IV. Каким образом частицы набирают весь свой вес?

Золотой век кварков (t = от 10^–12 до 10^–6 секунды)

Заглядывая все дальше в прошлое, мы наблюдаем общую тенденцию. Вселенная становится все горячее и горячее, частицы – все энергичнее и энергичнее, а это обычно означает, что они движутся все быстрее и быстрее. По большей части все происходит довольно плавно, но иногда приключаются и резкие скачки.

Вот, например, поговорим о том, что происходило, когда Вселенной было отроду около 10^–12 секунд. До этого времени температуры были настолько чудовищно высоки, что частицы Хиггса, с которыми мы в последний раз виделись в главе 4, не могли сконденсироваться в свое нынешнее состояние частиц. В результате до этого момента (если 10^–12 секунд можно с полным правом назвать моментом) ни одна из частиц не обладала массой. Для некоторых частиц вроде электронов и нейтрино набор массы был не слишком важным делом, поскольку они и так довольно миниатюрны. Даже после появления частицы Хиггса они все равно шныряли по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света.

Но другие частицы, например W и Z (переносчики слабого взаимодействия), предавались набору массы со всей серьезностью. До того как Вселенной исполнилось 10^–12 секунд, частицы W и Z почти ничем не отличались от фотонов. На самом деле это означает, что не было никакой разницы между электромагнетизмом (фотоны) и слабым взаимодействием (W и Z), так что эти силы объединялись в одно «электрослабое» взаимодействие.

Что же изменилось? Между «иметь массу» и «не иметь массы» есть большая разница, причем безо всякого плавного перехода. В главе 6 мы упоминали о том, что пустое пространство совсем не такое пустое, как вы думали. Оно битком набито энергией и постоянно занято созданием и распадом частиц. Это и есть та «энергия вакуума», которая вызывает эффект Казимира, а возможно, и ускорение Вселенной в наше время. Кроме того, это основа, на которой происходят все взаимодействия частиц. Примерно в 10^–12 секунд вакуум перешел из высокоэнергичного в низкоэнергичное состояние, – вот почему законы физики тоже изменились. Именно поэтому все W, Z и частицы Хиггса знают, что должны или иметь массу, или обеспечивать ее, или и то и другое. Когда вакуум перешел из одного состояния в другое, была отчасти утрачена столь дорогая нам симметрия, и слабое и электромагнитное взаимодействия разделились.

Это главная тема в эволюции Вселенной. Сегодня в природе существует четыре различные силы, но это слишком много и довольно-таки запутанно. В главе 4 мы отметили, что одна из главных надежд физики – сформулировать единую Теорию Всего, которая одним законом объединит все четыре силы. Эйнштейн посвятил большую часть последних лет своих ученых занятий попыткам унифицировать все фундаментальные силы, известные в его время (то есть только гравитацию и электромагнетизм), но у него практически ничего не вышло.

Мы располагаем отличной теорией, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, однако когда мы пытаемся сочетать электрослабое взаимодействие с сильным, то ступаем на зыбкую почву. Нам не слишком много известно о том, как могла бы быть устроена «великая теория унификации», но мы предполагаем, что эти три силы, вероятно, были едины при гораздо более высоких энергиях, чем те, которыми располагала Вселенная в момент 10^–12 секунд п. Б. в. Есть надежда, что Теория Всего объединит все четыре силы в более ранний период.

Поспешишь – людей насмешишь. Пока что мы можем только спросить, какой была Вселенная в тот момент, когда разделились электромагнетизм и слабое взаимодействие. Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется разоблачить собственное вранье, точнее, умолчание. Мы говорили о том, что во Вселенной наличествовала асимметрия и что будто бы когда-то на каждый миллиард антипротонов приходился миллиард один протон.

Такого никогда не было.

Не было момента, когда протоны и нейтроны производились в колоссальных количествах. Когда Вселенной было от роду 10^–12 секунд, она была совсем не такая, как сейчас. Кварки в то время были настолько энергичны, что их нельзя было удержать в рамках протонов и нейтронов. Так происходило до тех пор, пока Вселенной не исполнилось примерно миллионная доля секунды, – а тогда Вселенная остыла до такой степени, что кварки уже перестали встречаться вне протонов и нейтронов.

Все это означает, что в некоторой степени мы не о том беспокоились. Вместо того чтобы думать о том, почему на каждый миллиард антипротонов находился один лишний протон, стоило задуматься о том, почему на каждый миллиард антикварков находился один лишний кварк. И тогда мы будем отодвигать источник вопроса крошки Билли все раньше и раньше.

