Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Нарушение симметрии – это событие, в результате которого условия внезапно изменяются таким образом, что теория, описывающая взаимодействия частиц, приобретает другую, менее симметричную структуру. После этого уже нельзя будет делать перестановки в уравнениях, а нарушение симметрии отразится и в физическом мире в виде изменения поведения частиц.

Некоторые используемые физиками симметрии являются абстрактными и могут быть выражены лишь математически, однако среди них есть и вполне привычные. О вращательной симметрии речь идет тогда, когда нечто выглядит одинаково при повороте на некоторый угол (например, окружность или пятиконечная звезда). Трансляционная симметрия означает, что нечто выглядит одинаково при сдвиге в сторону (например, длинный забор, сдвинутый на расстояние одной планки, или длинная прямая линия, смещенная на несколько сантиметров). Нарушение симметрии предполагает такое изменение ситуации, в результате которого симметрия перестает работать. Бокал обладает идеальной симметрией вращения до тех пор, пока где-то на его кромке не появится след от губной помады. Забор обладает трансляционной симметрией до тех пор, пока не сломается одна из его планок. Даже на званом обеде может произойти нарушение симметрии, особенно после подачи спиртных напитков. В начале банкета, пока вы терпеливо ждете в окружении множества столовых приборов и небольших тарелок с хлебом, вы находитесь в ситуации, которой свойственна вращательная симметрия. Как только кто-то из ваших соседей потянется за куском хлеба, симметрия нарушится, и все остальные смогут последовать его примеру[65].

С какой бы симметрией мы как физики ни работали, она будет отражена в описывающих взаимодействия уравнениях. Существуют способы кодирования вращательной, зеркальной и трансляционной симметрии, гарантирующие, что физика останется неизменной, как бы вы ни вращали, ни отражали и ни перемещали изучаемую систему. В уравнениях также могут быть закодированы и более тонкие виды симметрий, лучше всего описываемые с помощью теории групп и абстрактной алгебры; это удивительные разделы математики, обсуждение которых, к сожалению, выходит далеко за рамки данной книги.

Нарушение электрослабой симметрии, которое произошло спустя 0,1 наносекунды после возникновения Вселенной, представляло собой своеобразную перестройку структуры физики на фундаментальном уровне[66]. После этого правила взаимодействия частиц радикально изменились. Парообразное поле Хиггса превратилось в океан.

Однако водная аналогия не идеальна. Двигаясь сквозь толщу воды, вы замедляетесь, и если перестанете прикладывать усилия, то совсем остановитесь. Что касается массивных частиц, то их скорость не снижается по мере взаимодействия с полем Хиггса. В вакууме любой объект стремится продолжать делать то, что он делает. Массивные частицы, как правило, путешествуют по Вселенной на очень высоких (хотя и досветовых) скоростях. Основное различие между массивными и безмассовыми частицами заключается в том, что массивным частицам, движущимся в вакууме, для ускорения требуется толчок, тогда как безмассовые частицы перемещаются со скоростью света без всяких усилий. На самом деле, безмассовые частицы просто не могут двигаться медленнее скорости света.

Поэтому нам следует сказать спасибо, что поле Хиггса нарушило электрослабую симметрию, в противном случае мы не имели бы возможности просто спокойно посидеть. Поле Хиггса не только позволило частицам обрести массу, но и определило некоторые из фундаментальных физических констант, в том числе заряд электрона и значения масс частиц. То физическое состояние, в котором мы существуем, называется «вакуумом Хиггса» или «вакуумным состоянием». Если бы поле Хиггса имело какое-то другое значение или симметрия нарушилась как-то иначе, мы, вероятно, вообще не могли бы существовать. Мы находимся во Вселенной, где массы и заряды частиц идеально подходят для того, чтобы частицы объединялись в молекулы, формировали сложные структуры и обеспечивали химические процессы, поддерживающие жизнь. Если бы поле Хиггса имело другое значение, такое деликатное равновесие, вероятно, не было бы достигнуто, что сделало бы невозможным формирование этих связей. Своим материальным существованием мы обязаны тому факту, что поле Хиггса остановилось на нужном значении.

И тут возникают некоторые риски.

Эксперименты, проводимые на ускорителе БАК с целью воссоздания экстремальных условий ранней Вселенной, помогают нам не только лучше изучить существующие законы физики, но и понять, какими они могли бы быть при других обстоятельствах. В 2012 году, когда физикам наконец удалось создать бозон Хиггса в результате столкновения частиц, измерение его массы позволило получить недостающий фрагмент для завершения Стандартной модели физики элементарных частиц. Благодаря этому мы узнали не только о текущем значении поля Хиггса, но и обо всех возможных значениях, которые оно могло бы принять, появись у него такая возможность.

Хорошая новость: измеренная масса бозона Хиггса полностью соответствует хорошо обоснованной и математически последовательной формулировке Стандартной модели, которая до сих пор с блеском выдерживала все экспериментальные испытания.

Плохая новость: последовательная Стандартная модель также говорит нам о том, что наш вакуум Хиггса – идеально сбалансированный набор законов, управляющих физическим миром, – нестабилен.

В таком случае дни нашего прекрасного космоса, судя по всему, сочтены.

Шаткое положение космоса

Идея о том, что наш вакуум может оказаться нестабильным, не нова. Уже в 1960-х и 1970-х годах физики писали статьи о возможном и катастрофическом для Вселенной процессе распада, способном уничтожить жизнь какой мы ее знаем, и любую возможность существования организованной материи. В то время распад вакуума был просто идеей, с которой можно забавляться в уравнениях, не имея никаких подтверждающих ее экспериментальных данных.

Сейчас все иначе.

Чтобы разобраться с распадом вакуума, сначала нужно познакомиться с концепцией потенциала, математической конструкцией, описывающей то, как может измениться значение поля и где оно «предпочитает» находиться. Поле Хиггса можно представить в виде камешка, катящегося по склону долины. Форма этого склона и есть потенциал. Подобно тому, как камешек стремится оказаться на дне долины, поле Хиггса будет искать состояние с самой низкой энергией, соответствующее наименьшему значению потенциала, и остановится на нем, если ему ничто не помешает. Потенциал можно изобразить в виде U-образной кривой, нижняя часть которой соответствует этой самой долине. Нарушение электрослабой симметрии привело к возникновению потенциала, управляющего полем Хиггса, и, как мы думаем, это поле благополучно обосновалось на дне долины.