Вспоминая Рубакова. Эффект его имени, барионная асимметрия Вселенной и мир на бране

— Добрый день. Начинаем очередное интервью «Троицкого варианта — Наука»¹. То, что мы наговорим сейчас, пойдет не только в газету ТрВ-Наука, но и в книгу памяти Валерия Рубакова, которую мы намерены издать. Я не знаю, когда это у нас получится, но затягивать долго не будем. То есть где-нибудь зимой мы ее должны издать. И сегодня у нас в гостях профессор швейцарской Федеральной политехнической школы Лозанны, руководитель лаборатории физики элементарных частиц и космологии Михаил Шапошников. Когда-то давным-давно он работал у нас в Институте ядерных исследований РАН, потом в ЦЕРНе и в Университете Лозанны. У меня вопросы, касающиеся работ Валеры Рубакова. Только не всех его работ — начнем с конкретных, про распад протона и несохранение барионного числа. Это даже цикл работ. Здесь можно выделить две. Первая касается собственно «эффекта Рубакова» — катализа распада протона магнитным монополем, этот именной эффект Валерий заслужил будучи совсем молодым. И вторая — барионная асимметрия Вселенной. Там тоже нужно несохранение барионного числа. Мой первый вопрос: Михаил, эти два цикла — катализ распада протона магнитным монополем и барионная асимметрия, — они, в принципе, идеологически связаны друг с другом? И там, и там несохранение барионного числа…

— Ну, в какой-то смысле они, конечно, связаны, потому что и там, и там несохранение барионного числа, но они все-таки разные, потому что катализ распада протона, который Валерий рассматривал, происходил в теориях Великого объединения. То есть там предполагалось, что есть у нас Стандартная модель, а помимо Стандартной модели при высоких энергиях у нас объединяются сильные, слабые электромагнитные взаимодействия. В каком-то смысле это спекуляция — возможны или нет теории Великого объединения, существуют ли они в природе — этого мы пока не знаем, может быть, когда-то узнаем.

— И про монополи тоже не знаем.

— И про монополи не знаем, есть они в природе или нет. Что касается несохранения барионного числа, которое имеет место в широко используемой Стандартной модели, то мы точно знаем, что это есть в природе, Стандартная модель подтверждена, и несохранение барионного есть такой вот строгий результат, который следует просто из структуры Стандартной модели. То есть в этом смысле — и связанные, и не связанные.

— Это для меня звучит немножко удивительно, потому что, казалось бы, в самой Стандартной модели не заложено несохранение барионного числа. То есть там все взаимодействия сохраняют этот самый барионный заряд. Как так вышло?

— Ну, вот это как бы не совсем так. Скорее совсем не так…

— Да, вот интересно.

— С одной стороны, ты совершенно прав. Если взять Стандартную модель и заниматься этой Стандартной моделью с точки зрения теории возмущения, как это делают физики, пишут фейнмановские диаграммы всевозможные — вот там частицы, виртуальные, настоящие, — вот ни одной такой диаграммы, в которой бы барионное число не сохранялось, там найти невозможно, нет таких. Теория возмущений эти числа сохраняет. Но есть квантовомеханический эффект, который довольно-таки тонкий, он называется аномалией. То есть аномалия — это что такое? Ты думаешь, что там что-то сохраняется, а начинаешь это дело вычислять более аккуратно — и оказывается, что не сохраняется. И вот в Стандартной модели присутствует такая аномалия, которая приводит к тому, что барионное число не сохраняется, несмотря на то, что ты думал, что сохраняется. А также не сохраняются лептонные числа. Однако этот эффект оказывается очень слабым в настоящих условиях.

Можно задаться следующим вопросом. Взяли Стандартную модель, в ней протон ­распадается или нет? Ответ — он абсолютно стабильный в Стандартной модели. Для того, чтобы увидеть этот эффект, тебе нужно рассмотреть такой процесс, в котором барионное число изменяется на тройку. То есть, например, ты можешь взять дейтерий, и вот дейтерий может превратиться в антипротон и еще три лептона. Но опять-таки вероятность этого процесса оказывается супер-супермаленькой, порядка е^–100. Поэтому такой процесс найти невозможно. В этом заключается отличие от теории Великого объединения. Если предположить, что у нас действительно все три взаимодействия объединяются при каких-то высоких энергиях, то там с самого начала было предсказание, что протон будет распадаться, его время жизни будет типа 10³⁰ лет. Это можно искать. Искали, не нашли. Может быть, найдут когда-нибудь.