V. Существует ли где-нибудь в пространстве-времени твоя точная копия?

Инфляция (t = 10^–35 секунд)

Время до наступления эпохи кварков было восхитительным, однако невероятно запутанным. Температура была так высока, что кварки, электроны и нейтрино легко и просто создавались из высокоэнергичных фотонов. Нам нет смысла задумываться о том, чем в то время была занята каждая разновидность частиц. Все они создавались и уничтожались с такой быстротой, что, в общем-то, и не отличались друг от друга. Первобытный бульон Вселенной был практически однородным, и говорить о нем вовсе не так уж интересно. Лучше попробуем разгадать несколько удивительных тайн.

Тайна № 1. Проблема горизонта

По большей части фоновое космическое излучение имеет примерно одинаковую температуру. Два участка на противоположных сторонах неба зачастую различаются по температуре всего на одну стотысячную градуса. На первый взгляд это пустяк – однако увидеть, в чем тут проблема, вам, вероятно, поможет пикантная аналогия. Представьте себе, что капитан пиратского корабля готовится лечь в ванну. Предположим, он наполняет ее из двух кранов – по одному на противоположных концах ванны. Так получилось, что из крана по правому борту течет холодная вода, а из крана по левому борту – кипяток. Как вы думаете, когда капитан попробует воду и ляжет в ванну, будет ли он плескаться в равномерно теплой водичке? Нет. Голове будет горячо, а ногам – холодно. Вода мгновенно не перемешивается.

Все эти температурные вычисления основаны на простом предположении: когда Вселенная была вполовину меньше, чем сейчас, она была вдвое горячее – и так далее. Но это означает, что вначале температура везде была примерно одинакова. Если бы Вселенная, подобно ванне Кровавой Бороды, была разная в разных местах, температурам понадобилось бы некоторое время, чтобы перемешаться и выровняться. Самая быстрая скорость передачи тепла – скорость света, и на это бы попросту не хватило времени.

«Минуточку! – возразите вы. – У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.

Предвидим следующее возражение: «В первые моменты после Большого взрыва все было очень близко друг от друга! И температуры в двух этих точках наверняка успели выровняться еще тогда! Или нет?»

Нет – хотя ход вашей мысли нам нравится. Да, эти участки тогда были очень близки, однако Вселенная была так юна. И ее юность пересилила размеры. Мы понимаем, что интуитивно вам хочется просто предположить, будто температура «на старте» везде была одинаковой, но ведь это только потому, что вы привыкли, что любым событиям что-то предшествует, вот в чем дело. Большой взрыв – это вселенская отправная точка, поэтому попросту нет никаких причин для того, чтобы в самом начале все было однородно, а вы считаете, что Вселенная когда-то была маленьким шариком. Как мы видели в главе 6, расширение Вселенной идет по другому сценарию. В любое время после нуля все точки во Вселенной находились на каком-то расстоянии друг от друга.

Если пробиться сквозь вычисления, окажется, что время на перемешивание было лишь у тех участков неба, которые разделены углом примерно в один градус – около двух диаметров полной Луны. Поскольку большая часть Вселенной никогда не контактировала с остальной Вселенной, почему все выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри? Почему галактики в Северном небесном полушарии такие же, как галактики в Южном?

Тайна № 2. Проблема плоского мира

В главе 6 мы столкнулись еще с одной большой загадкой, когда говорили о «форме» Вселенной. Мы отметили два факта.

1. Судьбу и форму Вселенной определяет критическая плотность. Если сложить все, что составляет массу и энергию, – то есть темную материю, темную энергию, барионы и фотоны, – а затем разделить это на критическую плотность, то мы обнаружим, что отношение реальной плотности к критической – Ω_ТОТ – составляет 100 % или по крайней мере настолько близка к 100 %, насколько мы можем измерить. Это означает, что Вселенная плоская.

2. Если бы Ω_ТОТ хоть немного отличалась от 100 %, то по мере развития Вселенной плотность либо возрастала бы очень быстро и в конце концов пришла бы к коллапсу (если бы Ω_ТОТ была больше 100 %), либо сокращалась бы (если бы она была меньше 100 %). Для наглядности: если Ω_ТОТ через одну секунду п. Б. в. равнялась 99,9999 %, сегодня она составляла бы меньше одной миллиардной процента.

Итак, мы подошли ко второй тайне: почему Вселенная плоская, если, по всем нашим данным, она совершенно не обязана быть именно такой?

