Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Документы

Содержание Пространство – придуманная человеком абстракция или физическая сущность?

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.

Не будет преувеличением описать эту ситуацию как кошмар теоретиков: отсутствие математических средств, с которыми нужно анализировать важнейшие области, которые лежат вне экспериментальной достижимости. И поскольку пространство и время так сильно связаны с этой специфической недостижимой областью – истоком вселенной, – понимание пространства и времени полностью требует от нас поиска уравнений, которые могли бы справиться с экстремальными условиями огромных плотностей, энергий и температур, характеризующих ранние моменты вселенной. Это абсолютно важнейшая цель и она, во что верят многие физики, требует разработки так называемой единой теории.


Единая реальность


На протяжении последних нескольких столетий физики пытались объединить наши представления о естественном мире, для чего пытались показать, что несходные и, очевидно, особые явления в действительности управляются одним набором физических законов. Для Эйнштейна эта цель объединения – объяснение широчайшего массива явлений через несколько физических принципов – стала страстью жизни. Своими двумя теориями относительности Эйнштейн объединил пространство, время и гравитацию. Но этот успех только раззадорил его на большие размышления. Он мечтал найти простую и все в себя включающую систему взглядов, способную охватить все законы природы; он называл эту систему взглядов единой теорией. Хотя теперь и тогда распространялись слухи, что Эйнштейн нашел единую теорию, все такие заявления оказывались необоснованными; мечта Эйнштейна осталась неисполненной.


Эйнштейновская сосредоточенность на единой теории на протяжении последних тридцати лет его жизни отстранила его от генерального пути физики. Многие более молодые физики рассматривали его отшельнические поиски величайшей из всех теорий как бред великого человека, который в свои последние годы свернул на ложный путь. Но за десятилетия с момента ухода Эйнштейна растущее число физиков подхватили его незавершенный поиск. Сегодня разработка единой теории расценивается как одна из наиболее важных проблем теоретической физики.


За многие годы физики нашли, что центральной помехой для реализации единой теории является фундаментальный конфликт между двумя главными прорывными направлениями физики двадцатого века: общей теорией относительности и квантовой механикой. Хотя эти две системы обычно применяются в сильно отличающихся областях – общая теория относительности для больших тел вроде звезд и галактик, квантовая механика для малых тел вроде молекул и атомов, – каждая теория претендует на универсальность и на способность работать во всех областях. Однако, как отмечалось выше, как только теории используются в связке, их объединенные уравнения дают бессмысленные ответы. Например, когда квантовая механика используется с общей теорией относительности для расчета вероятности некоторого процесса или имеет место иное включение гравитации, ответ, который часто находится, не похож на ответ вроде вероятности 24 процента, или 63 процента или 91 процент; вместо этого из объединенной математики неожиданно появляется бесконечная вероятность. Такая высокая вероятность не означает, что вы должны биться об заклад на нее, поскольку ее можно вспугнуть. Вероятности более 100 процентов бессмысленны. Расчеты, которые производят бесконечную вероятность, просто показывают, что объединенные уравнения общей теории относительности и квантовой механики сходят с ума.


Ученые осведомлены о напряженных отношениях между общей теорией относительности и квантовой механикой больше половины века, но в течение долгого времени сравнительно немногие чувствововали необходимость поиска решения. Вместо этого большинство исследователей использовали общую теорию относительности исключительно для анализа больших и массивных объектов, тогда как для квантовой механики отводили задачу исключительно анализа малых и легких объектов, тщательно удерживая каждую теорию на безопасном расстоянии от другой, так что их взаимная враждебность держалась под контролем. В течение лет эта попытка ареста позволила достигнуть ошеломляющих успехов в нашем понимании каждой из областей, но это не привело к прочному миру.


Очень немногие области – экстремальные физические ситуации, в которых объекты и массивны и малы, – попали прямо в демилитаризованную зону, требуя, чтобы общая теория относительности и квантовая механика воздействовали одновременно. Центр черной дыры, в которую обрушиваются целые звезды под их собственным весом в мельчайшую точку, и Большой взрыв, в котором целая наблюдаемая вселенная, как предполагается, была сжата до ядрышка, значительно меньшего, чем отдельный атом, представляют два наиболее типичных примера. Без успешного союза между общей теорией относительности и квантовой механикой конец коллапсирующей звезды и начало вселенной навсегда останутся тайнами. Многие ученые были настроены сохранять эти области подальше друг от друга или, как минимум, откладывали раздумья о них до появления другой, более разрешимой проблемы.


