Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Это действительно результат, захватывающий дух. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, — электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, — на фундаментальном уровне являются частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого поля Хиггса, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, о чём мы обычно думаем как о пустом пространстве (как о вакууме, о пустоте), играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при достаточно высокой температуре, когда поле Хиггса испаряется, т. е. приобретает нулевое среднее значение во всём пространстве, полная симметрия, лежащая в основании законов природы, стновится явной.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W- и Z-частицы ещё не были открыты экспериментально. Только сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии дала им уверенность для продвижения вперёд. Их отвага увенчалась успехом. Через некоторое время W- и Z-частицы были открыты, и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за тем, что лежит на поверхности, — проникли взором сквозь туман пустоты — проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырёх сил природы. В 1979 г. им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я часто встречался с моим руководителем, физиком Говардом Джорджи. Обычно мне было нечего ему сказать, но это практически и не требовалось. Всегда было что-то, чем Джорджи хотелось поделиться с заинтересованными студентами. Как-то раз Джорджи был особенно возбуждён, и он быстро и воодушевлённо говорил в течение часа, несколько раз заполнив доску символами и уравнениями. Всё это время я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я не понял ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки его открытия, которое было названо великим объединением.

Великое объединение ставит вопрос, который естественным образом следует из успеха электрослабого объединения: если две силы природы в ранней Вселенной являлись частью единого целого, то может ли быть, что при ещё более высоких температурах и в ещё более ранние времена совершенно аналогично могут испариться различия между тремя или, возможно, всеми четырьмя силами, создав ещё бо́льшую симметрию? Это приводит к интригующей возможности, что на самом деле может быть существует одна единственная фундаментальная сила природы, которая через серию космологических фазовых переходов выкристаллизовалась в четыре кажущиеся различными силы, которые нам известны в настоящее время. В 1974 г. Джорджи й Глэшоу предложили первую теорию, позволяющую пройти часть пути до полного единства. Ихтеория великого объединения вместе с более поздними результатами Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберга предполагала, что три из четырёх сил — сильные, слабые и электромагнитные — являлись частью единой силы, когда температура превышала 10 млрд млрд млрд (1028) градусов, — в несколько тысяч миллиардов миллиардов раз больше температуры в центре Солнца, — это экстремальные условия, которые существовали через 10−35 с после Большого взрыва. Выше этой температуры, предположили эти физики, фотоны, глюоны сильного взаимодействия, точно так же, как W- и Z-частицы, можно было свободно заменять друг на друга — это более сильная калибровочная симметрия, чем в электрослабой теории, — без каких-либо наблюдаемых последствий. Джорджи и Глэшоу, таким образом, предположили, что при таких высоких энергиях и температурах имеется полная симметрия между тремя видами частиц — переносчиков негравитационных сил, и потому имеется полная симметрия среди трёх негравитационных сил.{123}

Теория великого объединения Глэшоу и Джорджи также говорит, что мы не наблюдаем эту симметрию в мире вокруг нас, — сильные ядерные силы, которые удерживают вместе протоны и нейтроны в атомных ядрах, кажутся совершенно отличными от слабых или электромагнитных сил, — поскольку, когда температура упала ниже 1028 градусов, в игру вступил другой вид поля Хиггса. Это поле Хиггса называется полем Хиггса великого объединения (или, коротко, Хиггсом великого объединения). (Всякий раз, когда названия могут привести к путанице, поле Хиггса, относящееся к электрослабому объединению, называется электрослабым Хиггсом). Аналогично случаю его электрослабого родственника, Хиггс великого объединения сильно флуктуирует при температуре выше 1028 градусов, но расчёты предполагают, что он конденсируется в ненулевую величину, когда Вселенная охлаждается ниже этой температуры. И, как и с электрослабым Хиггсом, когда возник этот Хиггсов океан великого объединения, Вселенная прошла через фазовый переход с сопровождающим его понижением симметрии. В этом случае, поскольку океан Хиггса великого объединения оказывает различное влияние на глюоны и на другие частицы, сильное взаимодействие отщепилось от электрослабого взаимодействия, создав две различающиеся негравитационные силы там, где раньше была одна. Через крошечную долю секунды, после падения температуры ещё на миллиарды и миллиарды градусов, сконденсировался электрослабый Хиггс, заставив разделиться слабые и электромагнитные силы.

В то время как идея великого объединения красива, она (в отличие от электрослабого объединения) не подтверждена экспериментально. Тем не менее оригинальное предположение Джорджи и Глэшоу предсказывает некий остаточный след этой ранней симметрии Вселенной, который должен быть заметен и сегодня. Это следствие состоит в том, что протоны иногда могут превращаться в другие виды частиц (такие как антиэлектроны и частицы, известные как пионы). Но за многие годы тщательных поисков такого распада протона в сложных подземных экспериментах — именно такой эксперимент Джорджи возбуждённо описывал мне в своём кабинете годы назад — ничего не было найдено; это исключает оригинальное предложение Джорджи и Глэшоу. Однако с тех пор физики разработали вариации этой оригинальной модели, которые ещё не перечёркнуты такими экспериментами; однако ни одна из этих альтернативных теорий пока не подтверждена.

Среди физиков достигнут консенсус, что великое объединение является одной из великих, но ещё нереализованных идей в физике частиц. Поскольку объединение и космологические фазовые переходы оказались столь действенны для электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, многие чувствуют, что требуется только время, чтобы другие силы также были собраны в рамках объединённой схемы. Как мы увидим в главе 12, существенное продвижение в этом направлении было достигнуто недавно с использованием другого подхода — теории суперструн, — который впервые свёл все силы, включая гравитацию, в объединённую теорию, хотя этот подход всё ещё, как принято говорить, находится в стадии интенсивной разработки. Но, что ясно даже сейчас уже только из электрослабой теории, та Вселенная, которую мы видим в настоящее время, обладает лишь остатками ослепительной симметрии, присущей ранней Вселенной.

Возвращение эфира

Концепция нарушения симметрии и её проявление через электрослабое поле Хиггса, несомненно, играют центральную роль в физике частиц и в космологии. Но приведённое выше обсуждение может оставить вас в недоумении по следующему поводу: если Хиггсов океан является невидимым нечто, которое заполняет то, что мы обычно понимаем под пустым пространством, не есть ли это просто другое воплощение давно дискредитированного понятия эфира? Ответ: да и нет. Объяснение: да, конечно, в некотором смысле Хиггсов океан имеет привкус эфира. Подобно эфиру, конденсированное поле Хиггса пропитывает пространство, окружает всех нас, проникает через любой материал и, как неотъемлемое качество пустого пространства (исключая случай, когда мы заново нагреем Вселенную выше 1015 градусов, что мы, естественно, не можем сделать), оно переопределяет нашу концепцию пустоты. Но, в отличие от исходного эфира, который был введён как невидимая среда для переноса световых волн примерно так же, как воздух переносит волны звука, океан Хиггса не имеет отношения к движению света; он никак не влияет на скорость света, так что эксперименты на заре XX в., которые исключили представление об эфире благодаря изучению движения света, не затрагивают Хиггсов океан.

Более того, поскольку океан Хиггса никак не влияет на что-либо, движущееся с постоянной скоростью, он не выделяет ни одну систему отсчёта, тогда как эфир делал это. Напротив, даже с Хиггсовым океаном все наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью, остаются в совершенно одинаковом положении, а потому Хиггсов океан не конфликтует со специальной теорией относительности. Конечно, эти наблюдения не доказывают, что Хиггсов океан существует; однако они доказывают, что несмотря на определённое сходство с эфиром поля Хиггса не конфликтуют с теорией или экспериментом.