Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Улыбка Вольтера

Ферне-Вольтер,

28 ноября 2011 г.

Я просыпаюсь, словно от толчка; на часах 6.30 утра. Сегодня особый день. Решающий момент наступит в 9.00, когда я войду в кабинет генерального директора ЦЕРН[3] и встречусь там лицом к лицу с Фабиолой. Мы – охотники за бозоном Хиггса, самой неуловимой частицей в истории физики. Журналисты называют ее “частицей Бога”, но есть и те, для кого это “священный Грааль физики”, ибо она ускользала от нескольких поколений ученых. Мы же уверены, что нам удалось ее изловить.

Сейчас мне нужно выпить кофе, и покрепче. Моя старая добрая гейзерная кофеварка, захваченная из Италии, шипит и посвистывает. И, как всегда, я первым делом проверяю в компьютере состояние Бимбы. Так мы между собой называем CMS (Compact Muon Solenoid), то есть Компактный мюонный соленоид, этакое 14‑килотонное стальное чудовище, напичканное электроникой и спрятанное в ста метрах под землей и в десяти километрах отсюда.

Я его спикер, голос эксперимента: так в больших международных коллаборациях называют человека, задача которого – координировать коллективные усилия ученых, проводящих исследования, и выступать от их имени. Ученых – тысячи, они рассеяны по всей планете во всех часовых поясах и вечно озабочены тем, чтобы какая‑нибудь глупая случайность не погубила годы их работы.

А Фабиола – шеф другого эксперимента, который называется ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), и между нами идет жестокая конкуренция. Уже много месяцев всем нам не до сна. На наших компьютерах то и дело возникают некие странные сигналы, намеки на аномалии на графиках – временами в них проявляется определенная регулярность, прослеживаемая на протяжении недели, а то и двух. Но стоит нам начать доверять им, как все эти намеки бесследно исчезают во флуктуациях фонового шума. Проверять и отслеживать – это изматывающий труд, держащий вас в непрестанном эмоциональном напряжении.

Когда пять лет назад я вошел в состав руководства экспериментом, мы с Лучаной переехали из Пизы в Ферне-Вольтер, небольшой французский городок, построенный вокруг имения великого философа. С террасы нашей спальни видны окна кабинета Вольтера в замке на холме. Именно там он написал своего “Кандида”. Именно там встречался с Адамом Смитом и Джакомо Казановой. Усаженная деревьями аллея ведет от замка к озеру Леман. Вольтер проезжал по ней всякий раз, когда французская цензура становилась уж слишком агрессивной: тогда он на несколько месяцев перебирался в Женеву и возвращался в Париж лишь после того, как буря начинала утихать.

Ферне-Вольтер занимает стратегическое положение в центре треугольника, вершины которого определяют значительную часть моей здешней жизни. Одна из них – это основная площадка ЦЕРН; там находятся мой офис и основное отделение CMS. Вторая – Пункт 5, или P5: там, в Сесси, деревушке в предгорьях Юрá, расположен детектор. И, наконец, третья вершина воображаемого треугольника – это Женева, известный на весь мир маленький город с 200 тысячами жителей 180 национальностей и богатейшей культурной жизнью.

Вблизи Женевы, под землей, находится Большой адронный коллайдер (LHC – Large Hadron Collider). Этот самый крупный на сегодня ускоритель элементарных частиц протяженностью в 27 км расположен на границе Франции и Швейцарии. Его тоннель гигантским кольцом проходит под склонами Юрá и вдоль берегов Женевского озера. Здесь, практически у нас под ногами, сотни миллиардов протонов разгоняются до скоростей очень близких к скорости света, чтобы столкнуться с другими протонами, несущимися им навстречу. Протоны – это мельчайшие частицы в составе атомных ядер, и энергия, до которой они разгоняются, прежде чем столкнуться, совершенно незначительна по меркам нашей повседневной жизни. Но будучи сконцентрирована в тех бесконечно малых областях пространства, где происходят эти столкновения, она создает экстремальные условия, каких не было со времен Большого взрыва.

Однако мне уже пора. Надо поторопиться. Воздух прозрачен и свеж; на фоне неба вырисовывается изящный силуэт Монблана, окруженный цепочкой облаков. Я ощущаю странную смесь усталости и возбуждения.

Проезжая на машине через центр города, миную статую Вольтера. Лицо у старого философа, “патриарха”, как его часто называют в Ферне, скептическое, именно с таким выражением наблюдал он за ходом истории. Но сегодня я охвачен энтузиазмом и потому мне кажется, что Вольтер, глядя на меня, улыбается. Я мчусь мимо полей, отделяющих Ферне от ЦЕРН, и повторяю про себя: наконец‑то бозон попался!

А еще я думаю о Фабиоле. Наши эксперименты, ATLAS и CMS, изначально задумывались как независимые и получили поддержку как раз благодаря тому, что между нами планировалось нечто вроде соревнования: мол, каждый будет стремиться получить результат первым. Мы использовали различные технологии, и это гарантировало полную независимость измерений: если один обнаруживал новую частицу, другой должен был подтвердить полученный результат. В обе международные коллаборации входило более трех тысяч ученых. Но у “этих из ATLAS” с самого начала была фора: больше и людей, и средств. ATLAS все время словно бы играл роль первого ученика. На стадии строительства они всегда строго укладывались в график, а мы отставали. И пока мы спешно устанавливали последние компоненты детектора, они уже добрых несколько месяцев собирали данные. А их диспетчерская! Она так и радует глаз – просторная, экипированная новейшими технологиями визуализации! Наша же мрачна и по‑монашески сурова; к тому же в ней вечно толпится народ и царит неразбериха. Чтобы добраться до нас, надо на целых десять километров углубиться в сельскую местность, тогда как ATLAS располагается прямо у главного входа в ЦЕРН. Мимо как раз проходит дорога в аэропорт, и всякий, кто туда направляется, видит импозантный мурал, украшающий одну из стен их корпуса. Понятно, что министры, президенты и прочие главы государств чаще решают заглянуть к ним, а не к нам.

