Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Кроме того, инфляция объясняет проблему плоского мира. Тут все еще лучше соответствует интуиции и здравому смыслу. Представьте себе, что вы надуваете очень большой воздушный шарик. Даже хотя «на самом деле» воздушный шар — это сфера, для муравья, человека или галактики, которые сидят на его поверхности, поверхность кажется плоской. Иначе говоря, возможно, наша Вселенная и не совсем плоская, но если она и не совсем плоская, то очень близка к таковой.

Означает ли это, что во Вселенной бесконечное количество материи? В конце концов, когда мы говорили о плоском пространстве, то упомянули о том, что плоская Вселенная бесконечна. Поскольку везде есть некоторое количество материи, а количество пространства бесконечно, отсюда прямо следует, что в целом количество вещества должно быть бесконечно.

Обычно подобные соображения очень нервируют, поскольку, когда начинаешь рассуждать о понятиях вроде бесконечности, нормальный человеческий мозг немедленно приходит к парадоксальным умозаключениям: «Если пространство бесконечно, значит, в нем бесконечное количество материи, а следовательно, где-то во Вселенной существует еще один я…» — и конец чувству собственной уникальности.

А по нашему мнению, вы все равно уникальны, что бы там ни думала Вселенная.

Мы говорили о периоде инфляции так, словно он был только один, но на самом деле (то есть согласно данной модели) Вселенная разветвлялась много-много раз — не исключено, что бесконечно много. Каждый участочек пространства претерпевал инфляционное расширение, и новое пространство создавалось быстрее, чем завершалась инфляция каждого данного участка. Алан Гус назвал это «бесконечным бесплатным обедом».

Для наглядности надо провести грань между нашей Вселенной — всем тем, что мы видим и с чем находимся в прямом контакте, всем тем, что могло бы повлиять на нас и на что мы сами могли бы повлиять (либо теперь, либо в обозримом будущем), — и «мультивселенной». «Мультивселенная» (это один из множества терминов, обозначающих одно и то же основное понятие) — это то, что мы понимаем как Вселенную с большой буквы. Мультивселенная, вероятно, состоит из множества разных вселенных, каждая из которых либо отделена от прочих пространством, либо временем, либо просто не может прямо с ними взаимодействовать.

Не путайте эти разные вселенные со «множественными мирами» — интерпретацией квантовой механики, с которой мы познакомились в главах 2 и 5. Разные вселенные мультивселенной — просто обычные вселенные, которые, вероятно, во многом похожи на нашу (или не похожи), только мы не можем в них побывать.

Представим себе, что в мультивселенной бесконечное множество вселенных. Квантовая механика учит нас, что даже если каждая конкретная вселенная конечна, устроена она может быть лишь определенным количеством способов (хотя это количество, вероятно, сокрушительно велико). Это значит, что где-то в мультивселенной может оказаться человек, идентичный вам во всем. Этот человек сейчас читает то же самое предложение, что и вы, и чувствует себя в точности таким же незначительным. Это унизительно — и к тому же немного жутко. Как будто у вас бесконечное множество преследователей. Более того, если количество вселенных и в самом деле бесконечно, то где-то существует и дубликат нашей Вселенной, как она есть.

Но бесконечна ли наша индивидуальная ветвь инфляции, наша Вселенная? Не обязательно. Инфляция не делает нашу Вселенную плоской, она просто раздувает ее до таких сокрушительно громадных размеров, что она становится настолько плоской, насколько нам это может быть интересно. Кроме того, это означает, что, строго говоря, материи в ней не бесконечное количество, а следовательно, никаких ваших двойников не существует, по крайней мере в нашей Вселенной. Понимаете? Мы же говорили — вы совершенно уникальны.

Разумеется, поскольку мы на самом деле не вправе с уверенностью судить о том, как были устроены материя и гравитация в первую крошечную долю секунды, все это можно считать не более чем обоснованными догадками.

VI. Откуда взялась материя?

Вероятно, самое важное, что объясняет инфляция, — то, откуда в нашей Вселенной взялся один лишний барион на миллиард и откуда вообще во Вселенной появилась материя. Но сначала нам нужно заполнить пару пробелов, имеющих отношение к материи и антиматерии.

Мы уже упоминали о том, что частицы и античастицы — попросту злобное альтер-эго друг друга. Заметим ли мы, если какой-нибудь маньяк примчится на крыльях ночи и заменит все кварки антикварками, все электроны позитронами, а все нейтрино — антинейтрино и так далее? Это физики называют зарядовой симметрией. Согласно всему, что мы вам до сих пор говорили, все останется прежним.

