Гиперпространство - Сапцина Ульяна Валерьевна (читать книги онлайн без сокращений TXT) 📗
Ученые обнаружили новую особенность фазовых переходов: как правило, они сопровождаются нарушением симметрии. Нобелевскому лауреату Абдусу Саламу нравится следующий пример: представьте себе круглый обеденный стол, за которым сидят гости, и у каждого — по обеим сторонам стоят бокалы шампанского. Здесь есть симметрия. Посмотрев на отражение того же обеденного стола в зеркале, мы увидим то же самое: гости сидят вокруг стола, у каждого гостя по обеим сторонам стоят бокалы с шампанским. Подобным образом мы можем повернуть круглый обеденный стол, и расположение объектов останется тем же самым.
А теперь нарушим симметрию. Предположим, что первый гость берет бокал, стоящий справа от него. Следуя обычаю, все остальные гости берут бокалы с шампанским, стоящие справа от них. Отметим, что в зеркале ситуация будет выглядеть иначе: каждый гость возьмет бокал, стоящий слева от него. Значит, лево-правая симметрия нарушена.
Еще один пример нарушения симметрии заимствован из старинной сказки. Ее героиня, принцесса, оказалась в ловушке на вершине гладко отполированного хрустального шара. Никакие решетки не ограничивают ее свободу, но принцесса остается пленницей, потому что, стоит ей пошевелиться, как она соскользнет с шара и погибнет. Множество принцев пытаются спасти принцессу, но не могут взобраться на шар, потому что он слишком гладкий и скользкий. Это пример нарушения симметрии. Находясь сверху на шаре, принцесса пребывает в состоянии абсолютной симметрии. Для шара нет предпочтительного направления. Можно повернуть шар под любым утлом, и ситуация не изменится. Но любое ошибочное движение в сторону от центра приведет к падению принцессы и нарушению симметрии. К примеру, если она упадет в сторону запада, нарушится симметрия вращения. Так выбирается западное направление.
Таким образом, состояние максимальной симметрии тоже часто является нестабильным, значит, соответствует ложному вакууму. Истинный вакуум соответствует падению принцессы с шара. А фазовый переход (падение с шара) — нарушению симметрии (выбору западного направления).
Что касается теории суперструн, физики полагают (пока бездоказательно), что изначальная десятимерная Вселенная была нестабильной и туннелировала в четырех- и шестимерную вселенную. Таким образом, эта исходная Вселенная находилась в состоянии ложного вакуума и максимальной симметрии, а сегодня мы пребываем в нарушенном состоянии истинного вакуума.
Напрашивается тревожный вопрос: что произошло бы, если бы на самом деле наша Вселенная не находилась в состоянии истинного вакуума? Что произойдет, если суперструна лишь на время выберет нашу Вселенную, а истинный вакуум находится среди миллионов возможных орбиобразий? Последствия были бы катастрофическими. Во многих других орбиобразиях мы обнаруживаем, что Стандартная модель отсутствует. Таким образом, если истинный вакуум на самом деле является состоянием, в котором Стандартная модель не присутствует, тогда все законы химии и физики, какие мы знаем, будут низвержены.
Если предположить, что это произойдет, в нашей Вселенной может неожиданно появиться крошечный пузырек. Внутри него Стандартная модель неприменима, поэтому он подчиняется иной совокупности законов физики и химии. Материя внутри пузырька распадется и, возможно, примет новые формы. Затем пузырек расширится со скоростью света, поглощая целые звездные системы, отдельные галактики и скопления галактик, пока не охватит всю Вселенную.
Мы не увидим, как он приближается. Поскольку он движется со скоростью света, его невозможно наблюдать заранее. Мы не узнаем, какая участь нас постигла.
От кубиков льда к суперструнам
Представим себе обычный кубик льда, лежащий в скороварке у нас на кухне. Все мы знаем, что произойдет, если включить плиту. Но что будет с кубиком льда, если мы нагреем его до триллионов триллионов градусов?
