Текст книги "Падение Рыжего Орка (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 22 страниц)
Однако что такое спонтанное нарушение симметрии? Самый наглядный пример спонтанного нарушения симметрии можно увидеть за круглым банкетным столом, все места за которым заняты. Между присутствующими лежат салфетки. Картина расположения салфеток на столе совершенно симметрична. Рядом с любым человеком, справа и слева от него, лежит по салфетке. Но симметрия спонтанно нарушается, как только один из присутствующих возьмет салфетку. Он может взять любую, справа или слева. Однако теперь все должны брать салфетки с той же стороны. Если кто-нибудь поступит иначе — он оставит одного из присутствующих без салфетки, хотя не рядом с ним останется лишняя. Теперь зачастую кладут салфетки на тарелку, стоящую перед каждым посетителем, так что симметрия не может быть нарушена.
Нечто похожее (не внешне, а по существу) наблюдается в куске железа. Каждый атом железа ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Тепловые колебания заставляют атомы принимать все возможные ориентации в пространстве, поэтому их магнитные поля ориентированы симметрично во всех направлениях и компенсируют друг друга. Такой кусок железа не обладает свойствами магнита. Но если температура падает, множество соседних атомов могут вдруг ориентировать свои магнитные поля в одинаковом направлении. Возникает спонтанное намагничивание отдельных частей куска железа. Иногда это спонтанное намагничивание может распространиться по всему куску. Тогда весь кусок железа станет магнитом.
Родственный процесс спонтанного нарушения симметрии электромагнитного поля, а следовательно, и состояний электронов внутри металла при понижении температуры, приводит к одному из поразительнейших явлений — явлению сверхпроводимости. Обычно в металлах часть электронов свободна, они движутся внутри металла, как атомы газа в сосуде, каждый независимо от других. Электроны имеют спин 1/2, подчиняются статистике Ферми — Дирака и соответствующим правилам запрета. Когда температура падает ниже определенной критической температуры, электроны внезапно группируются попарно так, что их спины оказываются скомпенсированными. Эти пары ведут себя совсем иначе. Каждая пара выступает как своеобразная частица — квазичастица — со спином, равным нулю, поэтому они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Все пары ведут себя одинаково, и ни одна из них не может выделиться из коллектива. Они ведут себя не как газ свободных частиц, а как единая сущность, как своеобразная сверхтекучая жидкость, льющаяся сквозь металл, не взаимодействуя с его решеткой. Так возникает явление сверхпроводимости: сверхтекучая жидкость, состоящая из электронных пар, течет в металле, не испытывая сопротивления, не теряя энергию. Электрический ток в сверхпроводнике может течь вечно, не расходуя энергию. Это поразительное явление долго оставалось тайной, пока за разгадку не принялась квантовая теория.
В сверхпроводнике электроны оказываются связанными в пары, как дети, перебрасывающиеся мячом. Мяч не позволяет им разойтись слишком далеко. Для электронов этим мячом являются фотоны, которыми они обмениваются в процессе взаимной компенсации своих спинов. Этот процесс напоминает компенсацию спинов электронов при соединении двух атомов водорода в молекулу. В обоих случаях компенсация спинов осуществляется путем обмена фотонами.
Спонтанное изменение симметрии электромагнитного поля приводит не только к спариванию электронов и переходу металла в сверхпроводящее состояние, но вызывает еще одно поразительное следствие: фотоны, реализующие это поле, приобретают массу. В недрах металла рождается нигде ранее не виданная материя! Этот удивительный факт подтверждается тем, что магнитное поле может проникнуть в глубь сверхпроводника только на очень малую глубину. Попытка втолкнуть его внутрь сверхпроводника увеличением напряженности магнитного поля приводит к восстановлению симметрии внутреннего электромагнитного поля металла и разрушению сверхпроводимости. Так ученые столкнулись с невообразимым фактом: спонтанное изменение симметрии поля способно сообщить массу покоя частицам, лишенным такой массы в обычных условиях!
