Конец Вселенной: каким он будет и будет ли вообще

Что, если мир вокруг нас — всего лишь тень реальности? Представьте себе, например, что вы просыпаетесь холодным зимним утром, смотрите в окно, и оказывается, что вид полностью закрыт прекрасными ледяными кристаллами, образующими странные узоры на стекле. Их красота поражает замечательным порядком в небольших масштабах, скрывающимся в очевидной случайности более крупных узоров. Кристаллы льда выросли великолепными древовидными узорами, раскидывающимися в случайных направлениях и натыкающимися друг на друга под странными углами. Разница между мелкомасштабным порядком и крупномасштабной случайностью говорит о том, что для крошечных физиков или математиков, живущих на хребте одного из этих ледяных кристаллов, вселенная должна выглядеть совершенно другой.

Если бы вы были таким крошечным физиком, одно направление в пространстве, пролегающее вдоль хребта ледяного кристалла, казалось бы особенным. Вам казалось бы, что природный мир ориентирован вокруг этой оси. Вам было бы легче двигаться вдоль позвоночника, чем перпендикулярно ему. Силы, воздействующие на вас в этих двух разных направлениях, вели бы себя по-разному. И все же, если бы вам посчастливилось покинуть свой кристалл, скоро стало бы ясно, что особые силы, управлявшие физикой в том мире, — это иллюзия. Вы бы поняли или предположили, что другие кристаллы могут быть обращены во многих других направлениях. В конечном счете, если бы вы могли рассмотреть окно со стороны достаточно крупно, то стала бы явной основная симметрия природы, с какой стороны ни взгляни.

Представление о том, что наш опыт — это похожее случайное сочетание конкретных обстоятельств, а не прямое отражение базовых реалий, стало центральным в современной физике. Физики даже дали ему забавное название: «спонтанное нарушение симметрии». Физик Абдус Салам, который получил Нобелевскую премию в 1979 году, описал это явление следующим образом: представьте себя с группой людей за круглым обеденным столом, рассчитанным на восемь человек. Когда вы садитесь, может быть не совсем понятно, какой бокал принадлежит вам, а какой — вашему соседу: тот, что справа, или тот, что слева. Поэтому, невзирая на законы этикета, которые говорят, что вы должны пить из бокала справа от вас, как только первый человек берет бокал, у всех остальных за столом остается только один вариант, если все хотят выпить. Даже если основополагающая симметрия стола очевидна, симметрия нарушается, как только выбирается направление для бокалов.

Йосиро Намбу — еще один нобелевский лауреат, первый физик, описавший спонтанное нарушение симметрии в физике частиц, — приводит другой пример. Возьмите коктейльную трубочку, поставьте ее одним концом на стол и надавите на верхнюю часть. Она согнется. Она может согнуться в любом направлении, и если вы проделаете этот эксперимент несколько раз, сможете увидеть, что трубочка сгибается каждый раз в разном направлении. До нажатия трубочка представляет собой полностью симметричный циллиндр. Далее одно из многих направлений выбирается более или менее случайно. Направление изгиба определяется не базовой физикой трубочки, а случайностью конкретного способа, которым вы давите на нее каждый раз. Симметрия нарушается спонтанно.

Симметрии могут нарушаться по разным причинам. Подумайте, как кристаллический мир оконной рамы изменяется со временем. В этом мире свойства вещества меняются по мере того, как система становится холоднее: вода замерзает, газы разжижаются. В физике такое изменение называется фазовым переходом, и, как показывает пример с окном, нет ничего необычного в том, что симметрии, связанные с одной фазой, исчезают в следующей фазе. Когда окно замерзает, появляются прекрасные кристаллы льда. Однако, если бы оно нагрелось, эти упорядоченные кристаллы сменились бы хаосом водных капель.

Такие преобразования в окружающем мире могут происходить в очень маленьких масштабах, и, когда они случаются, они могут влиять на самые фундаментальные свойства материи. Один из самых удивительных фазовых переходов был открыт голландским физиком Камерлинг-Оннесом 8 апреля 1911 года. Оннес, разработавший специальные методы охлаждения вещества, охладил ртутный провод до 4,2 градуса выше абсолютного нуля в жидком гелии. Измерив электрическое сопротивление провода, он к своему удивлению обнаружил, что сопротивление его каким-то образом упало до нуля. Электрический ток мог течь по проволоке неограниченное время — даже после того, как убирали батарею, запустившую его. Оннес придумал термин «сверхпроводимость», чтобы описать этот удивительный и совершенно неожиданный результат. В 1913 году он получил Нобелевскую премию.

