Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

● Количество дейтерия могло пойти вразрез с той величиной, которая, как ожидалось, сохранилась от Большого взрыва.

● Температурные флуктуации на небесной сфере могли бы дать значение числа Q, которое было бы несовместимо с тем, что логически выводится из нынешней структуры Вселенной, если бы оно не равнялось 1/100 000, как уже говорилось в главе 8.

Теория Большого взрыва прошла все испытания. Обоснования, позволяющие экстраполировать величины на события, происходившие, когда наша Вселенная расширялась всего одну секунду (когда начал формироваться гелий), достойны того, чтобы приниматься так же серьезно, как, например, выводы о ранней истории Земли, которые делаются на основании исследования камней и окаменелых остатков организмов. Они точно так же являются непрямыми и имеют меньше количественных характеристик.

Возможно, мы могли бы углубить наше понимание ключевых космических чисел и даже «объяснить» их, продолжив экстраполяцию дальше – не только на первую секунду, но и на первую крохотную долю секунды.

Мы определенно можем вернуться ближе к Большому взрыву, но не намного. В течение первой миллисекунды мы менее уверены в физической сущности происходящего, потому что плотность материи превышала плотность нейтронной звезды. Очень высокую температуру и степень сжатия можно имитировать в микроскопическом масштабе с помощью экспериментов, где частицы с высокой энергией сталкиваются друг с другом. Но у этой методики имеются определенные пределы. Даже гигантский Большой адронный коллайдер, построенный Европейским центром ядерных исследований (CERN) в Женеве, не достигнет тех энергий, которые имели частицы в первые 10 –14секунд Большого взрыва. Многие характерные черты нашей Вселенной могли сформироваться, когда космические часы показывали 10 –35секунд или даже меньше. В таких условиях каждая степень десяти на космических часах, отсчитывающих возраст Вселенной, – каждый лишний ноль после запятой – была наполнена событиями и должна в равной мере приниматься в расчет. Таким образом, переход от отметки 10 –14к 10 –35секунд больше (по той причине, что между ними больше степеней десяти), чем временно́й интервал между трехминутным пределом, когда сформировался гелий (примерно 200 секунд от начала Большого взрыва) и настоящим временем (3×10 17секунд или 10 млрд лет). С такой точки зрения даже на более ранних этапах произошло множество событий.

Возвращаясь к началу нашего разговора, можно сказать, что загадки космоса и микромира пересекаются. Чтобы изучить эти загадки, нам нужно установить связи между тяготением (силой, которая доминирует в больших масштабах) и другими силами, которые управляют отдельными частицами. Это дело все еще не завершено. Но различные силы и частицы внутри атома сейчас представляются нам вполне согласованными.

В начале XIX в. Майкл Фарадей понял, что электричество и магнетизм непосредственно связаны: движущийся магнит создает электрические токи, а движущийся электрический заряд, наоборот, создает магнитное поле. Эти принципы легли в основу электромоторов и динамо-машин. В 1864 г. Джеймс Кларк Максвелл описал открытия Фарадея в знаменитых уравнениях, которые выражают, как изменяющееся электрическое поле создает магнитное и наоборот. В открытом пространстве эти уравнения имеют решения, при которых электрические и магнитные поля колеблются. Именно сочетанием таких полей и является свет – это волна электрической и магнитной энергии (как и радиоволны, рентгеновские лучи и все остальное, что мы сейчас называем электромагнитным спектром).

Таким образом, мы видим две основные силы: электромагнетизм (понимаемый как единая сила) и тяготение. Даже Фарадей стремился отыскать общность между тяготением и электромагнетизмом, хотя и понимал, что это преждевременно. Сто лет спустя Эйнштейн провел свои последние годы в поисках глубокой связи между этими двумя силами. Эти искания вновь оказались напрасными. На самом деле теперь мы понимаем, что они были обречены, потому что Эйнштейн не знал о работающих на коротких расстояниях силах, которые действуют внутри атомного ядра: сильное или ядерное взаимодействие, которое связывает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре (и определяет наше число ε); и слабое взаимодействие, важное для радиоактивного распада и нейтрино. По несколько грубому мнению физика Абрахама Пайса, самого прославленного биографа великого ученого, Эйнштейн «мог с таким же успехом заниматься рыбалкой» в последние 30 лет своей жизни.

Теперь трудность задачи состоит в том, чтобы объединить четыре силы: три, которые управляют микромиром, – электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие – и силу тяготения. Первый современный шаг к их унификации связан с именами Шелдона Глэшоу и Стивена Вайнберга в США, Герарда ‘т Хоофта в Голландии и пакистанского физика Абдуса Салама. Результаты их работы показали, что электрическая и магнитная силы (объединенные Максвеллом) сами по себе связаны, по-видимому, с совершенно иной силой – так называемым слабым взаимодействием, важным для нейтрино и радиоактивности. В очень ранней Вселенной эти силы были объединены в одну и начали различаться только после того, как Вселенная остыла ниже критической температуры примерно 10 15градусов (что произошло, когда ее возраст составлял 10 –12секунд). Самые большие ускорители могут имитировать такие температуры, и Салам и Вайнберг получили доказательства своей правоты, когда во время экспериментов в CERN открыли новые частицы, существование которых они предсказывали.

В 1950-х и 1960-х гг. было открыто так много новых частиц (добавившихся к хорошо знакомым электронам, нейтронам и протонам), что казалось: ученые, занимающиеся физикой частиц, рискуют превратиться в «коллекционеров марок». Но в череде этих частиц обнаружилась система; субатомные частицы можно было объединять в «семьи», подобно тому как атомы в периодической таблице Менделеева подразделяются на периоды и группы. В 1964 г. Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг, два американских физика-теоретика, предложили «кварковую модель». Кварки имеют заряд, составляющий 1/3 или 2/3 от заряда электрона. Экспериментальную поддержку теории обеспечили Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор, которые использовали новейший линейный ускоритель в Стэнфорде, чтобы бомбардировать протоны электронами. Ученые обнаружили, что электроны рассеиваются так, будто каждый протон состоит из трех «точечных зарядов», содержащих соответственно 2/3, 2/3 и – 1/3 общего заряда. Тем не менее один из неожиданных аспектов «кварковой модели» состоит в том, что отдельный кварк вычленить никак нельзя, хотя внутри протона кварки ведут себя как свободные частицы. (Все попытки обнаружить частично заряженные частицы провалились.) В конце 1970-х гг. бо́льшая часть «зоопарка частиц» была объяснена в категориях 9 типов кварков.