Исследование скрытых измерений


 

Сколь бы прекрасной ни была природа, однако сами по себе красота и изящество теории не могут убедить физиков в ее истинности. Необходимы неопровержимые физические доказательства. Могущество и элегантность одиннадцатимерной теории Калуцы-Клейна обязывают нас относиться к ней серьезно, однако, если не найдется никаких способов доказать существование семи дополнительных пространственных измерений, теория в значительной мере потеряет свою привлекательность.

К счастью, по-видимому, можно продемонстрировать существование дополнительных измерений. Чтобы теория Калуцы-Клейна была единственной, семь дополнительных измерений пространства должны свернуться, по всей вероятности, в форме 7-сферы диаметром порядка 10-32 см. Изучение подобных ультрамикроскопических структур представляет серьезный вызов современной физике. Пока столь малые объекты нам не подвластны, ибо нечего направить «внутрь» 7-сферы для ее изучения.

В квантовой физике каждому масштабу длин сопоставляется масштаб энергий (или эквивалентных масс). Например, диаметр ядра (около 10-12 см) соответствует примерно массе пиона. Чем меньше изучаемый масштаб длин, тем выше необходимая для этого энергия. Для изучения кварковой структуры протона требуются энергии, эквивалентные по крайней мере десятикратной массе протона. Значительно выше по шкале энергий расположена масса, соответствующая Великому объединению (примерно 10^14 масс протона). Если нам когда-либо удастся достичь столь огромной массы (энергии), от чего мы сегодня весьма далеки, то появится возможность изучить мир Х-частиц, в котором стираются различия между кварками и лептонами.

Какая же энергия необходима, чтобы проникнуть «внутрь» 7-сферы и исследовать дополнительные измерения пространства? Согласно теории Калуцы-Клейна, требуется превзойти масштаб Великого объединения и достичь энергий, эквивалентных 10^19 масс протона. Лишь при таких невообразимо огромных энергиях удалось бы непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений пространства.

Эта огромная величина — 10^19 масс протона — носит название массы Планка, так как она была впервые введена Максом Планком, создателем квантовой теории. При энергии, соответствующей массе Планка, все четыре взаимодействия в природе слились бы в единую Суперсилу, а десять пространственных измерений оказались бы полностью равноправными. Если бы удалось сконцентрировать достаточное количество энергии, обеспечивающее достижение массы Планка, то полная размерность пространства проявилась бы во всем своем великолепии.

Дав свободу воображению, можно представить, что однажды человечество овладеет Суперсилой. Если бы это случилось, то мы обрели бы власть над природой, поскольку Суперсила в конечном счете порождает все взаимодействия и все физические объекты; в этом смысле она является первоосновой всего сущего. Овладев Суперсилой, мы смогли бы менять структуру пространства и времени, по-своему искривить пустоту и привести в порядок материю. Управляя Суперсилой, мы смогли бы по своему желанию создавать или превращать частицы, генерируя новые экзотические формы материи. Мы даже смогли бы манипулировать размерностью самого пространства, создавая причудливые искусственные миры с немыслимыми свойствами. Мы стали бы поистине властелинами Вселенной!

Но как этого достичь? Прежде всего необходимо добыть достаточное количество энергии. Чтобы представить, о чем идет речь, напомним, что линейный ускоритель в Станфорде длиной 3 км разгоняет электроны до энергий, эквивалентных 20 массам протона. Для достижения энергии Планка ускоритель потребовалось бы удлинить в 10^18 раз, сделав его размером с Млечный Путь (около ста тысяч световых лет). Подобный проект не из тех, что удастся осуществить в обозримом будущем.

В теории Великого объединения отчетливо различаются три пороговых значения, или масштаба, энергии. Прежде всего — это порог Вайнберга-Салама , эквивалентный почти 90 массам протона, выше которого электромагнитные и слабые взаимодействия сливаются в единое электрослабое. Второй масштаб, соответствующий 10^14 массам протона, характерен для Великого объединения, и основанной на нем новой физики. Наконец, предельный масштаб — масса Планка, — эквивалентный 10^19 массам протона, соответствует полному объединению всех взаимодействий, в результате чего мир поразительно упрощается. Одна из самых больших нерешенных проблем состоит в объяснении существования этих трех масштабов, а также причины столь сильного различия первого и второго из них.

