Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

В этой главе мы сфокусируемся на критических моментах в первые доли секунды после Большого взрыва, когда, как мы верим, количество симметрии, заключенной во вселенной, неожиданно менялось, причем с каждым изменением запускались совершенно различные эпохи в космической истории. В то время как сейчас корреспондент может неспешно фиксировать в нескольких одинаковых строчках каждые несколько миллиардов лет, в те ранние моменты быстрых изменений симметрии его работа должна была быть заметно более напряженной, поскольку основная структура материи и сил, отвечающих за ее поведение, была полностью необычной. Причина связана с взаимной игрой между теплотой и симметрией и требует полного переосмысления того, что мы думаем о понятиях пустого пространства и пустоты. Как мы увидим, такое переосмысление не только существенно улучшает наше понимание вселенной в первые моменты, но так же и подводит нас на шаг ближе к осуществлению мечты, которая восходит к Ньютону, Максвеллу и, в особенности, к Эйнштейну, – мечты об объединении. Так же важно, что эти разработки открывают этап более современной космологической схемы, инфляционной космологии, подхода, который заявляет

ответы на некоторые наиболее тяжелые вопросы и наиболее трудные загадки, по поводу которых стандартная модель Большого взрыва молчит.

Теплота и симметрия

Когда вещи становятся очень горячими или очень холодными, они иногда изменяются. И иногда изменения столь вопиющие, что вы даже не можете распознать вещь, с которой вы начинали. Вследствие горячих условий сразу после Взрыва и последовавшего быстрого падения температуры по мере расширения и охлаждения пространства, понимание последствий изменения температуры является ключевым в попытках разобраться с ранней историей вселенной. Но начнем проще. Начнем со льда.

Если вы нагреваете очень холодный кусочек льда, сначала ничего особого не происходит. Хотя его температура растет, его внешний вид остается почти совсем неизменным. Но если вы повысите его температуру любым способом до 0 градусов Цельсия и сохраните нагрев в прежнем положении, внезапно произойдет нечто драматическое. Твердый лед начнет таять и превратится в жидкую воду. Пусть привычность этой трансформации не лишает спектакль яркости. Без предыдущих опытов, включающих лед и воду, было бы проблематично осознать внутреннюю связь между ними. Одно является твердым телом каменной твердости, тогда как другое является вязкой жидкостью. Простые наблюдения не обнаруживают прямых признаков того, что их молекулярный состав, Н₂О, идентичен. Если вы никогда до сих пор не видели лед или воду, и вам представили бак того и другого вещества, сначала вы, вероятно, подумаете, что они никак не связаны. И уже когда каждый пересекает границу 0 градусов Цельсия, вы становитесь свидетелем удивительной алхимии, когда каждое вещество превращается в другое.

Если вы продолжите нагревать жидкую воду, вы снова найдете, что пока ничего не будет происходить при равномерном росте температуры. Но когда вы достигнете 100 градусов Цельсия, произойдет другое резкое изменение: жидкая вода начнет кипеть и превратится в пар, горячий газ, который опять-таки не очевидно связан с жидкой водой или твердым льдом. Хотя, конечно, все три вещества имеют одинаковый молекулярный состав. Изменения от твердого к жидкому и от жидкого к газу известны как фазовые переходы. Многие вещества проходят через сходную последовательность изменений, если их температура изменяется в достаточно широком диапазоне. [1]

1. Если вы повысите температуру еще больше, вы найдете четвертое состояние материи, известное как плазма, в котором атомы разрушены на их составляющие частицы.

Симметрия играет центральную роль в фазовых переходах. Почти во всех случаях, если вы сравните подходящие измерения симметрии чего-либо до и после того, как это что-либо пройдет через фазовый переход, вы найдете существенное изменение. На молекулярных масштабах, например, лед имеет кристаллическую форму, в которой молекулы Н₂О расположены в упорядоченной гексагональной решетке. Подобно симметриям ящика на Рис. 8.1, полный рисунок молекул льда остается неизменным только при определенных специальных преобразованиях, таких как вращения на угол 60 градусов относительно отдельных осей гексагонального расположения. Напротив, когда мы нагреем лед, кристаллическое расположение расплавится в беспорядочную однородную массу молекул, – жидкую воду, – которая остается неизменной при вращениях на любой угол относительно любой оси. Итак, путем нагревания льда и побуждения его перейти через фазовый переход твердое тело/жидкость, вы делаете его более симметричным. (Вспомним, что хотя вы можете интуитивно подумать, что нечто более упорядоченное, как лед, является и более симметричным, правильным является совершенно противоположное; нечто более симметрично, если оно может быть подвергнуто большему числу преобразований, таких как вращения, при которых его внешний облик остается неизменным).

Аналогично, если мы нагреваем жидкую воду и она переходит в газообразный пар, фазовый переход также приводит к росту симметрии. В массе воды индивидуальные молекулы Н₂О, в среднем, упакованы так, что водородная сторона одной молекулы соседствует с кислородной стороной ее соседки. Если вы повернули ту или иную молекулу в массе воды, она будет заметно нарушать молекулярный узор. Но когда вода выкипает и переходит в пар, молекулы летают здесь и там свободно; тут нет больше никакого узора ориентаций молекул Н₂О, и отсюда, когда вы поворачиваете молекулу или группу молекул, газ будет выглядеть тем же самым. Итак, точно так же как переход от льда к воде приводит к росту симметрии, переход от воды к пару приводит к тому же. Большинство (но не все [2] ) из веществ ведут себя сходным образом, испытывая повышение симметрии, когда они подвергаются переходу из твердой фазы в жидкую и из жидкой в газообразную.

2. Имеются любопытные субстанции, такие как соли Рошелле, которые становятся менее симметричными при высоких температурах, и более симметричными при низких температурах – противоположно тому, что мы, как правило, ожидаем.