В 1961 году Глэшоу первым попытался использовать это при построении теории элементарных частиц. В 1967 году Вайнберг создал первую теоретическую модель, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия объединены в определенную симметричную систему, а различия между ними вызваны спонтанным нарушением этой симметрии. При этом он основывался на работе Хиггса, который еще за три года до того показал, что спонтанное нарушение симметрии может приводить к изменениям масс различных частиц, как это происходит с фотоном при возникновении сверхпроводимости. Через несколько месяцев подобную гипотезу независимо высказал Салам, теперь ее обычно называют моделью Вайнберга — Салама.
Только в 1977 году три различные группы экспериментаторов, одна в Швейцарии (в работе участвовало 55 ученых) и две в США, довели до бесспорного результата начатые в 1973 году наблюдения, доказывающие существование кванта поля слабых взаимодействий — промежуточного векторного бозона. Название получилось сложным, ибо оно должно было характеризовать свойства гипотетической частицы: «промежуточный» означает, что она имеет массу покоя, величина которой лежит между массами нуклонов и очень тяжелых частиц гиперонов. «Векторный бозон» означает, что частица родственна фотону, то есть обладает целочисленным спином и подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна.
Огромное значение этих опытов состоит в подтверждении глубокого родства между слабыми и элекромагнитными взаимодействиями, двумя из четырех фундаментальных сил, образующих все многообразие известного нам мира. В 1979 году заслуги Глэшоу, Вайнберга и Салама, объединивших слабые и электромагнитные взаимодействия, были отмечены Нобелевской премией.
Недавно астрофизики нашли еще одно подтверждение единства электромагнитных и слабых взаимодействий. Симметрия, объединяющая поле, порождающее эти взаимодействия, позволила понять процессы, приводящие к возникновению «сверхновых» звезд. Появились надежды на то, что спонтанное нарушение симметрии, приводящее к различию слабых и электромагнитных взаимодействий, позволит вычислить, то есть указать механизм, приводящий к тому, что масса нейтрона на 0,13 % превышает массу протона.
Эти вдохновляющие успехи снова возродили веру, восходящую к Эйнштейну, веру в то, что удастся создать единую теорию всех полей, существующих в природе.
Ищите гравитоны!
Сейчас мы можем полностью присоединиться к предсказанию Эйнштейна о том, что существование элементарных частиц должно вызвать радикальную перестройку теории тяготения (общей теории относительности). Мы должны признать и то, что Эйнштейн не сумел реализовать это из-за глубокого предубеждения против вероятностной трактовки квантовой механики, казавшейся ему временным промежуточным этапом ее развития. Окончательный приговор вынесет будущее. Но сейчас другого пути нет, и к этой ситуации полностью относятся слова Эйнштейна, написанные им по другому поводу: «В свете уже достигнутых результатов счастливо найденное кажется почти само собой разумеющимся и любой толковый студент усваивает теорию без большого труда».
Теория поля тяготения, развитая Эйнштейном в форме общей теории относительности, предсказавшая отклонение света вблизи Солнца, красное смещение в звездных спектрах и запаздывание радиосигналов, проходящих около Солнца, объяснившая аномалию движения Меркурия, останется навсегда в фундаменте науки о макромире. Для применения к микромиру она нуждается в дальнейшем развитии, аналогичном тому, которое превратило классическую электродинамику Максвелла в квантовую электродинамику. Прежде всего нужно попытаться конкретизировать свойства гравитонов — частиц, реализующих действие гравитационного поля, то есть сделать то, что сам Эйнштейн произвел для электромагнитного поля, постулировав существование его квантов-фотонов и показав связь между их энергией и длиной волны или частотой света. Предсказав существование гравитонов, необходимых для того, чтобы излучение гравитационных волн не разрушило атомы, Эйнштейн не сделал попытки установить свойства этих частиц.
