Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 52 страниц)

Объединение в охлаждающейся Вселенной

В то время как газообразный пар конденсируется в жидкую воду при 100°C, а жидкая вода замерзает в твёрдый лёд при 0°C, теоретические изыскания показали, что поле Хиггса конденсируется в ненулевую величину при миллионе миллиардов (10 ¹⁵) градусов. Это почти в 100 млн раз превышает температуру в центре Солнца, и это то значение, до которого, как мы думаем, температура Вселенной упала примерно к одной сотой от миллиардной (10 ⁻¹¹) доли секунды после Большого взрыва. До момента 10 ⁻¹¹с после Большого взрыва поле Хиггса сильно флуктуировало, но имело нулевую среднюю величину; как вода выше 100°C не может сконденсироваться, так и океан Хиггса при таких температурах не мог сформироваться, поскольку было слишком жарко. Океан немедленно испарился бы. Но без Хиггсова океана сопротивления ускоренному движению, которому подвергаются частицы, не было (папарацци исчезли), что означает, что все известные частицы (электроны, u-кварки, d-кварки и остальные) имели одинаковую массу: нуль.

Это наблюдение частично объясняет, почему возникновение океана Хиггса описывается как космологический фазовый переход. Фазовые переходы от пара к воде и от воды ко льду сопровождаются двумя важными процессами: происходит качественное изменение во внешнем виде объекта и фазовый переход сопровождается уменьшением симметрии. Мы видим те же две особенности при формировании океана Хиггса. Во-первых, произошли существенные качественные изменения: те типы частиц, которые были безмассовыми, внезапно приобрели ненулевые массы – массы, которые они имеют и сейчас. Во-вторых, это изменение сопровождалось уменьшением симметрии: до формирования океана Хиггса все частицы имели одинаковую – нулевую – массу, что является высокосимметричным состоянием. Если бы вы поменяли массу частиц одного типа на массу частиц другого типа, никто бы этого не заметил, поскольку все массы были одинаковыми. Но после конденсации океана Хиггса массы частиц получили ненулевые – и не равные – величины, так что симметрия между массами была нарушена.

Фактически, уменьшение симметрии при возникновении океана Хиггса является ещё более широким. Выше 10 ¹⁵градусов, когда поле Хиггса ещё не сконденсировалось, безмассовыми являются не только все виды фундаментальных частиц материи, но также, без сопротивления океана Хиггса, безмассовыми являются и все частицы – переносчики сил. (Сегодня W– и Z-частицы – переносчики слабого ядерного взаимодействия – имеют массы около 86 и 97 масс протона.) И, как впервые было открыто в 1960-е гг. Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, безмассовость частиц всех сил сопровождалась другой, потрясающе красивой симметрией.

В конце 1800-х гг. Максвелл понял, что электричество и магнетизм, хотя они некогда воспринимались как две совершенно разные силы, на самом деле являются различными составляющими одной и той же – электромагнитной силы (см. главу 3). Его труд показал, что электричество и магнетизм дополняют друг друга; они представляют собой инь и ян более симметричного единого целого. Глэшоу, Салам и Вайнберг открыли следующую главу в этой истории объединения. Они поняли, что до того, как возник океан Хиггса, не только все частицы сил имели одинаковую массу – нуль, – но и фотоны, и W– и Z-частицы были идентичны ещё и в существенно другом смысле. ^{122} Точно так же, как снежинка не меняется при поворотах, которые меняют местами положения её лучей, физические процессы в отсутствие океана Хиггса не будут меняться при взаимозаменах частиц электромагнитных и слабых ядерных сил – при определённых взаимных заменах фотонов и W– и Z-частиц. И так же, как нечувствительность снежинки к поворотам является выражением симметрии (вращательной симметрии), нечувствительность к заменам частиц, переносящих взаимодействия, также отражает симметрию, которая по техническим причинам называется калибровочной симметрией. Она имеет глубокие следствия. Поскольку эти частицы являются переносчиками соответствующих сил, симметрия между ними означает, что имеется симметрия и между силами. Следовательно, при достаточно высокой температуре, при такой температуре, которая испарила бы сегодняшний заполненный полем Хиггса вакуум, нет различия между слабой ядерной силой и электромагнитной силой. То есть при достаточно высокой температуре океан Хиггса испаряется; когда это происходит, испаряется и разница между слабыми ядерными и электромагнитными силами.

