Ничего не происходит из ничего.
Лукреций
Я допускаю, что наша Вселенная и в самом деле появилась ниоткуда около 10 10 лет назад... Я выдвигаю скромное предположение о том, что возникновение нашей Вселенной является одним из тех событий, что происходят время от времени.
Эдвард Трайон
Вселенная — это полностью бесплатный ланч.
Алан Гут
классическом научно-фантастическом романе Пола Андерсона
«Тау Ноль» космический корабль под названием «Леонора
Кристин» запускают в Космос с заданием достичь близлежащих
звезд. На борту корабля находятся 50 человек; во время путешествия
к новой звездной системе корабль может развивать околосветовую
скорость. Что еще более важно, в корабле действует принцип тео-
рии относительности, который гласит, что чем быстрее движется
корабль, тем больше замедляется время внутри корабля. А потому
путешествие к близлежащим звездам, которое заняло бы десятилетия
с точки зрения людей на Земле, для астронавтов длится лишь н есколь-
ко лет. Наблюдателю с Земли, следящему за полетом астронавтов,
показалось бы, что они заморожены во времени, их жизненные функ-
ции полностью остановлены. Но для астронавтов на борту корабля
время движется своим чередом. Когда корабль сбросит скорость и
астронавты выйдут в новый мир, они обнаружат, что всего лишь за
несколько земных лет прошли расстояние в 30 световых лет.
Корабль представляет собой чудо техники; он приводится в
действие прямоточными воздушно-реактивными двигателями, ко-
торые черпают водород из космоса, а затем сжигают его, получая
неограниченное количество энергии. Корабль движется настолько
быстро, что экипаж даже может наблюдать допплеровское смещение
звездного света; звезды впереди кажутся голубоватыми, а звезды по-
зади — красноватыми.
Затем происходит катастрофа. На расстоянии 10 световых лет от
Земли корабль проходит сквозь межзвездное пылевое облако и попа-
дает в область турбулентности, в результате чего временно перестает
функционировать система торможения. Перепуганный экипаж
оказывается в плену на вышедшем из-под контроля корабле, который
все сильнее и сильнее разгоняется, приближаясь к скорости света.
Члены экипажа беспомощно наблюдают за тем, как неуправляемый
корабль за какие-то минуты пересекает целые звездные системы. За
год корабль проносится сквозь половину Галактики Млечный Путь.
Бесконтрольно ускоряясь, корабль мчится мимо галактик; на это ухо-
дят месяцы, в то время как на Земле проходят миллионы лет. Вскоре
скорость корабля настолько приближается к световой, «тау ноль»,
что члены экипажа становятся свидетелями космических катастроф,
на их глазах старится сама Вселенная.
В конце концов они видят, что изначальное расширение Вселен-
ной прекращается и обращается вспять — Вселенная сжимается.
Температура резко возрастает, и члены экипажа понимают, что
корабль движется навстречу Большому Сжатию. Они молятся про
себя, видя, что температура растет, галактики начинают сливаться в
единое целое — космический первоатом. Кажется, что они неминуе-
мо встретят свою смерть в огненном катаклизме.
Их единственная надежда на то, что вещество взорвется и разле-
тится в пределах ограниченной области, а они на большой скорости
проскользнут мимо. Чудом их защита срабатывает, когда они проле-
тают мимо первоатома и оказываются свидетелями творения новой
Вселенной. Когда Вселенная вновь расширяется, их восхищенным
взорам предстает картина творения новых звезд и галактик. Им уда-
ется отремонтировать корабль, они тщательно рассчитывают курс,
направляясь к достаточно взрослой галактике, которая содержит эле-
менты высшего порядка, делающие жизнь в ней возможной. Наконец
им удается обнаружить планету, где жизнь возможна, и основывают
там колонию, давая начало новому человечеству.
Эта история была написана в 1967 году, когда среди астроно-
мов бушевали яростные споры о том, какова же конечная судьба
Вселенной: погибнет ли она от Большого Сжатия или Большого
Охлаждения, будет ли она бесконечно пульсировать или продолжит
свое существование в стационарном состоянии бесконечно? С тех
пор спор, кажется, нашел свое разрешение, и появилась новая тео-
рия — теория инфляции (расширения).
Рождение теории инфляции
«Волнующее открытие», — такую запись сделал Алан Гут в своем
дневнике в 1979 году. Он был воодушевлен сознанием того, что, воз-
можно, натолкнулся на одну из величайших теорий космологии.
