Каждый раз, когда наша Вселенная остывает ниже критического порога, мы выходим из равновесия. Это лучшее, что с нами когда-либо случалось.
Ключевые выводы
- Вселенная началась с очень горячего, энергичного, плотного и случайного состояния. И все же каким-то образом вся эта сложность возникла.
- Одним недооцененным ключом к этому процессу являются переходы, которые произошли между нестабильными состояниями с высокой энергией в более стабильные состояния с более низкой энергией.
- Это помогло создать Вселенную такой, какой мы ее знаем, поскольку сложные организмы и живые миры не могли бы существовать без этих фазовых переходов.
Вы не смогли бы создать Вселенную, которую мы имеем сегодня, если бы все всегда было одинаковым. Хотя многие с философской точки зрения поддерживали идею о том, что Вселенная статична и неизменна - идея, популяризированная в 20-м веке как теория стационарного состояния - такая Вселенная будет сильно отличаться от нашей. Без раннего, горячего, плотного и более однородного прошлого наша Вселенная не могла бы расширяться, охлаждаться, притягиваться и эволюционировать, чтобы дать нам то, что мы имеем сегодня: космос, в котором галактики, звезды, планеты и даже жизнь не только все существуют, но кажутся довольно многочисленными.
Причина проста: Вселенная не находится в равновесии. Равновесие, которое возникает, когда любая физическая система достигает своего наиболее стабильного состояния, является врагом изменений. Конечно, чтобы выполнять механическую работу, вам нужна свободная энергия, а для этого нужен какой-то энерговысвобождающий переход. Но есть еще более фундаментальная проблема, чем извлечение энергии: без того, чтобы начаться с горячего и плотного состояния в далеком прошлом, а затем охладиться и выйти из равновесия, Вселенная, которую мы видим сегодня, была бы даже невозможна.
Переход от нестабильных состояний с более высокой энергией к более стабильным состояниям с более низкой энергией - это именно тот процесс, который помог создать Вселенную такой, какой мы ее знаем. Во многих смыслах это окончательное «грехопадение» в нашей космической истории, и без него мы не могли бы существовать. Вот почему.
Когда дождь выпадает в регионе с богатой гористой местностью, он может попасть в самые разные места. Дождь, который не поглощается землей, может либо скатываться по склонам, останавливаться на вершинах пиков или в областях, которые ниже остальной части их окружения, либо направляться в самую низкую область из всех: реку в долине. пол.
Самый простой способ представить себе равновесие - подумать о местности вокруг вас на Земле. Когда идет дождь, особенно во время проливного ливня, куда скапливается вода?
Если местность совершенно плоская, то она закручивается везде, одинаково, без перекоса в ту или иную сторону. За исключением небольших впадин, которые могут образовываться и приводить к лужам - незначительные дефекты, которые представляют собой немного более стабильные, низкоэнергетические состояния - вся местность представляет собой состояние равновесия.
Если местность неровная, будь то холмистая, гористая или содержащая плато, некоторые места будут более благоприятными для дождя, чем другие, для скопления и сбора. Везде, где у вас есть склон, дождь будет стекать по этому склону, пока не достигнет ровной поверхности, где он сможет собраться. Во всех местах, где льются дождевые лужи, у вас будет состояние, очень похожее на равновесие, но внешность может быть обманчивой.
Пересеченный и разнообразный ландшафт Австрии включает в себя горы, плоскогорья, холмы, долины и низменные равнины. Когда выпадает осадок, во многих местах собирается дождь и снег. Не все это окажется в самой нижней долине, что соответствует основному состоянию.
Например, давайте рассмотрим следующую «местность» выше. Когда идет дождь, есть несколько разных мест, где дождь может собираться, и они делятся на три категории.
- Неустойчивое равновесие Это состояние возникает на вершине каждого холма, горы или другого неровного участка. Здесь может собираться дождь или иным образом начинать свое путешествие, но это не стабильное состояние. Любое крошечное несовершенство собьет каплю дождя с этого места, и она будет скользить по соседнему склону в том или ином направлении, пока не остановится в более стабильном состоянии.
- Квазиустойчивое равновесие Это то, что вы получаете, когда дождь собирается в долине, но не в самой глубокой долине с самой низкой энергией возможный. Он называется квазистабильным, потому что дождь может оставаться там в течение довольно долгого времени - возможно, даже бесконечно - если что-то не выбьет его из этого полустабильного положения. Только если он каким-то образом сможет выбраться из этой долины, которую мы обычно называем «ложным минимумом», у него может появиться шанс оказаться в истинном равновесном состоянии.
- Истинное равновесие. В равновесии находится только дождь, который переходит в состояние с абсолютно низкой энергией, также известное как основное состояние, или в самую нижнюю долину в этом примере с «дождем на местности».
Если вы не находитесь в истинном равновесии, вы можете предвидеть, что однажды что-то придет и столкнет вас с вашего насеста в более низкоэнергетическое, более стабильное состояние.
Во многих физических случаях вы можете оказаться в ловушке локального, ложного минимума, неспособного достичь состояния с наименьшей энергией, которое является истинным минимумом. Независимо от того, получаете ли вы толчок, чтобы преодолеть барьер, что может произойти классически, или вы выбираете чисто квантово-механический путь квантового туннелирования, переход от метастабильного состояния к действительно стабильному является фазовым переходом первого рода.
Обратите внимание, что могут происходить два принципиально разных типа переходов. Первый, известный как фазовый переход первого рода, происходит, когда вы попадаете в квазистабильное состояние равновесия или ложный минимум. Иногда вы оказываетесь в ловушке этого состояния, как вода в ледниковом озере. Обычно есть два выхода из этого. Либо что-то появляется, чтобы передать энергию, подбрасывая все, что заперто в этом ложном минимуме, вверх и через энергетический барьер, который удерживает его на месте, либо оно может подвергнуться явлению, известному как квантовое туннелирование: когда оно имеет конечную, но не нулевую вероятность спонтанного переход, несмотря на барьер, в более низкое (или даже самое низкое) энергетическое состояние.
Квантовое туннелирование - одна из самых нелогичных особенностей природы, сродни тому, как если бы вы ударили баскетбольным мячом по деревянному полу корта, и был бы конечный шанс - и это время от времени наблюдалось - что он пройдет сквозь пол, не повредив его, и попадет в подвал под двором. Хотя это, во всех смыслах и целях, никогда не происходит в макроскопическом, классическом мире, это явление, которое постоянно происходит в квантовой Вселенной.
Когда квантовая частица приближается к барьеру, она чаще всего взаимодействует с ним. Но существует конечная вероятность не только отражения от барьера, но и туннелирования сквозь него. Вопреки интуиции это означает, что частица, помещенная в запечатанный ящик, согласно квантовым законам нашей Вселенной, может спонтанно оказаться за ее пределами.
Это один тип фазового перехода, который может иметь место, но есть и другой: когда вы плавно переходите из одного энергетического состояния в другое. Этот второй тип фазового перехода, известный как фазовый переход второго рода, происходит там, где нет барьера, мешающего вам перейти в состояние с более низкой энергией. Есть еще много разновидностей, например:
- вы можете находиться в крайне неустойчивом равновесии, когда почти мгновенно вы будете переходить в состояние с более низкой энергией, подобно мячу, балансирующему на вершине шпиля,
- или вы можете быть на вершине постепенного холма, где вы можете оставаться в течение довольно долгого времени, пока не наберете достаточный импульс и не уедете достаточно далеко, чтобы скатиться в долину внизу,
- или вы можете быть на очень плоском плато, где вы будете медленно катиться, если вообще будете катиться, и оставаться там на неопределенный срок; только при правильных условиях вы скатитесь в долину.
Практически каждый происходящий переход попадает в категорию фазовых переходов первого или второго рода, хотя возможны и более сложные системы с более сложными переходами. Однако, несмотря на разные способы их возникновения и разные характерные для них условия, эти переходы являются неотъемлемой частью прошлого нашей Вселенной.
Когда происходит космическая инфляция, энергия, присущая пространству, велика, как и на вершине этого холма. Когда мяч скатывается в долину, эта энергия превращается в частицы. Это дает механизм не только для установления горячего Большого взрыва, но и для решения связанных с ним проблем, а также для новых предсказаний.
Давайте тогда вернемся к самым ранним стадиям Вселенной, которые мы знаем, как точно описать: к состоянию космической инфляции, которое предшествовало горячему Большому Взрыву. Вы можете представить это как фазовый переход второго порядка, как мяч на вершине холма. Пока мяч остается там высоко неподвижным, медленно катящимся или даже трясущимся взад-вперед Вселенная надувается, а "высота" холма показывает, сколько энергии присуще ткани пространства.
Когда мяч скатывается с холма и переходит в долину внизу, эта энергия преобразуется в материю (и антиматерию) и другие формы энергии, что кладет конец космической инфляции и приводит к горячее, плотное, почти однородное состояние, известное как горячий Большой Взрыв. Это был первый значимый переход, который мы можем описать в нашей ранней Вселенной, но это был лишь первый из многих последующих.
Визуальная история расширяющейся Вселенной включает в себя горячее плотное состояние, известное как Большой Взрыв, и последующий рост и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой взрыв в качестве достоверного объяснения всего, что мы видим. По мере расширения Вселенная также охлаждается, позволяя формироваться ионам, нейтральным атомам и, в конечном счете, молекулам, газовым облакам, звездам и, наконец, галактикам.
На самых ранних стадиях горячего Большого взрыва было достаточно энергии, чтобы спонтанно создать все типы частиц и античастиц, известных в настоящее время человечеству, поскольку эти высокие энергии позволяют создавать все возможные частицы с помощью E Эйнштейна.=мк². Это означает, что каждая частица, присутствующая в Стандартной модели, существовала в большом количестве, а также, вполне возможно, многие другие частицы, которые появляются только в экзотических условиях, которые нам не удалось успешно воссоздать в лаборатории. Каждый раз, когда частицы сталкиваются друг с другом, есть шанс, если имеется достаточно энергии, спонтанно создать новые частицы и античастицы в равных количествах.
Если бы Вселенная не расширялась и не охлаждалась, все могло бы оставаться в этом равновесном состоянии. Если бы каким-то образом Вселенная оказалась в ловушке в неизменном ящике, все осталось бы в этом горячем, плотном, быстро сталкивающемся состоянии навсегда. Вот как это выглядело бы, если бы Вселенная находилась в равновесии.
Но поскольку Вселенная подчиняется законам физики, которые мы знаем, она обязана расширяться. А поскольку расширяющаяся Вселенная увеличивает длину волны внутри себя (включая определяющую энергию длину волны фотонов и гравитационных волн), а также уменьшает кинетическую энергию массивных частиц, она будет охлаждаться и становиться менее плотной. Другими словами, состояние, которое ранее было равновесным, выйдет из равновесия по мере того, как Вселенная будет продолжать развиваться.
В горячей ранней Вселенной, до образования нейтральных атомов, фотоны рассеивались на электронах (и, в меньшей степени, на протонах) с очень высокой скоростью, передавая при этом импульс. После образования нейтральных атомов, благодаря охлаждению Вселенной ниже определенного критического порога, фотоны просто движутся по прямой линии, и расширение пространства влияет только на длину волны.
Например, при высоких энергиях невозможно иметь нейтральные атомы, так как любой атом, который вы образуете, будет немедленно разорван на части при взаимодействии с другой частицей. При еще более высоких энергиях атомные ядра не могут образовываться, поскольку энергичные столкновения расщепляют любое связанное состояние протонов и нейтронов. Если бы мы перешли к еще более высоким энергиям (и плотностям), мы пришли бы к состоянию, настолько горячему и плотному, что отдельные протоны и нейтроны перестают существовать; вместо этого существует только кварк-глюонная плазма, где температура и плотность слишком велики для образования связанного состояния из трех кварков.
Мы можем продолжать экстраполировать назад к еще более ранним временам и даже к более высоким энергиям, где вещи, которые мы сегодня считаем само собой разумеющимися, еще не встали на свои места. Слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие, которые сегодня ведут себя как отдельные, независимые силы, раньше были объединены. Симметрия Хиггса была восстановлена на раннем этапе, и поэтому ни одна из частиц Стандартной модели не обладала массой покоя до этого времени.
Что примечательно в этом процессе, так это то, что каждый раз, когда Вселенная расширяется и охлаждается до одного из этих порогов, происходит фазовый переход вместе со всей связанной с этим сложной физикой.
Когда симметрия восстанавливается (желтый шарик вверху), все становится симметричным, и предпочтительного состояния нет. Когда симметрия нарушается при более низких энергиях (синий шар, дно), той же свободы всех направлений больше нет. В случае нарушения электрослабой симметрии поле Хиггса взаимодействует с частицами Стандартной модели, придавая им массу.
Есть и другие переходы, которые, скорее всего, также произошли, основываясь на том, что мы наблюдаем во Вселенной, но не можем адекватно объяснить. Например, что-то должно было произойти, чтобы создать темную материю, ответственную за большую часть массы во Вселенной. Одним из возможных вариантов является аксион, который возник бы после фазового перехода, аналогичного описанному выше потенциалу в форме сомбреро. По мере остывания Вселенной шарик перекатывается из желтого в синее положение. Однако, если что-то происходит, чтобы «наклонить» сомбреро в одном направлении, синий шар будет колебаться вокруг самой нижней точки по краю шляпы: что соответствует созданию холодной, медленно движущейся популяции потенциальных частиц темной материи.
Другая возможность состоит в том, что в ранние времена было произведено большое количество нестабильных частиц. Когда Вселенная остыла, они аннигилировали и/или распались. Однако, если они не нестабильны или если они в конечном итоге распадутся во что-то не нестабильное, часть этих ранних частиц останется. Если эти частицы обладают нужными свойствами, они могут быть ответственны и за темную материю.
Чтобы получить правильное космологическое содержание темной материи (ось Y), вам необходимо, чтобы темная материя имела правильные сечения взаимодействия с нормальной материей (слева) и самоаннигиляцию справа свойства (справа). Эксперименты прямого обнаружения теперь исключают эти значения, необходимые Планку (зеленый), не в пользу темной материи WIMP, взаимодействующей со слабым взаимодействием.
Есть и другие космические явления, в которых фазовые переходы почти наверняка играли важную роль на раннем этапе. Мы знаем, что электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при более высоких энергиях; вполне возможно, что эти силы продолжат объединяться с сильным взаимодействием при еще более высоких энергиях, создавая теорию великого объединения. Эти силы явно больше не объединены, и, следовательно, с этим также мог быть связан фазовый переход. На самом деле, любая симметрия, которая существовала ранее, а сегодня нарушена , даже если мы еще не знаем об этом , должна была претерпеть фазовый переход в какой-то момент во Вселенной в прошлом.
Кроме того, тот факт, что материи во Вселенной больше, чем антиматерии, несмотря на то, что законы физики кажутся симметричными между ними, убедительно указывает на то, что должен был произойти неравновесный переход. Совершенно блестяще, хотя никто еще не знает, правильно это или нет, новые частицы, предсказанные теориями великого объединения, могут частично аннигилировать, пока Вселенная не остынет достаточно, тогда оставшиеся частицы могут распасться, создавая асимметрию, которая благоприятствует материи по сравнению с антиматерией из ранее симметричная Вселенная.
Равносимметричный набор бозонов материи и антиматерии (X и Y, анти-X и анти-Y) мог бы, при правильных свойствах ТВО, породить асимметрию материи/антиматерии, которую мы найти в нашей Вселенной сегодня. Однако мы предполагаем, что существует физическое, а не божественное объяснение асимметрии материи и антиматерии, которую мы наблюдаем сегодня, но мы еще не знаем наверняка.
Мы всегда можем представить Вселенную, сильно отличающуюся от нашей, где эти фазовые переходы либо не происходили, либо происходили иначе. Если бы никогда не произошло ничего, что привело бы к возникновению асимметрии материи и антиматерии, то ранние частицы аннигилировали бы настолько, что во Вселенной было бы крошечное, равное количество как материи, так и антиматерии, но лишь в одну десятимиллиардную часть нынешнего содержания. Если бы протонам и нейтронам потребовалось еще около 30 минут, чтобы слиться в легкие ядра, наша Вселенная родилась бы с 3% гелия, а не с 25%, которые мы наблюдаем. И если бы ничего не произошло, чтобы создать темную материю, которой мы обладаем, космическая паутина галактик вообще не существовала бы.
На каждом этапе пути то, что существует во Вселенной, является лишь пережитком ранних начальных условий, которые когда-то правили днем. По мере того как Вселенная расширяется и остывает, условия меняются, и частицы, которые когда-то играли по одним правилам, позже вынуждены играть по другим. Эти изменения с течением времени могут взять систему, в которой все было идеально, и превратить ее в систему, которая выходит из равновесия и переходит во что-то совершенно иное. В самом прямом смысле эти ранние фазовые переходы проложили путь для развития Вселенной. Пока мы точно не поймем, как все это произошло, у нас не будет другого выбора, кроме как продолжать искать окончательные космические ответы.