Текст книги "Вселенная. Руководство по эксплуатации"

Автор книги: Дэйв Голдберг

Соавторы: Джефф Бломквист
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 19 страниц)

Но на самом деле количество цивилизаций может оказаться в 100, а то и в 1000 раз меньше. Уже одно это поневоле остудит горячие головы. В конце концов, одна тысячная оценки Дрейка означает, что в галактике размером с нашу мы вправе ожидать в среднем около 0,01 разумной цивилизации, готовой сеять сладость и свет в остальной вселенной. Но это неправда! Ведь мы-то знаем, что в нашей Галактике есть по крайней мере одна разумная цивилизация – наша. Уравнение Дрейка может служить основой для примерных оценок, но с какой точностью?

Нам часто говорили [104]: «Снаряд не попадает дважды в одну воронку». Вот что это означает в нашем случае: вероятность зарождения разумной жизни хотя бы на одной планете (на Земле) настолько мала, что вероятность зарождения разумной жизни и на Земле, и еще где-то практически равна нулю. Но ведь точнее сказать иначе – снаряд очень редко бывает только один. А значит, если мы возьмем одну конкретную звезду и спросим, сможет ли на ней зародиться разумная жизнь, шансы будут крайне малы. G другой стороны, Земля выбрана не случайно: если бы на ней не было разумных существ, мы не завели бы этот разговор.

IV. Каковы шансы, что на нашей планете не зародилась бы разумная жизнь?

Ну вот, приехали: обсуждаем возможность собственного существования. Но на Луне такую дискуссию не проведешь – там нет разумных лунян (не лунатиков же), и некому ее затеять. Сам факт, что вы (или другое разумное существо) участвуете в этой беседе, с необходимостью предполагает, что она происходит в мире, где могла развиться разумная жизнь.

То же самое в еще большей степени справедливо для нашей Вселенной. Пока что мы прекрасно сумели открыть набор физических законов, описывающих Вселенную в целом. Но беда в том, что в пределах стандартной модели существуют буквально десятки чисел, которые мы получили эмпирическим путем и не могли бы вывести даже под страхом смертной казни, и об этом очень часто забывают в научных диспутах. Нам нравится думать, будто за этими числами стоит некий набор принципов, просто мы пока не знаем, что это за принципы.

Мы не внаем, почему электроны, кварки и нейтрино обладают именно такими массами. Мы не знаем, почему силы фундаментальных взаимодействий именно таковы, какие они есть. Небольшие изменения этих параметров могли бы радикально изменить Вселенную. Скажем, если бы слабое взаимодействие было еще слабее, все протоны и нейтроны почти сразу после Большого взрыва превратились бы в гелий. А как вам, вероятно, известно, гелий принадлежит к числу благородных, или инертных, газов, которые называются так потому, что не взаимодействуют с другими. Иначе говоря, если бы слабое взаимодействие было еще слабее, у нас не было бы водорода. Нет водорода – нет химии. А нет химии – нет и нас с вами.

А вот вам другой пример: если бы электроны были капельку легче, чем есть, то им было бы проще ускоряться, и они легко приближались бы к скорости света, а значит, нельзя было бы формировать звезды. В звездах образуются тяжелые элементы, в том числе углерод, необходимые для возникновения жизни. Мало массы у электронов – нет звезд. Нет звезд – нет жизни.

А что если все эти числа и константы не внедрены в фундаментальную физику Вселенной? Что если все они на самом деле случайны? Если бы какие-то из десятков параметров были бы хоть немного иными, нас бы не существовало! Более того, если предположить, что для существования других разумных существ необходима вода (или по крайней мере сложные химические соединения), во Вселенной вообще могло не оказаться ни одного разумного вида.

Тот факт, что мы существуем и способны рассуждать о крайней маловероятности собственного существования, называется «антропным принципом» – это выражение ввел в 1974 году Брендон Картер, указав при этом: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно ограничиваться условиями, необходимыми для нашего присутствия как наблюдателей». Это утверждение очевидно точно, потенциально полезно, но при этом «серьезные» физики часто отмахиваются от него или даже отказываются его обсуждать.

