Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

Стандартной модели, установили, что в этом лишенном массы высокотемпературном мире на физические процессы не оказывали никакого влияния отдельные акты обмена фотонами с частицами, переносящими слабые ядерные силы. То есть слабое взаимодействие было дальнодействующим и неотличимым от электромагнитных сил.

Существовала математическая симметрия, связывавшая обе эти силы и смешивавшая их в единое унифицированное электрослабое взаимодействие. Но когда температура первичной Вселенной упала ниже нарушающего симметрию хиггсовского перехода, объединенное электрослабое взаимодействие распалось на действующую на коротких расстояниях слабую ядерную силу и дальнодействующую электромагнитную силу.

Рис. 34. Остро заточенный карандаш, поставленный торчком, благодаря симметрии гравитационного поля Земли будет какую-то долю секунды стоять вертикально. Однако это симметричное состояние неустойчиво – карандаш быстро упадет. Его конечное горизонтальное состояние устойчиво – но оно нарушает симметрию управляющего его движением гравитационного поля. Объединяющие теории физики частиц говорят нам, что подобным же образом в благоприятных для жизни законах физики отразилось состояние с нарушенной симметрией, которое постепенно и случайно оформилось и застыло при расширении и остывании Вселенной после горячего Большого взрыва.

Таким образом, если приложить картину, которую рисует Стандартная модель физики частиц, к «плавильному тиглю» горячего Большого взрыва, получается, что Вселенная не родилась с теми значениями масс частиц и сил, которые мы наблюдаем сейчас. Это свойства состояния с нарушенной симметрией, которое оформилось и «застыло», только когда расширилась и остыла Вселенная. И это глубокое прозрение. Оно говорит нам, что на самых ранних стадиях космического расширения некоторые основные структурные физические законы эволюционировали совместно со Вселенной, которой они управляли. Физики говорят, что известные нам законы физики частиц есть действующие законы – правила, которые соблюдаются только в мире относительно низких энергий и температур, возникшем через некоторое время после начала расширения Вселенной.

Замечательно в этих действующих законах физики частиц то, что мы можем открывать и использовать их, не заботясь или даже вообще ничего не зная о том, что происходит на более коротких расстояниях либо при более высоких энергиях, – до такой степени безукоризненно устроена иерархическая, вложенная структура Природы. Вы можете, например, описать макроскопическое поведение воды гидродинамическим уравнением, которое моделирует ее в виде однородного потока, не принимая при этом во внимание сложную динамику молекул H2O. Или описать поведение пучка протонов и нейтронов при энергиях ниже гигаэлектронвольта в рамках упрощенной теории частиц, игнорирующей тот факт, что каждая из этих частиц состоит из трех кварков. Большая часть успеха физики прошлого основана на этом ясном разделении масштабов. И это служит нам настоящим сигналом предупреждения о степени затруднений, которые возникают, когда мы пытаемся включить в унифицированные рамки гравитацию и сталкиваемся с ограничениями, обусловленными этой вложенной структурой.

НА САМЫХ РАННИХ СТАДИЯХ КОСМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ЭВОЛЮЦИОНИРОВАЛИ СОВМЕСТНО СО ВСЕЛЕННОЙ, КОТОРОЙ ОНИ УПРАВЛЯЛИ.

Очевидно, что точная форма действующих законов, возникших на самом древнем уровне эволюции, глубоко скрытом в недрах горячего Большого взрыва, имеет самое фундаментальное значение. Представьте, что сгущающееся поле Хиггса приобрело бы немного другое значение напряженности. Тогда и массы частиц были бы другими. Но даже умеренные изменения их значений привели бы к далеко идущим последствиям – например, к невозможности существования устойчивых атомов. Тогда во Вселенной не было бы никакой химии – а значит, опять-таки, не было бы и жизни.

В границах Стандартной модели мы можем быть спокойны: чистый итог нарушающего симметрию преобразования хиггсовского поля универсален. Да, поле может соскользнуть по своей кривой распределения энергии разными способами, как карандаш на рис. 34 может упасть в любую сторону. Однако его общая напряженность, а следовательно и результирующие массы частиц, всегда придут к одним и тем же значениям. Но Стандартная модель – только часть физики частиц. Начнем с того, что она объединяет сильное и электрослабое взаимодействия лишь условно. Далее Стандартная модель не учитывает существования темной материи, составляющей 25 % общей массы и энергии сегодняшней Вселенной. А темная материя вполне может включать гораздо большее число видов частиц и сил. Наконец, Стандартная модель оставляет за бортом темную энергию и гравитацию – деформацию пространства-времени.

Все это означает, что, когда мы прослеживаем историю Вселенной до еще более ранних времен, остается простор для еще более унифицирующих видов простоты и симметрии. И хотя мы здесь оказываемся на более умозрительной территории, вполне вероятно, что механизм нарушения симметрии, вызывавший расщепление электрослабой силы в Стандартной модели, здесь действует в более общем виде. А значит, когда мы движемся в сторону более высоких температур и более ранних времен, знакомые нам действующие физические законы присутствуют все в меньшей и меньшей степени.

Возьмем сам факт существования материальных частиц. В наблюдаемой Вселенной содержится около 1050 тонн вещества, но почти отсутствует антивещество. Это еще одна благоприятная для жизни особенность – ведь если бы в расширяющейся Вселенной было одинаковое количество вещества и антивещества, все частицы очень быстро должны были бы аннигилировать с античастицами. Произошла бы невероятной силы вспышка высокоэнергетического гамма-излучения, а вещество бы исчезло. Но ведь когда в Большом коллайдере происходят высокоэнергетические столкновения с образованием вещества, образуется такое же количество антивещества. Как же вышло, что при огненном рождении Вселенной образовался избыток вещества в 1050 тонн? Что-то в условиях сверхгорячего Большого взрыва должно было нарушить симметрию между веществом и антивеществом – и это «что-то» чуть больше благоприятствовало созданию частиц, а не античастиц.

Такие гипотетические механизмы нарушения симметрии и ассоциированные с ними поля, напоминающие поле Хиггса, составляют группу расширений Стандартной модели, известных под именем Теорий великого объединения (ТВО), потому что они связывают электрослабые силы с сильным ядерным взаимодействием в рамках фундаментальной объединяющей схемы. По сути, ТВО определяются в основном своими видами симметрий. Эта стратегия восходит к Эйнштейну, который в 1905 году положил в основание своей частной теории относительности пространства-времени принцип симметрии, связывающей пространство и время. Лоренц ворчал, что Эйнштейн попросту принял как предположение то, что он сам и другие пытались вывести логически. Но история оказалась на стороне Эйнштейна. С эйнштейновских времен абстрактные математические симметрии стали повсеместно приниматься в качестве законного основания физических теорий.

В космологической перспективе ТВО предсказывают, что, если мы вернемся к исключительно высоким температурам, во много миллиардов раз превышающим температуру в ядре Солнца, то окажется, что электрослабое и сильное ядерные взаимодействия будут в сущности одной и той же силой и что вещество и антивещество будут идеально симметричны друг другу. Однако типичные ТВО допускают, что в пределах этой унификации возможна малая степень смешения между составляющими силами. Одним из следствий этого смешения было бы то, что позитрон, античастица электрона, мог превращаться в протон – обычную частицу, не «анти». Несмотря на то что такие превращения случались