Современная техника способна обеспечить достижение лишь первого масштаба. Как отмечалось в предыдущей главе, распад протона мог бы дать нам косвенное средство для изучения физического мира в масштабе Великого объединения, хотя в настоящее время, по-видимому, нет никаких надежд непосредственно достичь этот предел, не говоря уже о масштабе массы Планка.

Означает ли это, что мы никогда не сможем наблюдать проявлений изначальной суперсилы и невидимых семи измерений пространства. Используя такие технические средства, как сверхпроводящий суперколлайдер, мы быстро продвигаемся по шкале достижимых в земных условиях энергий. Однако создаваемая людьми техника отнюдь не исчерпывает всех возможностей — существует и сама природа. Вселенная представляет собой гигантскую естественную лабораторию, в которой 18 млрд. лет назад был «проведен» величайший эксперимент в области физики элементарных частиц. Мы называем этот эксперимент Большим взрывом. Как будет сказано далее, этого изначального события оказалось достаточно для высвобождения — хотя и на очень короткое мгновение — Суперсилы. Впрочем, этого, видимо, оказалось достаточно, чтобы призрачное существование Суперсилы навсегда оставило свой след.

 

Суперструны

 

Темпы современных исследований таковы, что с тех пор, как английское издание книги было направлено в печать, в развитии программы Великого объединения достигнуты дальнейшие успехи — создана так называемая теория суперструн.

При обычном подходе к построению модели мира предполагается, что все вещество состоит из частиц, а поиск фундаментальных частиц является главной целью физики высоких энергий. Как мы видели, даже поля, описывающие силы природы, получают интерпретацию с помощью частиц — переносчиков взаимодействия. Но теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов. По-видимому, мир состоит не из частиц, а из струн.

Теория струн возникла в 60-е годы при попытках выяснить внутреннее строение адронов. Оказывается, что кварки, связанные друг с другом снующими внутри адронов глюонами, в некотором отношении ведут себя подобно нитям, или струнам. Теория сначала вызвала определенный интерес, однако не была вполне успешной. В частности, обнаружилось, что при определенных условиях струны двигались бы быстрее света, что абсолютно недопустимо. Развитие тематики, связанной со струнами, приостановилось, и большинство физиков обратились к другим проблемам, а теория поддерживалась главным образом усилиями Майкла Грина из Колледжа королевы Марии при Лондонском университете и Джона Шварца из Калифорнийского технологического института, США.

Затем в середине 70-х годов теория струн получила значительное развитие, которое в конечном счете привело к превращению заумной старой теории в нечто несравненно более мощное и элегантное. В это время теория элементарных частиц находилась под большим влиянием концепции суперсимметрии, и теоретики исследовали результаты перехода к суперсимметричным струнам. При этом выяснилось, что новые « суперструны » имеют огромные преимущества перед старыми струнами. Во-первых, из теории было исключено сверхсветовое движение. Во-вторых, в пределе низких энергий теория выглядела весьма обычной — очень напоминала супергравитацию . Стало складываться впечатление, что теория суперструн может оказаться значительно более широкой, нежели просто теория адронов. Затем в 1982 г. Грин и Шварц обнаружили, что суперсимметрия позволяет изгнать бесконечности в случае струн аналогично тому, как это делает теория частиц.

Бесконечности при высоких энергиях, вызывавшие столько беспокойства в теориях частиц и старой теории струн, в определенном классе теорий суперструн полностью исчезли.

Однако лишь в 1983 г. произошло то, что заставило физиков обратить серьезное внимание на теорию суперструн. Речь идет о замечательном математическом свойстве этой теории, которое казалось «слишком хорошим, чтобы быть верным». Один из недостатков физики квантовых частиц носит название проблемы аномалий. Под этим безобидным термином понимают появляющиеся в квантовой теории математические члены, которые согласно фундаментальным свойствам симметрии, присущим теории еще до квантования, должны быть равны нулю. Иными словами, придание теории квантового характера вызывает неожиданное появление в ней членов, которые «не имеют права» на существование. Эти члены нарушают последовательность теории и могут приводить к столь нежелательным последствиям, как нарушение законов сохранения энергии и электрического заряда. Поразительное свойство конкретного варианта теории суперструн , исследованной Грином и Шварцем, состоит в неожиданной перегруппировке математических членов, которая точно компенсирует и устраняет аномалии! По словам Майкла Грина, «происходит сокращение слагаемых, от которых ничего подобного нельзя было ожидать». Таким образом, теория удивительным образом освобождается от аномалий.

Устранения аномалий оказалось достаточно, чтобы привлечь к теории суперструн внимание других известных теоретиков; но это было лишь начало. Выяснилось, что сокращение происходит лишь в том случае, когда суперструны конструируются на основе очень частного вида калибровочной симметрии (она известна как группа SO (32), или E 8 x E 8 ). В отличие от теории частиц, где можно свободно выбирать среди многих конкурирующих видов калибровочной симметрии, в последовательной теории суперструн выбор разрешенной калибровочной группы почти однозначен. Обе допустимые группы включают уже известные — например группу SU (3), связанную со слабыми, сильными и электромагнитными силами. Этот факт указывает на сходство теории суперструн со стандартной физикой частиц в области низких энергий.

Последнее обстоятельство, сразу обеспечившее теории суперструн хорошую репутацию, заключается в том, что эту теорию. Следует формулировать в пространстве-времени с десятью измерениями. В прошлом считалось, что высокая размерность теории суперструн делает ее безнадежно нереалистической, однако по прошествии нескольких лет под влиянием теорий Калуцы-Клейна физики восприняли идею высокой размерности довольно спокойно. В конце концов с нежелательными высокими размерностями всегда можно справиться с помощью «компактификации».

Однако десятимерная теория имеет важное математическое преимущество по сравнению с одиннадцатимерной теорией Калуцы-Клейна. Как показал Эд Уиттен из Принстона, любая теория, формулируемая в пространстве нечетной размерности, обладает серьезным недостатком. Речь идет о существовании в природе «врожденной» закрученности вправо или влево — «киральности». Как отмечалось, слабое взаимодействие вносит в физику асимметрию между левым и правым, и к четырехмерной теории киральной вселенной можно прийти лишь в том случае, если исходить из теории с четным числом измерений. Это препятствие, весьма серьезное для теории Калуцы-Клейна, полностью устранено в десятимерной теории суперструн.

Основное преимущество струн перед частицами состоит в их поведении при высоких энергиях. При низких энергиях струны ведут себя вполне аналогично частицам, однако с приближением к энергии Планка становятся существенными внутренние движения — струны начинают «вибрировать». Это резко меняет математическую структуру теории как раз там, где обычная теория начинает давать сбои и приводит к нежелательным бесконечностям. Благодаря объединению суперсимметрии и внутреннего движения струн становится весьма вероятным полное избавление от этих бесконечностей.

Таким образом, теории суперструн, возникшие из скромных попыток смоделировать некоторые свойства адронов, приобрели статус вполне зрелой программы объединения взаимодействий. Эти теории делятся на два класса: струны со свободными концами и струны в виде замкнутых петель. Грин и Шварц предпочли сначала вариант струн со свободными концами, однако в этом случае допустима лишь группа симметрии SU (32). Некоторые теоретики обнаружили, что более привлекательна другая группа E 8 , в частности потому, что позволяет построить теорию как чисто гравитационную и извлечь из нее другие силы, подобно тому как это делается в теории Калуцы-Клейна.

Буква Е указывает здесь на особый характер группы (англ. exceptional. ), которая названа так, поскольку ее существование математически неочевидно. В модели замкнутых струн используется удвоенная группа E 8 (обозначаемая E 8 x E 8 ), что открывает интересную возможность: предсказывается существование двух различных миров — по одному на каждую группу Е. Частицы в каждом из этих миров обладают всеми обычными свойствами, включая способность взаимодействовать друг с другом посредством различных сил природы. Однако у частиц в «другом» мире будет существовать свой собственный идентичный набор иных взаимодействий. Таким образом, между частицами из разных миров не будет прямого взаимодействия, за исключением гравитации. Гравитационные эффекты, обусловленные веществом «иного» мира, будут проявляться и в «этом» мире.

Это приводит к фантастической идее о существовании «призрачной вселенной», взаимопереплетенной с реальной Вселенной, но во многом остающейся незаметной. Так, может существовать «призрачная материя», проникающая в вас в данный момент; ее слабое гравитационное воздействие не способно вызвать заметные эффекты. Вместе с тем «призрачная» планета, проходящая через Солнечную систему, могла бы сдвинуть Землю с ее орбиты. «Призрачную» черную дыру нельзя отличить от черной дыры из обычного вещества. Очень существенно, что космологам давно известно о существовании во Вселенной огромного количества невидимого вещества, вызывающего гравитационное возмущение, но в остальном остающегося совершенно незаметным. Возможно, что это невидимое вещество и есть «призрачная материя».

Уиттен отозвался о теории суперструн как о «безусловном чуде» и уверенно предсказал ей ведущую роль в физике в предстоящие пятьдесят лет. Будущее покажет, насколько оправданна или преждевременна такая эйфория, однако предстоит большая работа. Как и теория Калуцы-Клейна, теория суперструи имеет всеобъемлющий характер. Это означает, что, начиная с Суперсилы — всеобщего и изящного объединения частиц и взаимодействий при сверхвысоких энергиях, теория в конечном счете так или иначе должна вернуться к описанию обычных физических явлений. Если теория вообще претендует на установление контакта с экспериментальной физикой, то необходим переход от струн в десяти измерениях к свойствам частиц в четырех измерениях при низких энергиях. В настоящее время математические проблемы, связанные с подобным шагом, кажутся непреодолимыми. Тем не менее концепция, которая известна под названием «теория всего сущего», — программа полного объединения в форме теории Калуцы-Клейна или суперструн — столь привлекательна, что многие талантливые теоретики с нетерпением ждут возможности испробовать свои силы.

 

Ископаемые космоса

 

 

Происхождение элементов

 

Солнечным весенним днем 1822 г. молодой сельский врач Гидеон Мантелл навещал пациента неподалеку от своего родного города Льюиса в графстве Сассекс (Англия). В этой поездке доктора Мантелла сопровождала его жена Мэри Энн , которая, пока муж занимался больным, воспользовалась возможностью побродить по сельским улочкам. Проходя мимо груды камней, добытых из карьера для ремонта дороги, миссис Мантелл заметила странный блестящий предмет коричневого цвета. При ближайшем рассмотрении он оказался куском песчаника, содержащим несколько гигантских зубов. Миссис Мантелл показала находку своему мужу, геологу-любителю, и он пришел в сильное возбуждение. Найденные зубы напоминали зубы ящерицы игуаны, и доктор Мантелл сделал смелое предположение, что они когда-то принадлежали огромным травоядным рептилиям, населявшим Землю еще до появления млекопитающих. Он назвал эти существа игуанодонами. Так чета Мантеллов впервые обнаружила и правильно описала останки динозавров.

Случайное открытие миссис Мантелл пришлось на критическое для науки время. По традиции возраст Земли считался равным нескольким тысячам лет, что усиленно поддерживалось библейским мифом о сотворении мира. Однако к концу восемнадцатого столетия геология уже становилась настоящей наукой, и большинство геологов начали осознавать, что такие процессы, как образование осадочных пород или выветривание, имеют затяжной характер и совершаются за огромные промежутки времени. Еще в 1779 г. французский геолог Жорж Лун Леклерк оценил возраст Земли лишь в 75 тыс. лет. Однако к середине XIX в. этот отрезок времени «растянулся» до сотен миллионов (а возможно, и миллиардов) лет. В настоящее время методами радиоактивного датирования возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет.

Найденные Мантеллами останки вскоре были признаны останками вымерших существ, которые населяли Землю 65—200 млн. лет назад. Достойна восхищения мысль» что, изучая современные горные породы, можно кое-что узнать о мире в столь далекие времена; 200 млн. лет — такой гигантский отрезок времени, что не поддается человеческому воображению. Дальнейшие более тщательные поиски привели к открытию останков живых организмов, возраст которых оценивается не менее чем в 3 млрд. лет (а возможно, близко к 4 млрд.).

У большинства людей представление об ископаемых, или реликтах, ассоциируется с застывшими отпечатками некогда существовавших живых организмов. Но имеется немало и других физических объектов, также несущих на себе отпечаток отдаленного прошлого. Например, «рябь» на поверхностях Луны, Марса и Меркурия — это след интенсивных метеоритных бомбардировок планет в период образования Солнечной системы. В определенном смысле все физические объекты являются реликтами. Любой из существующих объектов имеет свою историю и несет информацию об обстоятельствах своего возникновения и развития. Задача, причем весьма нетривиальная, состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию.

Для начала интересно выбрать наиболее знакомый нам объект — наш собственный организм и попытаться выяснить, что он может поведать о прошлом.

Прежде всего отметим, что наш организм содержит биологическую информацию, которая закодирована в генах — отдельных участках молекул ДНК, имеющих характерную структуру. Молекулы ДНК лежат в основе всей жизни на Земле. Поэтому их можно рассматривать как реликт возникновения жизни на Земле около 4 млрд. лет назад. Наша генетическая структура несет на себе бесчисленные отпечатки физических условий, в которых находились наши предки на протяжении многих веков и которые способствовали эволюции человека. Поэтому наш организм — это живой реликт, который в закодированном виде хранит в себе историю нашей планеты.

Биологическая информация определяется тем, какими способами атомы углерода, водорода, кислорода и других элементов, входящих в состав живых организмов, образуют сложные соединения. Ну а что можно сказать о самих атомах, из которых построен наш организм и весь окружающий нас мир?

Согласно современным космологическим представлениям, эти атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образования Земли. Атомы — это ископаемые космос». Как мы видели в гл.2, первооснову космического вещества составляет (Водород, на который вместе с гелием приходится около 10% всех атомов, тогда как на каждый из остальных примерно 90 элементов — лишь малая доля. В нашем организме сконцентрированы многие элементы, которые в космосе встречаются в следовых количествах. Они зарождались в сложных процессах, происходящих внутри звезд.

На начальных стадиях существования Вселенной космическое вещество практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса. Такие элементы — это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд. Ядро звезд, подобных Солнцу, представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Огромная температура внутри Солнца заставляет протоны двигаться столь интенсивно, что, несмотря на мощное электростатическое отталкивание, они время от времени соударяются друг с другом. Если протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия, становится возможным их слияние (синтез). Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но если один из протонов в результате слабого взаимодействия (процесса, обратного бета-распаду) превратится в нейтрон, то образуется устойчивое ядро дейтерия; при этом высвобождается энергия, способствующая поддержанию высокой температуры в недрах звезды. Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий. В старых звездах преобладает синтез более тяжелых ядер из легких. В ходе следующих один за другим процессов синтеза сначала образуется углерод, а затем и все более сложные ядра.

По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура все более напоминает луковицу (мы вновь прибегаем к этой аналогии); последовательные слои «луковицы» состоят из различных химических элементов, и это строение отражает различные стадии в длительном процессе ядерного синтеза Н а протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из почти чистой смеси первичного водорода и гелия в хранилище ядерной «золы», состоящей из тяжелых химических элементов. На заключительном этапе эволюции такая звезда может стать неустойчивой. Слабеющие ядерные реакции уже не в состоянии поддерживать внутри звезды такие значения температуры и давления, которые обеспечивали бы устойчивость огромной звездной массы. В результате гравитация, выйдя из-под контроля, вызывает мгновенное сжатие (коллапс) звезды. Гигантский выброс энергии в виде нейтрино и ударных волн, исходящих из внутренней области звезды, буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство, разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой (см. гл.5). Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику ничтожно малыми (следовыми) количествами элементов, столь необходимых для образования планет типа Земли, а в дальнейшем — для зарождения и эволюции населяющих ее форм жизни. Таким образом, наш организм построен из реликтовых осколков когда-то ярких звезд, которые погибли задолго до возникновения Земли и Солнца.

Тяжелые элементы в окружающем нас мире несут на себе отпечаток бурной истории Вселенной; однако от несравненно более неистовой эпохи космической эволюции. Большого взрыва, ведут свое начало легкие элементы — водород и гелий. Возникает вопрос: существовали ли эти элементы «с самого начала» или они являются реликтами какой-то очень ранней фазы?

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной скрыт в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В своем простейшем варианте теория горячей Вселенной предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой тепловой (внутренней) энергией. По мере расширения Вселенной температура падала — сначала быстро, а затем все медленнее — от бесконечно большого значения до довольно низкой величины, при которой возникли условия, благоприятные для образования звезд и галактик. На протяжении около 100 тыс. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов. Таким образом, примерно 100 тыс. лет космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 100 тыс. лет после Большого взрыва.

Остается, однако, еще более интересный вопрос. Каково происхождение ядер водорода и гелия? Не являются ли они продуктами физических процессов, происходивших в еще более ранние эпохи? В первые несколько минут после Большого взрыва температура космической плазмы превышала 10^6К – этого было вполне достаточно для протекания ядерных реакций. Методом численного моделирования на ЭВМ и с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной.

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10^10К – это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 10^8К , а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Таким образом, в процессе эволюции ранней Вселенной существовал относительно короткий (порядка нескольких минут) промежуток времени, когда протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

Основной ядерной реакцией в тот период было слияние про­тонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве, так что по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Как показывают вычисления, за столь короткое время очень мало что могло произойти. Поэтому образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Эти цифры с вполне удовлетворительной точностью характеризуют наблюдаемое содержание названных элементов в современной Вселенной. Таким образом, гелий — это реликт космического «костра», пылавшего в первые несколько минут после Большого взрыва. К счастью, в первичном веществе был некоторый избыток протонов; именно благодаря остатку несвязанных протонов во Вселенной присутствует водород. Без водорода не светило бы Солнце, а в космосе не было бы воды. Вряд ли при этом могла возникнуть жизнь.

 

Реликты первой секунды

 

Возможность установить реликты первых минут существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение астрофизики. Но ученым не свойственно почивать на лаврах — раздвигая границы возможного, они неуклонно стремятся идти к новой цели. В этом — сущность научного поиска. Для объяснения происхождения химических элементов требуется знать, в каком состоянии находилась Вселенная в конце первой секунды. А что было в более ранние моменты, в течение первой секунды?

Приступить к подобному исследованию означает проникнуть в мир «Алисы в Стране Чудес» с его таинственными состояниями вещества и неведомыми силами. Это значит еще больше приблизиться к самой главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Чтобы было легче построить наглядную картину Вселенной в возрасте менее 1с, вообразим, что мы находимся на борту некой машины времени, которая постепенно возвращает нас от момента, соответствующего 1с, к моменту 0с, когда в результате гигантского взрыва возникла Вселенная. Но будем осторожны! Наши представления об этом отрезке времени основаны главным образом на гипотезах и экстраполяциях, которым чрезвычайно сложно дать убедительное подтверждение. То, о чем мы будем говорить в этой и последующих главах, – всего лишь результат теоретического моделирования — процедуры во многом спорной и умозрительной.

Чтобы осмыслить события, вероятно, происходившие в первые мгновения существования Вселенной, необходимо понять природу космической активности. Если бы мы могли путешествовать вспять во времени, начиная с сегодняшнего дня, то заметили бы, что по мере движения назад темп развития ускоряется. Так, изменения Земли в процессе ее эволюции в течение 4,6 млрд. лет происходили очень медленно; поэтому геологические масштабы времени измеряются миллионами лет. Если бы нам удалось вернуться во времена, отстоящие от момента Большого взрыва не на миллиарды, а на миллионы лет, то мы обнаружили бы, что темп развития значительно ускорился. Галактики сформировались в течение нескольких сотен миллионов лет, тогда как звезды — еще быстрее (по-видимому, за несколько десятков миллионов лет).

За рубежом, отстоящим от Большого взрыва на 100 тыс. лет, Вселенная предстает почти лишенной какой-либо структуры — это период горячей плазмы. Темп эволюции здесь можно оценивать по скорости космического расширения и падения температуры. В этот период Вселенная расширялась примерно в 100 тыс. раз быстрее, чем сегодня, а ее температура достигала нескольких тысяч градусов. Еще раньше скорость расширения была много больше, а температура — гораздо выше. В момент 1с размеры Вселенной возрастали вдвое примерно за 1с, а ее температура достигала 10^10 К. Очевидно, в пределах первой секунды темп изменений Вселенной был еще выше, безгранично нарастая по мере приближения к моменту Большого взрыва.

Математически это нарастание темпа активности описывается обратно пропорциональной зависимостью. Если обозначить через время, прошедшее от момента рождения Вселенной — момента Большого взрыва, — то скорость расширения будет пропорциональна 1/t , а температура — 1/sqrt . С уменьшением t обе эти величины возрастают все быстрее, стремясь к бесконечности. Таким образом, поскольку космическая активность неуклонно возрастает по мере приближения к моменту рождения Вселенной, существенные изменения происходят, по-видимому, за все более короткие промежутки времени. Поэтому здесь целесообразно перейти на исчисление времени в долях 10. Так, за промежуток времени 0,1—1с происходит столько же событий, сколько в интервале 0,01—0,1с и т.д. Хотя интервал времени уменьшается последовательно в 10 раз, темп изменений, происходящих в каждом таком интервале, оказывается примерно одинаковым.