— Насколько я помню, в модели Великого объединения числа порядка 10³⁰ появляются в самой ее простой версии. Потом людям приходилось изобретать какие-то более сложные версии, чтобы обойти экспериментальные ограничения, которые уже выше, чем 10³⁴ лет.

— История этого дела была такая. Были предложены теории Великого объединения. Простейшая теория такого сорта была основана на группе SU(5), если мне позволено использовать такие выражения в этом интервью.

— Позволено.

— SU(5) — это такая теория. И вот была минимальная SU(5), в которой были только те фермионы, что есть в Стандартной модели, ну и там какое-то минимальное количество частиц, которые там нужны для того, чтобы эту теорию написать. Ну и люди посчитали, сколько времени протон живет в этой теории. Тоже целая история, потому что посчитали сначала одним образом, потом уточняли. Оказалось, что время жизни протона — 10²⁸ лет. Это мало, потому что были поставлены эксперименты, которые дошли достаточно быстро до 10³¹ лет. Сейчас лучшие ограничения типа 10³⁴ лет по каким-то определенным модам распада протона. Оказалось, что минимальная модель не проходит, но нет проблем усложнить эту модель для того, чтобы оставаться здесь в согласии с экспериментом.

— Теперь продолжаю вопрос. Вернемся к катализу распада протона монополем. Там, насколько я понимаю, весь трюк в том, чтобы оказать на протон какое-то сильное воздействие, поместить его в какое-то сильное поле, и тогда вероятности резко возрастают. Это сильное поле дает монополь.

— Да, но тут важно не только то, что это поле сильное, потому что в конце концов электрон тоже создает сильное электрическое поле. А там важно именно то, что это монополь, т. е. такая частица нетривиальная, которая обладает зарядом магнитным. То есть силы поля здесь недостаточно. Здесь важна структура этого поля.

— Понятно. Важна ли масса монополя?

— Нет, масса монополя не важна. Вся нетривиальность того, что Валерий нашел, состояла в следующем. Вот эти большие массы, которые возникают в теориях Великого объединения (это обычно 10¹⁵ ГэВ — на 15, а может и на 16 порядков тяжелее, чем протон), приводят к тому, что вероятность всяких экзотических процессов типа распада протона оказывается очень маленькой. Как мы сейчас только что обсуждали, время жизни не меньше 10³⁰ лет. Другое нетривиальное следствие этих теорий в том, что там есть конфигурации, которые обладают магнитным зарядом, чего нет в обычной электродинамике. Люди ожидали, что вероятность процесса распада протона всегда будет подавлена этой огромной массой и будет всегда очень малой. А нетривиальность того, что Валерий нашел, в том, что если ты протон помещаешь рядом с монополем, причем слово рядом означает, что ты не идешь на какие-то там безумно маленькие расстояния, с которых видна структура этого Великого объединения, то происходит процесс распада протона. Оказывается, что вероятность этого процесса никак не связана с масштабом Великого объединения, который очень большой.

— Понятно. Теперь по поводу вашей работы с ним и с Кузьминым². Там тоже надо произвести над протоном какое-то насилие? Ну, не протоном, а над кварками, чтобы нарушился барионный заряд.

— Нет, насилие производить не нужно, нужно просто разогреть это всё.

— Так разогреть — и есть насилие!

— Да, нужно разогреть. То есть там как бы эффект, он тоже связан с аномалией, вот как и катализ распада протона в монополе, но там это немножко по-другому. То есть, если ты берешь стандартную модель, то там энергетическая шкала как бы одна — это масса хиггсовского бозона или масса W, или масса Z. Вот, и если действительно масса — это энергия, энергия — это температура, то все эти вещи друг с другом связаны. Шкала здесь порядка 100 ГэВ.