Но некоторые исследователи не могли ждать. Конфликт среди известных законов физики означает неспособность ухватить глубинную истину, и этого было достаточно, чтобы легко удержать этих ученых от покоя. Те, кто глубоко задумывается, находят глубины вод и бурление потоков. На протяжении длительного времени исследователи добились лишь небольшого прогресса; вещи выглядели мрачными. Даже при этих условиях упорство тех, кто имел решимость установить курс и оставил в живых мечту об объединении общей теории относительности и квантовой механики, было вознаграждено. Ученые теперь записывают на свой счет пути, обнародованные такими исследователями, и приближаются к гармоничному слиянию законов большого и малого. Подход, который, как согласны многие, является лидером соревнований, это теория суперструн (Глава 12).


Как мы увидим, теория суперструн начинается с предложения нового ответа на старый вопрос: что является мельчайшей неделимой составляющей материи? В течение многих десятилетий общепринятый ответ был, что материя состоит из частиц – электронов и кварков, – которые моделируются как точки, которые неделимы и которые не имеют размера и внутренней структуры. Общепринятая теория утверждала, а эксперименты подтверждали, что эти частицы соединяются различными путями, образуя протоны, нейтроны и широкое разнообразие атомов и молекул, создавая все, с чем мы постоянно сталкиваемся. Теория суперструн рассказывает иную историю. Она не отрицает ключевую роль, которую играют электроны, кварки и другие виды частиц, проявляющихся в эксперименте, но утверждает, что эти частицы не являются точками. Вместо этого, в сответствии с теорией суперструн каждая частица составлена крошечной нитью энергии, в несколько сотен миллиардов миллиардов раз меньшей, чем отдельные атомные ядра (намного меньше, чем мы можем в настоящее время исследовать), которая имеет форму маленькой струны. И точно так же, как струна скрипки может вибрировать различными способами, каждый из которых создает различные музыкальные тона, нити теории суперструн также могут колебаться различными способами. Но эти колебания не производят различные музыкальные ноты; поразительно, теория утверждает, что они производят различные свойства частиц. Крошечная струна, вибрирующая одним образом, будет иметь массу и электрический заряд электрона; в соответствии с теорией такая колеблющаяся струна будет тем, что мы традиционно называем электроном. Крошечная струна, вибрирующая другим образом, будет иметь все необходимые свойства, чтобы идентифицировать ее как кварк, нейтрино или любой другой вид частицы. Все семейства частиц унифицируются в теории суперструн, поскольку каждая появляется из различных колебательных состояний (мод), осуществляемых одним и тем же лежащим в основании объектом.


Двигаясь от точек к струнам-которые-так-малы-что-выглядят-как-точки, можно не отследить, что такого ужасно важного изменится в перспективе. Однако такое есть. Из такого скромного начала теория суперструн объединяет общую теорию относительности и квантовую механику в единую последовательную теорию, изгоняя разрушительные бесконечные вероятности, от которых страдали первоначально предпринимавшиеся объединения. И если этого недостаточно, теория суперструн обнаруживает широкую необходимость вшивания всех сил природы и всей материи в один и тот же теоретический гобелен. Короче говоря, теория суперструн является главным кандидатом на роль единой теории Эйнштейна.


Это главные утверждения и они, если они правильны, представляют монументальный шаг вперед. Но более ошеломительная особенность теории суперструн, которая, я в этом почти не сомневаюсь, вызвала бы сердечный приступ у Эйнштейна, это ее глубокое воздействие на наши представления о ткани космоса. Как мы увидим, предлагаемый теорией суперструн синтез общей теории относительности и квантовой механики будет математически осмыслен, только если мы подвергнем нашу концепцию пространства-времени еще одному потрясению. Вместо трех пространственных измерений и одного временного измерения, следующих из повседневного опыта, теория суперструн требует девяти пространственных измерений и одного временного. А в более сильной инкарнации теории суперструн, известной как М-теория, объединение требует десять пространственных и одно временное измерение – космический фундамент складывается в целом из одиннадцати пространственно-временных измерений. Поскольку мы не видим эти дополнительные измерения, теория суперструн говорит нам, что мы слишком бегло осмотрели ограниченный ломтик реальности.


