюансами энтропии. Из тех, кого я знаю, он, вероятно, глубже всех погружен в чистую теорию, и его очень радует современная ситуация с данными. «По-моему, нам не хватает хорошей общей идеи, но недостатка в источниках данных у нас не наблюдается, – сказал он. – Это напоминает мне о днях, предшествовавших формулированию квантовой теории». В те дни представления о структуре атомов и ядер сыпались как из рога изобилия, но ни одно из них не было достаточно убедительным. «Но затем мы получили все эти замечательные данные, благодаря которым теория в итоге начала обретать форму. Не вижу причин, почему бы этому не повториться. Судя по истории развития науки, именно так это и работает».

Итак, давайте поговорим о данных. О том, что и как мы исследуем в космологии и физике элементарных частиц. Что это может рассказать нам о физике современной Вселенной и ее возможном конце. А затем опять дадим слово теоретикам, чтобы познакомиться с некоторыми из наиболее невероятных обсуждаемых ими концепций.

Прикосновение к пустоте

Если мы хотим узнать что-нибудь о далеком будущем космоса, нам лучше обратиться к гигантскому невидимому постоянно расширяющемуся слону-убийце: к темной энергии. После того как в 1998 году было выяснено, что Вселенная расширяется с ускорением, новая парадигма сформировала для нас будущее, в котором преобладает темная энергия, – будущее, где космос постепенно становится все более пустынным, холодным и темным, до тех пор, пока все структуры не распадутся и Вселенная не достигнет состояния тепловой смерти. Однако это лишь экстраполяция, основанная на предположении, что темная энергия представляет собой неизменную космологическую постоянную. Как мы уже говорили, если то, что отвечает за ускоренное расширение пространства, относится к категории фантомной темной энергии или каким-то образом меняется со временем, последствия для космоса будут совершенно иными.

К сожалению, темная энергия не поддается непосредственному наблюдению. Насколько мы можем судить, ее нельзя обнаружить в ходе лабораторных экспериментов, она невидима, равномерно распределена в пространстве и становится заметной лишь благодаря косвенным эффектам в масштабах, значительно превышающих размер нашей галактики.

Вообще говоря, мы можем исследовать лишь две вещи. Во-первых, историю расширения Вселенной, которую мы в настоящее время изучаем, глядя на очень далекие сверхновые и вычисляя скорость их удаления. Во-вторых, историю формирования структуры Вселенной, под которой мы подразумеваем галактики и их скопления, поскольку космологов мало интересуют такие мелочи, как звезды и планеты. В данном случае процесс измерения является гораздо более сложным, но позволяет творчески использовать огромные массивы данных. Хитрость в том, чтобы получить изображения и спектры как можно большего числа галактик на гигантском пространстве (и большом отрезке космической истории), а затем с помощью статистических методов сделать выводы о процессе формирования этих структур. Комбинируя эти два способа измерения, мы можем выяснить, как растягивающие пространство свойства темной энергии повлияли на Вселенную в целом и насколько сильно они препятствовали объединению материи в такие структуры, как галактики, их скопления и мы сами.

Когда у вас есть лишь две вещи, которые вы можете измерить, чтобы определить судьбу Вселенной, имеет смысл постараться и сделать это как можно точнее. В последние двадцать лет наблюдался всплеск интереса к новым телескопам и методам съемки, применяемым в том числе для исследования темной энергии. Некоторые из них предназначены для выяснения значения параметра уравнения состояния темной энергии (см. главу 5) на основе результатов измерения скорости расширения и роста структур. Если на протяжении всей истории космоса значение w остается равным -1, мы имеем дело с космологической постоянной. А если оно хотя бы немного отклоняется от этого значения, то мы получим множество Нобелевских премий. Однако даже среди астрономов, не интересующихся темной энергией или не верящих в возможность обнаружения чего-то кроме космологической постоянной, исследования темной энергии пользуются популярностью в качестве универсальной миссии по сбору данных о галактиках.