— То есть это, казалось бы, низкая уже температура по сравнению…

— Если по сравнению с чайником, то очень горячая.

— Космологически это уже подостывшая Вселенная. Там же были температуры 10¹⁵ ГэВ сразу после инфляции, правильно?

— Мы не знаем, какие там были температуры, но если это перевести в какие-то более понятные числа, то это 10^–10 секунды после Большого взрыва.

— Да, да, да. Но в градусы не будем переводить.

— Нет, я могу и в градусы перевести.

— Один электронвольт — это, по-моему, 10⁴ градусов.

— Такого типа.

— Ладно, хорошо. Вот ты употребил такое волшебное слово «аномалия». Можно как-то попытаться объяснить это достаточно массовому читателю, хотя и грамотному?

— Да, это можно объяснить. Наверное, самое простое объяснение было бы таким. История начинается с Дирака. Дирак в какой-то момент написал уравнение Дирака для того, чтобы попытаться описать электрон. И если это уравнение решать, то там получается какая-то страшная вещь. Ты находишь, что есть частицы с положительной энергией, но есть и частицы с отрицательной энергией. Ну а иметь частицы с отрицательной энергией — это как бы плохо. Почему? Потому что всё любит энергию уменьшать, и поэтому тогда всё перейдет в отрицательную энергию.

Дирак с этим обошелся следующим образом (он, кстати, не сразу это сделал, там была целая история). Он использовал тот факт, что электроны — это фермионы. А фермионы квантовые, они обладают такой замечательной особенностью, что два электрона с одинаковыми свойствами — квантовыми числами (имеется в виду импульс, направление, спин) — нельзя посадить в одно и то же состояние. Это называется принцип Паули. Дирак заявил: давайте, я сделаю состояние таким образом, что у меня все квантовомеханические уровни с отрицательными энергиями уже будут заняты частицами. И если они все заняты, то моя система получается стабильной, потому что я не могу туда ничего больше поместить, потому что есть принцип Паули. И это приводит к тому, что эти уровни, или частицы с отрицательной энергией, которые он получил, надо заменять «дырками» в вакууме. То есть, если у тебя вакуумное состояние, все эти уровни заполнены, а если ты оттуда вытащил частицу — то тогда то, что осталось, уже имеет положительную энергию, потому что вытащили отрицательную энергию. И имеет противоположный заряд. И это оказался позитрон.

Эта картинка — она как бы в деталях-то, в общем-то, и неправильная, но очень хорошая картинка на самом деле, позволяет многие вещи понять. Если ты берешь эту картинку, то можешь понять, каким образом, например, можно родить электрон-позитронную пару. Ты берешь частицу из вакуума с отрицательной энергией — и ее переводишь в положительную энергию. У тебя в результате остается частица и «дырка». А «дырка» — это позитрон. И вот ты таким образом родил е⁺е^– пару.

Эта же картинка позволяет понять, что такое аномалия. Представь себе, что у тебя есть такой вакуум, в котором все абсолютно ­частицы с отрицательной энергией, все уровни заняты. И теперь ты производишь следующую операцию: каждую частицу переносишь на уровень выше. Что при этом получается? При этом вакуум не изменяется. Правильно? Потому что у тебя все отрицательные энергии заполнены. Но у тебя одна частица попала в положительную энергию. А дырки все как были заполнены, так и остались. Это известная история о том, как попасть в гостиницу с бесконечным количеством номеров, если в ней нет мест. Знаешь эту историю?

— Нет, не знаю.

— Есть гостиница, у которой бесконечное количество номеров. Туда приходит человек и говорит: «Поселите меня в вашу гостиницу». Они отвечают: «У нас нет мест». Человек спрашивает: «Ну а сколько у вас всего мест?» — «У нас бесконечное количество мест». Человек предлагает: «Тогда просто переселите клиента из комнаты 1 в комнату 2, из комнаты 2 — в комнату 3. Для меня освободится место в комнате 1». Ну вот он так в гостиницу и попадает. Это буквально то, что я сказал. И аномалия — это вот что такое. Оказывается, что в Стандартной модели ты можешь изменять поля — поле Хиггса, поле промежуточных векторных бозонов W и Z — таким образом, что такое изменение фермионов этих уровней происходит со всеми фермионами, которые есть в Стандартной модели.