Глэшоу, Вайнберг и Салам обобщили открытие Максвелла столетней давности, показав, что электромагнитные силы и слабые ядерные силы на самом деле являются частью одной и той же силы. Они объединилиописание этих двух сил в то, что сейчас называется электрослабойсилой.

Симметрия между электромагнитными и слабыми ядерными силами не проявляется сегодня, поскольку при охлаждении Вселенной возник Хиггсов океан и, что существенно, фотоны и W– и Z-частицы взаимодействуют с конденсированным полем Хиггса по-разному. Фотоны проносятся через океан Хиггса так же легко, как второсортный киноартист легко прошёл бы сквозь папарацци, и поэтому остаются безмассовыми. Однако W– и Z-частицы, как Билл Клинтон и Мадонна, с трудом прокладывают себе путь, приобретая массы в 86 и 97 масс протона соответственно. (Замечание: Эта аналогия не соблюдает масштабы.) Вот почему электромагнитные силы и слабые ядерные силы столь различны в мире вокруг нас. Фундаментальная симметрия между ними «нарушена» или скрыта океаном Хиггса.

Это действительно результат, захватывающий дух. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, – электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, – на фундаментальном уровне являются частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого поля Хиггса, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, о чём мы обычно думаем как о пустом пространстве (как о вакууме, о пустоте), играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при достаточно высокой температуре, когда поле Хиггса испаряется, т. е. приобретает нулевое среднее значение во всём пространстве, полная симметрия, лежащая в основании законов природы, стновится явной.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W– и Z-частицы ещё не были открыты экспериментально. Только сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии дала им уверенность для продвижения вперёд. Их отвага увенчалась успехом. Через некоторое время W– и Z-частицы были открыты, и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за тем, что лежит на поверхности, – проникли взором сквозь туман пустоты – проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырёх сил природы. В 1979 г. им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я часто встречался с моим руководителем, физиком Говардом Джорджи. Обычно мне было нечего ему сказать, но это практически и не требовалось. Всегда было что-то, чем Джорджи хотелось поделиться с заинтересованными студентами. Как-то раз Джорджи был особенно возбуждён, и он быстро и воодушевлённо говорил в течение часа, несколько раз заполнив доску символами и уравнениями. Всё это время я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я не понял ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки его открытия, которое было названо великим объединением.

Великое объединение ставит вопрос, который естественным образом следует из успеха электрослабого объединения: если две силы природы в ранней Вселенной являлись частью единого целого, то может ли быть, что при ещё более высоких температурах и в ещё более ранние времена совершенно аналогично могут испариться различия между тремя или, возможно, всеми четырьмя силами, создав ещё бо́льшую симметрию? Это приводит к интригующей возможности, что на самом деле может быть существует одна единственная фундаментальная сила природы, которая через серию космологических фазовых переходов выкристаллизовалась в четыре кажущиеся различными силы, которые нам известны в настоящее время. В 1974 г. Джорджи й Глэшоу предложили первую теорию, позволяющую пройти часть пути до полного единства. Их теория великого объединениявместе с более поздними результатами Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберга предполагала, что три из четырёх сил – сильные, слабые и электромагнитные – являлись частью единой силы, когда температура превышала 10 млрд млрд млрд (10 ²⁸) градусов, – в несколько тысяч миллиардов миллиардов раз больше температуры в центре Солнца, – это экстремальные условия, которые существовали через 10 ⁻³⁵с после Большого взрыва. Выше этой температуры, предположили эти физики, фотоны, глюоны сильного взаимодействия, точно так же, как W– и Z-частицы, можно было свободно заменять друг на друга – это более сильная калибровочная симметрия, чем в электрослабой теории, – без каких-либо наблюдаемых последствий. Джорджи и Глэшоу, таким образом, предположили, что при таких высоких энергиях и температурах имеется полная симметрия между тремя видами частиц – переносчиков негравитационных сил, и потому имеется полная симметрия среди трёх негравитационных сил. ^{123}

