Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Документы

Содержание Теплота, пустота и объединение

Подобный материал:

• Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
• Название работы, 371.8kb.
• Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
• Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
• Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
• Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
• Романтика космоса, 1113.61kb.
• «Химия космоса», 282.27kb.
• Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.

Все это предполагало, что как мы, так и астроном из скопления Волос Вероники, двигаемся только с космическим течением от пространственного расширения, поскольку это гарантирует, что его сечения пространственно-временного батона соответствуют нашим, – это гарантирует, что его списки настоящего согласуются с нашими.


Рис 8.9 Временное сечение наблюдателя, обладающего существенным дополнительным движением по отношению к космическому потоку от расширения пространства.


Однако, если он нарушит шеренгу и двинется через пространство существенно в дополнение к космическому течению, его сечения будут наклонены по отношению к нашим, как на Рис. 8.9. В этом случае, как мы нашли вместе с Шеви в Главе 5, настоящее этого астронома будет соответствовать тому, что мы рассматриваем как будущее или как прошлое (в зависимости от того, направлено ли дополнительное движение к нам или от нас). Отметим, однако, что его сечения больше не будут пространственно однородны. Каждое наклоненное сечение на Рис. 8.9 пересекает вселенную в ряде различных эпох, так что сечения далеки от однородных. Это существенное усложнение описания космической истории, из-за которого физики и астрономы в целом не рассматривают такие точки зрения. Вместо этого они обычно рассматривают только точку зрения наблюдателей, которые двигаются только с космическим потоком, поскольку это дает сечения, которые однородны, – но, строго говоря, каждая точка зрения применима так же, как и любая другая.


Как мы видим дальше в левой стороне космического пространственно-временного батона вселенная становится все меньше и все плотнее. И точно так же, как велосипедная камера становится горячее и горячее, когда вы вдуваете в нее все больше и больше воздуха, вселенная становится все горячее и горячее по мере того, как материя и излучение сжимаются все более и более тесно за счет уменьшения пространства. Если мы обратимся назад к моменту всего лишь одной десятимиллионной доли секунды после начала, вселенная будет столь плотна и столь горяча, что обычная материя распадется на первичную плазму из составляющих элементарной природы. И если мы продолжим наше путешествие назад, прямо к моменту вблизи самого нуля времени – времени Большого взрыва – вся известная вселенная сожмется до размера, по сравнению с которым точка в конце этого предложения выглядит гигантской.


Рис 8.10 Космическая история – пространственно-временной "батон" – для вселенной, которая плоская и имеет конечную пространственную протяженность. Нечеткость наверху обозначает недостаток наших знаний об областях вблизи начала вселенной.


Плотности в такую раннюю эпоху были настолько велики, а условия настолько экстремальны, что самые усовершенствованные физические теории, которые мы сегодня имеем, не могут дать нам проникновение в происходящее. По причинам, которые будут становиться все более ясными, высокоуспешные законы физики, разработанные в двадцатом столетии, не действуют больше при таких напряженных условиях, оставляя нас без руководства в нашем походе к пониманию начала времен. Мы коротко увидим, что недавние исследования обеспечивают дающий надежду свет маяка, но до сих пор мы понимаем неполноту наших знаний о том, что происходило в начале при приближении к размытому пятнышку далеко слева на космическом пространственно-временном батоне, – нашей версии terra incognita на картах прошлого. С этим последним замечанием мы представляем Рис. 8.10, как примерную иллюстрацию космической истории.