Основная идея заключается в том, что если бы Вселенная не была настроена именно на то, чтобы в ней была возможна разумная жизнь, кайим бымаловероятным ни было ее зарождение, то разумная жизнь не могла бы это обсуждать. Была ли Вселенная предназначена для нас? Большинство физиков (и мы в том числе) так не думают. Является ли наша Вселенная всего лишь одной из многих? Вероятно. Мы говорили о параллельных вселенных, но не исключено, что наша Вселенная – одна из множества частей громадной мультивселенной. Вероятно, лишь крошечная доля этих частей обладает условиями, необходимыми для жизни, но мы, естественно, живем именно в такой Вселенной.

Разумеется, фундаментальная физика приходит и к более осмысленным выводам, чем тот, что наша Вселенная по случайности поддерживает жизнь. Однако с вероятностной точки зрения представляется, что пока мы одни-одинешеньки.

Они заморочили мне голову научной фантастикой!

Нас часто спрашивают, насколько соблюдены все законы физики в том или ином фильме или сериале. Обычно такие вопросы задают киношники, которых интересует качество своей Продукции. Наш ответ? Не очень. Дело не в том, что режиссеры и сценаристы вечно все путают, – просто выдуманная физика еще интереснее. Тем не менее мы приведем здесь список самых распространенных и крупных научно– фантастических ошибок – отнюдь не полный.

Нельзя двигаться со скоростью быстрее скорости света. Пространство велико, и никому не интересно смотреть сериал, который идет несколько веков. Практически все популярные сериалы и фильмы так или иначе нарушают этот закон, сочиняя то нуль-транспортировку, то сверхсветовые звездолеты, то кротовые норы.

Поскольку заставлять актеров болтаться в воздухе в звездолете или на космической станции нелепо, да и дорого, научная фантастика обычно вводит в действие искусственную гравитацию. На самом деле создать ее можно тремя способами: вращать корабль («Космическая Одиссея-2001»), нашпиговать его магнитами или постоянно ускорять, как во время нашего путешествия на Альфу Центавра. В большинстве фильмов, однако, от всего этого отказываются и просто говорят о «системе искусственной гравитации», делая этакий реверанс физике.

Какая может быть научная фантастика без красоток-инопланетянок? Как мы пытались показать в этой главе, видов пришельцев, скорее всего, не так уж много, и расположены они далеко друг от друга. То же самое можно сказать и о «Планетах типа М». Забросьте человека на случайно выбранную планету в нашей Галактике – и он задохнется, сгорит или замерзнет за считаные минуты. Еще он, конечно, может разбиться. Ребята, запомните, в космосе пусто, хоть шаром покати.

Мы с уважением относимся к большинству сюжетов о создании машины времени, соответствующей законам физики (примеры конструкций мы приводили в главе 5). Однако почти во всех фильмах и сериалах грубо попираются два главных правила. Во-первых, героям каким-то образом удается забраться в прошлое до изобретения машины времени; во-вторых, сочинители позволяют персонажам менять свое прошлое.

Обсудить все фильмы и сериалы мы не можем – даже такие фанаты, как мы, не в состоянии посмотреть все на свете,– но несколько популярных сюжетов оценим.

Галактика «Баттл стар» (2003-2009)

Бак Роджерс в XXV веке (1979-1981)

Светлячок (2002-2003)

Затерянные в космосе (1965-1968)

Квантовый скачок (1989– 1993)

Звездный путь (1987– 1994)

ГЛАВА 9  БУДУЩЕЕ

Чего мы не знаем?

Если научная фантастика прошлых лет имеет хоть какое-нибудь значение, наша планета уже давно должна была бы кишмя кишеть киборгами, которые чуть что размахивают лазерными мечами, превращаются в огнеметы и питаются зелеными пищевыми концентратами из планктона. У нас есть GPS-навигация и беспроводные клавиатуры, но где наши колонии на Луне? И нельзя винить в этом писателей-фантастов. Предсказать будущее очень трудно. Например, кто мог предсказать, что мы будем рассуждать о десятимерном пространстве или об ускорении Вселенной, состоящей в основном из темной материи и темной энергии?

Мы посвятили много времени описанию нынешнего положения дел в физике, но то и дело были вынуждены украдкой отходить от определенных заявлений и предаваться робким спекуляциям. Невежество – хорошая отправная точка, и мы выявили в наших теориях ограничения. Вероятно, мы сумеем от них избавиться, если подберем нужные инструменты. Так что пристегните портативные реактивные двигатели: последнюю главу книги мы посвятим судьбоносным вопросам, на которые, как мы надеемся – нет, как мы предсказываем! – мы сможем ответить в ближайшие двадцать лет.

I. Что такое темная материя?

Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи, которая не взаимодействует со светом (потому и темная), но является источником гравитации (потому и материя). Иначе говоря, это название если что и описывает, то лишь наше невежество. Это, прямо скажем, немногим лучше, чем заявить, будто гравитацию наколдовали феи.

Кое-кто из сообщества физиков сильно сомневается, что темная материя действительно существует, поскольку никаких частиц темной материи мы до сих пор не открыли. Астрофизики, в конце концов, честно делают свое дело и предлагают самые простые объяснения того, что они наблюдают, но ведь это не означает, что они обязательно правы. «Очевидная» на первый взгляд интерпретация не раз и не два оказывалась ошибочной. Очевидно, что планеты и звезды движутся вокруг Земли, и так и считали до 1500-х годов, когда Коперник предположил, что это Земля движется вокруг Солнца.

Некоторые скептики так рвутся избавиться от идеи темной материи, что предполагают нечто немыслимое – Или почти немыслимое: они заявляют, что Ньютон и Эйнштейн заблуждались. Было предложено множество теорий, которые пытаются подогнать эйнштейновские уравнения гравитации под данные наблюдений без опоры на всю эту жуткую темную материю. В последние годы большой интерес вызывали теории модифицированной ньютоновой динамики СModified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир» [105]. Основной ее принцип гласит, что на небольших масштабах, например в Солнечной системе и на Земле, гравитация действует именно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн, однако на более крупных расстояниях, например в масштабе галактик и больше, все обстоит несколько иначе.

Мы не собираемся отстаивать общую теорию относительности только потому, что это любимое детище Эйнштейна. Он много в чем ошибался [106]. С другой стороны, общая теория относительности крайне «элегантна», а на жаргоне физиков это означает, что поскольку уравнения так просты, трудно представить себе, что они неверны. А принять MOND в ее нынешнем виде нам трудно, поскольку она предлагает вместо одной необъяснимой константы (количество темной материи) другую (масштаб, на котором гравитация из «нормальной» становится « модифицированной »).

Хуже того, при помощи MOND очень трудно объяснить все наблюдения, согласующиеся с наличием темной материи. MOND великолепно отвечает на вопрос, который стоит перед нами уже сто лет и заключается в том, что во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать вместе галактики и скопления звезд. Поскольку MOND решает эту задачу, нам не нужна никакая темная материя – по крайней мере так говорят.

Но и это еще не все! Наблюдения некоторых звездных скоплений, в частности скопления «Пуля», при помощи метода гравитационных линз недвусмысленно показывают, что существуют крупные объемы материи, никак не связанные ни со звездами, ни с газом. Наблюдения далеких сверхновых доказывают, что темпы расширения Вселенной меняются со временем, намекая на то, что материи в ней гораздо больше, чем объясняет наличие одной только барионной материи. Наконец, все свидетельствует о том, что с космологической точки зрения Вселенная плоская – что, в свою очередь, лишний раз подтверждает, что 85% массы Вселенной – темная.

Мы готовы поставить все наши деньги за то, что существует частица, на которой ясно написано «темная материя»,– частица, которая, как сказали бы французы, станет le fin du MOND – «концом света».

Чем не может быть темная материя?

Примем за данность, что темная материя существует, но умеет ловко прятаться. Хотя мы еще не знаем, что такое темная материя, мы кое-что знаем о том, чем она быть не может. Заряда у нее нет, иначе она бы взаимодействовала со светом. Кроме того, это означает, что ее нельзя ощутить. Все, что вам случалось трогать, как-то «ощущается», поскольку электрические поля вашей руки отталкиваются от электрических полей всего того, что вы пытаетесь потрогать. Если нет электрического поля, ваша рука пройдет сквозь предмет, а вы ничего и не заметите.

