Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

даватиме нам жодних підказок щодо напрямку пошуків задля глибшого проникнення в базисну сутність космосу? Ми обов’язково це дізнаємося та будемо змушені змиритися з новою реальністю, якою б вона не виявилася.

З якими б іще хитрощами природи ми не зіткнулися, нещодавнє відкриття бозона Хіггса, найсвіжіше й одне із найвизначніших експериментальних та теоретичних досягнень видатної Стандартної моделі фізики елементарних частинок, стало чудовим вінцем понад двох тисячоліть інтелектуальних зусиль відважних та цілеспрямованих філософів, математиків і науковців, спрямованих на відкриття прихованої мозаїки, що лежить в основі нашого з вами існування.

Воно також наводить на думку, що чудовий усесвіт, у якому нам довелося жити, може не лише нагадувати – принаймні в метафоричному сенсі – крижаний кристал на віконному склі, а й бути настільки ж ефемерним.

Розділ 23
Від пивної вечірки до кінця часів

…бо минає стан світу цього.

1 до Коринтян 7:31

Упродовж більшої частини моєї кар’єри мої власні дослідження були зосереджені на новій галузі космології, яка зветься астрофізикою елементарних частинок. Після зливи теоретичних здобутків 1960-1970-х років земні експерименти, обмежені нашою здатністю споруджувати складні машини на кшталт прискорювачів частинок, ледве-ледве за ними встигали. Унаслідок цього дехто з нас звернувся за порадами до всесвіту. Оскільки з теорії Великого вибуху випливає, що попервах усесвіт був розпеченим та густим, тодішні умови неможливо відтворити в земних лабораторіях. Проте якщо підійти до справи з розумом, можна пошукати залишкові сигнатури тих ранніх часів у космосі й дістати змогу перевірити наші ідеї, що стосуються навіть найезотеричніших аспектів фундаментальної фізики.

Попередня моя книга «Всесвіт із нічого» описувала революції в нашому розумінні еволюції всесвіту на великих масштабах і впродовж тривалих періодів часу. Наші дослідження не лише виявили існування темної матерії, яка, як уже було описано вище, скоріш за все, складається з нових елементарних частинок, яких досі не зафіксовано в прискорювачах (хоча ми, можливо, наблизилися впритул до цього), а й значно екзотичніші речі, а саме що основна енергія всесвіту міститься в порожньому просторі й на цей момент ми й гадки не маємо, звідки вона виникає.

Нині наші спостереження повернули нас у часи немовлячого віку нашого всесвіту. Ми зафіксували найдрібніші подробиці радіації, яка зветься реліктовим мікрохвильовим фоновим випромінюванням, яке бере свій початок від часів, коли всесвіту було лише триста тисяч років. Наші телескопи повертають нас у часи найперших галактик, які сформувалися приблизно через мільярд років після Великого вибуху, і дають нам можливість картографувати велетенські космічні структури, які містять тисячі галактик та простягаються на мільйони світлових років, розкидані тут і там посеред приблизно сотні мільярдів галактик у видимому всесвіті.

Для пояснення всього цього теоретики спираються на ідею, що виникла завдяки розвитку теорій Великого об’єднання. 1981 року Алан Гут збагнув, що фазовий перехід, який спричиняє порушення симетрії й може мати місце на ТВО-масштабі, одному з початкових масштабів усесвіту, може не бути ідентичним фазовому переходу, який порушує симетрію між слабкою взаємодією та електромагнетизмом. У випадку ТВО БХ-подібне поле, що конденсується в просторі задля порушення ТВО-симетрії між сильною й електрослабкою силами, може на мить застигнути в метастабільному високоенергетичному стані, перш ніж повернутися у врівноважений стан своєї остаточної конфігурації. Перебуваючи в цій конфігурації «лжевакууму», це поле зберігатиме енергію, яка вивільниться тоді, коли поле зрештою повернеться у врівноважений стан своєї преференційної найменш енергетичної конфігурації.

Ця ситуація вельми нагадує те, що могло трапитися з вами, якщо вам колись доводилося планувати велику вечірку, а тоді забути вчасно поставити пиво в холодильник. Тоді ви ставите пиво в морозильник, проте в ході вечірки забуваєте про нього. Наступного дня ви знаходите пиво, відкриваєте пляшку і – бабах! – пиво в пляшці зненацька замерзає та розширюється, розбиваючи скло й спричиняючи страшенний гармидер. Поки кришку не знято, пиво перебуває під великим тиском, а за цього тиску й температури пиво рідке. Але щойно ви знімаєте кришку та знижуєте тиск, пиво раптово замерзає. Під час цього фазового переходу, у ході якого пиво переходить у новий, урівноважений стан, вивільняється достатня кількість енергії, щоб крига, яка розширюється, розбила пляшку.

Тепер уявіть собі аналогічну ситуацію в холодному кліматі. Свіжого та дощового зимового дня температура може швидко впасти нижче від точки замерзання, примушуючи дощ змінитися снігом. А от калюжі води на вулиці можуть замерзнути не одразу, тим паче якщо їх постійно збурюють колеса машин. Пізніше, коли рух стає менш жвавим, вода може раптово замерзнути, спричиняючи появу на дорозі небезпечної чорної криги. Через попереднє збурення машинами та швидке зниження температури вода застрягає в «метастабільній фазі», себто у вигляді рідини. Утім, урешті-решт відбувається фазовий перехід, і формується чорна крига. Оскільки за таких низьких температур преференційним найменш енергетичним станом води є твердий, то в результаті замерзання рідина вивільняє надмірну енергію, яку зберігала в метастабільному рідкому стані.

Гут задумався, що сталося б у ранньому всесвіті, якби така поведінка мала місце під час переходу, описаного ТВО, себто якби яке б не було скалярне поле, котре для цього переходу грає роль поля Хіггса, залишилося б на короткий час у початковому основному стані, що зберігає симетрію, навіть попри охолодження всесвіту нижче від точки, у якій преференційним стає новий конденсований основний стан, який симетрію порушує. Гут збагнув, що цей тип енергії, який це поле зберігало в просторі до завершення переходу, буде відштовхуватися гравітацією. Унаслідок цього всесвіт різко розшириться (можливо, у гігантську кількість разів, на двадцять п’ять порядків чи більше) за мікроскопічно короткий час.

Далі Гут відкрив, що цей період стрімкого розширення, яке він назвав роздуттям, здатен розв’язати кілька наявних парадоксів, пов’язаних із картиною Великого вибуху, зокрема пояснити, чому всесвіт на великих масштабах настільки однорідний та чому тривимірний простір на великих масштабах виглядає настільки близьким до геометричної пласкості. Без роздуття відповісти на ці запитання, схоже, неможливо. Перша проблема розв’язується, оскільки впродовж стрімкого розширення будь-які початкові неоднорідності розгладжуються, точно як зморщена повітряна кулька стає гладенькою, коли її