Гравитоны еще никто не наблюдал. Это очень трудная задача, и нельзя сказать, когда она будет решена. Но основные свойства гравитонов уже известны, а многие можно предугадать. Давайте рассуждать. Поле тяготения действует на больших расстояниях. Значит, гравитоны подобно фотонам не имеют массы покоя и движутся со скоростью света. Их спин должен быть равным целому четному числу, потому что нечетный целочисленный спин приводит к взаимному отталкиванию, а гравитация дает только притяжение. Спин, равный нулю, исключается, иначе гравитоны не могли бы вызвать отклонения фотонов вблизи тяжелых масс, а отклонение света вблизи Солнца подтверждено опытом. Может быть, спин гравитона равен 2? Правдоподобно. Двойка — наименьшее простейшее четное число, значит, следуя мысли Ломоносова, нужно остановиться на ней, чтобы не вызывать излишних осложнений. Это предположение удовлетворяет всем опытным фактам, и нет оснований отказываться от него до открытия опровергающих фактов.
Зная основные свойства гравитонов, теоретики могут пойти и противоположным путем. Построив последовательную квантовую теорию поля, в которой гравитационные силы реализуются безмассовыми частицами со спином 2, они приходят к общей теории относительности Эйнштейна. При этом сила тяготения, сила инерции и центробежная сила возникают в результате локального нарушения симметрии пространства, вызванного присутствием вещества, ускорением или вращением тел относительно всех остальных масс Вселенной.
Дальше в игру включается идея суперсимметрии, объединяющей бозоны (фотоны, гравитоны и другие частицы и античастицы, имеющие целочисленный спин) с фермионами (электронами, протонами, нейтронами и другими, а также их античастицами, имеющими полуцелый спин). Суперсимметрия объединяет, например, бозон со спином 1 в одну суперчастицу вместе с фермионами, имеющими спин 1/2 и 3/2– Подобные рассуждения привели ученых к мысли о необходимости и неизбежности существования партнера гравитона. Он получил наименование «гравитино». (Маленький гравитон или, по-итальянски, гравитончик). Гравитино, как и гравитон, еще не удалось наблюдать. Обнаружить его очень трудно, ибо соответствующие ему силы тяготения заметны только на микроскопических расстояниях.
Так, глубокие раздумья позволили ученым обнаружить общность в свойствах различных частиц там, где без привлечения понятия симметрии все казалось разрозненным и чуждым. Отыскивая и находя симметрию свойств ряда частиц, ученые смогли сгруппировать микрочастицы в семейства наподобие того, как Менделеев сделал это с химическими элементами. Удалось предсказать свойства ряда неизвестных частиц, которые затем были обнаружены. Так было предсказано существование суперэлементарных частиц — кварков и глюонов, — частиц поля, объединяющего кварки в тяжелые частицы — нуклоны и мезоны.
Многие ученые считают, что с существующим набором частиц уже сегодня можно получить нечто подобное таблице Менделеева: разместить в некую единую систему частицы, которые мы теперь считаем элементарными, и оставить место для еще не открытых. На звание элементарных частиц, кроме гипотетического гравитона и гравитино, — частиц, которых пока никто не наблюдал, но в существовании которых не следует сомневаться, претендуют электрон, мюон, несколько типов нейтрино, недавно открытые родственники электрона и мюона — тяжелые лептоны, — и кварки, из которых состоят протон, нейтрон и другие тяжелые частицы.
Из известных частиц пока лишь мюон не находит себе места в классификации элементарных частиц новой теории. Не решен в ней и вопрос об элементарности промежуточного векторного бозона.
Известны и другие варианты «таблиц Менделеева» — обобщенных теорией суперсимметрии. В них «помещается» меньшее количество элементарных частиц. Какая из теорий ближе к реальности — еще не известно. Все они симметричны. Если внутренняя симметрия, объединяющая в них частицы с одинаковыми спинами, является локальной, то теория приводит к появлению фундаментальных сил. Так, в принципе, возникает теория, объединяющая гравитацию с электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями. Когда такая принципиальная возможность будет реализована и воплощена в математических формулах, сбудется главная мечта Эйнштейна и осуществится главная цель физики: родится единая теория поля, в которой могут найти место все большие и малые тела Вселенной — галактики и пылинки, внегалактические космические миры и элементарные кирпичики мироздания. Так, возможно, родится теория — ясная, прозрачная, доступная пониманию даже ребенка, как писал об этом исследователь природы, равного которому тюка не дало человечество.
