Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 ... 27 28 29 30 31 32 33 34 ... 66

Глэшоу, Вайнберг и Салам расширили открытие Максвелла столетней давности, показав, что электромагнитные и слабые ядерные силы на самом деле являются частью одной и той же силы. Они объединили описание этих двух сил в то, что сейчас называется электрослабой силой.

Симметрия между электромагнитными и слабыми силами не проявляется сегодня, поскольку по мере охлаждения вселенной сформировался Хиггсов океан и – это существенно – фотоны и W- и Z- частицы взаимодействуют с конденсированным Хиггсовым полем по-разному. Фотоны проносятся через океан Хиггса так же легко, как второсортный киноартист легко прошел бы сквозь папарацци, и, следовательно, остаются безмассовыми. Однако, W- и Z- частицы, как Билл Клинтон и Мадонна, с трудом прокладывают свой путь, приобретая массы в 86 и 97 масс протона, соответственно. (Замечание: Эта аналогия не соблюдает масштаб). Таким образом, электромагнитные и слабые ядерные силы становятся столь отличными в мире вокруг нас. Лежащая в основании симметрия между ними "нарушена" или скрыта Хиггсовым океаном.

Это действительно захватывающий дух результат. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, – электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, – являются фундаментально частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого Хиггсова поля, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, что мы обычно мыслим как пустое пространство, – вакуум, пустота, – играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при росте температуры достаточно высоко, чтобы Хиггсово поле испарилось, – то есть, приобрело нулевое среднее значение во всем пространстве, – может быть сделана видимой полная симметрия, лежащая в основании законов природы.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W- и Z- частицы еще не были открыты экспериментально. Была сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии, что дало им уверенность идти вперед. Их отвага оказалась хорошо обоснованной. Через некоторое время W- и Z- частицы были открыты и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за внешними явлениями, – всмотревшись сквозь скрывающий суть туман пустоты, – проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырех сил природы. В 1979 им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я время от времени случайно натыкался на моего ведущего консультанта, физика Говарда Джорджи. Я никогда не имел, что сказать, но это почти не имело значения. Всегда было так, что Джорджи легко было спровоцировать поделиться чем-либо с интересующимся студентами. Как-то раз, в особенности, Джорджи был специально спровоцирован и он быстро воодушевленно говорил больше часа, заполняя меловую доску еще некоторое время после символами и уравнениями. На всем протяжении я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я почти не понимал ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки открытия, которое он сделал, названного великим объединением.

Великое объединение обращается к вопросу, который естественным образом следует из успеха электрослабого объединения: если две силы природы являлись частью единого целого в ранней вселенной, может ли быть, что при еще более высоких температурах и в еще более ранние времена в истории вселенной различия между тремя или, возможно, всеми четырьмя силами аналогично могут испариться, создав даже еще большую симметрию? Это выдвигает интригующую возможность, что на самом деле может быть единственная фундаментальная сила природы, которая через серию космологических фазовых переходов кристаллизовалась в четыре кажущиеся различными силы, о которых мы в настоящее время знаем. В 1974 Джорджи и Глэшоу предложили на обсуждение первую теорию, чтобы пройти часть пути к этой цели полного единения. Их теория великого объединения вместе с более поздними наработками Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберга, предполагала, что три из четырех сил – сильные, слабые и электромагнитные силы – являлись частью единой силы, когда температура превышала 10 миллардов миллиардов миллиардов (1028) градусов, – в несколько тысяч миллиардов миллиардов раз больше температуры в центре Солнца, – экстремальные условия, которые существовали через 10–35 секунды после Взрыва. Выше этой температуры, предположили указанные физики, фотоны, глюоны сильного взаимодействия, точно так же, как и W- и Z- частицы, могли свободно взаимозаменяться одни на другие – более сильная калибровочная симметрия, чем в электрослабой теории, – без каких-либо наблюдаемых последствий. Джорджи и Глэшоу, таким образом, предположили, что при этих высоких энергиях и температурах имеется полная симметрия между тремя видами частиц-переносчиков негравитационных сил, и потому имеется полная симметрия среди трех негравитационных сил.[11]

