Борис Штерн - Прорыв за край мира

А теперь позвольте автору после длинного напряженного экскурса к пределу физического мира слегка повеселиться. Если бы я был теологом, я бы сделал карьеру на теории, что Бог в распределенном виде обитает на планковских масштабах, в этой пространственно-временной пене. Он там принимает коллапсирующие вселенные и звезды, испускает новые вселенные с разными свойствами -с будущими наблюдателями и без оных — и надежно прячется от физиков-теоретиков за непрошибаемыми проблемами теории квантовой гравитации. Ниже обсуждается то, что он там, может быть, делает еще одну очень важную вещь — играет в кости (Эйнштейн заявлял по поводу вероятностной интерпретации квантовой механики: «Бог не играет в кости!»). Действительно, физики с каким-нибудь надежным математическим аппаратом туда еще не скоро доберутся, чтобы показать, как это всё работает без Бога. Поэтому подобной карьере в обозримом будущем ничего не грозит. Правда, боюсь, что я уже опоздал с такой идеей…

Явления фазовых переходов хорошо известно всем из повседневной жизни: испарение и замерзание воды, плавление олова. Из менее повседневных явлений — возникновение сверхпроводимости, появление ферромагнетизма при остывании металла.

Вселенная тоже испытывала фазовые переходы в своей ранней истории. Явления, о которых рассказывается в этой главе, лежат немного в стороне от главного сюжета книги. Но без рассказа о них космология для читателя сильно потеряет в своей выразительности.

Вселенная сразу после Большого взрыва очень быстро остывала и расширялась. Был ли этот процесс гладким? Конечно, нет. Какие-то частицы исчезали, аннигилируя со своими античастицами. В какие-то моменты нарушалось и потом восстанавливалось термодинамическое равновесие. В какой-то момент образовался маленький избыток барионов над антибарионами (напомним, барион — частица, состоящая из трех кварков, стабильными барионами являются протон и нейтрон в ядре). Благодаря этому не все барионы проаннигилиро-вали с антибарионами, и через миллиарды лет во Вселенной стало можно жить. И, самое главное, менялся вакуум — с ним происходили фазовые переходы, вполне похожие на фазовые переходы в веществе.

Картина этих фазовых переходов, правда, не столь проста и не во всех случаях надежно установлена. Попытаемся пройтись по ранней истории Вселенной в направлении к самому ее началу.

Последний фазовый переход — это рекомбинация — от плазмы к нейтральному газу. Это обычный фазовый переход вещества, он (в отличие от более ранних переходов) не связан с перестройкой вакуума. Напомним, что произошел он через 380 тыс. лет после рождения Вселенной.

Предыдущий фазовый переход случился в первые доли секунды при температуре Вселенной около 200 МэВ. Именно тогда возникли протоны и нейтроны, из которых ныне состоит наш мир. До этого существовали лишь свободные кварки и глюоны, составлявшие вместе с электронами, мюонами, фотонами и нейтрино газ релятивистских частиц. По мере остывания кваркам оказалось выгодно объединиться в тройки. Так устроены сильные взаимодействия: их источником является так называемый «цветовой» заряд. Термин «цвет» введен потому, что этот заряд «трехзначен»: удобно назвать состояния заряда «красный», «зеленый» и «синий» — тогда их комбинация будет «белой» — нейтральной. Именно поэтому кварки объединились по три, чтобы дать нейтральные по цвету капельки, известные нам как протоны и нейтроны, — так стало энергетически выгодно с падением температуры. На языке физики частиц это явление называется «кон-файнмент» (пленение, удержание).

Точнее, фазовый переход от газа кварков к нуклонам был не фазовым переходом, а кроссовером. Разница хорошо видна на обычной фазовой диаграмме воды. Четкая линия, разделяющая воду и пар, заканчивается в критической точке. Пересечение этой линии есть классический фазовый переход. Но путь от воды к пару может обходить критическую точку сверху, как показано на рисунке, тогда никаких резких скачков не происходит и всё меняется плавно.

Рис. 16.1. Фазовая диаграмма воды

В случае с фазовым переходом к конфайнменту привыкли рисовать фазовую диаграмму, поменяв оси и используя плотность кварков вместо давления:

Рис. 16.2. На этой диаграмме трек в ранней Вселенной проходит намного левей критической точки. Данный фазовый переход пытаются смоделировать в лаборатории — на ускорителях тяжелых ионов (как ни удивительно, с хорошими шансами на успех).