Гут впервые за 50 лет подверг основательному пересмотру теорию
Большого Взрыва, сделав конструктивное наблюдение: он смог решить
некоторые из глубочайших загадок космологии, предположив, что
Вселенная подверглась гиперинфляции (ускоренному расширению)
в момент своего рождения, расширению гораздо более быстрому, чем
считало большинство физиков. Гут обнаружил, что с учетом этого
гиперрасширения он может безо всяких усилий разрешить массу глу-
боких космологических вопросов, которые не поддавались никакому
объяснению. Этой теории предстояло произвести революцию в кос-
мологии. (Последние космологические данные, включая результаты,
полученные со спутника WMAP, согласуются с прогнозами, которые
дает эта теория.) Это не только единственная действенная космологи-
ческая теория — она же простейшая и наиболее надежная.
Замечательно, что столь простая теория оказалась в состоянии
разрешить так много сложных космологических вопросов. Одной из
проблем, которые так элегантно разрешала теория инфляции, была
проблема плоскостности Вселенной. Астрономические данные по-
казали, что кривизна Вселенной очень близка к нулю: по сути, она
намного ближе к нулю, чем до этого считали многие астрономы. Это
могло бы объясняться тем фактом, что Вселенная, подобно шарику,
который быстро надувают, стала более плоской за период расши-
рения. Мы подобны муравьям, ползающим по поверхности шари-
ка, — мы слишком малы, чтобы заметить очень маленькую кривизну
шарика. Инфляция настолько «вытянула» пространство-время, что
оно кажется плоским.
Историческим в открытии Гута было то, что он применил физику
элементарных частиц, занимающуюся анализом мельчайших частиц
в природе, к космологии, изучению Вселенной во всей ее целостно-
сти, включая происхождение. Теперь мы понимаем, что глубочайшие
загадки Вселенной нельзя решить без физики чрезвычайно мало-
го — мира квантовой теории и физики элементарных частиц.
Поиски объединения
Гут родился в 1947 году в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси).
В отличие от Эйнштейна, Гамова и Хойла, в жизни Гута не было судь-
боносного момента, толкнувшего его в мир физики. Ни его отец, ни
мать не получили высшего образования и не проявляли интереса к
науке. Но по собственному признанию Алана, его всегда восхищала
связь математики с законами природы.
В Массачусетском технологическом институте в 1960-е годы он
серьезно рассматривал возможность заняться физикой элементар-
ных частиц. В особенности его восхищало всеобщее возбуждение,
причиной которого стало новое течение в физике, поиски объеди-
нения всех основных сил. Святым Граалем физики были объединя-
ющие мотивы, которые могли бы объяснить все тонкости строения
Вселенной самым простым и связным образом. Целую вечность
физики блуждали в поисках этого Грааля. Со времен древних греков
ученые считают, что Вселенная, которую мы видим сегодня, пред-
ставляет собой обломки чего-то гораздо более простого, и наша
цель — раскрыть суть этого простого.
За две тысячи лет исследований природы вещества и энергии
физики открыли, что механизм Вселенной приводят в действие всего
четыре основные силы. (Ученые пытались и пытаются найти возмож-
ную пятую силу, но до сих пор все результаты исследований в этом
направлении были отрицательными или неубедительными.)
Первая сила — гравитационное взаимодействие, которое удер-
живает Солнечную систему как единое целое и движет планеты по
их небесным орбитам в Солнечной системе. Если гравитацию не-
ожиданно «выключить», то звезды в небесахвзорвутся, Земля рассы-
плется и нас всех выбросит в открытый космос со скоростью около
полутора тысяч километров в час.
Вторая сила — электромагнитное взаимодействие, которое
освещает наши города, заполняет мир телевизорами, сотовыми теле-
фонами, радиоприемниками, лазерными лучами и сетью Интернет.
Если внезапно выключить электромагнитное взаимодействие, то
цивилизацию тут же отбросит на век-другой в прошлое, в темноту и
безмолвие. Это наглядно продемонстрировала авария энергосисте-
мы в 2003 году, парализовавшая весь северо-восток США. Если мы
рассмотрим электромагнитную силу в микроскоп, то увидим, что она
состоит из крошечных частиц, или квантов, называемых фотонами.
