Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
| Вид материала | Документы |
- 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.
В 1948 датский физик Хендрик Казимир вычислил, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля могут быть экспериментально обнаружены. Квантовая теория говорит, что дрожания электромагнитного поля в пустом пространстве будут иметь различную форму, как проиллюстрировано на Рис. 12.1а. Прозрение Казимира заключалось в осознании того, что, разместив две обычные металлические пластины в пустой в иных отношениях области, как на Рис. 12b, можно индуцировать тонкую модификацию этих вакуумных дрожаний поля. А именно, квантовые уравнения показывают, что в области между пластинами не будет нескольких флуктуаций (допустимы только те флуктуации электромагнитного поля, чьи величины исчезают в местоположении каждой пластины). Казимир проанализировал следствия такого ограничения в дрожаниях поля и нашел нечто экстраординарное.
(а) (b)
Рис 12.1 (а) Вакуумные флуктуации электромагнитного поля, (b) Вакуумные флуктуации между двумя металлическими пластинами и они же вне пластин.
Почти как уменьшение количества воздуха в области создает дисбаланс давлений (например, на большой высоте вы можете почувствовать разрежение воздуха, оказывающее меньшее давление вне ваших ушных раковин), уменьшение квантовых дрожаний поля между пластинами также дает дисбаланс давления: квантовые дрожания поля между пластинами становятся чуть-чуть слабее, чем вне пластин, и этот дисбаланс двигает пластины друг к другу.
Подумайте о том, насколько это совершенно странно. Вы помещаете две пластины, обыкновенные, не заряженные металлические пластины в пустую область пространства, одну лицом к другой. Когда их масса мала, гравитационное притяжение между ними настолько мало, что может быть полностью проигнорировано. Поскольку нет ничего другого вокруг, вы действительно придете к заключению, что пластины останутся неподвижными. Но расчеты Казимира предсказали, что произойдет не это. Он пришел к заключению, что пластины будут мягко вынуждаться призрачной хваткой квантовых вакуумных флуктуаций к движению в направлении друг друга.
Когда Казимир впервые анонсировал этот теоретический результат, достаточно чувствительное оборудование для проверки его предсказания не существовало. Однако в течение около десяти лет другой датский физик Маркус Спаарней оказался в состоянии инициировать первые рудиментарные проверки сил Казимира, и с тех пор были проведены все более точные эксперименты. Например, в 1997 году Стив Ламоро, тогда работавший в Университете Вашингтона, подтвердил предсказания Казимира с точностью 5 процентов.[4] (Для пластин, размером грубо с игральные карты и расположенных на расстоянии одной десятитысячной сантиметра друг от друга, сила между ними оказалась примерно равной весу отдельной капли росы; это показывает, как сложно измерение силы Казимира). Теперь мало кто сомневается, что интуитивное понятие пустого пространства как статической, спокойной, бедной событиями арены совершенно не имеет оснований. Из-за квантовой неопределенности пустое пространство переполнено квантовой активностью.
Это заставило ученых большую часть двадцатого века полностью разрабатывать математику для описания такой квантовой активности как электромагнитных, так и сильных и слабых ядерных сил. Усилия даром не пропали: расчеты с использованием этой математической схемы согласуются с экспериментальными изысканиями с беспримерной точностью (например, расчеты влияния вакуумных флуктуаций на магнитные свойства электронов согласуются с экспериментальными результатами до одной части на миллиард).[5]
Однако, несмотря на все эти успехи, много десятилетий физики осознавали, что квантовые дрожания провоцируют внутри законов физики неудовлетворительность.