Мы отвечали тем, что старались обгонять их в анализе данных и получении результатов. Мы могли рассчитывать на наш детектор, устроенный проще и обладающий более высокой производительностью. В первый год мы их обходили. Мы публиковали десятки статей, одну за другой, а они тихо работали, пока все вокруг удивлялись: а где же там наши отличники? Но потом они пошли в контратаку, так что теперь, в финале гонки за бозоном Хиггса, мы идем бок о бок.

Фабиола – прекрасный физик и прирожденный лидер. А еще она итальянка, и мы с ней добрые друзья уже много лет. Время от времени мы устраиваем ужины для общих друзей, и у нас получаются очень приятные посиделки. Мы разговариваем обо всем на свете – за единственным исключением: не обсуждаем это. В некоторых отношениях мы с ней антиподы. Она родилась в столице в буржуазной семье: ее отец – геолог, мать училась в лучших учебных заведениях Милана. Я же появился на свет в деревушке, затерянной в Апуанских Альпах (коммуна Казоле-ин-Луниджана, Экви Терме), где тогда насчитывалось всего 287 жителей. Мой отец – железнодорожник, мать – крестьянка. Я первым в нашей семье получил диплом о высшем образовании, не говоря уж о том, что диплом был с отличием. Она специализируется на анализе данных и программном обеспечении, я – на детекторах. Она очень серьезная и сдержанная, но по ее глазам видно, насколько она напряжена. Я же умею скрывать свой стресс: всегда сохраняю спокойствие и стараюсь улыбаться даже в самых сложных обстоятельствах. Она въедливая и дотошная: стремится докопаться до деталей, которыми я, как правило, пренебрегаю, стараясь держать во внимании только общую картину. Мы очень разные, но с ходу понимаем друг друга. Иной раз нам достаточно просто обменяться взглядами, чтобы обоим все стало ясно. Нас объединяет всепоглощающая страсть к познанию, и в нашем состязании мы всегда честны. Думаю, не стоит даже уточнять, что каждый из нас стремится стать первым. Ставки очень высоки. Да, мы оба хотим победить, но победить достойно: выиграет тот, кто будет двигаться к цели быстрее.

Я взволнованно нажимаю кнопку лифта в Корпусе 500. Кабинет генерального директора на пятом этаже. Когда я вхожу, на часах 8.58. Фабиола уже здесь. Мы близки к финалу – настало время открыть карты. Хотя мы и обнаружили определенные свидетельства, окончательного доказательства пока нет. Когда же оно появится? Кто из нас совершит открытие века? И кому придется удовольствоваться вторым местом и тем самым обречь свой эксперимент на забвение?

Но точно ли у нас в руках бозон Хиггса? И почему эта окаянная “частица Бога” так важна?

Кварки, глюоны, Большой взрыв и чайные ложки

Мы относимся к необычному типу современных исследователей. Наша задача – понять, откуда взялась та чудесная материальная вселенная, которая нас окружает и частью которой являемся и мы сами. Мы те, кого люди называют учеными, мы – члены отряда специального назначения, отправленного человечеством на разведку с целью понять, как же функционирует природа. Мы – обладатели гибкого и любознательного ума, лишенные предрассудков, готовые к любым неожиданностям и понимающие, что втиснуть мир в наши ментальные категории можно только путем освобождения от остатков здравого смысла и освоения совершенно незнакомых территорий. На рубежах познания ты оказываешься в одиночестве и можешь полагаться только на интуицию поэтов и пророчества безумцев. Они (как и мы) не боятся бродить среди неизвестности. Этим‑то мне и близки такие отчаянные личности, любящие риск и бесстрашно направляющие свой разум к границе с неведомым, – дабы точнее понять и себя, и тот мир, который нас окружает. Мы с ними подобны канатоходцам, идущим вперед без страховки.

Я всегда говорю это своим студентам в первый же день наших занятий. Я хочу, чтобы у них не оставалось даже тех незначительных иллюзий, которые пока еще сохранились. Все то, о чем рассказывает нам современная физика, и то, что она позволяет нам постигнуть, – не более чем незначительная толика реальности. Материя, буквально вся материя: круассаны с кремом и море, деревья и звезды, галактики и межзвездный газ, черные дыры и реликтовое излучение – одним словом, все то, о чем можно было строить гипотезы или даже наблюдать напрямую с помощью мощнейших телескопов и других современнейших научных инструментов, – составляет не более чем 5 % Вселенной. Остальные 95 % – нечто совершенно неизвестное.

Века исследований и интеллектуальных усилий, прогремевшие концептуальные революции (вроде квантовой механики и общей теории относительности), повсеместное укоренение чувства собственного всемогущества, связанного с появлением все более и более изощренных технологий… но в конечном счете в гигантском океане неведомого мы можем распоряжаться лишь несколькими каплями познания. К ним‑то и сводится вся современная наука.

В этом заключается особая прелесть того, чем мы занимаемся. Забавно, что многие думают, будто мы, ученые, все знаем. Каждый раз, когда я слышу подобное, мне бывает трудно сдержать улыбку и я старательно пытаюсь объяснить собеседнику, насколько осторожны должны мы быть в своих утверждениях. Нам известна вся опасность ошибок, и потому мы со вниманием относимся даже к мельчайшим деталям, не вписывающимся в общую картину.