— Подожди, но то, что ты перечислил, — это всё бозоны. То есть вот эти бозонные поля как-то влияют на…

— Да, эти бозонные поля влияют на фермионы. Но это как бы понятно. Возьмем электродинамику. Если у тебя есть электрическое и магнитное поле, они, конечно, влияют на электрон. Там электрон начинает крутиться, там всё. А тут оказывается, что есть такой небанальный процесс, в котором эти бозонные поля влияют на фермионы таким образом, что у тебя всё это хозяйство уровней поднимается на один уровень вверх. Ну и вот, отсюда, кстати, следует, что если посмотреть на Стандартную модель — сколько там фермионов (в ней есть кварки, лептоны), как эти уровни меняются, — ты увидишь, что ты поле изменил — и у тебя должно появиться девять кварков и три лептона, т. е. барионное число должно на три измениться и лептонное число тоже на три изменится. Поэтому протон стабильный, а вот, скажем, дейтрон может распадаться с образованием антипротона.

Но проблема в том, что для того, чтобы такие бозонные поля создать, нужно сконцентрировать очень большую энергию, потом она диссипирует, и вот эта энергия как раз и доступна при высоких температурах.

— Теперь более-менее понятно. Вы в той работе показали, что барионное число в принципе не сохраняется при больших температурах, типа массы W‑бозонов. Но чтобы произошла барионная асимметрия, чтобы она сработала, нужны еще два условия — отсутствие термодинамического равновесия в какой-то момент и плюс CP‑нарушение.

— Да, совершенно точно.

— И как вы с этим обходитесь? Вам какие-то дополнительные предположения нужны, чтобы обосновать барионную асимметрию? Или это отдельная история, и она не имеет отношения к вашей статье?

— Нет, это тоже важная история, она очень интересна сама по себе и не покрывается полностью тем, что мы тогда написали с Кузьминым и с Рубаковым. Было много работ на этот счет потом, но короткое резюме состоит в следующем. Возьмем просто Стандартную модель, несмотря на то, что там есть CP‑нарушение — его нашли в распадах К‑мезонов и сейчас еще в куче других распадов, — и несмотря на то, что Вселенная расширяется, а это всегда приводит к отклонениям от термодинамического равновесия, его сильно не хватает (не хватает по меньшей мере десять порядков). Это является одним из свидетельств того, что Стандартная модель не полна, что очень интересно, потому что такая нехватка говорит нам: какая-то Новая Физика должна быть. И там уже отдельный вопрос: какая именно эта Новая Физика должна быть для того, чтобы барионная асимметрия таки получилась, и там есть очень много всяких возможностей и предложений.

— Понятно. Если взять Стандартную модель и стандартную космологию, то там вроде нет таких отклонений от термодинамического равновесия, как я понимаю, потому что всё происходило адиабатически.

— Ну, это мы сейчас можем так сказать, но реально это всё только развивалось тогда. Действительно, в ранней Вселенной всё шло адиабатически, но могли бы быть фазовые переходы.

— Могли бы. Но для них надо изобретать чего-то, привлекать новые сущности.

— В общем, история здесь тоже не банальная. Если взять Стандартную модель, то сейчас мы живем в так называемой хиггсовской фазе этой Стандартной модели, в результате которой есть поле Хиггса во всей Вселенной. А при высоких температурах всё по-другому. Там это хиггсовское поле другое. Ну и вот переход от одного состояния в другое — это мог бы быть фазовый переход, фазовый переход прямо в обычном смысле теории конденсированного состояния.

— Какого рода фазовый переход?

