Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы

Содержание


Эксперименты с пространством и временем
Подобный материал:
1   ...   42   43   44   45   46   47   48   49   ...   66


Второй подход использует сценарий мира на бране и в его самом радикальном воплощении постулирует полностью новую космологическую схему. Далеко от ясности, выдержит ли этот подход детальную математическую проверку, но он обеспечивает хороший пример того, как прорывы в фундаментальной теории могут проложить новые рельсы через хорошо истоптанную территорию. Предложение называется циклическая модель.


Циклическая космология


С точки зрения времени обычный опыт ставит нас перед лицом двух типов явлений: тем, что имеет ясно очерченное начало, середину и конец (эта книга, бейсбольная игра, человеческая жизнь), и тем, что циклично, случаясь снова и снова (изменение времен года, восход и закат Солнца, бракосочетания Ларри Кинга*). Конечно, при ближайшей проверке мы узнаем, что циклические явления также имеют начало и конец, поскольку циклы, как правило, не продолжаются вечно. Солнце восходит и заходит – что означает, Земля вращается вокруг своей оси во время обращения по орбите вокруг Солнца, – каждый день примерно 5 миллиардов лет. Но перед этим Солнце и Солнечная система еще формировались. А однажды, примерно через 5 миллиардов лет от сегодняшнего дня, Солнце превратится в красного гиганта, поглотив внутренние планеты, включая Землю, и тогда больше не будет даже понятия восхода и заката Солнца, по меньшей мере, не здесь.


(*)"Известный телеведущий американской компании CNN, специализирующийся на интервью. – (прим. перев.)"


Но это современные научные представления. Для древних циклические явления казались вечно циклическими. И для большинства циклические явления, движущиеся своим курсом и неизменно возвращающиеся снова к началу, являются основополагающими явлениями. Циклы дней и времен года задают ритм работы и жизни, так что не удивительно, что старейшие из записанных космологий воображают разворачивание мира как циклический процесс. Вместо того, чтобы постулировать начало, середину и конец, циклическая космология представляет, что мир изменяется сквозь время почти как Луна изменяется по фазам: после того, как она пройдет через полную последовательность, условия созревают для того, чтобы снова стартовать и начать очередной цикл.


С момента открытия ОТО было предложено много циклических космологических моделей; наиболее известная была разработана в 1930е Ричардом Толменом из Калифорнийского Технологического Института. Толмен предположил, что наблюдаемое расширение вселенной может замедлиться, однажды остановиться, и затем последует период сжатия, при котором вселенная будет все меньше. Но вместо достижения феерического финала, в котором она схлопнется и придет к концу, Толмен предположил, что вселенная может испытать отскок: пространство может сократиться до некоторого малого размера, а затем откатиться, начав новый цикл расширения, который опять сменится сжатием. Вселенная вечно повторяет этот цикл – расширение, сжатие, отскок, снова расширение, – что позволяет элегантно избежать нелегкой проблемы начала, – в таком сценарии сама проблема начала неприменима, поскольку вселенная всегда была и всегда будет.


Но Толмен обнаружил, вглядываясь назад во времени из сегодняшнего дня, что циклы могут повторяться в течение промежутка времени, но не безгранично. Причина в том, что в течение каждого цикла второй закон термодинамики диктует, что энтропия в среднем будет возрастать.[8] А в соответствии с ОТО количество энтропии в начале каждого нового цикла определяет, как долго этот цикл будет длиться. Больше энтропии означает более длинный период расширения, прежде чем движение наружу будет подавлено до остановки и власть перейдет к движению внутрь. Каждый последующий цикл будет, следовательно, длиться намного дольше, чем его предшественник; эквивалентно, более ранние циклы будут короче и короче. Когда постоянное укорачивание циклов анализируем математически, это подразумевает, что они не могут простираться бесконечно далеко в прошлое. Даже в циклической схеме Толмена вселенная будет иметь начало.


Предложение Толмена включало сферическую вселенную, которая, как мы видели, противоречит наблюдениям. Но радикально новое воплощение циклической космологии, содержащее в себе плоскую вселенную, недавно было разработано в рамках теории струн/М-теории. Идея пришла от Пола Стейнхардта и его коллеги Нейла Турока из Кембриджского Университета (с сильным использованием результатов, полученных ими вместе с Бартом Оврутом, Натаном Зейбергом и Джастином Хоури) и предложила новый механизм движения космической эволюции.[9] Излагая коротко, они предположили, что мы живем на 3-бране, которая яростно сталкивается каждые несколько триллионов лет с другой соседней параллельной 3-браной. И "взрыв" от столкновения инициирует каждый новый космологический цикл.


Рис 13.7 Две 3-браны, разделенные коротким интервалом.


Базовая схема предложения проиллюстрирована на Рис. 13.7 и была выдвинута несколько лет назад Хофавой и Виттеном в некосмологическом контексте. Хофава и Виттен пытались дополнить предложенное Виттеном объединение всех пяти струнных теорий и нашли, что если одно из семи дополнительных измерений в М-теории имеет очень простую форму – не круг, как на Рис. 12.7, а маленький сегмент прямой линии, как на Рис. 13.7, – и ограничивается так называемыми бранами конца мира, связанными подобно книжным обложкам, тогда может быть сделана прямая связь между Е-гетеротической струнной теорией и всеми остальными. Детали того, как они протянули эту связь, и не очевидны и не существенны (если вы интересуетесь, посмотрите, например, Элегантную Вселенную, Главу 12); что имеет значение, так это то, что это является стартовой точкой для естественного возникновения самой теории. Стейнхардт и Турок привлекли ее для своего космологического плана.


А именно, Стейнхардт и Турок представили, что каждая брана на Рис. 13.7 имеет три пространственных измерения, а разлинованный сегмент между ними обеспечивает четвертое пространственное измерение. Оставшиеся шесть пространственных измерений скручены в пространство Калаби-Яу (не показанное на рисунке), которое имеет правильную форму для струнных колебательных мод, чтобы получить известные семейства частиц.[10] Вселенная, о которой мы непосредственно осведомлены, соответствует одной из этих 3-бран; если вы хотите, вы можете думать о второй 3-бране как о другой вселенной, чьи обитатели, если они имеют место, также будут осведомлены только о своих трех пространственных измерениях, если предположить, что их экспериментальная технология и экспертиза не сильно превосходят нашу. Тогда в этой схеме другая 3-брана – другая вселенная – находится прямо рядом. Она парит не более, чем на расстоянии доли миллиметра (расстояние вдоль четвертого пространственного измерения, как на Рис. 13.7), но поскольку наша 3-брана столь липкая, а гравитация, которую мы ощущаем, столь слабая, мы не имеем прямого подтверждения существования второй браны, так же, как ее гипотетические обитатели не имеют подтверждения нашего существования.


Но в соответствии с циклической космологической моделью Стейнхардта и Турока Рис. 13.7 не есть то, что всегда было или что всегда будет. Напротив, в их подходе две 3-браны притягиваются друг к другу, – почти как если бы они были соединены маленькими резиновыми лентами, – и это предполагает, что каждая управляет космологической эволюцией другой: браны вовлечены в бесконечный цикл столкновений, отскоков и снова столкновений, вечно восстанавливая их протяженные трехмерные миры. Чтобы увидеть, как это происходит, посмотрим на Рис. 13.8, который иллюстрирует один полный цикл шаг за шагом.


(0)


(5) (1)


(4) (2)


(3)


Рис 13.8 Различные этапы в циклической космологической модели мира на бране.


На Этапе 1 две 3-браны просто несутся по направлению друг к другу и врезаются друг в друга, а затем отскакивают. Жуткая энергия столкновения запасается в существенном количестве высокотемпературной радиации и материи в каждой из отскочивших 3-бран, и – в этом ключ – Стейнхардт и Турок утверждают, что детальные свойства этой материи и радиации имеют совокупность параметров, почти идентичную той, что генерируется в инфляционной модели. Хотя на этот счет еще имеются некоторые разногласия, Стейнхардт и Турок, следовательно, заявляют, что столкновение между двумя 3-бранами приводит к физическим условиям, экстремально близким к тем, которые они имели моментом позже взрыва инфляционного расширения в более обычном подходе, обсуждавшемся в Главе 10. Тогда не удивительно, что для гипотетического наблюдателя внутри нашей 3-браны следующие несколько этапов в циклической космологической модели, по существу, те же самые, как и в стандартном подходе, как показано на Рис. 9.2 (где этот рисунок теперь интерпретируется как эскиз эволюции одной из 3-бран). А именно, когда наша 3-брана отскакивает после столкновения, она расширяется и охлаждается, а космические структуры вроде звезд и галактик понемногу срастаются из первичной плазмы, как вы можете видеть на Этапе 2. Далее, вдохновленные недавними наблюдениями сверхновых, обсуждавшимися в Главе 10, Стейнхардт и Турок дополнили свою модель, так что примерно через 7 миллиардов лет в цикле – Этап 3 – энергия обычной материи и радиации стала существенно рассеянной за счет расширения браны, так что компонента темной энергии получила верховную власть и через свое отрицательное давление запустила эру ускоренного расширения. (Это требует произвольной тонкой настройки деталей, но позволяет модели соответствовать наблюдениям, а это, как утверждают поборники циклической модели, хорошо мотивировано). Примерно 7 миллиардами лет позже мы, люди, находим себя здесь на Земле, по меньшей мере в данном цикле, испытывая начальные этапы фазы ускорения. Затем, грубо в течение следующего триллиона лет ничего особенно нового не происходит, исключая то, что наша 3-брана продолжает ускоренное расширение. Это достаточно долго для нашего трехмерного пространства, чтобы растянуться на такой колоссальный фактор, что материя и радиация рассеиваются почти полностью, приводя мир на бране к состоянию, когда он выглядит почти полностью пустым и полностью однородным: Этап 4.


К этому моменту наша 3-брана завершила свой отскок от начального столкновения и начала снова приближаться ко второй 3-бране. Когда мы подходим все ближе и ближе к следующему столкновению, квантовые дрожания струн, закрепленных на нашей бране, заполняют ее однородный вакуум мельчайшей рябью, Этап 5. Пока мы продолжаем увеличивать скорость, рябь продолжает расти; затем в катаклизме столкновения мы вляпываемся во вторую 3-брану, отскакиваем, и цикл повторяется снова. Квантовая рябь накладывает малую неоднородность на радиацию и материю, произведенную во время столкновения, и, почти как в инфляционном сценарии, эти отклонения от совершенной однородности вырастают в комки, которые в конечном счете генерируют звезды и галактики.


Это главные этапы циклической модели (также известной у сочувствующих как Большой шлепок). Ее предпосылка – сталкивающиеся миры на бранах – очень отличается от успешной инфляционной теории, но, тем не менее, имеется существенная точка контакта между двумя подходами. То, что обе полагаются на квантовые возбуждения для генерирования начальной неоднородности, является одним из существенных сходств. Фактически Стейнхардт и Турок утверждают, что уравнения, управляющие квантовой рябью в циклической модели почти идентичны таким уравнениям в инфляционной картине, так что результирующая неоднородность, предсказанная двумя теориями, почти так же идентична.[11] Более того, поскольку в циклической модели нет инфляционного взрыва, в ней есть триллионолетний период (начало Этапа 3) спокойного ускоренного расширения. Но это на самом деле только вопрос поспешности против терпения; что инфляционная модель достигает за миг, циклическая модель достигает за сравнительную вечность. Поскольку столкновение в циклической модели не является началом вселенной, имеется роскошь медленного решения космологических проблем (вроде проблем плоскостности и горизонта) за последний триллион лет каждого предыдущего цикла. Эоны спокойного, но постоянно ускоряющегося расширения в конце каждого цикла растягивают нашу 3-брану аккуратно и плоско и, исключая мелкие, но важные квантовые флуктуации, делают ее совершенно однородной. Итак, длинный финальный этап каждого цикла, сменяющийся шлепком в начале следующего цикла, дает окружение, очень похожее на то, что генерируется коротким всплеском расширения в инфляционном подходе.


Краткая оценка


При их существующих уровнях разработки как инфляционная, так и циклическая модели обеспечивают содержательные космологические схемы, но ни одна из них не предлагает завершенной теории. Незнание превалирующих условий во время самых ранних моментов вселенной заставляет поборников инфляционной космологии просто предполагать, без теоретического обоснования, что условия, требующиеся для инициации инфляции, возникли. Если это так, теория решает большое количество космологических головоломок и запускает стрелу времени. Но такие успехи, во-первых, зависят от того, происходит ли инфляция. Что еще больше, инфляционная космология не встраивается прямо в теорию струн, а раз так, она пока что не является частью непротиворечивого слияния квантовой механики и ОТО.


Циклическая модель имеет свою собственную долю дефектов. Как и в модели Толмена, рассмотрение возрастания энтропии (а также квантовой механики[12]) гарантирует, что циклы циклической модели не могут происходить всегда. Напротив, циклы начинаются в некоторое определенное время в прошлом, так что, как и с инфляцией, мы нуждаемся в объяснении того, как стартовал первый цикл. Если это сделано, тогда теория, также подобно инфляционной, разрешает ключевые космологические проблемы и задает направление стреле времени из низкоэнтропийного шлепка в направлении через ряд последовательных этапов, как на Рис. 13.8. Но, как полагают в настоящее время, циклическая модель не предлагает объяснения, как или почему вселенная находится в необходимой конфигурации Рис. 13.8. Почему, например, шесть измерений свернулись в особую форму Калаби-Яу, тогда как одно из дополнительных измерений послушно приняло форму пространственного сегмента, разделяющего две 3-браны? Как так получилось, что две 3-браны конца мира выстроились настолько совершенно и притягиваются друг к другу с точно правильной силой, чтобы этапы на Рис. 13.8 происходили так, как мы описали? И критическую важность имеет вопрос, что на самом деле происходит, когда две 3-браны сталкиваются в циклической модели Взрыва?


С этим последним вопросом есть надежда, что шлепок циклической модели менее проблематичен, чем сингулярность, с которой мы сталкиваемся в момент времени нуль в инфляционной космологии. Вместо того, чтобы все пространство было бесконечно сжато, в циклическом подходе только одно измерение между бранами сдавливается; сами браны испытывают общее расширение во время каждого цикла, а не сжатие. А это, как утверждают Стейнхардт, Турок и их соратники, подразумевает конечные температуры и конечные плотности на самих бранах. Но это очень шаткое заключение, поскольку до сих пор никто не был в состоянии предложить лучшие уравнения и обрисовать, что должно будет происходить, когда браны схлопываются вместе. Фактически, до сих пор завершенный анализ, направленный к шлепку бран, имеет ту же проблему, которая беспокоит инфляционную теорию в момент нуль: математика терпит неудачу. Таким образом, космология все еще нуждается в строгом разрешении ее сингулярного старта – будь это на самом деле старт вселенной или старт нашего текущего цикла.


Самое убедительное свойство циклической модели заключается в способе, которым она присоединяет темную энергию и наблюдаемое ускоренное расширение. В 1998, когда было открыто, что вселенная повержена ускоренному расширению, это было совершенным сюрпризом для большинства физиков и астрономов. Хотя это могло быть инкорпорировано в инфляционную космологическую картину путем предположения, что вселенная содержит точно правильное количество темной энергии, ускоренное расширение казалось подобным нескладному дополнению. Напротив, в циклической модели роль темной энергии естественная и стержневая. Триллионолетний период постепенного, но постоянно ускоряющегося расширения является решающим для вытирания грифельной доски начисто, для растворения наблюдаемой вселенной почти до полной пустоты, и для восстановления условий для подготовки нового цикла. С этой точки зрения как инфляционная модель, так и циклическая модель зависят от ускоренного расширения – инфляционная модель вблизи ее начала, а циклическая модель в конце каждого своего цикла, – но только последняя имеет прямое наблюдательное подтверждение. (Вспомним, что циклический подход построен так, что мы просто ввели триллионолетнюю фазу ускоренного расширения, а такое расширение было недавно обнаружено). Это лишь мгновение в башне циклической модели, но это также означает, что если вдруг прекращение ускоренного расширения подтвердиться будущими наблюдениями, инфляционная модель сможет это пережить (хотя загадка исчезновения 70 процентов энергетического бюджета вселенной вновь всплывет), а циклическая модель не сможет.


Новые взгляды на пространство-время


Сценарий мира на бране и циклическая космологическая модель, им порожденная, оба в высшей степени умозрительны. Я обсуждал их здесь не столько потому, что я определенно чувствую, что они корректны, сколько потому, что я хотел проиллюстрировать поразительные новые пути для размышления о пространстве, в котором мы обитаем, и испытываемой им эволюции, которые были инспирированы теорией струн/М-теорией. Если мы живем внутри 3-браны, столетней давности вопрос относительно материальности трехмерного пространства получит самый определенный ответ: пространство будет браной, а потому определенно будет чем-то. Это может также не быть чем-то особенно специальным, так как могут быть многие другие браны, разных размерностей, плавающие внутри многомерных просторов теории струн/М-теории. И если космологическая эволюция на нашей 3-бране подвергается повторяющимся столкновениям с соседней браной, время, как мы его знаем, будет отмерять только один из многих циклов вселенной, с одним Большим взрывом, следующим за другим, а затем следующим.


Для меня это взгляд, как возбуждает, так и приводит к смирению. Может иметься намного больше пространства и времени, чем мы предчувствовали; если они есть, то, что мы рассматриваем как "все сущее", может быть только малой составляющей намного более богатой реальности.

V Реальность и воображение

14 Вверх в небеса и вниз на Землю

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПРОСТРАНСТВОМ И ВРЕМЕНЕМ


Мы прошли долгий путь со времен Эмпедокла из Агригенто, объяснявшего вселенную с использованием земли, воздуха, огня и воды. И большая часть прогресса, которого мы достигли от Ньютона через революционные открытия двадцатого столетия, была впечатляюще подтверждена экспериментальной проверкой детальных и точных теоретических предсказаний. Но с середины 1980х мы стали жертвой своего собственного успеха. С непрекращающимся побуждением отодвинуть пределы понимания все дальше наши теории вошли в области вне достижимости нашей сегодняшней технологии.


Тем не менее, с использованием старания и удачи многие идеи переднего фронта будут проверены в течение нескольких следующих десятилетий. Как мы будем обсуждать в этой главе, планируемые или идущие полным ходом эксперименты имеют потенциал больше прояснить вопросы о существовании дополнительных измерений, составе темной материи и темной энергии, происхождении массы и Хиггсовом океане, аспектах космологии ранней вселенной, существенности суперсимметрии и, возможно, достоверности самой теории струн. Итак, со значительной долей удачи некоторые умозрительные и инновационные идеи относительно объединения, природы пространства и времени и нашего космического происхождения могут в конце концов быть проверены.


Эйнштейн в захвате


В десятилетних попытках сформулировать ОТО Эйнштейн черпал вдохновение из многих источников. Самыми важными из всех были достижения в математике искривленных поверхностей, разработанные в девятнадцатом веке математическими светилами, включая Карла Фридриха Гаусса, Яноша Больяи, Николая Лобачевского и Георга Бернхарда Римана. Как мы обсуждали в Главе 3, Эйнштейн также был вдохновлен идеями Эрнста Маха. Вспомним, что Мах защищал реляционистскую концепцию пространства: в соответствии с ней пространство обеспечивает язык для определения положения объекта относительно других, но само оно не является независимой сущностью. Сначала Эйнштейн был чемпионом энтузиазма относительно точки зрения Маха, поскольку она была самой относительной, насколько может быть теория, поддерживающая относительность. Но когда Эйнштейн понял ОТО глубже, он осознал, что она не может полностью включить в себя идеи Маха. В соответствии с ОТО вода в Ньютоновском ведре, вращающемся в пустой во всех других отношениях вселенной, будет принимать искривленную форму, и это противоречит чистой реляционистской точке зрения Маха, поскольку она подразумевает абсолютное понятие ускорения. Даже в этих условиях ОТО включила в себя некоторые аспекты точки зрения Маха, и в течение следующих нескольких лет обсуждаемый ниже эксперимент более чем на 500 миллионов долларов, который был в разработке около сорока лет, будет проверять одну из самых известных особенностей идей Маха.


Изучаемая физика была известна с 1918, когда австрийские исследователи Джозеф Ленц и Ханс Тирринг использовали ОТО, чтобы показать, что точно так же, как массивный объект деформирует пространство и время, – как шар для боулинга, покоящийся на батуте, – так вращающийся объект увлекает пространство (и время) вокруг себя, как вращающийся камень, погруженный в ведро сиропа. Этот эффект известен как системное увлечение (захват) и подразумевает, например, что астероид, свободно падающий в направлении быстро вращающейся нейтронной звезды или черной дыры будет пойман в воронку вращающегося пространства и будет закручиваться вокруг, когда он путешествует в направлении вниз. Эффект называется системным увлечением, поскольку с точки зрения астероида – из его системы отсчета – он совсем не будет никуда закручиваться. Напротив, он падает прямо вниз вдоль пространственной решетки, но поскольку пространство кружится (как на Рис. 14.1), решетка будет изгибаться, так что понятие "прямо вниз" будет отличаться от того, что вы ожидали, основываясь на удаленной, незакрученной системе отсчета.