В стандартной модели физики имеется лишь две известные частицы, которые можно подозревать в причастности к темной материи,– нейтрино и нейтрон. К сожалению, нейтрино обладает слишком маленькой массой, а одинокие нейтроны распадаются минут через десять. Поскольку Вселенная несколько старше, нейтроны – не совсем то» что мы ищем. Может показаться, будто на данный момент у нас нет верного кандидата, но не надо забывать, что физики необычайно хитроумны, и хотя пока что налицо дефицит частиц темной материи, нет никаких причин полагать, что мы ничего не придумаем [107]. В число частиц-подозреваемых вошли ак– сионы, миниатюрные черные дыры, монополи Дирака, крупицы кварков (quark nuggets) и многие другие. Некоторых подозреваемых, например черные дыры или монополи Дирака, оправдали на основании наблюдательных и экспериментальных данных, но подтвердить обвинение в темных делишках еще ни разу не удалось – даже отдаленно.

Однако многие физики-ядерщики полагают, что во Вселенной существуют так называемые WIMP – причем в огромных количествах. Слово wimp означает «нытик », но наши WIMP – это вовсе не жертвы школьной травли с вечно хлюпающими носами и бесперебойные источники карманных денег, a Weakly Interacting Massive Particles, то есть массивные частицы слабого взаимодействия; в очередной раз название описывает все то, что мы и так не знаем. Темная материя, конечно, обладает массой, а поскольку она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, то резонно предположить, что она участвует в слабом [108]

Итак, WIMP – хорошее название в том смысле, что оно описательное, но плохое в том смысле, что оно нам почти ничего не говорит. Перед теоретической физикой стоит задача предсказать, что такое WIMP. В нашем случае предсказать означает не просто заявить, что они существуют. Хорошая теория должна рассказать, какая у WIMP масса, с какими частицами и как часто они взаимодействуют, когда и как образовались.

Суперсимметрия

Фаворит наших гонок на звание WIMP следует традиции, согласно которой физики выдумывают частицы, очень похожие на другие частицы. Классический пример – нейтрон. До 1920 года наука знала всего две «фундаментальные» частицы – протон» носитель положительного заряда, и электрон, заряженный отрицательно. В то время ученые могли измерить характеристики атомных ядер, и водород, например, обладал зарядом +1, а гелий – +2. «Очевидный» вывод (основанный на данных химии) гласил, что водород состоит из одного протона, а гелий – из двух, и если бы это было так, то гелий был бы вдвое массивнее водорода. А на самом деле гелий массивнее водорода в четыре раза.

Обширный опыт изучения естественных наук позволил Эрнесту Резерфорду сделать блестящее умозаключение, что четыре больше двух. Он предсказал существование электрически нейтральной частицы, обладающей примерно той же массой, что и протон, и впоследствии эта частица получила название «нейтрон». Нам-то теперь кажется, будто все очевидно, но на самом деле это было смелое заявление. Нейтрон, подобно темной материи, не взаимодействует со светом, а значит, увидеть его нельзя. Лишь спустя 12 лет Джеймс Чедвик наконец пронаблюдал нейтрон в лабораторных условиях – и оказалось, что эта частица обладает именно теми качествами, которые предсказал Резерфорд.

Как видите, история знает много случаев, когда выдающиеся открытия начинались с того, что физики говорили: «Гм… Если бы у нас была частица, которая выглядела бы почти как вот эта, все бы замечательно сошлось с ответом… А вдруг существует неуловимая частица – и хотя мы ее почему-то не видим, она должна быть вот такой и вот такой*. Такой подход, как в случае с нейтроном Резерфорда, иногда выявляет новые частицы, которые значительно упрощают картину [109].

Физики любят симметрию, в чем мы с неудовольствием убедились в главе 4. Согласно стандартной модели, существуют шесть разных кварков и шесть разных лептонов, и каждую из этих групп можно подразделить на две группы по три частицы. В случае лептонов у нас есть три (нейтральных) нейтрино и (заряженные) электрон, мюон и тау-частица. Более того, у каждой частицы есть античастица – причем их свойства практически идентичны, и только заряд противоположен. Существует множество разных способов сгруппировать частицы – но почти всегда в конце концов мы получаем группы с равным количеством частиц. Но в одном случае симметрия дает сбой. Стандартная модель подразделяет все частицы на две группы.

1.   Фермионы – составляющие материи. В число фермионов входят кварки, электроны, мюоны, тау– частицы и нейтрино – и все эти частицы, как мы только что говорили, образуют чарующе симметричную картину.

2.    Бозоны – переносчики взаимодействий. Это частицы, которые переносят различные силы. В число бозонов входят фотоны, глюоны, частицы W и Z, а также гравитон и частица Хиггса, если они существуют.