— Был бы интересен фазовый переход первого рода для Стандартной модели, тогда отклонения от термодинамического равновесия были бы большими, и тогда могла бы быть какая-то надежда, что Стандартная модель может это сделать. Но дальнейшие исследования этого вопроса показали, что да, в Стандартной модели мог бы быть фазовый переход первого рода, если бы масса хигговского бозона была меньше 70 ГэВ. А она заметно больше — 125 ГэВ. То есть там действительно всё происходит очень плавно. К тому же структура CP‑нарушения в Стандартной модели оказывается такой, что его тоже не хватает для барионной асимметрии. А именно нарушение комбинированной четности, СР, в распадах К-мезонов — это эффект на уровне 10^–3, одна промилле. Если про барионное число говорить, то тот же эффект даст гораздо меньше — 10^–20 наверное.

— Понятно. Смотри, тогда, значит, приходится надеяться, что выше энергии перехода Вайнберга — Салама вплоть до планковской энергии есть что-то еще интересное, что могло бы обеспечить такой фазовый переход или выход из термодинамического равновесия. То есть можно ли это рассматривать как намек на Новую Физику в том неизвестном интервале? Как он называется? Великая энергетическая пустыня?

— Я бы сказал так. Вопрос, который ты задаешь, он предубежденный. Предубежденный в каком смысле? Почему? Потому что ты почему-то думаешь, что эта Новая Физика должна быть от фермиевской шкалы (фермиевская шкала — синоним электрослабой шкалы, т. е. энергии порядка бозонов Хиггса, W и Z. — Б. Ш.) до планковской шкалы. Это совсем не обязательно. Эта Новая Физика прекрасно может быть при энергиях меньше, чем фермиевская шкала. И это очень важно понимать, потому что как бы это, с одной стороны, понятно более или менее всем, но есть в комьюнити предубеждение, что Новая Физика — это обязательно что-то такое тяжелое.

— Да-да-да, вот это приходит в голову такому недостаточно образованному человеку.

— Нет-нет-нет. Это никак не связано с образованностью. К сожалению, это общее предубеждение… Какова здесь реальная ситуация? Да, мы знаем, что есть Новая Физика. Вот барионная асимметрия говорит нам о том, что должна быть Новая Физика. Темная материя есть, например, — тоже какая-то Новая Физика. Не может всё ограничиваться Стандартной моделью. И можно начать рассуждать. Есть Новая Физика, но мы ее не видели до сих пор. Правильно? Не видели, да. Где она может прятаться?

— Ну, при больших энергиях, где же еще? Первое, что приходит в голову.

— Первое, что приходит в голову: при больших энергиях. Это, конечно, правильный ответ. Но этот ответ не покрывает всё, что есть в науке. Ты чего-то не видишь либо потому, что не смог туда залезть, — это случай больших энергий, — либо потому, что это происходит крайне редко. Правильно? Поэтому Новая Физика и ее поиски разделяются на различные направления. Одно направление говорит, что всё дело в неизвестных частицах, которые отвечают за темную материю, барионную асимметрию, а невидимы они потому, что тяжелые, и мы просто еще не построили ускоритель, который их найдет, — FCC там, еще что-то…

Ну и доступная шкала энергии у нас сейчас порядка ТэВа, потому что ныне есть только Большой адронный коллайдер.

Вторая логически возможная вещь состоит в том, что мы не видим какие-то частицы, которые очень слабо взаимодействуют. Эти частицы могут быть относительно легкими. Например, теоретики обсуждают аксион. Аксион — это вообще частица, которая весит, например, 10^–5 эВ.

— Вимпы тоже могут быть не столь тяжелые?

— Да, вимпы могут быть не столь тяжелые. У тебя могут быть там ­ГэВные частицы, кэВные частицы. Какую угодно ты массу можешь дать, но ты их не видишь просто потому, что у них взаимодействие очень слабое. Правильно? Вот поэтому может быть так, что за горизонтом при энергиях больше ТэВа до планковской шкалы нет вообще ничего, а есть что-то, наоборот, при низких энергиях. И вот эти новые частицы, которые дают темную материю, приемную асимметрию, — они все легкие. Может быть, наоборот, может быть, этих нет, но зато там что-то есть. Понятно? Может быть, и там есть, и здесь есть. А может, и там нет, и здесь нет…

— Но тогда мы в тупике, если ни там нет, ни здесь нет, правильно? Тогда мы вообще не можем объяснить барионную асимметрию.

