Почему наша Вселенная — это не то, чем кажется

Гравитация — это когда вы берете свою карту пространства-времени и сминаете её, превращая геометрию космоса в невидимую силу, управляющую всем во Вселенной. Однако за привычными законами Ньютона скрывается безумная реальность виртуальных частиц, колоссальной энергии вакуума и «частицы Бога», которая наделяет материю массой. В этом погружении в физику высоких энергий мы разберемся, почему нынешние технологии — лишь капля в море по сравнению с масштабами, необходимыми для создания истинной «Теории всего».

🌌 Великие объединения в физике: от яблока Ньютона до пространства-времени Эйнштейна 0:00

Путь к «Теории всего»: история великих объединений в физике 0:53

Физика элементарных частиц и космология во многом строятся на поиске фундаментальных принципов, управляющих Вселенной . Как отмечает известный физик Дон Линкольн в беседе с Лексом Фридманом, всю историю развития физической науки можно представить как последовательность великих объединений . Ученые раз за разом обнаруживали, что явления, казавшиеся совершенно разными, подчиняются одним и тем же законам.

Первым и наиболее ярким историческим примером стало объединение земного притяжения и движения планет, совершенное Исааком Ньютоном в XVII веке . До этого момента человечество разделяло законы «земной» гравитации (когда упавший сэндвич тут же подбирает собака) и законы гравитации «небесной», управляющей движением звезд и планет по небосводу . Ньютон совершил революционный шаг, предположив, что Луна фактически постоянно падает на Землю, но промахивается . Сформулированный им Закон всемирного тяготения окончательно стер границу между земным и космическим, доказав их физическое тождество .

Дон Линкольн напоминает, что идеи о поиске единых кирпичиков материи уходят корнями еще к Демокриту . Демокрит ошибался в деталях (например, считая атомы масла гладкими, а уксуса — острыми и колючими) , но его базовая интуиция о существовании неделимых частиц оказалась верной .

Следующим грандиозным триумфом объединения стал XIX век. До 1830-х годов ученые воспринимали статическое электричество (искры) и магнетизм (куски намагниченного железа) как независимые феномены . Однако к 1860-м годам Джеймс Клерк Maxwell (Джеймс Клерк Максвелл) собрал воедино наблюдения коллег и сформулировал свои знаменитые уравнения электромагнетизма . Убрав сложную математику, суть уравнений Максвелла можно свести к простому равенству: электричество равно магнетизму . Это объединение не просто объяснило природу молний и магнитов на холодильнике , но и породило волновую теорию света, доказав, что свет — это электромагнитные колебания, распространяющиеся с конечной скоростью .

Фундаментальные исследования всегда приносят колоссальные практические плоды, пускай и спустя столетия . Без приручения электромагнетизма у нас не было бы интернета, компьютеров и подкастов . Аналогично, изучение структуры атомного ядра открыло дорогу ядерной энергетике , которая способна обеспечить человечество колоссальными объемами энергии .

Основные исторические вехи объединения сил в классической физике включают:

Объединение земной и небесной гравитации Исааком Ньютоном в XVII веке .
Создание единой теории электромагнетизма Джеймсом Максвеллом в 1860-х годах .
Развитие квантовой механики и ядерной физики в XX веке, открывшее путь к управлению атомной энергией .

Позже в беседе Лекс Фридман и Дон Линкольн вскользь коснутся загадок антиматерии и темной энергии как потенциальных источников энергии будущего , хотя подробный разбор этих тем ждет нас в последующих главах.

Специальная теория относительности: революция времени и пространства 15:20

В начале XX века физика подошла к новому этапу объединения, ключевой фигурой которого стал Альберт Эйнштейн. В свой знаменитый «год чудес» (1905) он опубликовал работу по специальной теории относительности , которая полностью перевернула человеческое представление о времени . В отличие от Ньютона, считавшего время абсолютной и универсальной величиной для всей Вселенной , Эйнштейн математически доказал относительность времени: наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, переживают его ход по-разному .

Объединение пространства и времени в единый четырехмерный континуум — пространство-время — концептуально завершил учитель Эйнштейна, математик Герман Минковский в 1908 году . Он увидел в уравнениях Эйнштейна глубокую симметрию, показывающую, что пространство одного наблюдателя частично переходит во время другого при изменении скорости движения . Для нашего повседневного опыта это звучит невероятно странно, ведь мы привыкли свободно перемещаться в пространстве, но двигаться во времени можем исключительно вперед .

Специальная теория относительности строится на двух фундаментальных постулатах :

Законы природы одинаковы для всех инерциальных систем отсчета (принцип относительности Галилея) .
Скорость света в вакууме неизменна и одинакова для всех наблюдателей, независимо от скорости их собственного движения .

Дон Линкольн подчеркивает, что в современную эпоху физики элементарных частиц могут напрямую тестировать постоянство скорости света . Экспериментаторы сталкивают частицы и фиксируют время распада нестабильных объектов, летящих на скоростях около 95–97% от скорости света . Если бы классическая физика была верна, испускаемый ими свет двигался бы быстрее, однако приборы фиксируют строго стандартную скорость света ($c$) .