Часто меня веселит изумление в глазах людей, которые слышат, что для ученого реальность – концепция конвенциональная и размытая, не поддающаяся строгому определению. Даже повседневность, в которой мы чувствуем себя привычно и уверенно, куда более сложна, чем может показаться на первый взгляд. Вот, например, хорошо знакомый предмет – чайная ложка, которой мы размешиваем сахар в чашечке с кофе. Думаю, все примут меня за сумасшедшего, если я признаюсь, что, будучи физиком, не понимаю, что именно мы называем чайной ложкой. Ведь пытаясь точно описать ее, я с неизбежностью натолкнусь на серьезные трудности. Чайная ложка представляет собой огромное количество атомов, сцепленных друг с другом остаточными электромагнитными связями и организованных в макроскопическую структуру, в которой можно увидеть мириады отдельных микроскопических слоев. Она – непрерывное кипение глюонов и кварков, тех самых частиц, которые мы создаем в своих ускорителях, погруженных в непрерывный и хаотический поток электронов. При этом ее атомы колеблются и вращаются, молекулы испаряются, а в металле появляются примеси; свет излучается и поглощается на различных длинах волн; вся ложка участвует в гравитационном и электромагнитном взаимодействии со всей остальной Вселенной. Очень трудно примирить это со здравым смыслом, подразумевающим фразы типа “чайная ложка – это всего лишь чайная ложка”, “это кусок металла, которому придана такая форма, чтобы с его помощью можно было донести до рта глоток напитка”. Практически невозможно убедить себя в том, что ты, даже если двигаешься очень быстро, никогда не сможешь дважды взять в руки одну и ту же ложку, и что ты никогда не сможешь быть уверенным в том, что ложка, лежащая на блюдце, в точности та же самая, которую ты только что опускал в кофе, хотя эти два момента и разделяет всего лишь мгновение.

А что уж тогда говорить о звездном небе, на которое смотрит каждый из нас, к примеру, в ночь на святого Лаврентия, желая увидеть там падающую звезду! Небо влюбленных, небо малышей, которые возводят свои взоры к рою звезд Млечного пути и – поколение за поколением – повторяют один и тот же вопрос, адресованный дедушке или бабушке, вопрос, заданный мне моей внучкой Еленой, когда ей было четыре года: что такое все эти светящиеся точки на небе?

Это хороший вопрос, заключающий в себе реальность звездного неба. То, что мы видим, это совсем не просто! Это игра накладывающихся друг на друга световых сигналов, которые приходят от звезд, расположенных на самых разных расстояниях друг от друга, и встречаются в наших глазах. Квантовая физика объяснила нам, что свет состоит из крошечных невидимых порций энергии, названных фотонами. Их скорость – то есть скорость света – хотя и колоссальна, но не бесконечна. Когда мы смотрим на звезды, находящиеся очень далеко от нас, фотоны, попадающие на сетчатку и регистрируемые ее светочувствительными клетками, проделывают свой путь многие годы; некоторые из них находятся так далеко, что фотонам могут понадобиться тысячи лет. Образ звезды, который реконструирует наш мозг, строится в данный конкретный момент из тех частиц света, который она испустила тысячи лет назад. Никто не может гарантировать, что за это время звезда не сместилась на миллиарды километров или вообще не прекратила свое существование, озарив небеса вспышкой сверхновой. Каждую ночь у нас над головой разворачивается синхронное представление множества событий, отделенных друг от друга тысячами лет. И, задумавшись об этом, мы вдруг понимаем, что наблюдаемое нами не существует, – или, по крайней мере, не существует в том виде, в каком оно явлено нам. Звездное небо, воссоздаваемое в нашем мозгу – это почти произвольное представление реальности, о котором мы знаем, что оно зависит от места, времени и инструментов, помогающих нам проводить наблюдение.

Фотоны, путешествующие от далеких звезд, таких, например, как звезда Садр в созвездии Лебедя, стартовали еще в те времена, когда Римская империя только начинала шататься под ударами варваров[4]. А фотоны от супергиганта V762 в созвездии Кассиопеи были испущены в эпоху обледенения, когда Европу покрывал слой льда в сотни метров толщиной. А слабые лучи света от Туманности Андромеды, ближайшей к нам галактики, которую можно увидеть в ночном небе невооруженным глазом, начали свой путь еще тогда, когда в ущельях Олдувай в Африке новая и очень странная раса обезьян принялась осваивать просторы саванны.

И это мы еще не упоминаем того, что невозможно увидеть глазами, – например, микроволновый фон реликтового излучения (эхо Большого взрыва), проникающий всюду во Вселенной, или вездесущую темную материю, которая словно бы заключила в свои объятья огромные скопления галактик. Электронные глаза, при помощи которых мы осматриваем небо – будь то большие телескопы на земле или же телескопы, установленные на спутниках, – дают нам совсем иные картины звездного неба, в совершенно других диапазонах длин волн, гораздо более богатые деталями и несравнимые с теми бедными изображениями, что могут воссоздать наши глаза при их скромной светочувствительности. Видимый спектр, хорошо знакомый каждому по раскинувшейся над землей радуге, занимает лишь узкую полоску частот в существующем неохватном диапазоне разнообразных электромагнитных излучений. Они подразделяются (с ростом частоты или, соответственно, с уменьшением длины волны) на радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.