— Нет, мы можем объяснить всё, что угодно. В этом нет проблем, потому что, может быть, барионная асимметрия берется из каких-то планковских взаимодействий, которые происходят за счет квантовой гравитации. Тогда откуда эта как бы великая пустыня возникает? Она возникает потому, что, вот, есть шкала энергии, которую мы знаем. Это электрослабая шкала Ферми, 100 ГэВ. Есть заведомо очень большая шкала энергии, которая связана с гравитацией. Это планковская шкала, 10¹⁹ ГэВ. Есть и другие шкалы, которые появляются во всяких исследованиях, они довольно умозрительные в том смысле, что экспериментальных свидетельств того, что они существуют, как бы нет.

— Возражение! Есть еще масштаб инфляции.

— Да, есть еще масштаб инфляции, это правда. Хотя там есть неопределенность.

— Да, там есть неопределенность, но не столь большая.

— Да, плотность энергии должна быть меньше, чем что-то. Но, понимаешь, я бы сказал, что к этому тоже нужно относиться с некой осторожностью. Почему? Потому что да, мы все верим в инфляцию. Я лично верю, что инфляция была. Сам какое-то количество статей написал на этот счет.

— Кстати, Валера всё время разрабатывал альтернативные модели, но он тоже считал инфляцию наиболее правдоподобной теорией.

— Да, но инфляция — это тоже некая гипотеза.

— Но уж больно хорошо она ложится на всё, что мы видим.

— Это прекрасная гипотеза. Я сам за нее голосую двумя руками. Я думаю, что это так, но это все-таки гипотеза. Поэтому говорить, что да, есть шкала инфляции, можно. Конечно, есть ограничения сверху на эту шкалу, которая получается порядка на четыре меньше, чем масса Планка. Если вернуться к этой «пустыне», можно сказать, что она простирается от шкалы Ферми до шкалы инфляции — это тоже много — аж до 10¹⁵ ГэВ вполне может что-то там происходить на этом интервале.

— Ну, понятно. В общем, загадка есть. Очень крепкая такая.

— Загадка, да.

— В общем, в Стандартной модели, как я понимаю, это не единственная такая дыра. Там масса нейтрино еще. Вообще, это иерархия масштабов загадочна.

— Да, всё это остается необъясненным. Но можно сказать, что необъясненное необъясненному — рознь. Одно дело, когда ты просто не можешь объяснить, а есть ситуация немножко другая: у тебя есть тысячи объяснений одного и того же явления, и неизвестно, какое из них выбрать. Может быть, все они неправильные…

— Хорошо, давай теперь перейдем к другой вообще теме. Это Вселенная на бране. Как я понимаю, Валера был, по крайней мере, одним из первых, поднявших этот вопрос. Причем первая работа на эту тему была с тобой³. Игорь Ткачёв мне рассказывал⁴, как они делали с Кузьминым, с Березиным модель пузырей, пространства, возникающих там при инфляции⁵. Если я правильно помню его высказывание, они убрали одно измерение — оно им мешало просто технически. Двумерная пленка в трехмерном пространстве. ­Валера сказал: слушайте, а может быть, мы на такой пленке и живем? И потом это вылилось в серию работ. Это тоже надо попытаться как-то объяснить человеческим языком, что это такое — Вселенная на бране. И первый вопрос: похоже ли это на доменную стенку, в которую все верят?

— Сейчас я не понял, что такое доменная стенка, в которую все верят?

— Доменная стенка — понятие, которое широко вошло в популярную литературу. Дескать, во Вселенной могут быть доменные стенки. Справа один вакуум, слева — другой вакуум. Посредине, значит, какая-то концентрация энергии. Это ужасная вещь, которая может аннигилировать, которая может сожрать один вакуум за счет другого и уничтожить часть Вселенной. Страшно, потому и популярно, потому народ и наслышан о ней. Брана — это то, что народ понимает хуже, по-моему.

