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

Споры по поводу будущих коллайдеров, особенно такого амбициозного проекта, как FCC, могут быть довольно жаркими. Даже если забыть о стоимости (которая составляет как минимум 10 миллиардов евро), неизвестно, удастся ли с помощью более крупного коллайдера обнаружить новые частицы. Вполне возможно, что неуловимая «новая физика», которую мы ищем, проявляется на таких высоких уровнях энергии, каких нельзя достичь даже на гигантских установках вроде FCC. А может быть и так, что погоня за увеличением энергии направляет нас по неверному пути, а подсказки о том, где искать новую физику, содержатся в уже собранных данных.

Исследователи, с которыми я разговаривала в ЦЕРН, были абсолютно уверены, что увеличение энергии необходимо для продвижения вперед, даже если речь идет о более полном понимании Стандартной модели. Однако это, в конце концов, грозит распадом вакуума. Если дамоклову мечу суждено висеть над нашими головами, неплохо было бы знать, чем он там занят.

Андре Дэвид, исследователь, работающий с БАК, и участник коллаборации CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), который показал мне детектор во время моего посещения ЦЕРН, отметил, что именно для ответа на этот вопрос и реализуются проекты наподобие FCC. «Одна из причин, по которой люди говорят: “Нам нужен коллайдер на 100 ТэВ”, заключается в том, что тогда у нас будет реальный шанс разобраться с этой штукой».

По словам Дэвида, перед нами стоит вопрос природы поля Хиггса и его (а также нашей) дальнейшей судьбы. Анализ уже собранных данных может способствовать более глубокому пониманию природы поля Хиггса, но с помощью нового коллайдера мы могли бы наконец ответить на вопрос о том, что в действительности означает эта нестабильность, которая угрожает нам распадом вакуума.

Как вы помните из главы 6, потенциал поля Хиггса – это математическая структура, которая определяет эволюцию данного поля и, что особенно важно для нас, его способность нас погубить. В некотором смысле он представляет собой святой Грааль для специалистов по физике элементарных частиц. Однако современные теории мало что могут рассказать нам о форме этого потенциала. Судя по имеющимся у нас данным, на его форму влияют несколько различных трудно вычисляемых аспектов Стандартной модели, а в случае существования теории с более высокими уровнями энергии картина может полностью измениться.

Некоторые исследователи, с кем я беседовала, включая теоретика ЦЕРН (и главного апологета суперсимметрии) Джона Эллиса, считают, что кажущаяся нестабильность поля Хиггса на самом деле представляет собой не экзистенциальную угрозу, а скорее признак того, что мы чего-то не понимаем в существующей теории.

Хосе Рамон Эспиноза, теоретик, изучающий распад вакуума, надеется разобраться с потенциалом поля Хиггса и с тем ненадежным положением, в котором мы находимся, не дожидаясь появления пузыря истинного вакуума [84] Эспиноза подчеркнул, что такой подход является особенно нежелательным и «ничему не сможет нас научить просто потому, что мы даже не заметим его появления». . «Нет никаких причин для того, чтобы потенциал поля был именно таким, – заявил он. – Мы живем в совершенно особенном месте. Лично мне все это кажется довольно интригующим; может быть, оно пытается нам что-то сказать». Ключ к пониманию потенциала Хиггса в итоге зависит от так называемых бегущих констант связи – параметров, определяющих силу взаимодействия частиц или полей и то, как они изменяются при увеличении энергии столкновений. «Это будет одним из главных посланий БАК, если мы не найдем ничего другого, – сказал Эспиноза. – Разумеется, если БАК позволит обнаружить новую физику, она, скорее всего, будет противоречить бегущим константам связи. Тогда может случиться все что угодно. Потенциал может быть стабильным, а может оказаться еще более нестабильным, чем мы думаем».

Благодаря лучшему пониманию поля Хиггса мы можем не только предсказать судьбу космоса, но и выяснить, как работает масса и почему сила фундаментальных взаимодействий имеет именно ту величину, которую мы измеряем. Кроме того, это может указать нам путь к теории, объединяющей все взаимодействия, или помочь нам разобраться с квантовой гравитацией.

Было бы здорово, если бы результаты наблюдений или экспериментов подсказали путь к улучшению модели Лямбда-CDM или Стандартной модели. Потому что с чисто теоретической точки зрения дела обстоят очень и очень странно.

Недавно я наткнулась на старую черно-белую фотографию Поля Дирака, нобелевского лауреата и одного из создателей квантовой механики, на которой он изображен стоящим с топором на плече на территории института перспективных исследований в Принстоне. Во время своих многочисленных визитов туда в период с 1930-х по 1970-е годы он бродил по лесу позади института, расчищая новые пути, по которым могли бы гулять теоретики, обсуждая и обдумывая природу реальности. Меня по этим тропам водил Нима Аркани-Хамед, теоретик, вознамерившийся разнести в щепки наше современное понимание квантовой механики и самого пространства-времени.

Аркани-Хамед разрабатывает метод расчета взаимодействия между частицами, используя совершенно новый подход, основанный на абстрактной математике и не учитывающий пространство и время. Эта работа все еще находится на ранней стадии и пока применяется к определенным идеализированным системам, а не к результатам экспериментов. Однако если у него получится, последствия будут потрясающими. «Пока все, что мы видим, – это просто детские игрушки, верно? Я пойму, если вы не воспримете всерьез то, что было достигнуто до сих пор, – сказал он. – Однако уже начали вырисовываться примеры конкретных физических систем, похожих на те, что мы видим в реальном мире, которые можно описать без всякого пространства-времени или квантовой механики». Когда я ответила, что с трудом могу себе представить существование во Вселенной, где пространство и время не являются чем-то реальным, он рассмеялся: «Добро пожаловать в наш клуб».

Прежде чем вы отбросите эту идею как преувеличение эксцентричного теоретика, я должна отметить, что в таком ключе думает не только Аркани-Хамед. «Я уверен, что вы слышали это от многих людей, – сказал мне Клиффорд Джонсон несколько месяцев спустя, – я думаю, что мы всё лучше понимаем одну из идей, о которой долго говорили в рамках теории струн, – то, что пространство-время не является чем-то фундаментальным».

А, эту мелочь. Ну да, разумеется.

Джонсон подходит к вопросу несколько иначе. В теориях квантовой гравитации есть интригующие намеки на неожиданные связи между физикой, действующей в малых и больших масштабах, которые не имеют смысла в рамках нашего привычного понимания пространства-времени. Упрощенно это можно объяснить так: если вы представите, что проводите некие эксперименты в гипотетическом пространстве с радиусом R, то их результаты будут в точности совпадать с результатами таких же экспериментов, проведенных в гораздо меньшем пространстве с радиусом равным 1/R. В теории струн это называется T-дуальностью, и такое странное совпадение должно сообщить нам что-то важное. «Если вы спросите коллег, – сказал Джонсон, – они ответят, что в некотором роде ничего из этого не является реальным. В том смысле, что, подрывая понятия большого и малого, вы, по сути, подрываете понятие самого пространства-времени».