А пока теория суперсимметрии и ее обобщения не завершены. Еще не удалось получить математического описания процессов спонтанного нарушения суперсимметрии. Ни для одной из «элементарных» частиц, входящих в эту теорию, не удалось вычислить массу покоя. Но многие реальные элементарные частицы, несомненно, обладают ею. Поэтому, чтобы теория суперсимметрии вошла в арсенал науки, необходимо выразить ее в уравнениях, способных описать спонтанные нарушения суперсимметрии и дать возможность вычислить возникающие при этом массы частиц.
Применение идеи суперсимметрии привело к созданию непротиворечивой теории гравитации, получившей название супергравитации. Она пока не позволила сделать новых предсказаний, поэтому не может быть ни подтверждена, ни опровергнута опытом. Однако к теории супергравитации следует отнестись с полным вниманием потому, что она допускает дальнейшее обобщение. Все это открывает надежду на реализацию самой заманчивой мечты — объяснение того, почему существуют именно те элементарные частицы, которые мы знаем.
Теории супергравитации и суперсимметрии все время совершенствуются. Параллельно с ними развиваются другие теории, тоже основанные на идее единства природы и ее симметрии. Эти теории возникли для объяснения многочисленных закономерностей свойств микрочастиц, которые обнаруживаются во все возрастающем количестве экспериментов. Ученые уверены — эти закономерности не случайны. Но выявить связь между ними пока не удается. Картина природы становится все более сложной и запутанной. Так бывало перед очередным радикальным прорывом к истине…
Впереди еще долгий путь. Идущие по нему полны надежд. Их не пугают неизбежные трудности, они готовы к разочарованиям, но уверены в конечном торжестве науки, к которому ведет бесконечное число шагов…
ХИМЕРЫ КОСМОСА
Весть о рождении Вселенной
Мы подошли к моменту истории, когда стало возможно провести уникальный, неслыханный по своей дерзости и отваге мысленный опыт. Опыт, которому нет аналога в истории человеческой мысли. Опыт, который символизирует неограниченные возможности человеческого разума. Опыт, который легко можно было бы счесть цирковым номером, обманом ловкого иллюзиониста, если бы этот мысленный эксперимент в каждой детали, в каждой мелочи не был исчерпывающе аргументирован.
В этом эксперименте, как в фокусе, скрестились все лучи человеческих знаний в самых различных областях: в учении о движении, об электрических и магнитных явлениях, все откровения квантовой теории материи и парадоксальные утверждения теории относительности. Оказались мобилизованы все наши знания о противоречивой фактуре элементарных частиц, законах их взаимодействий. Все слилось в едином интеллектуальном напряжении — и человек мысленным взором проник на край бытия, представил и рассчитал до мгновения акт рождения мира.
Современный взгляд на происхождение Вселенной разрабатывали ученые разных стран: советский физик-теоретик академик Зельдович, ученые Хойл и Тайлер из Великобритании и другие. Первый решающий шаг сделали Гамов, Альфер и Херман в США. Они набросали исходный вариант сценария развития Вселенной, в начале которого все вещество, вся энергия были сосредоточены в очень малом объеме. Все началось с Большого взрыва, в ходе которого сверхплотная и сверхгорячая материя начала расширяться, увлекая с собой пространство. Они же предсказали существование древнего свидетеля первых мгновений творения мира. Этот свидетель — реликтовое излучение (relictum, латинское — остаток), которое, сохранившись от Большого взрыва, должно равномерно пронизывать космос. Как это, к сожалению, бывает в науке, никто не обратил внимания на их предсказание.
Можно представить себе нетерпение читателя: обнаружен ли этот свидетель? Подтвердил ли он фантастические домыслы физиков?