Дрожания и их неудовлетворительность[6]
До настоящего времени мы обсуждали только квантовые дрожания полей, которые существуют внутри пространства. А как насчет квантовых дрожаний самого пространства? Хотя это может звучать загадочно, на самом деле это просто другой пример дрожаний квантовых полей – пример, однако, содержащий особую трудность. В ОТО Эйнштейн установил, что гравитационная сила может быть описана как деформация и искривление ткани пространства; он показал, что гравитационные поля проявляются через форму геометрии пространства (или, более общо, пространства-времени). Теперь, точно подобно любому другому полю, гравитационное поле подвергается квантовым дрожаниям: принцип неопределенности подразумевает, что на мельчайших масштабах расстояний гравитационное поле флуктуирует вверх и вниз. А поскольку гравитационное поле есть синоним формы пространства, такие квантовые дрожания означают, что форма пространства хаотично флуктуирует. Еще раз, как и со всеми примерами квантовой неопределенности, на масштабах наших повседневных расстояний дрожания слишком малы, чтобы ощущаться непосредственно, и окружающая среда выглядит гладкой, безмятежной и предсказуемой. Но чем меньше масштаб наблюдения, тем больше неопределенность и тем больше становится буйство квантовых флуктуаций.
Это проиллюстрировано на Рис.12.2, на котором мы последовательно увеличиваем ткань пространства, чтобы обнаружить его структуру при все более мелких расстояниях. Самый большой уровень внизу на рисунке показывает квантовые возмущения пространства на привычных масштабах и, как вы можете видеть, тут нечего смотреть, – неровности ненаблюдаемо малы, так что пространство выглядит невозмутимым и плоским. Но когда мы проникаем дальше, последовательно увеличивая область, мы видим, что неровности пространства становятся все более неистовыми. На высшем уровне на рисунке, который показывает ткань пространства на масштабах, меньших планковской длины – миллионной миллиардной миллардной миллиардной доли (10–33) сантиметра – пространство становится бурлящим, кипящим котлом бешеных флуктуаций. Как проясняет иллюстрация, обычные понятия лево/право, назад/вперед и вверх/вниз становится так перепутанными ультрамикроскопической суетой, что они теряют всякий смысл. Даже обычное понятие до/после, которое мы иллюстрировали последовательными сечениями пространственно-временного батона, делается бессмысленным квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10–43) секунды (которое грубо равно времени, необходимому свету, чтобы пролететь планковскую длину). Подобно размытой фотографии, дикие колебания на Рис. 12.2 делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог такой, что на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени больше не применимы.
Рис 12.2 Последовательное увеличение пространства обнаруживает, что ниже планковской длины пространство становится неузнаваемо бурным вследствие квантовых дрожаний. (Здесь представлены воображаемые увеличительные стекла, каждое из которых увеличивает между 10 и 100 миллионами раз).
Хотя и экзотический в деталях, приблизительный урок, проиллюстрированный Рис. 12.2, суть один из тех, с которым мы уже знакомы: концепции и заключения, существенные на одном масштабе, могут быть не применимыми на всех масштабах. Это ключевой принцип в физике, и один из тех, с которыми мы постоянно встречаемся, хотя и в куда более прозаическом контексте. Возьмем стакан воды. Описание воды как гладкой, однородной жидкости и полезно, и применимо на повседневных масштабах, но это является приближением, которое разрушается, если мы изучаем воду с субмикроскопической точностью. На мелком масштабе гладкий образ уступает место полностью другой системе далеко разделенных молекул и атомов. Аналогично, Рис. 12.2 показывает, что концепция Эйнштейна гладких, мягко искривленных геометрических пространства и времени, хотя и сильна и точна для описания вселенной на больших масштабах, рушится, если мы анализируем вселенную на экстремально коротких пространственных и временных масштабах. Физики уверены, что, как и с водой, гладкое изображение пространства и времени является приближением, которое уступает место другой, более фундаментальной схеме, когда они рассматриваются на ультрамикроскопических масштабах. Что это за схема, – что составляет "молекулы" и "атомы" пространства и времени, – этот вопрос рассматривается в настоящее время с большой энергией. Он еще должен быть разрешен.
Даже при этих условиях, что вполне ясно из Рис. 12.2, на мельчайших масштабах гладкий характер пространства и времени, представляемый ОТО, вступает в борьбу с неистовым, дрожащим характером квантовой механики. Основной принцип ОТО Эйнштейна, что пространство и время образуют мягко искривленную геометрическую форму, спотыкается об основной принцип квантовой механики, принцип неопределенности, который подразумевает дикую, буйную, турбулентную окружающую среду на мельчайших масштабах. Ужасный конфликт между центральными идеями ОТО и квантовой механики сделал объединение двух теорий одной из самых трудных проблем, с которыми физики сталкивались в течение последних восьмидесяти лет.
Это имеет значение?
На практике несовместимость между ОТО и квантовой механикой возникла весьма специфическим образом. Если вы используете объединенные уравнения ОТО и квантовой механики, они почти всегда приводят к одному ответу: бесконечности. И в этом проблема. Это бессмыслица. Экспериментаторы никогда не измеряют бесконечное количество чего-либо. Часы никогда не вращаются до бесконечности. Линейки никогда не протягиваются до бесконечности. Калькуляторы никогда не регистрируют бесконечность. Почти всегда бесконечный ответ является бессмысленным. Все это говорит нам, что уравнения ОТО и квантовой механики при их соединении становятся ненормальными.
Отметим, что это совершенно не похоже на напряженность между СТО и квантовой механикой, которая возникала в нашем обсуждении квантовой нелокальности в Главе 4. Там мы нашли, что согласование принципов СТО (в особенности, симметрии между всеми наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью) с поведением запутанных частиц требует более полного понимания проблемы квантовых измерений, чем до сих пор было достигнуто (смотрите секцию "Запутанность и СТО: противоположный взгляд" в Главе 4, стр 117–120). Но эта не решенная полностью проблема не приводит к математической несостоятельности или к уравнениям, которые дают бессмысленные ответы. Наоборот, объединенные уравнения СТО и квантовой механики используются, чтобы делать наиболее точно подтвержденные в истории науки предсказания. Тихое напряжение между СТО и квантовой механикой указывает на область, где требуются дальнейшие теоретические изыскания, но оно едва ли влияет на их объединенную предсказательную силу. Не так с взрывоопасным союзом между ОТО и квантовой механикой, в котором вся предсказательная сила потеряна.
Тем не менее, вы все еще можете спросить, имеет ли реальное значение несовместимость между ОТО и квантовой механикой. Безусловно, объединенные уравнения могут приводить к нонсенсу, но когда вообще вам реально может понадобиться использовать их вместе? Годы астрономических наблюдений показали, что ОТО описывает макромир звезд, галактик и даже целого расширяющегося космоса с впечатляющей точностью; десятилетия экспериментов подтвердили, что квантовая механика делает то же самое для микромира молекул, атомов и субатомных частиц. Поскольку каждая теория чудесно работает в своей собственной области, зачем беспокоиться об их объединении? Почему не удерживать их разделенными? Почему не использовать ОТО для вещей, которые большие и массивные, квантовую механику для вещей, которые мелкие и легкие, и прославлять впечатляющие достижения человечества в успешном понимании такого широкого диапазона физических явлений?
На самом деле, это как раз то, что большинство физиков и делали с первых десятилетий двадцатого века, и никто не отрицает, что это, несомненно, был плодотворный подход. Прогресс науки, сделанный в этой несоединенной системе, впечатляет. Тем не менее, есть несколько причин, почему антагонизм между ОТО и квантовой механикой должен быть сглажен. Таких причин две.
Первое, по-хорошему, тяжело поверить, что глубочайшее понимание вселенной заключается в неясном союзе между двумя мощными теоретическими схемами, которые взаимно несовместимы. Это ничто иное, как если бы вселенная оборудовалась линией на песке, разделяющей вещи, которые правильно описываются квантовой механикой, от вещей, которые правильно описываются ОТО. Разделение вселенной на две обособленные реальности кажется как искусственным, так и грубым. Для многих очевидно, что должна существовать более глубокая, объединенная истина, которая перекрывает расщелину между ОТО и квантовой механикой и которая может быть применена ко всему. Мы имеем одну вселенную и, следовательно, многие полностью уверены, что мы должны иметь одну теорию.
Второе, хотя большинство вещей являются или большими и тяжелыми, или маленькими и легкими, и, следовательно, в практическом смысле могут быть описаны с использованием ОТО или квантовой механики, это не верно для всех вещей. Черные дыры обеспечивают хороший пример. В соответствии с ОТО вся материя, составляющая черную дыру, сдавлена вместе в отдельной мельчайшей точке в центре черной дыры.[7] Это делает центр черной дыры как чудовищно массивным, так и немыслимо маленьким, а потому он попадает на обе стороны предлагаемого разделения: нам надо использовать ОТО, так как большая масса создает мощное гравитационное поле, и нам также надо использовать квантовую механику, так как вся масса стиснута в мельчайший размер. Но в комбинации уравнения разрушаются, так что никто не смог определить, что происходит прямо в центре черной дыры.
