Брайан Грин - Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Уравнения общей теории относительности, как впервые было показано Эйнштейном, датским физиком Виллемом де Ситтером и впоследствии Фридманом и Леметром, допускают расширяющуюся Вселенную. Но, так же как уравнения Ньютона ничего не говорят нам о том, почему началось движение мяча вверх, уравнения Эйнштейна ничего не говорят о том, как началось расширение Вселенной. Многие годы космологи говорили о начальном расширении пространства как о чём-то данном и необъяснимом, и просто разрабатывали уравнения, исходя из этого. Именно это я имел в виду, когда ранее говорил, что теория Большого взрыва молчит о самом взрыве.

Так дела обстояли до той важной ночи в декабре 1979 г., когда Алан Гут, работавший в Стэндфордском линейном ускорительном центре (сейчас он профессор Массачусетского технологического института), показал, что мы можем гораздо больше. Намного больше. Хотя остались детали, которые и сегодня, более чем через два десятилетия, ещё требуют своего обсуждения, Гут сделал открытие, которое разорвало это молчание, снабдив Большой взрыв взрывом как таковым, и который оказался больше, чем кто-либо мог ожидать.

Гут не был специалистом-космологом. Его специальностью была физика частиц, и в конце 1970-х гг. вместе с Генри Таем из Корнельского университета он изучал различные модели полей Хиггса в теориях великого объединения. Вспомним из обсуждения предыдущей главы о спонтанном нарушении симметрии, что поле Хиггса вносит минимально возможный вклад в энергию в некоторой области пространства, когда величина поля имеет специальное ненулевое значение (которое зависит от точной формы чаши его потенциальной энергии). В ранней Вселенной, когда температура была необычайно высока, мы обсуждали, как величина поля Хиггса сильно флуктуирует от одного значения к другому, подобно прыжкам лягушки в горячей металлической чаше, которая жжёт ей лапки, но когда Вселенная остыла, поле Хиггса скатилось на дно чаши к величине, которая минимизировала его энергию.

Гут и Тай изучали причины, по которым поле Хиггса может задержаться на пути к конфигурации с наименьшей энергией (к жёлобу в чаше на рис. 9.1 в ). Если мы применим аналогию с лягушкой к вопросу, который интересовал Гута и Тая, его можно сформулировать так: что если лягушке в одном из своих первых прыжков, когда чаша начала охлаждаться, случится приземлиться на центральной площадке? И что если, когда чаша продолжит охлаждаться, лягушка задержится на центральном плато (неторопливо поедая червяков), вместо того чтобы соскользнуть вниз в жёлоб чаши? Или, в физических терминах, что если величина флуктуирующего поля Хиггса приземлится на центральном возвышенном плато энергетической чаши и останется там, когда Вселенная продолжит охлаждаться? Если это происходит, физики говорят, что поле Хиггса переохлаждено . Это означает, что хотя температура Вселенной упала до уровня, когда вы ожидаете, что величина поля Хиггса должна приблизиться к низкоэнергетическому жёлобу, поле остаётся захваченным в высокоэнергетической конфигурации. (Это напоминает воду высокой чистоты, которая может быть переохлаждена до температуры ниже 0°C, когда ожидается, что она превратится в лёд, но тем не менее всё ещё останется жидкостью, поскольку образование льда требует малых примесей, вокруг которых могут начать расти кристаллы.)

Гут и Тай заинтересовались этим сценарием, поскольку их расчёты наводили на мысль, что это может иметь отношение к проблеме, с которой исследователи столкнулись в попытках реализовать различные сценарии великого объединения (проблема магнитного монополя). {131} Но Гут и Тай осознали, что отсюда вытекают и другие возможности. Они предположили, что энергия, связанная с переохлаждённым полем Хиггса, — вспомним, что высота поля представляет его энергию, так что поле имеет нулевую энергию, только если его величина лежит на дне в жёлобе чаши, — может влиять на расширение Вселенной. В начале декабря 1979 г. Гут пошёл дальше в этом же направлении, и вот что он обнаружил.

Поле Хиггса, которое удерживается на плато, не только наполняет пространство энергией, но, что критически важно, Гут понял, что оно также даёт вклад в однородное отрицательное давление . Фактически он нашёл, что в том, что касается энергии и давления, поле Хиггса, которое удерживается на плато, имеет такие же свойства, как и космологическая постоянная: оно наполняет пространство энергией и отрицательным давлением в точности в той же пропорции, как и космологическая постоянная. Так Гут открыл, что переохлаждённое поле Хиггса сильно влияет на расширение пространства: подобно космологической постоянной оно является носителем отталкивающей гравитационной силы, которая заставляет пространство расширяться. {132}

Здесь, поскольку вы уже знакомы с отрицательным давлением и отталкивающей гравитацией, вы можете подумать: да, это прекрасно, что Гут нашёл особый физический механизм для реализации идеи Эйнштейна о космологической постоянной, ну и что из того? Что тут особенного? Концепция космологической постоянной давно уже отброшена. Её введение в физику было не чем иным, как заблуждением Эйнштейна. Почему повторное открытие чего-то, что дискредитировало себя более шести десятилетий назад, вызвало такое возбуждение?

А вот почему. Хотя переохлаждённое поле Хиггса обладает определёнными свойствами космологической постоянной, Гут понял, что они не абсолютно идентичны. Напротив, имеется два ключевых различия, которые всё меняют.

Во-первых, в то время как космологическая постоянная является константой — она не меняется со временем, так что она обеспечивает постоянное, неизменное отталкивание, — переохлаждённое поле Хиггса не обязательно должно быть постоянным. Подумаем о лягушке, усевшейся на выпуклость в центре чаши на рис. 10.1 а . Она может сидеть там некоторое время, но рано или поздно случайный прыжок — прыжок, вызванный не тем, что чаша горячая (она уже остыла), а скорее тем, что лягушка неугомонная, — столкнёт лягушку с выпуклости, после чего она соскользнёт вниз к низшей точке чаши, как показано на рис. 10.1 б . Поле Хиггса может вести себя аналогично. Его величина во всём пространстве может застрять на центральном плато энергетической чаши, в то время как температура упадёт слишком низко, чтобы вызвать существенное тепловое воздействие на поле. Но квантовые процессы будут вызывать хаотические скачки величины поля Хиггса, и достаточно большой скачок сбросит его с плато, позволив его энергии и давлению релаксировать к нулю. {133} Расчёты Гута показали что, в зависимости от точной формы выпуклости в центре энергетической чаши этот скачок может произойти быстро, возможно, в течение такого короткого времени, как 0,00000000000000000000000000000001 (10 −35) с. Впоследствии Андрей Линде, работавший в то время в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве, и Пол Стейнхардт, работавший тогда со своим студентом Андреасом Альбрехтом в университете Пенсильвании, нашли способ для поля Хиггса релаксировать к нулевой энергии и давлению во всём пространстве даже более эффективно и существенно более однородно (при этом разрешив некоторые технические проблемы, свойственные изначальному предложению Гута). {134} Они показали, что если чаша потенциальной энергии более гладкая и более пологая, как на рис. 10.2, то квантовые скачки могут не потребоваться: величина поля Хиггса быстро скатится в жёлоб, как мяч с горки. Итог таков: если поле Хиггса действовало подобно космологической постоянной, это продолжалось лишь крошечное мгновение.