Конечно, отсутствие наблюдательного подтверждения дополнительных измерений может также означать, что они не существуют и что теория суперструн ложная. Однако, движение к такому заключению будет экстремально поспешным. Даже за десятилетия до открытия теории суперструн мечтательные ученые, включая Эйнштейна, обдумывали идею о пространственных измерениях вне тех, которые мы видим, и выдвигали возможности, где эти измерения могут быть скрыты. Струнные теоретики, по-существу, усовершенствовали эти идеи и нашли, что дополнительные измерения могут быть так тесно скрученными, что они слишком малы для нас или любого нашего существующего оборудования, чтобы их видеть (Глава 12), или он могут быть большими, но невидимыми в рамках тех способов, которыми мы исследуем вселенную (Глава 13). Каждый сценарий приводит к глубоким следствиям. Через их влияние на струнные колебания геометрический образ мельчайших скрученных измерений может содержать ответы на некоторые из самых основных вопросов, вроде того, почему наша вселенная имеет звезды и планеты. А пространство, обеспечиваемое большими дополнительными измерениями, может позволять даже нечто более примечательное: другие соседние миры – не соседние в обычном пространстве, а соседние в дополнительных измерениях, – о которых мы поэтому полностью не осведомлены.


Обе идеи существования дополнительных измерений не просто теоретическое парение в облаках. Они в скором времени могут быть проверены. Если они существуют, дополнительные измерения могут привести к зрелищным результатам в следующем поколении атомных ускорителей, таким как первая синтезированная человеком микроскопическая черная дыра или производство гигантского разнообразия новых, никогда ранее не наблюдавшихся видов частиц (Глава 13). Эти и другие экзотические результаты могут обеспечить первое проявление размерностей, лежащих вне непосредственно видимых, обеспечивая нам шаг к установлению теории суперструн, как давно разыскиваемой единой теории.


Если теория суперструн подтвердит свою точность, мы будем в силах допустить, что реальность, которую мы знаем, является тонким шелком, накинутым на толстую и богато структурированную ткань космоса. Вопреки декларации Камю, определение числа пространственных измерений – и, в особенности, нахождение, что их не просто три, – обеспечит намного больше, чем интересные для науки, но, в конечном счете, несущественные детали. Открытие дополнительных измерений покажет, что полнота человеческого опыта оставляет нас полностью неосведомленными об основных и существенных аспектах вселенной. Это будет сильнейший аргумент в пользу того, что даже те особенности космоса, которые мы представляли себе легко доступными для человеческих ощущений, могут не быть таковыми.


Реальность прошлого и будущего


С разработкой теории суперструн исследователи настроены оптимистично, что мы, наконец, имеем структуру, которая не разрушится при любых условиях, не важно, насколько экстремальных, позволяя нам когда-нибудь всмотреться с нашими уравнениями назад и изучить, что происходило в тот момент, когда вселенная, насколько мы это знаем, началась. На сегодня никто не достиг достаточной сообразительности, чтобы недвусмысленно применить теорию к Большому взрыву, но понимание космологии в соответствии с теорией суперструн становится одним из высших приоритетов сегодняшних исследований. На протяжении последних нескольких лет энергичные исследовательские программы по суперструнной космологии во всем мире привели к новым космологическим системам взглядов (Глава 13), предлагающим новые пути для проверки теории суперструн с использованиям астрофизических наблюдений (Глава 14) и обеспечивающим некоторые первые взгляды на роль, которую теория может сыграть в объяснении стрелы времени.


Стрела времени через определяющую роль, которую она играет в повседневной жизни, и ее интимную связь с началом вселенной лежит на уникальном пороге между реальностью, которую мы ощущаем, и более утонченной реальностью, которую наука переднего края пытается раскрыть. Раз так, то вопрос о стреле времени обеспечивает общую нить, которая бежит через многие разработки, которые мы будем обсуждать, и он снова и снова будет всплывать на поверхность в следующих главах. Это пробный камень. Среди многих факторов, формирующих жизнь, которую мы ведем, время находится среди наиболее доминирующих. Раз уж мы продолжаем добывать выгоды из теории суперструн и ее расширения, М-теории, наши космологические взгляды будут углубляться, делая видение и начала времени, и его стрелы все более четким. Если мы позволим нашему воображению двигаться совершенно свободно, мы можем даже узреть, что глубина наших представлений однажды позволит нам плавать в пространстве-времени и, следовательно, освободиться от пространственно-временных цепей, в которые мы были закованы тысячелетия (Глава 15).


