Драма рождения космоса содержит странные пробелы. Все это похоже на пьесу, где актеры забывают реплики, а действие развивается по непонятным для режиссера законам. Все больше ученых склоняются к мысли, что в известной истории Вселенной не хватает главных героев — фундаментальных сил, о которых мы пока ничего не знаем. Охота на «пятую силу» уже началась, и первые зацепки ведут в мир квантовых частиц-невидимок и сил-хамелеонов.
С детства нас учат, что миром правят четыре фундаментальные силы. Гравитация удерживает планеты на орбитах. Электромагнетизм отвечает за взаимодействие между электрически заряженными частицами через электромагнитное поле. Сильное и слабое взаимодействие управляют жизнью атомных ядер, удерживая протоны вместе и позволяя звездам светить.
Эта великолепная четверка описала почти все, что мы видим вокруг. Но это «почти» и есть самая большая проблема современной физики. Чем пристальнее мы вглядываемся в космос, тем очевиднее, что история, рассказанная этими силами, неполна и противоречива. Она похожа на черновой набросок гениального, но поспешного автора.
Первый сбой заметили еще в прошлом веке. Ученые вычислили, что галактики вращаются так быстро, что давно должны были разлететься на части под действием центробежных сил. Видимой материи в них не хватает для создания достаточного гравитационного «клея». Так в 1980-х годах родилась гипотеза темной материи — невидимой субстанции, которая составляет большую часть массы галактик и скрепляет их. Но за десятилетия поисков ее так и не нашли напрямую.
Второй удар по картине мира нанесли в конце 1990-х. Наблюдая за вспышками далеких сверхновых звезд, астрономы обнаружили шокирующий факт: расширение Вселенной не замедляется, как должно под действием гравитации, а ускоряется. За это отвечает таинственная темная энергия — сила отталкивания, природа которой остается абсолютной загадкой. Попытки объяснить ее с помощью известной квантовой физики дают результат, ошибочный на 120 порядков. Если бы темная энергия была такой мощной, Вселенная разорвалась бы в клочья в первые мгновения после Большого взрыва.
Наконец, сама теория Большого взрыва столкнулась с парадоксом однородности. Чтобы объяснить, почему космос выглядит практически одинаково во всех направлениях, физикам пришлось изобрести космическую инфляцию — фантастически быстрый скачок роста в первые доли секунды существования Вселенной. Но что вызвало этот скачок — неизвестно.
Можно было бы решить все проблемы одним махом, предположив, что мы просто неверно понимаем гравитацию. Однако общая теория относительности Альберта Эйнштейна прошла все возможные проверки, включая недавнее обнаружение гравитационных волн. Альтернативные теории гравитации, пытающиеся обойтись без темной материи, не согласуются со всеми наблюдениями.
Стало ясно: чтобы спасти сюжет, нужен новый персонаж. Или даже несколько — новые фундаментальные силы природы.
Квантовый зов из Венгрии
Главный кандидат на роль пятой силы появился неожиданно, из экспериментальной лаборатории. В 2015 году группа венгерских ученых под руководством Аттилы Краснахоркаи из Института ядерных исследований изучала распад нестабильного изотопа бериллия-8. В ходе эксперимента они заметили странную аномалию. Частицы, разлетавшиеся при распаде ядра, под необъяснимым углом делали резкий «кивок». Этот эффект можно было объяснить только появлением и мгновенным распадом неизвестной прежде сверхлегкой частицы.
Ее масса составляла около семнадцати мегаэлектронвольт, что примерно в тридцать три раза тяжелее электрона. Частица вела себя как бозон — переносчик силы, похожий на фотон, но взаимодействующий с веществом чрезвычайно слабо. Исследователи выдвинули смелую гипотезу: они увидели «темный фотон». Эта частица могла бы передавать силу между частицами темной материи, образуя собственный скрытый от нас мир взаимодействий.
Сначала научное сообщество отнеслось к результату скептически. Подобные аномалии периодически возникают и почти всегда оказываются ошибкой измерений. Однако, когда теоретик Джонатан Фэн из Калифорнийского университета в Ирвайне детально изучил методику эксперимента, он не нашел изъянов.
В конце 2020 года история получила продолжение. Та же венгерская команда сообщила о похожей аномалии, но уже в распаде ядер гелия. Джонатан Фэн провел анализ и заявил, что оба результата прекрасно укладываются в теорию существования новой частицы, которую он назвал «протофобный X-бозон». Этот бозон взаимодействовал бы с нейтронами в атомном ядре новым, неизвестным науке способом.
Если открытие подтвердится, оно станет событием века. Однако скептики указывают на проблемы. Частица со средней массой и короткодействующим характером не вписывается в привычные рамки квантовой теории поля.
Окончательную точку в споре поставят независимые эксперименты. Несколько научных групп по всему миру уже пытаются повторить или проверить результаты венгров. Одна из них, коллаборация PADME в Италии, собирала данные больше года и планировала обнародовать свои выводы еще в 2021 году, но до сих пор это не сделала. Пока что громкого подтверждения не последовало, однако поиски продолжаются.
Сила-невидимка: квантовый хамелеон
Пока одни ищут пятую силу в странных углах распада ядер, другие исследуют более хитроумные возможности. Что если новая сила существует, но скрывается у всех на виду? Именно такую идею развивают, например, Филипп Бракс и Клэр Берридж из Ноттингемского университета. Они работают с теорией так называемой хамелеоновой силы.