Небесный свод, каким он нам является, – настоящая машина времени! Но это не удивляет никого из людей. Никто не таращит в изумлении глаза, глядя на это чудо, повторяющееся каждую ночь, как это бы наверняка случилось, если бы мы, проезжая долину в Доломитах, слева заметили мирно пасущихся коров, в центре – Одоакра, ведущего орду герулов на Равенну, чтобы навсегда покончить с Западной Римской империей, а справа, на огромном леднике, – группу наших предков в шкурах, преследующих одного из последних мамонтов.

Так что реальность сильно отличается от того, что мы видим; она намного сложнее, чем мы можем себе представить, и наука с трудом отвечает даже на самый простой из тех вопросов, что человечество задает со времен своего младенчества: откуда это все взялось?

Первая трудность зиждется на том факте, что Вселенная, в которой мы живем сегодня, сильно отличается от той, которая дала начало всему. Нам повезло оказаться в теплом и уютном уголке космоса – места в целом исключительно холодного. Средняя температура во Вселенной приблизительно –270 °C, то есть она всего несколькими градусами выше абсолютного нуля, минимального возможного значения температуры. Но в момент своего рождения Вселенная, напротив, была раскалена значительно сильнее, чем мы можем себе представить: она была настолько горяча и взвихрена, что до сих пор не удалось установить значение ее температуры.

Мы также знаем, что Вселенная уже очень стара. Самые последние данные позволяют оценить ее возраст в 13,8 млрд лет. И разве можно надеяться понять ее происхождение, просто наблюдая холодную и старую материю, нас окружающую? В ранней Вселенной условия, создаваемые экстремальными температурами, были совсем иными, и поэтому сейчас нам трудно понять, что именно творилось тогда.

Но, с другой стороны, у нас нет выбора. Если мы хотим постичь происхождение материи и до конца понять ее свойства, нам надо ухитриться добраться до тех самых первых мгновений. Это колоссальный интеллектуальный вызов, однако на кону стоит познание мира!

В начале всего была незначительная флуктуация вакуума. Банальная, незаметная квантовая флуктуация, одна из многих – из тех, что с неизбежностью случаются в микромире. Но эта конкретная флуктуация все‑таки отличалась от других – у нее была одна особенность, открывшая ей дорогу к чему‑то совершенно новому: вместо того чтобы сразу схлопнуться, как это происходило с неисчислимым числом прочих флуктуаций, она с немыслимой скоростью раздулась, и из нее родилась материальная Вселенная гигантских размеров… а за рождением последовала и эволюция. Если нам удастся понять эти первые мгновения жизни новорожденной вселенной, мы почти наверняка поймем, что с ней станется потом.

Вот для чего был построен Большой адронный коллайдер – особое место, где людям лучше всего удалось воссоздать условия первых мгновений жизни Вселенной и где ищутся ответы на важные вопросы, касающиеся того, что нас окружает и о чем мы пока знаем так мало.

И стал свет

Картина, возникающая на основании последних исследований, абсолютно удивительна. В наипервейшие мгновения своей жизни Вселенная прошла стадию, которую мы называем космической инфляцией; это все еще необъяснимое явление, благодаря которому крошечная аномалия превратилась в нечто гигантское за время до смешного малое – за 10^–35 секунды, то есть за 0,000…01 секунды, где в общей сложности 35 нулей.

Термин “инфляция” знаком каждому – им описывают в экономике рост цен, и он указывает на что‑то раздувающееся и подразумевает быстрый экспоненциальный рост. Именно такое явление происходило в самые первые мгновения после Большого взрыва[5], когда то, чему было суждено стать нашей Вселенной, обладало совсем незначительными размерами. Это нечто совершенно особое.

В тот момент на сцену внезапно выходит элементарная частица под названием инфлатон, очень не похожая на другие частицы, и начинаются удивительные события. В микроскопической сингулярности создается сгусток очень странного вещества с отрицательной энергией, которое оттуда начинает яростно выплевываться наружу. Расширение охватывает всё, включая само пространство: то есть расширяется сама структура вакуума. Медленно сползая в потенциальную яму к локальному минимуму энергии – так мячик скатывается по желобу туда, где сможет остановиться в равновесии, – Вселенная освобождается от избытка энергии в каждой своей точке, расширяясь. Но очень высокая энергия Вселенной во время всего расширения остается практически неизменной, сохраняя постоянной и свое стремление к расширению, и потому рост всех ее размеров становится экспоненциальным. За ничтожные мгновения ничто становится всем. Но затем, внезапно – и нам еще предстоит выяснить, что именно тогда произошло, – вся система вырывается из той неглубокой потенциальной ямы, куда она было соскользнула, чтобы начать двигаться к другой потенциальной яме, где ее состояние более устойчиво и где она остается до сих пор. На этом пароксизм ее роста прекращается. Этих мгновений оказывается достаточно, чтобы найти подходящую ямку, в которой можно остаться надолго, и чтобы превратиться из микроскопического объекта в нечто гигантское. Во время этого сверхбыстрого расширения система охлаждается; замирая, она нагревается снова, и в этой новой фазе ее населяют новые элементарные частицы – преимущественно те самые, что известны нам сегодня. Бурные процессы рождения уступают место более медленной эволюции, постепенному расширению, которое будет теперь продолжаться миллиарды лет.