Альтернативные формы


Пока мы предполагали, что пространство имеет форму, подобную экрану видеоигры, но ситуация имеет много тех же самых особенностей и для других возможностей. Например, если данные в конце концов покажут, что форма пространства сферическая, то тогда по мере того, как мы движемся все дальше назад во времени, размер сферы становится все меньше, вселенная становится все горячее и плотнее, и при нулевом времени мы столкнемся с некоторой разновидностью начала типа Большого взрыва. Изображение иллюстрации, аналогичной Рис. 8.10, проблематично, поскольку сферы не сопоставимы четко одна с другой (вы можете, например, представить "сферический батон", в котором каждое сечение является сферой, которая окружает предыдущую), но в стороне от графических трудностей физика почти совершенно та же. Случаи бесконечного плоского пространства и бесконечного седлообразного пространства также обладают многими одинаковыми особенностями вместе с двумя уже обсуждавшимися формами, но они отличаются в одном существенном смысле. Посмотрим на Рис. 8.11, на котором сечения представляют плоское пространство, которое бесконечно протяженно (конечно, мы можем показать только его часть). Когда вы наблюдаете все более ранние времена, пространство сжимается; галактики становятся все ближе и ближе друг к другу, чем дальше назад вы смотрите на Рис 8.11b. Однако общий размер пространства остается тем же самым. Почему? Ну, бесконечность забавная вещь. Если пространство бесконечно и вы сокращаете все расстояния на множитель два, размер пространства становится равным половине от бесконечности, что все еще равно бесконечности. Так что, хотя все вещи сближаются друг с другом и плотности становятся все выше, когда вы направляетесь все дальше назад во времени, общий размер вселенной остается бесконечным; вещи становятся более плотными везде на протяжении бесконечного пространства. Это дает весьма отличающийся образ Большого взрыва.


Обычно мы представляем вселенную, начинающуюся с точки, грубо как на Рис. 8.10, на котором нет внешнего пространства или времени. Тогда, при таком виде взрыва, пространство и время развертываются от их сжатой формы и расширяющаяся вселенная начинает полет. Но если вселенная пространственно бесконечна, уже имеется бесконечная пространственная протяженность в момент Большого взрыва. В этот начальный момент плотность энергии повышается и достигаются несравнимые ни с чем температуры, но эти экстремальные условия существуют везде, а не только в одной отдельной точке. В такой обстановке Большой взрыв не имел места в одной точке; напротив, Большой взрыв имел место везде на бесконечной протяженности. По сравнению с обычным точечным началом, это похоже на много Больших взрывов в каждой точке бесконечной пространственной протяженности. После Взрыва пространство раздувалось, но его общий размер не возрастал, поскольку нечто, уже бесконечное, не может стать еще больше. Что возрастало, так это расстояния между объектами вроде галактик (как только они сформировались), как вы можете видеть, посмотрев слева направо на Рис 8.11b. Наблюдатель вроде вас или меня, посмотрев наружу из одной галактики или из другой, увидит все окружающие галактики разбегающимися прочь, точно так же, как открыл Хаббл.


Имеем в виду, что этот пример бесконечного плоского пространства намного больше, чем чисто академический. Мы увидим, что имеются веские основания считать, что общая форма пространства не искривленная, а поскольку до сих пор нет оснований считать, что пространство имеет форму экрана видеоигры, плоская бесконечно большая пространственная форма является передовой областью споров для крупномасштабной структуры пространства-времени.


Рис 8.11 (а) Схематическое изображение бесконечного пространства, населенного галактиками, (b) Пространство сокращается во все более ранние времена, – так что галактики становятся ближе и более плотно упакованными в ранние времена, – но общий размер бесконечного пространства остается бесконечным. Наше неведение относительно того, что происходило в самые ранние времена обозначено размытым пятном, но здесь пятно распространено по всей бесконечной пространственной протяженности.


Космология и симметрия


Соображения симметрии явно были необходимыми в разработке современной космологической теории. Понятие времени, его применимость ко вселенной как целому, общая форма пространства и даже лежащая в основании схема ОТО – все они остаются на фундаменте симметрии. Даже в этих условиях, имеется еще и другой способ, в котором идеи симметрии наполняют эволюционирующий космос. В ходе его истории температура вселенной охватывала огромный диапазон от невыносимо горячих моментов сразу после Взрыва до нескольких градусов выше абсолютного нуля, которые мы находим сегодня, если вы поместите термометр в глубокое пространство. И, как я буду объяснять в следующей главе, вследствие критической взаимозависимости между теплом и симметрией то, что мы видим сегодня, является вероятным, но холодным остатком намного более богатой симметрии, которая формировала раннюю вселенную и предопределяла некоторые из самых привычных и существенных особенностей космоса.

