Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Нужно глубже понять идею симметрии. Древние греки, к примеру, Пифагор и Платон, считали, что симметричные формы воплощают красоту природы. Аристотель полагал, что небеса построены в виде концентрических сфер, так как сфера – самая симметричная и потому самая прекрасная из форм. Симметрия проявляется во многих исторических контекстах: колёса делались круглыми, спортивные мячи – сферическими, при изготовлении инструментов и оружия важно было положение центра тяжести, и т. д.

В интеллектуальном плане концепция симметрии, вероятно, возникла как мощная эстетическая идея, совпадающая с другими ценностями Возрождения – например, простотой формы. Дикая роза являет нам лишённую гармонии хаотическую смесь форм, тогда как у розы, написанной художником на стене ренессансного собора, очертания стройные и пропорциональные – другими словами, симметричные.

Математики восприняли эту концепцию и несколько столетий её разрабатывали. Как это происходит со всеми математическими концепциями, с течением времени она становилась всё абстрактнее. Математическая трактовка идеи симметрии началась с конкретных примеров, таких, как правильные геометрические формы, но к XIX столетию развилась в теорию групп. В самом общем смысле группа – любой набор предметов, сочетание которых даёт другой предмет из того же набора. Прекрасный пример – числа: сложив два из них, мы получим ещё одно число.

Как группы связаны с симметрией? Возьмём окружность. Что можно сделать с окружностью, чтобы в результате получить её же? Можно перевернуть, можно покрутить по часовой стрелке или против неё. Но смять или сплющить нельзя – получится, к примеру, эллипс. Преобразования окружности, при которых её форма сохраняется, – это её симметричные преобразования, и они всегда образуют группу. Математики вывели множество свойств групп. К тому времени, когда современная физика встала на ноги, физики позаимствовали многие из этих идей – и продвинулись вперёд. И в самом деле, симметрия – очень важная вещь; некоторые даже утверждают, что вся физическая наука сводится просто к её исследованию и что современная физика – просто приложение теории групп! И если симметрия остаётся лишь интуитивно важной идеей, то абстрактный математический аппарат теории групп стал критически необходим для понимания Вселенной: он и есть язык квантовой физики.

Есть универсальное правило: хотите установить какую-то физическую закономерность – поищите симметрию.[27] В теоретической физике, науке, где для изучения явлений природы используется математика, а не эксперименты в лабораториях, есть два способа установить какую-либо закономерность. Первый – рассмотреть существующие законы и уравнения и отыскать в них новые симметрии, которых до вас никто не заметил. Второй – предложить новую теорию, с самого начала построенную на симметрии. Для каждого из этих случаев можно привести множество примеров классических физических теорий. К примеру, законы движения планет Иоганна Кеплера – с них, как многие считают, и началась революция, которая привела к становлению современной науки, – прекрасны в своей геометрической простоте. Они требуют, чтобы орбиты планет при их обращении вокруг Солнца имели геометрическую форму эллипса. Однако Кеплером руководило не требование сделать законы симметричными, а необходимость согласовать наблюдательные данные с теорией. По сути, только спустя 250 лет немецкие физики Карл Рунге и Вильгельм Ленц сумели «открыть» в движении планет детальную математическую симметрию.

Перенесёмся теперь в 1905 год – «год чудес» Альберта Эйнштейна. Он, вероятно, единственная личность в истории, которая сразу ассоциируется с математическим уравнением – E = mc2. Но нам здесь стоит заметить, что оно – прямое следствие математической симметрии. Эйнштейн изменил физику, впервые создав теорию из принципов симметрии вместо того, чтобы, как обычно, пытаться найти уравнения, соответствующие наблюдательным данным.

Симметрия в общей теории относительности Эйнштейна – симметрия точек зрения. Он представлял себе кого-то, кто находится в космическом корабле, вдали от источников гравитации. Внутри корабля невесомость: все предметы плавают в воздухе, совсем не так, как на земной поверхности, где гравитация тянет всё вниз. Потом Эйнштейн представил себе, что кто-то падает в гравитационном поле Земли. Но не просто падает, а находится в комнате, которая тоже падает вместе с ним. В этой падающей комнате человек тоже видел бы, что все предметы плавают в воздухе, как будто никакие гравитационные силы не действуют. С виду всё было бы точно так же, как и для человека в глубинах космоса. Для того, кто пребывает в свободном падении на Земле, гравитации больше не существует. И, как это ни странно звучит, это и стало основой современной теории гравитации.

