Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

можливість якої передбачив Альберт Ейнштейн невдовзі після розробки загальної теорії відносності, яка, як він збагнув, могла включати в себе дещо, що він назвав «космологічною сталою», і котра, як ми розуміємо нині, може просто відображати ненульову енергію основного стану всесвіту, яка існуватиме необмежену кількість часу й в майбутньому.

Або, по-друге, це може бути енергія, що зберігається в ще одному невидимому фоновому скалярному полі всесвіту. Якщо це так, виникає наступне очевидне запитання: чи вивільниться ця енергія в результаті ще одного майбутнього фазового переходу, подібного до роздуття, який відбудеться, коли всесвіт достатньо охолоне?

На сьогодні це питання відкрите. Хоча нині обчислена енергетична густина порожнього простору більша за енергетичну густину всього іншого, що ми бачимо у всесвіті, в абсолютних величинах, у масштабі енергій, пов’язаних із масами всіх відомих нам елементарних частинок, вона вкрай мізерна. Не існує жодного осмисленого неемпіричного пояснення на основі відомих механізмів фізики елементарних частинок, яким чином енергія основного стану всесвіту може бути ненульовою, що приводить до виникнення космологічної сталої Ейнштейна, але водночас настільки малою, щоб уможливити спостережуване нами м’яке прискорення. (Утім, одне правдоподібне пояснення, що його вперше надав Стів Вайнберґ, усе-таки є, хоча воно умоглядне та спирається на умоглядні ідеї щодо можливої фізики далеко за межами сфери, яку ми розуміємо зараз. Якщо всесвітів багато, а енергетична густина в порожньому просторі, якщо припустити, що це космологічна константа, не зафіксована фундаментальними фізичними обмеженнями, а натомість довільним чином варіюється від усесвіту до всесвіту, тоді лише в тих усесвітах, у яких енергія в порожньому просторі не набагато більша за виміряне нами значення, зможуть сформуватися спершу галактики, а тоді зірки, і лише тоді планети, і лише тоді астрономи…)

Водночас не існує жодної осмисленої моделі нового фазового переходу, передбаченого фізикою елементарних частинок для нового скалярного поля, яке нині зберігає в собі настільки малий обсяг енергії. Під осмисленою моделлю я розумію таку, яку визнає правдоподібною ще хоча б хтось, окрім її авторів.

Зрештою, усесвіт такий, який він є, і з того факту, що поточна фундаментальна теорія не надає неемпіричного передбачення, здатного пояснити щось настільки фундаментальне, як енергія порожнього простору, не випливає нічого містичного. Як я вже казав, брак розуміння не є свідченням існування Бога. Це лише свідчення браку розуміння.

Ураховуючи, що ми не знаємо, що є джерелом потенційно наявної енергії порожнього простору, ми вільні сподіватися на краще, і в цьому випадку це, можливо, означає сподівання, що слушним є пояснення через космологічну сталу, а не через існування якогось іще не відкритого скалярного поля, яке одного дня може перейти в новий стан, вивільнивши енергію, що нині зберігається в просторі.

Згадаймо, що через зв’язування поля Хіггса з рештою матерії у всесвіті за конденсації поля в стан порушення електрослабкої симетрії кардинально змінилися властивості матерії та сил, що керують взаємодіями матерії.

Відповідно, якщо в природі має відбутися якийсь подібний фазовий перехід за участі певного нового скалярного поля в просторі, стабільність відомої нам матерії може зникнути. Галактики, зірки, планети, люди, політики й усе, що ми бачимо навколо, може в буквальному сенсі слова зникнути. Єдиний позитивний момент (окрім зникнення політиків) полягає в тому, що цей перехід за умови, що він починається з якогось крихітного зернятка в якійсь точці нашого всесвіту (аналогічно до того, як крихітні пилинки можуть покласти початок формуванню крижаних кристалів на замерзлому віконному склі чи сніжинок у процесі їх падіння на землю), пошириться простором зі швидкістю світла. Ми не будемо знати, що нас накрило, аж доки це не станеться, після чого ми вже не існуватимемо й нам буде байдуже.

Допитливий читач міг звернути увагу, що всі ці обговорення стосуються нових можливих скалярних полів у природі. А що ж там із полем Стандартної моделі Хіггса? Чи може воно відігравати якусь роль у всьому цьому поточному космічному шарварку? Чи може поле Хіггса містити енергію та нести відповідальність за роздуття на початку всесвіту чи нині? Чи може поле Хіггса перебувати не в кінцевому своєму основному стані й чи чекає на нього ще один перехід, який іще раз змінить конфігурацію електрослабкої сили й маси частинок Стандартної моделі?

Гарні запитання. І відповіді на них усі однакові: ми не знаємо.

Це не завадило деяким теоретикам розмірковувати щодо такого варіанта. Мій улюблений приклад (улюблений не тому, що він кращий за інші, а тому, що це міркування належить мені й моєму колезі Джеймсу Денту й сформулювали ми його невдовзі після відкриття бозона Хіггса) полягає в тому, що, можливо, поле Хіггса все-таки відіграє роль у спостережуваному космічному розширенні. Як зазначають деякі автори, існування фонового польового конденсату й частинок, з яких він складається, може слугувати унікальним вікном, або «порталом», який може надати неочікувану сприйнятливість існуванню в природі інших БХ-подібних полів незалежно від того, наскільки слабкими можуть бути їхні безпосередні прив’язки до частинок, спостережуваних у рамках Стандартної моделі.

Якщо бозон Хіггса та інші БХ-подібні частинки існують як варіант у масштабі теорії Великого об’єднання, тоді фізичний бозон Хіггса – та сама частинка, відкрита в ЦЕРН, – може бути деякою сумішшю бозона Хіггса слабкої взаємодії та іншої БХ-подібної частинки (тут ми відштовхуємося від фізики нейтрино, у якій аналогічний феномен відіграє ключову роль у розумінні, наприклад, поведінки нейтрино, випущених у ході ядерних реакцій на Сонці та зафіксованих на Землі). У такому разі можна твердити, що, принаймні коли поле частинок Хіггса слабкої взаємодії сконденсується в порожньому просторі, це може стимулювати конденсацію іншого БХ-подібного поля з властивостями, які дозволять їй зберігати точно таку кількість енергії, яка пояснила б спостережуване сьогодні роздуття всесвіту. Необхідна для цього математика вельми силувана, і модель потворна. Утім, хто його зна? Можливо, вона потворна тому, що ми ще не знайшли правильної схеми, у яку її вбудувати.

Проте цей сценарій усе ж варто згадати не лише заради красного слівця через одну привабливу рису. У цій картині енергія, яку несе друге поле і яка спричиняє вимірюване нині прискорене розширення всесвіту, скоріш за все, урешті-решт вивільниться в результаті нового фазового переходу до справжнього основного стану всесвіту. Завдяки тому, що це нове поле може слабко прив’язуватися до всіх спостережуваних частинок, цей