Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   43   44   45   46   47   48   49   50   ...   66


Рис 14.1 Массивный вращающийся объект увлекает пространство – свободно падающую систему – вокруг себя.


Чтобы увидеть связь с Махом, подумаем о версии системного увлечения, в которой массивный вращающийся объект есть огромная пустотелая сфера. Расчеты, инициированные в 1912 Эйнштейном (даже до завершения им ОТО), которые были существенно расширены в 1965 Дитером Бриллом и Джефри Коэном и окончательно завершены в 1985 немецкими физиками Пфистером и К. Брауном, показали, что пространство внутри полой сферы будет увлекаться вращательным движением и выстроится в воронкоподобный волчок.[1] Если стационарное ведро, наполненное водой, – стационарное с точки зрения удаленного положения – будет помещено внутрь вращающейся сферы, расчеты показывают, что вращающееся пространство окажет силовое воздействие на стационарную воду, заставляя ее подниматься по стенкам ведра и принимать искривленную форму.


Этот результат безмерно порадовал бы Маха. Хотя он не мог иметь подобное описание в терминах "вращающегося пространства", – поскольку эта фраза описывает пространство-время как нечто, – он нашел бы его экстремально удовлетворяющим тому, что относительное вращательное движение между сферой и ведром вызывает изменения в форме воды. Фактически, для капсулы, которая содержит достаточно массы (в количестве на одном уровне с массой, содержащейся во всей вселенной), расчеты показывают, что не имеет никакого значения, считаете ли вы, что полая сфера вращается вокруг ведра или ведро вращается внутри полой сферы. Точно так же, как Мах отстаивал, что имеет значение только относительное движение между ними двумя. А поскольку расчеты, на которые я сослался, не используют ничего, кроме ОТО, это является явным примером несомненных маховских свойств теории Эйнштейна. (Тем не менее, в то время как стандартная аргументация Маха требовала, чтобы вода оставалась плоской, если ведро вращалось в бесконечной, пустой вселенной, ОТО с этим не согласна. Результаты Пфистера и Брауна показали, что достаточно массивная вращающаяся сфера в состоянии полностью блокировать обычное воздействие пространства, которое лежит вне самой сферы).


В 1960 Леонард Шифф из Стэнфордского Университета и Джордж Пью из Департамента обороны США независимо предположили, что предсказание ОТО системного увлечения может быть экспериментально проверено с использованием вращательного движения Земли. Шифф и Пью обнаружили, что в соответствии с ньютоновской физикой вращающийся гироскоп – вращающееся колесо, которое прикреплено к оси, – плавающий по орбите высоко над земной поверхностью, должен быть ориентирован в фиксированном и неизменном направлении. Но в соответствии с ОТО его ось должна чрезвычайно слабо вращаться вследствие увлечения пространства Землей. Поскольку масса Земли незначительна по сравнению с гипотетической полой сферой, использованной в приведенных выше вычислениях Пфистера и Брауна, степень системного увлечения, вызванного вращением Земли, будет ничтожной. Детальные расчеты показали, что если ось волчка гироскопа сначала направлена на выбранную контрольную звезду, годом позже слабо кружащееся пространство сдвинет направление его оси примерно на стотысячную долю градуса. Это угол, на который сдвигается секундная стрелка часов грубо за две миллионных доли секунды, так что обнаружение его представляет большую научную, технологическую и инженерную проблему.


Сорока годами разработок и примерно сотней докторских диссертаций позже ко Стэнфорда, руководимая Фрэнсисом Эвериттом и финансируемая НАСА, была готова запустить эксперимент. В течение следующих нескольких лет их спутник (Gravity Probe B – Гравитационный зонд В), плавающий в пространстве на высоте 400 миль и снабженный четырьмя самыми стабильными из когда либо построенных гироскопов, будет пытаться измерить системное увлечение, вызванное земным вращением. Если эксперимент будет успешным, это будет одно из самых точных из когда-либо достигнутых подтверждений ОТО, и это обеспечит первое прямое доказательство эффекта Маха.[2] Не менее возбуждающей является возможность, что эксперимент обнаружит отклонения от предсказаний ОТО. Такая малая трещина в фундаменте ОТО может означать только, что мы нуждаемся в увеличении экспериментальных взглядов на до сих пор скрытые свойства пространства-времени.