Теория великого объединения Глэшоу и Джорджи продолжила разговор от том, что мы не видим эту симметрию в мире вокруг нас, – сильные ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны тесно склеенными вместе в атомах, кажутся полностью отделенными от слабых или электромагнитных сил, – поскольку, когда температура упала ниже 1028 градусов, в игру вступил другой вид Хиггсова поля. Это Хиггсово поле называется Хиггсом великого объединения. (Всякий раз, когда названия могут привести к путанице, Хиггсово поле, содержащее электрослабое объединение, называют электрослабым Хиггсом). Сходно со случаем его электрослабого родственника Хиггс великого объединения дико флуктуирует выше 1028 градусов, но расчеты указывают на то, что он конденсируется в ненулевую величину, когда вселенная охлаждается ниже этой температуры. И, как и с электрослабым Хиггсом, когда этот Хиггсов океан великого объединения формировался, вселенная прошла через фазовый переход с сопровождающим его понижением симметрии. В этом случае, поскольку Хиггсов океан великого объединения оказывает отличающееся влияние на глюоны по сравнению с влиянием на другие частицы, сильное взаимодействие отщепилось от электрослабого взаимодействия, создав две различающиеся негравитационные силы там, где раньше была одна. Отделившись вторым и упав по температуре еще на миллиарды и миллиарды градусов, электрослабый Хиггс сконденсировался, заставив слабые и электромагнитные силы также расщепиться.

Пока красивая идея великого объединения (в отличие от электрослабого объединения) не подтверждена экспериментально. Тем не менее, оригинальное предположение Джорджи и Глэшоу предсказывает след, остаточное последствие ранней симметрии вселенной, который должен быть видим сегодня, который позволяет протонам даже при этих условиях часто превращаться в другие виды частиц (такие как антиэлектроны и частицы, известные как пионы). Но после лет старательных поисков такого распада протона в детально разработанных подземных экпериментах, – такой эксперимент Джорджи возбужденно описывал мне в его офисе годы назад, – ничего не было найдено; это исключает предположение Джорджи и Глэшоу. Однако, с тех пор физики разработали вариации этой оригинальной модели, которые еще не вычеркнуты такими экспериментами; однако, ни одна из этих альтернативных теорий не подтверждена.

Среди физиков достигнут консенсус, что великое объединение является одной из великих, но еще нереализованных идей в физике частиц. Поскольку объединение и космологические фазовые переходы оказались столь действенны для электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, многие чувствуют, что требуется только время, чтобы другие силы также были собраны в рамках объединенной схемы. Как мы увидим в Главе 12, большие шаги в этом направлении были сделаны недавно с использованием другого подхода – теории суперструн – который впервые свел все силы, включая гравитацию, в объединенную теорию, хотя этот подход все еще, как об этом пишут, находится в процессе энергичной разработки. Но, тем не менее, что уже ясно даже в только что рассмотренной электрослабой теории, так это то, что вселенная, которую мы видим в настоящее время, проявляет следы сверкающей симметрии ранней вселенной.

Возвращение эфира

Концепция нарушения симметрии и ее проявление через электрослабое поле Хиггса, несомненно, играют центральную роль в физике частиц и космологии. Но обсуждение может оставить вас в недоумении по следующему поводу: Если Хиггсов океан является невидимым нечто, которое заполняет то, что мы обычно понимаем под пустым пространством, не есть ли это просто другая инкарнация давно дискредитированного понятия эфира? Ответ: да и нет. Объяснение: да, конечно, в некотором смысле Хиггсов океан имеет привкус эфира. Подобно эфиру, конденсированное Хиггсово поле пропитывает пространство, окружает всех нас, проникает прямо через любой материал и, как неудаляемая особенность пустого пространства (исключая случай, когда мы заново нагреем вселенную выше 1015 градусов, что мы, естественно, не можем сделать), оно переопределяет нашу концепцию пустоты. Но, в отличие от исходного эфира, который был введен как невидимая среда для переноса световых волн примерно тем же образом, как воздух переносит волны звука, океан Хиггса ничего не делает с движением света; он не влияет никоим образом на скорость света, так что эксперименты на заре двадцатого века, которые вычеркнули эфир через изучение движения света, не затрагивают Хиггсов океан.