9 Испаряя ваккум


ТЕПЛОТА, ПУСТОТА И ОБЪЕДИНЕНИЕ


В течение времени, составляющего около 95 процентов истории вселенной, космический корреспондент, интересующийся приблизительной, всеобъемлющей формой вселенной, сообщал бы более или менее одинаковый сюжет: вселенная продолжает расширяться. Материя продолжает рассеиваться вследствие расширения. Плотность вселенной продолжает уменьшаться. Температура продолжает падать. На самых больших масштабах вселенная сохраняет симметричный однородный вид. Но не всегда можно было так спокойно описывать космос. Самые ранние этапы требуют крайне беспокойных сообщений, поскольку в те начальные моменты вселенная испытывала быстрые изменения. И мы теперь знаем, что то, каким образом все тогда происходило, сыграло определяющую роль в том, что мы наблюдаем сегодня.


В этой главе мы сфокусируемся на критических моментах в первые доли секунды после Большого взрыва, когда, как мы верим, количество симметрии, заключенной во вселенной, неожиданно менялось, причем с каждым изменением запускались совершенно различные эпохи в космической истории. В то время как сейчас корреспондент может неспешно фиксировать в нескольких одинаковых строчках каждые несколько миллиардов лет, в те ранние моменты быстрых изменений симметрии его работа должна была быть заметно более напряженной, поскольку основная структура материи и сил, отвечающих за ее поведение, была полностью необычной. Причина связана с взаимной игрой между теплотой и симметрией и требует полного переосмысления того, что мы думаем о понятиях пустого пространства и пустоты. Как мы увидим, такое переосмысление не только существенно улучшает наше понимание вселенной в первые моменты, но так же и подводит нас на шаг ближе к осуществлению мечты, которая восходит к Ньютону, Максвеллу и, в особенности, к Эйнштейну, – мечты об объединении. Так же важно, что эти разработки открывают этап более современной космологической схемы, инфляционной космологии, подхода, который заявляет ответы на некоторые наиболее тяжелые вопросы и наиболее трудные загадки, по поводу которых стандартная модель Большого взрыва молчит.


Теплота и симметрия


Когда вещи становятся очень горячими или очень холодными, они иногда изменяются. И иногда изменения столь вопиющие, что вы даже не можете распознать вещь, с которой вы начинали. Вследствие горячих условий сразу после Взрыва и последовавшего быстрого падения температуры по мере расширения и охлаждения пространства, понимание последствий изменения температуры является ключевым в попытках разобраться с ранней историей вселенной. Но начнем проще. Начнем со льда.


Если вы нагреваете очень холодный кусочек льда, сначала ничего особого не происходит. Хотя его температура растет, его внешний вид остается почти совсем неизменным. Но если вы повысите его температуру любым способом до 0 градусов Цельсия и сохраните нагрев в прежнем положении, внезапно произойдет нечто драматическое. Твердый лед начнет таять и превратится в жидкую воду. Пусть привычность этой трансформации не лишает спектакль яркости. Без предыдущих опытов, включающих лед и воду, было бы проблематично осознать внутреннюю связь между ними. Одно является твердым телом каменной твердости, тогда как другое является вязкой жидкостью. Простые наблюдения не обнаруживают прямых признаков того, что их молекулярный состав, Н2О, идентичен. Если вы никогда до сих пор не видели лед или воду, и вам представили бак того и другого вещества, сначала вы, вероятно, подумаете, что они никак не связаны. И уже когда каждый пересекает границу 0 градусов Цельсия, вы становитесь свидетелем удивительной алхимии, когда каждое вещество превращается в другое.


Если вы продолжите нагревать жидкую воду, вы снова найдете, что пока ничего не будет происходить при равномерном росте температуры. Но когда вы достигнете 100 градусов Цельсия, произойдет другое резкое изменение: жидкая вода начнет кипеть и превратится в пар, горячий газ, который опять-таки не очевидно связан с жидкой водой или твердым льдом. Хотя, конечно, все три вещества имеют одинаковый молекулярный состав. Изменения от твердого к жидкому и от жидкого к газу известны как фазовые переходы. Многие вещества проходят через сходную последовательность изменений, если их температура изменяется в достаточно широком диапазоне.[1]


