Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Потом мы пытаемся зарегистрировать эти частицы, и на БАК идут четыре больших эксперимента, я хочу подчеркнуть, что в эти эксперименты вовлечены тысячи физиков из буквально десятков стран. Это по-настоящему всемирные усилия. Это не просто группа швейцарских парней играет с часами, это настоящая работа мирового масштаба.

Теперь кое-что про открытие бозона Хиггса. Мне кажется, что описать реакцию физиков, занимающихся частицами, на то, что эта частица в конце концов была обнаружена, можно как массовую хиггстерию. И в нескольких экспериментах нам удалось обнаружить следующее. В рамках ATLAS, одного из больших экспериментов по поиску бозона Хиггса, увидели такую картину: если вы присмотритесь очень внимательно, вы увидите четыре прямые красные линии, выходящие из столкновения – две вверх и налево и две, выходящие снизу. Это энергичные частицы, которые могли появиться при распаде бозона Хиггса, и это похоже на симуляцию. Это событие увидели и в другом эксперименте по охоте на бозон Хиггса, CMS. Его поведение иллюстрируют замеченные в космических лучах линии. Они соответствуют двум частицам с высокой энергией, возможно, очень энергичным фотонам. Они не заряжены, потому что не оставляют за собой следа, и такой распад бозона Хиггса на два фотона был рассчитан нами с Мари Гайяр и Димитрием Нанопулосом в 1975 году.

4 июля 2012 года ATLAS и CMS осмелились заявить об открытии новой частицы. На другой стороне Атлантики 4 июля отмечается по другому поводу, но у нас, по крайней мере, в то 4 июля, было свое большое празднование.

Что же обнаружили в ходе экспериментов? Что ж, в основном ничего. То, что вы видите здесь, это данные, выбивающие основу из-под известной физики. Они колеблются вверх и вниз, но нет ничего существенного, да? Никакого бозона Хиггса, не на чем глаз остановить. Но если убрать наложение в середине, вы увидите очень значительный пик. В нем – переизбыток полезных событий, и это то, что, как мы полагаем, и есть бозон Хиггса, наконец появляющийся из шума.

Бозон Хиггса – это важная вещь. Без бозона Хиггса не было бы атомов, потому что у электронов не было бы массы, и они улетали бы от ядра со скоростью света. Не было бы тяжелых ядер, потому что у кварков не было бы массы. Слабые взаимодействия, ответственные за радиоактивность, не были бы слабыми. Они были бы той же силы, даже сильнее, чем электричество и магнетизм, и жизнь была бы невозможна. Не просто все было бы радиоактивным, но и вселенная была бы совсем не похожа на нашу вселенную.

Когда бозон Хиггса начал играть важную роль во вселенной? Сегодня она заполнена космическим микроволновым фоновым излучением, которое высвободилось при формировании атомов примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого не было ни атомов, ни химии, ни биологии, только физика. Когда вы сдвинетесь еще дальше назад, к моменту, когда вселенной было меньше трех минут, вы обнаружите, что там не было ядер, только протоны, электроны, фотоны и т. п. Вот так, никакой ядерной физики тогда еще не было. Если сдвинуться еще, к тому времени, когда от рождения вселенной была одна микросекунда, можно было бы обнаружить, что там не было протонов и нейтронов, вокруг летали только кварки и глюоны. Мы думаем, что если еще сдвинуться к возрасту вселенной в одну пикосекунду, т. е. одну миллионную миллионной доли секунды, то вот это будет тот момент, когда начал свою работу бозон Хиггса, и до этого момента у частиц не было массы.

Возвращаясь к моей аналогии со снежным полем, когда возраст вселенной был одна миллионная одной миллионной доли секунды, вселенная была настолько горяча, что снег не мог выпасть и образовать снежный покров. С помощью БАК мы исследуем временной промежуток от одной микросекунды до одной пикосекунды после Большого взрыва. Мы думаем, что в этот момент, возможно, была произведена темная материя. Это одна из вещей, которые мы сейчас ищем на БАК, и я к этому вернусь через короткое время. Возможно, и само вещество появилось примерно тогда же, когда бозон Хиггса сотворил свое чудо. Продолжая свои эксперименты, мы пытаемся ответить на эти гогеновские вопросы.

Ответы на них требуют новой физики, находящейся за пределами стандартной модели, которая описывает видимое вещество во вселенной. Говоря словами Джеймса Бонда, стандартной модели недостаточно^[3]. И ниже я перечислю 007 причин для этого.

Первая причина в том, что пустой космос нестабилен, если нет ничего, кроме стандартной модели, и я вернусь к этому позже. Затем есть вопрос о природе темного вещества и вопрос о появлении вещества как такового. И откуда у нейтрино взялась масса? (это, скорее всего, потребует некоторого расширения механизма Хиггса). Почему слабые взаимодействия так сильны? Что объясняет огромные размеры и возраст вселенной? Причиной ли этому загадочная космологическая инфляция? И как мы создадим квантовую теорию гравитации? Это все нерешенные задачи, с которыми мы сейчас сталкиваемся. Я немного расскажу о паре этих проблем, а затем в гранд-финале вернусь к вопросу о нестабильном космосе.

Астрофизики говорят нам, что если мы хотим понять, как не распадаются галактики и, для начала, как вообще сформировались галактики, нужно учесть, что невидимого слабо взаимодействующего темного вещества должно быть больше, чем того видимого вещества, из которого состоят звезды и состоим мы. Возможно, темное вещество состоит из частиц, одна из идей – это так называемые суперсимметричные частицы. Это партнеры известных частиц, которые вращаются с иной скоростью. Суперсимметричные частицы будут иметь значение спина J, отличное от обычных частиц. Никто их никогда не видел и само их существование на текущий момент весьма спекулятивно. Это одна из тех вещей, которые мы ищем на БАК, особенно при увеличении энергии столкновений. Мы не сможем увидеть частицы темной материи непосредственно, потому что они взаимодействуют слабо. Они нейтральны и не светят, но их можно зарегистрировать косвенно, потому что они невидимо уносят из системы энергию и импульс.

Общественный интерес к физике антивещества поддерживается благодаря сериалу «Звездный путь», хотя часть вины лежит и на Томе Хэнксе. Мы, физики, любим изучать антивещество не потому, что, господи упаси, хотим уничтожить Ватикан, а потому, что мы крайне заинтересованы в небольшой разнице между веществом и антивеществом. Поль Дирак и другие физики думали, что частицы вещества и антивещества будут одинаковыми в некоторых свойствах, таких как масса, и противоположны в других. Например, у них будет противоположный электрический заряд. Как я говорил выше, антивещество было обнаружено в космических лучах, а теперь оно рутинным образом используется в медицинской диагностике. Не знаю, проходил ли кто-нибудь в этой аудитории ПЭТ-сканирование – похоже, парочка таких тут есть. «П» в ПЭТ означает позитрон, первую из обнаруженных частиц антивещества. Когда люди обнаружили, что на самом деле вещество и антивещество не то чтобы в чем-то одинаковы и в чем-то противоположны, это стало для всех большим сюрпризом. Российский физик Андрей Сахаров предположил, что эта разница может объяснять, почему вселенная сегодня содержит вещество, а не антивещество. Чтобы понять, верно это или нет, в ЦЕРН ведутся специальные эксперименты.

Мы, физики, мечтаем о том времени, когда мы объединим все фундаментальные взаимодействия. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн искал универсальную теорию всего, но не нашел ее. Одной из идей, с которыми играл Эйнштейн, была идея о том, что у пространства могут быть дополнительные измерения. Сегодня это стало очень популярной темой в теориях квантовой гравитации, таких, как теория струн, и в некоторых из этих теорий допускается, что гравитация может стать сильной уже при энергиях, достижимых в БАК, и в таком случае эти эксперименты могут привести к рождению черных дыр.

Тут сбылись мечты рекламщиков ЦЕРН, ведь это породило безумную идею, что мы можем воссоздать черную дыру, которая уничтожит планету. Плохой рекламы не бывает. Когда мы запускали БАК, по оценкам, миллиард человек смотрели ТВ (это было еще в те дни, когда люди смотрели ТВ), ожидая увидеть, что мы все будем уничтожены. Конечно, с нами ничего не случилось, поскольку эти черные дыры будут распадаться, как только появятся, но это заставило людей думать о фундаментальной физике. Мы ищем черные дыры, но пока ни одной не нашли. Лично я думаю, что будет здорово, если мы найдем несколько штук при перезапуске БАК в будущем году, потому что это открыло бы увлекательное окно в квантовую гравитацию.

