9. Я благодарю Рафаэля Каспера за указание, что это описание является вариацией призовой метафоры профессора Дэвида Миллера, предъявленной в ответ на требование Британского министра науки Вильяма Вальдеграве Британскому физическому обществу в 1993 объяснить, почему деньги налогоплательщиков должны быть использованы на поиски частицы Хиггса.
10. Склонный к математике читатель должен отметить, что фотоны, и W, и Z бозоны описываются в электрослабой теории как лежащие в присоединенном представлении группы SU(2) x U(1), а потому обмениваются под действием преобразований этой группы. Более того, уравнения электрослабой теории обладают полной симметрией относительно преобразований этой группы, что является в этом смысле тем, что мы описываем частицы сил как взаимосвязанные. Более точно, в электрослабой теории фотон является особой смесью калибровочного бозона, проявляющего U(1) симметрию, и U(1) подгруппы SU(2); таким образом, он тесно связан со слабым калибровочным бозоном. Однако, вследствие структуры произведения групп симметрии четыре бозона (на самом деле два W-бозона с противоположными электрическими зарядами) не полностью смешиваются под ее действием. Тогда в этом смысле слабое и электромагнитное взаимодействия являются частью единой математической схемы, но такой, которая не столь полно унифицирована, как могло бы быть. Если включить сильные взаимодействия, группа пополнится путем включения SU(3) фактора – "цвета" SU(3) – и эта группа, имея три независимых фактора, SU(3) х SU(2) x U(1), только подчеркивает дальше отсутствие полного единства. Такова часть мотивировки великого объединения, обсужденного в следующей секции: великое объединение обращается к единственной, полупростой группе (Ли), – группе с единственным фактором, – которая описывает силы на больших масштабах энергии.
11. Склонный к математике читатель должен заметить, что великая теория объединения Джорджи и Глэшоу базировалась на группе SU(5), которая включала SU(3), группу ассоциирующуюся с сильным ядерным взаимодействием, а также SU(2) x U(1), группу, ассоциирующуюся с электрослабым взаимодействием. В дальнейшем физики изучали следствия других потенциальных групп великого объединения, таких как SO(10) и Е6.
Глава 10
1. Как мы видим, взрыв Большого взрыва не был взрывом, который имел место в одной точке существовавшего ранее пространственного простора, и поэтому мы также не ищем, где он взорвался. Шутливое описание неполноценности Большого взрыва, которое мы использовали, следует Алану Гуту; см., например, его книгу The Inflationary Universe (Reading, Eng.; Perseus Books, 1997), p. xiii.
2. Термин Большой взрыв иногда используется для обозначения события, которое само произошло в момент времени нуль, приведя вселенную к существованию. Но поскольку, как мы будем обсуждать в следующей главе, уравнения ОТО не действуют в момент нуль, никто не имеет никакого понятия, чем на самом деле было это событие. Этот пробел мы имеем в виду, когда говорим, что теория Большого взрыва не включает в себя Большой взрыв. В этой главе мы ограничимся областями, в которых уравнения не отказывают. Инфляционная космология использует такие хорошо себя ведущие уравнения, чтобы обнаружить короткое взрывное разрастание пространства, которое мы обычно относим к взрыву в теории Большого взрыва. Определенно, однако, что этот подход оставляет без ответа вопрос о том, что происходило в начальный момент времени создания вселенной – если там на самом деле был такой момент.
3. Abraham Pais, Subtle Is the Lord (Oxford: Oxford University Press, 1982), p. 253.
4. Для склонного к математике читателя: Энштейн заменил оригинальное уравнение Gμν = (8πG/c4)Tμν на Gμν + Λgμν = (8πG/c4)Tμν, где Λ есть число, обозначающее величину космологической постоянной.
