А.В. ВОЛКОВ

ТАЙНЫ ОТКРЫТИЙ XX ВЕКА



1.1. ФИЗИКА НА РУБЕЖЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЙ

В конце XIX века ученые верили, что в физике все открыто. Однако именно в ближайшие десятилетия были созданы и общая теория относительности, и квантовая механика. Но и эти прозрения не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, и появились десятки других. С каждым новым открытием ученые приближаются все к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни. Только за последнее десятилетие были сделаны два важных открытия: обнаружены топ-кварки и определена масса нейтрино. А сколько еще предстоит открыть! Похоже, что XXI век вновь будет «веком физики».




Внешний мир представляет собой нечто не зависящее от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого.



Макс Планк




Мы плохо представляем себе положение дел в физике в канун великого открытия Эйнштейна. Тогда казалось, что после XIX века — века открытий, века Максвелла и Фарадея, Ома и Гельмгольца — в этой науке почти не осталось тайн. Профессия физика превращалась на глазах современников в нечто рутинное.

Знаете ли вы, что знаменитый современник Эйнштейна, Макс Планк, мог бы и не стать физиком? Он подумывал о карьере музыканта или классического филолога, хотя, в конце концов, выбрал физику, вопреки советам знакомых, в том числе декана факультета физики Мюнхенского университета Филиппа фон Жолли. Тот считал, что в этой науке почти все открыто и разве что осталось уточнить некоторые частности, например в области термодинамики.

^{Один из самых знаменитых ученых XX века Макс Планк мог и не стать физиком. Он подумывал о карьере музыканта.}

Когда декан, вспоминал Макс Планк, «рассказывал мне об условиях и перспективах моей учебы, он изобразил мне физику как едва ли не полностью исчерпанную науку, которая теперь… близка, по-видимому, к тому, чтобы принять окончательную стабильную форму. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое построена довольно прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени законченности, какой, например, обладает геометрия уже в течение столетий».

Действительно, в канун XX века многие ученые были убеждены в том, что время главных открытий в физике прошло. Ее здание было почти достроено. Однако перспектива рутинной работы — «время открытий прошло!» — не смутило ни Планка, ни молодого Эйнштейна. Тупик физической науки оказался преддверием…

Вскоре Макс Планк защитит диссертацию, посвященную необратимости процессов теплопередачи, создаст классическую теорию теплового излучения, а затем и квантовую теорию, а его соратник и соперник Эйнштейн — общую теорию относительности.

Однако даже эти открытия не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, но появились десятки других. Сегодня никто из физиков не рискнет утверждать, что в их науке скоро не останется «белых пятен». С каждым новым открытием ученые приближаются — нет, не к завершению «строительства здания физической науки», — а к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни.

Вот один из «крепких орешков», с которыми предстоит справиться физикам-теоретикам: природа темной материи и темной энергии — неизвестных видов материи, составляющих большую часть мироздания. Что скрывается за этими таинственными источниками гравитации — этим незримым каркасом, скрепляющим Вселенную, не дающим ей распасться? Этого никто пока не знает.

Другая загадка — вопиющая несовместимость двух столпов современной физики: квантовой механики и общей теории относительности. Причина кроется, прежде всего, в загадочной природе силы гравитации. Похоже, она разительно отличается от трех остальных видов физических взаимодействий: электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

На протяжении десятилетий ученые вынуждены использовать Стандартную модель мироздания, созданную в 1961 году и описывающую элементарные частицы и их взаимодействия, использовать, понимая всю ее ограниченность, понимая, что она — лишь частный случай какой-то более общей модели, которая опишет все мироздание во всей его сложности и целостности. Она не дает ответа на целый ряд вопросов, возникающих перед учеными. Кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, то бишь красотой, как того требует идеальная физическая теория.

^{В конце XIX века ученые верили, что в физике все известно. Однако настал XX век, и пришло время великих открытий Альберта Эйнштейна, Нильса Бора и Эрвина Шредингера} 

«Она очень причудлива; в ней слишком много Византийщины, чтобы она могла вместить всю истину мироздания», — так велеречиво отозвался о ней Крис Л. Смит, бывший генеральный директор CERN, Европейского центра физики элементарных частиц. Так, Стандартная модель, эта «Менделеевская таблица микромира», содержит около двух десятков натуральных констант, в том числе значения массы частиц. Все эти константы нельзя определить с помощью теоретических расчетов; их надо измерять экспериментальным путем. Но ведь ни одна теория, в которой есть столько априори задаваемых параметров, не может считаться фундаментальной.

Девять из этих констант характеризуют массу покоя шести кварков и трех лептонов. Но Стандартная модель не отвечает на вопрос, почему большинство элементарных частиц обладают массой. Неясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко отличных по образу действия и интенсивности. Кроме того, одно из них — гравитационное — доставляет ученым особые хлопоты: его никак не удается включить в общую модель. Приходится «искусственным путем» вводить особую частицу — гравитон, якобы передающую гравитационное взаимодействие.

Согласно Стандартной модели, существуют 12 вещественных частиц, фермионов, — шесть лептонов и шесть кварков. Однако весь видимый нами мир состоит фактически из четырех частиц: электронов и электронных нейтрино, которые в огромном количестве образуются при ядерных реакциях, а также Up- и Down-кварков, из которых сложены нейтроны и протоны, составные части атомных ядер. Стандартная модель физики не может объяснить, почему существует 12 фермионов, хотя Природа ограничилась лишь четырьмя.

Однако вопреки сомнениям и возражениям, Стандартная модель остается основой современной физики. За ее развитие и доказательство присуждены более двадцати Нобелевских премий. Эта модель предрекла существование W- и Z-бозонов, и впоследствии они были найдены.

«Вот уже давно физиков занимает вопрос, что находится по ту сторону Стандартной модели», — выразил общие чаяния нобелевский лауреат Герардт Хуфт из Утрехтского университета. Но все многочисленные попытки вывести единую формулу мироздания, в существовании которой многие убеждены хотя бы по соображениям эстетики, до сих пор не принесли результата.

Не поддаются строгому научному объяснению даже некоторые, на первый взгляд, простые феномены: например, турбулентность, последняя великая загадка классической физики. А ведь турбулентность играет важную роль при расчете воздушных потоков, возникающих возле крыла самолета или корпуса автомобиля.

Загадкой остается и внутренняя природа твердых тел, обусловливающая такие их неожиданные свойства, как магнетизм или сверхпроводимость. Внутри твердых тел наблюдаются настолько сложные и разнообразные процессы взаимодействия атомов и электронов, что описать их с помощью формул или составить их точную модель не представляется пока возможным.



От топ-кварка до пентакварка

Пока…

Ведь за минувшее десятилетие, например, получили объяснение некоторые физические феномены, которые долго представлялись загадочными.

Так, в начале 1990-х годов физики-экспериментаторы безуспешно пытались обнаружить топ-кварк — последнюю элементарную частицу, которая была предсказана Стандартной моделью мироздания и существование которой к тому времени не удавалось доказать.

Кварки — точечные частицы, скрывающиеся внутри протонов и нейтронов, — вызывают особый интерес у ученых. За их исследование вручено уже несколько Нобелевских премий, начиная с 1969 года, когда лауреатом этой премии стал американский физик Марри Гелл-Ман — человек, предположивший, что подобные частицы существуют.

^{Американский физик Марри Гелл-Ман предположил, что протоны и нейтроны состоят из миниатюрных частиц — кварков}

Сорок лет назад, постулируя существование кварков, ученые, скорее, изобретали удобную теоретическую конструкцию, позволявшую, наконец, навести порядок в хаосе элементарных частиц, которых год от года становилось все больше. В начале шестидесятых годов число «кирпичиков мироздания» превысило две сотни, что и побудило некоторых физиков предположить, что эти частицы, в свою очередь, состоят из каких-то более мелких, воистину элементарных частиц. Природа не терпит лишней сложности.

Несколько лет гипотеза кварков не подтверждалась на практике. Лишь в 1968 году в США, в Стэнфордской лаборатории, при обстреле электронами неподвижных протонов, удалось показать, что разброс частиц не соответствует прежним представлениям о протоне как однородном объекте, не имеющем никакой внутренней структуры. Наоборот, картина разброса явно свидетельствовала, что внутри протона находятся какие-то другие частички. Это и были кварки.

В последующие годы ученые обнаружили пять разновидностей кварков и лишь топ-кварки скрывались от их внимания. Все сообщения об их открытии были ошибочны.

Так, весной 1994 года на пресс-конференции, организованной сотрудниками Национальной лаборатории имени Э. Ферми в Чикаго, было объявлено, что «топ-кварк — последний, недостающий кирпичик материи — открыт». Эксперимент проводился на «Теватроне» — в то время самом мощном в мире ускорителе элементарных частиц. Длина его кольца составляет 6,3 километра.

Впрочем, руководитель «Теватрона» признал, что обнаружить сам топ-кварк не удалось. «Мы располагаем лишь косвенными свидетельствами того, что он существует». Потребовались дальнейшие эксперименты, чтобы развеять сомнения. Лишь год спустя, в марте 1995 года, из Чикаго пришло сообщение, что во время нового эксперимента на «Теватроне» там все-таки обнаружен топ-кварк.

