Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение

Ученые обнаружили новую особенность фазовых переходов: как правило, они сопровождаются нарушением симметрии. Нобелевскому лауреату Абдусу Саламу нравится следующий пример: представьте себе круглый обеденный стол, за которым сидят гости, и у каждого – по обеим сторонам стоят бокалы шампанского. Здесь есть симметрия. Посмотрев на отражение того же обеденного стола в зеркале, мы увидим то же самое: гости сидят вокруг стола, у каждого гостя по обеим сторонам стоят бокалы с шампанским. Подобным образом мы можем повернуть круглый обеденный стол, и расположение объектов останется тем же самым.

А теперь нарушим симметрию. Предположим, что первый гость берет бокал, стоящий справа от него. Следуя обычаю, все остальные гости берут бокалы с шампанским, стоящие справа от них. Отметим, что в зеркале ситуация будет выглядеть иначе: каждый гость возьмет бокал, стоящий слева от него. Значит, лево-правая симметрия нарушена.

Еще один пример нарушения симметрии заимствован из старинной сказки. Ее героиня, принцесса, оказалась в ловушке на вершине гладко отполированного хрустального шара. Никакие решетки не ограничивают ее свободу, но принцесса остается пленницей, потому что, стоит ей пошевелиться, как она соскользнет с шара и погибнет. Множество принцев пытаются спасти принцессу, но не могут взобраться на шар, потому что он слишком гладкий и скользкий. Это пример нарушения симметрии. Находясь сверху на шаре, принцесса пребывает в состоянии абсолютной симметрии. Для шара нет предпочтительного направления. Можно повернуть шар под любым углом, и ситуация не изменится. Но любое ошибочное движение в сторону от центра приведет к падению принцессы и нарушению симметрии. К примеру, если она упадет в сторону запада, нарушится симметрия вращения. Так выбирается западное направление.

Таким образом, состояние максимальной симметрии тоже часто является нестабильным, значит, соответствует ложному вакууму. Истинный вакуум соответствует падению принцессы с шара. А фазовый переход (падение с шара) – нарушению симметрии (выбору западного направления).

Что касается теории суперструн, физики полагают (пока бездоказательно), что изначальная десятимерная Вселенная была нестабильной и туннелировала в четырех– и шестимерную вселенную. Таким образом, эта исходная Вселенная находилась в состоянии ложного вакуума и максимальной симметрии, а сегодня мы пребываем в нарушенном состоянии истинного вакуума.

Напрашивается тревожный вопрос: что произошло бы, если бы на самом деле наша Вселенная не находилась в состоянии истинного вакуума? Что произойдет, если суперструна лишь на время выберет нашу Вселенную, а истинный вакуум находится среди миллионов возможных орбиобразий? Последствия были бы катастрофическими. Во многих других орбиобразиях мы обнаруживаем, что Стандартная модель отсутствует. Таким образом, если истинный вакуум на самом деле является состоянием, в котором Стандартная модель не присутствует, тогда все законы химии и физики, какие мы знаем, будут низвержены.

Если предположить, что это произойдет, в нашей Вселенной может неожиданно появиться крошечный пузырек. Внутри него Стандартная модель неприменима, поэтому он подчиняется иной совокупности законов физики и химии. Материя внутри пузырька распадется и, возможно, примет новые формы. Затем пузырек расширится со скоростью света, поглощая целые звездные системы, отдельные галактики и скопления галактик, пока не охватит всю Вселенную.

Мы не увидим, как он приближается. Поскольку он движется со скоростью света, его невозможно наблюдать заранее. Мы не узнаем, какая участь нас постигла.

От кубиков льда к суперструнам

Представим себе обычный кубик льда, лежащий в скороварке у нас на кухне. Все мы знаем, что произойдет, если включить плиту. Но что будет с кубиком льда, если мы нагреем его до триллионов триллионов градусов?

Если нагревать кубик льда на плите, сначала он тает и превращается в воду, а потом происходит фазовый переход. Нагреваем воду, пока она не закипит. Она проходит еще одно фазовое превращение – в пар. Продолжаем нагревать пар до высоких температур. В конце концов молекулы воды распадаются. Энергия молекул превосходит энергию связей между молекулами, которые распадаются на элементарный водород и газообразный кислород.

Продолжаем нагревание, доводим температуру до 3000 K и выше, пока атомы водорода и кислорода не начнут распадаться. Электроны отрываются от ядра, у нас появляется плазма (ионизированный газ), которую часто называют четвертым агрегатным состоянием вещества (после газообразного, жидкого и твердого). Хотя получение плазмы не относится к обыденным впечатлениям, мы видим ее каждый раз, когда смотрим на солнце. В сущности, плазма – самое распространенное состояние материи во Вселенной.

Продолжаем нагревать плазму на плите до 1 млрд кельвинов, пока не начнут распадаться ядра кислорода и водорода. Мы получим «газ» из отдельных нейтронов и протонов, подобный содержимому нейтронной звезды.