Тут в наше повествование вторгаются радиоастрономы со своими проблемами, которые, казалось бы, не имели никакого отношения к проблемам теоретической физики, но логика науки диктует свои законы…
В 1965 году радиоастрономические наблюдения позволили Пензиасу и Вилсону открыть удивительное излучение, приходящее к Земле со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Задачей исследователей было изучение шумов, приходящих из космоса в диапазоне сантиметровых волн, избранном для создания систем связи при помощи искусственных спутников Земли. Нужно было узнать характер ожидаемых шумов, распределение их источников по небосводу, интенсивность. Одновременно проводилось изучение свойств большой рупорной антенны, при помощи которой предполагалось проводить радиоастрономические исследования на волне 21 см — на этой волне «поют» атомы космического водорода. Вначале исследования проводились на волне 7,35 см.
Радиоастрономы в то время уже привыкли оценивать величину шумов своих приемников и антенн при помощи эквивалентной температуры идеального сопротивления, нагревание которого порождает такой же шум. Так в науку вошел термин «шумовая температура». По этой оценке шумовая температура их антенны составила всего 0,9К (градусов Кельвина). Шумовое излучение атмосферы добавляло на волне 7,35 см еще 2,3К.
Мы акцентируем внимание читателя на этих цифрах, так как именно из-за совсем крошечной неувязки в числах, показавшейся сначала ошибкой, было сделано одно из самых важных открытий всех времен. Измерения давали 6,7К. Избыток, величиной в 3,5 К, был достоверно установлен с погрешностью не более ±1,0 К. Для того чтобы обеспечить такую точность, пришлось выселить из антенны пару гнездившихся в ней птиц и тщательно очистить от их помета внутреннюю поверхность антенны. Избыток шума оставался постоянным независимо от времени суток и не претерпевал сезонных изменений. В течение всех наблюдений антенна оставалась постоянно направленной в зенит так, что, вращаясь вместе с Землей, она постепенно «прослушивала» обширную часть небесного свода. Создавалось впечатление, что антенна и сама Земля купаются в потоке радиоизлучения, наполняющем Вселенную. Потоке, не имевшем определенного источника, приходящем и с тех направлений, где ни оптические, ни радиотелескопы не фиксировали никаких небесных объектов. Казалось, что излучает само пространство, независимо от наличия в нем каких-либо тел.
Подобного еще не наблюдали ни в одном из освоенных участков диапазона электромагнитных волн. Вспомним, что одно из возражений против бесконечности размеров и против стационарности Вселенной, содержащей бесконечное количество звезд, сводилось к тому, что в этом случае небосвод должен был бы казаться светящимся суммарным светом этих бесчисленных звезд. Это возражение названо парадоксом Ольбертса, по имени астронома, впервые задумавшегося над тем, почему яркость небосвода и днем и ночью не равна яркости солнечного диска.
Убедившись в том, что они действительно обнаружили излучение, приходящее из космоса и не изменяющее своих свойств ни со временем, ни с направлением на небосводе, и не находя никакого объяснения этому феномену, Пензиас и Вилсон обратились к астрофизикам. При определении диагноза сработала цепочка совпадений, которые некоторые исследователи склонны отнести за счет случая, а другие считают закономерным результатом разветвленных связей, свойственных современной науке. Подобные связи нередко называют «незримыми колледжами», подчеркивая этим сотрудничество ученых, работающих в различных организациях, а иногда на различных континентах.