Возможно ли, что те же самые принципы, которые работают в очень малых масштабах — в масштабе ледяных кристаллов на оконном стекле или атомов в сверхпроводнике — действуют и в очень больших масштабах? В 1980-е годы физик по имени Алан Гут начал задумываться о том, что спонтанное нарушение симметрии и фазовые переходы в масштабе Вселенной могут влиять на ее эволюцию.

Чтобы понять такие изменения в большом масштабе, полезно помнить, что они не всегда происходят постепенно, они могут случиться и внезапно. Посмотрите, что происходит, когда вы планируете большую вечеринку, но забываете положить пиво в холодильник. Вы кладете пиво в морозилку и забываете об этом во время вечеринки. На следующий день вы обнаруживаете пиво, открываете бутылку и — бам! — пиво в бутылке внезапно замерзает и расширяется, разбивая стекло. Почему этого не произошло в морозильной камере? До того, как вы открыли крышку, пиво находилось в «метастабильной фазе»: оно находилось под высоким давлением, а пиво при таком давлении и температуре остается жидким. Как только вы открываете крышку, пиво мгновенно замерзает. Во время перехода пива в его новое состояние высвобождается энергия, достаточная для того, чтобы расширяющийся лед разбил бутылку.

Гут задумался, что было бы, если такой метастабильный фазовый переход произошел с ранней Вселенной. Что, если Вселенная остыла до такой степени, что стало предпочтительным какое-то новое, симметричное распределение полей и энергии? До такого перехода, подумал Гут, энергия могла храниться в пространстве, а позже, когда переход был завершен, начала высвобождаться как тепло и излучение. Он подсчитал, что до тех пор запасенная энергия должна быть гравитационно отталкивающей, заставляя вселенную расширяться за удивительно короткое время и, возможно, очень сильно — на двадцать пять порядков или больше. Он назвал этот период быстрого расширения «инфляцией». Инфляция могла произойти в самые ранние моменты существования Вселенной; после того как переход был завершен, энергия, накопленная в космосе, освободилась, создавая начальные условия Большого Взрыва.

Модель инфляции, оказывается, предсказывает многие свойства нашей сегодняшней вселенной. Тем не менее, в течение долгого времени она была просто интересным предположением. Открытие бозона Хиггса в 2012 году изменило это. Частица Хиггса связана с невидимым фоновым полем — полем Хиггса — которое, как утверждается, существует во всем пространстве. Идея состоит в том, что, когда элементарные частицы распространяются в пространстве, противодействуя этому фоновому полю, это влияет на их свойства: частицы, которые сильнее взаимодействуют с полем Хиггса, испытывают большее сопротивление и ведут себя так, как если бы имели большую массу; те, которые взаимодействуют не так сильно, испытывают меньшее сопротивление и поэтому имеют меньшую массу; а те, которые вообще не взаимодействуют с ним, как фотоны, не испытывают сопротивления и, следовательно, не имеют массы. Таким образом, масса всех элементарных частиц зависит от поля Хиггса. В каком-то смысле эти показатели массы говорят о случайности нашего существования; они зависят от природы поля Хиггса, так же как свойства ледяного мира, измеренные физиками на этих ледяных кристаллах, зависят от ориентации их конкретного кристалла. Если бы поле Хиггса не «замерзло» раньше во Вселенной в его нынешней конфигурации, свойства нашей вселенной были бы совершенно другими, и, скорее всего, мы не существовали бы.

Поле Хиггса отличается от того, которое предложил Гут в своей теории инфляции. (Это поле иногда называют «инфлатоном».) Но существование поля Хиггса позволяет легче поверить в то, что при охлаждении Вселенной энергия, запасенная в инфлатоне, освобождается, вызывая спонтанное нарушение симметрии, что, в свою очередь, определяет характеристики Вселенной, какой мы ее знаем сегодня.