Конечно, экстремально маловероятно, что мы когда-либо достигнем такой мощи. Но даже если мы никогда не добудем способности контролировать пространство и время, глубокое понимание принесет свои собственные возможности. Наше понимание истинной природы пространства и времени будет проверкой способностей человеческого интеллекта. Мы, наконец, придем к знанию пространства и времени – молчаливым, всегда присутствующим меткам, очерчивающим крайние границы человеческого опыта.


Совершеннолетие в пространстве и времени


Когда я много лет назад перевернул последнюю страницу Мифа о Сизифе, я был приятно удивлен текстом, который внушил объемлющее чувство оптимизма. Как-никак, когда человек приговорен к закатыванию камня на гору при полном знании, что он скатится вниз и ему потребуется начать закатывать камень снова, это не тот сорт историй, от которых вы можете ожидать счастливого конца. Однако Камю нашел сильную надежду в способности Сизифа бороться за свободу воли, давить на несокрушимое препятствие и утверждать свой выбор продолжения существования, даже когда он приговорен к абсурдному занятию в безразличной вселенной. За пределами прямого опыта, при прекращении любого поиска более глубокого понимания или глубокого смысла, утверждает Камю, Сизиф торжествует.


На меня произвела серьезное впечатление способность Камю находить надежду, когда многие другие будут видеть только безысходность. Но как юноша, и только после многих десятилетий я нашел, что я не могу принять утверждение Камю, что более глубокое понимание вселенной ничего не даст для того, чтобы сделать жизнь более богатой или достойной. В то время как Сизиф был героем Камю, величайшие ученые – Ньютон, Эйнштейн, Нильс Бор и Ричард Фейнман – стали моими. И когда я читал фейнмановское описание розы, – в котором он объяснял, как он может ощущать аромат и красоту цветка так же полно, как и любой другой человек, но как его знание физики весьма обогащает ощущения, поскольку он может также принять в изумлении и великолепии лежащие в основе молекулярные, атомные и субатомные процессы, – я крепко сел на крючок. Мне захотелось того, что описывал Фейнман: оценивать жизнь и ощущать вселенную на всех возможных уровнях, а не только на тех, что кажутся достижимыми нашим хрупким человеческим ощущениям. Поиск более глубокого понимания космоса стал моей плотью и кровью.


Как профессиональный физик, я долго осуществляю то, что было более наивным в моей институтской страсти к физике. Физики в целом не расходуют свои рабочие дни, созерцая цветы в состоянии космического трепета и мечтательности. Вместо этого мы уделяем большую часть нашего времени борьбе со сложными математическими уравнениями, написанными каракулями поперек исчерканной мелом доски. Прогресс может быть слабым. Многообещающие идеи, более часто, чем нет, приводят в никуда. Такова природа научного поиска. Хотя, даже в периоды минимального прогресса я нахожу, что только усилия, использованные на головоломки и расчеты, дают мне ощущение тесной связи с космосом. Я нахожу, что вы можете прийти к знанию вселенной не только разрешая ее тайны, но и также погружаясь с головой в них. Ответы велики. Ответы, подтвержденные экспериментом, еще более велики. Но даже ответы, которые в конце концов оказываются ложными, представляют результат глубокого свидания с космосом – свидания, которое излучает интенсивный свет на вопросы и, следовательно, на саму вселенную. Даже когда камень, ассоциирующийся с отдельным научным объяснением, оказывается катящимся назад в самое начало, мы, тем не менее, чему-то учимся и наши ощущения космоса обогащаются.


Конечно, история науки показывает, что камень наших коллективных научных исследований – с учетом вклада бесчисленных ученых через все континенты и столетия – не скатывается вниз с горы. В отличие от Сизифа, мы не начинаем все с самого начала. Каждое поколение наследует камень у предыдущего, отдает дань уважения тяжелой работе, проницательности, творчеству своих предшественников и понемногу толкает его дальше. Новые теории и более усовершенствованные измерения отмечают прогресс науки, и такой прогресс достраивает то, что пришло раньше, почти никогда не вытирая грифельную доску до чистоты. Поскольку это так, наша работа далека от абсурда или бесцельности. Вкатывая камень на гору, мы предпринимаем наиболее лучшие и благородные действия: обнаружив новое, мы сообщаем об этом заинтересованным людям, чтобы наслаждаться чудесами, которые мы открываем, и чтобы передать наши знания тем, кто идет следом.