5. Когда я обращаюсь к массе объекта в этом контексте, я ссылаюсь на сумму полных масс его отдельных составляющих. Если, скажем, куб состоит из 1 000 атомов золота, я ссылаюсь на 1 000 масс одного такого атома. Это определение согласуется с точкой зрения Ньютона. Законы Ньютона говорят, что такой куб будет иметь массу в 1 000 раз больше массы отдельного атома золота, и что он будет весить в 1 000 раз больше, чем отдельный атом золота. В соответствии с Эйнштейном, однако, вес куба также зависит от кинетической энергии атомов (так же, как и всех других вкладов в энергию куба). Это следует из E = mc2: большая энергия (Е), безотносительно к источнику, транслируется в большую массу (m). Таким образом, эквивалентный способ выражения сути в том, что поскольку Ньютон не знал о E = mc2, его закон гравитации использует определение массы, которое не учитывает различные вклады в энергию, такие как энергия, связанная с движением.
6. Обсуждение здесь намекает на лежащую в основе физику, но не ухватывает ее полностью. Давление, оказываемое сжатой пружиной, влияет на полную энергию ящика и, как обсуждалось в предыдущем параграфе, в соответствии с ОТО, к делу имеет отношение полная энергия. Однако, момент, который я здесь объясняю, заключается в том, что само давление – не только через вклад, который оно вносит в полную энергию, – генерирует гравитацию, почти как это делают масса и энергия. В соответствии с ОТО давление гравитирует. Также заметим, что отталкивательная гравитация, на которую мы ссылаемся, является внутренним гравитационным полем, ощущаемым внутри области пространства, заполненного чем-то, что имеет отрицательное давление вместо положительного. В такой ситуации отрицательное давление будет давать вклад в отталкивательное гравитационное поле, действующее внутри области.
7. Математически космологическая константа представляется числом, обычно обозначаемым Λ (см. комментарий 4). Эйнштейн нашел, что его уравнения имеют полный смысл безотносительно к тому, выбрана ли Λ положительным или отрицательным числом. Обсуждение в тексте сосредоточено на особенно интересном для современной космологии (и современных наблюдений, как будет обсуждаться) случае, в котором Λ положительна, поскольку это приводит к появлению отрицательного давления и отталкивательной гравитации. Отрицательная величина Λ дает обычную притягивательную гравитацию. Отметим еще, что поскольку давление, оказываемое космологической постоянной, однородно, это давление не будет оказывать непосредственно какую-либо силу: только разности давлений, подобно тому, что чувствуют ваши уши, когда вы под водой, приводят к силе давления. Вместо этого сила, оказываемая космологической константой, есть чисто гравитационная сила.
8. Обычные магниты всегда имеют как северный, так и южный полюса. В отличие от этого, теории великого объединения предполагают, что могут иметься частицы, которые подобны чистому северному или чистому южному магнитным полюсам. Такие частицы называются монополями и они могли бы иметь большое влияние на стандартную космологию Большого взрыва. Они никогда не наблюдались.
9. Гут и Туе обнаружили, что переохлажденное Хиггсово поле будет действовать как космологическая константа, открытие, которое было сделано ранее Мартинусом Вельтманом и другими. Фактически, Туе говорил мне, что был ограниченный лимит страниц в Physical Review Letters, журнале, в который они с Гутом послали свою статью, и они не уместили в заключительные утверждения ничего о том, что их модель должна вызывать период экспоненциального расширения. Но Туе также заметил, что это было достижение Гута в осознании важности космологических последствий периода экспоненциального расширения (что будет обсуждаться позже в этой и следующей главе), и, следовательно, в помещении инфляции во фронт и в центр космологической карты.
Во временами извилистой истории открытия русский физик Алексей Старобинский нашел несколькими годами ранее другой способ генерирования того, что мы сейчас называем инфляционным расширением, работа была описана в статье, которая не была широко известна среди западных ученых. Однако, Старобинский не подчеркнул, что период такого быстрого расширения мог бы решить ключевые космологические проблемы (такие как проблемы горизонта и плоскостности, что будет коротко обсуждено), что объясняет частично, почему его работа не вызвала отклика энтузиазма, который получил Гут. В 1981 японский физик Катсушико Сато также разработала версию инфляционной космологии, а даже раньше (в 1978) русские физики Геннадий Чибисов и Андрей Линде случайно обнаружили идею инфляции, но они нашли, – когда исследовали детально, – что она допускает разновидность важной проблемы (обсуждающейся в комментарии 11), и потому не стали публиковать свой труд.