Сама идея существования абсолютного скоростного лимита кажется парадоксальной . Однако Дон Линкольн объясняет: как только вы принимаете, что скорость света — это не просто характеристика фотонов, а фундаментальное свойство самого пространства-времени, все странности исчезают . Ограничение скорости обусловлено физической способностью пространства переносить взаимодействия .

Переход к пространству-времени потребовал от научного сообщества колоссального ментального скачка . Подобные радикальные шаги происходили в физике неоднократно: например, как упоминается в будущих главах, Поль Дирак математически предсказал существование антиматерии , или когда химики обнаружили, что взрывоопасный металл натрий и смертельный газ хлор при объединении дают обычную поваренную соль . Разгадка подобных тайн — это именно то, что делает науку столь вдохновляющей для человечества .

🌌 Искривление реальности: от гравитации Эйнштейна до поля Хиггса 25:02

В современной физике процесс познания часто движется от философской интуиции к строгим математическим доказательствам и экспериментальному подтверждению. Дон Линкольн отмечает, что история поиска фундаментальных «кирпичиков» мироздания — от древних идей об атомах до современных кварков — полна драматических открытий, которые навсегда изменили наше восприятие пространства и времени . Ранее в разговоре собеседники касались основ специальной теории относительности, но настоящий прорыв в понимании природы силы произошел, когда Альберт Эйнштейн обратил внимание на более глубокую взаимосвязь между движением и притяжением.

Общая теория относительности: гравитация как геометрия 26:06

Одним из величайших достижений человеческого разума Дон Линкольн называет Общую теорию относительности (ОТО) . Эйнштейн пришел к ней через «самую счастливую мысль в своей жизни»: осознание того, что человек в закрытой ускоряющейся ракете не сможет отличить это ускорение от воздействия гравитации . Этот принцип эквивалентности позволил объединить пространство-время с концепцией тяготения.

Вместо того чтобы рассматривать гравитацию как невидимую силу, действующую на расстоянии (как это делал Ньютон), Эйнштейн предложил описывать её как искривление самой ткани пространства-времени . По словам Дона Линкольна, это «потрясающая, взрывающая мозг идея» : представить привычные измерения не как жесткую сетку, а как карту, которую можно смять или согнуть .

Разработка теории требовала не только искры интуиции, но и жесткой математической дисциплины, а также готовности к беспощадной самокритике . Любопытно, что сам Эйнштейн, обладая гениальным воображением, долгое время не мог принять «безумие» квантовой механики, хотя его критический подход в итоге помог другим ученым подтвердить её реальность через проверку парадоксальных следствий, таких как квантовая запутанность . Научный процесс, по мнению Линкольна, — это комбинация творческого озарения и последующего «избиения» идеи тестами, пока не останется сомнений в её истинности .

Электрослабое объединение и «пластырь» поля Хиггса 34:00

К 1930-м годам физики выделили четыре фундаментальные силы: гравитацию, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие (удерживающее ядра атомов) и слабое ядерное взаимодействие (ответственное за радиоактивность) . Однако ученые стремились к объединению этих сил. В конце 50-х и начале 60-х годов возникла амбициозная гипотеза о том, что электромагнетизм и слабое взаимодействие — это лишь два лика одной «электрослабой» силы .

Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг в 1967 году математически доказали это объединение для условий высоких энергий . Но возникла серьезная теоретическая проблема:

Электромагнетизм имеет бесконечный радиус действия, так как его переносчик (фотон) не имеет массы .
Слабое взаимодействие затухает на расстояниях меньше размера протона, что подразумевает огромную массу у его частиц-переносчиков — W и Z-бозонов .

Чтобы спасти теорию объединения, ученые (включая Питера Хиггса в 1964 году) постулировали существование особого поля, пронизывающего всю Вселенную, — поля Хиггса . Дон Линкольн описывает его как квантовое скалярное поле, которое имеет ненулевое значение даже в абсолютно пустом пространстве .

Механизм работы поля Хиггса можно представить через аналогию с гравитационным полем: если объект обладает «зарядом Хиггса», он взаимодействует с полем и обретает массу . Фотоны же «игнорируют» это поле, оставаясь безмассовыми . Линкольн называет теорию Хиггса своеобразным «пластырем» на теории электрослабого объединения: она объясняет, почему при низких энергиях симметрия нарушается . Примерно через $10^{-12}$ секунды после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы поле Хиггса «включилось», наделив частицы массой и разделив единую силу на две разные .

Принцип работы ускорителей: превращение энергии в массу 44:16

Поскольку мы не можем увидеть само поле Хиггса напрямую, ученые ищут его возбуждения — частицы, называемые бозонами Хиггса . Для этого необходимы колоссальные инструменты — ускорители частиц. В начале 2000-х годов главным таким инструментом был Тэватрон в лаборатории Фермилаб (Fermilab) под Чикаго, где сталкивали протоны и антипротоны .

Работа любого ускорителя базируется на знаменитом уравнении Эйнштейна $E=mc^2$ . Дон Линкольн подчеркивает, что глубокий смысл этой формулы заключается в эквивалентности энергии движения и массы: мы буквально можем превратить чистую кинетическую энергию столкновения в новые физические частицы .

