Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [53]

Контраст между повседневным опытом и фундаментальными законами рождает два вопроса. Один звучит так: как реальная Вселенная определяет предпочтительное течение времени? Мы получили ответ в главе 6 и (особенно) в главе 7, где увидели, что гравитация вышла из равновесия[123]. Другой вопрос формулируется просто: почему? Почему в нашем фундаментальном описании природы есть эта Т-инвариантность, но в том мире, который дан нам в ощущениях, она явно отсутствует?

Почему? Первый подход — достижение дна

Родителей маленьких детей иногда раздражают их бесконечные «почему». (Почему мне нужно ложиться спать? Потому что людям нужно отдыхать. Почему людям нужно отдыхать? Потому что их тела устают. Почему их тела устают? Потому что после того, как мы какое-то время напрягаем мышцы, они перестают работать. Почему они перестают работать? Потому что их топливо — пища, которую мы едим, а потом остается некоторое количество отходов, которые нужно убирать. Почему? Потому что все деградирует, подчиняясь второму закону термодинамики. Почему? Потому что во время Большого взрыва гравитация была в неравновесном состоянии…) В конце концов у вас закончатся ответы[124]. В какой-то момент вы поймете, что уже не можете найти достаточно простое объяснение — вы дошли до дна. И тогда вы скажете: «Просто это так».

Было неясно, является ли T-инвариантность точной характеристикой фундаментальных законов и будет ли польза от поиска ее причин. Она казалась изящным, хотя и немного необычным свойством законов. Т-инвариантность могла оказаться тем самым дном. Большинство физиков так и думали.

Почему? Второй подход — священные принципы

Ситуация изменилась в 1964 году, когда Джеймс Кронин, Вал Фитч[125] и их коллеги обнаружили крошечный, непонятный эффект в распадах K-мезонов[126], нарушающий T-инвариантность. Раз T-инвариантность выполняется не совсем точно, она — еще не дно! Возник очевидный вопрос, требующий дальнейшего изучения: «Почему в природе Т-инвариантность выполняется, но все-таки не совсем точно?» Он оказался очень правильным.

В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава[127] совершили прорыв в поиске теоретического ответа. Они взяли за основу каркас из квантовой теории поля и наших теорий «Ядра» для сил (которые в то время еще не были полностью установлены). Как я упоминал ранее, этот каркас очень жесткий — вы не можете его изменить, не нарушив целостности. Никто не знает, как модифицировать его структуру, не нарушая священных принципов[128] теории относительности, квантовой механики и локальности. Но можно постараться не изменить саму структуру, а сделать к ней «пристройку». Кобаяси и Маскава обнаружили, что добавление третьего поколения кварков и лептонов[129] к двум уже известным позволяет ввести взаимодействие, нарушающее T-инвариантность и порождающее эффект, который наблюдали Кронин и Фитч. Если бы существовали только два известных на тот момент поколения, такой возможности не было бы.

Вскоре частицы из третьего поколения, существование которых предсказали Кобаяси и Маскава, начали обнаруживаться на ускорителях при работе в режиме более высоких энергий. С того момента многие эксперименты подтвердили также существование введенного ими взаимодействия.

Однако это еще не конец истории. Существует еще одно возможное взаимодействие. Оно тоже нарушает T-инвариантность и при этом полностью вписывается в жесткий каркас теорий нашего «Ядра» и квантовой теории поля. Это взаимодействие необязательно для объяснения наблюдений Кронина и Фитча или каких-либо других. Похоже, природа просто его не использует. Почему?

Почему? Третий подход — эволюция

В 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн[130] предложили ответ на третье и, вероятно, последнее «почему» о Т-инвариантности. Этим ответом стала теория эволюции, открывшаяся при расширении «Ядра». Авторы предположили, что сила «ненужного» дополнительного взаимодействия — это не просто параметр, а квантовое поле, которое может меняться в пространстве и времени. Они показали, что если новое поле обладает некоторыми требуемыми, достаточно простыми свойствами, то действующие на него силы будут стремиться обратить его в ноль. Печчеи и Куинн неявно предположили, что ноль и есть предпочтительное значение этого поля, к которому оно, согласно космологии Большого взрыва, эволюционирует[131].

Это наконец может дать нам удовлетворительный ответ на наши вопросы. Он звучит так: почти точная, но не совсем, T-инвариантность характерна для фундаментальных законов вследствие того, как более глубокие принципы — относительность, квантовая механика и локальность — действуют на основные элементы физического мира.

Эти теоретические идеи имеют серьезнейшие последствия. Мы скоро займемся ими. Но сначала давайте обратимся к темной стороне Вселенной.

ТЕМНАЯ СТОРОНА ВСЕЛЕННОЙ

Темная материя и темная энергия схожи, поэтому имеет смысл представить их вместе. И то и другое имеет отношение к наблюдаемым движениям, у которых нет очевидной причины. Более точной, хотя и менее запоминающейся характеристикой этих явлений была бы формулировка «необъяснимые ускорения». Определенные закономерности, которые они демонстрируют, заставляют предположить связь с гравитацией из неизвестных источников. Чтобы объяснить все наблюдения, нам нужно было их ввести. По определению ими считаются темная материя и темная энергия.