Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

Двадцать первого ноября 2013 года группа IceCube заявила об обнаружении 28 нейтрино энергией более 30 ТэВ, причем в двух случаях их энергия превышала 1 ПэВ (10 15эВ) {313} 313 IceCube Collaboration, First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube // http://arxiv.org/abs/1304.53S6v2 (2013). . Если полученные в будущем данные позволят точно установить их источники, благодаря проекту IceCube наконец откроется новое нейтринное окно во Вселенную. Когда эта книга уже была отправлена в издательство, появилось сообщение о третьем нейтрино энергией свыше 1 ПэВ.

Астрофизик Флойд Стекер из Центра космических полетов Годдарда, с которым мы в прошлом вместе работали, доказал, что нейтрино энергией порядка пикаэлектрон-вольт согласуются с прогнозом, который он и три его соавтора сделали в 1991 году: ультравысокоэнергетические нейтрино могут образовываться в недрах активных галактик {314} 314 Stecker Floyd W. IceCube Observed PeV Neutrinos from AGN Cores // Physical Review, D 88,2013: 047301. .

Как и в предыдущем разделе, некоторые новые результаты, которые я описываю в этой главе (а также в главе 11), были добавлены в книгу уже после того, как ее отправили в издательство. Некоторые источники до сих пор существуют только в форме препринтов. Очевидно, что физика частиц и космология развиваются очень быстро, поэтому приведенную информацию не следует считать окончательной. Я могу представить только моментальный снимок, отражающий ситуацию на момент издания этой книги.

Давайте отметим на временной шкале все, что на момент написания этой книги известно об истории нашей Вселенной, от Большого взрыва до настоящего времени. Под нашей Вселенной я понимаю то, что мы сегодня можем увидеть в телескоп, и то, что мы можем заключить из этих наблюдений о прошлом этой Вселенной. Мы рассмотрим будущее в следующем разделе и возможность существования других вселенных — в следующей главе.

Поскольку наши нынешние знания из области физики, основанные на экспериментах с ускорителями, доходят «всего лишь» до момента 10 -12с после Большого взрыва, мы можем в лучшем случае гадать о более ранних временах. Впрочем, наши предположения вовсе не будут пустыми домыслами, если мы выстроим их на надежном фундаменте существующих знаний.

Читатель должен помнить, что я не претендую на описание того, что действительно существует в некой абсолютной метафизической реальности. Как я уже подчеркивал, моя философская позиция такова, что мы не можем достичь точного знания об этой реальности. Все, что мы можем, — это делать как можно больше наблюдений и описывать их с помощью математических моделей. Они основываются на близких человеку понятиях, определенных операционально, таких как время, пространство и температура. Далее приводится именно такое описание, где температуры приведены в электрон-вольтах. Не забывайте, что это упрощенная модель и наверняка не окончательная ее версия.

10 -43с, 10 28эВ. Планковское время. В планковское время наша Вселенная была пустой сферой планковских размеров — 10 -35м. Любая модель, которая стремится описать пустую вселенную в понятных человеку терминах пространства и времени, максимально симметрична. Она заведомо будет содержать неявные принципы сохранения, которые люди называют законами, а я обозначил как метазаконы. Не было никакого законодателя, ни естественного, ни сверхъестественного. Эти модели автоматически следуют правилам квантовой механики и относительности, которые сами вытекают из симметрии. В частности, к ним относятся принцип неопределенности и уравнения Фридмана, с помощью которых мы моделируем то, что случилось дальше.

В отсутствие частиц квантовые флуктуации плотности энергии вакуума, или, если вам угодно, кривизна пространства-времени, заставили сферу расширяться и сжиматься. В неизвестный момент времени, который обычно принимают за примерно 10 мс, положительная флуктуация оказалась достаточно большой для того, чтобы вызвать инфляцию. Трение в расширяющейся Вселенной, предсказанное моделью, значительно замедлило возвращение к равновесному состоянию, и наша Вселенная экспоненциально расширилась на много порядков.

~10 -34с, 10 24эВ. Конец инфляции (точное время неизвестно). Подобно затуханию колебаний гармонического осциллятора, то же трение остановило инфляцию, и вслед за ней началось почти линейное хаббловское расширение. Первые частицы были образованы из потерянной энергии. Все они были безмассовыми.

В условиях максимальной симметрии силы, посредством которых частицы взаимодействовали, были унифицированы как единая сила. Максимальная симметрия включает в себя суперсимметрию, при которой каждая частица и ее суперпартнер идентичны и имеют нулевую массу.

По мере того как расширяющаяся Вселенная охлаждалась, произошла серия спонтанных (случайных, нерукотворных, непреднамеренных) фазовых переходов, которые нарушили симметрию и дифференцировали разные типы частиц и сил друг от друга. Это был первый этап развития асимметричной структуры во Вселенной. Частицы отделились от античастиц и получили легкое преимущество. Или, точнее говоря, те из них, которые получили преимущество, мы называем частицами, а прочие — «античастицами». Бозоны обособились от фермионов, поскольку суперсимметрия нарушилась. Лептоны дифференцировались от барионов (кварков). Гравитация отделилась от сил, описываемых моделью теории великого объединения (ТВО). Частицы оставались безмассовыми.

Далее, по мере дальнейшего охлаждения, симметрия ТВО нарушилась и сильное взаимодействие отделилось от электрослабого взаимодействия. Глюоны отделились от прочих бозонов. К тому моменту Вселенная состояла из всех частиц и античастиц стандартной модели, причем кварки и глюоны формировали сильно взаимодействующую кварк-глюонную плазму, а остальные частицы свободно перемещались вокруг, разбегаясь друг от друга в весьма плотной среде.

ПРИМЕЧАНИЕ

На большей части временных шкал, которые можно встретить в более ранних книгах и статьях, нарушающие симметрию фазовые переходы изображаются перед инфляцией, поскольку авторы предполагают, что инфлятонное поле представляет собой хиггсовское поле в ТВО (ТВОХ?). Однако это не обязательно так, и эпоха великого объединения и фазовые переходы вполне могли произойти после инфляции, когда уже были частицы, с которыми можно работать.

10 -10с, 100 ГэВ. Нарушение электрослабой симметрии. С этого момента мы можем делать более точные утверждения, поскольку благодаря экспериментам на ускорителях мы уже понимаем физику, действующую в данных условиях. Примерно в это время электрослабое единство стандартной модели было разрушено, а электромагнитное взаимодействие отделились от слабого ядерного взаимодействия. В результате получились четыре различные силы, которые мы можем наблюдать сейчас: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Возник бозон Хиггса и придал массу слабым бозонам и лептонам, тогда как массы фотона и глюона остались нулевыми. Таким образом, слабые силы оказались ограничены радиусом около 10–18 м, а электромагнитные силы по-прежнему действовали на бесконечно больших расстояниях. Кварки также приобрели массу по хиггсовскому механизму, но только частично и в основном благодаря сильным взаимодействиям с глюонами, которые сами по себе оставались безмассовыми и были погребены в кварк-глюонной плазме.