[Перевод] Большая идея: не откроем ли мы в скором времени новое фундаментальное взаимодействие?
Обилие новых свидетельств говорит о том, что физика, возможно, стоит на пороге чего-то грандиозного
Современная физика имеет дело с поистине умопомрачительными масштабами. Космология показывает Землю крошечной точкой среди наблюдаемой Вселенной, размеры которой поражают воображение и составляют 93 млрд световых лет. В то же время современные коллайдеры частиц исследуют микрокосмический мир, который в миллиарды раз меньше самого маленького атома.
Эти две крайности, самые большие и самые маленькие расстояния, исследуемые наукой, разделены 47 порядками величины. Это единица с 47 нулями после неё, число настолько абсурдно огромное, что его не стоит даже пытаться понять. И всё же, несмотря на изучение столь радикально разных расстояний и явлений, космология и физика частиц глубоко связаны между собой. Наблюдение за движением звёзд и галактик может выявить влияние ещё не открытых частиц, а изучение фундаментальных частиц в лаборатории может рассказать нам о рождении и эволюции космоса.
Интригует тот факт, что обе дисциплины сталкиваются с необъяснимыми результатами, которые могут указывать на существование в природе нового взаимодействия. Если существование такого нового взаимодействия будет подтверждено, это окажет огромное влияние на наше понимание Вселенной, её истории и структуры.
Существует четыре уже известных нам взаимодействия. Гравитация управляет самыми грандиозными масштабами, удерживая планеты на их орбитах и формируя эволюцию Вселенной в целом. Электромагнитное взаимодействие порождает широкий спектр явлений, от магнитного поля Земли до радиоволн, видимого света и рентгеновских лучей, а также удерживает атомы, молекулы и, как следствие, весь физический мир вместе. Глубоко в атомном ядре возникают ещё два взаимодействия: «сильное взаимодействие», похожее на тиски, связывающая атомные ядра, и «слабое взаимодействие», которое, помимо прочего, вызывает радиоактивный распад и позволяет осуществлять ядерные реакции, питающие Солнце и звёзды.
Изучение этих взаимодействий изменило наше понимание природы и породило новые революционные технологии. Работы по электромагнетизму в XIX веке дали нам электрическое динамо и радиопередачи, открытие сильных и слабых взаимодействий в 1930-х годах привело к появлению ядерной энергии и атомных бомб, а понимание гравитации позволило отправить астронавтов на Луну и разработать спутники GPS, которые могут определить наше местоположение в любой точке Земли с точностью до нескольких метров. Открытие пятого взаимодействия было бы чертовски интересным призом.
Намёки на то, что физики, возможно, стоят на пороге такого прорыва, накапливались в течение последнего десятилетия. Первая порция доказательств поступила из экспериментов по физике частиц здесь, на Земле, результаты которых, похоже, противоречат нашей нынешней лучшей теории фундаментальных частиц — Стандартной модели.
Несмотря на довольно скучное название, Стандартная модель — одно из величайших интеллектуальных достижений человечества, наиболее близкое к теории всего сущего, и она блестяще прошла почти все экспериментальные испытания. По крайней мере, до сих пор.
Однако эксперимент BaBar в Калифорнии, эксперимент Belle в Японии и эксперимент LHCb в Керне обнаружили, что экзотические фундаментальные частицы, известные как «прелестные кварки», или b-кварки, ведут себя в противоречии с предсказаниями стандартной модели. Тем временем недалеко от Чикаго эксперимент Fermilab Muon g-2 занят изучением другого типа фундаментальных частиц, называемых мюонами, и обнаружил, что они обладают несколько более сильным магнитным полем, чем ожидалось.
Самые интересные объяснения этих аномалий связаны с неизвестными до сих пор взаимодействиями природы, которые тонко изменяют способ превращения кварков в другие частицы или изменяют магнетизм мюона. Такое новое взаимодействие могла бы помочь раскрыть более глубокую структуру в основе реальности, объяснив, почему в природе существуют те фундаментальные частицы, которые мы наблюдаем. Ещё одна заманчивая возможность заключается в том, что она может служить связующим звеном с невидимой «тёмной Вселенной», состоящей из невидимой тёмной материи.
Тем не менее, пока общая картина остаётся удручающе туманной. Чуть больше года назад новые результаты, полученные на LHCb, поставили крест на перспективах большого прорыва после того, как в некоторых из предыдущих измерений были обнаружены погрешности. Тем временем теоретики спорят о том, насколько магнитным должен быть мюон, оставляя открытой возможность того, что эта аномалия связана с вычислительными проблемами.
Возможно, самое убедительное доказательство того, что во Вселенной действует новое взаимодействие, пришло с другого конца космической шкалы. Последние несколько лет космологию раздирает так называемый «кризис Хаббла» — драматическое разногласие по поводу того, насколько быстро расширяется Вселенная.
Согласно общепринятой космологической версии, Вселенная, какой мы её знаем, возникла в результате большого взрыва около 13,8 млрд лет назад и с тех пор продолжает расширяться, а галактики все больше отдаляются друг от друга, поскольку между ними постоянно появляется новое пространство. У космологов есть два способа выяснить, насколько быстро возникает пространство. Один из них предполагает изучение множества далёких галактик через телескопы, а затем определение зависимости между их расстоянием и скоростью, с которой они, как нам кажется, удаляются от нас. В другом случае используются чрезвычайно точные карты затухающего света от огненного шара Большого взрыва, известного как «реликтового излучения», чтобы сделать вывод о свойствах Вселенной на самых ранних её этапах. Затем учёные применяют современную космологическую теорию, чтобы запустить часы вперёд и предсказать, с какой скоростью должна расширяться Вселенная сегодня.
Тот факт, что эти два метода дают разные ответы, является самым убедительным доказательством того, что во Вселенной есть нечто большее, чем мы до сих пор себе представляли. Возможностей много. Одно из популярных предложений связано с некой формой энергии, которая заставила Вселенную расширяться ещё быстрее, чем считалось ранее, вскоре после Большого взрыва. Другие предполагают наличие «тёмных взаимодействий», действующих в скрытом мире тёмной материи. Некоторые даже предполагают, что сама гравитация ведёт себя по-другому в огромных пространствах между галактиками.
Чем закончится история этих аномалий, пока неясно. Но обилие появляющихся свидетельств говорит о том, что физика, возможно, стоит на пороге чего-то грандиозного. Открытие нового взаимодействия ознаменует начало новой эры исследований, возможно, позволит глубже понять основные строительные блоки природы или откроет дверь в огромное, неизвестное тёмное царство, которое, несмотря на свою невидимость, содержит 95% всего существующего. Такие открытия всегда даются с большим трудом, но путешествие по следам природы может вскоре привести нас к глубокому новому взгляду на Вселенную.
