Розділ без назви (35)

…бо минає стан світу цього.

1 до Коринтян 7:31

Упродовж більшої частини моєї кар’єри мої власні дослідження були зосереджені на новій галузі космології, яка зветься астрофізикою елементарних частинок. Після зливи теоретичних здобутків 1960—1970-х років земні експерименти, обмежені нашою здатністю споруджувати складні машини на кшталт прискорювачів частинок, ледве-ледве за ними встигали. Унаслідок цього дехто з нас звернувся за порадами до всесвіту. Оскільки з теорії Великого вибуху випливає, що попервах усесвіт був розпеченим та густим, тодішні умови неможливо відтворити в земних лабораторіях. Проте якщо підійти до справи з розумом, можна пошукати залишкові сигнатури тих ранніх часів у космосі й дістати змогу перевірити наші ідеї, що стосуються навіть найезотеричніших аспектів фундаментальної фізики.

Попередня моя книга «Всесвіт із нічого» описувала революції в нашому розумінні еволюції всесвіту на великих масштабах і впродовж тривалих періодів часу. Наші дослідження не лише виявили існування темної матерії, яка, як уже було описано вище, скоріш за все, складається з нових елементарних частинок, яких досі не зафіксовано в прискорювачах (хоча ми, можливо, наблизилися впритул до цього), а й значно екзотичніші речі, а саме що основна енергія всесвіту міститься в порожньому просторі й на цей момент ми й гадки не маємо, звідки вона виникає.

Нині наші спостереження повернули нас у часи немовлячого віку нашого всесвіту. Ми зафіксували найдрібніші подробиці радіації, яка зветься реліктовим мікрохвильовим фоновим випромінюванням, яке бере свій початок від часів, коли всесвіту було лише триста тисяч років. Наші телескопи повертають нас у часи найперших галактик, які сформувалися приблизно через мільярд років після Великого вибуху, і дають нам можливість картографувати велетенські космічні структури, які містять тисячі галактик та простягаються на мільйони світлових років, розкидані тут і там посеред приблизно сотні мільярдів галактик у видимому всесвіті.

Для пояснення всього цього теоретики спираються на ідею, що виникла завдяки розвитку теорій Великого об’єднання. 1981 року Алан Гут збагнув, що фазовий перехід, який спричиняє порушення симетрії й може мати місце на ТВО-масштабі, одному з початкових масштабів усесвіту, може не бути ідентичним фазовому переходу, який порушує симетрію між слабкою взаємодією та електромагнетизмом. У випадку ТВО БХ-подібне поле, що конденсується в просторі задля порушення ТВО-симетрії між сильною й електрослабкою силами, може на мить застигнути в метастабільному високоенергетичному стані, перш ніж повернутися у врівноважений стан своєї остаточної конфігурації. Перебуваючи в цій конфігурації «лжевакууму», це поле зберігатиме енергію, яка вивільниться тоді, коли поле зрештою повернеться у врівноважений стан своєї преференційної найменш енергетичної конфігурації.

Ця ситуація вельми нагадує те, що могло трапитися з вами, якщо вам колись доводилося планувати велику вечірку, а тоді забути вчасно поставити пиво в холодильник. Тоді ви ставите пиво в морозильник, проте в ході вечірки забуваєте про нього. Наступного дня ви знаходите пиво, відкриваєте пляшку і — бабах! — пиво в пляшці зненацька замерзає та розширюється, розбиваючи скло й спричиняючи страшенний гармидер. Поки кришку не знято, пиво перебуває під великим тиском, а за цього тиску й температури пиво рідке. Але щойно ви знімаєте кришку та знижуєте тиск, пиво раптово замерзає. Під час цього фазового переходу, у ході якого пиво переходить у новий, урівноважений стан, вивільняється достатня кількість енергії, щоб крига, яка розширюється, розбила пляшку.

Тепер уявіть собі аналогічну ситуацію в холодному кліматі. Свіжого та дощового зимового дня температура може швидко впасти нижче від точки замерзання, примушуючи дощ змінитися снігом. А от калюжі води на вулиці можуть замерзнути не одразу, тим паче якщо їх постійно збурюють колеса машин. Пізніше, коли рух стає менш жвавим, вода може раптово замерзнути, спричиняючи появу на дорозі небезпечної чорної криги. Через попереднє збурення машинами та швидке зниження температури вода застрягає в «метастабільній фазі», себто у вигляді рідини. Утім, урешті-решт відбувається фазовий перехід, і формується чорна крига. Оскільки за таких низьких температур преференційним найменш енергетичним станом води є твердий, то в результаті замерзання рідина вивільняє надмірну енергію, яку зберігала в метастабільному рідкому стані.

Гут задумався, що сталося б у ранньому всесвіті, якби така поведінка мала місце під час переходу, описаного ТВО, себто якби яке б не було скалярне поле, котре для цього переходу грає роль поля Хіггса, залишилося б на короткий час у початковому основному стані, що зберігає симетрію, навіть попри охолодження всесвіту нижче від точки, у якій преференційним стає новий конденсований основний стан, який симетрію порушує. Гут збагнув, що цей тип енергії, який це поле зберігало в просторі до завершення переходу, буде відштовхуватися гравіта­цією. Унаслідок цього всесвіт різко розшириться (можливо, у гігантську кількість разів, на двадцять п’ять порядків чи більше) за мікроскопічно короткий час.

Далі Гут відкрив, що цей період стрімкого розширення, яке він назвав роздуттям, здатен розв’язати кілька наявних парадоксів, пов’язаних із картиною Великого вибуху, зокрема пояснити, чому всесвіт на великих масштабах настільки однорідний та чому тривимірний простір на великих масштабах виглядає настільки близьким до геометричної пласкості. Без роздуття відповісти на ці запитання, схоже, неможливо. Перша проблема розв’язується, оскільки впродовж стрімкого розширення будь-які початкові неоднорідності розгладжуються, точно як зморщена повітряна кулька стає гладенькою, коли її надувають. Якщо розвинути цю аналогію, то поверхня кульки, надутої дуже сильно, скажімо, до розмірів земної кулі, виглядатиме дуже пласкою, точно як Канзас. Цей феномен, який породжує двовимірне сприйняття Землі, поширюється й на тривимірну кривизну простору як такого. Після роздуття простір здаватиметься пласким; якщо точніше, він виглядатиме як усесвіт, у якому, на думку більшості з нас, ми вже й так живемо, де паралельні лінії не перетинаються, а осі x, y та z в усіх точках усесвіту вказують у тих самих напрямках.

Після роздуття енергія, що зберігалась у просторі в лжевакуумному стані, вивільниться, породжуючи елементарні частинки та повторно нагріваючи всесвіт до високої температури, створюючи таким чином природну й реалістичну початкову умову подальшого стандартного гарячого розширення в рамках Великого вибуху.

Мало того, через рік після того, як Гут запропонував свою картину, кілька груп здійснили обрахунки, що сталося б із частинками й полями під час стрімкого розширення всесвіту в процесі роздуття. Вони відкрили, що незначні неоднорідності, спричинені квантовими ефектами ранніх часів, під час роздуття «заморозяться». Після роздуття ці незначні неоднорідності розростуться й утворять галактики, зірки, планети тощо й також залишать відбиток на реліктовому мікрохвильовому фоновому (РМФ) випромінюванні, який точно відповідає пізніше встановленій закономірності. Проте, використовуючи різні моделі роздуття, можемо одержати різні передбачення РМФ-анізотропій (на цьому етапі роздуття є радше моделлю, аніж теорією, а оскільки експериментально не встановлено існування якогось одного унікального ТВО-переходу, допустимі й багато різних варіантів).

На основі роздуття було зроблене ще одне захопливе та більш однозначне передбачення. Упродовж періоду стрімкого розширення в просторі виникатимуть брижі, що називаються гравітаційними хвилями. Ці брижі спричинятимуть появу в РМФ іще однієї характерної сигнатури, яку можна спробувати віднайти. 2014 року команда експерименту BICEP оголосила про виявлення сигналу, ідентичного передбаченому. Це спричинило неабиякий ажіотаж у спільнотах як космологів-теоретиків, так і космологів-спостерігачів. Ми разом із Френком Вільчеком написали статтю, яка вказувала не лише на те, що таке спостереження вказуватиме на масштаб порушення симетрії, який точно відповідатиме масштабу порушення ТВО-симетрії в моделях із суперсиметрією, а й на те, що таке спостереження однозначно засвідчить, що на малих масштабах гравітація має бути квантовою теорією, тож пошуки квантової теорії гравітації не є марними.