Возникает вполне естественный вопрос, как далеко можно экстраполировать нашу модель ранней Вселенной, сохраняя уверенность в ее адекватности. Я вспоминаю, как будучи студентом присутствовал в конце 60-х годов на лекции по космологии, где разговор шел о недавно открытом фоновом тепловом излучении. Лектор был несколько смущен, говоря о расчетах содержания гелия на основе ядерных реакций, происходивших, как предполагалось, в первые минуты существования Вселенной. Большинство аудитории открыто смеялось над этой дерзкой затеей и явно ощущало, что моделирование Вселенной в столь ранние моменты ее эволюции — занятие довольно сомнительное. Сегодня умонастроение резко переменилось. Расчеты содержания гелия стали частью общепризнанного подхода в космологических исследованиях и наше внимание привлекают периоды времени, предшествующие нуклеосинтезу .

У многих вызывает удивление, что экстремальные условия, преобладавшие в первую секунду жизни Вселенной, сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени как 10^-12 с, когда температура достигала 10^16 К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. Таким образом, в путешествии вспять во времени в странный мир первозданной Вселенной нашим проводником на части пути может быть эксперимент.

По мере углубления в прошлое мы встречаемся со все более экстремальными физическими условиями. Наиболее важным параметром, позволяющим оценить этот процесс, является энергия. С приближением к моменту рождения Вселенной энергия типичной частицы, «плавающей» в первичной плазме, возрастает все быстрее. Для момента, соответствующего 1мин, характерны энергии рентгеновского диапазона. В момент, соответствующий 1с, господствуют энергии, свойственные некоторым радиоактивным превращениям. В момент, равный 1 мкс (микросекунда), энергия типичной частицы сравнима с энергией, которую удавалось получить на ускорителях начала 50-х годов. Подходя к моменту, соответствующему 1пс (пикосекунда, 10^-12с), мы приближаемся к пределу энергии, достигнутому в настоящее время в физике элементарных частиц. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория.

В предыдущих главах мы говорили, что существующие в природе четыре взаимодействия могут рассматриваться как части одной главной силы – Суперсилы. Ошибочное представление о различной природе четырех взаимодействий сложилось потому, что обычно мы имеем дело с миром относительно низких энергий; с увеличением энергии взаимодействия объединяются. Прежде всего объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Это происходит при энергиях, эквивалентных примерно 90 массам протона, что соответствует температуре около 10^15 К. Существующие ускорители как раз позволяют достичь таких значений, при которых происходит рождение W и Z-частиц. Последующее объединение электрослабого и сильного взаимодействий, а в конечном счете и гравитации невозможно, пока не будут получены более высокие энергии. Для этого необходимо достичь масштабов Великого объединения и массы Планка, что в триллионы раз превосходит масштаб электрослабого взаимодействия.

С этой точки зрения ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях. И хотя прямые эксперименты с Суперсилой, вероятно, никогда не станут реальными, мы можем тем не менее обратиться к космологии за разгадкой причин кратковременной активности суперсилы в первые мгновения существования Вселенной.

Спустя 10^-12 с после Большого взрыва температура была столь высока, что тепловая энергия оказалась достаточной для рождения всех известных частиц и античастиц. Вещество и антивещество присутствовали во Вселенной почти в равных количествах. Позднее, когда составлявшие большую часть вещества пары частица-античастица аннигилировали, возник «остаток» вещества. Плотность частиц была столь высока, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно распределялась между всеми видами частиц.

Характер вещества во Вселенной на этой стадии резко отличался от всего, что нам удается непосредственно наблюдать. При столь высокой плотности адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты. Вещество представляло собой « кварковую жидкость», в которой кварки двигались более или менее независимо. Кроме того, при этих энергиях не было никакого различия между слабым и электромагнитным взаимодействиями, а природа кварков и лептонов проявлялась весьма своеобразно. Такие известные нам частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде. Свойства фотонов, а также W- и Z-частиц оказались безнадежно перемешанными. Если бы нам удалось сдвинуться вспять во времени вплоть до этого момента, то нам предстало бы совершенно неизвестное состояние материи, когда частицы еще не приобрели той формы, к которой привыкли специалисты в области физики элементарных частиц.









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-08; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь