Помоги проекту - поделись книгой:
Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская, физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без нее теория не допускала бы статичности мира.
Большинство современных космологов, так же, как и профессор Хокинг, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия — это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, и из-за этого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.
Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем-то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума — это его основное и исключительное качество.
Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.
Так как по наблюдательным данным о сверхновых плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии, в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением. Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты — вещества и излучения — будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не возобладает во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.
Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.
Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш Мир, как целое, к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не обязательно предполагает равновесие сил — если речь идет о вакууме. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие других сил.
Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными — благодаря темной энергии вакуума.
Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и о его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.
Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности — квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить лабораторно хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать, даже странной для физики.
Если считать, что главной причиной ускоренного расширения пространства-времени является темная энергия, то будущее нашего Мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики скроются за горизонтом видимой части Вселенной — Метагалактики — и астрономы будущего уже никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. А вот если темная энергия пульсирует, будучи нестабильной, то могут быть и более оптимистичные сценарии далекого будущего.
Разумеется, футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие-либо научные прогнозы. Тем не менее, можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение.
К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для эффективной плотности темной энергии, обеспечивающей именно данное значение ускоренного расширения нашего Мира. Ведь если темная энергия распределена более-менее равномерно, то ее плотность совершенно ничтожна, составляя около 10–33 граммов в кубометре космоса, что соответствует всего лишь десятку обычных атомов. Даже сверхразряженный межзвездный газ в несколько раз плотнее.
В среде астрономов обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего Мира состоит из обычного вещества, включающего известные и не известные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.
Глава 6. Лабиринты мультиверса
Через миллиарды лет развитые формы разума смогут создавать новые вселенные. Возможно, они даже смогут выбирать, какие физические законы должны действовать в созданных ими мирах. Или им будет дано моделировать Вселенную такой же или даже сложнее, чем та, в которой сегодня мы полагаем свое существование.
Большая часть ученых считает, что Вселенная родилась из сингулярности, начавшей стремительно расширяться в первые мгновения после Большого взрыва. Другая группа космологов, включая Хокинга, Пенроуза и Торна, полагает, что рождению нашей Вселенной предшествовала смерть ее «прародительницы», случившейся в ходе так называемого Большого разрыва.
Главная проблема этих теорий заключается в неполной совместимости с теорией относительности. В момент, когда Вселенная представляла собой безразмерную точку, она должна была обладать бесконечной плотностью энергии и кривизной пространства и внутри нее должны были возникать мощные квантовые флуктуации, что невозможно с точки зрения творения Эйнштейна.
Для решения этой проблемы ученые разработали несколько альтернативных теорий, в которых Вселенная рождается в иных, менее экстремальных условиях. К примеру, Стивен Хокинг и Джеймс Хартл предположили в 1983 году, что Вселенная была точкой не только в пространстве, но и во времени, и до ее рождения времени просто не существовало. Это лишает смысла вопрос о «начале» Мироздания.
Видный космолог Александр Виленкин считает, что наша Вселенная — это своеобразный пузырь ложного вакуума внутри вечного и постоянно расширяющегося Мультиверса. Там, в результате квантовых флуктуаций вакуума, постоянно возникают подобные «пузыри», рождаясь в буквальном смысле из ничего.
Обе эти теории позволяют обойти вопрос «начала времени» и несовместимости условий Большого взрыва с эйнштейновской релятивистской физикой. При этом встает новый вопрос: способны ли подобные варианты расширения Вселенной породить ее в том виде, в котором она сейчас существует, и можно ли найти следы других миров за пределами нашего?
Следующий шаг в поисках иного варианта Мультиверса в границах квантовой реальности Хокинг сделал в семидесятых годах прошлого века, изучая теоретические построения Хью Эверетта. Тут самое время вспомнить наш рассказ о самой необычной попытке объяснить вероятностный характер квантовой механики американского физика Эверетта, который предложил теорию проекций множественных вселенных. Его «многомировая интерпретация» квантовой механики описывала Вселенную в целом, т. е. в космологическом плане. В концепции Эверетта каждый раз, когда происходит взаимодействие между двумя квантовыми системами, волновая функция Вселенной расщепляется, порождая «ветвистый куст» разнообразных мировых линий, составляющих разнообразные исторические последовательности.
Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через 5 минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной» вселенной его копия распадется через 10 минут, а в третьей — через 15. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.
С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта, или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.
