Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Проблема темной энергии куда болезненнее, чем кажется на первый взгляд, поскольку мы даже не знаем, в какой области физики искать решение. Очень может быть, что мы не вполне верно интерпретируем стандартную модель. А может статься, темная энергия заложена в законы гравитации — в эйнштейновскую космологическую постоянную. Если дело в этом, нам либо придется смириться с тем, что темная энергия просто есть, либо мы так и не сможем найти к ней подход, пока не построим рабочую теорию квантовой гравитации.

Напрашивается вывод, что мы просто не представляем себе, что такое темная вселенная. Мы можем количественно оценить ее, что, конечно, уже хорошо, однако о ее сущности ничего особенного сказать не можем.

Довольно нытья. Мы уже так давно отклонились от темы симметрии, что стыдно жаловаться, как много мы не знаем. Вы раскошелились на книжку не ради извинений, а ради объяснений.

Если взглянуть на все чуточку шире, мы обнаружим, что на самом деле перед нами не несовершенные симметрии, а совершенный в своем несовершенстве персидский ковер. А что если было такое время в истории вселенной, когда эти симметрии были совершенны, а потом что-то случилось — например, не так легли карты квантовой механики — и равновесие нарушилось [110] Ответ: не исключено. ? Иначе говоря, нарушилась симметрия?

Нарушение симметрии уже встречалось нам пару раз, однако поскольку мы думаем о мозголомном мире внутренних симметрий и о физике частиц, не помешает освежить в памяти, о чем, собственно, речь.

Предположим, вы обследуете ледяную планету Хот. Куда бы вы ни направились, жизнь повсюду более или менее одинакова — стоит трескучий мороз. Это потому, что планета находится в центре пространства. Она обладает идеальной сферической симметрией. Жизнь одинакова, куда бы вы ни пошли, и хотя, если вам так уж приспичило рисовать карту, вы вольны выбирать хоть Северный полюс, хоть экватор, без дополнительных ориентиров вроде звезд или каких-то ландшафтных примет подобные направления более или менее лишены смысла.

А вот если запустить Хот по орбите вокруг Солнца, все тут же изменится. Например, экватор сразу становится местом особенным — и там будет жарче среднего, совсем как на Земле. Климат будет сильно меняться в зависимости от широты.

Подобное нарушение симметрии сильно влияет на взаимодействие людей на Земле. Географ и физиолог Джаред Даймонд в своей книге «Ружья, микробы и сталь» доказывает, что технический прогресс, развитие сельского хозяйства и распространение заболеваний происходило по линиям тех или иных широт и что ориентация Евразии с запада на восток обеспечила ее жителям технологические и иммунологические преимущества по сравнению с обитателями обеих Америк.

Мы всего-навсего создали взаимодействие — и мгновенно перешли от двумерной симметрии, где планета повсюду примерно одинакова, к одномерной симметрии, где жизнь одинакова только на одинаковых широтах. Однако, в отличие от Хота, где симметрии нарушаются, если добавить источник тепла, нарушение симметрии почти всегда происходит, наоборот, при остывании системы.

Возьмем, к примеру, железо. Наверное, вы знакомы с железом благодаря его способности удерживать рисунки ваших детишек на дверце холодильника. Вращение каждого атома железа формирует миниатюрный магнит. Это свойство присуще многим веществам, однако железо занимает особое место, поскольку для его атомов оказывается энергетически выгодно выстраиваться в структуры, и при этом атомы железа сообща создают довольно мощное магнитное поле.

С другой стороны, уничтожить железный магнит очень просто, достаточно лишь разогреть его до температуры выше 1043 К — она называется температурой Кюри (в честь Пьера Кюри). Это все равно что положить все атомы железа в блендер и нарушить всякий порядок ориентации, только средствами термодинамики. Вначале налицо была явная асимметрия — у магнита есть северный и южный полюс, — однако симметрию удалось восстановить простым нагревом.

Как остывает железо

По мере остывания железного бруска, при условии, что остывает он достаточно медленно, атомы снова ориентируются параллельно друг другу — и кусок железа снова превращается в большой магнит. В каком направлении они встанут, никто не знает. Разумеется, можно нарушить симметрию и вручную, если просто поместить железо во внешнее магнитное поле, и тогда все атомы выстроятся именно так, как требуется.

Это (предположительно) справедливо и для законов физики в целом. Первые 10 –36секунд существования вселенной были золотым веком для любого физика. Все было так раскалено, что симметрии были очевидны. Правда, при этом, разумеется, все было так раскалено, что даже наши протоны выкипели бы на отельные кварки, но на что не пойдешь ради науки!

Вся эта книга — о том, какой симметричной должна быть вселенная, однако при всем при том наш, человеческий мир на вид не очень-то симметричный. Мы живем не в рисунке Эшера.

Приведу простой, приземленный пример: в нашем мире есть верх и низ, и различить их очень просто, достаточно лишь взглянуть, как падает яблоко, или налить воды в кастрюлю.

Химик мог бы рассмотреть взаимодействия между молекулами воды и решить, что как ни повернешь капельку воды, взаимодействия останутся прежними. Однако в обычных условиях жизни на Земле все не так. Отдельные капельки воды в кастрюле могут двигаться вправо и влево, если захотят, однако поверхность воды становится для них практически непреодолимой преградой и ярким свидетельством того, что по крайней мере для воды три измерения пространства совершенно точно не симметричны друг другу.

Но стоит взять эту кастрюлю с водой и поставить на плиту, начинаются странности. Поднимайте температуру все выше и выше — и вода закипит и превратится в пар. Тут почему-то гравитация играет уже не такую значительную роль. На первый план выходит подлинная симметрия взаимодействия молекул воды. Теперь они могут более или менее одинаково двигаться по всем трем направлениям.

Все это справедливо для всех фундаментальных взаимодействий в природе.

При очень низких температурах — а низкими в таком контексте называются температуры в сотни миллионов градусов — взаимодействия очень сильно отличаются друг от друга. Но если поднять температуру гораздо выше — или, что то же самое, повернуть часы вселенной вспять и углубиться все дальше и дальше в прошлое, к первым мгновениям ее существования — как начинают проявляться скрытые симметрии.