Более того, в 1998 году было обнаружено, что наша Вселенная сейчас находится в новой версии инфляции. Пространство снова растет экспоненциально быстро — хотя и гораздо медленнее, чем это было во время ранней инфляционной фазы Вселенной Гута, — и галактики разлетаются со все возрастающим темпом. Естественно, возникают вопросы. Что может быть причиной нынешнего ускоренного расширения? Может ли энергия, питающая его, храниться в еще одном невидимом фоновом поле? Если это так, то будет ли высвобождена его энергия, когда Вселенная продолжит остывать? Если это произойдет, нарушатся ли наши симметрии по-новому? Изменятся ли свойства материи настолько, что существование звезд, планет и жизни станет невозможным? Или Вселенная просто будет расширяться все быстрее и быстрее, и все галактики, которые мы наблюдаем сегодня, в один прекрасный день исчезнут из поля зрения? Так или иначе, будущее выглядит не слишком привлекательным.

Сейчас существует много возможных ответов на эти вопросы. Возможно, что нынешнее мягкое инфляционное расширение может быть результатом фундаментального свойства пустого пространства, не связанного с каким-то новым фоновым полем. Теория относительности Эйнштейна допускает то, что он назвал «космологической постоянной»; это может быть какая-то основополагающая ненулевая энергия Вселенной, которая будет существовать бесконечно в будущем. Если это объяснение верно, то нам не нужно беспокоиться о каком-то еще неоткрытом поле, которое однажды может перейти в новое состояние, освобождая энергию, которая в настоящее время хранится в самом космосе.

С другой стороны, предположим, что такое выделение энергии произойдет. Стабильность материи, известной нам, может подойти к концу. Галактики, звезды, планеты, люди и все, что мы сейчас видим, может исчезнуть. Переход может начаться с одного маленького зернышка в одном месте нашей Вселенной таким же образом, как на замороженном оконном стекле мелкие частицы пыли служат для образования кристаллов льда. Он будет распространяться по всему пространству со скоростью света. Мы даже не узнаем, что нас уничтожило.

Другая отдаленная возможность — то, что поле Хиггса, а не какое-то другое, неоткрытое поле, несет ответственность за инфляцию либо в ранней Вселенной, либо сейчас. Если поле Хиггса находится не в своем конечном состоянии, тогда может произойти другой переход, который изменит массы частиц. Фактически расчеты показывают, что существующее фоновое поле Хиггса колеблется вблизи края неустойчивости: оно может перейти от его текущего значения к совершенно иному значению, связанному с состоянием более низкой энергии.

Можно представить себе сценарии, при которых такой переход не окажет заметных изменений, но гарантий этого нет. Если значимые изменения случатся, та материя, которую мы знаем, скорее всего исчезнет, как кристаллы льда в теплое солнечное утро. Для любителей страшных историй еще одна жуткая возможность состоит в том, что поле Хиггса может неограниченно расти. В результате такого роста энергия, накопленная в развивающемся поле Хиггса, может стать отрицательной. Это может привести к коллапсу всей Вселенной в катастрофической инверсии Большого взрыва — Большому сжатию.

К счастью, данные дают нам и поводы для спокойствия. Те же расчеты, которые предполагают возможность будущего фазового перехода в поле Хиггса, предполагают, что наша текущая метастабильная конфигурация может сохраняться не только миллиарды, но и миллиарды миллиардов миллиардов лет. Есть и другие источники утешения. Природа постоянно удивляет нас. Открытия на Большом адронном коллайдере или где-то еще могут полностью изменить картину, стабилизируя то, что кажется нестабильным полем Хиггса.

Тем не менее, я странно очарован этими сценариями конца света. Они отражают тот факт, что Вселенную вовсе не заботит то, чего бы нам хотелось или выживем ли мы. Ее ход продолжается независимо от того, существуем мы или нет. Удивительная случайность, которая ответственна за наше существование — появление фонового поля Хиггса, которое учитывает текущую стабильность материи, атомов и самой жизни, — это всего лишь небольшая удача.

Правда в том, что мы не похожи на тех воображаемых ученых, которые живут на оконном стекле, на хребте ледяного кристалла. Те ученые обнаружили бы, что одно направление в их Вселенной было особенным. Возможно, это открытие отмечалось бы их теологами как пример Божьей любви. Копая глубже, они могли бы обнаружить, что это особое обстоятельство — просто случайность, и что могут существовать другие кристаллы льда, в которых предпочтение отдается другим направлениям. И даже если они будут праздновать эти открытия, как мы привыкли делать, они также могут не знать, что солнце вот-вот взойдет. Вскоре их кристалл льда растает, и все следы их мира исчезнут. Сделает ли это их короткое существование менее увлекательным? Несмотря на то, что мне не спится по ночам из-за этих возможностей, я уверен, что ответ — нет.

Оригинал