Решение всех проблем. Теория инфляции

В начале 1980-х годов многие исследователи пытались разобраться с этими вопросами, а также с вопросом о том, когда и как объединялись сильное и электрослабое взаимодействия. Физики надеялись, что чем выше энергии, тем больше похожи друг на друга все силы. Мы уже почти сумели достичь в наших ускорителях энергий, необходимых для унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия, но еще не можем добыть никаких экспериментальных данных об объединении электрослабого и сильного взаимодействий. Даже БАК – самый мощный ускоритель, имеющийся в нашем распоряжении, – чтобы доказать великую теорию унификации, должен был бы вырабатывать энергии в триллионы раз больше предела своих нынешних возможностей.

Однако делать умозаключения нам никто не мешает. Примерно в 10^–35 секунд п. Б. в. энергии во Вселенной были настолько высоки, что все три силы, кроме гравитации, могли бы быть унифицированы, а вакуум обладал еще более высокой энергией, чем в период унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия. Температуры, о которых мы говорим, настолько абсурдно высоки, что кажется, будто их выдумали: примерно 10²⁷ градусов Цельсия. Поскольку для великой теории унификации (ВТУ) у нас нет ни единой модели, никаких подробностей мы не знаем, но если это было что-то похожее на конец эпохи электрослабого взаимодействия, то когда кончилась эпоха великой унификации, произошло нечто странное.

В 1981 году Алан Гус, который на то время работал в Стэнфорде, предположил, что это «нечто странное» называлось космической инфляцией, и на первый взгляд это казалось какой-то ерундой. Вскоре после того, как сильное взаимодействие откололось от электрослабого, Вселенная, согласно инфляционной модели, прошла период экспоненциального расширения – она увеличивалась в размере со скоростью примерно в 10⁴⁰ раз за крошечную долю секунды.

Так выглядит базовая картина инфляции, однако теперь перед нами встает другая задача – объяснить, почему мы решили, будто эта модель развития ранней Вселенной жизнеспособна. Наверное, вам кажется, будто экспоненциальный рост – это полнейшая фантастика. А вот и нет. Не забывайте, что наша Вселенная экспоненциально растет даже сейчас, пока мы с вами беседуем. Дело в одной мелочи, о которой вы уже знаете, – в так называемой темной энергии.

Возможно, вам к тому же кажется, будто такое стремительное расширение нарушает принцип специальной относительности, ведь нельзя двигаться быстрее света, – но не волнуйтесь. Нас беспокоит только одно – как бы информация не распространялась быстрее скорости света. А пространство пусть себе расширяется, как считает нужным.

Представьте себе, что капитан Кровавая Борода и его команда пытаются сбыть часть своей неправедно нажитой добычи в торговом центре. Кровавая Борода знает, что в обычной обстановке ему нипочем не перегнать первого помощника мистера Уинкса, но выясняет, что если он бежит по эскалатору, то прямо-таки летит – он двигается так быстро, как мистеру Уинксу и не снилось. Представьте себе, как удивится капитан, когда увидит, что и мистер Уинкс тоже бежит по эскалатору – и легко и просто пробегает мимо него.

То же самое происходит и в расширяющейся Вселенной. Может показаться, будто частицы движутся «быстрее света», – а это просто Вселенная расширяется вместе с ними. Если бы вы были субатомной частицей в тогдашней Вселенной, вы бы все равно не сумели обогнать луч света. Во время инфляции это так же справедливо, как и во все другие времена.

Гораздо серьезнее вопрос о том, почему же началось это расширение. Идея состоит в том, что когда сильное взаимодействие отходит от двух других, оно вызывает во Вселенной так называемый фазовый переход. Можете считать это внезапным превращением – вроде того, которое происходит, когда вы нагреваете лед до температуры выше нуля по Цельсию и он тает. Кроме того, это очень похоже на перемены, которые происходят, когда расщепляются электромагнитное и слабое взаимодействия.

Согласно гипотезе Гуса, во время инфляции Вселенная была наполнена так называемым инфлятонным полем. Во многих отношениях это похоже на поле Хиггса, которое сегодня контролирует массы и имеет отношение к электромагнитному и слабому полю. Поскольку инфлятонное поле расширяется в точности как темная энергия, у них много существенных общих качеств. Одно из самых важных – инфлятонное поле, расширяясь, не теряет плотности энергии. Это очень существенная составляющая уравнения, поскольку мы уже видели, что обычно большое расширение приводит к тому, что Вселенная сильно остывает, и тогда все в ней должно немедленно замерзнуть. Однако инфлятонное поле – это вроде гигантской батареи, и когда инфляция произошла, вся энергия высвобождается, и Вселенная снова разогревается. Все становится вкусное и поджаристое, будто ничего и не остывало.

