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

Однако если океан поля Хиггса существует, то это должно приводить к другим следствиям, которые будут экспериментально проверяемы в течение следующих нескольких лет. В качестве главного примера можно отметить, что точно так же, как электромагнитные поля состоят из фотонов, поля Хиггса состоят из частиц, которые, что не удивительно, называются частицами Хиггса. Теоретические расчёты показывают, что если имеется пронизанное Хиггсовым океаном пространство, частицы Хиггса должны быть среди осколков при высокоэнергетических столкновениях, которые будут иметь место в Большом адронном коллайдере[62], гигантском ускорителе, построенном недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Грубо говоря, огромные по энергии столкновения протонов лоб в лоб должны быть в состоянии выбить частицу Хиггса из Хиггсова океана примерно так, как мощное подводное столкновение могло бы выбить молекулы H2O из Атлантического океана. В своё время эти эксперименты должны позволить нам определить, существует ли эта современная форма эфира или она последует за своим более ранним воплощением. Решение этого вопроса имеет критическое значение, поскольку, как мы видели, конденсация полей Хиггса играет глубокую и ключевую роль в нашем современном понимании фундаментальной физики.

Если Хиггсов океан не будет обнаружен, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдётся, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для придания правильной формы нашим математическим рассуждениям, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделало бы ещё две вещи. Во-первых, оно могло бы обеспечить прямое подтверждение существования древней эры, когда многие аспекты сегодняшней Вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Во-вторых, оно установит, что наше интуитивное понимание пустого пространства — как результата окончательного удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура падают настолько, насколько это возможно, — в течение длительного времени было наивным. Наипустейшее пространство не обязано быть состоянием абсолютной пустоты. Следовательно, в изучении пространства и времени в рамках науки, без обращения к сверхъестественному, мы вполне можем вернуться к мыслям Генри Мора (глава 2). Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства также может быть иллюзорной, поскольку пустое пространство, как мы понимаем, может всегда быть заполнено океаном поля Хиггса.

Энтропия и время

Хронология событий, представленная на рис. 9.2, содержит фазовые переходы, которые мы обсуждали в историческом контексте, и потому даёт нам хорошее понимание последовательности событий, через которые прошла Вселенная от Большого взрыва до яйца на вашем кухонном столе. Но критически важная информация всё ещё скрыта в размытом пятне в начале списка. Вспомним, что знание, с чего всё начинается, — откуда берётся порядок в стопке страниц романа «Война и мир», откуда берутся спрессованные молекулы углекислого газа в бутылке колы, как возникает начальное состояние Вселенной при Большом взрыве — является существенным для понимания, как они эволюционируют. Энтропия может возрастать, только если ей есть куда расти. Энтропия может возрастать, только если она начинала с низкой величины. Если страницы романа «Война и мир» начинаются с полного беспорядка, дальнейшие подбрасывания просто будут оставлять их в беспорядке; если Вселенная началась с полностью разупорядоченного высокоэнтропийного состояния, дальнейшая космическая эволюция будет просто сохранять этот беспорядок.

Рис. 9.2. Временна́я ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва

История, показанная на рис. 9.2, очевидно, не является хроникой непрерывного и неизменного беспорядка. Хотя отдельные симметрии терялись при космических фазовых переходах, общая энтропия Вселенной неуклонно возрастала. Следовательно, в начале Вселенная должна была быть высокоупорядоченной. Этот факт позволяет нам связать направление «вперёд» во времени с направлением возрастания энтропии, но нам всё ещё необходимо объяснить невероятно низкую энтропию — невероятно высокое состояние однородности — в только что рождённой Вселенной. Это требует, чтобы мы продвинулись назад, вглубь, ещё дальше и попытались больше понять о том, что было в начале, — в размытом пятне на рис. 9.2 — задача, к которой мы сейчас приступаем.

Глава 10. Препарирование взрыва

Что взорвалось?

Общее заблуждение состоит в том, что теория Большого взрыва является теорией возникновения космоса. Это не так. Большой взрыв — это теория, частично описанная в двух предыдущих главах, которая обрисовывает космическую эволюцию спустя доли секунды после чего-то, что привело Вселенную к существованию, но она совсем ничего не говорит о самом времени «нуль». А поскольку, в соответствии с теорией Большого взрыва, сам взрыв есть то, что предполагается произошедшим в начале, Большой взрыв не включает сам момент взрыва. Теория Большого взрыва ничего не говорит нам о том, что взорвалось, почему взорвалось, как оно взорвалось или взорвалось ли оно вообще на самом деле.{124} Фактически, если вы на секунду задумаетесь об этом, вы обнаружите, что Большой взрыв предстаёт перед нами совершенно загадочным. При чудовищных плотностях материи и энергии, характеризующих ранние моменты Вселенной, гравитация была силой, доминирующей над всеми другими силами. Но гравитация — притягивающая сила. Она заставляет вещи объединяться. Что же могло соответствовать расталкивающей силе, которая подтолкнула Вселенную к расширению? Казалось бы, какая-то мощная отталкивающая сила должна была играть критическую роль во время взрыва, но какая из природных сил могла бы это быть?

Много десятилетий этот самый основной из всех космологических вопросов оставался без ответа. Затем в 1980-е гг. в блистательной и новой форме было возрождено одно старое наблюдение Эйнштейна, дав толчок тому, что стало известно как инфляционная космология. И это открытие, наконец, отдало главную роль во взрыве достойной этого силе: гравитации. Это удивительно, но физики обнаружили, что в подходящих условиях гравитация может быть отталкивающей и, в соответствии с теорией, именно такие условия преобладали в течение самых ранних моментов космической истории. В течение интервала времени, для которого наносекунда могла бы показаться вечностью, ранняя Вселенная обеспечивала арену, на которой гравитация проявляла свою отталкивающую сторону, с неумолимой свирепостью расталкивая все области пространства друг от друга. Отталкивающее действие гравитации было столь мощным, что не только предопределило взрыв, но оно дало больше — намного больше, — чем кто бы то ни было раньше представлял. Благодаря инфляции ранняя Вселенная расширилась в ошеломляющее число раз больше по сравнению с тем, что предсказывает стандартная теория Большого взрыва, увеличив нашу космологическую перспективу до такой степени, что открытие последнего столетия, согласно которому наша Галактика не более чем одна среди сотен миллиардов, стало казаться совершенно незначительным.{125}

В этой и следующей главе мы обсуждаем инфляционную космологию. Мы увидим, что она обеспечивает «интерфейс» для стандартной модели Большого взрыва, предлагая критически важные модификации к утверждениям стандартной теории о событиях, происходивших в самые ранние моменты Вселенной. При этом инфляционная космология решает ключевые проблемы, которые находятся вне пределов досягаемости стандартной модели Большого взрыва, даёт ряд предсказаний, которые были экспериментально проверены и в недалёком будущем продолжат экспериментально тестироваться, и, наверное, самое поразительное, показывает, как квантовые процессы, благодаря космологическому расширению, могут впечатать крошечные морщины в ткань пространства, оставив видимый след в ночном небе. И, помимо этих успехов, инфляционная космология, подводя нас ближе чем когда-либо к объяснению стрелы времени, даёт возможность понять, как в ранней Вселенной могла образоваться чрезвычайно низкая энтропия.

Эйнштейн и отталкивающая гравитация

После внесения последних штрихов в общую теорию относительности в 1915 г. Эйнштейн применил свои новые уравнения к рассмотрению ряда проблем. Среди них была давняя загадка, почему с помощью уравнений Ньютона не удаётся оценить так называемую прецессию перигелия орбиты Меркурия — наблюдаемый факт, что Меркурий не прочерчивает каждый раз один и тот же путь, обращаясь вокруг Солнца: вместо этого каждая следующая орбита немного поворачивается относительно предыдущей. Когда Эйнштейн провёл расчёты орбиты со своими новыми уравнениями, он получил точное наблюдаемое значение прецессии перигелия, и найденный им результат был настолько волнующим, что вызвал у него учащённое сердцебиение.{126} Эйнштейн также применил общую теорию относительности к вопросу о том, насколько сильно за счёт кривизны пространства-времени будет изгибаться траектория света далёкой звезды, когда свет проходит мимо Солнца на своём пути к Земле. В 1919 г. две команды астрономов — одна на острове Принсипи у западного побережья Африки, другая в Бразилии — проверили это предсказание во время солнечного затмения путём сравнения пути света от звёзд, который приходил, почти касаясь поверхности Солнца (именно такой свет наиболее подвержен отклонению за счёт присутствия Солнца, и только во время затмения он может быть видим), с фотографиями, сделанными, когда движение по орбите помещало Землю между Солнцем и теми же звёздами, почти уничтожая влияние гравитации Солнца на траекторию звёздного света. Сравнение дало угол отклонения света, который снова подтвердил вычисления Эйнштейна. Когда эти результаты попали в прессу, Эйнштейн стал известен на весь мир за одну ночь. С общей теорией относительности Эйнштейну, по правде говоря, здорово повезло.