Это хороший пример, но если вы на самом деле скептик, вы можете еще поинтересоваться, является ли он чем-то, что должно заставлять кого угодно не спать ночью. Поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, пока мы туда не прыгнем, и, более того, если мы туда прыгнем, мы не сможем сообщить о наших наблюдениях назад во внешний мир, наше неполное понимание внутренней области черной дыры может не произвести на вас впечатления, как не особенно беспокоящее. Для физиков, однако, существование области, в которой известные законы физики отказывают, – не важно, насколько эзотерической, скрытой эта область может казаться, – поднимает вверх красные флаги. Если известные законы физики разрушаются при некоторых обстоятельствах, это ясный сигнал, что мы не достигли глубочайшего возможного понимания. После всего сказанного, вселенная работает, поскольку мы можем сказать, что вселенная не разрушается. Корректная теория вселенной должна, уж по меньшей мере, удовлетворять такому же стандарту.
Итак, это, конечно, кажется обоснованным. Но без дополнительных усилий полная нетерпимость конфликта между ОТО и квантовой механикой обнаруживается только через другой пример. Посмотрим назад на Рис. 10.6. Как вы можете видеть, мы проделали великий прогресс в соединении в одно целое непротиворечивой и предсказательной истории космической эволюции, но картина осталась неполной из-за размытого пятна вблизи зарождения вселенной. А внутри мутного тумана тех ранних моментов лежит прорыв в самые соблазнительные тайны: причину и фундаментальную природу пространства и времени. Так что нам мешает проникнуть в туман? Упрек возлагается прямо на конфликт между ОТО и квантовой механикой. Антагонизм между законами большого и законами малого является причиной размытого пятна, остающегося неясным, и мы все еще не имеем взгляда на то, что происходило в самом начале вселенной.
Чтобы понять, почему, представьте, как в Главе 10, прокрутку пленки с расширяющимся космосом в обратном направлении, обратившись назад по направлению к Большому взрыву. При прокрутке в обратном направлении все, что сейчас уносится в стороны, будет сходиться вместе, и когда мы прокручиваем пленку еще дальше назад, вселенная становится все меньше, горячее и плотнее. Когда мы приблизимся к самому моменту времени нуль, вся наблюдаемая вселенная сожмется до размеров Солнца, затем спрессуется до размеров Земли, затем сдавится до размеров шара для боулинга, горошины, песчинки – вселенная сокращается до все меньшего и меньшего по мере того, как пленка перематывается по направлению к начальным кадрам. Тогда в этом обратном фильме наступит момент, когда вся известная вселенная будет иметь размер, близкий к планковской длине, – миллионной миллиардной миллиардной миллиардной сантиметра, – при которой ОТО и квантовая механика находятся в непримиримой оппозиции. В этот момент вся масса и энергия, соответствующая рождению наблюдаемой вселенной содержится в кусочке, который меньше чем в сто миллиардов миллиардов раз размера отдельного атома.[8]
Таким образом, точно так же, как в случае центра черной дыры, ранняя вселенная попадает на обе стороны водораздела: гигантская плотность ранней вселенной требует использования ОТО. Мельчайшие размеры ранней вселенной требуют использования квантовой механики. Но еще раз, в такой комбинации законы отказываются работать. Проектор "зажевывает" космическую пленку, она воспламеняется и мы не можем получить доступ к ранним моментам вселенной. Вследствие конфликта между ОТО и квантовой механикой мы остаемся неосведомленными о том, что происходило в начале, и возвращаемся к изображению размытого пятна на Рис. 10.6.
Если мы когда-нибудь надеемся понять истоки вселенной – один из глубочайших вопросов во всей науке, – конфликт между ОТО и квантовой механикой должен быть разрешен. Мы должны урегулировать разницу между законами большого и законами малого и соединить их в отдельную гармоничную теорию.
Невероятная дорога к решению*
(*) "Остаток этой главы излагает открытие теории суперструн и обсуждает существенные идеи теории относительно унификации структуры пространства-времени. Читавшие Элегантную Вселенную (особенно Главы с 6 по 8) будут знакомы почти со всем материалом и могут чувствовать себя свободными пропустить эту главу и двигаться к следующей."
Как показали работы Ньютона и Эйнштейна, научные прорывы временами рождаются отдельными учеными, сомневающимися гениями, чисто и просто. Но это редкость. Намного более часто великие прорывы представляют коллективные усилия многих ученых, каждый из которых, основываясь на достижениях других, доводит их до завершения, чего ни один индивидуал не смог бы достичь в изоляции. Один ученый может внести идею, которая заставит коллег задуматься, что приведет к наблюдениям, что обнаружит неожиданную взаимосвязь, что инспирирует важное продвижение вперед, что запустит новый цикл открытия. Свободные знания, технические приспособления, гибкость мышления, открытость непредвиденных связей, погружение в свободный поток идей по всему миру, тяжелая работа и существенное везение являются критическими частями научного открытия. В последнее время вообще не было крупного прорыва, который бы лучше проиллюстрировал это, чем разработка теории суперструн.
Теория суперструн представляет собой подход, который, как уверены многие ученые, соединяет ОТО и квантовую механику. И, как мы увидим, есть основания надеяться даже на большее. Хотя все еще очень много работы предстоит, теория суперструн может успешно представлять собой полностью унифицированную теорию всех сил и всей материи, теорию, которая осуществляет мечту Эйнштейна, и даже больше – теорию, как верю я и многие другие, которая освещает начало пути, который однажды приведет нас к самым глубоким законам вселенной. Правда, однако, теория суперструн не замышлялась как оригинальный способ достичь этих благородных и долгосрочных целей. Напротив, история теории суперструн полна случайных открытий, фальш-стартов, упущенных возможностей и почти разрушенных карьер. Это также, в точном смысле, история открытия правильного решения для ошибочной проблемы.
В 1968 Габриэле Венециано, молодой стипендиат-исследователь после защиты, работая в ЦЕРНе, был одним из многих физиков, пытавшихся понять сильное ядерное взаимодействие через изучение результатов высокоэнергетических столкновений частиц, производимых в атомных ускорителях по всему миру. После меяцев анализа образцов и упорядочения данных Венециано осознал удивительную и неожиданную связь с малоизвестной областью математики. Он обнаружил, что формула, открытая две сотни лет назад знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером (бета-функция Эйлера), кажется, точно соответствует данным по сильным ядерным взаимодействиям. Хотя это не звучало уж очень необычно, – физики-теоретики все время имеют дело с загадочными формулами, – это был замечательный случай, когда многие мили телега прокатилась впереди лошади. Более часто, чем нет, физики сначала проявляют интуицию, строят воображаемую картину, ясно понимая физические принципы, лежащие в основе всего, что они изучают, и только затем ищут уравнения, необходимые, чтобы обосновать свою интуицию в строгой математике. Венециано, напротив, перепрыгнул прямо к уравнению; его великолепие заключалось в распознавании необычных картин в данных и установлении неожиданной связи с формулой, разработанной столетиями ранее из чисто математического интереса.
Но хотя Венециано имел формулу в руках, он не имел объяснения, почему она работает. Ему не хватало физической картины, почему бета-функция Эйлера может быть существенна для частиц, влияющих друг на друга через сильное ядерное взаимодействие. Через два года ситуация полностью изменилась. В 1970 статьи Леонарда Сасскайнда из Стэнфорда, Холгера Нильсена из Института Нильса Бора и Йоихиро Намбу из Университета Чикаго обнаружили физические обоснования открытия Венециано. Эти физики показали, что если сильное взаимодействие между двумя частицами происходит вследствие мельчайшей, экстремально тонкой, почти подобной резиновой ленте нити, которая соединяет частицы, тогда квантовые процессы, которые сосредоточенно обдумывали Венециано и другие, будут математически описываться с использованием формулы Эйлера. Маленькие эластичные нити были окрещены струнами и с этого момента, правильно поставив лошадь перед телегой, теория струн официально родилась.