— Ну, в каком-то смысле это одно и то же. То есть разница состоит в том, что когда ты говоришь про эти ужасные доменные стенки, которые летают и всё на своем пути сметают, уничтожая всё ­живое, то это три плюс один, т. е. три пространственных измерения и одно временно́е. Здесь у тебя пространственных измерений, скажем, четыре (одно временно́е), и вот в этих четырех пространственных измерениях живет стенка. Трехмерная стенка. Да, трехмерная. Просто мир на этой стенке является трехмерным.

— Так, и в этих четырех измерениях тоже справа один вакуум, слева другой, или что-то другое?

— Ну, это одна из реализаций. То есть, если ты возьмешь пятимерное пространство, то ты можешь сказать, что у меня с одной стороны один вакуум, с другой — другой. Это же дальше можно обобщать. Ты можешь сказать, что есть шестимерное пространство, например, — одно время и пять пространственных измерений, — тогда в нем проходит струна из наших трех измерений. Тогда тебе не обязательно говорить, что с одной стороны один вакуум, с другой — другой, потому что вокруг струны одно и то же.

— Давай возьмем простейший случай. На бране пространственных три, вне ее пространственных — четыре. Время одно, и общее,

— Допустим.

— Теперь мы можем говорить, условно, представляя себе картинку, убрав одно измерение — мы не можем в трехмерии это нарисовать. Мы можем нарисовать плоскость, вот так вот ребром к нам брана: слева один вакуум, справа — другой. Чем эти два вакуума отличаются?

— Могут ничем не отличаться. То есть физика в одном вакууме и в другом может быть одинаковой.

— Да, но тогда сразу вопрос: за счет чего держится эта стенка? То есть понятно, что это какая-то концентрация энергии. Понятно, вообще, если справа и слева ничем не отличается, то почему она вообще не возьмет — и не диссипирует?

— Ну это если у тебя есть прям буквально гора какая-то. Представим себе, что есть плоскость, а посередине вот такая горка.

— Ну да, и горка хочет рассыпаться.

— Ну да, горка хочет рассыпаться, да. Может быть, это неудачный пример, я сейчас пытаюсь…

— Вот, надо как-то ее стабилизировать, правильно, чтобы она не могла рассыпаться?

— Да, я могу сейчас сказать: а вот у нас теория φ в четвертой степени и т. д., но ты не примешь такое объяснение для популярного текста…

— Да, придется объяснять, что такое лагранжиан что там делает φ в четвертой степени, т. е. на этом языке. Но можно попробовать попроще…

— Самый простейший пример такой стенки — это скалярное поле, у которого есть взаимодействие φ⁴ с положительным знаком и есть отрицательная масса. Это механизм Хиггса почти. Не механизм Хиггса, но то, что люди часто обсуждают в связи со Стандартной моделью. То есть у меня есть вот такой потенциал, который по бокам идет вверх, потом вот здесь пошел вниз, и потом раз — такую горку сделал. И у нас в этом потенциале есть один вакуум с положительным полем, есть другой вакуум с отрицательным полем. И вот теперь ты говоришь, что я половину Вселенной помещаю в положительный вакуум, другую половину — в отрицательный.

— Да, физика справа и слева одна и та же.

— Реально физика одна и та же. И потом вот этот интерфейс между этими двумя вакуумами — это и есть эта стенка. Она не может диссиплировать, потому что это разные пространства.

— Так, и получается горка такая, т. е. если одно измерение убрать от этих обеих, три и два, чтобы легче было себе представлять, то эта горка распределена вдоль плоскости, — плотность энергии в виде горки. Правильно?

— Да, совершенно точно. И с этой горки мы не можем съехать. Это следующая часть истории.

Представь себе, что это поле, скалярное поле в данном случае, еще связано с какими-то другими частицами, с фермионами, с кварками, лептонами. И представь, что эти частицы так же, как в Стандартной модели, приобретают массу за счет взаимодействия с этим полем. И тогда в середине стенки масса этих частиц равна нулю, а вне стенки — ненулевая. И тогда для того, чтобы вый­ти из этой стенки, нужно этой частице придать какую-то энергию. Если у тебя этой энергии недостаточно, то частица и живет в этом поле. Как можно представить себе, что вот такой вот желоб есть, ты находишься в середине этого желоба, но для того, чтобы выйти из этого желоба, тебе нужно энергию какую-то получить.