Симметрия играет центральную роль в фазовых переходах. Почти во всех случаях, если вы сравните подходящие измерения симметрии чего-либо до и после того, как это что-либо пройдет через фазовый переход, вы найдете существенное изменение. На молекулярных масштабах, например, лед имеет кристаллическую форму, в которой молекулы Н2О расположены в упорядоченной гексагональной решетке. Подобно симметриям ящика на Рис. 8.1, полный рисунок молекул льда остается неизменным только при определенных специальных преобразованиях, таких как вращения на угол 60 градусов относительно отдельных осей гексагонального расположения. Напротив, когда мы нагреем лед, кристаллическое расположение расплавится в беспорядочную однородную массу молекул, – жидкую воду, – которая остается неизменной при вращениях на любой угол относительно любой оси. Итак, путем нагревания льда и побуждения его перейти через фазовый переход твердое тело/жидкость, вы делаете его более симметричным. (Вспомним, что хотя вы можете интуитивно подумать, что нечто более упорядоченное, как лед, является и более симметричным, правильным является совершенно противоположное; нечто более симметрично, если оно может быть подвергнуто большему числу преобразований, таких как вращения, при которых его внешний облик остается неизменным).


Аналогично, если мы нагреваем жидкую воду и она переходит в газообразный пар, фазовый переход также приводит к росту симметрии. В массе воды индивидуальные молекулы Н2О, в среднем, упакованы так, что водородная сторона одной молекулы соседствует с кислородной стороной ее соседки. Если вы повернули ту или иную молекулу в массе воды, она будет заметно нарушать молекулярный узор. Но когда вода выкипает и переходит в пар, молекулы летают здесь и там свободно; тут нет больше никакого узора ориентаций молекул Н2О, и отсюда, когда вы поворачиваете молекулу или группу молекул, газ будет выглядеть тем же самым. Итак, точно так же как переход от льда к воде приводит к росту симметрии, переход от воды к пару приводит к тому же. Большинство (но не все[2]) из веществ ведут себя сходным образом, испытывая повышение симметрии, когда они подвергаются переходу из твердой фазы в жидкую и из жидкой в газообразную.


Ситуация почти такая же, когда вы охлаждаете воду или почти любое другое вещество; все имеет место с точностью до наоборот. Например, когда вы охлаждаете газообразный пар, сначала ничего не происходит, но когда температура падает до 100 градусов Цельсия, внезапно начинается конденсация в жидкую воду; когда вы охлаждаете жидкую воду, ничего не будет происходить, пока вы не достигнете 0 градусов Цельсия, при которых внезапно начинается замерзание в твердый лед. И, следуя тем же рассуждениям относительно симметрии – но наоборот – мы заключаем, что оба из этих фазовых переходов сопровождаются снижением симметрии.*


(*) "Даже если уменьшение симметрии означает, что некоторые преобразования проходят незамеченными, тепло, переданное окружению во время такой трансформации, гарантирует, что полная энтропия, – включая энтропию окружения, – все еще возрастает."


Так много о льде, воде, паре и их симметриях. Как все это должно быть связано с космологией? Ну, в 1970е годы физики обнаружили, что не только объекты во вселенной могут испытывать фазовые переходы, но и космос как целое также может это делать. На протяжении последних 14 миллиардов лет вселенная неуклонно расширялась и становилась более разреженной. И точно так же, как при спускании велосипедной камеры она охлаждается, температура расширяющейся вселенной неуклонно падает. В течение большей части этого уменьшения температуры ничего особого не происходит. Но имеются основания быть уверенным, что когда вселенная переходила через особые критические температуры, – аналоги 100 градусов Цельсия для пара и 0 градусов Цельсия для воды, – она подвергалась радикальному изменению и испытывала резкое уменьшение симметрии. Многие физики уверены, что мы теперь живем в "конденсированной" или "замороженной" фазе вселенной, той, что крайне отличается от более ранних эпох. Космологические фазовые переходы не заключаются буквально в конденсации газа в жидкость или в замерзании жидкости в твердое тело, хотя имеется много качественно сходных свойств с этими более привычными примерами. Скорее, "вещество", которое конденсируется или замерзает, когда вселенная охлаждается до особой температуры, является полем – более точно, Хиггсовым полем. Посмотрим, что это означает.