Для представителя вида, который по космической шкале времени только сейчас научился ходить вертикально, предстоящие проблемы ошеломительны. Кроме того, за последние три столетия, пока мы продвигались от классической к релятивистской, а затем к квантовой реальности, и движемся сегодня к изучению единой реальности, наше мышление и инструменты охватили от края до края великие просторы пространства и времени, приведя нас ближе чем когда-либо к миру, который проявляет искусное мастерство маскировки. И поскольку мы продолжаем медленно снимать маски с космоса, мы зарабатываем хорошие знания, которые приходят только от приближения к ясности истины. Исследованиям еще очень далеко идти, но многим кажется, будто наш биологический вид, наконец, достиг окончания детства.


Несомненно, наше взросление здесь на окраине Млечного пути[6] происходит уже долгое время. Так или иначе, мы тысячи лет исследовали наш мир и обозревали космос. Но за большую часть этого времени мы совершали только ограниченные вторжения в неизведанное, каждый раз возвращаясь домой слегка более мудрыми, но сильно не изменившимися. Потребовалось вмешательство Ньютона, чтобы прочно установить флаг современного научного исследования, и никогда не возвращаться к старому. Мы с тех пор направились выше. И все наше путешествие начинается с простого вопроса.


Что такое пространство?


2 Вселенная и ведро


ПРОСТРАНСТВО – ПРИДУМАННАЯ ЧЕЛОВЕКОМ АБСТРАКЦИЯ ИЛИ ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ?


Нечасто бывает, чтобы ведро воды было в центре дебатов, длящихся триста лет. Но ведро, принадлежавшее сэру Исааку Ньютону, есть не обычное ведро, а маленький эксперимент, который он описал в 1689 году и который оказал с тех пор глубокое влияние на некоторых из величайших физиков мира. Эксперимент таков: берем ведро, наполненное водой, подвешиваем его на веревку, туго закручиваем веревку так, что она готова раскручиваться, и отпускаем ведро. Во-первых, ведро начинает вращаться, но вода внутри остается явно стационарной; поверхность стационарной воды остается гладкой и плоской. Когда ведро набирает скорость, мало-помалу его движение передается воде через трение, и вода начинает вращаться тоже. Когда это происходит, поверхность воды принимает вогнутый вид, выше возле обода и ниже в центре, как показано на Рис. 2.1.


Этот эксперимент – не совсем такой, от которого начинает сильно биться сердце. Но небольшое размышление покажет, что это ведро с вращающейся водой экстремально головоломно. И подход к его пониманию, что мы не могли сделать триста лет, оценивается как один из наиболее важных шагов к пониманию структуры вселенной. Понимание, почему тут возникает некоторое двойное дно, стоит усилий.


Рис 2.1 Поверхность воды сначала плоская и остается такой, когда ведро начинает вращаться. Впоследствии, когда вода также начинает вращаться, ее поверхность становится вогнутой, и она остается вогнутой, пока вода вращается, даже когда ведро замедляется и останавливается. Реальность до Эйнштейна


Слово "относительность" мы ассоциируем с Эйнштейном, но сама концепция гораздо старше. Галилей, Ньютон и многие другие были хорошо осведомлены, что скорость – быстрота и направление движения объекта – относительна. В современных терминах с точки зрения бейсболиста хорошо поданный быстрый мяч может делать приблизительно 100 миль в час. С точки зрения бейсбольного мяча есть подающий, чья скорость приблизительно 100 миль в час. Оба описания точны; это просто вопрос ракурса. Движение мыслится только в относительном смысле: скорость объекта может быть определена только по отношению к другому объекту. Вы, вероятно, ощущали это. Когда поезд, на котором вы находитесь, оказывается рядом с другим и вы видите относительное движение, вы не можете немедленно сказать, какой поезд на самом деле движется по рельсам. Галилей описывал этот эффект, используя транспорт его дней, а именно, корабли. Уроните монету на плавно плывущем судне, говорил Галилей, и она ударится у ваших ног точно также, как это будет на твердой земле. С вашей точки зрения вы можете определенно заявить, что вы стационарны, а вода обтекает корпус корабля. И поскольку с этой точки зрения вы не движитесь, движение монеты относительно ваших ног будет точно такое же, какое оно было до вашей посадки на корабль.