Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Но если речь идет об универсальном объединении всех видов взаимодействий в некое единое взаимодействие, то возникает мысль: нельзя ли и фермионы, и бозоны тоже объединить в какую-то единую сущность? Тогда фермионы и бозоны будут только разными ее проявлениями. После того, как мы уже познакомились с объединением современной физикой столь несхожих вещей, как, например, пространство и время, электромагнетизм и ядерные силы, мысль об объединении составных частей вещества и переносчиков сил уже не кажется столь абсурдной.

Более того, оказалось, что объединение гравитационных сил с другими силами включает в себя и объединение бозонов и фермионов, возможность их превращения друг в друга.

Конечно, эта суперсимметриявсех сил, всех частиц может проявиться только при очень больших энергиях, а в обычных условиях должна быть тщательно скрыта, нарушена, то есть частицы вещества, частицы-переносчики и разные силы совсем не похожи друг на друга. Каковы же должны быть те энергии, при которых проявляется единая природа всех фундаментальных взаимодействий?

Эту энергию легко оценить. Действительно, здесь должны проявиться все фундаментальные силы, а значит, должны одновременно играть роль фундаментальные константы, описывающие: 1) квантовые свойства материи (это постоянная Планка ħ); 2) предельные скорости (константа c); 3) тяготение (константа G).

Из этих констант можно скомбинировать величину размерности энергии (ее называют планковской энергией). Она оказывается еще в сто тысяч раз большей, чем температура Великого объединения.

Эта энергия и должна быть энергией объединения всех сил в природе, включая гравитационные. Ее называют энергией «суперобъединения». Ей соответствует температура в сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов.

Мы вынуждены будем ограничиться совсем краткими замечаниями по поводу некоторых современных вариантов суперобъединения. Причин здесь несколько. Во-первых, пояснения очень трудно сделать качественно, то есть без формул, да к тому же необходима краткость, ибо все же цель нашей книги несколько иная. Во-вторых, специалисты еще отнюдь не уверены, что они здесь выявили хотя бы главные черты явлений, и работа продолжается широким фронтом и в разных направлениях.

Напомним прежде всего попытку объединения в один объект гравитации и электромагнетизма, сделанную Т. Калуцей и О. Клейном. Для этого потребовалось ввести дополнительное пространственное измерение.

Нам теперь предстоит объединить с гравитацией все виды сил и частиц. Возникает идея — нельзя ли сделать это, введя новые дополнительные измерения пространства. Эта идея оказалась весьма плодотворной. В настоящее время есть варианты теории, в которых рассматриваются и 10, и 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех у пространства-времени. (Наиболее предпочтительна, вероятно, теория с 10 измерениями.)

Геометрические свойства этих дополнительных измерений и позволяют с единой точки зрения описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Тем самым осуществляется великая мечта А. Эйнштейна.

Но спрашивается, как же решается уже отмечавшаяся проблема: почему мы не обнаруживаем на практике реально дополнительных измерений в нашем мире, то есть почему, например, в этих дополнительных направлениях нельзя двигаться, как это иногда описывается в фантастических романах?

Выход из этого затруднения состоит в идее так называемой компактификации. Согласно этой идее дополнительные пространственные измерения скручены, замкнуты (как одно из измерений листа, свернутого в цилиндр). Эти дополнительные измерения компактифицируются, когда энергия уменьшается ниже планковской. Причем радиус «свернутых» измерений ничтожен — он равен планковской длине, о которой мы говорили выше. Он в сто миллиардов миллиардов раз меньше размеров атомного ядра.

Ясно, что ничтожная протяженность в дополнительных измерениях в обычных условиях сравнительно небольших энергий и не позволяет обнаружить эти измерения. Они проявляются только косвенно в виде разнообразия многих сил и зарядов частиц.

Суперсимметрияпредполагает существование целого ряда новых частиц. Мы подчеркивали, что суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Каждому полю, каждой частице здесь соответствует суперпартнер. Так, помимо гравитона — переносчиков гравитационных сил со спином 2, являющихся бозонами, теория включает еще также гравитино — частицы со спинами 3/2 (то есть фермионы), которые в обычных условиях обладают массой (вероятно, порядка ста или тысячи масс протона). Фотону соответствуют тяжелые фотино со спином 1/2 (масса их, вероятно, также порядка ста или тысячи масс протона) и т. д. Все эти частицы пока не открыты.

Существуют теории с весьма сложными и экзотическими наборами частиц. Мы, однако, вынуждены здесь остановиться в нашем увлекательном путешествии в область, еще в значительной степени неизведанную.

Наше краткое знакомство с удивительным микромиром позволит теперь рассмотреть, что было в самом начале расширения мира, то есть как взорвалась наша Вселенная.

В двух предыдущих и в нескольких последующих главах мы много говорим о достижениях современной физики и астрофизики и не так уж часто обращаемся к самому понятию времени. На первый взгляд это кажется странным в книге, главным героем которой является время. Но это только на первый взгляд. Необычные свойства времени, раскрывающие его суть, проявляются в процессах, протекающих в самых глубинах микромира и в далеких просторах космоса. Только достаточно подробное знакомство с этими процессами позволит нам продолжить рассказ о времени.

ИСТОКИ

Мы отправляемся теперь к самым истокам реки времени. Что же произошло в самом начале? Что является причиной начала расширения?

В разделе «К истокам реки времени» мы пояснили, что огромное давление горячего вещества в самом начале не может быть причиной больших скоростей разлета вещества, ибо в однородной Вселенной нет перепада давления, который только и создает силу, ведущую к разлету. Что же тогда вызвало «первотолчок»?

Ключ к пониманию «первотолчка» лежит в существовании при больших плотностях и температурах особого вакуумноподобного состояния материи.

Мы уже познакомились с несколькими вакуумноподобными состояниями в разделе «Великое объединение». При температурах «суперобъединения> возникает, как считают теоретики, совсем уникальное вакуумноподобное состояние, имеющее огромную плотность энергии и соответствующую ей гигантскую плотность массы. Эта плотность изображается таким числом: единица с девяносто четырьмя (!) нулями граммов в кубическом сантиметре. Огромность приведенного числа трудно вообразить. Как мы подчеркивали в разделе «Великое объединение», у любого вакуума, если у него есть плотность массы, должно быть и огромное отрицательное давление.

В соответствии с теорией тяготения Эйнштейна, гравитация создается не только массой, но и давлением. Обычно давление невелико, и связанная с ним гравитация пренебрежимо мала. В случае вакуумноподобного состояния картина получается совсем иная, ибо давление огромно и гравитация, создаваемая им, в этом случае превышает гравитацию, создаваемую массой. Но ведь давление вакуума отрицательно, значит, вместо тяготения будет возникать антитяготение — гравитационное отталкивание! И в этом все дело. Именно рассмотренное явление и есть ключ к пониманию «первотолчка». При огромной начальной плотности и температуре «суперобъединения» антигравитационные силы вакуума создают мощное расталкивание всех частиц материи. Эти частицы приобретают гигантские начальные скорости разлета. От чего процесс необычайно быстрого расширения Вселенной получил название «раздувания» или, используя английский термин, — «инфляции».

Не менее важно, что первичное вакуумноподобное состояние было крайне неустойчивым. Оно существовало только в течение примерно одной стомиллионной миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды! Затем распалось, и его плотность массы превратилась в «обычные» суперэлементарные частицы, о которых мы говорили в предыдущих разделах, обладавшие гигантскими энергиями. Так из вакуумноподобного состояния рождалась горячая Вселенная с температурой в этот момент в миллиард миллиардов миллиардов градусов.