До сих пор мы не говорили о том, каким образом зарядовая симметрия влияет на нашу Вселенную, но влияние это должно быть очень сильным, ведь очевидно, что все сделано именно из материи, а не из антиматерии. Как выясняется, нейтрино и антинейтрино не совсем одинаковы. Оба вертятся, как заведенные, но эксперименты показывают, что все нейтрино крутятся по часовой стрелке, а все антинейтрино — против часовой стрелки.

На первый взгляд кажется, что это не играет никакой роли, — но получается, что если заменить все частицы античастицами, разница все-таки будет. Но все можно исправить — стоит лишь не только заменить частицы античастицами, но и поменять местами право и лево. Это называется четностью или симметрией четности. В результате «по часовой стрелке» превратится в «против часовой стрелки» и наоборот.

Главный вопрос: если мы изменим и зарядовую, и параллельную симметрию, будет ли физика вести себя по-прежнему?[121]

Если да, значит, Вселенная не различает материю и антиматерию, и у нас нет ни малейшего представления, почему в нашей Вселенной в избытке и того и другого.

Тут к нам на помощь в очередной раз приходят эксперименты с ускорителями. При высоких энергиях производятся частицы под названием каоны — вместе со своими античастицами. По большей части. каоны и антикаоны ведут себя одинаково и при распаде образуют очень похожие продукты. Однако примерно в одном случае из тысячи каоны производят не такие Продукты распада, как антикаоны. Это крошечный феномен — но он показывает, что Вселенная на самом деле различает материю и антиматерию.

Суть в том, что как раз в конце эпохи великой унификации энергии были достаточно высоки, чтобы создавать гипотетическую частицу под названием Х-бозон. Х-бозоны были очень массивны и быстро распадались на другие частицы, в том числе на кварки и антикварки, — но их было не поровну.

А вот анти-Х-бозон, по всей видимости, вел себя как раз противоположным образом, и в среднем эти частицы взаимоуничтожались. С другой стороны, если считать, что Х-бозоны вели себя как каоны, то есть античастицы не всегда в точности отражали обычные частицы, значит, мы получали несколько дополнительных кварков, а в конечном итоге — несколько лишних барионов.

Так что если вы хотите сказать крошке Вилли, откуда он (и вся остальная материя во Вселенной) взялся, следует сказать ему, что все мы произошли от нарушения симметрии в первые 10-35 секунд жизни Вселенной.

VII. Что произошло в Самом начале времен?

Что-то вроде Начала Времен (t = 10-43 секунды)

Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем сильнее разогрета Вселенная и тем спекулятивнее становятся наши выводы. Нельзя сказать, чтобы нам было так уж много известно об эпохе великой унификации, но поскольку мы знаем, как действуют все не гравитационные силы, которые более или менее обеспечиваются одной единой теорией, ученые стремятся к тому, чтобы сделать хотя бы обоснованную догадку о том, какой должна быть великая теория унификации.

С другой стороны, мы не можем с уверенностью утверждать, что нащупали верный путь к тому, как сочетать гравитацию с другими силами или с квантовой механикой. Эти теории совпадают на той временной шкале, когда возникали черные дыры — причем эти черные дыры были больше, чем горизонт Вселенной. Нелепица? Еще бы. Время, о котором мы говорим, — это примерно 10-43 секунд (42 нуля после десятичной запятой). Это волшебное число называется планковским временем, и мы не можем сказать ничего определенного о тогдашних событиях. В общем и целом это число возникает из формул — если мы подставляем туда все физические константы и спрашиваем, в какой момент совпадают гравитация и квантовая механика.

Как мы уже говорили в главе 4, невозможность примирить друг с другом квантовую механику и гравитацию — одна из центральных проблем физики вне стандартной модели. Для сглаживания противоречий пригодятся подходы вроде теории струн или петлевой квантовой теории гравитации, однако дознаться до истины мы пока что не в состоянии. Скажем, если верна петлевая квантовая теория гравитации, то существует не только минимальная измеримая дистанция, но и минимальное измеримое время. Вот, например, фильм кажется непрерывным и плавным, пока не заметишь, что он разбит на 24 кадра в секунду, — а вдруг и Вселенная тоже разбита на кадры?