Масса топ-кварка составила 174 гигаэлектронвольт (миллиардов электронвольт). Он почти вдвое тяжелее ближайшей элементарной частицы — Z-бозона. Почему масса топ-кварка так велика? Стандартная модель не может этого объяснить.

Итак, стали известны шесть разновидностей кварков, получивших название Up («верхний»), Down («нижний»), Strange («странный»), Charm («очарованный»), Bottom («красивый») и Тор («истинный»), а также шесть соответствующих антикварков. «Верхний» и «нижний» кварки — самые легкие; они входят в состав ядер атомов обычного вещества. Более массивные кварки возникали на ранней стадии существования Вселенной, а сегодня их получают во время экспериментов, проводимых на ускорителях.

Различные комбинации кварков позволяют описать все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. С ними много неясного — так, до сих пор не удалось хотя бы отделить один кварк от другого. Они не разъединяются, какую бы огромную энергию мы ни прилагали, потому что сила их взаимного притяжения неимоверно увеличивается по мере того, как растет расстояние между ними. Кварки неизменно образуют тройственные союзы, порождая барионы — протоны и нейтроны, — или двойственные союзы, порождая мезоны: пионы и каоны.

^{На гамбургском ускорителе HERA готовятся к проведению очередного эксперимента} 

По словам помощника директора Объединенного института ядерных исследований Павла Боголюбова, «если кварки попытаться растащить в стороны, то при этом выделится энергия, на несколько порядков превосходящая ядерную». Энергия пары кварков при попытке ее разъять возрастает настолько, что когда-нибудь достигнет величины, при которой произойдет превращение энергии в массу. Из пустоты возникнет пара «кварк-антикварк». Было два кварка, станет четыре. Вместо одной пары — две пары. Можно заново попытаться разделить кварки — не выйдет. «Кварки находятся в тюрьме, — шутят физики, — убежать из которой никогда не удастся».

По современным научным представлениям, кварки существовали отдельно друг от друга лишь на самой ранней стадии развития Вселенной, когда ее плотность и температура были невероятно велики. В принципе, в лаборатории можно воспроизвести подобные условия. Это, например, на доли мгновения удалось в 2003 году сотрудникам Брукхэйвенской национальной лаборатории (США).

Да, кварки остаются крайне загадочными частицами. Их исследование принесет еще много\' неожиданностей. Даже внутренняя структура протона теперь не представляется такой уж простой, как прежде. Внутри протона, как говорят физики, «бурлящее месиво из кварков, антикварков и глюонов, которые непрестанно возникают из ничего и через крохотные доли секунды вновь исчезают. Кварки беспрерывно обмениваются глюонами, и это так называемое сильное взаимодействие скрепляет атомные ядра, не дает им распасться. Чем пристальнее мы вглядываемся в протон, тем больше частиц мы там обнаруживаем!» Так что о протоне можно сказать, что он состоит из трех стабильных кварков, если только… игнорировать эти частицы, исчезающие почти мгновенно.

* * *

Лет тридцать назад физики предположили, что могли бы существовать частицы, состоящие даже из четырех или пяти кварков. Подобная идея не противоречит Стандартной модели мироздания. Лишь в 1997 году российские физики Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Пляков сумели рассчитать, как должна выглядеть система из пяти кварков.

А уже в начале нашего века — новый шаг вперед. В 2003 году сразу несколько групп ученых, в том числе сотрудники российского Института теоретической и экспериментальной физики, обнаружили пентакварки — особые частицы, состоящие из пяти кварков.

Первыми эту частицу получили японские исследователи, пусть она и просуществовала всего 10^-20 (десять в минус двадцатой степени) секунды. Во время эксперимента в исследовательском центре под Осакой Такаси Накано и его коллеги бомбардировали энергетичными гамма-лучами твердый углеродный блок. При столкновении кванта гамма-лучей с нейтроном углеродного ядра появлялся заряженный К-мезон, но нейтрон при этом сохранялся. Последующий анализ продуктов реакции показал, что нейтрон сливался с положительно заряженным К-мезоном, причем на мгновение возникала частица, содержавшая пять кварков. Она состояла из двух Down-, двух Up- и одного aнтиStrange-кваркаa. Ее масса равнялась 1,54гигаэлектронвольт, что соответствовало теоретическим предсказаниям.

Подтвердилось открытие сразу. Американский исследователь Кен Хикс и его коллеги, бомбардируя гамма-лучами ядра дейтерия, также обнаружили следы пентакварка. После двухмесячных расчетов ученые пришли к выводу, что в общей сложности в проведенном опыте нейтроны 50 раз сталкивались с К-мезонами, образуя пентакварки. Масса необычной частицы, по Хиксу, составила 1,543 гигаэлектронвольт.

Итак, в 2003 году все сомнения в существовании пентакварка отпали. «Зоопарк» частиц пополнился новым экзотическим обитателем. Впрочем, вряд ли стоит рассчитывать на получение стабильной формы пентакварка. Найти ее можно разве что в центре черной дыры.

* * *

В 2007 году вступит в строй Large Hadron Collider (LHC) — новый коллайдер Европейского центра физики элементарных частиц, Большой адронный коллайдер. На этом гигантском кольцевом ускорителе протяженностью 27 километров протоны будут сталкиваться с антипротонами, разогнавшись почти до световой скорости. В момент такого соударения высвобождается энергия порядка 14 тысяч гигаэлектронвольт и возникает состояние, наблюдавшееся через 10^-12 (десять в минус двенадцатой степени) секунды после Большого Взрыва. Ежесекундно здесь можно будет производить до миллиарда столкновений.

С вводом в эксплуатацию нового коллайдера мы заглянем вглубь материи дальше, чем когда-либо. Очевидно, он произведет революцию в физике элементарных частиц. Возможно, предстоящие эксперименты пошатнут наши представления о фундаментальных основах мира и покажут, что кварки — вовсе не элементарные частицы и что они состоят из каких-то более крохотных частиц, иногда называемых «прекварками». В таком случае в XXI веке повторятся те же события, что пережила физика XX века, когда обнаружилось, что якобы неделимые нейтроны и протоны состоят из еще более элементарных частиц — кварков. Дробление материи на составные части продолжится. Может быть, «в материи, как в русской матрешке, — пишет обозреватель немецкого журнала «Bild der Wissenschaft», — мы будем находить все более миниатюрные “куклы” — и так будет продолжаться до бесконечности?»

Пока известно, что кварки и лептоны ведут себя как точечные частицы вплоть до расстояний порядка 10^-17 (десять в минус семнадцатой степени) сантиметра. Но что лежит по ту сторону этой границы вплоть до расстояния Планка, равного 10^-13 (десять в минус тридцать третьей степени) сантиметра? Физики называют эту область Микрокосма «Великой пустыней». Но разве может там простираться «пустыня», если вспомнить, как изобилуют элементарными частицами все остальные области Природы?



Превращения «призрачных частиц»

На рубеже нового века благополучно разрешилась и загадка солнечных нейтрино. Ученые долго не могли понять, почему на Земле регистрируют значительно меньше нейтрино, нежели предсказывала расчетная модель.

Еще в 1920 — 1930-е годы физики и астрономы предложили модель термоядерной реакции превращения водорода в гелий, протекающей внутри Солнца; из этой реакции наше светило черпает энергию. Расчеты, проделанные в шестидесятые годы, показали, что около двух процентов энергии уносят нейтрино. Покинув Солнце, эти «призрачные частицы» — их называют так потому, что они почти не взаимодействуют с другими частицами, — устремляются в космическое пространство. Миллиарды нейтрино в любое мгновение пролетают сквозь наши тела, но мы их не замечаем. По расчетам астрофизиков, каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно пронизывают 5 миллионов подобных частиц. Нейтрино — самая распространенная частица на нашей планете и… самая неприметная.

В то же время экспериментальные данные свидетельствовали, что до Земли долетает почти вдвое меньше нейтрино, чем следовало из расчетов. Например, это показал российско-американский эксперимент SAGE, проведенный в 1992 году в Баксанской лаборатории на Кавказе.

Значит, либо неверна была модель процессов, протекавших в недрах Солнца, либо природа нейтрино была иной, например, у них могла быть совсем крохотная масса — в Стандартной модели она равнялась нулю.

^{Японские ученые ведут поиск нейтрино}

В апреле 1996 года начались эксперименты на японском детекторе «Суперкамиоканде», содержавшем 50 миллионов литров сверхчистой воды. При столкновении нейтрино с атомами воды появлялись электроны, а, кроме того, наблюдались микровспышки. Их-то и можно было уловить с помощью фотоэлектронных умножителей, расставленных вокруг. Уже в первые месяцы работы эта установка зарегистрировала больше нейтрино, чем все остальные приборы за 25 лет наблюдений, и именное ее помощью в 1998 году была решена загадка дефицита нейтрино. У этой частицы, действительно, обнаружилась масса. Стало ясно, что на Солнце образуется «нужное» количество нейтрино, но приборы, очевидно, не могут заметить все их.