— Да, но давай только уточним. Масса там не обязательно ноль, но масса «человеческая» — как у наших частиц.

— Ну да, маленькая масса, совершенно точно, ну и стенка тонкая получается.

— Но не планковской ширины, может, и шире?

— Нет, конечно, можно быть шире. Это опять-таки мы тогда попадаем в экспериментальное поле… Можно поставить такую задачу. Предположим, что эта стенка имеет такую-то толщину. будет это противоречить или нет каким-то измерениям? Ну и здесь получится что-то типа ТэВов, наверное, экспериментальное ограничение, обратных ТэВов.

— Но смотри, значит, у тебя на стенке сильно переменное поле. Это значит концентрация энергии из-за градиентов поля. Как это влияет на гравитацию? Вот тогда мы, допустим, решаем уравнение Фридмана для этой пленки. А там концентрация энергии. И что, это дает инфляцию сразу для этой пленки?

— Нет, я бы так далеко не заходил. Вопрос про гравитацию — это совершенно правильный вопрос, который можно было бы переформулировать следующим образом: мы знаем, как массу давать фермионам, как массу давать всяким частицам, а как массу давать гравитону — это не так просто. Подожди…

— Нет, я имею в виду, да при чем тут гравитон? Классическое поле.

— Но есть волны гравитационные, и есть просто гравитация. То есть, представь себе, что если бы было так. Вот есть эта стенка, у нас должна быть гравитация, правильно?

— Да, да. Решаем классическую статическую задачу.

— Решаем классическую задачу. Какую угодно. Представь себе, что… Если у тебя гравитационное поле в разном количестве измерений ведет себя по-разному, т. е. если ты живешь в трехмерном мире, у тебя гравитация трехмерная, то сила притяжения между двумя телами ведет себя как 1/r², правильно? Если же ты будешь в многомерном пространстве, то этот закон у тебя тут же меняется. Поэтому если ты живешь на стенке, а гравитация у тебя существует везде, то могло бы так оказаться априори, что это вообще всё запрещено. Потому что у тебя вместо закона 1/r² Ньютона будет что-то другое. А на это у нас есть очень сильные ограничения. То есть для того, чтобы такую картинку со стенкой сделать приемлемой, тебе нужно также посмотреть, что происходит с гравитацией на этой бране. Можно сделать так: несмотря на то, что пространство многомерное, гравитация всё равно эффективна трехмерна.

— То есть несмотря на большую плотность энергии в этой стенке, это всё не значит, что она будет экспоненциально расширяться, как при инфляции?

— Нет, нет.

— А вот это интересно. Ну, пожалуй, мы уже не будем влезать в этот вопрос, потому что это уже выходит за рамки данного интервью и требует отдельного разбирательства с изложением соответствующего бэкграунда. Ты и так рассказал очень много нового и интересного. Важно не перегрузить читателей.

— Да. Наверное это можно объяснить какими-то простыми словами. Но лучше заранее продумать, как именно.

¹ Видеоверсию см. на youtu.be/ye39vr6dfAU (а также vk.com/trvscience и rutube.ru/channel/36379070/)

² Kuzmin V., Rubakov V., Shaposhnikov M. On anomalous electroweak baryon-number non-conservation in the early universe // Phys. Lett. B, Vol.155, Is. 1–2, 1985, P. 36–42. DOI: 10.1016/0370-2693(85)91028-7.

³ Rubakov V.A. and Shaposhnikov M.E. Do we live inside a domain wall? // Physics Letters, Vol. 125B, No 2,3. 26 May 1983.

⁴ Памяти Рубакова. Вне мейнстрима (Борис Штерн беседует с академиком РАН Игорем Ткачёвым) // ТрВ-Наука № 368 от 20.12.2022, с. 2–3. www.trv-science.ru/2022/12/pamyati-rubakova-vne-mainstreama/

⁵ Berezin V., Kuz’min V., Tkachev I. Random inflation and global geometry of the universe // Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 41, No. 10, 446–449 (25 May 1985).