Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер

Есть еще два больших вопроса, к которым нам надо вернуться. Первый: почему Вселенная (наша частная Вселенная в мультикосмосе, можно добавить теперь) так кособока? Второй: почему Вселенная является трехмерной?

Во-первых, почему вещества больше, чем антивещества? Одной их возможностей является то, что галактики из антивещества существуют где-то еще. Тот факт, что мы не видели ни одной, не противоречит другим областям космологии, но нету никаких свидетельств о таких галактиках. Ведь поскольку межгалактическое пространство наполнено атомами водорода — ну, «наполнено» это преувеличение, но их много — мы ожидали бы увидеть интенсивное излучение от аннигиляции этих атомов с антивеществом галактик, проплывающих сквозь них. Никакого такого излучения не наблюдается, поэтому все выглядит, как если бы вещества было действительно больше, чем антивещества. Чтобы быть более точным, следует сказать, что если бы первоначально вещества было столько же, сколько антивещества, они бы аннигилировали друг с другом, и все что осталось бы нам теперь, было бы фотонами от излучения, возникшего из аннигиляции. На самом деле, на каждый миллиард фотонов имеется одна частица, поэтому первоначально должно было иметься легкое преобладание частиц над античастицами. Как это могло случиться?

Русский физик и диссидент Андрей Сахаров (1921-98) подошел к основным принципам в 1965 г., но остановился перед механизмом их обеспечения. Он показал, что должны быть выполнены три условия. Одним из них было существование процессов, не сохраняющих число адронов, в том смысле, что адроны (например, протоны) могут превращаться в лептоны (например, позитроны). Вторым было то, что CP-симметрия должна нарушаться (C обозначает конфигурацию зарядов, P — четность, см. главу 6). Третьим было то, что события должны происходить достаточно медленно, чтобы равновесие могло нарушиться: нарушение равновесия, случившееся в некоторый момент, должно остаться вмороженным во Вселенную, быстро эволюционирующую в будущее.

Мы теперь знаем, что предполагаемая теория великого объединения, обсуждавшаяся в главе 6, устраняет различие между адронами и лептонами, поэтому при достаточно высоких температурах (больше температуры, необходимой для нарушения симметрии, создающего различие между частицами) адроны и лептоны могут превращаться друг в друга. Мы можем представлять себе это превращение как действие сил некоторого вида, которые заставляют адроны становиться лептонами. Эти превращения, будучи силой, обеспечиваются — как и любая сила — путем обмена калибровочными бозонами. Поскольку теория великого объединения в полном оперении еще не сформулирована, у нас немного информации о свойствах этих переносящих силу частиц, и сегодня они называются просто X калибровочными бозонами. Однако мы знаем, что, поскольку X вызывает переход между адроном и лептоном, он сможет распасться на позитрон и анти- d-кварк. Подобным же образом, античастица для X, анти-Х, может распасться на электрон (античастицу позитрона) и d-кварк. Если скорости этих распадов немного различаются, то возникнет небольшой дисбаланс вещества и антивещества, даже если первоначально количества X и анти-Х были равными. Вот где вступает в дело нарушение CP-симметрии, поскольку оно может несколько повысить скорости таких процессов. Мы видели, что нарушение CP-симметрии эквивалентно исчезновению инвариантности относительно обращения времени, в том смысле, что процессы, текущие назад, отличаются от процессов, текущих вперед во времени, и эта кособокость Вселенной во времени действительно зарегистрирована. Теперь считается, что преобладание вещества над антивеществом является проявлением кособокости Вселенной. Почему Вселенная кособока, никто не знает. Возможно, кособока только наша Вселенная, а мультикосмос как целое — если он один — может быть вполне симметричен.

Оставшейся проблемой является причина трехмерности нашего пространства. Первый намек на возможное объяснение начинает возникать из теории струн. Мы подозрительно упорно умалчивали в этой главе о теории струн, если не считать слабого проблеска ее присутствия в сносках, главным образом потому, что она все еще так спекулятивна. Однако существуют некоторые указания на то, что теория струн приложима к очень ранним стадиям появления Вселенной — как оно и должно быть, если это фундаментальная теория вещества — и что в самый ранний момент Вселенной произошел не взрыв частиц, а взрыв струн: взрыв спагетти, а не манной крупы. Например, мы видели, что в очень ранние времена, а значит, при очень высокой температуре, перед тем как произошло нарушение симметрии, все силы имели одинаковый уровень. Но это не вполне верно, поскольку оказывается, что если вычисления проделаны тщательно, то уровни гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействий в очень ранней Вселенной, в первое тиканье планковских часов, не вполне совпадают (рис. 8.11). Однако, когда в игру вступает теория струн, это малое расхождение удаляется, и силы в момент их рождения оказываются в точности равными.

Рис. 8.11.В главе 6 мы видели, что фундаментальные силы сходятся к общей величине, когда мы подходим к моменту (и температуре) Большого Взрыва. Это не вполне верно, поскольку в течение очень короткого времени между ними имеется небольшое различие. Если обратиться к теории струн, это расхождение, по-видимому, исчезает.

Мы видели, что одной из очаровательных черт теории струн является то, что она предполагает существование у Вселенной десяти измерений (одиннадцати, включая время), но семь из них свернуты в пространства Калаби-Яу, со струнами, продетыми в многомерные дырки этих пространств. Мы можем представлять себе струны намотанными в одном направлении, а антиструны намотанными в противоположном направлении. Когда струна и антиструна встречаются, они аннигилируют, поэтому мы можем нарисовать себе десятимерное пространство с извивающимися струнами и антиструнами, аннигилирующими при встрече. Там где встречи не происходит, струны удерживают пространство от развертывания, так же как реальные струны, закрученные вокруг бумажной трубки.

Теперь нам нужны дальнейшие факты. В одномерном пространстве, похожем на перекладину счетов, точка и ее антиматериальный двойник, другая точка, почти наверняка встретятся и аннигилируют, если только они не движутся с одинаковой скоростью в одном направлении. В двух измерениях, как на бильярдном столе, встреча двух точек гораздо менее вероятна (рис. 8.12).

Рис. 8.12.Две частицы в одномерной области — как две бусины на нитке (верхняя иллюстрация) — обязательно встретятся, если только они не движутся с одинаковой скоростью. В двумерной области — как у бильярдных шаров на бильярдном столе (нижняя диаграмма) — шансы их встречи сильно уменьшаются.

 Когда вместо точек мы пытаемся представить себе встречу струны и антиструны, оказывается, что они скорее всего встретятся при условии, что размерность пространства не более чем три. Это предполагает — и это на данной стадии не более чем интригующее предположение, — что струны и антиструны, которые можно представлять себе удерживающими в свернутом состоянии три размерности, вероятно, аннигилируют друг с другом и освобождают соответствующие размерности, давая им возможность развернуться (рис. 8.13). То есть три размерности разворачиваются, и разворачиваются, прежде чем у оставшихся размерностей будет время сделать то же самое, Вселенная переходит к следующей фазе своего развития, возможно, к раздуванию, оставляя семь размерностей в капкане навсегда.

Рис. 8.13.Две струны, струна и антиструна, движущиеся вдоль свернутого измерения, встретятся и аннигилируют, давая возможность измерению развернуться. В теории струн существует указание на то, что струны имеют много шансов для встречи в трех измерениях, подобно точечным частицам в размерности один. Оставшиеся измерения пойманы, так что лишь три измерения разворачиваются, чтобы образовать размерность нашей знакомой Вселенной.