Процесс выглядит следующим образом:

Две частицы сталкиваются на скоростях, близких к световой .
Их суммарная энергия в точке удара может «кристаллизоваться» в массу новых элементов .
Согласно законам природы, создание частицы материи всегда должно сопровождаться рождением частицы антиматерии для баланса .

Так, в 1932 году был открыт антиэлектрон (позитрон), а в 1955 — антипротон . Однако производство тяжелых частиц — крайне неэффективный процесс. Например, в Фермилабе требовалось ударить 100 000 протонов о мишень, чтобы получить всего один антипротон . Кроме того, сложность зависит от структуры самих частиц: если электроны — это «точечные» объекты без внутренней структуры, то протоны подобны «мусорным бакам, набитым всякой всячиной», что делает результаты их столкновений гораздо более хаотичными и трудными для анализа .

⚛️ Битва титанов: От Теватрона к Большому адронному коллайдеру 50:52

В мире экспериментальной физики высоких энергий долгое время доминировало соперничество двух крупнейших научных центров: американской Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab) и европейской организации ЦЕРН (CERN). Как объясняет Дон Линкольн, это было не просто научное состязание, а технологическая гонка на «абсолютном энергетическом фронтире» . Долгое время пальму первенства удерживал американский ускоритель Теватрон, где в 1995 году был открыт топ-кварк — самая тяжелая из известных элементарных частиц . Однако к 2011 году эпоха Теватрона завершилась: Fermilab прекратила производство антипротонов и эксплуатацию своего главного кольца, сосредоточившись на интенсивных пучках протонов для изучения нейтрино .

Технологический разрыв и масштаб открытий 50:52

Сравнивая две лаборатории, Дон Линкольн отмечает колоссальную разницу в масштабах. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе примерно в семь раз мощнее Теватрона по энергии столкновений и обеспечивает в сто раз больше столкновений в секунду . Чтобы наглядно показать этот прогресс, физик приводит пример с топ-кварками: в 1995 году группе Дона Линкольна потребовалось от шести месяцев до года работы, чтобы зафиксировать всего 38 кандидатов на роль топ-кварка, из которых лишь половина была реальными частицами, а не фоновым шумом . Сегодня на БАК топ-кварки рождаются каждую секунду . Теперь они превратились из «редкой добычи» в «фон», который ученые стараются отфильтровать, чтобы увидеть еще более редкие явления .

Ускорительный комплекс — это не одна машина, а целая последовательность систем. Дон Линкольн сравнивает этот процесс с переключением передач в автомобиле с ручной коробкой: частицы нельзя разогнать до максимальной скорости мгновенно, их нужно передавать из одного ускорителя в другой, повышая энергию на каждом этапе . Интересно, что для производства антиматерии ЦЕРН использует лишь «вторую передачу» своего комплекса (энергия 26 ГэВ), в то время как Fermilab в свое время использовала для этого 120 ГэВ . Тем не менее, по общей светимости и энергии столкновений протонов БАК остается недосягаемым лидером .

Работа на БАК сопряжена с невероятными объемами данных:

В коллайдере происходит около 1 миллиарда столкновений в секунду .
Пучки частиц напоминают тончайшие «нити спагетти» толщиной с человеческий волос, которые пролетают сквозь друг друга, как рои пчел .
Детекторы, такие как CMS (на котором работает Дон Линкольн) и ATLAS, представляют собой гигантские «камеры», делающие 40 миллионов снимков в секунду .

Масштабы самих детекторов поражают воображение. Детектор CMS при длине 21 метр и высоте 15 метров весит 14 000 тонн — он в два раза тяжелее Эйфелевой башни, хотя и считается «компактным» (Compact Muon Solenoid) . Его конкурент ATLAS по объему еще больше, хотя весит в два раза меньше . Чтобы справиться с потоком информации, ученые используют систему «триггеров»: быстрая электроника и коммерческие процессоры в реальном времени отсеивают скучные события, оставляя для детального анализа лишь около 1000 самых интересных столкновений в секунду .

Триумф 2012 года: Как нашли бозон Хиггса 1:02:08

4 июля 2012 года стало исторической датой для всей науки — ЦЕРН объявил об обнаружении частицы, похожей на бозон Хиггса . Это открытие стало финальным аккордом в полувековых поисках последнего недостающего звена Стандартной модели, о механизме работы которой Дон Линкольн и Лекс Фридман упоминали в контексте поля Хиггса ранее в беседе.

Дон Линкольн вспоминает то время как период странного профессионального «раздвоения личности». Многие физики, включая его самого, одновременно работали и в Fermilab, и в ЦЕРНе . «Мы отчаянно пытались найти бозон Хиггса на Теватроне, одновременно понимая, что БАК точно найдет его, если он существует», — признается ученый . Всего за два дня до триумфального объявления ЦЕРНа, 2 июля 2012 года, Fermilab опубликовала свои данные, подтверждающие, что если частица существует, то она находится именно в том узком диапазоне масс (120–145 ГэВ), где ее в итоге и обнаружили . Американской лаборатории не хватило всего пары лет сбора данных, чтобы совершить это открытие самостоятельно .