Поимка волны


Существенным уроком ОТО является то, что масса и энергия вызывают деформацию ткани пространства; мы проиллюстрировали это на Рис. 3.10, показав искривленное окружение вокруг Солнца. Однако, имеется ограничение на такого рода рисунки, заключающееся в том, что они не годятся для иллюстрации, как пространственные деформации и искривления эволюционируют, когда масса и энергия двигаются или некоторым образом изменяют свою конфигурацию.[3] ОТО предсказывает, что точно так же, как батут предполагает фиксированную, искривленную форму, если вы стоите совершенно спокойно, но перемещается, когда вы прыгаете вверх и вниз, пространство предполагает фиксированную искривленную форму, если материя полностью спокойна, как предложено на Рис. 3.10, но, когда материя двигается взад и вперед, возникает волнистая рябь на его ткани. Эйнштейн пришел к этому результату между 1916 и 1918, когда он использовал вновь полученные уравнения ОТО, чтобы показать, что, – почти как электрические заряды, двигающиеся вверх и вниз в радиопередающей антенне, производят электромагнитные волны (это то, как производятся радио и телевизионные волны), – движение материи есть способ и причина (как взрыв сверхновой) для производства гравитационных волн. А поскольку гравитация есть кривизна, гравитационная волна есть волна кривизны. Точно так же, как бросание булыжника в пруд генерирует распространяющиеся наружу водяные волны, вращающаяся по спирали материя генерирует расходящуюся во все стороны пространственную рябь; в соответствии с ОТО взрывы удаленных сверхновых подобны космическим булыжникам, брошенным в пространственно-временной пруд, как показано на Рис. 14.2. Рисунок освещает важную отличительную особенность гравитационной волны: в отличие от электромагнитной волны, волны звука или водяной волны – волн, которые путешествуют по пространству, – гравитационные волны путешествуют внутри пространства. Они представляют собой путешествующие искажения в геометрии самого пространства.


Рис 14.2 Гравитационные волны являются рябью в ткани пространства-времени.


Хотя гравитационные волны являются теперь общепринятым предсказанием ОТО, на многие годы этот предмет погряз в замешательстве и разногласиях, по меньшей мере, в части, следующей приверженности философии Маха. Если ОТО полностью включает в себя идеи Маха, тогда "геометрия пространства" будет просто общепринятым языком для выражения положения и движения одного массивного объекта по отношению к другим. Пустое пространство при таком образе мыслей будет пустым понятием, так как можно осмысленно говорить об искажении пустого пространства? Многие физики пытались доказать, что предложенные волны в пространстве означают ошибочное истолкование математики ОТО. Но при должном подходе теоретический анализ сводился к корректному заключению: гравитационные волны реальны и пространство может колебаться.


С каждым проходящим пиком и впадиной искаженная гравитационной волной геометрия будет растягивать пространство – и все в нем находящееся – в одном направлении, а затем сжимать пространство – и все в нем находящееся – в перпендикулярном направлении, как в чрезвычайно преувеличенном виде изображено на Рис. 14.3. В принципе, вы можете обнаружить прохождение гравитационной волны, периодически измеряя расстояния между различными положениями, и найти, что отношение между этими расстояниями каждое мгновение изменяется.


На практике никто не смог сделать этого, так что никто непосредственно не обнаружил гравитационную волну. (Однако, имеются убедительные косвенные доказательства для существования гравитационных волн[4]). Трудность в том, что возмущающее воздействие проходящей гравитационной волны обычно очень мало. Атомная бомба, взорванная на атолле Тринити 16 июля 1945, содержала энергию, эквивалентную 20 000 тонн тринитротолуола и была столь яркой, что свидетели, удаленные на мили, носили защиту для глаз, чтобы избежать серьезного повреждения зрения от сгенерированной ей электромагнитной волны.


Рис 14.3 Проходящая гравитационная волна растягивает объект сначала одним, а потом другим образом. (В этом представлении масштаб искажения типичной гравитационной волны чудовищно преувеличен).


Однако, даже если бы вы стояли прямо под стофутовой стальной башней, на которую была поднята бомба, гравитационные волны, произведенные ее взрывом, смогли бы растянуть ваше тело тем или иным образом только на ничтожную долю атомного диаметра. Настолько сравнительно слабы гравитационные возмущения, и это дает слабое представление о технологических проблемах, связанных с их обнаружением. (Поскольку гравитационные волны также могут мыслиться как гигантское число гравитонов, путешествующих скоординированным образом, – точно так же, как электромагнитная волна есть объединение гигантского количества скоординированных фотонов, – это также дает намек на то, насколько тяжело обнаружить отдельный гравитон).


