За последние десятилетия фундаментальная физика и космология достигли невероятных успехов, превратившись из теоретических спекуляций в точную науку. Однако, по мере того как наши инструменты становятся мощнее, количество нерешенных вопросов только растет. В рамках World Science Festival ведущие ученые обсудили текущее состояние науки о Вселенной, загадки темной материи и границы того, что мы в принципе способны познать.
🌌 Золотой век космологии и её «стандартная модель» 1:56
Последние три десятилетия стали триумфом экспериментальной физики. Ученым удалось обнаружить космическое микроволновое фоновое излучение — «эхо» Большого взрыва — и с высокой точностью определить параметры нашей Вселенной . На сегодняшний день космологическая модель опирается на шесть ключевых параметров, измеренных с беспрецедентной точностью.
Согласно текущим данным, энергетический бюджет Вселенной распределен следующим образом:
- Обычная материя: менее 5% (звезды, планеты, люди) .
- Темная материя: около 25% (не излучает свет, но обладает гравитацией) .
- Темная энергия: около 70% (сила, вызывающая ускоренное расширение пространства) .
Уровень точности современных измерений поражает. По словам ведущего, скорость расширения Вселенной известна с погрешностью не более 2,4%. Это позволяет определить возраст Вселенной точнее, чем современная медицина может определить биологический возраст человека . К этому списку достижений добавляются открытие бозона Хиггса в 2012 году и прямая регистрация гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном .
🧪 Новые горизонты: от гигантских коллайдеров до настольных опытов 7:21
Несмотря на успехи, ученые сталкиваются с «сюрпризами» — отсутствием сигналов там, где их ожидали. Например, Большой адронный коллайдер (БАК) пока не обнаружил признаков суперсимметрии .
Нима Аркани-Хамед отмечает, что бозон Хиггса оказался «странной» частицей: он выглядит точечным и не имеет внутренней структуры, что порождает глубокие теоретические вопросы . В научном сообществе активно обсуждается строительство следующего ускорителя с длиной кольца около 100 километров, который позволит изучить Хиггса под гораздо более мощным «микроскопом» .
Параллельно развиваются альтернативные методы исследований:
- Квантовые сенсоры: Использование методов атомной физики для поиска аксионов — потенциальных кандидатов на роль темной материи .
- Поиск электрического дипольного момента нейтрона: Ожидается, что сверхчувствительные измерения позволят обнаружить малейшие отклонения, указывающие на новую физику .
- Проверка гравитации на малых расстояниях: Ученые пытаются измерить силу притяжения между объектами размером в микроны, где гравитация становится сопоставимой с силами Ван-дер-Ваальса .
Нима Аркани-Хамед подчеркивает, что гравитация — экстремально слабая сила: электрическое отталкивание двух электронов на 42 порядка сильнее их гравитационного притяжения .
💰 Финансирование науки: дилемма больших и малых проектов 14:19
Франс А. Кордова, возглавляющая Национальный научный фонд (NSF), рассказала о принципах распределения бюджета агентства в размере 7,5 млрд долларов . NSF поддерживает широкий спектр направлений: от детектора нейтрино IceCube на Южном полюсе до модернизации обсерватории LIGO .
Приоритеты NSF формируются следующим образом:
- Десятилетние обзоры (Decadal Surveys): Отчеты Национальной академии наук, представляющие консолидированное мнение тысяч ученых .
- Модернизация существующих мощностей: Например, чувствительность LIGO во втором запуске была повышена на 20–30% .
- Поддержка «золотой середины»: Франс А. Кордова признает, что агентство беспокоится о проектах стоимостью от 10 до 100 млн долларов, для которых сейчас сложнее найти целевое финансирование .
🌑 Темная материя против модифицированной гравитации 27:05
Длительное отсутствие прямых улик существования частиц темной материи заставляет некоторых исследователей сомневаться в самой концепции. Существует альтернативный подход: возможно, нам нужно менять не состав Вселенной, а уравнения Эйнштейна или Ньютона.
Матиас Сальдарриага считает, что любые альтернативные теории (такие как MOND) должны объяснять не только вращение галактик, но и современные данные по реликтовому излучению и гравитационному линзированию . По его мнению, большинство альтернативных моделей пасуют перед сложностью современной космологии .
Нима Аркани-Хамед приводит историческую аналогию с астрономом Леверье:
- В случае с аномалиями орбиты Урана он предсказал существование Нептуна («темная планета») и оказался прав .
- В случае с Меркурием он предсказал планету Вулкан, но здесь «консервативное» решение не сработало — потребовалась радикальная смена теории (ОТО Эйнштейна) .
По мнению физиков, сейчас науке нужно быть одновременно радикальной и консервативной. Как заметил Роберт Оппенгеймер, которого процитировал Нима: «Важно сохранять разум открытым, но не настолько, чтобы мозги вывалились наружу» .
♾️ Мультиверс: наука или метафизика? 36:09
Концепция Мультиверса (Множественной Вселенной) предполагает, что наш мир — лишь один из $10^{500}$ вариантов в гигантском ландшафте возможностей . В разных вселенных могут быть разные законы физики и значения фундаментальных констант.
Нима Аркани-Хамед уточняет, что Мультиверс — это еще не полноценная теория, а скорее «карикатура на теорию» . Основные тезисы обсуждения:
- Проблема наблюдаемости: Из-за ускоренного расширения Вселенной мы никогда не сможем увидеть другие «пузыри» пространства, даже в принципе .
- Принципиальная проверяемость: Нима утверждает, что теоретически мы могли бы создать микроскопический пузырь с другим вакуумом в лаборатории и увидеть, как частицы (например, Хиггс) меняют в нем свою массу .
- Случайность против фундаментальности: Как когда-то Иоганн Кеплер пытался вывести число планет из геометрии, считая его фундаментальным законом, так и мы сегодня можем ошибочно принимать случайные параметры нашей Вселенной за незыблемые основы .
⏳ Конец времени и пределы познания 48:34
Один из фундаментальных вопросов — является ли Большой взрыв началом времени. По мнению участников дискуссии, концепция времени, скорее всего, является эмерджентной (вторичной) и «ломается» при попытке заглянуть в самый момент сингулярности .
Физики предупреждают о мрачном будущем астрономии. Если Вселенная продолжит ускоренно расширяться, через триллион лет другие галактики уйдут за горизонт событий. Будущие наблюдатели увидят лишь свою собственную галактику в пустой черноте . Для них вся современная космология и история о Большом взрыве станут недоказуемой мифологией .
В завершение дискуссии ученые сошлись на том, что прогресс науки не означает приближения к «финальной теории». Скорее, по мере получения ответов, сам язык наших вопросов становится глубже и сложнее . Фундаментальная наука делается из чистого любопытства, но, как заметил Майкл Фарадей о магнетизме: «Однажды вы обложите это налогом» .