^{С помощью подобных детекторов улавливают солнечные нейтрино}

Теперь известно, что существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. У них есть небольшая масса, поэтому они могут превращаться в нейтрино другого типа. В недрах Солнца образуются только электронные нейтрино. В экспериментах, проводившихся с начала 1960-х годов, ученые пытались регистрировать лишь нейтрино этого типа, но их неизменно оказывалось меньше, чем следовало из расчетов, ведь на пути к Земле они превращались в нейтрино другого типа. Эти превращения, называемые на научном языке «осцилляциями», приводят к тому, что на Земле обнаруживают меньше нейтрино, чем считалось. Большинство детекторов не могут одновременно регистрировать нейтрино всех трех типов, поэтому часть из них ускользает от наблюдения. «Нейтрино маскируются, — шутят ученые, — у них есть шапка-невидимка».

В 2002 году эксперимент, проведенный в Садберийской нейтринной обсерватории, расположенной глубоко под землей близ города Садбери в канадской провинции Онтарио, окончательно подтвердил описанные выше свойства нейтрино. Таким образом, модель строения Солнца верна, зато нейтрино выглядят иначе, чем представляли ученые.

Точное значение массы нейтрино еще предстоит определить. Пока удалось установить лишь разность масс электронного и других видов нейтрино. Она составляет примерно одну пятидесятимиллионную долю массы электрона. Вообще же, по оценкам физиков, масса электронного нейтрино не должна превышать 2,2 электрон-вольт.

Мы не знаем также, какова доля нейтрино в общей массе мироздания. Предположительно, это значение очень мало. Возможно, что существуют и неизвестные нам, более тяжелые разновидности нейтрино.

^{В Антарктиде, в толще льда, сооружается нейтринный телескоп «Аманда»}

В XXI веке исследование нейтрино — этих загадочных частиц, прилетающих из Космоса, — поможет понять происхождение Вселенной и ее судьбу. Нейтрино возникают во время ядерных реакций, протекающих в недрах звезд. Именно эти частицы позволили заглянуть внутрь Солнца; они сообщают о взрывах сверхновых звезд и поведении черных дыр. С их помощью мы всматриваемся в те уголки Вселенной, куда не проникает свет. Возможно, именно исследование нейтрино поможет понять природу темной материи и суть загадочных гамма-вспышек.

Новый нейтринный телескоп — «Аманда» — сооружается сейчас в Антарктиде, на станции Амундсена-Скотта, то есть на Южном полюсе планеты. В Антарктиде идеальные условия для его строительства. Самый большой в мире нейтринный телескоп будет состоять примерно из пяти тысяч детекторов, погруженных в лед на глубину более двух километров. Его сооружение завершится в 2010 году. Ледяной панцирь, окружающий прибор, защитит его от помех — от постороннего излучения. Нацелен телескоп не в небо, а на огромный ледяной куб объемом один кубический километр, то есть он будет регистрировать нейтрино, прилетевшие… со стороны Северного полюса и беспрепятственно миновавшие толщу Земли в отличие от других частиц. Проникая в ледяной куб, нейтрино может столкнуться с каким-нибудь протоном. Так возникает другая элементарная частица — мюон. Ее энергия очень высока, поэтому при движении мюона сквозь толщу льда наблюдается слабое свечение — излучение Черенкова-Вавилова. Его и стремятся обнаружить охотники за нейтрино. Свечение мюона хорошо видно в толще льда; за ним можно следить с расстояния в сотни метров.

«За первыми открытиями следует период кропотливых планомерных исследований, — резюмировал журналист Александр Семенов, выступая на страницах журнала «Знание — сила». — Похоже, что самая неуловимая частичка хранит ключи от многих тайн природы и наступивший век может стать веком нейтринной астрономии».



1.2. В НАЧАЛЕ БЫЛА СТРУНА?

Единая формула, что объяснит все сущее, — давняя мечта физиков. Однако ее по-прежнему не удается найти. Недостаток теории струн, например, в том, что она предполагает наличие дополнительных пространственных размерностей. Почему некоторые из них затеряны в микромире, а другие устремлены в бесконечность? Поиск единой формулы продолжится и в XXI веке.




Вдруг комната наполнилась протяжными, вибрирующими звуками, соединение которых мгновенно залило мое воображение.



Гайто Газданов




В поисках «потерянного Рая»

С давних времен ученые пытаются объяснить мир, описать его простой, красивой формулой. Что может быть прекраснее, чем, к примеру, единая формула мироздания, выражающая суть всего, что ни происходит на свете? «Эта формула, вероятно, ответит на вопрос о природе темной материи, — говорил в одном из интервью американский физик Стивен Уайнберг, — и позволит понять, каким было начало нашего мироздания. Что тогда произошло? Был ли Большой Взрыв уникальным событием или же элементом некоего более масштабного процесса?» Эта формула наконец сведет воедино оба столпа современной физики: квантовую механику и общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Квантовая механика описывает поведение отдельных атомов. В повседневной жизни нам незачем учитывать квантовые эффекты; они наблюдаются лишь в микромире. Общая теория относительности, наоборот, описывает происходящее в макромире. Это — закон, по которому живет мироздание.

Конечно, хорошо было бы соединить обе теории! Вот бы и получилась единая формула мироздания, описывающая все — от дальнего уголка Вселенной до глубин материи, от микромира до макромира. Однако у этой задачи нет простого решения. Обе теории частично противоречат друг другу.

Поэтому физики пытаются создать теорию, которая содержала бы квантовую механику и теорию относительности лишь как «частные случаи». Сама же она должна выходить далеко за их рамки. Она призвана объединить все четыре основных взаимодействия, существующих в природе: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

В электромагнитном взаимодействии участвуют частицы, имеющие электрический заряд или магнитный момент. Слабое взаимодействие обусловливает в большинстве случаев распад элементарных частиц, а также взаимодействие нейтрино с веществом. Радиус действия этой силы крайне мал: уже на расстоянии, равном сотой части диаметра протона, ее действие неощутимо. Сильное взаимодействие — оно и впрямь является самым сильным из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц — удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также сами протоны и нейтроны внутри атомного ядра.

Поиск единой формулы сродни исканию «потерянного Рая». Ведь когда-то, пусть считанные мгновения, мир в самом деле был прост и един. Около четырнадцати миллиардов лет назад — в момент Большого Взрыва — во Вселенной действовала единая «Сверхсила». Она определяла развитие материи, времени и пространства. Через считанные доли секунды она «распалась» на четыре известных нам сейчас взаимодействия.

Если бы мы воспроизвели условия, царившие в момент Большого Взрыва, подчеркивал Стивен Уайнберг, то эти силы снова бы образовали ту самую «Сверхсилу». По его словам, «возможно, к середине XXI века мы сумеем создать теорию, объединяющую их».

У скептиков, правда, свое особое мнение. На их взгляд, «всемирная формула» — «Theory of Everything», — если она будет открыта, может оказаться бесполезной, недоказуемой, непонятной. Возможно, человек никогда не извлечет из нее практического смысла. Возможно, что ее не поверить даже экспериментом. Ее красоту оценят лишь немногие знатоки.

Первый успех к знатокам пришел в 1968 году, когда сам Уайнберг, а также уроженец Пакистана Абдус Салам и Шелдон Глэшоу из Гарвардского университета создали объединенную теорию электромагнитных и слабых взаимодействий (одиннадцать лет спустя ученые удостоились Нобелевской премии).

Однако все попытки включить в эту формулу гравитацию были безуспешны. Она так и осталась «пятым колесом в научной телеге». Ее описывает общая теория относительности Эйнштейна, но эта теория оставляет двоякое впечатление: если в макромире — в мире космических мерок — она блестяще подтвердилась, то в мире элементарных частиц дает сбой. Она не согласуется с квантовой механикой — основным уставом микромира. К каким бы математическим трюкам ни прибегали ученые, чтобы «квантизировать» гравитацию, всякий раз вместо одного противоречия появлялось другое, столь же абсурдное: когда две точечные частицы бесконечно сближаются, сила их притяжения бесконечно растет и утрачивает всякий смысл.

Вообще-то сама природа развела теорию гравитации и квантовую механику по разным «вотчинам мироздания». Однако в момент Большого Взрыва Микрокосм на миг встретился с Макрокосмом. Стандартная модель не способна описать эту первородную стихию.

Анализируя на страницах журнала «Знание — сила» итоги развития современной физики, российский физик B.C. Барашенков писал: «Не будет преувеличением сказать, что сегодня физики запутались в формулах. Существует множество путей для развития теории, и не ясно, какой из них предпочтительнее. Сейчас в этой области работает сравнительно небольшое число специалистов, занятых изучением очень сложных и неоднозначных математических структур. Такое впечатление, что известные физические идеи себя исчерпали и для дальнейшего продвижения нужна новая экспериментальная информация. Возможно, ее дадут опыты на создаваемых сверхмощных ускорителях».



Мир, вытянутый в М-струнку

Сейчас, по мнению многих ученых, среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «теория струн», которую, действительно, можно назвать «революционной модификацией теории Эйнштейна». По словам американского физика Гордона Кейна, «возможно, теория струн или один из ее вариантов позволят нам не только вычислить массу электрона и другие величины, но и обосновать свойства пространства-времени и правила квантовой теории».

Главная ее идея родилась еще в 1968 году, но не вызвала интереса ввиду некоторых очень странных допущений — их приходилось делать одно за другим. Это выглядело полнейшим произволом в теории.