Я хочу провести оставшуюся пару минут в обсуждении возможного будущего вселенной, и для этого мне потребуется устроить здесь мою экспериментальную установку. Это стакан воды, и я предлагаю вам думать, что вселенная сейчас здесь, в стакане, как и вода. Это нормальное состояние бозона Хиггса: электроны имеют массу, слабые взаимодействия слабы и т. д. Снаружи стакана то, что мы называем Большим сжатием, которое привело бы к концу нашей вселенной. Это нечто вроде Большого взрыва, только наоборот. Согласно квантовой механике, все на свете колеблется, как сейчас, когда я покачиваю этот стакан воды, и вода колеблется и даже может просочиться сквозь стенки. Но если я не буду болтать стакан слишком сильно, вода не просочится сквозь стекло. Согласно квантовой механике она может сделать это, но это займет невероятно долгое время.

Вопрос в том, насколько быстро космическая вода может просочиться через космическое стекло. В текущей ситуации это, скорее всего, займет очень много времени, но в ранней вселенной вода тряслась куда сильнее, и в этом случае вселенная могла расплескать космическую воду, и тогда нас бы здесь не было, потому что мы были бы снаружи, в том, что мы называем Большим сжатием. Можно решить эту проблему, постулировав новую физику, но для стандартной модели это потенциальная катастрофа.

Как избежать этого Большого сжатия? Можно не слишком трясти воду, но наблюдения фонового микроволнового излучения показывают, что было время, когда она болталась сильно. Или можно добиться, чтобы обод мексиканской шляпы не загибался вниз. Или можно представить некую странную новую физику, которая будет означать, что Большое сжатие никогда не случится. На данный момент мы не знаем, что из перечисленного происходит на самом деле.

Что мы действительно знаем, так это то, что если верить нынешним измерениям частицы Хиггса и t-кварка, получается, что мы находимся в том нестабильном режиме, когда вода может выплеснуться наружу в любой момент времени в течение ближайших 10¹⁰⁰ лет (для физика это момент) или около того. И это еще одна причина, по которой я думаю, что физика за пределами стандартной модели должна существовать, что мотивирует нас к поиску новых идей и частиц после перезапуска Большого адронного коллайдера.

Надеюсь, я убедил вас, что Большой адронный коллайдер не только самый мощный в мире микроскоп для изучения того, что происходит в самых глубинах вещества. В некотором смысле это еще и невероятно мощный телескоп, способный заглянуть в далекое прошлое, в те времена, когда вселенная была еще очень, очень молода и, в отличие от телескопов, смотрела далеко в будущее.

Стивен Хокинг
Квантовое создание вселенной

Я хочу поговорить о вселенной как о голограмме. Предполагаю, вы знаете, что голограмма – это представление трехмерного объекта на двумерной поверхности, такой как фотографическая пластинка. Меня предположительно изобразили голограммой в раннем эпизоде сериала «Звездный Путь: Новое Поколение». Я говорю «предположительно», потому что, хотя я и казался трехмерным на экранах звездолета «Энтерпрайз», телевизионные экраны того времени не были способны – и все еще неспособны – воспроизводить трехмерные голографические изображения. Это будет следующей технологической революцией. В том эпизоде я играл в покер с Исааком Ньютоном, Альбертом Эйнштейном и командующим Дейта. Посмотрим, что случилось. Из-за «красной угрозы» я не мог снять свой выигрыш в 140 федеральных кредитов. Я обратился в студию Paramount, но они не знали обменного курса.

Возвращаясь к вселенной. Ее история – это история трехмерного объекта, развивающегося во времени, так что он существует в четырех измерениях. Следовательно, он может быть представлен как голограмма на трехмерной поверхности. Можно подумать, что это должна быть поверхность с двумя пространственными измерениями и одним временным. Некоторое время назад я предложил, чтобы время трактовалось так же, как и направления в пространстве. Это можно сделать, введя мнимую временную координату, тау = i t.

Это называется Эвклидовым подходом, потому что при этом метрика пространства-времени становится положительной и определенной, как и метрика Эвклидова пространства. Сначала такой подход встретил массированное сопротивление, но сейчас это принимается как лучший метод понимания квантовой гравитации. Если время ведет себя как еще одно направление в пространстве, то четырехмерная история вселенной до настоящего времени – это четырехмерный диск радиусом, равным возрасту вселенной. История вселенной может быть представлена в виде голограммы на краях этого диска, которые в настоящее время представляют собой трехмерную поверхность. Другими словами, история вселенной закодирована в настоящем времени, что, может быть, и не так удивительно.

«Что Бог делал прежде, чем он сотворил вселенную? Он готовил ад для людей, которые задают такие вопросы». Блаженный Августин (Аврелий Августин Иппонийский)^[4].

В начале 1960-х шли большие дебаты касательно того, имела ли вселенная начало конечное время тому назад. Если да, то появлялся очевидный вопрос – а что было до появления вселенной? Как шутка. Альтернативная теория гласила, что вселенная существовала всегда, как верил Аристотель, поскольку нечто вечное более совершенно и поскольку это позволяло избежать неловких вопросов про творение.

Чтобы избежать начала вселенной, на котором ломалась физика, Хойл, Бонди и Голд предложили теорию устойчивого состояния. Согласно этой теории, вселенная существовала всегда, а чтобы ее плотность не менялась, вещество постоянно создается, по мере того, как она расширяется. Теория устойчивого состояния никогда не дружила с наблюдениями, но последний гвоздь в крышку ее гроба вбило обнаружение слабого микроволнового фона. Эти микроволны такие же, что в вашей микроволновой печи, но намного менее мощные. Они нагреют вашу пиццу только до –271,3 °C, и этого не хватит даже чтобы разморозить ее, не говоря уже о том, чтобы приготовить.

Между тем вы можете сами наблюдать эти микроволны. Включите аналоговый телевизор на пустой канал. Некоторый процент «снега» на экране будет вызван как раз этими фоновыми микроволнами. Теория устойчивого состояния никак не могла объяснить такой фон. Единственная разумная интерпретация состоит в том, что это излучение, оставшееся от раннего, очень горячего и плотного состояния вселенной. По мере расширения вселенной, это излучение остывало, пока не превратилось в слабый фон, который мы наблюдаем сейчас.

В теории устойчивого состояния было поле отрицательной энергии, что противоречит физике частиц, потому что это привело бы к безостановочному производству пар частиц с положительной и отрицательной энергией. Предполагая, что все поля имеют положительную плотность энергии, Роджер Пенроуз и я доказали, что если классическая общая теория относительности верна и имеют место определенные физически разумные условия, вселенная должна была начаться с сингулярности.

Сингулярность – это место, где уравнения поля классической общей теории относительности не могут быть определены. То есть, классическая общая теория относительности не может предсказать, как должна была начаться вселенная. Это был вывод, который порадовал папу Иоанна Павла II.

На конференции по космологии в Ватикане папа сказал делегатам, что можно изучать вселенную после ее начала, но в само начало исследовать не надо, потому что это момент творения и действие Бога. Я был рад, что он не знал о моем докладе на конференции с предположениями о том, как началась вселенная. Меня не привлекала судьба Галилея, переданного в руки инквизиции.

Многие современные космологи похожи на папу Иоанна Павла II. Они счастливы приложить законы физики к вселенной после ее начала, но про само начало они высказываются очень туманно. Но пока не сказано о том, что случается в начале вселенной, космология не имеет предсказательной силы. Все, что она может сказать, это что сейчас все такое как есть потому, что оно было таким, как было вскоре после начала.

Хотя классическая общая теория относительности предсказывает, что начало вселенной было сингулярностью, где сама эта теория оказывается неприменимой, мы знаем, что полная теория должна быть квантовой, как и теории других физических полей. Хотя у нас пока нет полной теории квантовой гравитации, верной для всех масштабов, у нас есть приближение, пригодное для практических целей. Оно основано на идее Ричарда Фейнмана о сумме по историям (или траекториям). Фейнман был колоритным персонажем, который играл на бонгах в стрип-баре в Пасадене и был блестящим физиком в Калтехе. Он предложил, что система переходит из состояния А в состояние Б каждым возможным путем или историей. Будет история, в которой Луна сделана из сыра, но ее амплитуда мала, и это плохая новость для мышей.

Каждый путь или история имеет определенную амплитуду или интенсивность, определяемую экспонентой от iS, где S – действие этой истории, а амплитуда системы, следующей из А в Б, определяется сложением амплитуд для каждого пути. Поскольку я использую Эвклидов подход, где время мнимо, экспонента от iS будет заменена экспонентой от – S. Обычно доминирующие вклады в суммарную амплитуду вносят истории, близкие к той, которая удовлетворяет классическим уравнениям поля. Тогда эти доминирующие вклады будут пропорциональны экспоненте от —S, где S – действие решения классических уравнений поля.

В случае с вселенной, ее состояние определяется волновой функцией или амплитудой для каждой геометрии поверхности, соответствующей фиксированному моменту времени, и материальными полями на этой поверхности. Для простоты я рассмотрю во вселенной поверхности постоянного времени, представляющие собой круглые 3-сферы радиуса b, а вещество представлю как одно поле φ, имеющее величину χ на поверхности постоянного времени. Волновая функция вселенной, ψ, тогда будет функцией b и χ. Волновая функция вселенной при заданном радиусе и поле вещества определяются сложением амплитуд всех историй, заканчивающихся этим состоянием. Но как начинались эти истории? Это вопрос о начале вселенной, просто он задан в другой форме. Необходим ли творец, чтобы определить, как началась вселенная? Или же изначальное состояние вселенной определяется законами науки?

Чтобы ответить, как начались истории вселенной, мы с Джимом Хартлом предложили, как мы это назвали, гипотезу об отсутствии границ. Она говорит, что Эвклидово пространство-время несингулярно везде, даже в начале. Это как поверхность Земли, только с еще двумя измерениями.

Проблема того, что случается в начале времени, немного похожа на вопрос о том, что случается на краю света, который люди задавали, когда думали, что мир плоский. Мир плоский, как тарелка, и море переливается через край? Я проверил это экспериментально. Я поездил по миру и с края не свалился.

Как мы все знаем, вопрос о том, что происходит на краю света, был решен, когда люди поняли, что мир не плоская тарелка, а искривленная поверхность. Можно представить, что поверхность Земли начинается в точке на Южном полюсе. По мере продвижения к северу размер кругов широты увеличивается. В соответствии с гипотезой об отсутствии границ евклидова история вселенной выглядит примерно так же. При возрастании мнимого времени три сферы постоянного мнимого времени становятся больше. Спрашивать, что было до начала вселенной, будет бессмысленно, потому что нет ничего южнее Южного полюса. Мнимое время, измеренное в градусах широты, будет начинаться на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки; по крайней мере, мне так говорили. Сам я бывал в Антарктике, но не на Южном полюсе.

На Южном полюсе действуют те же законы природы, что и в других местах. Это убирает древнее возражение против того, чтобы вселенная имела начало, где обычные законы не работают. Начало вселенной управляется законами науки.

Действие S истории состоит из двух частей. Первая определяется формой истории, другими словами, ее гравитационной энергией. Вторая – полем вещества, φ. Вклад поля вещества будет включать потенциал V – плотность энергии, которую имело бы поле вещества, если бы оно было постоянно. Для простоты я приму, что поле вещества – это скалярное поле массы, m.

Продолжая аналогию с поверхностью Земли, истории, которые удовлетворяют классическим уравнениям поля, будут определяться φ0, величиной поля вещества на Южном полюсе. Можно нарисовать радиус b 3-сферы постоянного времени и поле вещества φ как функцию мнимого времени π в отдалении от Южного полюса. Для действительных значений мнимого времени π истории будут отрицательно искривлены, как анти-деСиттеровское пространство. Существует расширяющаяся вселенная, дуальная к этому отрицательно искривленному пространству, получаемая при мнимом значении радиуса вселенной. Согласно гипотезе об отсутствии границ, это соответствует созданию реального пространства-времени из ничего.

Если φ0, величина поля вещества на Южном полюсе, была очень велика, ранняя вселенная должна была пройти через период так называемой «вечной инфляции», за который ее размеры увеличились очень сильно, так, как растут цены. Квантовые флуктуации поля φ будут противодействовать тенденции к его уменьшению. Со временем флуктуации φ сократятся до уровня ниже порога вечной инфляции и вселенная переключится в состояние, называемое вялотекущей инфляцией, при которой она расширяется почти экспоненциально.

Мировой рекорд инфляции был установлен в Германии после Первой мировой войны. За 18 месяцев цены выросли в 10 миллионов раз. Но это была ерунда по сравнению с инфляцией в ранней вселенной. Вселенная расширилась в миллион триллионов триллионов раз за мельчайшую долю секунды. В отличие от инфляции цен, инфляция в ранней вселенной была очень хорошей вещью. Она создала очень большую и равномерную вселенную, которую мы и наблюдаем сейчас.

В период инфляции поле вещества φ медленно меняется, уменьшая свой потенциал V. Можно представить это поле как медленно катящееся с холма, и это называется вялотекущей инфляцией. В этом случае скорость расширения вселенной H почти постоянна, но медленно снижается. Инфляция заканчивается, когда поле φ подходит к минимуму потенциала и начинает осциллировать вокруг него. Тогда энергия поля φ конвертируется в горячую плазму других частиц, и вселенная, как говорится, разогревается.

С другой стороны, если величина φ0 невелика, вселенная не станет расширяться, но за крошечную долю секунды сколлапсирует в сингулярность. Квантовая гравитация предрекает множество возможных историй и множество возможных состояний в последующее время – то есть во время вроде нашего, много позже их сотворения. Многие из этих состояний сильно непохожи на вселенную, которую мы наблюдаем, и совсем непригодны для существования любых форм жизни. Лишь немногие позволяют существовать существам вроде нас. Таким образом, мы выхватываем из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. Хотя мы ничтожны и незначительны по космическим масштабам, это делает нас своего рода хозяевами творения.

Недавние измерения поля Хиггса говорят о высокой вероятности того, что оно не может находиться в нижнем энергетическом состоянии. В таком случае это поле находится в состоянии ложного вакуума. Оно может распасться до истинного вакуума за счет формирования пузыря истинного вакуума квантовыми флуктуациями. Этот пузырь будет расширяться со скоростью света. Мы не увидим его приближения. Но если он достигнет нас, мы будем уничтожены. К счастью, вероятное время жизни ложного вакуума больше возраста вселенной.

Хотя инфляция производит вселенную, которая почти одинакова везде и по всем направлениям, будут и локальные неоднородности, произведенные квантовыми флуктуациями. Возмущения гомогенной и изотропной вселенной бывают двух видов. Есть скалярные возмущения, которые соответствуют колебаниям плотности и скорости расширения, и тензорные возмущения, которые соответствуют гравитационным волнам.

Оба вида возмущений имеют общую причину. В основе у них тот же механизм, что и у так называемого излучения Хокинга, исходящего от горизонтов черных дыр, которое я предсказывал некоторое время назад, – только в этом случае оно идет от космологического горизонта, за которым события не наблюдаются, сколько ни жди. Излучение из-за космологического горизонта имеет температуру H/2π, где H – скорость расширения вселенной.

Хотя флуктуации плотности и гравитационные волны имеют общее происхождение как тепловые флуктуации в очень ранней вселенной, есть важная разница. Скалярные возмущения плотности вызваны квантовыми флуктуациями в поле вещества φ, которые будут сдвигать поверхности постоянных φ с тех мест, где они должны были бы быть. В то же время гравитационные волны не зависят от φ, но появляются непосредственно как флуктуации в расширяющейся вселенной, с температурой H/2π.

Следовательно, тензорные возмущения в этом случае будут слабее скалярных на коэффициент r = 1, деленное на парциальное V и на парциальное φ. Эти скалярные возмущения впервые были рассчитаны во время рабочего совещания, которое я проводил в Кембридже в 1982 году.