Что же представляла собой волновая функция Вселенной? Хокинг считал, что и сам Эверетт не имел ясного представления о столь глубокой абстракции. Разумеется, он оперировал с соответствующим математическим образом и использовал довольно сложный математический аппарат. Однако реальная сущность его построений до сих пор вызывает не утихающие споры.
Надо заметить, что исторически более наглядна модельная схема, получившая впоследствии название «железнодорожная аналогия Уилера». В этой модели при квантовых измерениях перед наблюдателем как бы оказывается железнодорожная стрелка, и его «мировой поезд» может пойти в одном из нескольких направлений. В зависимости от того, в каком направлении пойдет поезд, наблюдатель увидит тот или иной результат измерения. Возможные направления поезда соответствуют альтернативным результатам измерения или различным эвереттовским мирам.
Строя свое квантовое многомирье, Хокинг оперировал сугубо космологическими понятиями, главным из которых был вектор состояния для Вселенной в целом. Нет ничего более макроскопичного, чем сама Вселенная, и в этом случае граница классичности исчезает полностью. Однако Хокинг считал, что многомировая интерпретация в своем исходном варианте реально не упраздняет границу микромакромира, а смещает ее в направлении между физической Вселенной и сознанием наблюдателя.
Иными словами, квантовая кошка Шрёдингера может быть действительно живой и мертвой в один и тот же момент времени, но в разных проекциях нашего Мира.
В этом подходе Хокинга окружающая физическая реальность рассматривается как замкнутая система, включающая и измеряемую подсистему, и прибор, и наблюдателя, словом, всю Вселенную в целом. Согласно интерпретации Хокинга, позже дополненной Пенроузом, каждый вариант развития нашей действительности описывает целый мир, и ни один из них не имеет преимущества перед другим. Имеется столько миров, сколько альтернативных результатов имеет рассматриваемое измерение, и в каждом из этих мирозданий имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. Получается, что состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны.
Таким образом, в интерпретации Эверетта одинаково реальны все результаты измерения, но реализуются они в разных мирах. Конечно, и в интерпретации Эверетта проблема селективного выбора результата измерения все же существует, но формулируется она иначе. Выходит, что поскольку все результаты измерений одинаково реальны, то главным является вопрос о том, в каком же из эвереттовских миров оказался данный наблюдатель.
В последней работе Хокинг и его коллега Томас Эртог из Левенского университета (Бельгия) попытались дать ответ на этот вопрос, построив еще одну теоретическую модель вечно расширяющегося Мультиверса и представив ее в виде двумерной голограммы.
Главная идея этой статьи сводится к поиску следов существования именно параллельных вселенных и тому, как человечество может найти эти следы. Еще раньше вместе со своим другом и коллегой Пенроузом Хокинг предложил интересную идею о том, что в Мультиверсе каждая составляющая этот мегамир вселенная может сохранять отпечатки существования соседних вселенных. В нашем случае это могут быть некие неоднородности в так называемом фоновом микроволновом излучении Вселенной, которое называют реликтовым эхом Большого взрыва. В принципе, неоднородности микроволнового фона можно зафиксировать детекторами космических зондов. По словам самого Хокинга, эта идея дает потрясающую перспективу открытия первых следов существования иных миров…
Если «иномирье» будет открыто, то возникнут очень интересные вопросы о структуре чужих вселенных и их влиянии на нашу реальность. Первые расчеты и электронные модели показывают, что во многом кембриджский теоретик был прав, и параллельные вселенные могут быть гораздо более однообразными, оставляя свои отпечатки на микроволновом фоновом излучении Вселенной.
Глава 7. Суперструнная симфония вселенной
Согласно М-теории, наша Вселенная не является единственной в своем роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога… Согласно М-теории, у пространства-времени есть десять пространственных измерений и одно измерение — время. Идея состоит в том, что семь пространственных измерений настолько сильно искривлены, что мы не замечаем их, оставаясь с иллюзией, что все, что существует, является тремя оставшимися масштабными измерениями, с которыми мы знакомы. Один из центральных нерешенных вопросов в М-теории это: почему в нашей Вселенной не существует больше масштабных измерений, и почему какие-то измерения свернуты?
Много надежд Хокинг связывал с оригинальной теорией струн, появившейся во второй половине прошлого столетия. С ее помощью вроде бы можно было если и не устранить, то хотя бы обойти множество препятствий на пути к построению логически не противоречивой теории квантовой гравитации.