Сила, материя и Хиггсовы поля


Поля обеспечивают каркас для большей части современной физики. Электромагнитное поле, обсуждавшееся в Главе 3, является, возможно, простейшим и наиболее широко оцененным из природных полей. Проводя жизнь среди радио и телевизионных передач, телефонных коммуникаций, солнечного тепла и света, мы все постоянно купаемся в море электромагнитных полей. Фотоны являются элементарными составляющими электромагнитных полей и могут рассматриваться как микроскопические переносчики электромагнитной силы. Когда вы что-нибудь видите, вы можете думать об этом в терминах волнового электромагнитного поля, входящего в ваш глаз и стимулирущего вашу сетчатку, или в терминах частиц-фотонов, входящих в ваш глаз и делающих то же самое. По этой причине фотон временами описывается как частица-переносчик электромагнитной силы.


Гравитационное поле также привычно, поскольку оно постоянно и единообразно удерживает нас и все остальное вокруг нас на земной поверхности. Как и с электромагнитными полями, мы все погружены в море гравитационных полей; Земля доминирует, но мы также чувствуем гравитационные поля Солнца, Луны и других планет. Точно так же, как фотоны являются частицами, которые составляют электромагнитное поле, физики уверены, что частицами, которые составляют гравитационное поле, являются гравитоны. Гравитоны все еще не открыты экспериментально, но это не удивительно. Гравитация является слабейшей из всех сил (например, обычный магнит, который вешается на холодильник, может поднять скрепку для бумаги, тем самым преодолев притяжение всей земной гравитации), так что вполне понятно, что экспериментаторы еще не уловили мельчайшие составляющие слабейшей силы. Однако, даже без экспериментального подтверждения большинство физиков уверено, что точно так же, как фотоны передают электромагнитную силу (они являются частицами-переносчиками электромагнитных сил), гравитоны передают гравитационную силу (они являются частицами-переносчиками сил тяготения). Когда вы роняете стакан, вы можете думать о происходящем в терминах гравитационного поля Земли, притягивающего стакан, или, используя более изощренное геометрическое описание Эйнштейна, вы можете думать об этом в терминах того, что стакан соскальзывает вдоль углубления в ткани пространства-времени, вызванного присутствием Земли, или, – если гравитоны на самом деле существуют, – вы можете также думать об этом в терминах испускания и поглощения гравитонов между Землей и стаканом, передающего гравитационное "сообщение", которое "приказывает" стакану падать к Земле.


Вне этих хорошо известных силовых полей имеются две другие силы природы, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие, и они также оказывают свое влияние через поля. Ядерные силы менее привычны, чем электромагнетизм и гравитация, поскольку они действуют только на атомных и субатомных масштабах. Но даже при этом их влияние на повседневную жизнь через ядерные реакции, заставляющие Солнце светить, ядерные реакции при работе атомных реакторов, а также радиоактивный распад элементов вроде урана и плутония не менее важно. Поля сильного и слабого ядерного взаимодействия называются полями Янга-Миллса в честь Ч.Н. Янга и Роберта Миллса, которые разработали в 1950-е их теоретические обоснования. И точно так же, как электромагнитные поля составлены из фотонов, а поля тяготения, как мы верим, должны быть составлены из гравитонов, сильные и слабые поля также имеют частицы в качестве составляющих. Частицы сильного взаимодействия называются глюонами, а частицы слабого взаимодействия называются W- и Z-частицами. Существование этих частиц взаимодействия было подтверждено экспериментами на ускорителях, проведенными в Германии и Швейцарии в конце 1970х и начале 1980х.


Полевая основа также применима и к материи. Грубо говоря, вероятностные волны квантовой механики сами могут мыслиться как заполняющие пространство поля, которые обеспечивают вероятность, что та или иная частица материи находится в том или ином месте. Например, электрон может рассматриваться как частица, – одна из тех, что могут оставить точку на фосфорецирующем экране, как на Рис. 4.4, – но он может (и должен) также рассматриваться в терминах волнового поля, одного из тех, которые дают вклад в интерференционную картину на фосфоресцирующем экране, как на Рис. 4.3b.[3] Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в большие детали,[4] вероятностная волна электрона тесно связана с некоторым электронным полем – полем, которое во многих смыслах сходно с электромагнитным полем, но в котором электрон играет роль, аналогичную фотонам, будучи мельчайшей составляющей электронного поля. Такой же вид полевого описания сохраняет справедливость также и для всех других видов частиц материи.