Хотя формы существования материи, возможно, остались более или менее неизменными с самых первых минут после Большого взрыва и до сегодняшнего дня, наше понимание её стало в некотором смысле совершенно новым. Конечно, древние знали, что такое материя, и имели некоторое представление о химических элементах, приближающееся к современному. С появлением квантовой механики и современной теории атома мы смогли постичь структуру атомов и обнаружили, что все элементы построены из небольшого количества фундаментальных частиц. Поэтому потенциальный ответ на вопрос о причинах существования материи можно было получить только в контексте квантовой физики. И даже в этом контексте он не был найден в его нынешней форме, пока в 1928 году Поль Дирак не вывел названное его именем уравнение.

К концу 1920-х квантовая механика ещё не вполне сложилась как научная дисциплина. Гейзенберг уже разработал свою раннюю версию квантовой механики, известную как матричная механика, но она настолько же запутала ситуацию, насколько прояснила: во-первых, её математический язык был непонятен многим физикам, а во-вторых, было совершенно неясно, каков физический фундамент теории. Многое в ней выглядело разрозненным. Более того, применение квантового подхода ограничивалось классической физикой, а влияние электромагнитных сил не учитывалось. Дирак поставил перед собой задачу модифицировать эти уравнения, чтобы согласовать их с принципами, введёнными Эйнштейном: они должны были обладать подходящей симметрией. Сейчас уравнения Дирака рассматриваются как основа стандартной модели физики частиц – квантово-механического описания частиц и сил (за исключением гравитации!). И, хотя для завершения этой работы потребовалось много десятилетий, некоторые её неожиданные следствия стали очевидны сразу.

Уравнения Дирака содержат первое научное предсказание чего-то, что в природе раньше никогда не наблюдалось. Хотя, выводя свои уравнения, Дирак не имел в виду какой-то конкретной симметрии, уравнения симметричны относительно заряда. Электрический заряд – основное свойство материи, благодаря которому на неё оказывают влияние электрическая и магнитная силы. Количество заряда принято измерять в квантованных дискретных единицах e. Каждый электрон имеет заряд – e, а каждый протон – заряд +e. Выходит, если силой воображения мы изменим заряд электрона с – e на +e, получится протон? Ни в коем случае! Между электронами и протонами, кроме заряда, ещё множество различий: например, протон почти в 2000 раз тяжелее.

Анти-…

Изменить заряд электрона с отрицательного на положительный – всё равно, что перевернуть другой стороной кружок, о котором мы говорили выше. На этот раз, правда, дело обстоит немного иначе – в итоге мы увидим не совсем тот же кружок. Насколько можно видеть из уравнения Дирака, одним из его решений будет частица, идентичная электрону во всех отношениях, но с положительным зарядом +e. Другими словами, уравнение Дирака предугадывало новый вид материи – антивещество. Учёный предсказал существование антиэлектрона, теперь называемого позитроном, в 1928 году. Спустя всего четыре года Карл Андерсон получил решающее доказательство этому в эксперименте, в ходе которого он изучал столкновения частиц из дальнего космоса – космических лучей.

Ясно, что антивещество существует и подчиняется тем же законам физики, что и вещество. Некоторые учёные даже предположили, что из антивещества могут состоять целые галактики! Но здесь есть одна проблема. Когда вещество и антивещество соединяются, они взаимно уничтожают друг друга, аннигилируют, производя гигантские количества энергии в виде гамма-излучения. Антивещество – идеальное горючее из научно-фантастических романов; при аннигиляции оно полностью исчезает, переходя в энергию и приводя в движение космические корабли будущего. Но его очень трудно хранить: как только оно соприкоснётся со стенками ёмкости, в которую вы хотите его поместить, произойдёт аннигиляция и колоссальный выброс энергии. Получается, что, если большие участки Вселенной состоят из антивещества, то в тех местах, где оно будет соприкасаться с обычным веществом, будут замечены яркие вспышки гамма-лучей. У нас нет никаких наблюдательных доказательств того, что это происходит, а значит, во Вселенной, вероятно, нет достаточно протяжённых областей, наполненных антивеществом.

Исходя из принципов симметрии, можно утверждать, что законы физики действовали бы точно так же, изменись заряд всех частиц на противоположный. На бумаге физика не делает различия между веществом и антивеществом, так почему это должна делать природа? Антивещество было порождено квантовой симметрией, но, чтобы объяснить, почему сегодня во Вселенной больше вещества, чем антивещества, нужно кое-что eщё. Необходимо разрушить симметрию, которая создала антивещество, то есть либо найти некоторую асимметрию в существующих физических законах, либо создать новую физику, которая допускает aсимметрию вещества и антивещества.

