Наука — штука высокомерная. Она любит раздавать ярлыки: «гениально», «прорыв», «нобелевка». А ещё — «чушь», «лженаука», «бред сумасшедшего». Причём второй набор ярлыков используется куда чаще первого. И вот что забавно: иногда то, что вчера объявлялось бредом, сегодня оказывается ключом к разгадке главных тайн мироздания.
В 1867 году лорд Кельвин — не какой-нибудь маргинал с горящими глазами, а один из столпов британской физики — выдвинул гипотезу. Он предположил, что атомы — это узлы в эфире. Да-да, те самые узлы, которые вы завязываете на шнурках. Только космические. Научное сообщество посмеялось, открыло электроны, протоны, кварки и благополучно забыло про эту «наивную» идею. Прошло полтора века. И вот японские физики заявляют: «Минуточку. А может, старик был не так уж неправ?»
Безумец в котелке
Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, был человеком своего времени. Времени, когда физики верили в эфир — невидимую субстанцию, заполняющую всё пространство. Современному человеку это кажется средневековой алхимией, но тогда эфир был вполне респектабельной гипотезой. И Кельвин подумал: если эфир существует, то атомы могут быть завихрениями в нём. Стабильными, устойчивыми, разными по форме — как разные типы узлов.
Идея была красивая. Элегантная даже. Она объясняла, почему атомы разных элементов ведут себя по-разному: у каждого свой уникальный узел. Водород — простой узел. Золото — сложный. Всё логично, всё изящно.
Но потом случился эксперимент Майкельсона-Морли, и эфир испарился — в переносном смысле, потому что в буквальном он никогда и не существовал. Атомы оказались совсем другими: ядро, электроны, квантовая механика. Теория Кельвина отправилась на свалку истории науки — туда, где пылятся флогистон, теплород и плоская Земля. Казалось, навсегда.
Главная загадка: куда делась вся антиматерия?
Теперь перенесёмся в наше время и поговорим о том, что не даёт спать физикам уже полвека. Согласно всем расчётам, Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии. Частица встречает античастицу — бум! — обе исчезают в фотонной вспышке. По всем законам физики, Вселенная должна была превратиться в пустое, тёмное, скучное место, заполненное только излучением. Никаких звёзд. Никаких галактик. Никаких планет. И уж точно никаких вас, читающих эту статью.
Но вот незадача: мы существуем. Звёзды горят. Галактики вращаются. Вы пьёте кофе и скроллите ленту. Как так вышло?
Расчёты показывают: на каждый миллиард пар «материя-антиматерия» выжила всего одна лишняя частица обычного вещества. Одна на миллиард! Это как если бы после эпической битвы армий в миллиард солдат с каждой стороны остался один-единственный раненый боец. И из этого одного выжившего каким-то образом получились все звёзды, планеты, океаны, деревья, кошки, смартфоны и вы лично.
Стандартная модель физики элементарных частиц — наша лучшая теория всего на свете — не может объяснить этот дисбаланс. Вообще никак. Её предсказания расходятся с наблюдаемой реальностью на много порядков. Это называется проблемой бариогенезиса, и это один из самых неудобных скелетов в шкафу современной физики.
Японцы развязывают узел
И тут на сцену выходят Мунето Нитта из Университета Хиросимы и его коллеги. Они работают в институте с поэтичным названием — Международный институт устойчивого развития с узловой хиральной метаматерией. Уже одно название намекает: эти ребята серьёзно относятся к узлам.
Команда опубликовала статью в Physical Review Letters — одном из самых авторитетных физических журналов планеты. И заявила нечто поразительное: узлы действительно могли существовать в ранней Вселенной. Не в эфире, конечно — его по-прежнему нет. Но в энергетических полях, которые заполняли космос сразу после Большого взрыва.
Фокус в том, что исследователи объединили две теоретические конструкции, которые раньше изучались по отдельности. Первая — симметрия B-L (барионный заряд минус лептонный заряд), которая объясняет, почему нейтрино — эти призрачные частицы, пролетающие сквозь планеты, не замечая их — имеют массу. Вторая — симметрия Печчеи-Куинна, которая решает так называемую сильную CP-проблему и попутно предсказывает существование аксионов — одного из главных кандидатов на роль тёмной материи.
Когда эти две симметрии работают вместе, происходит нечто удивительное. В ранней Вселенной могли формироваться стабильные топологические структуры — узловые солитоны. Проще говоря, завязанные сами на себе сгустки энергии, которые не могут развязаться просто так.
Космические макраме: как это работает
Вообразите раннюю Вселенную как кипящий котёл с супом. Только вместо картошки и морковки там — энергетические поля невообразимой плотности. По мере остывания этот космический суп проходит через серию фазовых переходов — как вода превращается в лёд.
И вот при таких переходах в ткани пространства могут образовываться дефекты. Физики называют их космическими струнами — тончайшие трещины в структуре реальности, тоньше протона, но при этом невероятно массивные. Один дюйм такой струны весил бы больше, чем горная цепь.