Если вы по-прежнему сомневаетесь, мы не вправе вас упрекать. Однако мы вас заверяем, что не стали бы говорить об инфляции, если бы она не помогала объяснять те загадочные явления, которые мы наблюдаем во Вселенной. Помните проблему горизонта, когда мы не понимали, как же перемешались разные кусочки неба? Инфляция разрешает эту проблему очень просто. Хотя до инфляции прошло совсем мало времени, маленький участок Вселенной все равно успел уравновеситься до одной температуры, а затем этот маленький участок раздулся до таких исполинских размеров, что теперь он включает в себя объем всей наблюдаемой Вселенной.

Кроме того, инфляция объясняет проблему плоского мира. Тут все еще лучше соответствует интуиции и здравому смыслу. Представьте себе, что вы надуваете очень большой воздушный шарик. Даже хотя «на самом деле» воздушный шар – это сфера, для муравья, человека или галактики, которые сидят на его поверхности, поверхность кажется плоской. Иначе говоря, возможно, наша Вселенная и не совсем плоская, но если она и не совсем плоская, то очень близка к таковой.

Означает ли это, что во Вселенной бесконечное количество материи? В конце концов, когда мы говорили о плоском пространстве, то упомянули о том, что плоская Вселенная бесконечна. Поскольку везде есть некоторое количество материи, а количество пространства бесконечно, отсюда прямо следует, что в целом количество вещества должно быть бесконечно.

Обычно подобные соображения очень нервируют, поскольку, когда начинаешь рассуждать о понятиях вроде бесконечности, нормальный человеческий мозг немедленно приходит к парадоксальным умозаключениям: «Если пространство бесконечно, значит, в нем бесконечное количество материи, а следовательно, где-то во Вселенной существует еще один я…» – и конец чувству собственной уникальности.

А по нашему мнению, вы все равно уникальны, что бы там ни думала Вселенная.

Мы говорили о периоде инфляции так, словно он был только один, но на самом деле (то есть согласно данной модели) Вселенная разветвлялась много-много раз – не исключено, что бесконечно много. Каждый участочек пространства претерпевал инфляционное расширение, и новое пространство создавалось быстрее, чем завершалась инфляция каждого данного участка. Алан Гус назвал это «бесконечным бесплатным обедом».

Для наглядности надо провести грань между нашей Вселенной – всем тем, что мы видим и с чем находимся в прямом контакте, всем тем, что могло бы повлиять на нас и на что мы сами могли бы повлиять (либо теперь, либо в обозримом будущем), – и «мультивселенной». «Мультивселенная» (это один из множества терминов, обозначающих одно и то же основное понятие) – это то, что мы понимаем как Вселенную с большой буквы. Мультивселенная, вероятно, состоит из множества разных вселенных, каждая из которых либо отделена от прочих пространством, либо временем, либо просто не может прямо с ними взаимодействовать.

Не путайте эти разные вселенные со «множественными мирами» – интерпретацией квантовой механики, с которой мы познакомились в главах 2 и 5. Разные вселенные мультивселенной – просто обычные вселенные, которые, вероятно, во многом похожи на нашу (или не похожи), только мы не можем в них побывать.

Представим себе, что в мультивселенной бесконечное множество вселенных. Квантовая механика учит нас, что даже если каждая конкретная вселенная конечна, устроена она может быть лишь определенным количеством способов (хотя это количество, вероятно, сокрушительно велико). Это значит, что где-то в мультивселенной может оказаться человек, идентичный вам во всем. Этот человек сейчас читает то же самое предложение, что и вы, и чувствует себя в точности таким же незначительным. Это унизительно – и к тому же немного жутко. Как будто у вас бесконечное множество преследователей. Более того, если количество вселенных и в самом деле бесконечно, то где-то существует и дубликат нашей Вселенной, как она есть.

Но бесконечна ли наша индивидуальная ветвь инфляции, наша Вселенная? Не обязательно. Инфляция не делает нашу Вселенную плоской, она просто раздувает ее до таких сокрушительно громадных размеров, что она становится настолько плоской, насколько нам это может быть интересно. Кроме того, это означает, что, строго говоря, материи в ней не бесконечное количество, а следовательно, никаких ваших двойников не существует, по крайней мере в нашей Вселенной. Понимаете? Мы же говорили – вы совершенно уникальны.

Разумеется, поскольку мы на самом деле не вправе с уверенностью судить о том, как были устроены материя и гравитация в первую крошечную долю секунды, все это можно считать не более чем обоснованными догадками.