Но почему вообще мы создаём симметрии только для того, чтобы потом их разрушать? Почему сразу не начать с асимметричного описания природы? Ответом на этот вопрос мы обязаны Эмми Нётер, выдающемуся математику. Она, подобно Эйнштейну, внесла вклад во много областей физики[28] – в частности, доказала, возможно, самую важную теорему о симметрии: что каждый вид симметрии соответствует некоторому закону сохранения.

Для физиков законы сохранения священны. Это исключительно мощные инструменты, на которых основывается всё наше интуитивное понимание Вселенной. Например, в случае круга и его вращательной симметрии из теоремы Нётер следует, что вращающиеся объекты должны иметь сохраняющуюся величину, связанную с их вращением, – мы называем её угловым моментом. Учёные ищут симметрию, когда раздумывают над существующими теориями и создают новые: в обоих случаях симметрия ведет к прекрасной простоте. Так, для описания окружности нам потребуется лишь одно число – диаметр. В природе можно найти множество проявлений симметрии. Искать её всегда полезно: это позволяет нам создавать экономные описания физического мира в терминах простых законов сохранения. Однако есть и другие случаи, такие, например, как с веществом и антивеществом, когда природа асимметрична. Мы никогда не знаем наверняка, когда и где отыщем симметрию: это обычно случается в настоящие «моменты истины», когда учёный ощущает особый трепет открытия.

Там, где симметрия нарушается, нарушается и какой-то из законов сохранения. А там, где нет закона, наступает хаос – спросите любого полицейского! Конечно, это не совсем так. И в общественном, и в физическом мире мы счастливы, только если законы не слишком нас ограничивают. В полностью симметричном мире не было бы совершенно ничего интересного. Именно таким было состояние Вселенной в первый миг Большого Взрыва. Поэтому так важен вопрос о том, куда же подевалось всё антивещество: какой физический процесс нарушил эту симметрию?

Если углубиться в детали стандартной модели, мы увидим, что зарядовая симметрия может быть нарушена. Но, хотя у нас теперь есть экспериментальное подтверждение существующего в природе лёгкого предпочтения вещества, этой асимметрии всё ещё мало для объяснения зияющего расхождения между ним и антивеществом. Нам всё ещё необходим какой-то ломающий симметрию механизм. Большинство предложений сводится к построению новых моделей фазовых переходов, вроде той, что мы обсуждали выше на примере воды и льда. Некоторые авторы считают, что для решения проблемы нужна физика, выходящая за пределы стандартной модели.

Итог на сегодняшний день такой: чтобы во Вселенной могло существовать вещество, законы природы, похоже, должны где-то нарушаться. В идеальной Вселенной, с идеальными и симметричными физическими законами, на каждую частицу приходилась бы своя античастица. Их аннигиляция тоже была бы идеальной – после неё оставалось бы лишь море излучения, и никакого вещества, которое доказывало бы существование aсимметрии.

И хотя подробности этой ситуации всё ещё остаются неопределёнными, учёные убеждены, что это несовершенство содержится где-то в законах физики. Сегодня оно по большей части остаётся скрытым, высовываясь на поверхность явлений настолько редко, что его вполне можно считать невидимкой. Но на самых ранних стадиях истории Вселенной, когда происходило такое количество столкновений и взаимодействий, это несовершенство должно было сыграть свою роль в поистине космическом масштабе, обеспечивая преобладание вещества над антивеществом в пропорции одна часть на миллиард.

Такие виды асимметрии играли роль не только в ранней Вселенной. Они есть и сегодня. Несовершенство проявляется, например, в результатах экспериментов в физике частиц, когда симметрия почти идеальна, но всё же не совсем. Значит, величины, которые мы считали сохраняющимися во Вселенной, на деле не таковы! Немного ниже мы ещё познакомимся с призрачным нейтрино, частицей, которая почти не взаимодействует с другими частицами. Так вот, эксперименты показали, что эта частица нарушает один из фундаментальных законов Вселенной: закон чётности.

