Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Русский физик и диссидент Андрей Сахаров (1921-98) подошел к основным принципам в 1965 г., но остановился перед механизмом их обеспечения. Он показал, что должны быть выполнены три условия. Одним из них было существование процессов, не сохраняющих число адронов, в том смысле, что адроны (например, протоны) могут превращаться в лептоны (например, позитроны). Вторым было то, что CP-симметрия должна нарушаться (C обозначает конфигурацию зарядов, P — четность, см. главу 6). Третьим было то, что события должны происходить достаточно медленно, чтобы равновесие могло нарушиться: нарушение равновесия, случившееся в некоторый момент, должно остаться вмороженным во Вселенную, быстро эволюционирующую в будущее.

Мы теперь знаем, что предполагаемая теория великого объединения, обсуждавшаяся в главе 6, устраняет различие между адронами и лептонами, поэтому при достаточно высоких температурах (больше температуры, необходимой для нарушения симметрии, создающего различие между частицами) адроны и лептоны могут превращаться друг в друга. Мы можем представлять себе это превращение как действие сил некоторого вида, которые заставляют адроны становиться лептонами. Эти превращения, будучи силой, обеспечиваются — как и любая сила — путем обмена калибровочными бозонами. Поскольку теория великого объединения в полном оперении еще не сформулирована, у нас немного информации о свойствах этих переносящих силу частиц, и сегодня они называются просто X калибровочными бозонами . Однако мы знаем, что, поскольку X вызывает переход между адроном и лептоном, он сможет распасться на позитрон и анти- d -кварк. Подобным же образом, античастица для X, анти-Х, может распасться на электрон (античастицу позитрона) и d -кварк. Если скорости этих распадов немного различаются, то возникнет небольшой дисбаланс вещества и антивещества, даже если первоначально количества X и анти-Х были равными. Вот где вступает в дело нарушение CP-симметрии, поскольку оно может несколько повысить скорости таких процессов. Мы видели, что нарушение CP-симметрии эквивалентно исчезновению инвариантности относительно обращения времени, в том смысле, что процессы, текущие назад, отличаются от процессов, текущих вперед во времени, и эта кособокость Вселенной во времени действительно зарегистрирована. Теперь считается, что преобладание вещества над антивеществом является проявлением кособокости Вселенной. Почему Вселенная кособока, никто не знает. Возможно, кособока только наша Вселенная, а мультикосмос как целое — если он один — может быть вполне симметричен.

Оставшейся проблемой является причина трехмерности нашего пространства. Первый намек на возможное объяснение начинает возникать из теории струн. Мы подозрительно упорно умалчивали в этой главе о теории струн, если не считать слабого проблеска ее присутствия в сносках, главным образом потому, что она все еще так спекулятивна. Однако существуют некоторые указания на то, что теория струн приложима к очень ранним стадиям появления Вселенной — как оно и должно быть, если это фундаментальная теория вещества — и что в самый ранний момент Вселенной произошел не взрыв частиц, а взрыв струн: взрыв спагетти, а не манной крупы. Например, мы видели, что в очень ранние времена, а значит, при очень высокой температуре, перед тем как произошло нарушение симметрии, все силы имели одинаковый уровень. Но это не вполне верно, поскольку оказывается, что если вычисления проделаны тщательно, то уровни гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействий в очень ранней Вселенной, в первое тиканье планковских часов, не вполне совпадают (рис. 8.11). Однако, когда в игру вступает теория струн, это малое расхождение удаляется, и силы в момент их рождения оказываются в точности равными.

Рис. 8.11.В главе 6 мы видели, что фундаментальные силы сходятся к общей величине, когда мы подходим к моменту (и температуре) Большого Взрыва. Это не вполне верно, поскольку в течение очень короткого времени между ними имеется небольшое различие. Если обратиться к теории струн, это расхождение, по-видимому, исчезает.

Мы видели, что одной из очаровательных черт теории струн является то, что она предполагает существование у Вселенной десяти измерений (одиннадцати, включая время), но семь из них свернуты в пространства Калаби-Яу, со струнами, продетыми в многомерные дырки этих пространств. Мы можем представлять себе струны намотанными в одном направлении, а антиструны намотанными в противоположном направлении. Когда струна и антиструна встречаются, они аннигилируют, поэтому мы можем нарисовать себе десятимерное пространство с извивающимися струнами и антиструнами, аннигилирующими при встрече. Там где встречи не происходит, струны удерживают пространство от развертывания, так же как реальные струны, закрученные вокруг бумажной трубки.