Более того, поскольку Хиггсов океан не влияет никаким образом на что-либо, движущееся с постоянной скоростью, он не выделяет ни одну наблюдательную систему отсчета как каким-либо образом выделенную, тогда как эфир делал это. Напротив, даже с Хиггсовым океаном все наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью, остаются на полностью одинаковом основании, а потому Хиггсов океан не конфликтует с СТО. Конечно, эти наблюдения не доказывают, что Хиггсов океан существует; вместо этого они показывают, что несмотря на определенное сходство с эфиром, Хиггсовы поля не конфликтуют с теорией или экспериментом.

Однако, если имеется океан Хиггсова поля, он должен давать другие следствия, которые будут экспериментально проверяемы в течение следующих нескольких лет. В качестве главного примера, точно так, как электромагнитные поля составлены фотонами, Хиггсовы поля составлены частицами, которые, не удивительно, названы частицами Хиггса. Теоретические расчеты показывают, что если имеется пронизанное Хиггсовым океаном пространство, частицы Хиггса дожны быть среди осколков от высокоэнергетических столкновений, которые будут иметь место в Большом Адронном Коллайдере, гигантском строящемся сейчас ускорителе в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария, и запланированном к запуску в 2007. Грубо говоря, огромные по энергии столкновения лоб в лоб между протонами должны быть в состоянии выбить частицу Хиггса из Хиггсова океана примерно как мощные подводные взрывы могут выбить молекулы Н2О из Атлантики. В свое время эти эксперименты должны позволить нам определить, существует ли эта современная форма эфира или она последует путем своего более раннего воплощения. Это критический вопрос для решения, поскольку, как мы видели, конденсация Хиггсовских полей играет глубокую и стержневую роль в нашей текущей формулировке фундаментальной физики.

Если Хиггсов океан не найдется, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдется, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для точного оформления наших математических рассуждений, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделает еще две вещи. Первое, оно обеспечит прямое подтверждение древней эры, когда многие аспекты сегодняшней вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Второе, оно установит, что наше интуитивное понятие пустого пространства, – конечного результата удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура уменьшатся настолько, насколько это возможно, – в течение длительного времени было наивным. Пустейшее пустое пространство не требует включения состояния абсолютной пустоты. Следовательно, без спиритического вызова мы можем неожиданно вплотную столкнуться с мыслями Генри Мора (Глава 2) в нашем научном квесте по изучению пространства и времени. Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства может быть аналогично эфемерной, поскольку пустое пространство, о котором мы осведомлены, может всегда быть заполнено океаном Хиггсова поля.

Рис 9.2 Временная ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва.

<Снизу от оси последовательно отмечены ключевые события модели: Большой взрыв (начало оси); Великое объединение (время 10–35 секунды, температура 1028 Кельвинов); электрослабое объединение (10–12 секунды, 1015 Кельвинов); формирование ядер (1 секунда, 1010 Кельвинов); формирование галактик (109 лет, 10 Кельвинов); сегодня (1010 лет, 2,7 Кельвина)>.

Энтропия и время

Ось времени на Рис. 9.2 содержит фазовые переходы, которые мы обсуждали в историческом контексте, и потому дает нам твердое понимание последовательности событий, через которые прошла вселенная от Большого взрыва до яйца на вашем кухонном столе. Но решающая информация все еще скрыта в размытом пятне. Вспомним, знание, как начались вещи, – порядок в стопке страниц Войны и Мира, спрессованные молекулы углекислого газа в вашей бутылке колы, состояние вселенной при Большом взрыве, – является существенным для понимания, как они эволюционируют. Энтропия может возрастать, только если задано пространство для ее роста. Энтропия может возрастать, только если она стартовала с низкой величины. Если страницы Войны и Мира начинаются с полного беспорядка, дальнейшие подбрасывания просто будут оставлять их в беспорядке; если вселенная началась в полностью разупорядоченном высокоэнтропийном состоянии, дальнейшая космическая эволюция будет просто сохранять этот беспорядок.