Важно понимать, что на момент объявления 4 июля ученые были осторожны: они нашли «частицу, согласующуюся с бозоном Хиггса» . Существовали альтернативные теории, например, суперсимметрия, предсказывающая наличие пяти различных бозонов Хиггса вместо одного . Потребовались годы дополнительных исследований, чтобы подтвердить:

Спин обнаруженной частицы равен нулю, как и предсказывала теория .
Она распадается на более легкие частицы (b-кварки, W- и Z-бозоны) именно с той частотой, которую предсказали Питер Хиггс и его коллеги еще в 1960-х годах .

Говоря о знаменитом прозвище «частица Бога» (The God Particle), Дон Линкольн развенчивает мистический ореол. Термин придумал Леон Ледерман, бывший директор Fermilab, для своей научно-популярной книги . На самом деле Ледерман хотел назвать её «проклятой частицей» (goddamn particle) из-за того, как тяжело её было поймать, но издатель настоял на более звучном варианте ради продаж . Хотя открытие бозона Хиггса не изменило наше мировоззрение так радикально, как теории Эйнштейна, оно стало важнейшей «пунктуационной точкой» в истории физики, подтвердив, что наши представления о том, как частицы обретают массу, верны . Это открытие подвело итог 50-летнему периоду триумфа Стандартной модели, оставив ученых перед новыми вызовами — поиском путей к Великому объединению .

🌌 Великое объединение и границы познания: Почему «Теорию всего» не напишут в нашем веке 1:15:14

Прыжок в квадриллион раз: Энергетический барьер унификации 1:15:28

Дон Линкольн выражает глубокий скепсис относительно того, что человечество сможет создать полноценную «Теорию всего» (Theory of Everything, ToE) в обозримом будущем. По его оценкам, эта задача не будет решена ни при нашей жизни, ни при жизни наших внуков или даже их правнуков . Исторический контекст объединения сил показывает замедление темпов: если переход от объединения гравитации (Ньютон) к электромагнетизму (Максвелл) занял 200 лет, то следующий шаг к электрослабому объединению потребовал ещё столетие .

Главная проблема заключается в колоссальном разрыве энергетических масштабов. Энергия, необходимая для проверки теорий великого объединения, составляет порядка $10^{15}$ ГэВ, что в квадриллион раз выше возможностей самых мощных современных ускорителей . Учитывая, что за последние 20 лет энергия коллайдеров увеличивается примерно в семь раз, для достижения нужного уровня потребуется около 500 лет прогресса, если только не будет совершен фундаментальный технологический прорыв . Дон Линкольн подчеркивает, что без возможности экспериментальной проверки любая, даже самая элегантная математическая модель остается не более чем «дикой догадкой» . Ранее в разговоре собеседники упоминали важность ускорителей частиц, но здесь акцент смещается на теоретическую невозможность построить такой прибор в ближайшие столетия .

Скепсис в отношении теории струн: Элегантность без предсказаний 1:17:47

Критикуя теорию струн (или суперструн), Дон Линкольн отмечает парадоксальную ситуацию: он «любит» эту идею, но категорически в неё не верит . Основная претензия физика-экспериментатора заключается в отсутствии фальсифицируемых, проверяемых предсказаний. На текущий момент теория струн оперирует «приближенными решениями приближенных уравнений» .

Одной из фундаментальных проблем является так называемый «Ландшафт» (landscape) — огромное количество вариантов устройства Вселенной, которые допускает теория . Это делает её фактически непредсказуемой: имея такое бесконечное разнообразие решений, теоретики могут просто «подстроить» параметры под наш мир, вместо того чтобы вывести его свойства из фундаментальных принципов .

Интересен исторический контекст возникновения теории: изначально она разрабатывалась как теория сильного взаимодействия и конкурировала с квантовой хромодинамикой (КХД) . Струны проиграли эту гонку, но физики заметили, что уравнения предсказывают частицу с нулевой массой и спином 2 — гравитон . Именно это случайное обнаружение кандидата на роль переносчика гравитации превратило узкоспециализированную модель в амбициозную «Теорию всего» . Однако за 50 лет работы (с 1970-х годов) прогресс в решении конкретных проблем остается минимальным, что заставляет молодых ученых всё чаще выбирать другие направления исследований .

Аналогия с австралопитеком: Опасность теоретической самонадеянности 1:19:56

Для иллюстрации того, насколько опасно делать выводы о масштабах Вселенной на основе наших ограниченных знаний, Дон Линкольн приводит яркую аналогию с австралопитеком . Представьте гоминида ростом в один метр, живущего в Африке два миллиона лет назад. Он может пройти 10, 100 или даже 1000 метров . Основываясь на том, что он видит вокруг, он может предсказать, что будет через милю, и его предсказание, скорее всего, сработает.

Однако масштаб, который отделяет нас от Планковской энергии (где должна работать ToE), — это не 10-кратное, а 15-кратное увеличение порядка (в квадриллион раз) . Дон Линкольн поясняет:

Австралопитек, зная только саванну, никогда не предсказал бы существование кашалотов или Кракена в Индийском океане .
Он не смог бы вообразить Антарктиду или Альпы .
Он бы не понял, что если подняться на 10 миль вверх, то нельзя дышать, а если спуститься на две мили вниз — можно сгореть .

Линкольн называет «вершиной высокомерия» попытку экстраполировать наши текущие измерения на квадриллион порядков выше . Он убежден, что на этом пути нас ждут совершенно новые физические явления, которые нельзя вывести из текущих моделей, так же как из химии нельзя было предсказать существование ядерной физики .

Альтернативные подходы и петлевая квантовая гравитация 1:31:30

В отличие от «нисходящего» (top-down) подхода теоретиков, Дон Линкольн верит в путь «восходящий» — когда наука движется от странных, необъяснимых фактов . В качестве примера он приводит Веру Рубин, которая просто измеряла скорость вращения галактик и обнаружила аномалию, ставшую ключом к пониманию темной материи . Ранее в интервью упоминалась природа темной материи, но здесь она служит примером «нити», за которую стоит тянуть, чтобы распутать всё здание теоретической физики .

Обсуждая альтернативы теории струн, Линкольн выделяет петлевую квантовую гравитацию (LQG) . В отличие от теории струн, LQG не претендует на роль «Теории всего» — она пытается лишь квантовать пространство, сделать его дискретным, состоящим из «молекул» пространства, подобно тому как вода состоит из молекул .

Тем не менее, даже более скромные теории сталкиваются с жесткой экспериментальной проверкой. Одно из предсказаний LQG заключалось в том, что скорость света должна зависеть от его частоты (длины волны) при взаимодействии со структурой пространства . Однако наблюдения за гамма-всплесками от далеких астрономических событий показали, что фотоны разных энергий прибывают на Землю одновременно . Это практически опровергло первоначальные формулировки теории, хотя её сторонники, такие как Карло Ровелли, продолжают её дорабатывать .

🌌 Свойства физического вакуума и индустрия антиматерии 1:40:14

Квантовые поля и «кипение» пустоты 1:42:15

Обсуждая природу реальности, Дон Линкольн подчеркивает, что в современной физике понятие «пустого пространства» радикально отличается от интуитивного представления о ничем не заполненной пустоте . Согласно квантовой теории поля (QFT), пространство не является пассивным фоном, а представляет собой совокупность полей, существующих для каждой известной субатомной частицы: фотонного поля, электронного поля, полей верхних и нижних кварков и так далее . Эти поля пронизывают всю Вселенную, и когда в поле возникает специфическая вибрация, мы воспринимаем её как частицу . Например, характерное колебание электронного поля — это и есть электрон.

Однако поля могут вибрировать не только в «характерном» режиме, создавая реальные частицы, но и в виде менее устойчивых колебаний, которые физики называют виртуальными частицами . Виртуальные частицы — это, по сути, пары материи и антиматерии, которые на мгновение возникают из квантовых флуктуаций поля и почти мгновенно аннигилируют, возвращаясь обратно в энергетическое состояние поля . Хотя они существуют слишком недолго, чтобы их можно было увидеть напрямую, их присутствие имеет измеримые физические последствия .

Одним из наиболее наглядных доказательств реальности этого «кипящего» вакуума является эффект Казимира . Если расположить две металлические пластины очень близко друг к другу, виртуальные частицы с длинными волнами не смогут возникать в узком пространстве между ними, в то время как снаружи пластин ограничений нет . В результате внешнее давление виртуальных частиц превышает внутреннее, и пластины буквально прижимаются друг к другу . Ещё одно подтверждение — аномальный магнитный момент электрона и мюона . Присутствие «облака» виртуальных частиц вокруг электрона меняет его магнитные свойства на 0,1%. Современная наука измерила этот эффект с невероятной точностью до 12 значащих цифр, и теоретические предсказания совпали с экспериментальными данными до десятого знака .

Производство антиматерии: от теории Дирака до ловушек ЦЕРНа 1:49:27

История антиматерии началась в 1928 году, когда Поль Дирак, пытаясь объединить квантовую механику со специальной теорией относительности (ранее в разговоре Лекс Фридман и Дон Линкольн уже упоминали эти основы), получил уравнение, предсказывающее существование «положительного электрона» . Уже в 1932 году Карл Андерсон обнаружил эту частицу, названную позитроном . С тех пор учёные научились создавать более сложные формы антивещества: антипротоны (1956 год) , антинейтроны и даже ядра антигелия .

Сегодня в ЦЕРНе (CERN) успешно синтезируют атомы антиводорода, объединяя антипротон с позитроном . Учёным удалось не только охладить их до температур, близких к абсолютному нулю, но и провести спектральный анализ: свет, излучаемый антиводородом, идентичен свету обычного водорода . Одним из самых интригующих экспериментов 2023 года стала проверка того, как антиматерия взаимодействует с гравитацией . Исследование ALPHA подтвердило: антиматерия падает вниз, а не вверх . Хотя точность измерения пока составляет около 75% от силы тяжести обычной материи (с большой погрешностью), физики уверены, что гравитация действует на антивещество стандартным образом .

Процесс создания антиматерии невероятно энергозатратен. В лаборатории Фермилаб (Fermilab), которая до 2011 года была ведущим центром производства антипротонов, для получения одной такой частицы требовалось разбить около 100 000 обычных протонов о мишень . За 12–24 часа непрерывной работы ускорителя удавалось собрать лишь около триллиона антипротонов . В масштабах массы это ничтожно мало: чтобы накопить всего один грамм антиматерии при таких мощностях, потребовалось бы около миллиарда лет .

Экономика и риски использования антивещества 1:58:04

Несмотря на популярность антиматерии в научной фантастике (например, в «Звёздном пути»), её коммерческое или военное использование сегодня невозможно из-за колоссальной стоимости . По оценкам NASA, производство одного грамма антиводорода стоит около 62–63 триллионов долларов . Для сравнения: создание ядерного боеприпаса мощностью в 1 мегатонну обходится США в 10–50 миллионов долларов, тогда как аналогичная по силе бомба на антиматерии стоила бы 1,5 квадриллиона долларов .

Энергетический потенциал антивещества огромен: аннигиляция всего 1 грамма антиматерии с 1 граммом материи высвобождает энергию, эквивалентную взрывам в Хиросиме и Нагасаки вместе взятым . Теоретически это делает антиматерию идеальным топливом для космических путешествий. Всего один грамм мог бы разогнать корабль до 20% скорости света, что позволило бы достичь системы Альфа Центавра за 20 лет .

Однако главной преградой, помимо стоимости, является проблема удержания (containment) . Антиматерия мгновенно аннигилирует при любом контакте с обычным веществом, поэтому её нужно хранить в сложных магнитных ловушках в глубоком вакууме. Любой сбой системы удержания даже на миллионную долю секунды приведет к немедленному взрыву . Дон Линкольн отмечает, что прорывов в фундаментальной физике, которые позволили бы получать антиматерию «дешевле», пока не предвидится . Единственный путь — создание невероятно высокой плотности энергии в крошечном объеме пространства, что на данный момент эффективно делают только гигантские ускорители частиц .

В завершение темы Линкольн касается главной загадки: если при рождении Вселенной материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах, почему сегодня мы видим только материю? Этот вопрос бариогенезиса и современные эксперименты с нейтрино станут ключом к пониманию того, почему наш мир вообще существует.

🌀 Космические загадки: Великая асимметрия материи и худшее предсказание в истории физики 2:05:35

Асимметрия материи и антиматерии: Счастливая случайность творения 2:05:35

Дон Линкольн отмечает, что благодаря подсчету фотонов реликтового излучения физики могут с высокой точностью оценить состав ранней Вселенной . Результаты вычислений указывают на невероятную аномалию: в самые первые мгновения после Большого взрыва в космосе возникла крошечная, но решающая асимметрия . На каждые миллиард миллиардов (10^18) античастиц приходился миллиард и одна частица обычной материи . Огромные объемы вещества и антивещества аннигилировали , а тот самый единственный «лишний» остаток — это вся наблюдаемая сегодня Вселенная, включая звезды, планеты и нас самих .

Причина, по которой возник этот тончайший дисбаланс, до сих пор остается одной из главных загадок современной науки . Физики предлагают несколько путей решения. Первое направление — бариогенез , описывающий процессы превращения материи и антиматерии друг в друга с небольшим перекосом в одну из сторон . Подобную асимметрию ученые уже регистрировали на ускорителях в 1960-х годах , однако ее масштабов категорически недостаточно для объяснения выживания Вселенной .

Второе направление исследований — лептогенез , на которое делает большую ставку Fermilab. Поскольку лаборатория располагает самым мощным в мире ускорителем нейтрино , ученые пытаются поймать асимметрию через изучение нейтринных осцилляций . Существует три типа нейтрино, способных спонтанно менять свой «аромат» в полете — Дон Линкольн сравнивает этот процесс с превращением домашних кошек в ягуаров, затем в тигров и обратно.

Этот феномен доказан экспериментально с 1998 года . Сейчас команда Fermilab ведет напряженное соперничество с физиками из Японии , пытаясь выяснить, осциллируют ли нейтрино и антинейтрино с разной скоростью . Если ученым удастся доказать разницу в скорости их превращений, наука получит фундаментальную зацепку в решении проблемы асимметрии , определившей облик нашей Вселенной .

Темная энергия и худшее теоретическое предсказание в истории науки 2:10:31

Лекс Фридман переводит обсуждение на еще более масштабную космическую загадку — природу темной энергии. Дон Линкольн дает ей наиболее чистое определение: это энергия самого пространства, которая проявляет себя как отталкивающая гравитация .

Открытие темной энергии в конце 1990-х годов стало полным сюрпризом для научного сообщества . До этого астрономы полагали, что гравитационное притяжение обычного вещества должно постепенно замедлять расширение Вселенной, начавшееся после Большого взрыва .