Чтобы уяснить смысл чётности, представьте, что вы смотрите очень старый фильм в очень старом кинотеатре. Откуда вы знаете, не показывает ли вам подвыпивший киномеханик плёнку, заправленную не той стороной, так, что вы видите зеркальное изображение? Если на экране бытовая драма, вы быстро заметите разницу по необычно большому числу левшей среди персонажей или по мелькнувшему в кадре написанному тексту. Асимметрия внутренне присуща человеческой цивилизации.

Ну, а если вы смотрите на какой-нибудь пейзаж, на кувыркающихся в океане китов, на орла, парящего над вершинами гор? Тогда вам будет гораздо труднее решить, какой стороной киномеханик заправил плёнку. Разве что вы знаток китов или орлов и что-то в их движениях покажется вам странным. Но виды гор или океанских просторов уж точно будут выглядеть в зеркальном изображении совершенно так же, как и в обычном. Это относится и к законам физики. Любое взаимодействие – то, что происходит, например, когда электрон отскакивает от другого электрона под воздействием электромагнитной силы, – выглядит физически одинаковым в обычном и зеркальном мире. То же самое верно и для гравитации, и для сильного ядерного взаимодействия – но, что интересно, не для последней из сил, силы слабого взаимодействия.

Нарушение квантового закона

Нейтрино – призрачная частица, полностью нейтральная и практически безмассовая. Её взаимодействия с веществом могут быть измерены только силами гравитации и слабого взаимодействия. В 1950-х учёные увидели: реакции с участием нейтрино и слабого взаимодействия не воспроизводятся при переходе в зеркальный мир. В 1956 году физики Ли Цундао и Ян Чэньнин предположили, что «зазеркальных» реакций с участием нейтрино в реальной Вселенной просто-напросто не бывает. Вскоре после этого физик-экспериментатор У Чэньшун доказала: это действительно так! В её эксперименте при радиоактивном распаде кобальта нейтрино вылетало в противоположном электрону направлении[29] и исчезало, но электроны У регистрировала. Если бы чётность сохранялась, при большом количестве атомов кобальта электроны рассеивались равномерно по всем направлениям. Но У в своём эксперименте регистрировала электроны, вылетающие только в одну сторону. В нашей Вселенной чётность явно не соблюдалась! Для научного сообщества это стало настоящим шоком: все были уверены, что настоящая Вселенная и Вселенная в зазеркалье полностью симметричны. В математические формулы пришлось внести некоторые изменения.

Симметрия других взаимодействий – гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия, действующего в глубине атомов, – осталась нетронутой: все они оказались идеально математически симметричны. Яркий пример этого – сохранение электрического заряда при электромагнитных взаимодействиях. Мы никогда не наблюдали взаимодействия, при котором изменялся бы полный заряд системы. Учёные придирчиво следили за этим, но ни единой трещинки в здании симметрии не нашли.

Откуда взялись химические элементы?

Химические элементы – «строительные кирпичики» Вселенной, 92 природных плюс ещё пара десятков сверхтяжёлых, созданных в лабораториях. Средний человек примерно на 70 процентов состоит из воды, а та складывается из бесчисленного количества одинаковых молекул, в каждой из которых два атома водорода и один атом кислорода, связанных воедино электромагнитной силой. Но, чтобы получился человек, требуется гораздо больше элементов: углерод, сера, фосфор… Они связываются между собой, образуя мириады различных молекулярных структур. Мы уже знаем, что ранняя Вселенная была, в сущности, горячим «супом» из фундаментальных частиц – кварков, электронов и фотонов. Так откуда же взялись все эти многочисленные элементы, необходимые для создания человека?

[27] Симметрия – основное понятие фундаментальной физики: Интереснейшее обсуждение этого вопроса, в том числе важности нарушения симметрии, см. в книге Martin Gardner, Teh Ambidextrous Universe (New York: Basic Books, 1964). [Русский перевод: Мартин Гарднер. Этот правый, левый мир, М., Мир, 1967 – Прим. пер.].

[28] Ещё о Нётер: Эмми Нётер – одна из истинных «неизвестных героев» современной науки и математики. Её догадки теперь лежат в основании современной физики, а её жизнь и творчество заслуживают более широкой известности. См. Dwight E. Neuenschwander, Emmy Noether’s Wonderful Teh orem (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2017).

[29] Эксперимент У: своему успеху как физика-экспериментатора У Чэньшун обязана множеством прозвищ, которые повторяются в библиографии и даже в детских книжках. См. Teresa Robeson, Queen of Physics: How Wu Chien Shiung Helped Unlock the Secrets of the Atom (New York: Sterling Children’s Books, 2019).