Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Выявление случайных симметрий не только позволило разрешить старую загадку о приближенных симметриях, но еще и открыло новые восхитительные возможности. Как оказалось, существуют определенные симметрии, которые не могут нарушаться в любых теориях, в которых рассматриваются те же частицы и те же локальные симметрии, что и в Стандартной модели, и которые являются достаточно простыми для перенормировки[86]. Эти симметрии, получившие название закона сохранения лептонного и барионного заряда

[87], если они действительно выполняются, будут требовать, чтобы нейтрино (частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) не имели массы, а протоны и многие атомные ядра были абсолютно устойчивы. О существовании этих симметрий было известно из экспериментов задолго до появления Стандартной модели, и в целом считалось, что они выполняются точно. Но если это на самом деле случайные симметрии Стандартной модели, вроде случайной приближенной протон-нейтронной симметрии сильного взаимодействия, тогда они тоже могут быть только приближенными. Как я упоминал выше, теперь мы понимаем, что взаимодействия, из-за которых теория становится неперенормируемой, вполне возможны, хотя, скорее всего, они будут сильно подавлены. Стоит только допустить существование подобных сложных неперенормируемых взаимодействий, и тогда нейтрино больше не должны быть безмассовыми, а протоны не должны быть абсолютно стабильными частицами.

Действительно, существуют возможные неперенормируемые взаимодействия, которые придадут нейтрино небольшую массу, величина которой составляет одну стомиллионную долю массы электрона, и протону придадут конечное среднее время жизни, пусть оно будет и много больше возраста Вселенной. Недавние эксперименты показали, что нейтрино действительно обладают такой массой. А сейчас ведутся эксперименты, призванные определить малую долю протонов, которые могут распасться в течение года, и я готов сделать ставку, что такие события распада будут зарегистрированы. Если протоны действительно распадаются, Вселенная в конце концов будет состоять только из электронов и более легких частиц, таких как нейтрино и фотоны. Материя перестанет существовать в том виде, в котором она существует сейчас.

Я сказал, что в этой главе буду вести речь о симметриях законов, а не вещей, однако есть одна вещь настолько важная, что мне необходимо о ней упомянуть. Это сама Вселенная. Вселенная, если рассматривать ее на достаточно больших пространственных масштабах, включающих многие галактики, кажется, не имеет особенных точек и особенных направлений. Однако это свойство тоже может оказаться случайным. Существует заманчивая теория, получившая название хаотической инфляции, согласно которой при рождении Вселенная находилась в полностью хаотическом состоянии без каких-либо особенных пространственных симметрий. Поля, пронизывающие Вселенную, случайным образом становились более или менее однородными в разных точках пространства, и, согласно уравнениям гравитационного поля, именно эти области затем подверглись экспоненциально быстрому расширению, которое и называется инфляцией, что привело к возникновению современной Вселенной, где все неоднородности оказались сглажены быстрым расширением. В разных областях пространства симметрии физических законов должны были нарушаться разными способами. Большая часть Вселенной все еще находится в хаотическом состоянии, и только в тех областях, которые достаточно быстро расширились (и в которых симметрии оказались нарушены как надо), могла возникнуть жизнь, поэтому любые живые существа, которые исследуют Вселенную, неизбежно обнаружат себя именно там.

Все это довольно умозрительные теории. Существует некоторое эмпирическое подтверждение экспоненциального расширения Вселенной на ранней стадии, которое оставило свой след в реликтовом излучении, заполняющим Вселенную, однако до сих пор нет доказательств ранней хаотической стадии. Если окажется, что хаотическая теория инфляции верна, тогда многое из того, что мы наблюдаем в мире, будет следствием случайности нашего конкретного местоположения, случайности, которую невозможно объяснить, кроме как тем фактом, что это единственное место из всех, где возможна жизнь.

12. Бозон Хиггса и последствия

Осенью 2011 г. редакторы глянцевого британского ежемесячного журнала Prospect узнали, что в знаменитой всеевропейской лаборатории CERN варится что-то важное. Там искали частицу, известную как бозон Хиггса, существование которой было предсказано нашей очень успешной теорией элементарных частиц и взаимодействий — Стандартной моделью, к созданию которой я имел непосредственное отношение. Редакторы попросили меня написать заметку об этом поиске и о том, что последует за открытием, если оно действительно состоится. Моя статья была опубликована в декабрьском номере Prospect 2011 г. Состоявшееся позже открытие бозона Хиггса обсуждается в главе 13 этой книги.