Астрономы рассматривали три теоретические возможности замедления расширения Вселенной под действием взаимного притяжения материи :

«Большое сжатие» (Big Crunch) — гравитация полностью остановит расширение и сожмет Вселенную обратно в сингулярность .
Бесконечное расширение с постепенным замедлением — скорость расширения будет снижаться, но никогда не упадет до нуля .
Пограничный критический случай — расширение будет замедляться вечно, стремясь к нулю лишь в бесконечности .

Однако измерения преподнесли неожиданный сюрприз: Вселенная расширяется с ускорением . Невидимую силу, преодолевающую притяжение и расталкивающую галактики, назвали темной энергией . Исторически эта идея восходит к космологической константе Альберта Эйнштейна . Эйнштейн ввел ее в уравнения общей теории относительности, чтобы обосновать статичность Вселенной , но после открытия Эдвином Хабблом расширения космоса счел константу своей грубейшей ошибкой и убрал из теории . В 1998 году физикам пришлось вернуть ее обратно .

Попытка объяснить темную энергию с помощью квантовой теории поля (КТП) привела к глубочайшему кризису, известному как «худшее предсказание в истории физики» . Согласно КТП, вакуум наполнен колебаниями различных полей . Если математически просуммировать плотность энергии всех возможных волн вплоть до планковского масштаба , теоретическое значение плотности энергии вакуума окажется больше реально измеренного значения темной энергии в невероятные $10^{120}$ раз !

Даже если предположить, что на масштабах энергий Большого адронного коллайдера (LHC) вступает в силу новая физика и ограничить расчеты этой планкой, расхождение все равно составит колоссальные $10^{60}$ раз . Это указывает на фундаментальный изъян в КТП . Теоретики пытаются решить проблему, вводя гипотетические компенсирующие поля . Однако если сбалансировать систему до абсолютного нуля математически просто , то объяснить, почему компенсация оставила крошечный, но ненулевой остаток темной энергии, ученые пока не могут .

Будущее космоса: Постоянная плотность и квантование пространства 2:20:39

Понимание природы темной энергии критически важно для прогнозирования глубокого будущего Вселенной . Лекс Фридман упоминает недавние, пока не подтвержденные окончательно измерения, намекающие на то, что влияние темной энергии со временем может уменьшаться . Однако классическая космологическая модель базируется на представлении о постоянной плотности темной энергии .

Дон Линкольн объясняет фундаментальный парадокс, скрытый за термином «постоянная плотность». В отличие от обычного вещества, плотность которого падает по мере расширения объема Вселенной , плотность темной энергии не меняется . Это означает, что по мере увеличения объема космоса общее количество темной энергии внутри него непрерывно растет . Со временем она начинает доминировать над всеми остальными компонентами материи .

Этот парадокс заставляет физиков выдвигать смелые гипотезы о природе самого пространства . По мнению Дона Линкольна , постоянство плотности темной энергии может указывать на то, что пространство квантовано . При расширении Вселенной ткань пространства не растягивается непрерывно, а «достраивается» новыми микроскопическими квантами пространства , каждый из которых несет в себе строго фиксированную долю энергии. Физик приводит аналогию с песчаной дюной, которая издалека кажется гладкой и непрерывной, но при ближайшем рассмотрении состоит из отдельных песчинок . При росте дюны просто увеличивается число песчинок .

Проверить эти идеи экспериментально крайне сложно из-за микроскопических размеров гипотетических квантов пространства . Тем не менее в ближайшие десятилетия ученые надеются провести высокоточные тесты с квантово-запутанными частицами под действием гравитации. Подобные эксперименты способны показать, является ли само гравитационное взаимодействие дискретным (квантованным) или непрерывным . Подтверждение квантовой природы гравитации заставит теоретическое сообщество отказаться от непрерывных моделей и сфокусироваться на гипотезах квантованного пространства .

В завершение темы космологических загадок Лекс Фридман упоминает феномен темной материи, который, по словам Дона Линкольна , окутан еще более глубокой тайной. Однако детальный разбор доказательств существования темной материи выходит за рамки текущего этапа обсуждения.

🌌 Вещество-призрак и путь учёного: от бедного детства до тайн Вселенной 2:30:34

Доказательства существования тёмной материи: Скопление Пуля и галактики Dragonfly 2:30:47

В современной физике ведутся споры о том, является ли аномальное вращение галактик следствием существования невидимого вещества или же нашей ошибки в понимании законов гравитации и инерции . Дон Линкольн признаётся, что 25 лет назад он сам склонялся к тому, что мы просто неверно понимаем гравитацию . Однако ряд астрономических наблюдений заставил его изменить мнение в пользу тёмной материи.

Ключевым аргументом стало наблюдение за объектом, известным как скопление Пуля (Bullet Cluster) . Это результат столкновения двух огромных скоплений галактик. Любое такое скопление состоит из трёх компонентов: самих галактик, окружающих их облаков водорода и, предположительно, тёмной материи . При столкновении двух скоплений происходят разные процессы:

Галактики проходят друг сквозь друга практически без взаимодействия .
Газовые облака сталкиваются, взаимодействуют и останавливаются посередине, сильно нагреваясь .
Тёмная материя, если она существует, не должна взаимодействовать с газом, а значит, должна пролететь дальше вместе с галактиками .