Была ли у ранней Вселенной фаза космической инфляции? Ученые до сих пор активно дискутируют об этом. Космологическая теория, ее предусматривающая, появилась в начале 1980‑х годов, но прямая улика, так сказать, дымящийся пистолет, чтобы и тени сомнений не оставалось, до сих пор не найдена. Однако косвенные улики в пользу данной теории очень многочисленны. Этот взрывной рост действительно одним ударом разрешает множество противоречий, порожденных ее предшественницами. Космологическая теория объясняет, почему Вселенная оказалась такой однородной и изотропной по всем направлениям, почему мы живем во Вселенной, где нет магнитных монополей, у которых северный или южный полюс существовали бы отдельно от своих партнеров (что делало бы уравнения электромагнетизма совершенно симметричными) и которые, согласно теории Большого взрыва[6], должны бы окружать нас в немалых количествах.

Но самый веский аргумент вот каков: все данные, собранные в последние тридцать лет, удивительным образом ложатся в предсказания теории.

В известном смысле мы можем наблюдать инфляцию даже сегодня, благодаря удивительной однородности микроволнового космического фона, – этого океана фотонов с очень низкой энергией, которые заполняют собой все пространство и недвусмысленно свидетельствуют о первых мгновениях жизни Вселенной, подобно некоему ископаемому, которое во всех деталях сообщает нам о том, что происходило миллиарды лет назад.

Космический микроволновый фон изучен нами в мельчайших деталях, причем с помощью самых чувствительных инструментов, какие только можно себе вообразить. Если бы наши глаза могли видеть то, что способен наблюдать “Планк” – орбитальная обсерватория, собравшая о нем (о микроволновом фоне) наиточнейшие сведения, нам бы открылась волшебная картина возвышающегося над нами неба. И прежде всего мы бы увидели его невероятную однородность, которую можно объяснить лишь тем, что все, что нас окружает, – это результат расширения одной исчезающе малой точки. Но еще мы бы увидели буйство красок, порождаемое незначительными колебаниями температуры космического излучения: эти‑то колебания и есть реликты квантовых флуктуаций в крошечной сингулярности, из которой все появилось. Если бы мы могли взглянуть на небо глазами “Планка”, то мы бы увидели тот уголок первородной пустоты, который, расширяясь благодаря инфляции сверх всякой меры, и породил в итоге всю нашу Вселенную.

И все же – что такое инфлатон и что именно породило космическую инфляцию? Эта тайна – одна из самых важных для современной физики – остается пока неразгаданной.

Остаться в живых в мультиверсуме

Даже если мы согласны с тем, что Вселенная прошла через инфляционную фазу, мы должны признать: нет никаких гарантий, что происходившее здесь, у нас, происходило везде. Более того: было бы вполне разумно еще немного поднапрячь свое воображение и задуматься о том, что наша Вселенная – это всего лишь малая часть намного более обширной реальности.

Все наши наблюдения ограничены горизонтом, и мы не можем ни прикоснуться к чему‑то, что находится за пределами нашей Вселенной, ни получить об этом хотя бы какую‑то информацию. Но мы полагаем, что и там может что‑то быть. Если мы примем эту гипотезу, то место, где мы находимся, должно утратить свою исключительность. Вера в равноправие заставляет предположить, что наша Вселенная – лишь один из членов обширнейшей семьи, в которую, по некоторым оценкам, входит умопомрачительное число других вселенных: их 10⁵⁰⁰ – это число, записываемое с помощью пятисот нулей, следующих за единицей! А если так, то нам должно быть также дозволено предположить, что механизм, запустивший инфляцию, в некотором смысле постоянно активирован и может в данный момент действовать в каком‑нибудь затерянном уголке нашей Вселенной. Если в какой‑то микроскопической области по каким‑то неизвестным причинам поле, запускающее инфляцию, не находит подходящего минимума потенциала, который бы обуздал его ярость, то оттуда вырастет новая вселенная. Но нам никогда не удастся установить с ней связь.

Итак, у нас складывается картинка супервселенной, населенной огромным числом иных миров. Микроскопические флуктуации вакуума, непрерывно пузырящиеся в супервселенной, в подавляющем большинстве случаев немедленно схлопываются без каких‑либо последствий. Но в каких‑то случаях инфляционный рост все же происходит и рождаются новые вселенные; в некоторых из них начинается длительный процесс эволюции, чем‑то напоминающий нашу, но подчиняющийся, возможно, совсем другим физическим законам.

Сейчас это всего лишь спекуляции – нет шансов получить им какие‑либо экспериментальные подтверждения. Но эти рассуждения еще больше (и не исключено, что даже необратимо) отдаляют нас от традиционных представлений о том, что мы, люди, занимаем во Вселенной некое особое место. Сначала мы думали, что все в мире крутится вокруг нашей планеты; потом – причем с огромным трудом – мы переместили в центр мира Солнце. Позднее до нас дошло, что Солнце – это самая заурядная звезда в ничем не примечательной галактике, одна из многих (из примерно 100 миллиардов) в нашей Вселенной, и нам осталось утешаться тем, что мы живем в Уни-версуме, во Все-ленной, всеохватывающей и уникальной, рожденной в ходе неповторимого события, которое стали называть Большим взрывом. Однако теперь мы лишаемся и этой последней уверенности и многомировая теория обрекает нас на поиски каких‑то новых смыслов в роли, которую мы во всем этом играем.

