О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Ответить на эти трудные вопросы поможет нам понимание способа, которым поле Хиггса сообщает частицам их массу. Механизм генерации массы показывает, что напряженность поля Хиггса – это не установленный Богом факт, но результат динамического процесса, который стал разворачиваться, когда Вселенная начала расширяться и охлаждаться после горячего Большого взрыва. И этот процесс включает в себя случайное нарушение абстрактной математической симметрии.

Общеизвестно, что, когда физические системы охлаждаются, их симметрии нарушаются. Подумайте о переходе воды из жидкой фазы в лед, когда ее температура падает ниже нуля по шкале Цельсия. Жидкая вода имеет одинаковые свойства во всех направлениях: она обладает вращательной симметрией. А в ледяных кристаллах с их регулярной геометрической структурой вращательная симметрия, свойственная жидкой воде, нарушена. Другой классический пример – магниты. Магнитные свойства, скажем, железного бруска резко изменяются в окрестности критической точки Кюри: температуры в 770 градусов Цельсия. При более высокой температуре колеблющиеся магнитные поля отдельных атомов железа перестают быть согласованными и общее среднее магнитное поле бруска обращается в ноль – это отражает вращательную симметрию электромагнитных сил. Однако если мы будем медленно охлаждать железный брусок и его температура опустится ниже точки Кюри, в нем начнут спонтанно образовываться магнитные домены. Это создает качественно иное состояние, в котором вращательная симметрия будет нарушена, а северный магнитный полюс будет иметь случайное направление.

Это общее явление. Симметрия физических систем нарушается при падении температуры, что ведет к образованию большего структурного разнообразия и дает больший простор для увеличения сложности системы. Поле Хиггса не составляет исключения. Поля отвечают на изменения температуры в основном так же, как и обычное вещество. Непосредственно после окончания инфляции, когда Вселенная была в сотни миллионов раз горячее солнечного ядра, поле Хиггса бешено вибрировало, в среднем оставаясь нулевым, – совсем как намагниченность железного бруска с температурой выше точки Кюри. В этом нулевом поле Хиггса, пропитывавшем новорожденную Вселенную, все частицы обладали нулевой массой – ситуация в высшей степени симметричная. Однако, когда Вселенная расширилась и температура упала, поле Хиггса подверглось преобразованию. Сигнал к его запуску был дан спустя примерно 10^-11 секунд после горячего Большого взрыва, когда температура упала ниже 10¹⁵ градусов. В этой точке тепловые колебания хиггсовского поля утратили большую часть своей силы и в его поведении начали доминировать взаимодействия с самим собой, определяемые кривой распределения энергии поля – то есть количеством энергии, приходящимся на то или иное значение поля. Но так же, как у инфлатонного поля на рис. 27, кривая распределения энергии поля Хиггса достигает пика, когда поле равно нулю, и падает при ненулевых значениях поля. Вследствие этого в высшей степени симметричное нулевое поле Хиггса внезапно сделалось неустойчивым, как поставленный торчком карандаш. И так же, как карандаш быстро жертвует симметрией ради устойчивости и падает плашмя в случайном направлении – об этом напоминает нам рис. 34, – нулевое поле Хиггса быстро конденсировалось, везде одним скачком переходя в энергетически благоприятное состояние с ненулевым значением. Именно этот ведущий к потере симметрии переход поля Хиггса в ненулевое состояние и одарил частицы массами – важнейший шаг на длинном пути в направлении сложности.

Более того, уменьшение симметрии в конденсирующемся поле Хиггса запустило процесс дифференциации слабого взаимодействия и электромагнитных сил. Дело в том, что, когда поле Хиггса было нулевым, безмассовыми были не только частицы вещества – обменные частицы, переносящие слабые ядерные силы, тоже не имели массы. Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам, отцы-основатели Стандартной модели, установили, что в этом лишенном массы высокотемпературном мире на физические процессы не оказывали никакого влияния отдельные акты обмена фотонами с частицами, переносящими слабые ядерные силы. То есть слабое взаимодействие было дальнодействующим и неотличимым от электромагнитных сил.

Существовала математическая симметрия, связывавшая обе эти силы и смешивавшая их в единое унифицированное электрослабое взаимодействие. Но когда температура первичной Вселенной упала ниже нарушающего симметрию хиггсовского перехода, объединенное электрослабое взаимодействие распалось на действующую на коротких расстояниях слабую ядерную силу и дальнодействующую электромагнитную силу.