Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Рис. 7.Энергетический состав Вселенной (для тех, кто не жалует круговые диаграммы)

Итак, при 10 17кельвинов все начинается с «супа», состоящего в основном из вещества и темной материи. Пространство-время реагирует на это вещество, начиная расширяться. Это охлаждает «суп» и способствует формированию первых атомных ядер, а затем легких атомов. Изначально «суп» из частиц настолько густой, что в нем застревает даже свет. Но как только образуются атомы, свет получает возможность распространяться почти без помех.

Темная материя, раз она не взаимодействует со светом, охлаждается быстрее, чем обычное вещество. Следовательно, в ранней Вселенной темная материя первой начинает образовывать скопления под действием собственного гравитационного притяжения. На самом деле без исходного комкования темной материи галактики не сформировались бы так, как мы это наблюдаем, поскольку гравитационное притяжение уже скомковавшейся темной материи необходимо, чтобы ускорить комкование обычного вещества. И только когда достаточное количество обычного вещества скопилось вместе, могло начаться образование больших атомных ядер в недрах звезд.

Под воздействием гравитации на протяжении миллиардов лет формируются галактики, возникают солнечные системы, загораются звезды. И все это время Вселенная расширяется, хотя расширение и стало замедляться. Но примерно тогда, когда галактики полностью сформировались, темная энергия берет верх – и скорость расширения Вселенной начинает расти. Именно в эту фазу мы сейчас и живем. И дальше, в будущем, вещество будет только еще сильнее истончаться. А значит, если темная энергия и есть космологическая постоянная, она продолжит доминировать, а расширение Вселенной продолжит ускоряться – бесконечно.

Длина волны первых световых лучей, вырвавшихся из «супа» частиц в ранней Вселенной, увеличилась с расширением последней, но этот свет все еще здесь и сегодня. Его длина волны теперь – несколько миллиметров, она лежит далеко вне видимого диапазона, в микроволновой области. Это космическое микроволновое фоновое излучение измеримо и служит самым ценным источником информации для космологов.

Средняя температура реликтового излучения равна примерно 2,7 кельвина, не намного выше абсолютного нуля. Но существуют мельчайшие отклонения от средней температуры – примерно на 0,003 %. Они исходят из областей в ранней Вселенной, где было чуть теплее или чуть холоднее, чем в среднем. Таким образом, в температурных флуктуациях реликтового излучения зашифрованы неоднородности горячего «супа», из которого образовались галактики.

Вооруженные этим знанием, мы можем использовать реликтовое излучение, чтобы делать заключения об истории Вселенной, которые я и описала выше. Другие данные мы получаем из наблюдаемого распределения галактик, различных измерений расширения Вселенной, распространенности химических элементов и гравитационного линзирования – это если перечислить только самые важные источники информации [44] О согласованной космологической модели и ее развитии можно рассказать еще очень много, но я не хочу слишком далеко уходить в сторону. Дополнительно рекомендую книги Эвелин Гейтс «Телескоп Эйнштейна: охота за темной материей и темной энергией во Вселенной» (Gates E. 2010. Einstein’s telescope: the hunt for dark matter and dark energy in the universe . New York: WW Norton) и Итана Сигела «За пределами Галактики: как человечество заглянуло за наш Млечный Путь и открыло целую вселенную» (Siegel E. 2015. Beyond the Galaxy: how humanity looked beyond our Milky Way and discovered the entire universe . Hackensack, NJ: World Scientific Publishing). .

Согласованную космологическую модель также обозначают как «Лямбда-CDM», где «лямбда» (буква греческого алфавита) – это космологическая постоянная, а CDM – Cold Dark Matter (холодная темная материя). Вместе Стандартная модель и согласованная космологическая модель на сегодняшний день составляют основания физики [45] Почему что-то мы называем моделью, а что-то теорией? Строгой терминологии за этим не стоит. Некоторые названия просто приживаются, а другие нет. Но, грубо говоря, теория – это общий математический аппарат, тогда как модель содержит все детали, необходимые вам для того, чтобы производить вычисления. Например, есть много разных квантовых теорий поля, но Стандартная модель четко использует одну. И сама по себе общая теория относительности не говорит вам, что вычислять: чтобы это понять, вам также нужно знать, какие вещество и энергия заполняют пространство-время, как происходит в согласованной космологической модели. .

Раньше я участвовала в серии международных конференций «Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий». С 1993 года они проходили ежегодно и в лучшее время собирали свыше пятисот участников. Каждый год в докладах восхвалялись достоинства суперсимметрии: естественность, объединяющая способность и наличие кандидатов в темную материю. Из года в год поиски суперпартнеров приносили отрицательные результаты. Из года в год модели подновляли, чтобы примирить их с отсутствием доказательств.

Безуспешность попыток доказать существование суперпартнеров в Большом адронном коллайдере отразилась на настрое теоретиков. «Пока еще не время отчаиваться… но, вероятно, уже пора впасть в уныние» 54, – заметил итальянский физик Гвидо Альтарелли в 2011 году. Бен Алланах из Кембриджского университета описал свою реакцию на результаты анализа данных с Большого адронного коллайдера 2015 года так: «Несколько угнетающе для теоретика суперсимметрии вроде меня» 55. Джонатан Эллис, теоретик из ЦЕРН, отозвался о вероятном сценарии, по которому Большой адронный коллайдер не найдет ничего, кроме бозона Хиггса, как о «настоящей жуткой катастрофе» 56. Закрепилось, правда, название «кошмарный сценарий» 57. И сейчас мы этот кошмар проживаем.

Я не посещала эту ежегодную конференцию с 2006 года – слишком уж вгоняет в депрессию. Однако оттуда я знаю Кита Олива и его работу над суперсимметрией. Кит – профессор физики в Университете Миннесоты и директор Института теоретической физики имени Уильяма Файна. Я звоню ему, чтобы спросить, как он расценивает неявку SUSY на Большой адронный коллайдер.

«Мы получали данные небольшими порциями, – вспоминает Кит. – Границы все сужались и сужались. Каждые несколько месяцев, когда у нас появлялись результаты анализа новых данных, становилось чуточку хуже. Мы действительно ожидали SUSY на более низких энергиях. Это серьезная проблема. Что-то мне подсказывает, что суперсимметрия должна быть частью природы, хотя, как вы говорите, доказательств нет. Должна ли она проявляться на низких энергиях? Думаю, никто этого не знает. Мы думали, что она проявится».