7.3. От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?

 

В предыдущих подразделах уже была выделена ключевая идея, в рамках которой на сверхранних стадиях эволюции Вселенной могут быть решены глобальные космологические проблемы. Конечно, речь о том, что на этих стадиях реально формируются основные свойства Мира, а далее, в процессе познания уже сам человек разделяет их изучение на отдельные задачи. В этом также проявляется методологическая «хромота» человеческого познания – целостная система Мира для исследования представляется в виде набора элементов и связей, изучение которых по отдельности дает возможность реконструкции всей системы. Полнота и истинность полученного знания зависят от способности мышления адекватно представлять целостные системы во всей сложности и многообразии их внутренних связей при восхождении от части к целому. В данном случае мы должны анализировать те физические процессы, в ходе которых Вселенная приобретает глобальные характеристики, за эволюцией которых до настоящего времени мы и следим.

Эти глобальные свойства Мира в основном формируются в период от момента рождения Вселенной (характерные энергии 10¹⁹ ГэВ) до момента, соответствующего характерным энергиям 10¹⁶ ГэВ. Выше, в Разделах 2-6 второй части, мы уже обсуждали физику Вселенной, начиная от масштаба в 1 ТэВ и до наших дней. Происходит ли что-то нетривиальное в промежутке от 10¹⁶ до 10³ ГэВ? Если физика сверхранней Вселенной в значительной мере гипотетична (сегодня у нас не хватает базовых знаний о физике вакуума для большей определенности в описании этих явлений), то для рассмотрения области промежуточных энергий знаний у нас заметно больше. Обсуждение этого этапа эволюции непосредственно связано с нашими представлениями о высокоэнергетической надстройке СМ, варианты которой обсуждались в разделах 6 и 7 первой части. Как было показано, сегодня имеются две альтернативные программы обобщения СМ – суперструнная и преонная, однако абсолютной уверенности в обязательности реализации Природой одной из них у нас нет. Может быть, как часто уже происходило в истории науки, завтра мы столкнемся с новыми явлениями, жестко отвергающими оба эти варианта, и окажется неизбежным поиск третьего пути?

На основе наших сегодняшних знаний мы с уверенностью можем говорить, что в рамках любого – суперструнного или преонного – сценария между 10¹⁶ и 10³ ГэВ имели место многочисленные РФП, в ходе которых менялись фазовые состояния вакуума и плазмы элементарных частиц. Точнее говоря, происходила цепочка фазовых переходов, определяющих суть физических явлений на этой стадии эволюции. Как уже отмечалось, характер РФП различается в разных сценариях: в суперструнном происходят фазовые переходы I рода, близкие ко II роду (перестройки в конденсатах типа ХК), в преонном реализуются РФП существенно I рода (доминируют конденсаты типа КГК). На самом деле для нас важен только вопрос о космологических последствиях РФП. Одно из таких последствий уже обсуждалось выше – в результате РФП происходит дополнительная генерация неоднородностей, то есть реликтовый спектр возмущений, сгенерированный на резко неравновесной стадии, затем может искажаться и дополняться возмущениями, возникшими на стадии РФП. Эту возможность также надо иметь в виду.

Большую роль в анализе этой проблемы играет теоретическое исследование механизмов образования крупномасштабной структуры и сопоставление теории с наблюдениями. На этом пути выясняется, нужно ли искать и учитывать какие–то специфические особенности спектра реликтовых возмущений. Сейчас этот вопрос не вполне ясен, но широко дискутируется физиками. По мере его прояснения можно будет четче поставить задачу о роли цепочки РФП в эволюции Вселенной.

В связи с цепочкой происходящих в ходе эволюции РФП, напомним, что во Вселенной существует темная материя. Но ведь она не всегда была темной, на определенных этапах эволюции при достаточно высоких энергиях частицы из ее состава просто были обязаны интенсивно взаимодействовать с частицами обычной материи. Это взаимодействие является прямым следствием идеи унификации. Процесс формирования ТМ и ее природа должна изучаться в рамках определенного выбираемого сценария теории элементарных частиц. Это серьезная и важная задача. В связи с проблемой ранних структур уже упоминалось, что ТМ может иметь парадоксальные свойства: она слабо взаимодействует с обычными частицами, но между собой ее компоненты взаимодействуют интенсивно (такими свойствами, например, обладают частицы теневого мира, который неизбежно появляется в суперструнной теории). В самой подсистеме ТМ также могут происходить явления типа РФП, причем предрасположенность ТМ к таким процессам должна быть заложена уже на рассматриваемом раннем этапе эволюции. Хотя вышеперечисленные задачи и очень сложны, но в их решении можно продвинуться на основе существующих методов и теорий. Явный и быстрый прогресс в их решении наступит только после осуществления в ускорительных экспериментах выбора между суперструнами и преонами.

Если эксперимент укажет на составную природу всех известных частиц, то обеспечение неравновесности может быть связано только с существованием неравновесных, не абсолютно стабильных (метастабильных) структур непертурбативного вакуума, структур, образованных псевдочастицами – компонентами известных сейчас частиц. Может быть, нам повезет, и в Брукхейвенском эксперименте мы обнаружим существование метастабильных дионных структур? Тогда можно будет именно на этом пути искать решение проблемы существования непертурбативных состояний. Речь не идет о возникновении инфляции из неравновесных структур вакуума квантовой хромодинамики, теория преонов предсказывает, что аналогичные по своей физической и квантово-топологической природе структуры, существуют не только на КХД масштабе, но и заполняют всю шкалу вплоть до планковской. Неравновесные состояния имеет смысл искать вблизи планковского масштаба. Но, в силу физического и квантово-топологического родства всех структур обсуждаемого типа, их обнаружение в Брукхейвенском эксперименте даст основания для построения теории неравновесного вакуума в ранней Вселенной на основе известных представлений о непертурбативном вакууме. Интересно, как будет выглядеть неравновесная эволюция с точки зрения теории преонов?

Впрочем, эти процессы пока только гипотетичны, а на этом этапе эволюции есть и такие физические явления, в существовании которых мы абсолютно уверены, хотя даже не знаем, с чего начать их анализ. Эти явления обсуждались выше в связи с проблемой - члена: при каждом РФП обязаны происходить процессы релаксации плотности энергии вакуума к нулю. На рассматриваемой стадии эволюции Вселенной также многократно происходит перестройка вакуума с весьма серьезными глобальными последствиями, однако динамика этих процессов в реальном времени описывается неизвестными законами природы. Мы лишь знаем, что эти процессы должны быть, но каков их механизм? Возможно, именно релаксация вакуума и определяет наиболее интересные и важные процессы, от которых зависит нынешний облик Вселенной.

Весь данный раздел был посвящен проблемам сверхранней Вселенной, фактически мы описали задачи, решение которых предстоит искать уже в XXI веке. Несмотря на то, что в последние годы было приложено много усилий для их решения, была сформулирована ключевая идея – распад неравновесного вакуума, выделена цепочка фазовых переходов, указано, к каким глобальным последствиям могут приводить перестройки вакуумных подсистем, но, по сути дела, это был лишь предварительный этап. Сегодня проблемы лишь намечены и подходы к их решению лишь слегка обсуждены. Серьезное исследование предполагает, во-первых, выбор исходной парадигмы, сценария теории взаимодействий элементарных частиц, и, во-вторых, установление законов квантовой динамики неравновесного вакуума. Любопытно было бы узнать, как эти проблемы будут выглядеть на рубеже следующих, XXI и XXII веков.