Числа управляют нашей жизнью. В них измеряют штрафы за скорость, проценты по ипотеке и время, за которое вы выпьете утренний кофе. Но есть и другая арифметика. Одни цифры настолько малы, что ими можно измерить вес мысли. Другие — настолько велики, что за ними не угонится даже телескоп. Космолог Иван Сагден из Ноттингемского университета уверен: именно эти пугающие цифры — ключ к тому, что происходит внутри черной дыры, почему мы существуем и есть ли у вас во Вселенной точная копия.
Числа управляют нашей жизнью. В них измеряют штрафы за скорость, проценты по ипотеке и время, за которое вы выпьете утренний кофе. Но есть и другая арифметика. Одни цифры настолько малы, что ими можно измерить вес мысли. Другие — настолько велики, что за ними не угонится даже телескоп. Космолог Иван Сагден из Ноттингемского университета уверен: именно эти пугающие цифры — ключ к тому, что происходит внутри черной дыры, почему мы существуем и есть ли у вас во Вселенной точная копия.
На протяжении 100 лет физики играют в кости с реальностью. Квантовая теория поля — самое точное оружие в их арсенале — работает с пугающей безупречностью. Она предсказывает поведение частиц с точностью до десятого знака после запятой. Но как только ученые пытаются применить эту теорию к пустоте, начинается хаос.
Пустота — понятие коварное. В вакууме постоянно рождаются и умирают виртуальные частицы. Этот процесс дает пространству энергию. По расчетам, одна кофейная кружка такой пустоты должна обладать плотностью, достаточной, чтобы уничтожить все планеты обозримой Вселенной. Причем не один раз, а триллион триллионов раз.
Однако наши кофейные кружки спокойно стоят на столах, галактики не разлетаются в пыль, а гравитация ведет себя дружелюбно. Это несоответствие расчетов и реальности — главная головная боль современной космологии. Физики сравнивают это с ситуацией, когда вы ожидаете увидеть в комнате ураган, а там тихо и пыльно.
Вакуум не взорвался
Первый разрыв шаблона кроется в цифре 10 в минус 120 степени. Чтобы осознать ее чудовищную малость, представьте человека. Теперь уменьшите его до размеров протона. Сделайте так восемь раз подряд. Получившийся лилипут будет именно такой частью от своего исходного роста.
Эту цифру космологи получают, сравнивая реальную энергию вакуума с той, что насчитала квантовая теория. Реальная энергия пустоты оказалась слабее теоретической в невероятное количество раз. Парадокс в том, что именно эта слабая энергия толкает галактики в стороны, заставляя Вселенную расширяться с ускорением.
Физики в растерянности. Теория относительности Эйнштейна не выдерживает грубых правок — малейшее изменение превращает стройную геометрию пространства-времени в математическую катастрофу. Квантовая теория поля слишком точна, чтобы ее отбрасывать.
Некоторые теоретики предлагают решение через мультивселенную. Дескать, среди бесконечного числа миров лишь в одном сложились условия, подходящие для жизни — и нам повезло в нем оказаться. Но красивая идея мультивселенной пока не имеет математического тела: никто не знает, как вписать ее в фундаментальные уравнения.
Иван Сагден и его коллеги из Италии и Британии пошли другим путем. Они решили проверить энергию вакуума в лаборатории, которую создала сама природа. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во Вселенной. В их ядрах давление столь велико, что может менять свойства вакуума. Эти изменения должны отразиться на форме и размерах звезды. В 2015 году ученые научились ловить гравитационные волны — рябь ткани мироздания. Теперь они надеются разглядеть в этой ряби отпечаток «неправильного» вакуума.
Бозон, который весит как пылинка
В 2012 году весь мир аплодировал физикам из ЦЕРНа. Они поймали неуловимый бозон Хиггса — частицу, которая объясняет, откуда у материи берется масса. Это была победа. Но сразу после фанфар началась мигрень.
Бозон Хиггса оказался слишком легким. Он весит ровно в 0,0000000000000001 раза меньше, чем предсказывали модели. Это число ничтожно мало. Если уменьшить взрослого человека в такое количество раз, он станет в десять раз меньше протона.
Проблема в том же «квантовом флюиде», который пронизывает пространство. Виртуальные частицы постоянно толкают бозон Хиггса, пытаясь придать ему вес. По расчетам, эти толчки должны разогнать его массу до нескольких микрограммов. Это вес крошечной осы-наездника. Но детекторы упрямо показывают, что частица легче ожидаемого в тысячу триллионов раз.
Теоретики предлагают паллиатив. Возможно, бозон Хиггса — вовсе не элементарная частица, а составная. Тогда на микроскопических масштабах с полями взаимодействуют не сам бозон, а его компоненты, и делают они это иначе. Другая гипотеза призывает добавить в уравнения дополнительные измерения или удвоить количество частиц в Стандартной модели.
