Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Инфляция – не первый акт пьесы, разыгранный на нашей сцене, хотя и определенно один из самых зрелищных. Мы не в состоянии описать, что происходило непосредственно перед этим, но мы знаем, что это были очень важные мгновения. Непроницаемая стена закрывает их от нас. Мы можем только фантазировать наугад, как пленники в пещере Платона. В цепях с младенчества, с путами на ногах и шее, лишенные всякого представления о внешнем мире, они не могли видеть напрямую, что происходит за пределами пещеры, им была открыта только стена. Поэтому свои представления о мире они строили на основании появляющихся на ней теней. Чем-то подобным занимаемся и мы, ученые, когда пытаемся угадать, что могло происходить до начала инфляции. Мы можем только видеть тени и фантазировать.

Мы проводим точные измерения в том диапазоне энергий, которые можем изучать непосредственно, используя для этого ускорители или наблюдая явления с высокими энергиями, предоставляемые нам космосом. После этого мы экстраполируем полученные результаты в тот диапазон энергий, который мы не в состоянии изучать непосредственно, и пользуемся допущениями, совместимыми со всеми накопленными данными.

Мы говорим о начальной фазе жизни Вселенной, длившейся невероятно короткое время, называемое планковским, всего 10–43 секунды, которому соответствовал бы диаметр Вселенной в 10–33 сантиметра. Пространству при таких размерах невозможно быть ни непрерывным, ни спокойным – в нем кипят виртуальные частицы, рождающиеся и исчезающие в безумном ритме. Получающееся безудержное квантовое бурление и есть пространство – беспокойное и хаотичное, наполненное разломами и неоднородностями. На этих масштабах квантовая пена вскипает спазмами и флуктуирует без меры. Кривизну и топологию этого пространства можно описывать только в вероятностных терминах.

Ни одна из современных физических теорий не может описать, что могло происходить в планковскую эру, и различные гипотезы приводят к различным выводам. За стеной, преграждающей взгляд, прячутся секреты квантовой гравитации, химера, которую поколения физиков преследуют уже не первое десятилетие. Может быть, в этой крошечной области кишели еще более крошечные струны, то ли десяти-, то ли двадцатишестимерные, а может быть, у пространства была дискретная структура, организованная в бесконечно малые петли, или, возможно, уловки природы, примененные ей для квантования гравитации, превосходят силу воображения, доступную нам, людям, сегодня.

Никому не удалось пока бросить взгляд на то, что происходило так близко к начальному моменту, исследовать расстояния столь малые. Но если позволено только строить рациональные гипотезы о доминирующих явлениях этого краткого временного интервала, то вот одна из них: это была эра Великого объединения. Все фундаментальные взаимодействия были собраны в единое поле: одна-единственная сила царила в крошечном фрагменте квантовой пены, которой суждено было стать нашей Вселенной.

Весь мир, где мы живем, удерживается вместе силами, которые мы можем классифицировать, расположив их в порядке убывания интенсивности. Первым в этом списке будет сильное ядерное взаимодействие. Оно удерживает вместе кварки, образуя протоны и нейтроны и собирая из них ядра всевозможных элементов. Его энергия высвобождается в ядерных установках, и это благодаря ему светятся звезды. Слабое ядерное взаимодействие скромнее и решительно менее заметно. Оно проявляется только на субъядерных расстояниях и никогда не выходит на середину сцены. Обнаруживает себя в некоторых ядерных распадах, на первый взгляд несущественных, но на самом деле жизненно важных для динамики Вселенной. Электромагнитное взаимодействие удерживает целыми атомы и молекулы и определяет своими законами распространение света. Гравитация, несомненно, самое слабое из взаимодействий, но о ней говорят больше, чем обо всех остальных. Она присутствует везде, где только есть масса или энергия, и пронизывает весь космос, она управляет движением и самых маленьких астероидов Солнечной системы, и самых гигантских скоплений галактик.

Сегодня в холодной и состарившейся Вселенной, где мы обитаем, все эти взаимодействия существуют по отдельности, и у каждого из них своя интенсивность и свой радиус действия. Но мы могли проверить в многочисленных экспериментах, что все это сильно меняется в зависимости от плотности энергии. По мере своего роста она, кажется, все более успешно проводит в жизнь принцип равенства и справедливости: сильное становится менее сильным, слабое становится менее слабым. Интенсивность сильного ядерного взаимодействия уменьшается, и то же самое происходит с электромагнитным. Слабое ядерное взаимодействие, напротив, крепчает до такой степени, что становится возможным предсказать, где пересекутся все три кривые, – то значение энергии, при которой они будут действовать как одна единая сила.

При всем этом гравитация остается немного в стороне: она до того слабая, что нам не удается сделать ее колебания соразмерными исследуемым значениям энергии, но тем не менее становится естественным ввести ее в игру.

Мы называем планковской эрой тот первичный период эволюции Вселенной, когда все четыре фундаментальных взаимодействия объединены в одну суперсилу. Она чем-то напоминает мечты о золотом веке, когда существовал священный союз между людьми и богами и они жили вместе, переживая взаимную любовь и ревность.

В этой Вселенной, крошечной и горячей, царят совершенные элегантные симметрии, которые разрушаются одна за другой по мере того, как все в ней охлаждается.

Первый драматический разрыв происходит прямо в планковское время, когда гравитация отваливается от остальных. Вскоре после этого следующий фазовый переход отделяет сильное взаимодействие от электрослабого.

Наша история начинается еще до того, как инфляция приводит к Большому взрыву: в крошечном пузырьке вакуума, заполненном полем суперсилы, мало-помалу фазовые переходы нарушают симметрию, разрывая между собой различные взаимодействия. Возникающая отсюда кристаллизация первичного поля населит наш мир четырьмя различными фундаментальными взаимодействиями, и они враз изменят все.

В отличие от двух первых фазовых переходов мы собрали немало данных относительно следующего за ними и узнали его историю подробно: именно из-за него оказалась нарушенной симметрия, объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Мы смогли изучить этот фазовый переход в лабораториях ЦЕРН, благодаря открытию бозона Хиггса, главного участника того, что происходило через 10–11 секунды после Большого взрыва. Этому и будет посвящена следующая глава.

День 2

Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Раскаленная Вселенная, едва вышедшая из инфляционной фазы, уже содержала в себе всю необходимую материю, всю необходимую энергию, но, если бы у нас была возможность заглянуть ей внутрь, мы не увидели бы там ничего знакомого. Мы бы там обнаружили что-то вроде газа мельчайших частиц, совершенно неразличимых между собой: все безмассовые, летающие со скоростью света. Все вместе они казались бы совершенным объектом – однородным и изотропным, равным самому себе в каждой своей точке и под любым углом. Никаких сгущений и разрежений, никаких намеков на неоднородность.

Если бы она не расширялась с неимоверной