Если бы тёмной материи не было, основные гравитационные искажения (линзирование) наблюдались бы в центре, где застрял массивный газ. Однако данные показывают, что искажения находятся там, где находятся галактики . Это прямое доказательство того, что основная масса скоплений прошла сквозь «затор» из газа, не задев его .

Другим важным свидетельством стали недавно открытые галактики Dragonfly 2 и Dragonfly 4 . Их особенность в том, что они вращаются строго в соответствии с законами Ньютона . В этом кроется глубокая ирония: существование галактик без тёмной материи доказывает её реальность . Если бы аномалии вращения были свойством самой гравитации (как предполагают альтернативные теории), то все галактики вели бы себя одинаково. Тот факт, что мы нашли объекты, где тёмная материя, по-видимому, была «ободрана» внешними силами, подтверждает, что это отдельная физическая субстанция, а не ошибка в уравнениях .

Поиск «Вимпов» и пределы чувствительности детекторов 2:34:06

Тёмная материя в пять раз превосходит обычную материю по массе во Вселенной . Несмотря на это, физики до сих пор не знают точно, что это такое, хотя учёные смогли исключить многие кандидаты, такие как черные дыры или блуждающие планеты . Основной гипотезой остаются WIMP (вимпы) — слабо взаимодействующие массивные частицы .

Дон Линкольн выделяет три способа обнаружения таких частиц:

Прямое обнаружение: Установка детекторов глубоко под землёй в надежде поймать частицу «ветра» тёмной материи, проходящего сквозь Землю . Пока этот метод не дал результатов, хотя те же детекторы успешно фиксируют нейтрино .
Косвенное обнаружение: Поиск гамма-лучей в центрах галактик, которые могли бы возникнуть при аннигиляции тёмной материи и её антипода . Этот метод сложен, так как подобные сигналы могут исходить от обычных объектов, например, нейтронных звёзд .
Производство на коллайдерах: Попытки создать частицы тёмной материи при столкновении протонов . Если такая частица родится, она просто улетит из детектора, но учёные заметят её по закону сохранения импульса — как «недостающую» энергию .

Проблема поиска заключается в колоссальном диапазоне масс: частица тёмной материи может весить как целый астероид или быть гораздо легче электрона . Астрономические методы поиска компактных объектов через микролинзирование (проекты MACHO и OGLE) в 90-х годах позволили исключить объекты тяжелее трети массы Луны [2:38:27, 2:42:39]. Однако в области сверхлегких частиц пространство поиска всё ещё огромно .

Путь в науку: от фантастики до безумных часов в лаборатории 2:43:00

Дон Линкольн делится личной историей, которая началась в бедной семье в захолустье . Его родители не имели высшего образования, и мать признавалась, что перестала понимать его домашние задания по математике уже в шестом классе . Стать физиком ему помогли три фактора: страстное чтение научной фантастики, любознательность и великие популяризаторы науки .

В 1970-х годах Дон зачитывался книгами Айзека Азимова, Карла Сагана и Джорджа Гамова, которые умели объяснять сложные вещи простым языком . Его всегда интересовали фундаментальные вопросы, которые раньше считались теологическими или философскими: как возникла Вселенная и почему её законы именно такие . В колледже он даже взял дополнительные курсы по философии и религии, чтобы понять историю этих вопросов, но быстро осознал, что ответы нужно искать в науке .

Выбор между космологией и физикой частиц в середине 80-х был продиктован прагматизмом: в космологии тогда было слишком много теорий и мало измерений . В физике элементарных частиц же можно было ставить реальные эксперименты и получать конкретные ответы . Дон вспоминает, что в аспирантуре он работал с одержимостью: с понедельника по субботу он находился в лаборатории с 8 утра до полуночи . В воскресенье он позволял себе уйти в пять вечера, чтобы успеть постирать вещи и купить продукты .

Наука как призвание и «грит» 2:50:22

По мнению Дона Линкольна, настоящего учёного от просто умного человека отличает не только интеллект, но и то, что в английском языке называют «grit» — твердость характера и упорство . Для него научная задача — это личный вызов. Если эксперимент не работает, это не повод для уныния, а повод для спортивной злости на Вселенную: «Я не позволю лаборатории победить меня» .

Сегодня Дон Линкольн уделяет много времени популяризации науки, записывая видео и сочиняя книги . Он делает это для того, чтобы какой-нибудь ребенок в условной Айове или Монтане, не имеющий доступа к элитным школам, мог увидеть путь в науку . Его усилия приносят плоды: в Fermilab к нему нередко подходят стажеры и говорят, что выбрали физику после просмотра его роликов .

Завершая разговор, Лекс Фридман и Дон Линкольн подчеркивают, что работа учёного, несмотря на трудности, приносит глубочайшее удовлетворение, сравнимое с трудом музыканта или художника . В конце подкаста Лекс приводит знаменитую цитату Марии Кюри: «В жизни нет ничего, чего следовало бы бояться. Есть только то, что нужно понять» .