Все началось с того, что британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что квантовая механика несоединима с общей теорией относительности потому, что элементарные частицы априори считаются бесконечно малыми точками. Все изменится, если предположить, что они имеют конечные размеры — например, напоминают крохотную одномерную нить. Допустим, Вселенная на недоступном нам микроуровне — основе ее основ — заполнена незримыми нитями, или — почему бы их так не назвать? — струнами (strings). Их длина не может быть меньше 10^-33 (десять в минус тридцать пятой степени) сантиметра; это — природная константа, мельчайший квант длины.

^{Так художник представляет себе незримые энергетические «струны», из которых, возможно, состоит все наше мироздание}

По данной идее, которую трудно поверить рассудком, все элементарные частицы — электроны, протоны, кварки — представляют собой не что иное, как вибрации тех незримых струн. Каждый из «квантовых тонов» соответствует определенной частице, например, кварку или электрону. Сами «струны» представляют собой энергию в чистом виде.

Итак, все известные нам «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Внезапно все наполнилось протяжными, вибрирующими звуками… Это — мелодии, долетающие из невидимого Ничто в микромир, чтобы потом эхом — сложной симфонической картиной — отозваться в макромире, порождая зримые образы объектов. Из звучания этих струн рождается опус, который носит название «Вселенная».

^{Итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн}

Правда, нечто подобное высказывали и до Шварца с Грином, но на эту идею не обратили внимания, ведь она не поддавалась математическому решению. Струны «отказывались» вибрировать в трехмерном пространстве. Тогда — фантазировать так фантазировать! — Шварц и Грин (при одном звуке их фамилий вспоминаются сказочник Евгений Шварц и мечтатель Александр Грин) решили следовать лишь неумолимой логике, игнорируя любые практические соображения. Выяснилось, что в десятимерном пространстве эта теория вполне справедлива. Абсурд! — который, на первый взгляд, был хорош только одним: математически точно связывал все несоединимое прежде.

Значит, если следовать данной логике, мы живем… в десятимерном пространстве? И те же электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных? Быть может, наша Вселенная — всего лишь одна из граней этого пространства? «И наша неспособность воспринимать все десятимерное великолепие пространства, — пишет на страницах журнала «Scientific American» итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн, — объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц?»

Как подчеркивал B.C. Барашенков, «в это десятимерное пространство может быть вложено огромное число трехмерных миров. Не означает ли это, что где-то по соседству с нашей существует множество других “параллельных” вселенных и мы можем ждать не только радиосигналов с далеких звезд, но и гравитационных телеграмм из других измерений?»

Триада ортов X, Y, Z — эта ортогональная проекция, угадываемая в любом углу наших комнат и кабинетов, — мешала следовать данной логике. Окружающее нас пространство было трехмерным; оно знало лишь длину, ширину, высоту, да еще «перпендикулярно» всей действительности, из прошлого в будущее, текло время.

Если же довериться выводам Шварца и Грина, то сказочные чудеса будут подстерегать нас на каждом шагу: в запертом помещении станут сами собой исчезать или появляться предметы, содержимое кошелька неожиданно растворится в воздухе, чтобы отыскаться в кармане вашего соседа по вагону метро; закон сохранения энергии и импульса будет нарушаться на каждом шагу. Мыслимо ли такое?

Что ж, пришлось признать, что большая часть размерностей… бесконечно мала. Они никак не проявляются в окружающем нас мире и не играют, очевидно, в нем никакой роли. Они свернуты в крохотные клубочки величиной с саму струну и недоступны для измерения. Они таятся где-то в глубинах микромира — в этом причудливом мире, который, как кажется нам сейчас, еще менее понятен, чем астрономическая даль, эта россыпь галактических скоплений, уходящих в неизвестность. Значит, в любой точке четырехмерного пространства-времени скрывается подобный клубочек свернутых размерностей, которые, пусть и остаются невидимы, но вполне могут определять свойства элементарных частиц, например, их массу и электрический заряд.

Столь вольное обращение с пространственными измерениями было, впрочем, в традициях физики. В 1921 году польский исследователь Теодор Калуца попробовал описать электромагнитные силы… как результат искривления пространства в гипотетическом четвертом измерении. Его шведский коллега, Оскар Клейн, пытаясь приблизить к практике эту чисто математическую модель, придал четвертому измерению микроскопически малые размеры. По его расчетам, оно соответствовало постоянной Планка, то есть десяти в минус тридцать третьей степени сантиметра. Спустя десятилетия ученые вновь вернулись к такого рода математическим моделям. И даже заново описали историю нашей многомерной Вселенной.

По мнению Шварца и Грина, лишь вспышка Большого Взрыва высветила размерности, скрытые во Вселенной. Из их множества по какой-то странной причине выкристаллизовались всего четыре нормальные размерности. Все они — видимые и невидимые — несомненно, очерчивают одно: пределы нашего знания. За ними пребывает Ничто, не воспринимаемое нами никак и не постижимое никем и никогда.

Подобная гипотеза противоречила всем прежним воззрениям. Кроме того, проверить ее экспериментальным путем было нельзя. Согласно расчетам, длина струны составляет всего десять в минус тридцать третьей степени сантиметра, что опять же примерно соответствует постоянной Планка. Итак, струна в 100 000 000 000 000 000 000 (сто миллиардов миллиардов) раз меньше протона. Следующее сравнение поможет понять пропорции. Если бы удалось увеличить струну хотя бы до полусантиметра, то атом водорода достиг бы размеров Млечного Пути.



Согласно теории струн, сразу после Большого Взрыва десятимерное пространство свернулось в крохотный шар. Его диаметр был в 10²⁰ (десять в двадцатой степени) меньше диаметра атомного ядра. Затем четыре размерности стремительно вытянулись, образовав мир, в котором мы живем. Остальные шесть остались крохотными и незримыми. Можно сравнить размерности мироздания с десятью маленькими почками. Из четырех «почек» выросли привычные нам пространство и время; остальные так и не проклюнулись.

… Стоит передохнуть от абсурдных открытий и сделать теологический экскурс. В «Евангелии от Иоанна» сказано: «В начале было Слово». С фонетической точки зрения, слово состоит из гласных и согласных звуков, заставляющих по-разному вибрировать наш слуховой аппарат. Итак, эту знаменитую фразу — если обращаться с ней так же вольно, как Грин и Шварц с картиной мира, — можно истолковать в том смысле, что в начале всех начал была вибрация, породившая все мироздание. Отсюда легко перейти к новейшему научному убеждению: «В начале была Струна». Именно колебания струн породили весь зримый мир.

Теперь весь вопрос был в том, имеет ли эта умозрительная философия хоть что-то общее с действительностью. Теоретиков успокаивал пример Эйнштейна. В свое время он тоже отказался от привычных представлений о пространстве и времени и был прав. Возможно, так произойдет и с теорией струн.

^{В 1999 году в Потсдаме (Германия) состоялась международная конференция по теоретической физике, на которой четыре сотни ученых обсуждали единую формулу мироздания. На этой фотографии участники конференции; на переднем плане Стивен Хоукинг} 

Однако у многих ученых эта идея по-прежнему вызывала скепсис. Для них казалось неприемлемым решать сложную физическую проблему с помощью легкомысленных трюков. Знаменитый физик Ричард Фейнман, преподававший вместе с Шварцем в Калифорнийском технологическом, на каждом шагу посмеивался над своим «незадачливым» коллегой. Едва завидев его, Фейнман говорил: «Ну что, в каком измерении ты сегодня живешь?»

Ключевую роль в судьбе этой идеи сыграл небольшой симпозиум физиков, проводимый каждое лето в одном из курортных местечек в Скалистых горах. Здесь в 1984 году Грин и Шварц показали коллегам, что, соединяя гравитационную теорию с квантовой механикой, можно избавиться от пресловутых «бесконечных величин», если только взять за основу «теорию струн».

Постепенно многие физики перешли на их сторону. И все из-за мороки с гравитацией! За их лабильность их ждала награда: в «теории струн» неизбежно появлялась новая элементарная частица, которая обладала свойствами гравитона — особой,

не найденной пока частицы, якобы передающей действие гравитации. В отличие от некоторых других элементарных частиц, например, электрона, частица гравитации свободно перемещалась во всем десятимерном пространстве.

В последующие годы на основе «теории струн» возникло несколько разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» — так образно обрисовал эту проблему американский физик Эдвард Уиттен, один из крупнейших специалистов в области «теории струн».

Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос-Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую «М-теорию».

Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные Вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны. Они обладают р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран, напоминающих, как шутят физики, своего рода «мыльные пузыри», сплетенные из множества крохотных струн, причем, по предположению ряда теоретиков, некоторые частицы, например, гравитоны, не прикреплены к мембранам и свободно перемещаются по всему многомерному пространству.

Итак, наша Вселенная — одна из многих мембран, дрейфующих в этом пространстве. Иногда мембраны сталкиваются, и тогда в них происходит очередной Большой Взрыв. Потом они расходятся, ускоренно расширяются и сближаются вновь, чтобы столкнуться. Впрочем, это лишь гипотетическая модель.

Сама же теория струн, которая скоро отметит свое сорокалетие, по-прежнему далека от того, чтобы занять место на страницах школьных учебников. Образ вибрирующей струны или мембраны — как «основы основ» всех элементарных частиц — очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Как иронично замечают сами физики, он «уводит нас в джунгли различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем». Пока ученые не могут даже завершить детальное описание М-теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными. Как иронично заметил Уиттен, «теория струн — это физика XXII века, случайно попавшая в XXI век».



В ожидании коллайдера

Окончательно правота «теории струн» может выясниться лишь в лаборатории. До тех пор, пока опытным путем не удастся хоть косвенно подтвердить эту теорию, она останется блестящей игрой ума.

Да, мы не можем строить ускорители длиной во всю Галактику, чтобы исследовать «музыку невидимых струн». Да, нам никогда не заглянуть в таинственный «черный ящик», где хранится опись мельчайших элементов природы. Однако уже в ближайшие годы можно начать проверку предсказательной способности этой теории. Так, она предполагает существование суперсимметричных частиц (согласно гипотезе, у каждой частицы есть свой двойник; значит, во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям). Итак, если фантомы, созданные теорией струн, преспокойно живут, значит, на теорию можно полагаться. Подлинная модель Вселенной потому и будет называться подлинной, что станет предсказывать еще неведомые феномены, как Периодическая таблица Менделеева прогнозировала свойства неоткрытых химических элементов.

В 2007 году в Европейском центре физики элементарных частиц вступит в строй новый коллайдер. При столкновении частиц на нем будет выделяться достаточно энергии, чтобы получить суперсимметричные элементарные частицы. Возможно, в ближайшие годы их удастся обнаружить. Тогда наконец ученые выберутся за пределы Стандартной модели мироздания.

Подобное открытие может прояснить структуру Вселенной. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Значит, таинственная темная материя, возможно, состоит из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания.

В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струн будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.

^{В окрестностях Женевы ведется строительство Большого адронного коллайдера}

Итак, теория струн, по большому счету, создана для того, чтобы сблизить гравитацию с тремя остальными фундаментальными взаимодействиями. Есть и другой подход — создание квантовой теории геометрии. В этом случае можно обойтись без конструирования дополнительных размерностей, чье существование мы пока не можем обнаружить. Зато появляются отдельные «атомы пространства».

«Пространство нельзя считать непрерывным, оно имеет структуру, напоминающую атомарную, — подчеркивает один из поборников этой теории, американский физик Ли Смолин. — В одном кубическом сантиметре, показывает несложный расчет, “атомов пространства” больше, чем кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной».

Однако и квантовая геометрия до сих пор не сформулирована окончательно. Можно лишь предположить, что М-теория, как и квантовая теория геометрии, являются лишь частными случаями некой обобщенной модели, описывающей все феномены мироздания. Если бы ее удалось создать, признался как-то британский физик Стивен Хоукинг, «это была бы формула Бога, формула, по которой Он сотворил мир».

Путь к единой формуле мироздания еще долог. Однако если вспомнить, какой путь проделала физика в XX веке — путь, увенчавшийся становлением квантовой механики и общей теории относительности, то можно предположить, что и XXI век станет временем торжества двух фундаментальных физических теорий — квантовой геометрии и обобщенной теории струн.



1.3. ЧТО ТАКОЕ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Звезды, планеты и межпланетный газ составляют лишь малую часть всей массы Вселенной. Астрофизики до сих пор не знают, из чего состоит остальная часть материи. Понять ее природу предстоит в XXI веке.



Шапка-невидимка для целой Вселенной

Что такое материя? Ответ знаком со школьной скамьи. Материя — это «объективная реальность, которая… отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В.И. Ленин). Однако с недавних пор астрофизики наделяют большую часть материи совершенно противоположными свойствами. Эта материя и не видима нами, и не дана нам в ощущениях. Ее можно было бы назвать «абсолютным ничто», если бы она не оказывала такого сильного гравитационного воздействия на окружающий мир. Это — незримая «темная сила», правящая миром, следовало бы сказать, вспомнив фантастический фильм.

Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался. В спектрах далеких звезд ученые с умилением обнаруживали все те же химические элементы, что известны нам на Земле. Словно сосуд, наполненный до краев песчинками, Космос был наполнен смесью одних и тех же веществ. За видимым разнообразием скрывался конгломерат электронов, нейтронов, протонов и других знакомых частиц. Расчеты космологов показали позднее, что это не так. «Большая часть мироздания состоит из материи неизвестного нам происхождения — темной материи» — таково было общее мнение. Но и оно было перечеркнуто. Сейчас мы гораздо лучше понимаем, из чего состоит Вселенная. Этому «из чего» и посвящен наш рассказ.

^{Галактические скопления содержат мириады звезд} 

За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя — ее называют «барионной» — составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды и галактики, они — песчинки, брошенные в океан тьмы. Все остальное — невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не искажает свет и не улавливает потоки частиц, не излучает электромагнитные волны и не отражает их. Безмерная шапка-невидимка накинута на весь окружающий Космос, и лишь россыпь звезд, разбросанных вокруг этого таинственного Нечто, выдает нам его очертания. Мы ощущаем неимоверную тяжесть, исходящую от него.

Это Нечто разрослось прямо на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ученые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи.

В восьмидесятые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Так, в конце 1980-х годов на небе Северного полушария была открыта так называемая Великая стена — скопление галактик протяженностью 700 миллионов световых лет. Она напоминала полосу пены, взбитую на небосводе, и содержала тысячи галактик. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого Взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше материи, чем можем заметить мы. Иначе бы их не было по сей день! Очевидно, сгустки темной материи становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик.

Астрономы придумывали самые разные теории, пытаясь понять природу темной материи. Недостающую массу мироздания пытались восполнить, суммируя «бурых карликов» — это несостоявшиеся звезды, крупные небесные тела, в недрах которых так и не началась термоядерная реакция, — а еще прибавляя к ним громады черных дыр и пучки нейтрино.

Однако точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темная материя не может быть «горячей», то есть не может состоять из нейтрино — частиц, движущихся почти со скоростью света. Нельзя ее трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов — «бурых карликов». Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно, его по-прежнему невозможно идентифицировать.

Очевидно, темная материя состоит из не описанных Стандартной моделью и не открытых пока еще — небарионных — частиц, движущихся очень медленно. Эти долгоживущие частицы тяжелее нейтронов и протонов и взаимодействуют с ними посредством гравитации. Никакого иного влияния на обычное вещество они не оказывают; у них нет электрического заряда; они не взаимодействуют даже между собой. Подсчитано, что масса этих загадочных частиц должна превышать массу любой известной нам элементарной частицы. Им подобраны звучные названия: «аксионы», «нейтралино», WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие массивные частицы»). «Как океан объемлет шар земной», так видимый мир кругом объят темной материей.

В 2000 году группа исследователей, работавших на итальянском детекторе DAMA под Римом, уже заявляла, что им удалось, наконец, обнаружить некие массивные частицы, из которых, наверное, и состоит темная материя. Однако это заявление не подтвердилось.

Компьютерный анализ распределения темной материи, проделанный пару лет назад американским физиком Чанг-Пэй Ма, показал, что она не рассеяна во Вселенной беспорядочно. Она во многом ведет себя, как обычная материя. Она образует галактики разной протяженности, причем преобладают небольшие галактики. Словно тени, они движутся среди обычных галактик, незримо сопровождая их. В этих галактиках может существовать множество звезд, в недрах которых никогда не начнутся термоядерные реакции.

«В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, — пишет на страницах журнала «Наука и жизнь» российский астроном Л. Ксанфомалити, — темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой.

В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика».

Различные эксперименты, быть может, позволят прояснить природу темной материи. Так, в 2005 году астрофизики из Вюрцбургского университета, анализируя данные, собранные Комптоновской обсерваторией (в 1991 — 2000 годах она вела наблюдение за гамма-вспышками), обратили внимание на то, что преобладает гамма-излучение определенного уровня энергии. Но именно так должно распределяться гамма-излучение, если в его источнике происходит аннигиляция нейтралино. Что это, первый след Неведомого Невидимого?

* * *

Было время, когда ученые говорили, что «во Вселенной есть невидимое вещество», «немалая часть Вселенной сложена из неизвестной для нас материи», «большая ее часть», «90 процентов»… И вот — последний вывод: 95 процентов! Читатель, подобно автору, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок пространства, к примеру, любимый «обломовский» диван, он еще может разглядеть.

Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался… Внезапно мир распался. Теперь его составляли отдельные «чистые сущности» — стихии, не соединяемые друг с другом.

Очевидно, темная материя играла особую роль на ранней стадии существования Вселенной, когда она образовывала первые сгустки, вокруг которых скапливалась обычная, видимая нами материя. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления.

Их расположение очень причудливо. Галактики напоминают бусины, нанизанные на нитки. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.

Существование темной материи подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние десять лет с помощью Космического телескопа имени Хаббла не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Ведь масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, масса этих «линз» должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих подобные скопления. Таким образом, эти «линзы», предположительно, состоят в основном из темной материи.



Открытие темной энергии

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую константу» — энергию, свойственную пространству как таковому. В то время ученые были убеждены в статичности Вселенной. Без этой же константы Вселенная неминуемо расширялась или сжималась. Константа уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.

В конце XX века ученым пришлось вспомнить о самоуправстве Эйнштейна, в котором сам ученый впоследствии раскаивался, называя изобретенную им константу «величайшей глупостью». Теперь в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее ускоренное расширение. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство — «словно легкий туман», говорят физики, -~ и вызывает взаимное отталкивание материи. Эта энергия, своего рода «антигравитация», соответствует «космологической константе» из уравнений Эйнштейна. Правда, величина ее все-таки не постоянна, однако это не умаляет «последнего триумфа Эйнштейна», как выразился немецкий физик Гюнтер Хазингер, лауреат премии имени Лейбница за 2005 год.

Впрочем, природа этой энергии остается во многом загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели физики, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета.

«Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно, — пишет на страницах журнала «Вокруг света» физик Сергей Рубин, — но если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, то гравитационное взаимодействие заставило бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Следовательно, энергия спрятана в пространстве-вакууме». Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики — это редкие островки, затерянные посреди моря, моря «темной энергии».

Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но, поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя способами: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.

Светимость сверхновых звезд типа 1а (это белые карлики с массой до 1,4 массы Солнца, сжавшиеся до размеров Земли) всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Наблюдения за ними позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, а значит, эти сверхновые звезды находятся от нас дальше, чем предсказывали теоретики.

Окончательно сомнения развеяло открытие американского астронома Адама Раиса и его коллег из Space Telescope Science Institute. Исследуя фотоснимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, Райе обнаружил самую далекую из известных нам сверхновых звезд: SN 1997ff. Расстояние до нее — 10 миллиардов световых лет. Ее светимость точь-в-точь такова, как того требует теория «расширяющейся Вселенной», но иная, нежели допускают гипотезы скептиков.

В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. «Судя по поведению сверхновой SN 1997ff, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», — поясняет Райе. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около пяти миллиардов лет назад последняя — то бишь темная энергия — победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. «Результаты астрономических наблюдений, — иронизировал на страницах журнала «Знание — сила» B.C. Барашенков, — убеждают в том, что наш мир катится в будущее с разгоном, как санки с крутой горки!»

Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи. Теперь судьба Вселенной всецело зависит от темной энергии.

…Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы «Бумеранг» и «Максима», установленные на аэростатах, доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI («Degree Angular Scale Interferometer»), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского университета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил в 2001 году оценить содержание в ней темной энергии.

По результатам наблюдений, астрофизики создали новую модель Вселенной — так называемую «Concordance Model» («космическое согласие»). Согласно ей, Вселенная состоит на 70 процентов из темной энергии, на 25 процентов — из темной материи и 5 процентов — из обычной материи. Измерения микроволнового излучения, проделанные в 2001 году американским зондом MAP, подтвердили эти выводы.

Итак, две трети мироздания состоят из темной энергии. Вселенная словно охвачена незримым огнем. Он медленно разгорался, но теперь пылает вовсю. В его темном пламени крупицами пепла разлетаются звезды и галактики. Они летят все дальше, дальше, отодвигая границы космоса. Как описать этот «пожар» на языке физических формул? Ведь они придуманы давно, когда Вселенная представлялась теоретикам иной.

«Мы не понимаем сущности темной энергии, мы не знаем, о чем идет речь, — признает Гюнтер Хазингер. — Ситуация с темной энергией напоминает ту, что сложилась в физике сто лет назад, когда все искали таинственный эфир, потом появился Альберт Эйнштейн и создал совершенно новую физику».

Лишь в самом существовании темной энергии сейчас никто не сомневается. В этом убеждают самые разные феномены, наблюдаемые во Вселенной: поведение рентгеновского газа, вспышки сверхновых звезд, фоновое излучение.



Когда законы физики запрещают пользоваться компьютером

«Мы живем в странной Вселенной, — заявил Майкл Тернер. — Кто ее звал, эту темную энергию?» Она словно «кость, застрявшая в нашем горле», вторил ему нобелевский лауреат

Стивен Уайнберг. Вина этой непрошеной незнакомки в том, что она не укладывается в традиционные теории физики. Она пришла последней на пир науки. Ее здесь явно не ждали. Все эти теории созданы без нее.

Конечно, используя основные модели физики, можно найти место для темной энергии, но в одной модели она не уместится и в полцарства, в другой — ей с избытком хватит наперстка. Судите сами.

Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. По словам B.C. Барашенкова, «вполне возможно, что наш мир — что-то вроде заполняющего все пространство кипящего и застывающего в различных формах океана вакуумной пены и жидкости».

Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. «Но когда теоретики, — пишет Адам Райе, — попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого (по другим подсчетам, на 55 порядков. — А.В.)».

«Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными, — отмечает американский физик Лоренс Кросс. — Это самая сверхъестественная и потому самая захватывающая проблема физики». «Никогда прежде за всю историю физики выводы теории и данные наблюдений не разнились так резко», — подчеркивает Стивен Уайнберг.

В данном случае подводит теория. Если бы она была права и антигравитация в мире, окружающем нас, была бы так велика, то я ни за что бы не успел дотянуться до клавиши компьютера, собираясь писать эту фразу, ибо за долю секунды, разделившую замысел и исполнение, пространство так стремительно расширилось бы, что я, пожалуй, уже ничего бы не нашел под руками. Да и существовал бы тогда я? Привычный мне мир непременно исчез бы, разлетелся, словно взрываясь и взрываясь каждую секунду.

Итак, научная теория, давно подтвердившая свою правоту, соприкоснувшись с темной энергией, тут же невероятно зашкалила. Как приравнять то, что неощутимее электрона, и то, что мощнее любой стихии? Где истинный портрет нашей незнакомки? Как доктор Лемюэль Гулливер, она чужеродна любой теории, в чье царство попадает, становясь то великаном, то лилипутом. Научный «гардероб» явно не рассчитан на эту запоздавшую гостью. Здесь все скроено и сшито без нее; ей все здесь не по размеру.

И как получилось, что наша незнакомка «проспала» сотворение мира! Это тоже смущает ученых. В первые миллиарды лет динамику становления Вселенной определяли две стихии: барионная и темная материя. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» — задался вопросом американский астрофизик Марио Ливио.

Оба эти вопроса — «Почему так поздно?» и «Где истинный портрет?» — неминуемо подводят нас к третьему, главнейшему вопросу: «Кто она?» Каково происхождение темной энергии? Миновать эти вопросы нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной.

Темную энергию нельзя уловить, ее не воссоздать на современных ускорителях, но именно «она таит ключ к пониманию нашего мироздания, — говорит Майкл Тернер. — Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы. Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители». Пока же физики и астрономы, пытаясь объяснить природу темной энергии, буквально блуждают в потемках.



То, не знаю что: отражения отражений

Итак, в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как антигравитацию. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Возможно, гравитационное действие почти равно антигравитационному, и потому плотность вакуумной энергии равна микроскопической величине.

Есть и другие объяснения.

Американский космолог, выпускник Харьковского университета, Александр Виленкин предлагает свою гипотезу. Быть может, нет никакой случайности в том, что плотность материи во Вселенной и космологическая константа, то есть темная энергия, — это величины одного порядка. Ведь если бы было иначе, не могли бы возникнуть галактики и где-то в глубине одной из них — по крайней мере, одной из них — не зародилась бы жизнь.

^{Исследователь темной энергии, Пол Стейнхардт}

Эта гипотеза побуждает вспомнить «антропный принцип»: мир устроен так гармонично, и все его части так ладно пригнаны друг к другу, что у этого мира не может не быть Творца. В таком случае Бог проделал поистине ювелирную работу, с необычайной точностью подбирая естественные константы. Стоит незначительно изменить любую из них, и Вселенная может превратиться в непригодную для обитания среду.

Чтобы избежать подобного объяснения, продолжает Виленкин, можно предположить следующее: космологическая константа в разных частях Космоса принимает различные значения. Только в некоторых районах Вселенной — там, где существуют галактики, — эта константа приняла значение, при котором могла зародиться жизнь. Стало быть, темная энергия неравномерно распределена в пространстве? Если это так, то незачем уверовать в «чудесный случай», «Божественный промысел» и «ювелирную точность», породившие наш обжитой мир.

В 1998 году американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается неизвестное пока квантовое поле, не описываемое Стандартной моделью физики. Оно пронизывает все пространство и вызывает непрестанное расширение Вселенной. «Оно мало напоминает электрическое или магнитное поле и действует как антигравитационная сила». Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив пятую основу мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к четырем известным грекам стихиям — воздуху, огню, земле и воде: по Аристотелю, «из нее состоят эфирные тела».

В гипотезе Стейнхардта, Колдуэлла и Дэйва, темная энергия ведет себя, почти как в гипотезе Виленкина. Только не в пространстве она неравномерно распределена, а во времени. В момент возникновения Вселенной плотность темной энергии, в самом деле, была в 10¹²⁰ раз выше, чем теперь. Эта идея примиряет разные научные теории, ведущие спор о «незнакомке в чреде космических стихий». Приняв ее, можно не удивляться: «Почему так поздно?»

«Пытаясь объяснить, почему в мироздании содержится такое-то количество темной энергии, мы вынуждены предположить, что и в момент его возникновения квинтэссенция равнялась строго определенной величине, а это попахивает подтасовкой, — рассуждает Стейнхардт. — Другое дело, если она меняется, взаимодействуя с остальной материей. Тогда ее концентрация естественным образом может достичь своего нынешнего значения».

Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Израильский физик М. Мильгром и его нидерландский коллега Б. Сандерс вообще сомневаются в законе всемирного тяготения. Они предложили «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас. Известный британский астрофизик Мартин Рис так оценил их усилия: «К гипотезе Мильгрома можно будет обратиться лишь в том случае, если все поиски темной энергии окажутся бесплодными и все иные возможности будут исключены».

Португальский физик Жоао Магуэхо из лондонского Имперского колледжа ради новой любимицы физиков готов был поступиться еще одной вековечной догмой. Он предположил, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. По мере расширения и остывания Вселенной скорость света спадала, а когда температура Вселенной достигла некоего критического значения, произошел «фазовый переход» — что-то вроде превращения воды в лед: скорость света «застыла» на нынешнем уровне. В таком случае наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе. Однако упомянутые уже исследования космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, опровергли эту гипотезу.

По мнению Энн Нельсон, Дэвида Каплана и Нила Уайнера из Вашингтонского университета, за темной энергией скрывается новый, неизвестный прежде тип элементарных частиц — акселероны (от английского acceleration, «ускорение»). Они взаимодействуют лишь с нейтрино и ни с какими другими элементарными частицами. Взаимное отталкивание акселеронов и нейтрино, мчащихся почти со световой скоростью и практически не реагирующих с обычным веществом, вызывает ускоренное расширение Вселенной. В результате термоядерных

реакций, протекающих в недрах звезд, количество нейтрино все растет, и Вселенная все увеличивается. Однако чем дальше будут разлетаться нейтрино, тем медленнее будет расширяться Вселенная.

Наконец, по мнению грузинского физика Георгия Двали из Нью-Йоркского университета, за темной энергией скрываются… недоступные нам размерности пространства. Так темная энергия соединяется с «теорией струн».

Согласно ей, многие свойства частиц легко объяснимы, если допустить, что мир состоит из незримо тонких, вибрирующих нитей. От характера колебаний зависит облик частиц — их масса, заряд, спин.

Георгий Двали развивает эту теорию, и, хотя в его изложении она напоминает рассуждения уфолога, разве что там «не барражируют НЛО с пришельцами и не пролетают ангелы и привидения», она основана на строгом математическом расчете. Итак, возможно, мы все-таки способны проникнуть в мир, по «теории струн» недоступный нам, и можем даже контактировать с ним. Мы обязаны этим гравитации. Она — единственная сила, которой дано преодолеть границы размерностей и воздействовать на микроскопические миры и наоборот. Дополнительные измерения ослабляют тяготение, ведь часть гипотетических «частиц гравитации» ускользает в другие измерения, а потому сила взаимного притяжения галактик ослабевает и космос стремительно расширяется. Наблюдается «утечка гравитации».

Возможно, по этой причине сила гравитации гораздо слабее трех других фундаментальных взаимодействий. Опытным путем было установлено, что закон всемирного тяготения действует, по-видимому, и на расстояниях порядка одной стомиллионной доли миллиметра. К такому выводу пришли исследователи из Индианаполиса, поставившие в 2005 году эксперимент с чрезвычайно чувствительным торсионным маятником. В этом опыте не было обнаружено никаких отклонений, вызванных существованием дополнительных размерностей. В противном случае сила притяжения заметно увеличилась бы. Очевидно, гипотетические размерности свернуты еще компактнее.

По расчетам Георгия Двали и его американских коллег Андрея Грузинова и Маттиаса Залдариаги, «утечка гравитации», могла бы вызвать медленную прецессию орбиты Луны. Пока Луна делает один оборот вокруг Земли, точка ее наибольшего сближения с нашей планетой должна смещаться примерно на полмиллиметра. Однако проверить правильность этой гипотезы пока нельзя, ведь погрешность лазерного дальномера составляет сейчас примерно один сантиметр. Впрочем, сама возможность постановки такого эксперимента радует, отмечает Георгий Двали, ведь «долгое время считалось, что теория струн касается только чрезвычайно малых объектов, и никакой эксперимент не может подтвердить или опровергнуть ее».

Но, может быть, уже в первые десятилетия XXI века удастся доказать обратное, а заодно и подтвердить, пишет Георгий Двали, что «таинственная темная энергия порождена теми силами гравитации, что проникают из видимого мира в скрытые от нас измерения. Там, в этих недоступных нам мирах, наши звезды и галактики, в свою очередь, кажутся чем-то вроде темной энергии». Круг замкнулся, соединив реальность с отражением.

Так, взявшись исследовать открытую недавно темную энергию и начав путешествие там, где о ней еще ничего не знали, мы неожиданно очутились там, где о ней уже ничего не хотят знать. Что ж, остановимся и соберемся с силами для новых странствий по темной стороне Вселенной. В путеводителях недостатка не будет. В ближайшие годы появится немало теорий, описывающих природу этого невидимого и неведомого мира, сказочного «того, не знаю что». И, может быть, загадочный мир темной энергии внезапно исчезнет как морок, растает словно дым. Во всяком случае, Адам Райе и Майкл Тернер, авторитетные исследователи этого мира, не отрицают такой возможности. В их статье, опубликованной на страницах «Scientific American», есть и такие строки: «Не исключено, впрочем, что темной энергии вообще нет и нужно пересмотреть теорию гравитации Эйнштейна».

Пока же, по сообщению журнала «В мире науки», министерство энергетики США и НАСА готовят совместный проект — «Объединенная миссия по изучению темной энергии», или сокращенно JDEM. Ученые надеются, что проект стартует в начале 2010-х годов.



1.4. РАЗГАДЫВАЯ КОД ДИРАКА

В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны» заговорщики планируют стереть с лица земли Ватикан. Для этого им нужно антивещество. Выдумка, конечно? Но впечатление обманывает: исследователи открывают все новые способы применения антивещества; о нем мечтают и космонавты, и медики, и, конечно, военные.

События приняли дурной оборот. В швейцарской лаборатории убит физик-ядерщик. На его груди выгравирован таинственный символ «иллюминатов» — знак секты, что веками борется против церкви и христианской веры. Члены секты затевают неслыханное: они хотят взорвать Ватикан, использовав необычное средство — бомбу из антивещества, похищенного из CERN.

Такова канва романа Дэна Брауна — пока не такого известного, как «Код да Винчи», но, может быть, и более правдивого? Так неужели можно создать оружие из антивещества, оружие, что будет страшнее современных бомб, способных стереть с лица Земли целые города?

Вот и впрямь, в мирной Швейцарии, в расположенных здесь научных лабораториях, ведется изготовление антивещества — самого взрывоопасного вещества во Вселенной. Одна миллионная доля его грамма эквивалентна 38 килограммам тротила, ну а грамма хватит, чтобы произошел взрыв такой силы, что взрыв какой-нибудь атомной бомбы (помните Хиросиму, Нагасаки?) покажется пустяком, легким хлопком перед этой темной силой, бесследно стирающей мир, готовой сравнять его с пустой, безжизненной Вечностью.

Впрочем, пока еще рано говорить об арсеналах оружия неслыханной разрушительной силы. В Европейском центре физики элементарных частиц производят антивещество в таких крохотных количествах, что это не несет угрозы человечеству. Пока еще.

Однако, если ученым удастся нарастить производство антивещества, можно задуматься и об его использовании. Что тогда?



Позитивные адские видения

Конечно, антивещество интересует не только практиков, готовых взорвать чужие города, клерикальные святыни и — «о, да… весь этот шар земной» (У. Шекспир, пер. Б.Л. Пастернака), — но и теоретиков, стремящихся понять, что происходило в первые мгновения после Большого Взрыва. В эти мгновения весь — такой еще крохотный! — Космос был наполнен не только привычным нам веществом, но и его экзотическим «негативным двойником», явившимся к нам сперва из теоретических экскурсов, фантастически открытым на кончике досужего, фантазирующего пера.

Ему, антивеществу, почти 14 миллиардов лет, сколько и нашей Вселенной. И ему, антивеществу, всего каких-то сто лет. Почти ровно столько оно одиноко возникает в научных моделях, поверочных расчетах, смелых гипотезах, странных экспериментах. Сто лет одиноко — на короткие мгновения — рождается в совершенно чуждом ему мире, — мире, где все пяди пространства вплоть до незримых планковских размерностей заполнены привычным нам веществом, темным веществом (темной материей), но никак не антивеществом — тем, что, подобно адским видениям, исчезает при первом соприкосновении с явью.

^{Британский физик Поль Дирак} 

Итак, идея антивещества родилась в головах физиков почти сто лет назад, в конце двадцатых годов XX века. Творцом ее стал британский физик Поль Дирак.

То время было триумфом физики. Все мироздание — от Макрокосма до Микрокосма — было заново исчислено и описано двумя новомодными теориями — общей теорией относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теорией.

Немедленно возникло желание объединить две крайности физической науки, «свести к единому знаменателю» атомы и планеты. Этим, в частности, занимался Дирак. Однако из формул, выведенных им, явствовало нечто странное. Наряду с электронами, в этих формулах получали право на жизнь и частицы, точь-в-точь похожие на них, но заряженные положительно, — неслыханная новация для классической физики. С другой стороны, в математическом решении, предложенном Дираком, не было видно изъянов, а весь многовековой опыт приучил ученых к мысли о том, что математика — впрямь «царица наук». Любые предсказания, справедливые с математической точки зрения, неминуемо сбывались — находили свое воплощение в Природе. Что сказано на языке цифр, то не может быть неправдой!

Через несколько лет, второго августа 1932 года, в одном из экспериментов «антиэлектрон» был, действительно, обнаружен. За свой положительный — позитивный — заряд он был удостоен имени «позитрон». В 1955 году были примечены и «антипротоны». Теперь известно, что у всех элементарных частиц есть свои антиподы — античастицы. Знаменитый физик Вернер Гейзенберг назвал открытие антивещества «самым неожиданным открытием XX века».

Так приотворилась дверца в неведомый мир, с которым мы прежде не соприкасались. Ведь любой контакт с ним гибелен. При встрече частиц и античастиц они аннигилируют, уничтожаются. Как пошутил немецкий астроном Рудольф Киппенхан, если человек влюбится в существо из антивещества, пусть их любовь останется платонической, иначе беды не миновать. Что родится от такого союза? Лишь сноп лучей.



Борьба пуруши с пракрити

Когда в 1933 году Поль Дирак (тогда еще тридцатиоднолетний!) получал Нобелевскую премию, он произнес речь, в которой обмолвился, что Земля по случайности состоит из вещества, а не из антивещества. «Возможно, — фантазировал он, — с некоторыми небесными телами все обстоит как раз наоборот». Иными словами, в представлении Дирака, где-то в неизведанной космической дали свершали свой бег антипланеты, обращаясь вокруг антизвезд. По этим антипланетам разгуливали наши зеркальные двойники, антилюди. В своих антигосударствах, шутили записные юмористы от физики, они отстаивали свои антиправа, боролись за свое антидостоинство и увлекались новейшими идеями в области антинауки.

Что же подвигло британского ученого на такой смелый вывод? Ее величество Симметрия, пронизывающая все мироздание от Макрокосма до Микрокосма. С незапамятных времен философы всех народов почитают это «диво дивное» — симметрию, являющую всякой сущности ее отражение, всякому естеству — его противоположность. Даже в индуистских Ведах, древнейшем памятнике культуры индоевропейцев, заходит речь о таинственном равновесии субстанций, слагающих мироздание, — пракрити (веществе) и пуруше (своего рода антивеществе).

В начале 1960-х годов эта всепроникающая Симметрия лежала в основе современной физики, описывавшей акт сотворения Вселенной — Большой Взрыв. В это мгновение, когда Ничто превратилось в Нечто, родился в высшей степени симметричный объект. Вещества в нем было столько же, сколько и антивещества.

^{Английский физик Поль Дирак (вверху) предсказал существование антивещества, а его американский коллега Карл Андерсон обнаружил в космическом излучении позитрон, то есть положительно заряженный электрон} 

Однако эта же модель немедленно полагала предел мирозданию. Частицы встречались с античастицами, вещество с антивеществом — и аннигилировали, аннигилировали… Лишь гамма-вспышки проносились по вмиг опустевшему Космосу.

Итак, едва родилась подобная абсолютно симметричная модель мироздания, на нее не могли не обрушиться вопросы, вспыхивавшие как молнии… как молнии, порождаемые аннигиляцией.

Почему же в первые микросекунды после Большого Взрыва все частицы не уничтожились, встретившись со своими античастицами? Почему существует этот — такой реальный, такой зримый — мир, сложенный из элементарных частиц? Где затерялись их двойники, грозившие, о да… всему этому шару земному?



Божественный план с визой от академика Сахарова

Однако в нашей Вселенной изначально был изъян. По какой-то причине Великая Симметрия, рождающая и стирающая миры, как мимолетные облачка, нарушилась. Законы природы для частиц и античастиц стали разниться. Количество вещества несколько превысило запасы антивещества. И после вселенского фейерверка, выжегшего, возможно, почти все антивещество, остался результат нарушения Симметрии — звезды, галактики, мы.

По общепринятому теперь сценарию (его творцом является великий «антиученый» Советского Союза, человек, несовместимый со сложившейся к 1970-м годам в СССР общественной системой, как несовместимы, к примеру, протоны и антипротоны, А.Д. Сахаров), всего через миллионную долю секунды после Большого Взрыва почти все вещество в нашем мироздании (99,99999999 процента), аннигилировало, соприкоснувшись с антивеществом. История сотворения Вселенной началась с истории ее разрушения.

Этот космический «судный миг», этот «праздник уничтожения», пережили, по некоторым оценкам, всего по одной элементарной частице из каждых 30 миллиардов. Все это — незримые семена, из которых пророс наш — такой необъятный — мир. Из этой горстки частиц соткана даль мироздания с ее звездами, планетами и гигантскими галактическими скоплениями. Из крох, уцелевших в Микрокосме, возведен величественный Макрокосм.

Итак, мы обязаны своим существованием нарушению симметрии, этому дефекту законов природы? В Божественный план, по которому создавался космос, изначально вкралась ошибка? Мир должен быть рожден, как рождаются в вакууме виртуальные пары частиц и античастиц, — рождаются, чтобы сразу исчезнуть? Здесь это правило не сработало, и вакуум потеснен нагромождением масс, простертым до горизонта и далее?

Но если наш мир обязан своим существованием асимметрии, то где именно она вкралась в скрижали законов природы? Почему череда частиц оказалась протяженнее когорты античастиц? Почему одних много, других мало?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи CERN не так давно сравнили массу протонов и антипротонов — частиц, которые не существуют со времен Большого Взрыва. По всем физическим законам, масса тех и других должна быть одинакова. В противном случае пришлось бы говорить о нарушении Стандартной модели физики.

В самом деле, массы протонов и антипротонов совпали, по крайней мере, вплоть до десятого знака после запятой. Итак, симметрия соблюдена? Предположительно. Исследования будут продолжены в ближайшие годы. Пошатнут ли они привычную теорию? Поколеблют ли полувековой фундамент физики?

Другой любопытный эксперимент, длившийся несколько лет (1999 — 2004), был проведен в США, на Стэнфордском ускорителе. Здесь удалось доказать, что при распаде В-мезонов и их античастиц, анти-В-мезонов, действительно, нарушается симметрия.

^{В США, на Стэнфордском ускорителе, в течение нескольких лет исследовали процесс распада В-мезонов}

В общей сложности ученые наблюдали 200 миллионов случаев распада мезонов. В 910 случаях В-мезоны распадались на каон и пион, а вот анти-В-мезоны распадались подобным образом лишь 696 раз. Если бы вещество и антивещество были абсолютно симметричны, то показатели распада частиц и античастиц были бы примерно одинаковы.



Возьмите в Космос «кусочек сахара»!

Для экспериментов нужно антивещество. По оценке НАСА, стоимость одной миллиардной доли его грамма достигает сейчас примерно шести миллиардов долларов. Получить наяву эти призрачные частицы, не способные прижиться в Космосе, можно лишь с помощью гигантских ускорителей, разгоняя до невероятных скоростей и сталкивая друг с другом частицы нормального вещества.

Производство антивещества пока в высшей степени не эффективно. Сперва нужно затратить огромное количество энергии, чтобы затем — когда-нибудь — использовать энергию, таящуюся в антивеществе.

Да и много ли ее «таится» в современных лабораториях? Сейчас в магнитных ловушках крупнейших ускорителей мира можно удержать до миллиона античастиц. Этого достаточно для научных целей, но никак не для нужд военного ведомства или атак вымышленных террористов. И вообще, нельзя используемыми ныне методами накопить более ста миллиардов антипротонов — уж слишком велики силы отталкивания их и электронов.

Чтобы наладить производство антивещества, нужно накапливать не антипротоны, а антиатомы — электрически нейтральные образования. Перспективнее всего, говорят физики, наладить производство антиводорода, поскольку мы располагаем запасами водорода почти в неограниченном количестве.

В лабораторных экспериментах ученым уже удавалось изготавливать атомы антиводорода, в которых вокруг отрицательно заряженного ядра обращается позитрон. Однако они возникают всего на 30 миллиардных долей секунды и думать об их конденсации в виде капель или кристаллов пока рановато.

Впрочем, когда-то, в канун Второй мировой войны, и обогащенный уран был едва ли не такой же экзотикой, как в наши дни антивещество. Тогда представлялось невозможным наладить производство одной тонны обогащенного урана. Сейчас накоплены огромные его количества.

И ведь как хорошо было бы, мечтают многие ученые, иметь под рукой запасы антивещества! Использовать его могли бы медики для борьбы с раковыми опухолями, что гораздо эффективнее современной радиотерапии. Частицы (раковые клетки) и античастицы (антипротоны) уничтожались бы, опухоль растаивала бы, как снег под весенними лучами солнца. В то же время антипротоны, в отличие от рентгеновских лучей, не повреждали бы здоровую ткань.

<sup>Схема магнитной ловушки, в которой можно накапливать антивещество

После эксперимента на ускорителе: возможно, здесь оставили свой след и античастицы</sup> 

Другие возможные способы применения антивещества связаны с тем, что оно аккумулирует невероятную энергию в крохотном объеме пространства.