Началось с того, что Пензиас, сотрудник фирмы Белл, позвонил по телефону знакомому радиоастроному Бурку, работавшему в Массачусетском технологическом институте, по вопросу, не связанному с шумами антенны. Но Бурк знал о работе Пензиаса и спросил его о том, как движутся измерения шумов. Ответ гласил: хорошо, но есть некоторые неясности — избыточный шум, источник которого неизвестен. Тогда Бурк рассказал о том, что его коллега Туркер из института Карнеги слышал доклад молодого теоретика из Принстона Пиблса о том, что должно существовать шумовое излучение, оставшееся от ранней эпохи развития Вселенной, что оно должно иметь температуру около 10 К и приходить равномерно со всех сторон. Бурк сказал, что принстонские теоретики могут прояснить сомнения Пензиаса и Вилсона. Пензиас позвонил в Принстон физику Дике. Оказалось, что незадолго до того Пиблс, один из сотрудников Дике, исходя из теоретического исследования следствий нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного еще в 1922 году Фридманом, пришел к выводу о том, что на ранней стадии своего развития Вселенная должна была быть заполнена электромагнитным излучением. Это излучение должно было находиться в равновесии с веществом и препятствовать синтезу гелия и более тяжелых ядер из первоначальной массы протонов и нейтронов. Ведь и сейчас протоны составляют примерно три четверти всего вещества Вселенной. Теория предсказывала, что спектр этого излучения должен быть спектром излучения черного тела, а его температура должна падать по мере расширения Вселенной, предсказанного Фридманом. Дике предложил своим сотрудникам Роллу и Уилкинсону проверить расчеты Пиблса опытным путем. Они начали готовить антенну и приемник, предназначенные для работы на волне 3,2 см. Но звонок Пензиаса известил их о том, что они опоздали. Открытие уже свершилось.
После тщательного сопоставления опыта и теории и уточненных расчетов в Астрофизический журнал были направлены две статьи. Статья Дике, Пиблса, Ролла и Уилкинсона под названием «Излучение черного тела из космоса» напечатана в 1965 году на странице 414 этого журнала. На странице 419 того же номера можно увидеть статью Пензиаса и Вилсона «Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц».
В 1978 году, когда выдающееся значение наблюдений Пензиаса и Вилсона, подтвердивших реальность гипотезы Большого взрыва, вытекающей из решения Фридмана, было в достаточной мере осознано, они стали лауреатами Нобелевской премии. Но в 1965 году еще предстояло убедиться в том, что спектр излучения, приходящего со всех сторон на Землю, действительно совпадает со спектром черного тела. Совпадение измеренной температуры с расчетной на одной длине волны казалось недостаточным. Нужно было повторить измерение еще по крайней мере на одной длине волны. Ролл и Уилкинсон сделали это. Результат, полученный на волне 3,2 см, совпал с тем, что должно быть для черного тела, нагретого примерно до 3 К. За истекшее время диапазон длин волн, использованных для измерений этого излучения, был существенно расширен от «средних» радиоволн с длиной волны около 300 м до гамма-лучей, хотя этот обширный диапазон изучен далеко не сплошь. Но и тех наблюдений, которые уже получены, достаточно, чтобы подтвердить наличие изотропного излучения, соответствующего излучению черного тела, нагретого до трех градусов выше абсолютного нуля.
Гипотеза Большого взрыва, как уже сказано, является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с его решением Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстоянии космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно.
Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Она хорошо обоснована астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик.
Великая симметрия
Еще в 1973 году Глэшоу и Джорджи предложили теорию, которая позволяет приступить к анализу событий, происходивших после того момента времени, который отстоит на ничтожную долю секунды от начала Большого взрыва. Эта теория еще не завершена, однако она уже позволила сделать ряд предсказаний, хорошо согласующихся с опытом. Непосредственная задача, привлекавшая ученых, по существу, совпадала с мечтой Эйнштейна: создать теорию, которая объединяла бы в единое целое все известные поля, все силы, действующие в природе, теорию, способную объяснить, почему известные нам частицы обладают теми свойствами, которыми они обладают, и предсказать свойства еще неизвестных частиц. Более конкретно это звучало так — свести все известные поля и силы к единому полю, порождающему эти силы, объединить все частицы в единое упорядоченное семейство, построить аналог таблицы Менделеева для частиц.
Теория Глэшоу и Джорджи открывает путь к объединению описания микромира и Вселенной. Эта теория основана, в существенной мере, на понятии «симметрия», используемом в самом широком смысле. В этой книге мы не раз встречались с различного рода проявлениями симметрии.
