Объединение на уровне теории Большого Взрыва

 

Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика, таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимодействия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать различными качествами, различной физикой и различным образом взаимодействовать?

Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объединения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работа Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность существования «теории всего».

Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недостижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элементарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц расщеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие» вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологическим противоречием, космической шуткой. Древние греки считали, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита для обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил, что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, который не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий разум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.

Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтронов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон или нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удерживающую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку сегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влило новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.

В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Сапам совершили ошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называемые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена новыми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами. Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Сапам получили Нобелевскую премию за совместную работу в области объединения двух из четырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, — а также за активные исследования в области сильного ядерного взаимодействия.

В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, полученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC), обстреливающем цель мощными зарядами электронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили, что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюонами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодействия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада, можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обмениваются между собой глюонами. Это привело к созданию новой теории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовой хромодинамикой.

Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить три взаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так называемую Стандартную модель — теорию кварков, электронов и нейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W- и Z-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетий мучительной работы и исследований в области физики частиц. В настоящее время Стандартная модель способна структурировать все без исключения экспериментальные данные, имеющие отношение к физике частиц.

Хотя Стандартная модель — одна из наиболее успешных физических теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить, что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, которая столь топорно описана. Например, в этой теории существует 19 произвольных параметров, которые вписаны эмпирически (т. е. различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, их нужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в подлинно объединяющей теории, эти константы должны определяться самой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов).

Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц, называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самом фундаментальном уровне будет использовать три точные копии субатомных частиц. Если не считать их массы, то эти частицы точные копии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, масса которого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица, с массой в 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакого упоминания о силе гравитации, хотя гравитация, пожалуй, наиболее всепроникающая сила во Вселенной.

Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающий экспериментальный успех, кажется такой надуманной, физики пытались создать еще одну теорию, или теорию Великого Объединения (ТВО), которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем основании. Она также рассматривала глюон, W- и Z-бозоны и фотон на одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окончательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительным образом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния с остальными силами, как мы это увидим.)

 

Это субатомные частицы, содержащиеся в Стандартной модели — наиболее успешной теории элементарных частиц. Она построена на кварках, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонах, таких, как электрон и нейтрино, и многих других частицах. Обратите внимание, что результатом модели являются три одинаковые копии субатомных частиц. Поскольку Стандартная модель не может объяснить гравитацию (и кажется такой нелепой), физики-теоретики считают, что эта теория не может быть окончательной.

 

Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологию новую парадигму: Идея была очень простой и изящной: в момент Большого Взрыва все четыре основные силы объединились в единую связанную силу, загадочную «сверхсилу». Четыре силы были равны друг другу по значимости и являлись частью единого связного целого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться и остывать, изначальная «сверхсипа» начала «расщепляться» и от нее одна за другой начали «отпадать» различные силы.

Согласно этой теории, остывание Вселенной после Большого Взрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидком состоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однако при замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечных ледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальная однородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырьки и кристаллы.

Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно повреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит из неровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидов и взрыпающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, — более того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны друг с другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, — это то, что она уже старая и холодная.

Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства, до сегодняшнего дня она прошла много «фазовых переходов», или изменений состояния, при которых вселенские силы одна за другой освобождались от взаимодействия с остальными по мере остывания Вселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать этапы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершенного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной, которое мы видим на сегодняшний день.

Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимо точно понять, как произошли эти «фазовые переходы» с момента создания Вселенной, которые ученые называют «спонтанными нарушениями». Будь то таяние льда, кипение воды, образование дождевых облаков или охлаждение после Большого Взрыва, фазовые переходы могут соединять два совершенно разных состояния вещества. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовые переходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подвесить 200 ООО кг воды в воздухе без всякой опоры? Ответ: образовать облако.)

 

Ложный вакуум

 

Процесс, когда одна сила отделяется от остальных, можно сравнить с прорывом плотины. Реки текут по склонам, потому что вода течет в направлении уменьшения энергии, то есть в сторону уровня моря. Наименьшим энергетическим состоянием является вакуум. Однако существует и необычный, ложный вакуум. Например, если мы соорудим плотину на реке, то будет казаться, что она находится в стабильном состоянии, в то время как в действительности она находится под огромным давлением. Если в плотине появится малейшая трещина, давление может разнести плотину, освободить поток энергии из ложного вакуума (перегороженная плотиной река) и вызвать катастрофический разлив ее в направлении истинного вакуума (уровень моря). Могут быть затоплены целые населенные пункты, если вдруг произойдет спонтанное разрушение плотины и внезапный переход от ложного вакуума к истинному.

Подобным образом, по теории Великого Объединения, Вселенная изначально возникла в состоянии ложного вакуума, где три силы были объединены в единое целое. Однако целостность эта была нестабильной, она спонтанно разрушилась, и произошел переход из ложного вакуума, где были объединены три силы, к истинному вакууму, где эти силы распались.

Все это было известно еще до того, как Гут начал анализировать теорию Великого Объединения. Но Гут заметил еще кое-что, что просмотрели другие. В состоянии ложного вакуума Вселенная расширяется экспоненциально, в точности так, как предсказывал де Ситтер в 1917 году. Энергия ложного вакуума является космологической константой, которая заставляет Вселенную расширяться с невероятной скоростью. Гут задался судьбоносным вопросом: может ли это экспоненциальное расширение де Ситтера разрешить некоторые космологические проблемы?

 

Проблема монополя

 

Одним из прогнозов теорий Великого Объединения было образование в начале времен множества монополей. Монополь — единичный магнитный полюс, северный или южный. В природе монополей не бывает: полюса встречаются только в паре. Если взять молоток и разбить им магнит пополам, то не получится двух монополей; вместо этого у вас окажется два меньших магнита с парой полюсов, северным и южным соответственно.

Проблемой, однако, стало то, что ученые, веками экспериментируя, не обнаружили убедительных доказательств существования монополя. Алан Гут был озадачен тем фактом, что теории Великого Объединения предсказывали существование большого количества монополей, хотя никто никогда их не видел. «Подобно единорогу, монополь и до сих пор продолжает пленять человеческий разум, несмотря на отсутствие убедительных доказательств его существования», — заметил Гут.

И тут внезапно ему в голову пришла идея. В мгновение ока все кусочки головоломного пазла встали на свои места. Он понял, что если Вселенная зародилась в состоянии «ложного вакуума», то она могла расширяться экспоненциально, как и предполагал де Ситтер несколько десятков лет тому назад. В этом состоянии ложного вакуума Вселенная могла внезапно инфляционно расшириться до невероятной степени. Если ученые до сих пор и не встречали монополя, то дело обстоит так лишь потому, что монополи были разбросаны по всей Вселенной, которая имела гораздо большие размеры, чем можно было предположить.

Для Гута это осознание стало источником радости и удивления. Такое простое решение могло бы в момент объяснить проблему монополя. Но Гут понимал, что последствия этого решения для космологии будут гораздо более существенными, чем он сам усматривал в своей идее.