Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.

Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!

Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.

Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»[18]. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством непривычных терминов в этой модели придётся смириться, но мы постараемся побыстрее с ними освоиться.

Подытожить стандартную модель можно так. Есть четыре силовых частицы, носящие общее название бозонов, в честь индийского физика Сатьяндраната Бозе: фотон, переносящий электромагнитные взаимодействия, глюон – частица сильного взаимодействия в атомных ядрах, и загадочно названные частицы W и Z, ответственные за слабое взаимодействие – что-то вроде радиоактивности. В эту компанию входит ещё бозон Хиггса – самый, может быть, знаменитый из всех бозонов – он связан с процессом, благодаря которому частицы приобретают массу.[19] Кроме бозонов, есть 12 частиц, из которых состоит вещество. Они называются фермионами в честь итальянского физика Энрико Ферми. Шесть из них – кварки, единственные частицы, чувствительные к сильному взаимодействию: верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные. Сочетаясь друг с другом разными способами, кварки образуют фундаментальные «строительные кирпичики» вещества, в том числе более привычные для нас протоны и нейтроны.

Остальные шесть фермионов— лептоны: в их число входит электрон и два его собрата мюон и таон, каждый из которых тяжелее предыдущего, а также три разновидности частицы, называемой нейтрино. С каждой из этих частиц мы ещё познакомимся поближе.

Однако в стандартной модели зияет пропущенное звено: гравитация. До сих пор она не поддаётся квантованию, и вовсе не потому, что научное сообщество недостаточно много работает над решением этой проблемы! Некоторые физики посвятили всю жизнь попыткам включить гравитацию в стандартную модель. Постоянно появляются и уходят новые варианты квантовых теорий тяготения, но большинство из них так и не получает никаких экспериментальных подтверждений.

Площадками, на которых происходит поиск новых квантовых теорий, стали великолепные исследовательские лаборатории современной теоретической физики – ускорители частиц, такие, например, как грандиозный Большой Адронный Коллайдер, построенный Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. В ускорителях сталкиваются друг с другом частицы, разогнанные почти до скорости света, и столкновения приводят к рождению новых. За последние 60 с лишним лет эксперименты на ускорителях выявили существование множества частиц, о которых мы не знали раньше. Пытаясь найти всё новые гипотетические – а возможно, и совершенно неожиданные – частицы, физики строят ускорители всё больших и больших масштабов. Некоторые из обнаруженных частиц – в том числе упомянутый бозон Хиггса – открывают для нас энергетические поля, на которых зиждется существование Вселенной.

Потенциальное решение вопроса о том, почему Вселенная выглядит такой однородной, – существование ещё одного энергетического поля, так называемого инфлатонного.[20] Ассоциированная с ним частица, которую называют инфлатоном, пока гипотетична и к тому же могла существовать только в ранней Вселенной.[21] То, что в нашу эпоху мы её не наблюдаем, свидетельствует, что в прошлом должно было произойти некое драматическое событие – возможно, самое драматическое за всю историю космоса. Но не будем забегать вперёд: вернёмся к нашим горкам.

В классических энергетических горках долины – участки устойчивости. Состояние может быть устойчивым или неустойчивым – чёрным или белым. В случае горок квантовой энергии устойчивость предстаёт как спектр оттенков серого. Вспомним: на нашем рисунке с энергетической горкой уровень моря был самым низким уровнем потенциальной энергии. В квантовой физике он называется состоянием вакуума.

Кинетическая энергия мяча (когда он катится из долины) аналогична квантовым возбуждениям и проявляется в виде частиц. Таким образом, энергия, ассоциированная с силой определённого вида, соответствует долине в отсутствие частиц и движению по склону горки в их присутствии. Мяч может застрять в долине и остаться в ней навсегда, так и не докатившись до моря – своего вакуумного состояния. Но в квантовой физике, где движение и положение в пространстве – понятия неопределённые, дела обстоят интереснее. Спонтанные квантовые флюктуации могут быть просто толчком, необходимым для создания того, что называется фазовым переходом.

Перерыв на водные процедуры

Как только появляется квантовый жаргон, всё сразу начинает казаться страшно сложным. Ну, вот что это за «фазовый переход»? Возьмём стакан воды, немного отольём оттуда и дольём снова. Перед нами тот же самый стакан воды? Вроде бы, да. Вода выглядит вполне однородной. У неё есть свойство, которое физики называют симметрией. Но в другой раз давайте перед тем, как добавить новую часть воды, заморозим её. Теперь появилась кое-какая разница: каждый раз, когда мы замораживаем воду, получившийся лёд выглядит чуть иначе.

Если у вас дома есть форма для ледяных кубиков, вытащите несколько штук и осмотрите их внимательно. У каждого кубика разные трещинки, вмороженные пузырьки воздуха, другие дефекты и особенности. Если мы заменим часть кубика на такой же кусочек другого кубика, у нас получится явно другой ледяной