Главная идея тут в том, что элементарные частицы являются производными от бесконечно тонких одномерных объектов, называемых квантовыми струнами. Все довольно обширное семейство самых разных элементарных частиц в теории струн предстает как отражение множества возможных колебаний этих сверхмалых нитевидных объектов. На первый взгляд эта довольно бесхитростная теория уверенно описывает сложнейший мир микрочастичных взаимодействий, пользуясь принципом «магии квантовых струн». Магические свойства здесь проявляются лишь после того, как закономерности квантовой физики применяются к колеблющейся струне. Струнные вибрации должны распространяться со скоростью света, генерируя новые свойства, характерные не только для микромира элементарных частиц, но и для мегамира квантовой космологии.
Читая лекции, Хокинг обычно наглядно представлял струнную абстракцию в виде образа магнита, покрытого слоем мелких железных опилок, выстроившихся вдоль магнитных силовых линий. Если полюса магнита раздвинуть на значительное расстояние, намного превышающее размеры самого магнита, то слой опилок обратится в своеобразный жгут силовых линий. Если взять немагнитный щуп и осторожно потрогать «магнитно-силовой» жгут, то выяснится, что, будучи отклоненным в сторону, он упруго восстанавливает свою форму. Итак, получается, что он обладает некоторой упругостью и его вполне можно было бы назвать полевой магнитной струной. Точно такая же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками.
В 70-х годах прошлого века Хокинг увлекся «микрокосмическими» моделями сверхэлементарных частиц и в очередной раз вплотную столкнулся с проблемой геометризации своих построений. Через некоторое время он пришел к мысли, что если в микромире существуют сверхэлементарные объекты, входящие в кварки и глюоны, то они должны совершенно по-особому вписываться в пространство микромира. В первую очередь это касается неких «силовых струн», которые особым образом связывают привычные для нас микрочастицы, не давая им разойтись в пространстве и стать отдельными объектами. Подобно тому как кварки и глю оны не могут проявлять себя вне связанного внутри элементарных частиц состояния, струны также являются вечными пленниками тех же кварков и глюонов. Впоследствии Хокинг предложил оригинальный образ «хромосом мира», которые выглядят как некие жгуты напряженного поля и могут существовать в несвязанном состоянии.
Надо отметить, что Хокинг всегда отмечал «поэтичность» суперструнных представлений. Выступая на конференциях, симпозиумах и семинарах, он часто употреблял образ суперструнного оркестра, в котором набор возбужденных струн звучит настоящим вселенским крещендо, заполняя вакуум потоком звуков — элементарных частиц.
При этом сверхмикроскопические струны могут сливаться и разрываться, генерируя все новые и новые поколения струнных объектов. Так могут возникать замкнутые кольца из дочерних струн, и более сложные переплетающиеся фигуры из силовых нитей с очень своеобразной топологией. И конечно же, важнейшее свойство струнных образований — это сами колебания силовых нитей, в ходе которых, точно так же, как это происходит со струнами музыкальных инструментов, в них возбуждаются самые разнообразные полевые обертоны. И в полном соответствии с этой звуковой аналогией обертоны могут отделяться от колеблющихся струн, распространяющихся в окружающем вакууме, как цуги волнового процесса.
Изначально в теории струн видели вероятного кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале 70-х годов прошлого века концепции кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, струнная модель явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. На этом фоне теория струн выглядела довольно экзотично, не выделяясь особой внутренней логической стройностью, не получила экспериментальных результатов. К тому же эта инновационная теория сразу столкнулась с трудными требованиями для размерности пространства, ведь ее модель была математически корректна только для многомерного пространственно-временного континуума.
Ко всему прочему выяснилось, что ввод в теорию струн спина приводит к ее корректной реализации только в пространстве-времени с девятью пространственными и одним временным измерением. Это было очень необычно, поскольку теоретикам еще не встречались теории, автоматически диктующие требуемую размерность. Ведь все известные уравнения механики, электродинамики и теории относительности в принципе справедливы для самого разного количества измерений. А вот теория суперструн требовала для своей реализации пространства-времени строго определенной размерности, к тому же с несколькими лишними измерениями, никогда не встречающимися в окружающей нас физической реальности.