В модели японских физиков две симметрии порождают два типа таких космических дефектов. B-L симметрия создаёт магнитные трубки потока. Симметрия Печчеи-Куинна — сверхтекучие вихри без потока. И что самое интересное — они идеально дополняют друг друга. Магнитная трубка даёт вихрю за что зацепиться. А вихрь, в свою очередь, накачивает заряд в трубку, не давая ей схлопнуться.
Результат? Устойчивая, топологически защищённая конструкция. Узел, который не может развязаться сам по себе, потому что это противоречило бы законам топологии. Как кофейная кружка не может превратиться в шар без того, чтобы кто-то не проделал в ней дырку или не заклеил ручку.
Эра узлов: когда вселенной правили макраме
А теперь — самое интересное. Пока Вселенная расширялась, излучение теряло энергию: волны растягивались вместе с пространством. Но узлы вели себя иначе. Они теряли энергию гораздо медленнее — как материя, а не как излучение.
В какой-то момент узлы стали доминировать. Наступила эпоха, когда энергия этих космических переплетений превышала энергию всего остального во Вселенной. Исследователи называют это эрой доминирования узлов — период, когда наша Вселенная была, по сути, гигантским клубком энергетических нитей.
Но царствование узлов было недолгим. В конце концов они начали распадаться через квантовое туннелирование — тот самый призрачный процесс, когда частицы просачиваются сквозь энергетические барьеры, словно их вовсе не существует. Узлы развязывались, высвобождая накопленную энергию в виде потока частиц.
И вот тут происходит магия. Среди этого потока были тяжёлые правые нейтрино — экзотические частицы, предсказанные теорией, но пока не обнаруженные экспериментально. Когда эти нейтрино распадались, они делали это с небольшим, но решающим перекосом: чуть больше материи, чуть меньше антиматерии.
Именно этот перекос — микроскопический, почти незаметный — и создал всё, что мы видим вокруг. Одна лишняя частица на миллиард. Этого оказалось достаточно.
Можно ли это проверить?
Скептик внутри вас наверняка уже скривился: «Красивая сказка, но как это доказать?» И вот тут начинается самое захватывающее.
Когда узлы распадались, они не только порождали частицы. Они генерировали гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени. И эти волны, порождённые событиями, произошедшими доли секунды после Большого взрыва, всё ещё должны быть там. Растянутые расширением Вселенной, ослабленные, но потенциально обнаруживаемые.
Модель предсказывает конкретную температуру «разогрева» Вселенной после распада узлов — около 100 гигаэлектронвольт. При такой температуре гравитационно-волновой фон должен иметь характерный спектр, сдвинутый в сторону высоких частот.
Следующее поколение гравитационно-волновых обсерваторий — европейская LISA, американская Cosmic Explorer, японская DECIGO — сможет «услышать» эту космическую мелодию. Если теория верна, мы буквально услышим эхо той эпохи, когда Вселенной правили узлы.
Прадедушки из топологии
Есть в этой истории что-то глубоко философское. Профессор Хамада, один из соавторов исследования, выразил это так: тяжёлые правые нейтрино — родители всей материи во Вселенной, включая наши тела. А узлы, породившие эти нейтрино — наши космические прадедушки.
Подумайте об этом. Каждый атом в вашем теле, каждая молекула в чашке кофе, каждая песчинка на пляже — всё это потомки древних энергетических узлов, существовавших в первые мгновения после Большого взрыва. Мы буквально сделаны из развязанных космических макраме.
И что самое ироничное — эту идею, пусть и в другой форме, предложил викторианский физик полтора века назад. Его засмеяли. Его теорию отбросили. А теперь выясняется, что он уловил что-то фундаментальное о природе реальности — просто не имел нужного математического аппарата, чтобы это выразить.
Урок смирения для всезнаек
История с узлами Кельвина — это урок для всех, кто слишком уверен в непогрешимости современной науки. Да, мы знаем невероятно много. Да, наши теории работают с поразительной точностью. Но время от времени какая-нибудь «безумная» идея из прошлого оказывается не такой уж безумной.
Топология — наука о свойствах объектов, сохраняющихся при деформациях — долгое время считалась чистой математикой, оторванной от реальности. Какое, мол, отношение узлы и поверхности имеют к настоящей физике? А теперь топологические эффекты обнаруживаются повсюду: в квантовых компьютерах, в экзотических материалах, в теориях ранней Вселенной.
Лорд Кельвин ошибся в деталях. Атомы — не узлы в эфире. Но он был прав в главном: узлы действительно могут быть фундаментальными строительными блоками реальности. Просто не атомов, а чего-то более глубокого — самой структуры пространства-времени в момент рождения Вселенной.
Так что в следующий раз, когда услышите о какой-нибудь «безумной» научной теории — не спешите смеяться. Возможно, через полтора века именно она объяснит, почему вы вообще существуете.
А пока — смотрите на звёзды. Каждая из них, включая наше Солнце, существует благодаря тому, что древние космические узлы когда-то развязались правильным образом. Мы живём во Вселенной, сотканной из развязанных узлов. И это, пожалуй, самая красивая метафора существования, которую только можно придумать.