Ее суть в том, что частица-переносчик этой силы, подобно хамелеону, меняет свои свойства в зависимости от окружения. Чем выше плотность материи вокруг, тем больше масса частицы. Представьте, что вы пытаетесь бросить мяч в воде и в воздухе. В плотной среде движение будет короче. Так и хамелеоновая сила: в условиях высокой плотности, например, здесь, на Земле или рядом со звездами, ее радиус действия крайне мал. Она как бы «сжимается» и становится практически неотличимой от фонового шума, невидимой для наших приборов.
Зато в огромных пустотах межгалактического пространства, где плотность материи ничтожна, частица-хамелеон становится почти невесомой. Радиус действия силы резко возрастает, и она может проявлять себя на огромных расстояниях, создавая эффект отталкивания — ту самую темную энергию, которая расталкивает галактики. Безмассовый фотон, проходя через плазму, тоже испытывает сопротивление и ведет себя так, словно у него появляется масса.
Теория выглядит элегантно. В 2018 году группа ученых под руководством Баодзю Ли из Даремского университета провела компьютерное моделирование. Исследователи показали, что Вселенная, наделенная хамелеоновой силой, могла бы сформировать галактики, в точности похожие на те, что мы наблюдаем. Теперь дело за астрономами: они ищут тончайшие отличия в структуре и движении галактик, которые предсказывает хамелеоновая модель. Надежды возлагают на новое поколение телескопов.
Но зачем ждать? Клэр Берридж уверена, что хамелеона можно поймать и в лаборатории.
Такую ловушку построили в подвале Имперского колледжа Лондона. Это вакуумная камера размером с шар для боулинга. В ее центре подвешена небольшая металлическая сфера. Идея в том, что хамелеоновое поле будет подавлено как у стенок камеры, так и у центральной сферы, но останется активным в пространстве между ними. Если запустить в эту зону облако ультрахолодных атомов, то любое их дополнительное ускорение выдаст присутствие таинственной силы.
Первые результаты, опубликованные в 2017 году, разочаровали ученых. Никаких следов хамелеона не обнаружили. Однако эксперимент исключил только одну конкретную модель хамелеона. Ученые уверены, что более чувствительные установки следующего поколения могут найти силу, которая чуть-чуть, но сильнее гравитации и отвечает за ускорение Вселенной.
Более того, изменчивая природа хамелеона позволяет предположить, что в некоторых условиях он может не отталкивать, а притягивать. Тогда одна сила объяснила бы сразу и темную энергию, и часть эффектов темной материи.
Больше, чем одна: аксионы и будущее физики
Современная космологическая модель похожа на черновик великого романа, где описано лишь пять процентов сюжета. Остальные девяносто пять процентов — темные материя и энергия — остаются загадкой. «Кажется маловероятным, что все огромное неизвестное большинство Вселенной состоит всего из одного или двух компонентов, — рассуждает Филипп Бракс. — Я не удивлюсь, если мы найдем больше одной новой силы».
С ним согласен и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института. Сам Вильчек активно исследует другого кандидата, связанного с гипотетическими частицами — аксионами. Эти легкие, долгоживущие частицы могли бы решить сразу несколько фундаментальных проблем. Они являются прекрасными кандидатами на роль темной материи и, кроме того, объясняют одну из величайших загадок физики — отсутствие различия между частицами и античастицами в сильных взаимодействиях.
Интересно, что некоторые ученые полагают, будто пятая сила уже открыта. Речь о знаменитом бозоне Хиггса, обнаруженном на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Поле Хиггса не только дает массу частицам, но и может создавать притяжение между ними. Теоретически это новая фундаментальная сила. Однако она действует на столь крошечных расстояниях, что в привычном нам мире не проявляется.
Некоторые модели даже предполагают, что в первые мгновения после Большого взрыва поле Хиггса могло стать причиной космической инфляции, резко раздув зародыш Вселенной. Но для этого потребовалось бы добавить к нему как минимум еще одно неизвестное поле. Таким образом, даже знакомый бозон Хиггса может оказаться дверью в мир новых сил.
Post Scriptum
Охота за новыми фундаментальными силами перестала быть уделом фантастов. Сегодня это главный фронт работ в теоретической и экспериментальной физике. Несостыковки в космической драме слишком очевидны, чтобы их игнорировать. Исследователи вооружились мощными ускорителями, сверхчувствительными детекторами в глубоких шахтах и орбитальными телескопами, чтобы найти недостающие элементы пазла.
Будет ли это протофобный X-бозон из венгерского эксперимента, сила-хамелеон, скрывающаяся в вакуумных камерах, аксионная сила Вильчека или что-то совершенно невообразимое — покажет время. Но ясно одно: наша картина мироздания стоит на пороге величайшей революции со времен Эйнштейна. Открытие даже одной новой силы станет «абсолютно эпохальным» событием. Оно не просто добавит новую строчку в учебники, а перепишет сам сценарий Вселенной, объяснив, наконец, кто скрывается в темноте за кулисами знакомого нам космоса. И, возможно, этих скрытых актеров окажется не один, а целая труппа, играющая по своим, еще неведомым нам законам.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости