На что была похожа Вселенная через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва? У науки есть ответ.
Ключевые выводы
- Следуя примеру Стивена Вайнберга, мы погружаемся еще дальше в космическую историю, за пределы образования атомных ядер.
- Сегодня мы обсудим происхождение кварк-глюонной плазмы и свойства знаменитого бозона Хиггса, «Частицы Бога».
- Есть ли предел? Как далеко мы можем вернуться в прошлое?
На прошлой неделе в части 1 мы чествовали великого физика Стивена Вайнберга, возвращая его мастерскую книгу «Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной», где он рассказывает историю о том, как, в первые мгновения после Большого взрыва материя начала организовываться в первые атомные ядра и атомы. На этой неделе мы продолжаем следовать примеру Вайнберга, погружаясь еще дальше во времени, настолько близко к началу, насколько это возможно.
Но сначала краткое напоминание. Первые легкие атомные ядра - агрегаты протонов и нейтронов - возникли в очень короткое временное окно между сотой долей секунды и 3 минутами после взрыва. Это объясняет название книги Вайнберга. Напомним, что атомы идентифицируются по количеству протонов в их ядрах (атомному номеру) - от водорода (с одним протоном) до углерода (с шестью) и вплоть до урана (с 92). Ранняя космическая печь выковала только химические элементы 1, 2 и 3 - водород, гелий и литий (а также их изотопы, содержащие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов). Все более тяжелые элементы выкованы в умирающих звездах.
Гипотеза о том, что Вселенная была алхимиком, ответственным за самые легкие элементы, была прекрасно подтверждена многочисленными наблюдениями за последние десятилетия, в том числе исправлением затянувшегося несоответствия с литием-7.(«7» означает три протона и четыре нейтрона для этого изотопа лития, наиболее распространенного в природе.) Этот первичный нуклеосинтез является одним из трех ключевых наблюдательных столпов космологической модели Большого взрыва. Два других - это расширение Вселенной, измеряемое по мере удаления галактик друг от друга, и микроволновое фоновое излучение - излучение, оставшееся после рождения атомов водорода примерно через 400 000 лет после взрыва.
Первобытный бульон физики элементарных частиц
Примерно через минуту после взрыва материя во Вселенной включала легкие атомные ядра, электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино: первичный бульон. А раньше? Возвращение в космическое время означает меньшую вселенную, то есть материю, сжатую в меньшие объемы. Меньшие объемы означают более высокие давления и температуры. Рецепт супа меняется. В физике температура сродни движению и волнению. Горячие предметы движутся быстро, а когда они не могут этого сделать из-за того, что они склеены, они сильнее вибрируют. В конце концов, по мере повышения температуры связи, удерживающие вещи вместе, рвутся. Когда мы возвращаемся назад во времени, материя распадается на свои простейшие компоненты. Во-первых, молекулы становятся атомами. Затем атомы становятся ядрами и свободными электронами. Затем ядра становятся свободными протонами и нейтронами. И что?
С 1960-х годов мы знали, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами. Они состоят из других частиц, называемых кварками, связанных сильным ядерным взаимодействием, которое примерно в 100 раз сильнее электрического притяжения (то есть электромагнетизма). Но при достаточно высоких температурах даже сильное взаимодействие не может удержать вместе протоны и нейтроны. Когда Вселенной было всего одна стотысячная секунды (10-5 секунд), она была достаточно горячей, чтобы диссоциировать протоны и нейтроны в горячую плазма кварков и глюонов. Глюоны, как следует из названия, - это частицы, которые сшивают кварки в протоны и нейтроны (а также сотни других частиц, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, обычно наблюдаемым в ускорителях частиц). Удивительно, но такая странная кварк-глюонная плазма была создана в результате столкновений частиц высокой энергии, которые генерируют энергию на миллион градусов горячее, чем сердце Солнца. (Вот видео об этом.) На мимолетное мгновение ранняя Вселенная возрождается в созданной человеком машине - потрясающем научном и технологическом подвиге.
Помните бозон Хиггса?
Это оно? Или мы можем пойти дальше? Сейчас мы рассматриваем вселенную, возраст которой составляет менее одной миллионной доли секунды. Для нас это смехотворно мало времени. Но не для элементарных частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света. По мере того, как мы продолжаем возвращаться к t=0, происходит нечто замечательное. Примерно через одну триллионную долю секунды (10-12 секунды или 0,0000000000001 секунды) после взрыва новая частица задает тон всему, знаменитый бозон Хиггса. Если вы помните, эта частица стала одновременно известной и печально известной, когда ее обнаружили в 2012 году в Европейском центре физики элементарных частиц, и СМИ решили назвать ее «Частица Бога».”
В этом мы можем обвинить лауреата Нобелевской премии Леона Ледермана, который был моим начальником, когда я был постдоком в Фермилабе, крупнейшем ускорителе частиц в США. Леон сказал мне, что пишет книгу о неуловимого Хиггса, которого он пытался найти, но не смог найти в Фермилабе. Он хотел назвать книгу The God-Damn Particle, но его редактор предложил убрать «черт» из названия, чтобы увеличить продажи. Это сработало.
Хиггс проходит странный переход, когда Вселенная нагревается. Он теряет свою массу, становясь тем, что мы называем безмассовой частицей, такой как фотон. Почему это важно? Потому что бозон Хиггса играет ключевую роль в драме физики элементарных частиц. Это вещество, придающее массу всем частицам: если вы обнимете бозон Хиггса или (более научно) если частица взаимодействует с бозоном Хиггса, она приобретает массу. Чем сильнее взаимодействие, тем больше масса. Итак, электрон, будучи легким, менее сильно взаимодействует с бозоном Хиггса, чем, скажем, тау-лептон или очарованный кварк. Но если бозон Хиггса теряет свою массу при нагревании, что происходит со всеми частицами, с которыми он взаимодействует? Они также теряют свою массу!
Приближение к t=0
Подумайте о последствиях. До одной триллионной секунды после взрыва все известные частицы были безмассовыми. По мере того как Вселенная расширяется и остывает, бозон Хиггса приобретает массу и придает массу всем другим частицам, с которыми он взаимодействует. Это объясняет, почему прозвище «Частица Бога» прижилось. Хиггс объясняет происхождение масс.
Вроде. Мы не знаем, что определяет силу всех этих различных объятий (взаимодействий), например, почему масса электрона отличается от масс кварков. Это параметры модели, известной как Стандартная модель, компиляции всего, что мы знаем о мире очень и очень маленьких. Эти важнейшие параметры определяют мир, каким мы его знаем. Но мы не знаем, что их определяет.
Хорошо, значит, мы находимся в одной триллионной секунды после взрыва. Мы можем продолжать возвращаться? Мы можем, но мы должны погрузиться в область предположений. Мы можем говорить о других частицах, других измерениях пространства и суперструнах, объединении всех сил природы и мультивселенной. Или мы можем обратиться к жемчужине, которую однажды сказал мне великий физик Фримен Дайсон: большинство предположений ошибочны. Читатели лучше всего обслужатся, если мы сначала будем придерживаться того, что знаем. Затем осторожно погружаемся в неизвестность.
Итак, мы пока остановимся здесь, зная, что за эту мимолетную одну триллионную секунды нужно охватить много новой территории типа «Здесь будут драконы». Мы скоро поедем туда.