Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса
Волнующий период развития физики — 1960–1970-е годы, в которые мне довелось жить и работать, — довольно сильно отличался в этом отношении. К тому времени междисциплинарные связи существенно улучшились. Хотя у нас еще не было Интернета, но были телефоны, факсы, ксероксы и реактивные самолеты, позволявшие нам встречаться и беседовать друг с другом. Теоретики и экспериментаторы ходили друг к другу на семинары, вместе обедали и пользовались общим кофейником в лаборатории. Я дважды проводил творческий отпуск в лаборатории ядерной физики Оксфордского университета: там было принято делать один перерыв утром, чтобы выпить кофе, и один днем, во время которого все пили чай (самый лучший и дешевый в городе), сидя вместе за маленькими столиками в большой общей комнате и обсуждая последние новости физики. Иногда к нам присоединялся кто-нибудь из известных личностей.
К 1979 году преграды между сферами научных интересов физики и астрономии также начали рушиться. Одним из основоположников новой научной традиции был Дэвид Норман Шрамм — колоссальный человек, рыжий гигант под два метра ростом и весом около 120 кило, альпинист, участник Олимпийских игр по греко-римской борьбе, которому и посвящается эта книга. Шрамм в 1971 году окончил аспирантуру в Калифорнийском технологическом институте под руководством Вилли Фаулера, будущего нобелевского лауреата, который, как мы уже знаем, работал с Фредом Хойлом в области звездного нуклеосинтеза.
В 1974 году Шрамм начал работать в Чикагском университете, где с 1978 по 1984 год возглавлял кафедру астрономии и астрофизики, а в 1995 году стал проректором по научно-исследовательской работе. В Чикагском университете Шрамм был лидером и наставником исследовательской группы, состоящей из теоретиков нового поколения, овладевших ядерной физикой, физикой элементарных частиц, астрофизикой и релятивистской космологией. Члены этой группы применяли в работе общие знания, выстраивая значительно более подробную картину ранней Вселенной и видя, как она успешно подтверждается новыми, все более точными данными астрономических наблюдений, которые постоянно пополнялись, в частности, благодаря космическим телескопам. Родилась новая научная область, названная астрофизикой частиц, и Дэвид Шрамм был ее отцом.
С помощью Леона Ледермана, еще одного будущего нобелевского лауреата и директора Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (сокращенно «Фермилаб»),что возле Чикаго, в 1982 году Шрамм организовал в лаборатории исследовательский центр астрофизики частиц, где в сотрудничестве с Чикагским университетом закладывались основы последующей грандиозной работы. Я познакомился со Шраммом и его группой, когда участвовал в астрофизических исследованиях в области высокоэнергетических гамма-лучей и нейтрино, после экспериментов с нейтрино на ускорителе частиц в «Фермилаб». Он всегда был отзывчивым, спокойным, добродушным человеком, и его лекции — как популярные, так и специальные — было очень приятно слушать. Я считал его своим другом. У него же друзей были сотни.
В 1980 году Шрамм купил дом в городе Аспене, штат Колорадо, и начал участвовать в работе Аспенского физического центра, проводившего регулярные летние семинары, которые я время от времени посещал. Обычно он летал на собственном самолете, зарегистрированном как «Авиалинии Большого взрыва», совершающие перелеты между Аспеном и Чикаго. (Он имел лицензию пилота коммерческой авиации.) 19 декабря 1997 года он летел в Аспен на выходные, когда его самолет сорвался в штопор и разбился вскоре после заправки в Денвере. Дейву было всего 52 года. Ледерман тогда сказал, что теперь он на небесах «жарко спорит с Богом о том, что же было до Большого взрыва».
Я позаимствовал заглавие к этому разделу из эссе Денниса Овербая, опубликованного в газете «Нью-Йорк таймс»{194}. Краткую биографию Шрамма, полную обожания, но тем не менее в высшей степени информативную, написал один из выдающихся коллег Дейва, Майкл Тернер. Теперь он работает профессором именной кафедры в Чикагском университете. Тернер стал ведущим специалистом в области астрофизики частиц и 2013-м президентом Американского физического сообщества{195}. Тернер тесно сотрудничал с Эдвардом Колбом в «Фермилаб» и Чикагском университете, и в 1990 году они издали в соавторстве классическую монографию по астрофизике частиц, озаглавив ее «Ранняя Вселенная»{196}.
Шрамм и его коллеги доказали, что необычные процессы, наблюдаемые сегодня только в физике элементарных частиц, играют ключевую роль во Вселенной — как нынешней, так и ранней. К примеру, в 1975 году они доказали, что слабое взаимодействие нейтральных токов, открытое незадолго до того, участвует в коллапсе массивных звезд, вызывающем вспышки сверхновых{197}.
Шрамм всегда интересовался нейтрино, которые в то время были основной областью моих исследований, так что я внимательно следил за его работой. Наблюдение в ходе двух подземных экспериментов нейтрино, вылетевших во время вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году, подтвердило, что эти неуловимые частицы играют важную роль в механизме возникновения сверхновых.
В своей выдающейся работе, опубликованной в 1977 году, Шрамм, Гэри Стайгман и Джеймс Ганн доказали, что космология ограничивает допустимое количество типов лептонов{198}. Лептон — родовое название отрицательно заряженного электрона e, двух более тяжелых частиц, мюона μ и тау-лептона τ, а также связанных с ними нейтрино: νe, νμ и ντ. Каждому лептону соответствует античастица. В те времена эти три «поколения» лептонов наряду с родственными им поколениями кварков лишь недавно были найдены, и ученые не видели причин, почему их не может быть больше.
В работе Шрамма и его соавторов 1997 года доказывалось, что дополнительные нейтрино ускорили бы синтез Не4, и устанавливалось предельное количество типов нейтрино — пять, основанное на измеренном на тот момент количестве гелия во Вселенной. К 1989 году результаты расчетов распространенности гелия были уточнены настолько, чтобы установить предел, равный трем поколениям. Это согласовывалось с результатами экспериментальных измерений скрытой энергии с помощью ускорителей частиц на встречных пучках (коллайдерах). Больше нейтрино означает больше скрытой энергии, то есть энергии, не имеющей отношения к зарегистрированным частицам. Количество скрытой энергии соответствовало трем поколениям, и не более того.
Таким образом, стандартная модель элементарных частиц и сил, о которой пойдет речь в следующей главе, пришла к схеме, в которой может быть всего три поколения кварков и лептонов. Именно это и предвидел Шрамм. Пожалуй, только такой мечтатель, как он, мог вообразить, что фундаментальные сведения о природе вещества будут найдены космологами на таком сверхмикроскопическом уровне. Этот процесс идет до сих пор и, похоже, будет продолжаться годами.
Температура расширяющейся Вселенной
Прежде чем мы углубимся в детали ядерной физики Большого взрыва, стоит выяснить, какие виды энергии действовали на разных этапах истории Вселенной, поскольку они имеют отношение не только к ядерной физике, но и к физике в целом на каждом этапе.
Хотя Вселенная расширяется очень быстро, частицы, существовавшие на ранних стадиях ее развития, взаимодействовали еще быстрее, так что их тепловое замедление все еще обеспечивало им состояние квазиравновесия. Это значит, что частицы можно описать как имеющие абсолютную температуру Г, которая тем не менее снижается по мере расширения Вселенной.
Большинство авторов, пишущих на эту тему, дают значения температуры на разных стадиях в Кельвинах, вероятно, потому, что считают, что читатель лучше знаком с этими единицами измерения. Однако истинные значения температуры на ранних этапах жизни Вселенной столь высоки, что для нас они не имеют никакого практического смысла.
Более информативны значения средней кинетической энергии частиц во Вселенной в каждый заданный момент времени, которые с точностью, достаточной для наших целей, задаются формулой K = kBT, где kB — постоянная Больцмана. То есть температура тела — это просто средняя кинетическая энергия частиц этого тела. Поскольку kB — это произвольная постоянная, которая просто переводит кельвины в единицы измерения энергии, можно принять kB = 1 и измерять температуру в единицах измерения энергии.
Когда мы имеем дело с атомными, ядерными и субъядерными процессами, самой удобной единицей измерения энергии является электрон-вольт (эВ), который равен кинетической энергии, приобретаемой электроном при прохождении разности электрических потенциалов 1 В. Атомные процессы характеризуются энергией в несколько электрон-вольт или килоэлектрон-вольт (кэВ), где 1 кэВ = 1000 эВ. Ядерные процессы протекают с энергией порядка мегаэлектрон-вольт (МэВ), где 1 МэВ = 1000 000 эВ. Для субъядерных процессов характерна энергия порядка гигаэлектрон-вольт (ГэВ) и тераэлектрон-вольт (ТэВ), где 1 ГэВ = 1 млрд. эВ (109) и 1 ТэВ = 1 трлн эВ (1012).