Теория великого объединения Глэшоу и Джорджи также говорит, что мы не наблюдаем эту симметрию в мире вокруг нас, – сильные ядерные силы, которые удерживают вместе протоны и нейтроны в атомных ядрах, кажутся совершенно отличными от слабых или электромагнитных сил, – поскольку, когда температура упала ниже 10 ²⁸градусов, в игру вступил другой вид поля Хиггса. Это поле Хиггса называется полем Хиггса великого объединения (или, коротко, Хиггсом великого объединения). (Всякий раз, когда названия могут привести к путанице, поле Хиггса, относящееся к электрослабому объединению, называется электрослабым Хиггсом). Аналогично случаю его электрослабого родственника, Хиггс великого объединения сильно флуктуирует при температуре выше 10 ²⁸градусов, но расчёты предполагают, что он конденсируется в ненулевую величину, когда Вселенная охлаждается ниже этой температуры. И, как и с электрослабым Хиггсом, когда возник этот Хиггсов океан великого объединения, Вселенная прошла через фазовый переход с сопровождающим его понижением симметрии. В этом случае, поскольку океан Хиггса великого объединения оказывает различное влияние на глюоны и на другие частицы, сильное взаимодействие отщепилось от электрослабого взаимодействия, создав две различающиеся негравитационные силы там, где раньше была одна. Через крошечную долю секунды, после падения температуры ещё на миллиарды и миллиарды градусов, сконденсировался электрослабый Хиггс, заставив разделиться слабые и электромагнитные силы.

В то время как идея великого объединения красива, она (в отличие от электрослабого объединения) не подтверждена экспериментально. Тем не менее оригинальное предположение Джорджи и Глэшоу предсказывает некий остаточный след этой ранней симметрии Вселенной, который должен быть заметен и сегодня. Это следствие состоит в том, что протоны иногда могут превращаться в другие виды частиц (такие как антиэлектроны и частицы, известные как пионы). Но за многие годы тщательных поисков такого распада протона в сложных подземных экспериментах – именно такой эксперимент Джорджи возбуждённо описывал мне в своём кабинете годы назад – ничего не было найдено; это исключает оригинальное предложение Джорджи и Глэшоу. Однако с тех пор физики разработали вариации этой оригинальной модели, которые ещё не перечёркнуты такими экспериментами; однако ни одна из этих альтернативных теорий пока не подтверждена.

Среди физиков достигнут консенсус, что великое объединение является одной из великих, но ещё нереализованных идей в физике частиц. Поскольку объединение и космологические фазовые переходы оказались столь действенны для электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, многие чувствуют, что требуется только время, чтобы другие силы также были собраны в рамках объединённой схемы. Как мы увидим в главе 12, существенное продвижение в этом направлении было достигнуто недавно с использованием другого подхода – теории суперструн, – который впервые свёл всесилы, включая гравитацию, в объединённую теорию, хотя этот подход всё ещё, как принято говорить, находится в стадии интенсивной разработки. Но, что ясно даже сейчас уже только из электрослабой теории, та Вселенная, которую мы видим в настоящее время, обладает лишь остатками ослепительной симметрии, присущей ранней Вселенной.

Возвращение эфира

Концепция нарушения симметрии и её проявление через электрослабое поле Хиггса, несомненно, играют центральную роль в физике частиц и в космологии. Но приведённое выше обсуждение может оставить вас в недоумении по следующему поводу: если Хиггсов океан является невидимым нечто, которое заполняет то, что мы обычно понимаем под пустым пространством, не есть ли это просто другое воплощение давно дискредитированного понятия эфира? Ответ: да и нет. Объяснение: да, конечно, в некотором смысле Хиггсов океан имеет привкус эфира. Подобно эфиру, конденсированное поле Хиггса пропитывает пространство, окружает всех нас, проникает через любой материал и, как неотъемлемое качество пустого пространства (исключая случай, когда мы заново нагреем Вселенную выше 10 ¹⁵градусов, что мы, естественно, не можем сделать), оно переопределяет нашу концепцию пустоты. Но, в отличие от исходного эфира, который был введён как невидимая среда для переноса световых волн примерно так же, как воздух переносит волны звука, океан Хиггса не имеет отношения к движению света; он никак не влияет на скорость света, так что эксперименты на заре XX в., которые исключили представление об эфире благодаря изучению движения света, не затрагивают Хиггсов океан.