Сейчас мы еще раз призовем ее на помощь, чтобы убедиться в том, что единство природы простирается от колоссальных масштабов Вселенной до мельчайших элементарных частиц. Убедиться, что законы Природы едины. хотя в зависимости от конкретных условий решающую роль играют не все сразу, а лишь часть из них, в то время как другие отступают на второй план, чтобы выдвинуться вперед при других условиях.
Все примеры проявления симметрии, встречавшиеся на нашем пути, свидетельствуют о том, что повышение температуры, усиление хаотичного теплового движения приводят к разрушению порядка, к устранению особых свойств, проявляющихся в нарушении симметрии. Чем выше температура, тем совершеннее симметрия, тем менее вероятны устойчивые отклонения от симметрии.
Современный взгляд на развитие Вселенной состоит в том, что первоначальная температура исходного образования была столь высокой, что это образование являло собой высшую возможную в природе степень симметрии. Каково содержание этих слов?
Сильно огрубляя картину, можно сказать так: первоначальная температура была столь велика, что вся материя и эквивалентная ей энергия представляли однородное образование, а все известные силы природы сравнялись между собой по величине своего действия и слились в единою силу. Если и была среди них «самая сильная», то это, по-видимому, гравитация, та, которая является самой слабой из известных сил, действующих в современном мире. Причиной этого является огромная плотность первичной материи и энергии, много большая, чем плотность нейтронных звезд. Более того, в связи с основными положениями общей теории относительности — теории гравитации, можно, так же огрубляя, сказать, что все пространство в то время было сосредоточено в области, заполненной этой сверхплотной сверхгорячей материей. Вне этой области не было ничего — ни материи, ни пространства.
В том изначальном состоянии, с которого начался Большой взрыв, вся Вселенная была сжатой до таких малых размеров, а ее температура достигала столь высоких значений, что даже протоны и нейтроны не могли сохраняться как целое, а составляющие их сверхэлементарные частицы — кварки — теряли последнюю симметрию своего взаимодействия, что позволяло им сблизиться еще ближе, чем тогда, когда они образуют тяжелые частицы.
Именно так объясняется колоссальное увеличение плотности материи и энергии в изначальные мгновения. Все объединилось в исходный период — материя, энергия, пространство. При этом понятие «пространство» включает в себя и время, ибо это четырехмерное «пространство — время» теории относительности.
По причине, нам неизвестной, это исходное и сверхсимметричное состояние неустойчиво. Мир выходит из него, спонтанно (самопроизвольно) расширяясь. При этом увеличение размеров пространства тесно связано с расширением содержащейся в нем материи и энергии. Плотность и температура быстро уменьшаются. Говоря «быстро», нужно помнить, что время внутри и вблизи такой огромной массы (объединяющей всю массу Вселенной), в соответствии с общей теорией относительности, течет очень медленно по сравнению с нашими масштабами времени. Однако, для того чтобы не терять связи с привычными понятиями, мы будем пользоваться общепринятыми единицами — сантиметрами для измерения расстояний в пространстве и секундами для измерения промежутков времени.
Оценки показывают, что измеренная по современной шкале температура исходного сверхплотного сгустка превышает огромную величину, содержащую по крайней мере 22 нуля после какой-нибудь значащей цифры. В связи с тем, что на ближайших страницах нам придется часто иметь дело с такими огромными числами, условимся применять для них сокращенную запись, а именно: указывать количество нулей соответствующей степенью числа 10. В данном случае это 1022 К, где К указывает, что температура измерена по шкале Кельвина.
В этом адском котле постоянно рождаются и немедленно аннигилируют все известные и еще неизвестные нам частицы. При этом невозможно обнаружить никаких индивидуальных различий между ними даже на расстояниях столь малых, что перед первой значащей цифрой, выражающей эти расстояния, стоят 33 нуля. (Для сокращения записи мы будем писать 10–33 см, где знак «минус» в показателе степени означает, что нули стоят перед единицей.) На этих малых расстояниях наиболее слабое из известных полей — гравитационное поле — оказывается столь же сильным, как остальные известные поля — электромагнитное, слабое и сильное.
