Недавно физики открыли для астрономов факт, значение которого для сценариев будущего нашего мира трудно переоценить. Речь идет о массе покоя одной из самых неуловимых частиц на свете – нейтрино. Раньше предполагалось, что эти элементарные частицы вообще не обладают массой покоя, точно так же как кванты электромагнитного излучения – фотоны. Предполагалось также, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. Но оказалось, что все же очень небольшая масса покоя у нейтрино есть.
Влияние этого факта на будущие судьбы Вселенной двояко. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает сегодня никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не так быстро, как плотность масс фотонов, а так же, как плотность масс обычных частиц, и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя.
Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (1029 г/см3), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут все звезды. Тогда в будущем Вселенную ожидает сжатие, разрушение при этом небесных тел, возникновение вновь сверхплотного сверхгорячего вещества со сверхбурными физическими процессами.
Как видно, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня. Либо это состояние будет очень разреженным и холодным, либо – очень плотным и горячим.
Получается, что современные модели эволюции Вселенной предоставляют на выбор несколько сценариев будущего, и, честно говоря, все они не дают оснований для особого оптимизма. Основной сценарий состоит в том, что наша Вселенная будет вечно расширяться и охлаждаться. В конечном итоге останутся только элементарные частицы, включая нейтрино, фотоны и электроны с протонами. Никаких звезд и планет не сохранится среди хаоса случайно блуждающих частиц, разделенных огромными расстояниями. В связи с этим видный космолог и астрофизик современности И. Д. Новиков писал, что с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно 1027 кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 1034 секунд, а пространственные масштабы были порядка 1024 сантиметров. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов, сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное и чрезвычайно растянутое в пространстве. По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь – правда, в непривычных формах – и «пульс жизни» будет биться все медленнее, но никогда не остановится.
Если ускоренное расширение нашего мира не прекратиться, то космологи прогнозирует его гибель в пучине Большого разрыва. Эта идея основывается на предположении, что величина взаимодействия между частицами, благодаря которому существуют все структуры, начиная с атомов, со временем уменьшается. В какой-то момент, когда взаимодействие станет слишком слабым, произойдет распад всех жизненно важных объектов, и Разума в том числе. Впрочем, за много миллиардов лет до этого Вселенная может лишиться массы и превратиться в излучение – скажем, из-за нестабильности Хиггса.
Глава 31
Катастрофа Хиггса
Международное детище ЦЕРНа – Большой адронный коллайдер, или просто БАК – абсолютный рекордсмен среди ускорителей элементарных частиц. Он самый большой, самый точный, самый мощный и, конечно же, самый дорогой, ведь расходы на его строительство, наладку, ремонт и эксплуатацию уже превысили 10 миллиардов долларов. 27-километровый ускоритель чем-то напоминает две гигантские пушки, направленные друг на друга. Стреляют данные научные орудия тяжелыми ядерными частицами – протонами и ионами. Сталкиваясь, эти снаряды-частицы порождают фейерверк иных микрочастиц, среди которых физики надеются встретить необычных незнакомцев. Чем выше энергия столкновения, тем более интересны результаты. И вот, летом прошлого года по локальной компьютерной сети, связывающей БАК с двумя сотнями ведущих научных центров мира, прошла долгожданная весть: обнаружены следы новой частицы – бозона Хиггса, который журналисты уже успели прозвать «частицей бога».
Началась тщательная проверка результатов, и вот после некоторых колебаний Нобелевский комитет принимает решение присудить самую престижную премию в мире науки Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру. Эти ныне широко известные физики-теоретики еще в шестидесятые годы ушедшего столетия предсказали существование некой микрочастицы – бозона, теоретически обеспечивающей массу всех других элементарных частиц.
Так в единый фундамент мироздания был заложен еще один важный кирпичик. После этого общая картина стала более полной и понятной. Почему же так важно было открыть существование бозона Хиггса, и как эта «частица бога» умудряется взаимодействовать с иными частицами, делая их тяжелыми?
Теоретически поле Хиггса должно пронизывать все на свете, разливаясь как вселенский океан. Всплески и рябь «океана Хиггса» и представляют те самые «частицы бога». Все материальные тела вместе с нами плывут по волнам этого безбрежного океана и, собственно говоря, именно за счет взаимодействия с «водной средой» поля Хиггса становятся массивными. Мы как бы проталкиваемся сквозь эту среду, а она противодействует движению, тормозя нас. Это была очень красивая гипотеза, и для ее подтверждения предпринимались большие усилия. Но на предыдущих ускорителях эксперименты не получались – не хватало энергии. Для того чтобы поднять волнения в «океане Хиггса», надо было приложить колоссальные усилия. Это было бы по плечу только новому суперколлайдеру, такому как БАК.
Важная деталь, часто упускаемая в восторженных репортажах об открытии бозона Хиггса, состоит в том, что эта частица в принципе не наблюдаема. По крайней мере, в диапазоне энергий, достигаемых ВАКом. «Частица бога» чрезвычайно неустойчива и распадается на более легкие микрообъекты тотчас после возникновения.
Единственный способ зафиксировать рождение бозона – это собрать и проанализировать большой массив информации о столкновениях элементарных частиц и выявить особый «стереотип расщепления», который характерен именно для данной микрочастицы.
До самого последнего момента выпуска судьбоносного пресс-релиза, зафиксировавшего открытие Хиггса, происходила драматическая гонка двух больших научных коллективов. Со специалистами БАКа соревновались их американские коллеги, работающие в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми близ Чикаго. Хотя их рабочий инструмент – ускоритель Теватрон (Tevatron) – был остановлен осенью 2011 года после 28 лет успешной эксплуатации, они упорно продолжали анализ данных о 500 триллионах столкновений элементарных частиц, которые за последнее десятилетие произошли в их коллайдере.