Более того, поскольку океан Хиггса никак не влияет на что-либо, движущееся с постоянной скоростью, он не выделяет ни одну систему отсчёта, тогда как эфир делал это. Напротив, даже с Хиггсовым океаном все наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью, остаются в совершенно одинаковом положении, а потому Хиггсов океан не конфликтует со специальной теорией относительности. Конечно, эти наблюдения не доказывают, что Хиггсов океан существует; однако они доказывают, что несмотря на определённое сходство с эфиром поля Хиггса не конфликтуют с теорией или экспериментом.

Однако если океан поля Хиггса существует, то это должно приводить к другим следствиям, которые будут экспериментально проверяемы в течение следующих нескольких лет. В качестве главного примера можно отметить, что точно так же, как электромагнитные поля состоят из фотонов, поля Хиггса состоят из частиц, которые, что не удивительно, называются частицами Хиггса. Теоретические расчёты показывают, что если имеется пронизанное Хиггсовым океаном пространство, частицы Хиггса должны быть среди осколков при высокоэнергетических столкновениях, которые будут иметь место в Большом адронном коллайдере [62]62
  Large Hadron Collider, LHC ( http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch). Ускоритель рассчитан на изучение взаимодействия протонов при столкновении частиц во встречных пучках, по 7 ТэВ энергии на частицу в пучке. Может работать также с тяжёлыми ионами. Запуск коллайдера был осуществлён 10 сентября 2008 г., но из-за технических проблем выход на проектную мощность запланирован на лето 2009 г. (Прим. ред.)


[Закрыть], гигантском ускорителе, построенном недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Грубо говоря, огромные по энергии столкновения протонов лоб в лоб должны быть в состоянии выбить частицу Хиггса из Хиггсова океана примерно так, как мощное подводное столкновение могло бы выбить молекулы H ₂O из Атлантического океана. В своё время эти эксперименты должны позволить нам определить, существует ли эта современная форма эфира или она последует за своим более ранним воплощением. Решение этого вопроса имеет критическое значение, поскольку, как мы видели, конденсация полей Хиггса играет глубокую и ключевую роль в нашем современном понимании фундаментальной физики.

Если Хиггсов океан не будет обнаружен, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдётся, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для придания правильной формы нашим математическим рассуждениям, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделало бы ещё две вещи. Во-первых, оно могло бы обеспечить прямое подтверждение существования древней эры, когда многие аспекты сегодняшней Вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Во-вторых, оно установит, что наше интуитивное понимание пустого пространства – как результата окончательного удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура падают настолько, насколько это возможно, – в течение длительного времени было наивным. Наипустейшее пространство не обязано быть состоянием абсолютной пустоты. Следовательно, в изучении пространства и времени в рамках науки, без обращения к сверхъестественному, мы вполне можем вернуться к мыслям Генри Мора (глава 2). Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства также может быть иллюзорной, поскольку пустое пространство, как мы понимаем, может всегда быть заполнено океаном поля Хиггса.

Энтропия и время

Хронология событий, представленная на рис. 9.2, содержит фазовые переходы, которые мы обсуждали в историческом контексте, и потому даёт нам хорошее понимание последовательности событий, через которые прошла Вселенная от Большого взрыва до яйца на вашем кухонном столе. Но критически важная информация всё ещё скрыта в размытом пятне в начале списка. Вспомним, что знание, с чего всё начинается, – откуда берётся порядок в стопке страниц романа «Война и мир», откуда берутся спрессованные молекулы углекислого газа в бутылке колы, как возникает начальное состояние Вселенной при Большом взрыве – является существенным для понимания, как они эволюционируют. Энтропия может возрастать, только если ей есть куда расти. Энтропия может возрастать, только если она начинала с низкой величины. Если страницы романа «Война и мир»начинаются с полного беспорядка, дальнейшие подбрасывания просто будут оставлять их в беспорядке; если Вселенная началась с полностью разупорядоченного высокоэнтропийного состояния, дальнейшая космическая эволюция будет просто сохранять этот беспорядок.

Рис. 9.2.Временна́я ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва

История, показанная на рис. 9.2, очевидно, не является хроникой непрерывного и неизменного беспорядка. Хотя отдельные симметрии терялись при космических фазовых переходах, общая энтропия Вселенной неуклонно возрастала. Следовательно, в начале Вселенная должна была быть высокоупорядоченной. Этот факт позволяет нам связать направление «вперёд» во времени с направлением возрастания энтропии, но нам всё ещё необходимо объяснить невероятно низкую энтропию – невероятно высокое состояние однородности – в только что рождённой Вселенной. Это требует, чтобы мы продвинулись назад, вглубь, ещё дальше и попытались больше понять о том, что было в начале, – в размытом пятне на рис. 9.2 – задача, к которой мы сейчас приступаем.

Глава 10. Препарирование взрыва
Что взорвалось?

Общее заблуждение состоит в том, что теория Большого взрыва является теорией возникновения космоса. Это не так. Большой взрыв – это теория, частично описанная в двух предыдущих главах, которая обрисовывает космическую эволюцию спустя доли секунды после чего-то, что привело Вселенную к существованию, но она совсем ничего не говорит о самом времени «нуль». А поскольку, в соответствии с теорией Большого взрыва, сам взрыв есть то, что предполагается произошедшим в начале, Большой взрыв не включает сам момент взрыва. Теория Большого взрыва ничего не говорит нам о том, что взорвалось, почему взорвалось, как оно взорвалось или взорвалось ли оно вообще на самом деле. ^{124} Фактически, если вы на секунду задумаетесь об этом, вы обнаружите, что Большой взрыв предстаёт перед нами совершенно загадочным. При чудовищных плотностях материи и энергии, характеризующих ранние моменты Вселенной, гравитация была силой, доминирующей над всеми другими силами. Но гравитация – притягивающая сила. Она заставляет вещи объединяться. Что же могло соответствовать расталкивающей силе, которая подтолкнула Вселенную к расширению? Казалось бы, какая-то мощная отталкивающая сила должна была играть критическую роль во время взрыва, но какая из природных сил могла бы это быть?

Много десятилетий этот самый основной из всех космологических вопросов оставался без ответа. Затем в 1980-е гг. в блистательной и новой форме было возрождено одно старое наблюдение Эйнштейна, дав толчок тому, что стало известно как инфляционная космология. И это открытие, наконец, отдало главную роль во взрыве достойной этого силе: гравитации. Это удивительно, но физики обнаружили, что в подходящих условиях гравитация может быть отталкивающей и, в соответствии с теорией, именно такие условия преобладали в течение самых ранних моментов космической истории. В течение интервала времени, для которого наносекунда могла бы показаться вечностью, ранняя Вселенная обеспечивала арену, на которой гравитация проявляла свою отталкивающую сторону, с неумолимой свирепостью расталкивая все области пространства друг от друга. Отталкивающее действие гравитации было столь мощным, что не только предопределило взрыв, но оно дало больше – намного больше, – чем кто бы то ни было раньше представлял. Благодаря инфляции ранняя Вселенная расширилась в ошеломляющее число раз больше по сравнению с тем, что предсказывает стандартная теория Большого взрыва, увеличив нашу космологическую перспективу до такой степени, что открытие последнего столетия, согласно которому наша Галактика не более чем одна среди сотен миллиардов, стало казаться совершенно незначительным. ^{125}

В этой и следующей главе мы обсуждаем инфляционную космологию. Мы увидим, что она обеспечивает «интерфейс» для стандартной модели Большого взрыва, предлагая критически важные модификации к утверждениям стандартной теории о событиях, происходивших в самые ранние моменты Вселенной. При этом инфляционная космология решает ключевые проблемы, которые находятся вне пределов досягаемости стандартной модели Большого взрыва, даёт ряд предсказаний, которые были экспериментально проверены и в недалёком будущем продолжат экспериментально тестироваться, и, наверное, самое поразительное, показывает, как квантовые процессы, благодаря космологическому расширению, могут впечатать крошечные морщины в ткань пространства, оставив видимый след в ночном небе. И, помимо этих успехов, инфляционная космология, подводя нас ближе чем когда-либо к объяснению стрелы времени, даёт возможность понять, как в ранней Вселенной могла образоваться чрезвычайно низкая энтропия.