Объединение на уровне теории Большого взрыва
Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика, таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимодействия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать разными качествами, различной физикой и по-разному взаимодействовать?
Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объединения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную единую теорию поля. Но пионерская работа Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность существования теории всего.
Цель единой теории поля казалась в высшей степени недостижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элементарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц расщеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие» вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались сотни новых частиц. Физика элементарных частиц стала терминологическим противоречием, космической шуткой. Древние греки считали, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита для обозначения всех новых частиц. Дж. Роберт Оппенгеймер пошутил, что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, который не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий разум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.
Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков – составляющих протонов и нейтронов. Согласно теории кварков три кварка составляют протон или нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удерживающую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку сегодня мы знаем, что мир заполнен различными видами кварков), но тогда оно влило новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.
В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Салам совершили ошеломляющий прорыв, доказав возможность объединения слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называемые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена новыми частицами, названными W– и Z-бозонами, а также фотонами. Рассматривая W– и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили Нобелевскую премию за совместную работу в области объединения двух из четырех сил – электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, – а также за активные исследования в области сильного ядерного взаимодействия.
В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, полученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра, обстреливающем цель мощными зарядами электронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили, что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюонами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодействия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада, можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обмениваются между собой глюонами. Это привело к созданию новой теории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовой хромодинамикой.
Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить три взаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так называемую Стандартную модель – теорию кварков, электронов и нейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W– и Z-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетий мучительной работы и исследований в области физики частиц. В настоящее время Стандартная модель способна структурировать все без исключения экспериментальные данные, имеющие отношение к физике частиц.
Хотя Стандартная модель – одна из наиболее успешных физических теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить, что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, которая столь топорно описана. Например, в этой теории существует 19 произвольных параметров, которые рассчитываются эмпирически (то есть различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, их нужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в подлинно объединяющей теории, эти константы должны определяться самой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов).
Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц, называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самом фундаментальном уровне будет использовать три точные копии субатомных частиц. Если не считать массы, то эти частицы – точные копии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, масса которого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица с массой в 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакого упоминания о силе гравитации, хотя гравитация – пожалуй, наиболее всепроникающая сила во Вселенной.
Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающий экспериментальный успех, кажется надуманной, физики пытались создать еще одну теорию, или теорию великого объединения, которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем основании. Она также рассматривала глюон, W– и Z-бозоны и фотон на одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окончательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительным образом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния с остальными силами, как мы это увидим.)
Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологию новую парадигму: Идея была очень простой и изящной: в момент Большого взрыва все четыре основные силы объединились в единую связанную силу – загадочную сверхсилу. Четыре силы были равны друг другу по значимости и являлись частью единого связного целого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться и остывать, изначальная сверхсила начала «расщепляться» и от нее одна за другой начали «отпадать» различные силы.
Согласно этой теории, остывание Вселенной после Большого взрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидком состоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однако при замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечных ледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальная однородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырьки и кристаллы.
Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно повреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит из неровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидов и взрывающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, более того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны друг с другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, – это то, что она уже старая и холодная.
