Журнал SymmetryMagazine (издаваемый двумя американскими физическими лабораториями с государственным финансированием) попросил специалистов по физике элементарных частиц назвать вопросы, на которые они больше всего хотели бы получить ответы. Вот что из этого получилось.
Каким будет конец Вселенной?
Поэт Роберт Фрост однажды поинтересовался, во льду или в пламени погибнет мир, и физики до сих пор не могут ответить на этот вопрос. Стив Уимпенни из Калифорнийского университета в Риверсайде замечает, что разгадка во многом зависит от темной энергии, которая остается неизвестным членом уравнения. Темная энергия ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, но ее происхождение — тайна, покрытая мраком.
Если темная энергия постоянна в течение долгого времени, нас, вероятно, ждет «большое замораживание»: Вселенная продолжит расширяться все быстрее, и в конечном счете галактики настолько удалятся друг от друга, что нынешняя пустота космоса покажется детской забавой. Если темная энергия возрастает, расширение станет настолько быстрым, что увеличится пространство не только между галактиками, но и между звездами, то есть сами галактики будут разорваны; этот вариант называется «большим разрывом».
Еще один сценарий состоит в том, что темная энергия уменьшится и уже не сможет противодействовать силе тяжести, что заставит Вселенную свернуться («большое сжатие»). Ну а суть в том, что, как бы ни разворачивались события, мы обречены. До этого еще, впрочем, миллиарды или даже триллионы лет — достаточно, чтобы разобраться в том, как же все-таки погибнет Вселенная.
Бозон Хиггса не имеет абсолютно никакого смысла. Почему же он существует?
Этот вопрос предложен Ричардом Руисом из Питсбургского университета. За шуточной формой стоит реальная нехватка понимания природы частицы, обнаруженной в прошлом году на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса объясняет, как все остальные частицы приобретают массу, но в то же время поднимает множество новых вопросов.
Например, почему бозон Хиггса взаимодействует со всеми частицами по-разному? Так, t-кварк взаимодействует с ним сильнее, чем электрон, из-за чего масса первого намного выше, чем у второго. «Это единственный пример «неуниверсальной» силы в Стандартной модели», — подчеркивает г-н Руис. Кроме того, бозон Хиггса — первая элементарная частица с нулевым спином. «Перед нами совершенно новая область физики элементарных частиц, — говорит ученый. — Мы понятия не имеем, какова ее природа».
Почему Вселенная сбалансирована таким образом, что жизнь может существовать?
Если бы Вселенную сотворил не Бог, а слепой случай, нас просто не было бы. В этом высказывании есть доля истины. Действительно, галактики, звезды, планеты, люди возможны только во Вселенной, которая первое время расширялась со строго определенной скоростью. За расширение отвечает центробежное давление темной энергии, которое противостоит направленной внутрь силе тяготения, определяемой массой Вселенной, основную долю коей составляет нечто невидимое, названное темной материей.
Если бы соотношение этих сил было иным (если бы толчок темной энергии вскоре после рождения Вселенной оказался чуть более сильным) — пространство расширялось бы слишком быстро, и ни галактики, ни звезды просто не смогли бы образоваться. Если бы темная энергия давила чуть слабее, Вселенная вновь свернулась бы. Так почему же, спрашивает Эрик Рамберг из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, они настолько хорошо уравновешены, что возникла та Вселенная, в которой мы живем? «Нам неизвестна фундаментальная причина этого баланса, — подчеркивает специалист. — Нет сомнений, что количество темной энергии во Вселенной — наиболее точно настроенный показатель во всей физике».
Откуда берутся астрофизические нейтрино?
Теория предсказывает, что чрезвычайно высокоэнергетические нейтрино порождаются столкновениями быстрых заряженных частиц (космических лучей) с частицами света (фотонами) в космическом микроволновом фоновом излучении, которым пронизана вся Вселенная. Но что приводит этот процесс в движение и как космические лучи ускоряются — неизвестно. Ведущая гипотеза, у которой нет никаких доказательств, состоит в том, что начало космическим лучам дает вещество, попадающее в голодные сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.
Возможно, получившиеся в результате нейтрино летят настолько быстро, что у каждой крошки столько же энергии, сколько в бейсбольном мяче, хотя в последнем миллиарды миллиардов атомов. «Мы ничего не знаем об их природе, — говорит Абигейл Вирегг из Института космологической физики им. Кавли Чикагского университета, предложившая вопрос. — Вот когда узнаем, тогда и наведем справки об источниках, которые разгоняют эти частицы до чрезвычайно высоких энергий».
Почему случилось так, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?
Антиматерия — та же материя: она обладает точно такими же свойствами, как вещество, из которого состоят планеты, звезды, галактики. Отличие только одно — заряд. Согласно современным представлениям, в новорожденной Вселенной того и другого было поровну. Вскоре после Большого взрыва материя и антиматерия аннигилировали друг друга. Спрашивается, как так вышло, что некоторое количество материи все-таки осталось? Почему именно материя добилась успеха, а антивещество проиграло «перетягивание каната»?
Чтобы объяснить это неравенство, ученые усердно ищут примеры нарушения CP-инвариантности, то есть процессов, при которых частицы предпочитают распадаться с образованием материи, но не антиматерии. «Прежде всего хотелось бы понять, различаются ли нейтринные осцилляции между нейтрино и антинейтрино, — говорит поделившаяся вопросом Алисия Мэрино из Колорадского университета. — Ничего подобного до сих пор не наблюдалось, но мы надеемся на следующее поколение экспериментов».