Конечно, нам не особенно интересно детектировать гравитационные волны, произведенные ядерным оружием, но ситуация с астофизическими источниками не намного легче. Чем ближе и более массивен астрофизический источник и чем более энергичному и неистовому движению он подвержен, тем более сильные гравитационные волны мы можем получить. Но даже если звезда на расстоянии 10 000 световых лет становится сверхновой, результирующая гравитационная волна, достигающая Земли, будет растягивать метровой длины палку только на миллионную миллиардной доли сантиметра, лишь на сотни размеров атомных ядер. Так что, за исключением некоторого в высшей степени неожиданного астрофизического явления, в полном смысле слова с параметрами катаклизма, которое произойдет относительно близко, обнаружение гравитационных волн потребует аппаратуры, способной откликаться на фантастически малые изменения длины.


Ученые, которые спроектировали и построили Обсерваторию Гравитационных Волн на Лазерном Интерферометре (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – LIGO) (запущенную совместно Калифорнийским Технологическим Институтом и Массачусетским Технологическим Институтом и финансируемую Национальным Фондом Науки), ответили на вызов. LIGO является впечатляющей установкой, а ожидаемая чувствительность поразительна. Она состоит из двух полых труб, каждая четырехкилометровой длины и чуть более метра ширины, которые расположены в виде гигантской буквы L. Лазерный свет, одновременно запущенный в вакуумный тоннель внутри каждой трубы и отраженный назад сильно отполированными зеркалами, используется для измерения относительной длины каждой трубы с фантастической точностью. Идея в том, что когда гравитационная волна проходит мимо, она будет растягивать одну трубу относительно другой, и если растяжение достаточно велико, ученые будут в состоянии обнаружить его.


Трубы длинные, поскольку растяжение и сжатие, совершаемое гравитационной волной, складывается по длине объекта. Если гравитационная волна растянула что-либо четырехметровой длины, скажем, на 10–20 метра, она растянет нечто четырехкилометровой длины на 10–17 метра. Так что, чем длиннее наблюдаемый размах, тем легче обнаружить изменения его длины. Чтобы извлечь выгоду из этого, экспериментаторы LIGO на самом деле направляют лазерные лучи отражаться туда и сюда между зеркалами на противоположных концах каждой трубы более чем сто раз за каждый пробег, повышая отслеживаемое расстояние в оба конца примерно до 800 километров на луч. С такими хитрыми уловками и инженерным мастерством LIGO должна быть в состоянии обнаружить любое изменение в длинах труб, которое меньше толщины человеческого волоса в триллион раз – в сто миллионов размеров атома.


Да, на самом деле имеются два таких L-образных прибора. Один в Ливингстоне, Луизиана, а другой примерно на расстоянии 2 000 миль в Хэнфорде, Вашингтон. Если гравитационная волна от некоторого удаленного астрофизического катаклизма докатится до Земли, она повлияет идентично на каждый детектор, так что любая волна, захваченная одним экспериментом, также хорошо проявится и в другом. Это важная проверка состоятельности, поскольку при всех предосторожностях, которые были предприняты, чтобы защитить детекторы, возмущения повседневной жизни (громыхание проходящего грузовика, скрежет пилы, толчок от падающего дерева и так далее) могут быть приняты за гравитационные волны. Требование соответствия между удаленными детекторами обеспечивает исключение таких ложных проявлений.


Исследователи также аккуратно рассчитали частоты гравитационных волн – число пиков и впадин, которые должны проходить через их детектор каждую секунду, – которые, как они ожидают, производятся широким спектром астрофизических явлений, включая взрывы сверхновых, вращательное движение несферических нейтронных звезд, столкновения между черными дырами. Без этой информации экспериментаторы искали бы иголку в стоге сена; с ней они могут сфокусировать детекторы на четко определенные области частот, представляющих физический интерес. Любопытно, что расчеты показывают, что некоторые частоты гравитационных волн должны быть в диапазоне нескольких тысяч циклов в секунду; если бы это были волны звука, они были бы прямо в области слышимости человеческого уха. Сливающиеся нейтронные звезды должны звучать подобно чириканью с быстро возрастающей высотой звука, тогда как пара сталкивающихся черных дыр будут подражать трели воробья, который получил резкий удар по клетке. Такова напоминающая джунгли какофония гравитационных волн, колеблющихся сквозь ткань пространства-времени, и если все пойдет по плану, LIGO будет первым инструментом для настройки на нее.[5]