Третья сила — слабое ядерное взаимодействие, отвечающее за
радиоактивный распад. Это слишком слабый фактор, чтобы удержи-
вать атом как единое целое, он позволяет ядру разделиться на более
мелкие составляющие, или распасться. Радиоактивные приборы в
больницах во многом основываются на слабом ядерном взаимодей-
ствии. Слабое ядерное взаимодействие также способствует разогре-
ву земного ядра посредством радиоактивных веществ, что становит-
ся причиной извержения вулканов. Слабое ядерное взаимодействие,
в свою очередь, основывается на взаимодействии электронов и
нейтрино (призрачные частицы, практически не имеющие массы и
способные проходить сквозь триллионы километров твердого свин-
ца, ни с чем не сталкиваясь). Эти электроны и нейтрино взаимодей-
ствуют, обмениваясь частицами, W- и Z-бозонами.
Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядра атомов. Без
этой силы ядра бы разделились на части, атомы бы распались, а вся
наша реальность «расползлась» бы. Сильное ядерное взаимодей-
ствие отвечает за примерно сотню элементов, которые заполняют
Вселенную. Вместе с тем сильное и слабое ядерные взаимодействия
отвечают за свет, который испускают звезды согласно уравнению
Эйнштейна — Е =mc2. Без ядерного взаимодействия Вселенная по-
грузилась бы во тьму, температура на Земле резко упала бы, а океаны
превратились бы в ледники.
Удивительной чертой этих четырех сил является то, что все они
принципиально отличаются друг от друга, обладая различными свой-
ствами и имея свои достоинства. Например, гравитация намного
слабее трех остальных сил, она в 1036 раз слабее электромагнитного
взаимодействия. Земля весит 6 триллионов килограммов, и все же
огромный вес и гравитация могут быть легко уравновешены с по-
мощью электромагнитной силы. Даже ваша расческа может поднять
клочки бумаги с помощью статического электричества, тем самым
преодолевая силу гравитации. К тому же гравитация только притяги-
вает свои объекты, электромагнитная же сила может как притягивать,
так и отталкивать, в зависимости от заряда частиц.
Объединение на уровне теории
Большого Взрыва
Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика,
таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя
различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимо-
действия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать
различными качествами, различной физикой и различным образом
взаимодействовать?
Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти
четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объ-
единения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не
добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало
было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно
реалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работа
Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность
существования «теории всего».
Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недо-
стижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элемен-
тарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц рас-
щеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие»
вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни
новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологи-
ческим противоречием, космической шуткой. Древние греки счита-
ли, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все
упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики
изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита
для обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил,
что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, ко-
торый не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат
Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий ра-
зум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.
Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн и
Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института
предложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтро-
нов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон или
нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удержива-
ющую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку
сегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влило
новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.
В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Салам совершили
ошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение сла-
бого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали
новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называе-
мые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена но-
выми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами.
Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они
создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен
Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили Нобелевскую
премию за совместную работу в области объединения двух из
четырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодей-
ствий, — а также за активные исследования в области сильного ядер-
ного взаимодействия.
В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, по-
лученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра линейного
ускорителя (SLAC), обстреливающем цель мощными зарядами
электронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили,
что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри
протона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюо-
нами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодей-
ствия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада,
можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обме-
ниваются между собой глюонами. Это привело к созданию новой
теории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовой
хромодинамикой.
Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить три
взаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так на-
зываемую Стандартную модель — теорию кварков, электронов и
нейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W- и
Z-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетий
мучительной работы и исследований в области физики частиц. В на-
стоящее время Стандартная модель способна структурировать все
без исключения экспериментальные данные, имеющие отношение к
физике частиц.
Хотя Стандартная модель — одна из наиболее успешных физиче-
ских теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить,
что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, ко-
торая столь топорно описана. Например, в этой теории существует
19 произвольных параметров, которые вписаны эмпирически (т. е.
различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, их
нужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в под-
линно объединяющей теории, эти константы должны определяться
самой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов).
Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц,
называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самом
фундаментальном уровне будет использовать три точные копии су-
батомных частиц. Если не считать их массы, то эти частицы точные
копии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, масса
которого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица, с массой
в 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакого
упоминания о силе гравитации, хотя гравитация, пожалуй, наиболее
всепроникающая сила во Вселенной.
Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающий
экспериментальный успех, кажется такой надуманной, физики пыта-
лись создать еще одну теорию, или теорию Великого Объединения
(ТВО), которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем
основании. Она также рассматривала глюон, W- и Z-бозоны и фотон
на одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окон-
чательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительным
образом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния с
остальными силами, как мы это увидим.)