Если нагревать кубик льда на плите, сначала он тает и превращается в воду, а потом происходит фазовый переход. Нагреваем воду, пока она не закипит. Она проходит еще одно фазовое превращение — в пар. Продолжаем нагревать пар до высоких температур. В конце концов молекулы воды распадаются. Энергия молекул превосходит энергию связей между молекулами, которые распадаются на элементарный водород и газообразный кислород.
Продолжаем нагревание, доводим температуру до 3000 К и выше, пока атомы водорода и кислорода не начнут распадаться. Электроны отрываются от ядра, у нас появляется плазма (ионизированный газ), которую часто называют четвертым агрегатным состоянием вещества (после газообразного, жидкого и твердого). Хотя получение плазмы не относится к обыденным впечатлениям, мы видим ее каждый раз, когда смотрим на солнце. В сущности, плазма — самое распространенное состояние материи во Вселенной.
Продолжаем нагревать плазму на плите до 1 млрд кельвинов, пока не начнут распадаться ядра кислорода и водорода. Мы получим «газ» из отдельных нейтронов и протонов, подобный содержимому нейтронной звезды.
Если нагреть нуклонный «газ» еще сильнее, до 10 трлн кельвинов, эти субатомные частицы превратятся в обособленные кварки. У нас получится газ из кварков и лептонов (электронов и нейтрино).
Если мы нагреем этот газ до 1 квадрильона кельвинов, силы электромагнитного и слабого взаимодействия объединятся. При таких температурах возникает симметрия SU (2) x U (1). При 1028 К силы электромагнитного и сильного взаимодействий объединяются, появляются симметрии теорий Великого объединения [SU (5), О (10) или Е (6)].
Наконец, при баснословных 1032 К гравитация объединяется с силой теорий Великого объединения, и появляется вся симметрия десятимерных суперструн. Теперь у нас есть суперструнный газ. К этому моменту в скороварку попадет столько энергии, что геометрия пространства-времени наверняка начнет искажаться, многомерность пространства-времени изменится. Пространство вокруг нашей кухни вполне может стать нестабильным, в структуре пространства может образоваться прореха, в кухне появится «червоточина». В этот момент рекомендуется покинуть кухню.
Остывание после Большого взрыва
Таким образом, нагревая кубик льда до невероятных температур, можно воспроизвести теорию суперструн. Урок заключается в том, что материя проходит определенные стадии развития, пока мы нагреваем ее. И наконец, по мере увеличения энергии симметрия все больше восстанавливается.
Рассматривая этот процесс в обратном порядке, мы можем оценить Большой взрыв как последовательность различных этапов. Вместо того чтобы нагревать кубик льда, теперь охлаждаем сверхгорячее вещество Вселенной, проходя несколько этапов. С момента сотворения мы прошли следующие стадии эволюции Вселенной:
10-43 секунд. Десятимерная Вселенная распадается на четырех- и шестимерную. Шестимерная схлопывается до размера 10-32 см. Четырехмерная Вселенная стремительно расширяется. Температура 1032 К.
10-35 секунд. Разрушается взаимодействие теорий Великого объединения; сильное взаимодействие уже не объединено с электромагнитным и слабым. SU (3) отделяется от симметрии теорий Великого объединения. Крошечная песчинка в большей Вселенной увеличивается в 1050 раз и в конце концов становится нашей видимой Вселенной.
10-9 секунд. Температура 1015 К, симметрия электромагнитного и слабого взаимодействия распадается на SU (2) и U (1).
10-3 секунд. Кварки начинают конденсироваться, образуя нейтроны и протоны. Температура приблизительно 1014 К.
3 минуты. Протоны и нейтроны уже сконденсированы и образовали стабильные ядра. Энергии беспорядочных столкновений не хватает для разрушения возникающих ядер. Пространство по-прежнему остается непрозрачным для света, так как ионы недостаточно хорошо переносят его.
300 тыс. лет. Вокруг ядер скапливаются электроны. Начинается образование атомов. Поскольку свет уже не рассеян и не поглощен, Вселенная становится прозрачной для него, а космические пространства — черными.
