Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли
Мы близки к моменту, когда произошло последнее, вероятно самое важное, превращение, предопределившее ее судьбу.
Покончив с эйфорией инфляции, Вселенная продолжила расширяться, к чему ее принуждала кипевшая внутри энергия. Увеличиваясь в размерах, Вселенная остывала, вступая при этом в реакции, которые основательно меняли ее динамику.
Мы уже приближаемся к стомиллиардной доле секунды после Большого взрыва, и начиная с этого момента происходящее становится значительно более ясным. После того как мы открыли бозон Хиггса и определили его массу, в этой части истории осталось мало секретов.
Новорожденная Вселенная уже впечатляет. Она достигла значительного размера в миллиард километров, и внезапно, когда ее температура упала ниже порогового значения, бозоны Хиггса, которые до этого мгновения свободно перемещались, замерзли и кристаллизовались. При таких температурах, ниже температуры замерзания, они не могли уцелеть и вынуждены были скрываться в комфортабельных усыпальницах вакуума. Потребуется немало терпения для того, чтобы они снова появились. Пройдет 13,8 миллиарда лет, прежде чем где-то на планете Земля кому-то удастся достичь в столкновениях частиц достаточной энергии, чтобы вернуть бозоны Хиггса к жизни, да и то лишь на долю секунды, однако этого времени им хватило, чтобы оставить недвусмысленные следы своего присутствия.
Ассоциированное с ними поле приобрело определенное значение, и сразу радикально изменились свойства вакуума. Из-за этого многие элементарные частицы оказались подвержены сильному взаимодействию и потому замедлились, то есть обрели массу; остальные частицы, которых не коснулась эта перемена, продолжили свое движение со скоростью света.
Поле Хиггса нарушило совершенную симметрию, характеризовавшую первичную Вселенную, и слабое ядерное взаимодействие окончательно отделилось от электромагнитного. Некоторые элементарные частицы оказываются настолько тяжелыми, что становятся нестабильными и подталкивают Вселенную к быстрому охлаждению. Остальные, хотя и приобрели массу, остаются легкими, и это их свойство будет фундаментальным, чтобы они могли объединяться, организовываясь в довольно специфическое вещество.
Новая сущность – поле Хиггса, – действуя деликатно, строит разнообразие, следуя всего одному простому и ясному правилу. Элементарные частицы как будто увязли в этом поле, по-разному взаимодействуя с ним, и разная интенсивность этого взаимодействия привела к тому, что у них в результате оказались непоправимо разные массы. Эту тонкую операцию поле Хиггса проводит, почти как Демиург из “Тимея” Платона – первый мастер, умевший при помощи чисел придать динамику и жизнеспособность до тех пор бесформенной и безжизненной материи.
Все теперь будет рождаться от этого деликатного толчка, навсегда изменившего природу вещей. Но не будем забегать вперед. Пока еще только заканчивается второй день, прошло всего 10–11 секунды.
Песнь Нарцисса
Рассматривая эту картину в первый раз, трудно не поддаться очарованию изображенного на ней совершенного круга, содержащего две фигуры: склонившегося над водой изящно одетого мальчика и восхитившего его до экстаза собственного отражения. Решение, найденное Караваджо для пересказа мифа о Нарциссе, просто гениально. Это одна из самых известных метаморфоз Овидия: о прекрасном юноше, который, после того как он отверг любовь нимфы Эхо, был осужден полюбить того, кем никогда бы не смог обладать, – себя самого. И юноша протягивает левую руку к своему отражению в воде в надежде коснуться любимого, но все, что он может, – это намочить в воде палец. Замкнутый круг лишь подчеркивает совершенную зеркальную симметрию, объединяющую обе фигуры.
Эта знаменитая картина из палаццо Барберини в Риме – один из тех шедевров, в которых для рассказа о красоте использовали симметрию.
Буквальное значение исходного греческого слова συμμετρία – “в соответствующих размерах” – напоминает нам о таких понятиях, как пропорциональность и гармония, которые занимали столько места в эстетических и философских учениях античности. Для древних греков и римлян произведению искусства, чтобы считаться красивым, следовало обладать симметрией, а его элементам и объемам – быть связанными определенными математическими пропорциями.
Центральная симметрия, определяющая правильность формы сплетенной пауком паутины или лучей морской звезды, широко использовалась в классическом мире – достаточно вспомнить Пантеон или храм Геркулеса Непобедимого на Пьяцца-Бокка-делла-Верита в Риме.
Современное понимание симметрии, для поддержания традиции предполагающее повторение форм и фигур при их трансляции или поворотах, – значительно более позднее приобретение. Из этого более позднего понимания родились жемчужины Возрождения: купол собора Святого Петра Микеланджело или шедевр Браманте – Темпьетто в Сан-Пьетро-ин-Монторио.
Современные представления о симметрии сделали возможной математическую формализацию, нашедшую много приложений в науке. В частности, для физики симметрия – это не только некое свойство, подразумевающее регулярность и красоту пропорций. Она превратилась в настоящий действенный инструмент, позволяющий открывать новые законы природы. И случилось это главным образом благодаря Амалии Эмми Нёттер – возможно, величайшему математику в истории.
На долю молодой немецкой исследовательницы выпало много невзгод, прежде чем она смогла поступить в университет. Она была неоплачиваемой и мало ценимой сотрудницей, когда в 1918 году смогла сформулировать утверждение, изменившее весь ход развития современной физики. Теорема Нёттер гласит, что всякая непрерывная симметрия законов физики связана с каким-то из законов сохранения, то есть с какой-то измеримой физической величиной, которая остается инвариантной.
Наиболее известные примеры относятся к сохраняющимся величинам в классической механике и соответствующим симметриям. Если законы движения какой-то системы не изменяются при поступательном движении системы отсчета – то есть для этих законов выполняется пространственно-трансляционная симметрия, – тогда сохраняется количество движения; если же они остаются инвариантными при трансляции вдоль оси времени, то сохраняется энергия; то же при вращениях – сохраняется угловой момент; и так далее.
В современной физике эти отношения между симметриями, преобразованиями и сохраняющимися физическими величинами получили обобщение. Инвариантность какого-либо физического свойства в системе отсчета, подвергнутой каким-либо преобразованиям, позволит обнаружить и формализовать отношения, которые заложат основу для нового понимания материи. Именно так и родятся принципы сохранения физических величин со странными названиями, которые станут со временем решающими для понимания мельчайших компонентов материи: странность, изоспин, лептонное число и так далее.
Концепция симметрии окажется самой общей, будут говорить о симметрии непрерывной или дискретной, локальной или глобальной, точной или приближенной – все они окажутся фундаментальными инструментами для познания динамики элементарных частиц и их полей. Без вклада Эмми Нёттер все это было бы невозможно.
Кульминацией этих усилий станет создание Стандартной модели элементарных частиц – монументальной конструкции, предоставляющей