После трехлетнего перерыва на модернизацию Большой адронный коллайдер снова запустили. Третий сезон столкновений обещает беспрецедентную точность. Если идеи физиков верны, новые данные покажут аномалии в поведении бозона Хиггса. Тогда загадка легковесной частицы перестанет быть загадкой.
Куда исчезла антиматерия
Во Вселенной 10 в 80 степени частиц обычной материи. Это колоссальная цифра. Если увеличить человека в такое число раз, он станет больше обозримого космоса в миллиарды миллиардов раз. Но астрофизиков мучает не эта цифра, а вопрос «почему».
Большой взрыв, согласно симметрии Стандартной модели, должен был породить равное количество вещества и антивещества. При встрече они аннигилируют, оставляя после себя лишь безликую радиацию. Если бы Вселенная подчинилась учебникам, нас бы не существовало. Не существовало бы звезд, планет и пыли.
Антивещество никуда не делось. Оно просто исчезло, нарушив фундаментальную симметрию. Сегодня производство одного грамма позитронов в коллайдере стоит более шестидесяти триллионов долларов. Это делает антивещество самым дорогим товаром во Вселенной, но его катастрофически мало.
Где спрятались остатки? Телескопы ищут гамма-всплески — характерные вспышки, возникающие при контакте материи и антиматерии. Тишина. Значит, антивещества нет в обозримой части космоса.
Физики снова смотрят в сторону бозона Хиггса. Если его расщепить на гипотетические составляющие, появятся новые частицы. Они способны нарушить шаткое равновесие между материей и антиматерией. В ранней Вселенной эти частицы могли изменить механизм «раздачи» масс, что заморозило процесс аннигиляции. Следы тех событий должны сохраниться в древнейшем гравитационном фоне, аналогичном космическому микроволновому излучению. Лазерно-интерферометрическая космическая антенна LISA, старт которой намечен на 2030-е годы, возможно, зарегистрирует этот шепот прошлого.
Число вашего двойника
Существует цифра, которая делает любое воображение банкротом. Это 10 в степени 10 в степени 68. Единица с сотней миллионов триллионов триллионов триллионов триллионов нулей.
Космолог Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института однажды задумался: конечна ли Вселенная? Если она бесконечна, то количество комбинаций частиц конечно. А значит, рано или поздно частицы должны сложиться в точно такую же конфигурацию, как та, что сейчас находится в вашей комнате.
Иван Сагден назвал эту меру «доппельнгион». Речь не о параллельных мирах из научной фантастики. Речь о нашей единой Вселенной, просто очень большой.
Чтобы подсчитать возможные варианты, физики используют странное свойство гравитации — она работает как голограмма. Информация об объеме пространства кодируется на его двухмерной границе. Разбейте эту поверхность на квадраты размером с планковскую длину — дальше дробить пространство бессмысленно. Посчитайте все возможные узоры, которые можно сложить из этих квадратов. Их будет ровно доппельнгион.
Если радиус Вселенной превышает доппельнгион метров, а космическое микроволновое излучение намекает, что она как минимум в двести пятьдесят раз больше видимой части, вероятность существования вашей копии перестает быть нулевой. В ранней Вселенной происходили всплески инфляции — мгновенного раздувания пространства. Такие всплески могли случиться в любой точке и в любой момент. Они продолжают случаться сейчас где-то на задворках космоса, раздувая крошечные пузырьки в гигантские миры. В одном из таких миров, если теория верна, точно такой же читатель дочитывает точно такой же абзац.
В пасть к сингулярности
Последнее число не имеет конца. Бесконечность — это не метафора, а математическая реальность, в которую упираются законы физики.
В центре черной дыры и в момент рождения Вселенной пространство-время искривляется настолько, что уравнения Эйнштейна перестают работать. Гравитационное поле становится бесконечно сильным. Физики называют это сингулярностью.
Сингулярность — это не объект. Это вывеска «кирпич». Дальше теория относительности не работает, потому что оперировать бесконечностями в уравнениях — все равно что делить на ноль.
Самая убедительная попытка приручить бесконечность — теория струн. Она утверждает, что частицы — не точки, а одномерные вибрирующие нити. Струны не могут сблизиться на бесконечно малое расстояние, а значит, из уравнений убирают те самые «опасные» величины, которые приводят к взрыву бесконечности.
Мы пока не знаем, как точно описать танец струн в аду черной дыры. Но математики уже умеют гасить бесконечности в расчетах. Физики надеются, что, поняв механизм этого гашения, они наконец ответят на вопрос: что было, когда ничего не было.
Post Scriptum
Каждое из этих чисел — не просто ошибка округления или сбой в расчетах. Это навигационные маяки. Они указывают туда, где привычная картина мира трещит по швам. Мы живем во Вселенной, которая сопротивляется нашим попыткам разложить ее по полочкам. Энергия пустоты — ноль, хотя должна быть взрывной. Бозон Хиггса — легкий, как пух. Материи — целая бесконечность, хотя по законам симметрии ее не должно быть вовсе.
-----
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