Если мы все подсчитаем, получится, что с учетом частиц и античастиц существует 28 бозонов – и целых 90 разных фермионов! Пусть количество «фундаментальных» частиц вас не пугает: большинство из них более или менее идентичны друг другу и различаются лишь несущественными деталями – например, цветом, как кварки.

Тем не менее тот факт, что количество фермионов не совпадает с количеством бозонов, откровенно обескураживает многих физиков. Почему частицы материи (фермионы) полностью отделены от сил (бозонов)? Если они две стороны одной медали, значит, фермионов должно бйть в точности столько же, сколько и бозонов. Эта идея известна под названием «суперсимметрия» и предполагает, что существует уйма частиц, которых мы никогда не видели. Поскольку все эти частицы полностью гипотетичны, мы даем им смешные названия, похожие на марки макарон: «гравитино», «нейтрадино» (очередной кандидат на звание темной материи) и (наша любимая частица – уж больно остроумное у нее название) «вйно» с ударением на «и» – суперсимметричный партнер-частицы.

Эти частицы ведут себя почти как их обычные частицы-партнеры. Если бы суперсимметрия действо

вительно была совершенной симметрией, тогда частица вино [110]обладала бы той же массой, что и частица селектрон [111]– той же массой, что и электрон, и так далее. Разумеется, если бы это было так, мы уже давно получили бы эти частицы в наших ускорителях. Если суперсимметрия существует, то она должна быть неполной – а значит, суперсимметричные партнеры, скорее всего, куда массивнее оригиналов.

Суперсимметричные частицы, подобно нейтрону, умели распадаться. Подобно тому, как массивные частицы распадаются на более легкие, вероятно, сейчас остались только легкие, поскольку им не на что распадаться. Все они называются общим термином «легчайшие суперсимметричные частицы» (Lightest Supersymmetric Particles, LSP), и многие физики полагают, что это нейтралино. Если эта частица существует, то не исключено, что это и есть та самая частица темной материи, которую мы ищем.

Но мы обязаны сделать одно важное уточнение. На сегодняшний день данные наблюдений не дают ни малейших свидетельств, подтверждающих правильность суперсимметрии. Это физика «за пределами стандартной модели», а значит, объяснить все известные нам факты физики частиц можно и без суперсимметрии. Однако в прошлом мы великолепно подмечали симметрии, и всегда есть шанс, что симметрия и впредь поможет нам расширить свои знания о Вселенной.

Как мы их находим?

Так из чего же состоит темная материя – из LSP или из чего-нибудь еще? Если темная материя состоит из каких-то разновидностей WIMP, обнаружить их будет относительно несложно – вот почему мы так уверены, что их откроют в ближайшие несколько десятилетий. Произведем краткий обзор состояния наших знаний на сегодняшний день. Мы с очень хорошей точностью знаем плотность массы темной материи во Вселенной, так что ил$1 у нас очень много легких WIMP, или относительно мало очень массивных. Мы точно знаем, что WIMP не могут быть слишком легкими, меньше массы протона, поскольку уже построили множество ускорителей, способных создавать легкие частицы, но пока что никаких WIMP не видели.

С другой стороны, WIMP могут быть очень тяжелыми и при этом не противоречить космологическим наблюдениям. Как мы уже объяснили, было жизненно необходимо, чтобы WIMP на ранних стадиях развития Вселенной умели превращаться в обычную материю, которую мы наблюдаем теперь, и наоборот, что задает нижний предел того, насколько темная материя способна взаимодействовать с обычной. Этот нижний предел взаимодействия задает и верхний предел массы частицы темной материи – она составляет 40 тысяч масс протона, хотя это очень завышенная оценка, поскольку большинство теорий предсказывают, что масса WIMP составляет меньше тысячи масс протона.

Нам нужно вычислить массу частицы темной материи и разобраться, в каких взаимодействиях эта частица участвует, а потом посмотреть, соответствуют ли эти данные суперсимметрии, теории струн или еще чему-нибудь. Однако получить частицы темной материи экспериментально очень трудно, поскольку они буквально утекают сквозь пальцы. Тем не менее мы располагаем несколькими способами узнать их характеристики.

1. Сделайте их сами.

В главе 4 мы уделили много времени разговору о том, как создавать в ускорителях массивные частицы вроде частицы Хиггса. А вдруг там можно создать и частицы темной материи? Конечно, частицы темной материи, как и нейтральную частицу Хиггса, руками не потрогаешь и на стол не положишь, но мысль эта здравая. Столкните друг с другом две частицы с достаточной энергией – и рано или поздно вы получите WIMP. Однако измерение их массы будет основано на том, чего мы не видим. Массой WIMP будет энергия, недостающая в балансе энергии столкновения (и масс сталкивающихся частиц) и энергий (и масс) вылетевших частиц.

2.   Их полно кругом!

Мы уже говорили и снова повторим [112], что буквально купаемся в темной материи, но не в состоянии засечь ее прямо, не считая гравитации (которая у отдельных частиц пренебрежимо мала) или слабого взаимодействия (которое вообще пренебрежимо мало, и точка). Тем не менее кое-что нам под силу – например, сделать ванны из жидкости, которая, будучи предоставлена сама себе, ни с чем не взаимодействует. Едва ли не самое масштабное мероприятие такого рода – это проект XENON 100, в котором участвует около 120 килограммов жидкого ксенона. Ксенон выбран потому, что в нормальных условиях он не взаимодействует с другими материалами и не распадается. По мысли исследователей, если поместить детекторы глубоко под землю и внимательно следить, чтобы туда не попадали космические лучи, то при нормальных обстоятельствах необъяснимых сигналов быть не должно.

Установив ванны и детекторы, ученые просто сидят и ждут, когда мимо проскочат частицы темной материи. Может статься, такая частица ударит в протон, а протон выдаст излучение, которое удастся засечь. Пока что ни одной частицы мы не видели, но возлагаем большие надежды на детекторы Нового поколения – которые кУД ачувствительнее.

3.   Пусть Вселенная потрудится за вас.

Главное в WIMP – то, что их полным-полно [113], пространство ими так и кишит. Как бы слабо они ни взаимодействовали, они все же вступают во взаимодействия. Что будет, если столкнуть WIMP и анти-WIMP? Как правило, ничего. Скорее всего они просто пройдут друг сквозь друга. А может быть, сделают то же самое, что делали все частицы и античастицы с начала времен,– уничтожат друг друга, и создадут гамма-излучение. Если направить телескопы в нужную сторону, мы, вероятно, увидим свет, возникший в результате этих столкновений.

Предположительно смотреть стоит именно в ту сторону, где больше массы. Беда в том, что при таком подходе массу следует искать именно в центре галактики, а там происходит много других событий – например, в центральную черную дыру падает вещество,– отчего тоже возникает высокоэнергичное гамма-излучение. Отличить сигнал от помех будет очень трудно, поэтому пока что достоверных наблюдений сделано не было.

В 2008 году НАСА в сотрудничестве с министерствами энергетики США, Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции запустило на орбиту гамма– обсерваторию им. Ферми. Этот космический телескоп позволит нам исследовать центр галактики, а также звездные скопления, потенциальные черные дыры и другие излюбленные места обитания темной материи.

Хотите верьте, хотите нет, а у темной материи остается все меньше тайных убежищ.

II. Долго ли живут протоны?

Мы, создатели «Руководства», считаем себя психологами-любителями [114]. Мы предполагаем, что люди увлекаются физикой, потому что боятся катаклизмов, черных дыр и конца света либо надеются все о них узнать. Ведь и вы, проезжая мимо автомобильных аварий, всегда притормаживаете, чтобы посмотреть, правда?

Мы не станем подвергать ваши стимулы сомнению, поскольку они такие же, как у нас, и неважно, здоровые они или нет. Мы уже уделили много времени разговорам об исчезновении черных дыр, которое ясдет нас в далеком будущем, и о так называемом втором законе термодинамики, согласно которому с течением времени Вселенная превратится в тепловатый бассейн, в котором не будет никакой речи ни о структуре, ни о жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Мы даже упомянули о том факте, что Вселенная подвержена бесконечному экспоненциальному расширению, вызванному темной энергией. Оно будет продолжаться, пока каждая галактика не превратится в остров, полностью отрезанный от остальной Вселенной. Трудно представить себе более унылое будущее.

Но когда общаешься с физиком, всегда следует ожидать худшего. Что если мы вам скажем, что с течением времени сама материя будет медленно выкипать и испаряться?

Конец материи

Да, мы знаем, что всерьез испортим вам настроение, поэтому первым делом поймите, что все это случится далеко не завтра. Когда речь идет о галактиках, черных дырах и испаряющейся материи, мы говорим даже не о миллионах и не о миллиардах лет. Мы говорим о периодах времени в триллионы миллиардов раз больше нынешнего возраста,Вселенной. Учитывая, сколько гадостей произойдет за это время» гибель материи можно смело поместить в самый низ перечня ваших страхов.

Задаваясь вопросом о распаде материи, мы с практической точки зрения задаемся вопросом о распаде протонов. Мы уже говорили, что при всяком удобном случае нейтрон распадается на протон и кое-что еще, но только потому, что он тяжелее протона. Протон – самый легкий из барионов, поэтому мы ожидаем, что он сколько-то проживет.

Вопрос в том, сколько именно, и на это стандартная модель дает простой недвусмысленный ответ. Вечно. Протоны не распадаются, поскольку общее число барионов должно сохраняться. Поскольку протон – самый легкий барион, распадаться ему не на что.

Но если эта глава чему-то успела вас научить, так это тому, что стандартная модель отвечает отнюдь не на все вопросы. Если реакция идет в одном направлении, значит, должна иметь место и обратная реакция. Наверняка когда-то, еще во время Большого взрыва, было время, когда барионы создавались из ничего. С этой научной проблемой мы встретились в главе 7, когда обнаружили, что если бы барионы с антибарионами всегда создавались только парами, то и аннигилировать они должны тоже парами. Вы живое и ходячее доказательство того, что в какой-то момент все-таки имело место превосходство барионов над антибарионами! Вам повезло.

Вероятно, выработка лишних барионов имела место в конце периода инфляции, примерно через 10~ 32секунды после Большого взрыва, а значит, она, вероятно, имела какое-то отношение к унификаций электрослабого и сильного взаимодействий. Если закон сохранения количества барионов не действовал тогда, то и сейчас он в некоторой степени тоже не действует.

Представьте себе, что у вас есть собственная великая теория унификации (ВТУ). Первым делом мы бы спросили у вас, сколько, согласно вашей ВТУ, живет типичный протон. Согласно практически всем этим теориям до единой, протоны в конце концов распадаются на позитрон и еще одну частицу под названием пион. Главное различие между разными теориями – средняя продолжительность жизни протона. И это хорошо. Это значит, что если мы сумеем выяснить, сколько живут протоны, то у нас появится отменный критерий точности различных ВТУ – по крайней мере мы сможем тут же просеять эти теории сквозь частое сито.

Где же он, распад протонов?

Некоторые из ранних моделей ВТУ предсказывали, что протон живет примерно 10 31лет. Это очень– очень долго. Гораздо больше возраста Вселенной, поэтому вы вправе предположить, что физики, которые выдвинули эти модели, просто взяли наугад протон-долгожитель и решили, что все равно никто не проживет настолько долго, чтобы опротестовать их нобелевский банковский счет.

К счастью, нам не нужно брать протончик, класть его на стол и ждать, когда он превратится во что– нибудь другое,– у нас есть методы и получше. В 1980-х годах ученые поняли, что для этого нужно построить гигантские подземные бассейны со сверхчистой водой [115]. Главная цель таких эксперимен– tob – посмотреть, распадется ли хоть один протон в бассейне, если оставить его в покое. Если да, то заряженные частицы, создавшиеся при распаде, промчатся по бассейну и испустят излучение, которое будет зафиксировано детекторами. Поскольку протонов много, разумно предположить, что, если наблюдать достаточно долго, хоть один да покинет сию юдоль скорби*

Что-то подобное мы видели в главе 3, когда говорили о космическом генераторе случайных чисел. Представьте себе, что протон и в самом деле живет 10 ³¹лет. Это значит, что каждый год космический генератор случайных чисел бросает игральную кость, у которой 10 31граней, по одному разу на каждый протон в бассейне. Если у генератора выпадет единичка, соответствующий протон распадается. «Супер-Камиоканде» находится в шахте Моцуми неподалеку от японского города Хида, эксперименты подобного рода идут уже 25 лет, и еще ни разу не было засвидетельствовано ни одного распада .