Ситуация почти такая же, когда вы охлаждаете

воду или почти любое другое вещество; все имеет место с точностью до наоборот. Например, когда вы охлаждаете газообразный пар, сначала ничего не происходит, но когда температура падает до 100 градусов Цельсия, внезапно начинается конденсация в жидкую воду; когда вы охлаждаете жидкую воду, ничего не будет происходить, пока вы не достигнете 0 градусов Цельсия, при которых внезапно начинается замерзание в твердый лед. И, следуя тем же рассуждениям относительно симметрии – но наоборот – мы заключаем, что оба из этих фазовых переходов сопровождаются снижением симметрии.*

(*) "Даже если уменьшение симметрии означает, что некоторые преобразования проходят незамеченными, тепло, переданное окружению во время такой трансформации, гарантирует, что полная энтропия, – включая энтропию окружения, – все еще возрастает."

Так много о льде, воде, паре и их симметриях. Как все это должно быть связано с космологией? Ну, в 1970е годы физики обнаружили, что не только объекты во вселенной могут испытывать фазовые переходы, но и космос как целое также может это делать. На протяжении последних 14 миллиардов лет вселенная неуклонно расширялась и становилась более разреженной. И точно так же, как при спускании велосипедной камеры она охлаждается, температура расширяющейся вселенной неуклонно падает. В течение большей части этого уменьшения температуры ничего особого не происходит. Но имеются основания быть уверенным, что когда вселенная переходила через особые критические температуры, – аналоги 100 градусов Цельсия для пара и 0 градусов Цельсия для воды, – она подвергалась радикальному изменению и испытывала резкое уменьшение симметрии. Многие физики уверены, что мы теперь живем в "конденсированной" или "замороженной" фазе вселенной, той, что крайне отличается от более ранних эпох. Космологические фазовые переходы не заключаются буквально в конденсации газа в жидкость или в замерзании жидкости в твердое тело, хотя имеется много качественно сходных свойств с этими более привычными примерами. Скорее, "вещество", которое конденсируется или замерзает, когда вселенная охлаждается до особой температуры, является полем – более точно, Хиггсовым полем. Посмотрим, что это означает.

Сила, материя и Хиггсовы поля

Поля обеспечивают каркас для большей части современной физики. Электромагнитное поле, обсуждавшееся в Главе 3, является, возможно, простейшим и наиболее широко оцененным из природных полей. Проводя жизнь среди радио и телевизионных передач, телефонных коммуникаций, солнечного тепла и света, мы все постоянно купаемся в море электромагнитных полей. Фотоны являются элементарными составляющими электромагнитных полей и могут рассматриваться как микроскопические переносчики электромагнитной силы. Когда вы что-нибудь видите, вы можете думать об этом в терминах волнового электромагнитного поля, входящего в ваш глаз и стимулирущего вашу сетчатку, или в терминах частиц-фотонов, входящих в ваш глаз и делающих то же самое. По этой причине фотон временами описывается как частица-переносчик электромагнитной силы.

Гравитационное поле также привычно, поскольку оно постоянно и единообразно удерживает нас и все остальное вокруг нас на земной поверхности. Как и с электромагнитными полями, мы все погружены в море гравитационных полей; Земля доминирует, но мы также чувствуем гравитационные поля Солнца, Луны и других планет. Точно так же, как фотоны являются частицами, которые составляют электромагнитное поле, физики уверены, что частицами, которые составляют гравитационное поле, являются гравитоны. Гравитоны все еще не открыты экспериментально, но это не удивительно. Гравитация является слабейшей из всех сил (например, обычный магнит, который вешается на холодильник, может поднять скрепку для бумаги, тем самым преодолев притяжение всей земной гравитации), так что вполне понятно, что экспериментаторы еще не уловили мельчайшие составляющие слабейшей силы. Однако, даже без экспериментального подтверждения большинство физиков уверено, что точно так же, как фотоны передают электромагнитную силу (они являются частицами-переносчиками электромагнитных сил), гравитоны передают гравитационную силу (они являются частицами-переносчиками сил тяготения). Когда вы роняете стакан, вы можете думать о происходящем в терминах гравитационного поля Земли, притягивающего стакан, или, используя более изощренное геометрическое описание Эйнштейна, вы можете думать об этом в терминах того, что стакан соскальзывает вдоль углубления в ткани пространства-времени, вызванного присутствием Земли, или, – если гравитоны на самом деле существуют, – вы можете также думать об этом в терминах испускания и поглощения гравитонов между Землей и стаканом, передающего гравитационное "сообщение", которое "приказывает" стакану падать к Земле.

Вне этих хорошо известных силовых полей имеются две другие силы природы, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие, и они также оказывают свое влияние через поля. Ядерные силы менее привычны, чем электромагнетизм и гравитация, поскольку они действуют только на атомных и субатомных масштабах. Но даже при этом их влияние на повседневную жизнь через ядерные реакции, заставляющие Солнце светить, ядерные реакции при работе атомных реакторов, а также радиоактивный распад элементов вроде урана и плутония не менее важно. Поля сильного и слабого ядерного взаимодействия называются полями Янга-Миллса в честь Ч.Н. Янга и Роберта Миллса, которые разработали в 1950-е их теоретические обоснования. И точно так же, как электромагнитные поля составлены из фотонов, а поля тяготения, как мы верим, должны быть составлены из гравитонов, сильные и слабые поля также имеют частицы в качестве составляющих. Частицы сильного взаимодействия называются глюонами, а частицы слабого взаимодействия называются W- и Z-частицами. Существование этих частиц взаимодействия было подтверждено экспериментами на ускорителях, проведенными в Германии и Швейцарии в конце 1970х и начале 1980х.