Тайна темной материи

У нашей Вселенной, между тем, есть и другие тайны, способные поколебать нашу уверенность в, казалось бы, надежно установленных фактах и бросить вызов нашим теориям. И даже самые привычные космические объекты, галактики, в действительности куда более загадочны, чем нам думается. Наблюдения скоростей звезд на периферии спиральных галактик, вроде нашего Млечного Пути, с неизбежностью приводят к выводу: кроме видимого вещества – звезд, межзвездной пыли, туманностей и даже черных дыр, одна из которых почти всегда находится в центре любой из галактик, – там должно быть огромное количество чего‑то еще, какого‑то дополнительного неопознаваемого ингредиента. Если бы его там не было, эти периферические звезды не могли бы двигаться с наблюдаемыми скоростями, а двигались бы куда медленнее. Следовательно, это должна быть какая‑то невидимая и необъяснимая форма материи; данная материя не излучает свет и потому получила название “темной”; она полностью обволакивает галактики, проникает в занимаемое ими пространство и окружает их, простираясь на огромные расстояния и будучи своего рода тонким массивным газом, состав которого совершенно неизвестен.

Еще более удивительны наблюдения больших скоплений. Галактики, примерно как и мы с вами, любят жить семьями, галактическими скоплениями, состоящими из десятков или даже сотен членов, расположенными относительно близко (по космическим масштабам) друг к другу. В каталогах их тысячи. Первая мысль, которая должна приходить в голову физику, когда он заглядывает туда, – а что держит эти галактики вместе? Ответ кажется очевидным: сила тяжести, притягивающая их одну к другой. Но при подсчетах концы с концами не сходятся: видимая масса галактик, той их светящейся части, которую мы можем измерить, оказывается слишком мала. Чтобы объяснить устойчивость этих огромных образований, нужно допустить существование какой‑то другой – неизвестной и невидимой – формы материи. Таинственная материя должна быть повсюду: в скоплениях, в самих галактиках, в звездах и во всех планетах… да даже тут и сейчас – внутри нас, в каждой комнате нашего дома.

Нити темной материи простираются на миллиарды световых лет, образуя нечто вроде космической паутины, оплетающей крошечные (в сравнении с ними) области, где концентрируется видимое вещество. Благодаря изначальной неоднородности этой таинственной формы материи видимое вещество собиралось в сгустки, из которых спустя примерно 400 миллионов лет после Большого взрыва рождались первые звезды, а потом и первые галактики, эволюционировавшие во все остальное, – включая звездные системы, планеты и, в конечном счете, нас самих. Результаты последних исследований говорят нам, что эта невидимая и вездесущая материя – только она одна! – составляет 27 % всей массы Вселенной. Чуть больше четверти материального мира вокруг нас состоит из этой странной темной материи, и нам должно быть стыдно, что мы понятия не имеем, что же она из себя представляет.

Очарование Сьюзи

После того как доказательства существования темной материи стали множиться, теоретики разработали для нее немало возможных объяснений. Эти теории сильно различаются между собой. Одна из наиболее перспективных – суперсимметричная, которая особо любима физиками, потому что не только разгадывает тайну темной материи, но и предлагает элегантные ответы на целый ряд других вопросов.

Вообще‑то речь тут идет о целом семействе теорий, концентрирующихся вокруг предположения, что вся известная материя – лишь небольшая часть первичной материи, родившейся в момент Большого взрыва. Согласные с этим ученые считают, что у каждой известной элементарной частицы есть суперсимметричный партнер – элементарная частица практически с теми же самыми свойствами, только более тяжелая и с другим спином (так называют специфическое квантовое свойство элементарных частиц, в чем‑то схожее с вращением вокруг своей оси; спин – неизменная внутренняя характеристика данной частицы, как, например, электрический заряд).

Чтобы излишне не напрягать свою память, физики, оставив открытой возможность некоторых исключений, решили называть суперсимметричный партнер тем же словом, которым называют и саму частицу, но с добавлением в начале буквы “с”[7]. Так, суперпартнер электрона называют сэлектроном, а суперпартнер топ-кварка – стоп-скварком. Для того чтобы сделать теорию более привлекательной и описать ее более обобщенно, в обиход был пущен акроним Сьюзи (SUSY – SUper SYmmetry), напоминающий имя девушки.

Теория оказалась внутренне непротиворечивой и полностью совместимой с результатами всех экспериментов, и, стало быть, ее надо принимать всерьез. Но почему же тогда нет никаких следов суперсимметричных частиц в окружающей нас материи? Все просто: в ранней Вселенной эти частицы сосуществовали на равных с частицами обычной материи. Она (Вселенная) была настолько раскалена, что условия для таких массивных частиц, обладающих высокими энергиями, были исключительно благоприятными. Однако ее быстрое охлаждение, вызванное быстрым расширением, повлекло массовое вымирание Сьюзи. Утратив способность к дальнейшему существованию, они стали распадаться, почти моментально, в частицы обычной материи – оттого‑то мы их теперь и не находим. Но одна из них могла не исчезнуть. Теория предсказывает, что самая легкая представительница этого семейства должна быть стабильной и ни на что не распадаться. Эта частица, которую называют нейтралино[8], была бы в Сьюзи аналогична самым легким нейтрино в Стандартной модели. Если она и взаимодействует с другими формами материи, то исключительно слабо, однако она очень тяжелая и способна образовывать колоссальные кластеры, создающие сильное гравитационное поле. И именно тут можно было бы отыскать объяснение тому, что мы видим, когда наблюдаем галактики или скопления галактик. Темная материя, удерживающая от распада эти колоссальные космические структуры, могла бы представлять собой газ тяжелых нейтралино – реликтов первобытной эпохи, когда в мире доминировала суперсимметричная материя.

Вот так, в попытках понять происхождение темной материи, мы можем наткнуться на таинственную форму материи, о существовании которой едва ли догадывались. Стоим себе, глядя лишь под ноги, – а потом вскидываем голову к небу и открываем для себя его чудеса. Вторая половина Вселенной всегда была прямо перед нами, но нам словно бы недоставало смелости посмотреть на нее.

Чтобы подтвердить теорию, хорошо бы найти Сьюзи-частицы, но это пока никому не удалось. Почему же мы их не видим? Может, потому, что теория не верна. А может быть, все проще и суперчастицы, даже самые легкие, настолько тяжелы, что мы не можем достичь минимальных энергий, необходимых для их рождения, даже с помощью мощнейших ускорителей. Или же у них есть такие особенности, которые мы пока не в состоянии себе вообразить. Но каждый новый день может оказаться подходящим для некоего открытия, которое опрокинет все наши представления об окружающей нас реальности.

И все‑таки что‑то должно быть возможно… понять[9]

В довершение к вышеописанному (точно его было мало!) относительно недавно произошло открытие, смешавшее нам все карты. Мы уже знали, что расширение Вселенной, начавшееся с Большим взрывом, продолжается и по сей день. В самом деле: достаточно взглянуть на галактики и скопления галактик, чтобы убедиться – чем больше они удалены от нас, тем с большей скоростью они удаляются. И еще не так много лет назад ученые предполагали, что со временем – из‑за гравитационного притяжения, действующего на любые формы материи, – скорость расширения должна уменьшаться. Но не тут‑то было! В конце 90‑х годов из наблюдений самых далеких галактик стало ясно: вместо того, чтобы уменьшаться, она увеличивается. Что‑то, некая антигравитация, отталкивающая один островок материи от другого, разгоняет галактики. Если не случится нечто новое, то это будет происходить так долго, пока расстояния между галактиками не станут настолько большими, что все сущее погрузится во тьму и небесный холод пронижет всю Вселенную.

Но в чем же причина такого ускоренного расширения? Мы этого не знаем. Может быть, это еще какое‑то поле или свойство вакуума, в котором мы пока не разобрались, или реликт того начального состояния, что дал толчок пароксизму инфляции. А может, случилось так, что этот реликт оставил Вселенную в покое лишь на несколько миллиардов лет, а затем вновь ее потревожил, хотя уже и не так сильно, без пароксизмов.

Не располагая хотя бы самой смутной идеей о том, что это может быть, ученые назвали источник данной расталкивающей силы “темной энергией”. Плотность ее исключительно мала, но коль скоро она заполняет весь объем Вселенной, то оборачивается самым важным ее ингредиентом: ее вклад в общую массу достигает 68 %. Если мы не без скрипа признали, что у нас нет никаких идей относительно темной материи, составляющей четверть массы Вселенной, то представьте себе шок, испытанный научным сообществом, когда ему пришлось признать то же самое и в отношении практически всего остального, составляющего более двух третей того, что нас окружает!

Короче говоря, если окинуть единым взором и темную материю, и темную энергию, являющие собой темную сторону Вселенной, то выяснится, что эта сторона заметно преобладает над всем прочим. Тут уж даже самым отъявленным скептикам придется согласиться с тем, что степень нашего невежества запредельна: 95 % всего того, что есть вокруг нас, полностью, абсолютно непостижимо.

И все‑таки что‑то должно быть возможно… понять. Мы знаем, что в реликтовом излучении остаются следы самых первых мгновений жизни Вселенной. И эти следы могут подробно поведать обо всем том, что сейчас представляется таким загадочным. Но для этого понадобится чувствительность в сотни, а то и в тысячи раз превосходящая чувствительность наших самых современных инструментов.

Что уж тут толковать о возможности обнаружить самые неуловимые из существующих сигналов, которые излучаются в виде гравитационных волн. Эти сигналы настолько слабы, что за десятилетия систематических наблюдений с применением самых изощренных экспериментальных методик их так и не удалось зарегистрировать[10]. Физики мечтают об изобретении новых приборов, позволяющих уловить либо их, либо какие‑то совершенно новые сигналы, тишайшим шепотом рассказывающие о тайнах зарождения космоса

Ускорители элементарных частиц (LHC – самый известный из них) – важная часть этого огромного проекта. На кону стоит понимание реальности, в которой мы живем, и только что открытый бозон Хиггса мог бы о многом нам рассказать. Невероятно, но факт: одна-единственная элементарная частица – причем весьма трудно уловимая – способна стать ключом к новому удивительному знанию о происхождении мира и материи.

Всякий ученый хотя бы однажды мечтал дожить до того волшебного момента, когда можно взмыть над пропастью, обозначающей рубеж нашего познания, и заглянуть за нее. И ему думается, будто увиденное им (никому, кроме него, в тот момент неведомое) способно принципиально изменить всю картину мира, всю нашу жизнь, наше общество, наше будущее. К такому, безусловно, стоит стремиться.

Им надо многое сказать друг другу

Стокгольм,

23 июля 2013 г., 18.30

У него легкая мальчишеская походка, и по всему ясно, что к ходьбе он привычный. Несмотря на свои 84 года и хрупкое телосложение, он тут же, едва я предложил ему пройтись, сделал знак водителю голубого “мерседеса”, который организаторы конференции предоставили в его распоряжение, и мы отправились в путь. От гостиницы до Музея корабля “Васа” полтора километра, нам придется обогнуть залив, однако погода нынче отличная. Мы идем на банкет, который состоится именно там – в единственном в мире музее, посвященном некоему эпическому провалу.

Галеон “Васа” был гордостью королевского флота Густава-Адольфа. Ему предстояло стать самым красивым, самым мощным и самым хорошо вооруженным флагманским кораблем в мире. Судно торопились поскорее спустить на воду, чтобы задействовать в операциях против поляков и литовцев, которые решили оспаривать монополию Швеции на балтийскую торговлю. Исходный проект показался королю не слишком впечатляющим, и он настоял, чтобы инженеры добавили еще одну палубу, заставленную бронзовыми орудиями. Осторожные возражения опытных кораблестроителей услышаны не были: повеления монарха не обсуждаются.

И зря. Пренебрежение мнением плотников обошлось очень дорого. 16 августа 1628 года, в день своего торжественного спуска на воду Стокгольмского залива, корабль, построенный во славу шведской короны, плюхнулся туда, словно медведь в лужу, и сразу неспешно пошел ко дну. Извлекли его из воды спустя века – в первозданном виде, с изящными деревянными украшениями и бронзовыми пушками, так и не выпустившими ни единого ядра.

Теперь им можно полюбоваться в музее, который построили менее чем в сотне метров от того места, где он более трех веков покоился на дне морском. К радости мальчишек всего мира, которые могут подняться на борт одного из тех кораблей, что снятся им по ночам.

Наша прогулка продолжается всего двадцать минут, но за это время Питер успевает весело рассказать мне об окрестностях Эдинбурга и о многочисленных маршах мира, в которых он участвовал. А потом внезапно с любопытством спрашивает: “Но как вам удается сделать так, чтобы три тысячи физиков работали одновременно и слаженно?” И тогда уже я увлеченно принимаюсь вспоминать о конфликтах, ссорах и сомнениях, терзавших нашу коллаборацию, когда мы только приступили к охоте за частицей, которая носит его имя. Когда же я рассказываю о пари, которые собираюсь выиграть, он искренне смеется: “Честно говоря, то, что вы ее все‑таки нашли, удивило даже меня. Я вовсе не был уверен, что она и в самом деле существует”.

Многие считают, что у Питера Хиггса сложный характер, – полагают его этаким нелюдимом, малословным и нудным. Нет ничего более далекого от реальности. Дурная слава родилась, вероятнее всего, из‑за его плохого отношения к журналистам. После одной неприятной истории Питер действительно старается их избегать. Тогда некий недобросовестный корреспондент сыграл с ним злую шутку: опубликовал интервью, в которое вставил агрессивные фразы, никогда Питером не произносившиеся. И это нежелание встречаться с представителями прессы породило мнение о нем как о мизантропе. Да, Питер относится к журналистам со страхом и недоверием, и даже вчера, во время пресс-конференции, были заметны его напряженность и скованность.

Конференция Европейского физического общества – самая важная в году. Она проходит в Стокгольме за три месяца до сакраментальной даты 8 октября, когда Королевская академия наук объявляет миру лауреатов Нобелевской премии по физике. Все уже знают, что в минувшем году мы нашли на LHC окончательные доказательства того, что новая частица, зарегистрированная в 2012‑м, обладает всеми характеристиками, предсказанными Браутом, Англером и Хиггсом в 1964‑м. Предполагается, что Королевской академии наук тоже об этом известно, и потому на конференции взгляды присутствующих прикованы к двоим “тем самым парням”. Мы все в ожидании: этот год должен стать удачным.

Вчера Франсуа и Питер практически одновременно прочитали каждый свою лекцию[12], а сразу после открывавшего конференцию пленарного заседания оргкомитет собрал в их честь пресс-конференцию.

Один из журналистов спросил Питера Хиггса о причинах, по которым все считают его отцом-первооткрывателем такой важной частицы, на что Питер ответил коротко: “Никаких особых причин для этого нет, так как мой вклад был минимальным”. Однако корреспондентам хотелось найти какую‑то яркую ноту и они продолжили настаивать: “А расскажите нам о моменте Эврика!” Питер застенчиво улыбнулся: “Был август, мою статью только что отклонили. Пару дней я думал, что надо бы бросить это дело. Но потом все же добавил к ней пару фраз, так как в редакции, очевидно, просто ничего не поняли”.

Эти двое – очень разные. Их характеры диаметрально противоположны. Если Питер скромен и немногословен, то Франсуа – шумен и напорист. Первый говорит скованно, невнятно, еле шевеля губами, с трудом выдавливая из себя немногочисленные слова. Второй же волнуется, машет руками и чуть ли не извивается всем телом, чтобы сделать излагаемые идеи яснее; он шутит, сыплет анекдотами, извергает потоки слов, которым, кажется, не будет конца.

Франсуа Англер из еврейской семьи. Во время войны он пережил Холокост – сам остался цел, но его родные пострадали. Он был ребенком, когда нацисты вторглись в Бельгию, и спасся от облав лишь чудом. Он один из enfants cachés[13]– тех еврейских детей, кого выдавали за христиан и укрывали либо в приютах, либо в семьях отважных людей. Франсуа несет в своей душе все полученные в то ужасное время травмы, но при этом его переполняют энтузиазм и радость жизни, являющиеся реакцией на долгое существование в страхе. Многие его родные перебрались в Израиль – страну, где он часто бывает и к которой у него совершенно особое отношение.

Питер Хиггс совсем не такой. С 60‑х годов он принимает участие в маршах за мир и разоружение. Он убежденный активист, и политическая позиция нередко приводит его в ряды демонстрантов, требующих создания Палестинского государства. В 2004 году ему присудили премию Вольфа, престижную награду от одноименного израильского фонда, уступающую только Нобелевской премии. Он должен был присутствовать на церемонии вместе с Франсуа Англером и Робертом Браутом. Но протокол предполагал, что победители получают премию из рук Моше Кацава, бывшего в то время президентом Израиля, и Питер решительно отказался лететь в Иерусалим. В итоге в церемонии участвовали только бельгийцы Англер и Браут[14]