Проте, на превеликий жаль, оголошення команди BICEP виявилося передчасним. Подібний сигнал могли породити інші фонові випромінювання нашої галактики, і на час написання цих рядків за відсутності однозначних підтверджень роздуття чи квантової гравітації ситуація досі виглядає непевною.

Зовсім нещодавно, між завершенням першого чорнового варіанта та остаточної редакції цієї книги, неймовірний набір детекторів під назвою Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), що в Генфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана, зробив перше переконливе безпосереднє відкриття гравітаційних хвиль. LIGO — неймовірна й амбітна машина. Для виявлення гравітаційних хвиль, випромінюваних у результаті зіткнення чорних дір у віддалених галактиках, експериментатори повинні були навчитися виявляти коливальну різницю довжин двох чотирикілометрових перпендикулярних рукавів детекторів із точністю до однієї тисячної частки розміру протона — це все одно, що виміряти відстань між Землею та найближчою зіркою після нашого Сонця, а саме Альфою Центавра, з точністю до ширини людської волосини!

Яким би разючим не було відкриття гравітаційних хвиль у LIGO, зафіксовані нею хвилі спричинені віддаленим астрофізичним зіткненням, а не першими миттєвостями Великого вибуху. Проте успіх LIGO є провісником побудови нових детекторів, тож саме гравітаційно-хвильова астрономія, скоріш за все, стане астрономією ХХІ століття.

Якщо в цьому чи наступному столітті наступники LIGO чи BICEP зможуть безпосередньо виміряти сигнатуру гравітаційних хвиль, спричинених роздуттям, нам відчиниться вікно у фізику всесвіту на той час, коли йому ще не виповнилося мільярд мільярдів мільярдної частки секунди. Це дасть нам змогу безпосередньо перевірити наші ідеї роздуття та Великого об’єднання, і, ймовірно, навіть проллє світло на можливість існування інших усесвітів, перетворивши на фізику те, що нині належить до метафізики.

Утім, на сьогодні роздуття є лише гарно обґрунтованою пропозицією, яка, схоже, природним чином розв’язує більшість основних загадок космології. Проте тоді як роздуття лишається єдиним неемпіричним теоретичним кандидатом на пояснення основних спостережуваних рис нашого всесвіту, воно спирається на існування нового та суто службового скалярного поля, цілеспрямовано винайденого задля спричинення роздуття й тонко налаштованого так, щоб спричиняти його точно тоді, коли ранній усесвіт тільки-но почне охолоджуватися після Великого вибуху.

До відкриття частинки Хіггса ці роздуми були в найкращому випадку правдоподібними. За відсутності хоч одного відомого прикладу фундаментального скалярного поля припущення, що порушення симетрії в рамках Великого об’єднання може бути наслідком іще одного простого БХ-подібного механізму, було екстраполяцією, вибудуваною на ненадійній основі. Як уже описано вище, відкриття W- та Z-частинок зробило очевидним порушення електрослабкої симетрії. Проте це просте поле Хіггса могло бути казковим замінником якогось значно складнішого та, імовірно, значно цікавішого базисного механізму.

Нині все змінилося. Бозон Хіггса існує, а відповідно, існує й фонове скалярне поле, яке нині пронизує весь простір усе­світу, надаючи масу частинкам та породжуючи характеристики всесвіту, який ми здатні населяти. Якщо теорія Великого об’єднання справді існує й поєднує всі три сили в одну десь близько до початку часів, тоді мало відбутися якесь порушення симетрії, лише після якого три відомі негравітаційні сили почали відрізнятися своїм характером. Бозон Хіггса засвідчує, що порушення симетрії в законах природи може відбутися внаслідок конденсації скалярного поля в просторі. Тож залежно від подробиць роздуття стає значно природнішим та потенційно універсальним варіантом. Як пожартував мій колега Майкл Тернер, мавпуючи тодішнього голову ради керівників Федеральної резервної системи США Алана Грінспена, «періоди роздуття неминучі».