Что делает все это столь возбуждающим, так это то, что гравитационные волны максимизируют выгоды от двух главных свойств гравитации: ее слабости и ее вездесущности. Среди всех четырех сил гравитация взаимодействует с материей наиболее слабо. Это приводит к тому, что гравитационные волны могут проходить через материал, который непроницаем для света, давая доступ к астрофизическим областям, ранее скрытым. Более того, поскольку все подвержено действию гравитации (в то время как, например, электромагнитные силы влияют только на объекты, несущие электрический заряд), все имеет способность генерировать гравитационные волны, а потому производить наблюдаемые характерные черты. Поэтому LIGO отмечает существенный поворотный пункт на нашем пути исследования космоса. Было время, когда все, что мы могли сделать, это поднять наши глаза и пристально вглядеться в небо. В семнадцатом столетии Ганс Липпершей и Галилео Галилей изменили это; с помощью телескопа великий вид космоса вошел в человеческий кругозор. Но со временем мы осознали, что видимый свет представляет узкую область электромагнитных волн. В двадцатом столетии с помощью телескопов на инфракрасном, радио, ренгеновском и гамма-излучении космос открылся нам заново, обнаружив чудеса, не видимые на длинах волн света, который воспринимают наши глаза. Теперь, в двадцать первом веке мы открываем небеса еще раз. С LIGO и следующими за ним усовершенствованиями* мы будем видеть космос совершенно новым способом. Вместо того, чтобы использовать электромагнитные волны, мы будем использовать гравитационные волны; вместо того, чтобы использовать электромагнитные силы, мы будем использовать гравитационные силы.


(*) "Одним из таких приборов является Пространственная Антенна на Лазерном Интерферометре (Laser Interferometer Spase Antenna – LISA), расположенная в пространстве версия LIGO, включающая в себя многочисленные космические корабли, разделенные миллионами километров, играющие роль четырехкилометровых труб LIGO. LIGO также будет работать сообща с VIRGO, французско-итальянским детектором гравитационных волн, расположенным за пределами города Пиза."


Чтобы оценить, насколько эта новая технология может быть революционной, представим мир, в котором неземные ученые только сейчас открыли, как обнаруживать электромагнитные волны – свет – и размышляют о том, насколько их взгляд на вселенную тотчас же основательно изменится. Мы находимся на грани нашего первого обнаружения гравитационных волн, так что вполне можем быть в сходной позиции. Тысячелетиями мы всматривались в космос; теперь, как будто впервые в человеческой истории, мы будем слушать его.


Охота за дополнительными размерностями


До 1996 большинство теоретических моделей, которые включали в себя дополнительные размерности, представляли, что их пространственная протяженность грубо соответствует планковской (10–33 сантиметра). Так как это на семнадцать порядков величины меньше, чем любое разрешение, которое можно получить, используя применяющееся в настоящее время оборудование, без открытия сверхъестественной новой технологии планковская физика будет оставаться вне экспериментальной досягаемости.


Но если дополнительные внешние размерности являются "большими", что означает больше, чем сотая миллиардной миллиардной (10–20) метра, примерно миллионная часть размера атомных ядер, тогда есть надежда.


Как мы обсуждали в Главе 13, если любое из дополнительных измерений "очень большое" – в пределах нескольких порядков от величины миллиметра – точность измерений силы гравитации должна обнаружить их существование. Такие эксперименты несколько лет идут на полном ходу и техника быстро усовершенствуется. До сих пор не было найдено отклонений от закона обратного квадрата, характеризующего три пространственных измерения, так что исследователи активно продолжили работу в направлении меньших расстояний. Положительный сигнал был бы, чтобы не сказать больше, потрясением оснований физики. Он обеспечил бы убедительное доказательство дополнительных размерностей, доступных только для гравитации, что дало бы сильную обстоятельную поддержку сценарию мира на бране в теории струн/М-теории.


Если дополнительные измерения большие, но не очень большие, маловероятно, что точность гравитационных экпериментов обнаружит их, но другие непрямые подходы остаются применимыми. Например, мы отмечали ранее, что большие дополнительные измерения будут подразумевать, что внутренняя сила гравитации больше, чем ранее думалось. Наблюдаемая слабость гравитации может быть атрибутом ее утечки в дополнительные измерения, а не ее фундаментальной слабости; на масштабах коротких расстояний, прежде чем такая утечка возникает, гравитация может быть сильной. Среди других проявлений это означает, что создание мельчайших черных дыр будет требовать намного меньшей массы и энергии, чем это нужно во вселенной, в которой гравитация в действительности намного слабее. В Главе 13 мы обсуждали возможность, что такие микроскопические черные дыры могут производится при высокоэнергетических протон-протонных столкновениях на Большом Адронном Коллайдере (LHC), ускорителе частиц, в настоящее время конструируемом в Женеве, Швейцария, и планируемом к готовности в 2007. Это захватывающая перспектива. Но имеется другая соблазнительная возможность, которая была озвучена Альфредом Шапере из Университета Кентукки и Джонатаном Фенгом из Университета Калифорнии в Ирвине. Эти исследователи заметили, что космические лучи – элементарные частицы, которые текут через пространство и постоянно бомбардируют нашу атмосферу, – могут также инициировать производство микроскопических черных дыр.


Частицы космических лучей были открыты в 1912 австрийским ученым Виктором Гессом; более чем девятью десятилетиями позже они все еще представляют много загадок. Каждую секунду космическое излучение вторгается в атмосферу и инициирует каскад миллиардов частиц, дождем падающих вниз, которые проходят сквозь ваше и мое тело; некоторые из них обнаруживаются различными специальными инструментами по всему миру. Но никто полностью не уверен, какие виды частиц составляют запечатленные космические лучи (хотя имеется растущий консенсус, что это протоны), и, несмотря на факт, что некоторые из этих высокоэнергетических частиц наверняка приходят от взрывов сверхновых, никто не имеет идеи, откуда происходит самое высокоэнергетическое космическое излучение. Например, 15 октября 1991 детектор космических лучей Летающий глаз (Fly's Eye) в пустыне Юта измерил след частицы через небо с энергией, эквивалентной 30 миллиардам масс протона. Это почти такая же большая энергия в отдельной субатомной частице, как в ударе по мячу бейсболиста Мариано Риверы, и примерно в 100 миллионов раз превышает энергии частиц, которые будут производиться в LHC.[6] Загадочная вещь, что не известно астрофизического процесса, который мог бы произвести частицы с такой высокой энергией; экспериментаторы собирают больше данных с помощью более чувствительных детекторов в надежде решить загадку.


Шапере и Фенга происхождение сверхэнергичных частиц космических лучей заботило во вторую очередь. Они осознали, что безотносительно к тому, откуда взялись такие частицы, если гравитация на микроскопическом масштабе намного сильнее, чем некогда считалось, самые высокоэнергетические частицы космических лучей могут иметь вполне достаточно энергии, чтобы создать мельчайшие черные дыры, когда эти частицы яростно вторгаются в верхнюю атмосферу.


Как и с их производством в атомных ускорителях, такие мельчайшие черные дыры не будут представлять абсолютно никакой опасности для экспериментаторов или мира в целом. После их создания они быстро распадутся, послав вовне каскад других, более обыкновенных частиц. Фактически, микроскопические черные дыры будут настолько короткоживущими, что экспериментаторы не смогут найти их непосредственно; напротив, они будут искать доказательство черных дыр через детальные исследования результирующих частиц, дождем падающих на их детекторы. Самый чувствительный из детекторов космических лучей мира, обсерватория Пьера Аугера, – вместе с наблюдающей областью размером порядка Род Айленда, – строится в настоящее время в обширной вытянутой местности в западной Аргентине. Шапере и Фенг оценивают, что если все внешние размерности имеют величину порядка 10–14 метра, тогда после года сбора данных детектор Аугера увидит характеристические обломки частиц от примерно дюжины мельчайших черных дыр, произведенных в верхней атмосфере. Если такие отметки черных дыр не будут найдены, эксперимент даст заключение, что внешние размерности еще меньше. Поиск остатков черных дыр, произведенных столкновениями космических лучей, определенно является рискованной ставкой, но успех открыл бы первое экспериментальное окно к дополнительным размерностям, черным дырам, теории струн и квантовой гравитации.