Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Планковская масса задает естественную шкалу, позволяющую понять, чего можно ожидать от фундаментальных частиц, однако мы так и не нашли частицу, чья масса хотя бы отдаленно была похожа на планковскую. Планковская масса приблизительно в 100 квадрильонов раз больше массы топ-кварка — самой тяжелой из известных нам частиц. Это как будто на ярмарке кто-нибудь предположил бы, что вы весите как Плутон. Это, конечно, очень грубо — зато наталкивает на мысль, что оценщику хорошо бы избрать себе какое-нибудь другое поприще.

Если, к примеру, протон обладает массой в 10 –19планковской, физики понимают, что это как-то очень мало и, наверное, требует объяснений. Какова вероятность, что мы получили столь малую величину по чистой случайности? Поскольку ни одна из известных частиц даже близко не подходит к массе, которая им полагается «от природы», остается вопрос: почему все такое легкое?

Когда я описывал стандартную модель, то прибегал к выражениям вроде «три силы за исключением гравитации». Но почему же мы исключаем гравитацию? По всей видимости, ее роль в порядке вещей не так уж незначительна.

Общая теория относительности великолепно описала гравитацию, однако нельзя отрицать, что гравитация по форме разительно отличается от всех остальных взаимодействий: ни частицы-переносчика, ни квантовой неопределенности. Как же нам примирить ее со всеми прочими, а в частности — с квантовой механикой?

Поскольку гравитация доминирует, когда массы достаточно велики, а квантовая механика — на мелких масштабах, как правило, этим двум теориям нечего делить. В нормальных обстоятельствах на то, как объединить квантовую механику и гравитацию, нам намекают излучение Хокинга и эффект Унру, однако мы до сих пор не знаем точно, как объединить эти теории в целом.

Мы не понимаем, как быть с сингулярностями вроде тех, которые мы обнаруживаем в центрах черных дыр и в момент Большого взрыва. Сингулярность — это космологический аналог — волшебная сумка из игры в «Dungeons & Dragons»: можно поместить в конечный объем пространства буквально бесконечное количество вещества. По правде говоря, как это получается, не знает никто.

Я сделал довольно смелое заявление, что стандартная модель позволяет нам предсказать все частицы, какие только мы ни наблюдали, и ничего лишнего. Строго говоря, так и есть, только я позабыл напомнить вам, что есть еще несколько физических явлений, которые пока остаются необъясненными, и стандартная модель тут оказывается бессильной.

К несчастью для нас, это не какие-нибудь мелочи, а темное вещество с темной энергией, которые совокупно составляют приблизительно 95 % плотности энергии во вселенной.

Если помните, темное вещество скрепляет галактики и звездные скопления, и его, по всей видимости, раз в пять-шесть больше, чем обычного вещества, состоящего из протонов и нейтронов. Гравитационное воздействие темного вещества мы наблюдаем непосредственно, и это наводит на очевидный вывод, что где-то поблизости шныряет какая-то частица темного вещества. А поскольку темное вещество обеспечивает так много массы, частиц темного вещества должно быть, прямо скажем, очень много. Темное вещество должно быть электрически нейтральным, иначе мы бы его сразу заметили. Этим условиям из всей стандартной модели удовлетворяют одни лишь нейтрино, однако, хотя их и в самом деле очень много, они очень легкие, и на темное вещество их не хватит. Другой вероятный кандидат — аксионы, вот только, как я уже говорил, мы совсем не уверены, что они вообще есть на свете.

Однако есть проблема и похуже — по крайней мере с точки зрения каталогизации долей энергии во вселенной. Это темная энергия, которая, судя по всему, составляет чуть ли не 73 % общей плотности энергии во вселенной. Такого шила в мешке не утаишь.

Простейшее объяснение темной энергии состоит в том, что это суммарное воздействие частиц, возникающих и исчезающих в вакууме. В некотором смысле считать темную энергию энергией вакуума — это идеальный выход из положения. Прорешайте уравнения — и окажется, что энергия вакуума вызывает ускоряющееся расширение вселенной, в точности как темная энергия.

Однако тут таится подвох. Как же без этого.

Плотность вакуума, которая получается из теоретических расчетов, катастрофически велика. Если взять и посчитать ее, выйдет число примерно в 10 120раз больше, чем наблюдаемая во вселенной плотность темной энергии. Если вам интересно, откуда берется такое число, имейте в виду, что плотность вакуума — это отношение одной планковской массы к кубу планковской длины.