История, показанная на Рис. 9.2, очевидно, не является хроникой непрерывного неизменного разупорядочения. Даже если отдельные симметрии терялись при космических фазовых переходах, общая энтропия вселенной неуклонно возрастает. Следовательно, в начале вселенная должна была быть высоко упорядоченной. Этот факт позволяет нам связать направление "вперед" во времени с направлением возрастания энтропии, но нам все еще необходимо понять объяснение невероятно низкой энтропии – невероятно высокого состояния однородности – в только что рожденной вселенной. Это требует, чтобы мы пошли еще дальше назад, чем мы уже зашли, и попытались понять больше из того, что было в начале, – во время размытого пятна на Рис. 9.2, – задача, к которой мы сейчас приступаем.

10 Разборка Взрыва на составляющие

ЧТО ВЗОРВАЛОСЬ ?

Общее неправильное представление заключается в том, что теория Большого взрыва обеспечивает теорию возникновения космоса. Это не так. Большой взрыв это теория, частично описанная в последних двух главах, которая намечает космическую эволюцию от долей секунды после чего-то, произошедшего, чтобы привести вселенную к существованию, но она совсем ничего не говорит о самом времени нуль. А поскольку в соответствии с теорией Большого взрыва сам Взрыв есть то, что предполагается произошедшим в начале, Большой взрыв не включает сам Взрыв. Он ничего не говорит нам о том, что взорвалось, почему взорвалось, как оно взорвалось или, откровенно говоря, взорвалось ли оно на самом деле вообще.[1] Фактически, если вы на секунду задумаетесь о нем, вы обнаружите, что Большой взрыв предстает перед нами совершенно загадочным. При чудовищных плотностях материи и энергии, характеризующих ранние моменты вселенной, гравитация была доминирующей над всеми другими силой. Но гравитация притягивающая сила. Она подталкивает вещи объединяться. Так что могло бы, вероятно, соответствовать направленной наружу силе, которая подтолкнула вселенную к расширению? Может показаться, что некоторые виды мощных отталкивающих сил должны были играть критическую роль во время Взрыва, но какие из природных сил могли бы это быть?

Много десятилетий этот самый основной из всех космологических вопросов оставался без ответа. Затем в 1980е было возрождено старое наблюдение Эйнштейна в блистательной новой форме, дав развитие тому, что стало известно как инфляционная космология. И с этим открытием влияние на Взрыв, наконец, смогло быть отдано достойной силе: гравитации. Это удивительно, но физики обнаружили, что в правильном окружении гравитация может быть отталкивающей и в соответствии с теорией необходимые условия превалировали в течение самых ранних моментов космической истории. В течение временного интервала, для которого наносекунда могла бы показаться вечностью, ранняя вселенная обеспечивала арену, на которой гравитация проявляла свою отталкивательную сторону, с неумолимой свирепостью растаскивая каждый регион пространства от любого другого. Отталкивательное действие гравитации было столь мощным, что не только определило Взрыв, оно обнаружило большее – намного большее – чем кто бы то ни было мог ранее представить. В инфляционной схеме ранняя вселенная расширялась с ошеломительно гигантским коэффициентом по сравнению с тем, что предсказывалось стандартной теорией Большого взрыва, увеличив нашу космологическую перспективу до такой степени, что осознание последнего столетия, что наша галактика не более чем одна среди сотен миллиардов, было еще более принижено.[2]

В этой и следующей главе мы обсуждаем инфляционную космологию. Мы увидим, что она обеспечивает "последний рубеж" для стандартной модели Большого взрыва, предлагая важнейшие модификации к утверждениям стандартной теории о событиях, происходивших в течение самых ранних моментов вселенной. При этом инфляционная космология решает ключевые проблемы, которые находятся вне пределов досягяемости стандартной модели Большого взрыва, делает ряд предсказаний, которые были экспериментально проверены и в недалеком будущем продолжат экспериментально тестироваться, и, наверное, самое выдающееся, показывает, как квантовые процессы могут через космологическое расширение разгладить крошечные морщины на ткани пространства, оставляя видимый отпечаток в ночном небе. И, помимо этих успехов, инфляционная космология дает существенное проникновение в то, как ранняя вселенная могла получить свою чрезвычайно низкую энтропию, подводя нас ближе чем когда-либо к объяснению стрелы времени.

Эйнштейн и отталкивательная гравитация

После нанесения последних штрихов на ОТО в 1915 Эйнштейн применил свои новые уравнения к ряду проблем. Одной из них была давно стоявшая загадка, что уравнения Ньютона не могут оценить так называемую прецессию перигелия орбиты Меркурия – наблюдаемый факт, что Меркурий не прочерчивает каждый раз один и тот же путь, когда он обращается вокруг Солнца: вместо этого каждый завершенный оборот слабо сдвигается относительно предыдущего. Когда Эйнштейн переделал стандартные расчеты орбиты со своими новыми уравнениями, он точно вывел наблюдаемую прецессию перигелия, найденный им результат настолько потрясяющ, что заставил его сердце сильно биться.[3] Эйнштейн также применил ОТО к вопросу, как круто траектория света, эмитированного удаленной звездой, будет изгибаться кривизной пространства-времени, когда она проходит мимо Солнца на своем пути к Земле. В 1919 две команды астрономов – одна ночевала в палатках на острове Принсипи у западного побережья Африки, другая в Бразилии – проверили это предсказание во время солнечного затмения путем сравнения звездного света, который почти задевал поверхность Солнца (эти световые лучи наиболее подвергались влиянию из-за наличия Солнца, и только во время затмения они могли быть видимыми), с фотографиями, сделанными, когда земное обращение по орбите поместило Землю между теми же звездами и Солнцем, фактически уничтожив гравитационное воздействие Солнца на траекторию звездного света. Сравнение обнаружило угол отклонения лучей, который еще раз подтвердил расчеты Эйнштейна. Когда пресса ухватила слухи о результатах, Эйнштейн в течение ночи стал всемирно известной звездой. С ОТО, честно говоря, Эйнштейн оказался при деньгах.

Тем не менее, несмотря на возрастающий успех ОТО, в течение лет после того, как он впервые применил свою теорию к наиболее огромной из всех проблем – к пониманию всей вселенной, – Эйнштейн абсолютно отказался принять ответ, который возник из математики. Перед работами Фридмана и Леметра, обсуждавшимися в Главе 8, Эйнштейн тоже осознал, что уравнения ОТО показывают, что вселенная не может быть статической; ткань пространства может растягиваться или она может сокращаться, но она не может сохранять фиксированный размер. Это наводило на мысль, что вселенная могла иметь определенное начало, когда ткань была максимально сжата, и может даже иметь определенный конец. Эйнштейн упрямо отказывался от этих следствий ОТО, поскольку он и некоторые другие "знали", что вселенная бесконечна и на самом большом из всех масштабов фиксированна и неизменна. Так что, несмотря на красоту и успешность ОТО, Эйнштейн открыл еще раз свою записную книжку и попытался внести модификацию в уравнения, которые бы позволили вселенной соответствовать доминирующему предубеждению. Это долго у него не получалось. В 1917 он добился цели путем введения нового члена в уравнения ОТО: космологической постоянной.[4]

Стратегию Эйнштейна по введению этой модификации нетрудно понять. Гравитационная сила между любыми двумя объектами, являются ли они бейсбольными мячами, планетами, звездами, кометами или чем хотите, является притягивающей, и в итоге гравитация постоянно действует так, чтобы сдвинуть объекты в направлении друг к другу. Гравитационное притяжение между Землей и танцором, прыгающим вверх, заставляет танцора замедлиться, достигнуть максимальной высоты, а затем направиться назад вниз. Если хореограф захотел бы статической конфигурации, в которой танцор повис бы в воздухе, то должна была бы быть отталкивающая сила между танцором и Землей, которая в точности уравновесила бы их гравитационное притяжение: статическая конфигурация может возникнуть только тогда, когда имеется совершенное взаимоуничтожение между притяжением и отталкиванием. Эйнштейн осознал, что в точности такие же рассуждения применимы ко всей вселенной. В точности на том же основании, что притяжение от гравитации действует тем слабее, чем выше танцор, оно также действует слабее с расширением пространства. И точно так же, как танцор не может достичь статики – он не может парить на фиксированной высоте – пространство не может "парить" с фиксированным всеобщим размером – без дополнительного наличия некоторого вида балансирующей отталкивательной силы. Эйнштейн ввел космологическую константу потому, что он нашел, что с этим новым членом, включенным в уравнения, гравитация может обеспечить именно такую отталкивательную силу.

Blog

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Содержание