Остров знаний полностью

Но есть одно место, в котором такой метастабильной материи имеется в избытке, – это ранняя Вселенная. Раньше космос был горячее, а уровни энергии – выше. В течение одной триллионной доли секунды после Большого взрыва температура и плотность Вселенной были достаточными для того, чтобы материя находилась в метастабильном состоянии.[69] И вот что удивительно: метастабильная материя имеет отрицательные значения в уравнениях, описывающих космическое расширение. А общая теория относительности утверждает, что отрицательное давление ускоряет расширение Вселенной, а не замедляет его. Именно эта энергия, скрытая в метастабильной материи, двигает нашу Вселенную вперед. Представьте себе груз, подвешенный на сжатой пружине. Если отпустить груз, накопленная энергия пружины толкнет его вперед. Отрицательное давление делает примерно то же самое с геометрией космоса. Итак, мы приходим к удивительному заключению: ранняя Вселенная могла переживать периоды ускоренного расширения, когда масса находилась в метастабильном состоянии. Этот эффект оказался настолько всеобъемлющим, что метастабильного состояния больше не требуется – космическое ускорение происходит всегда, когда материя не находится в своем нормальном состоянии, то есть при минимальном уровне энергии. В качестве аналогии можно привести мяч на наклонной плоскости. Он будет скатываться по ней до тех пор, пока не найдет стабильную точку, в которой сможет вернуться в состояние покоя. Соответственно, в любой точке на склоне мяч будет находиться в «смещенном» состоянии, а его энергия будет выше, чем у подножия склона. Точно так же и Вселенная, заполненная материей в смещенном состоянии, будет расширяться все быстрее и быстрее до тех пор, пока не «скатится» до минимального уровня энергии.

Внимательный читатель вспомнит, что мы уже обсуждали ускоренное расширение, когда говорили про космологическую постоянную. До тех пор пока материя остается в смещенном состоянии (то есть в любой точке на склоне), она имеет силу космологической постоянной. Основное различие состоит в том, что космическое ускорение, возникающее под влиянием космологической постоянной, имеет неизменное значение (потому-то она и называется постоянной), а для материи ускорение может уменьшаться и увеличиваться в зависимости от того, насколько она отклоняется от нормального состояния. Такое отклонение часто называют энергией ложного вакуума, но мы будем обозначать ее термином «смещенная энергия», так как это избыточная энергия, возникающая при смещении из нормального состояния.[70] Чем выше уровень смещенной энергии, тем быстрее происходит космическое ускорение.

Для полноты картины нам требуется еще один элемент: фактор, запускающий изменения в свойствах частиц и превращающий их из безмассовых при высоком уровне энергии (высоком смещении) в массивные при низком (то есть в нормальном состоянии). Согласно нашим сегодняшним знаниям о физике частиц, выраженным в так называемой стандартной модели, этим фактором является еще одна частица, знаменитый бозон Хиггса. О его открытии в июле 2012 года объявили ученые, работавшие на Большом адронном коллайдере.

Для того чтобы понять, как бозон Хиггса воздействует на другие частицы, можно представить его в качестве своего рода среды, в которой они движутся. Звучит как старый добрый электромагнитный эфир, но это не совсем так. Традиционно эфир представлялся как нечто неизменное и инертное, в то время как бозон Хиггса может изменяться и взаимодействовать с обычной материей. Подобно обычным частицам материи, он также изменяет свои свойства при разных температурах. Современные модели физики частиц используют колебания свойств бозона Хиггса для того, чтобы изменять характеристики частиц материи. Возвращаясь к образу бозона Хиггса как среды (вроде воздуха или меда), нужно сказать, что при высоких температурах эта среда, по сути, прозрачна и материя проходит сквозь нее, не встречая преград. Это его безмассовая фаза. При более низких температурах «среда» сгущается и частицам материи требуется больше усилий, чтобы пройти сквозь нее. Благодаря этой вязкости среды кажется, что масса частиц растет. Вот почему часто говорят, что бозон Хиггса «придает массу» частицам.

Давайте перейдем к тому, почему кварки, электроны и другие частицы, входящие в стандартную модель, обладают разными массами. Дело в том, что они чувствуют присутствие бозонов Хиггса с разной интенсивностью. Чем сильнее чувствительность частицы к нему, тем выше ее масса в нормальной фазе. В математическом выражении стандартной модели эту чувствительность называют интенсивностью, с которой каждая частица взаимодействует с бозоном Хиггса. К примеру, топ-кварк, самый тяжелый из кварков и в целом из известных нам элементарных частиц, имеет массу, в 399 216 раз превосходящую массу электрона. Поэтому мы можем сказать, что он сильнее взаимодействует с бозоном Хиггса. Исключением является фотон, который вообще не вступает во взаимодействие с бозоном и потому не имеет массы.