В данной ситуации такие физики-теоретики, как Хокинг, Вайнберг и Пенроуз стали «конструировать» квантовую версию релятивистской гравитации. При этом они опирались на то, что соответствующие уравнения теории Эйнштейна содержат в себе решения, соответствующие неким гравитационным волнам. При квантовании они превращаются в кванты гравитационного поля — гравитоны, переносящие гравитационное взаимодействие. Топологически модель гравитона представляет собой нечто, напоминающее закольцованную струну. Гравитонные закольцованные струны по идее должны легко преодолевать границы нашего трехмерного пространства, перемещаясь в иные измерения. Но если эти странные «агенты влияния» гравитации способны на подобные «подпространственные» перемещения, то их геометрия вполне может описываться специальным классом еще не найденных решений.
То, что мы этого не видим, прежде всего свидетельствует о том, что дополнительные измерения очень хорошо спрятаны в глубинах нашего Мира. Этот образ скрученных до сверхмикроскопических размеров струнных колец и клубков называют компактификацией дополнительных измерений. Читая спецкурс «Теория гравитации», Хокинг подчеркивал: важно понимать, почему мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений. При этом он считал, что эти компактифицированые «свертки» ультрамикроскопических клубков, которые принципиально невидимы даже при рассеянии частиц на сверхмощных ускорителях, практически ничем не отличаются от образа безразмерной геометрической точки.
При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века, появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели напрямую сопоставлялась с гравитоном. Таким образом, Хокинг считал, что теория струн представляет собой математический каркас для квантовой теории тяготения.
Что обещало дальнейшее развитие теории струн?
Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным побочным результатам в математике, включая создание новых структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, Хокинг часто встречал физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования в области алгебраической геометрии.
Хокинга как космолога в теории струн больше всего интересовал вопрос создания оригинальных суперструнных сценариев рождения и эволюции нашего Мира. Хокинг полагал, что Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе этого лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего Мира.
Конечно, тут возникали очень интересные вопросы. Во-первых, что же предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Во-вторых, как повлияли микро-мега-суперструны на эволюцию Вселенной, а также изменение их физических характеристик при этом. С помощью гипотезы мегаскопических суперструн Хокинг пробовал объяснить и переход этапа равномерного расширения в ускоренное около 8 миллиардов лет назад. По его мысли суперструны на всех этапах своего «растяжения» каким-то образом должны были взаимодействовать и с таинственными темной материй и энергией, хотя бы по той простой причине, что они составляют основное содержание Метагалактики. А поскольку исследование этих загадочных субстанций идет полным ходом во многих направлениях, появляются некоторые надежды и на экспериментальное подтверждение столь экзотической теории. Во всяком случае для объяснения новых эффектов на сверхмощных ускорителях и для наблюдений галактических аномалий появляются новые очень необычные аргументы одной природы.
Теория струн также мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.
Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации «экстрапространства».
Глава 8. Чудеса М-теории
Согласно М-теории, наша Вселенная не единственная. М-теория предсказывает, что из ничего было создано огромное множество вселенных. Для их сотворения не требуется вмешательства сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики. Они являются научным предсказанием.
За полвека существования струнная парадигма прошла несколько взлетов и падений. Не менее четверти века с ней активно работал Стивен Хокинг. Участвовал кембриджский теоретик и в создании ответвления, широко известного даже среди дилетантов, как «М-теория». Это доминирующее сегодня теорфизическое направление основывается на концепции многомерных мембран. По меткому выражению приятеля Хокинга Хуана Малдасены, мембраны отличаются от струн примерно так же, как макароны от лепешек.
Согласно М-теории, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей, и внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны, обладающие р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной. Как же происходит переход от суперструн к мембранам?
На лекциях Хокинга это выглядело как настоящее квантовое волшебство: по мановению лазерной указки, скользящей по схемам, многомерная суперструна сворачивается в замкнутый контур и превращается в… многомерный тор!
Разумеется, для постороннего зрителя подобные топологические эволюции пространства-времени выглядят совершенно фантастично. Выходит, что прав профессор Хокинг, и в квантовых глубинах Мироздания физическая реальность скачкообразно непредсказуема и переменчива, к тому же сама граница между непрерывным и дискретным размыта. По его словам, там, в невообразимой глубине материи непрерывно бушует океан энергии, и человек когда-нибудь научится управлять этим неисчерпаемым ресурсом…
Образ вибрирующей струны или мембраны как геометризованного базиса всех элементарных частиц в общем-то довольно ясен, если, конечно, опустить сверхсложный математический аппарат. Вообще же говоря, на момент ухода выдающегося теоретика, физики еще далеко не полностью построили из струн и бран здание М-теории.
Подобным образом можно представить и браны более высоких размерностей, причем колебания струн здесь заменяются вибрациями мембран. Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над построением полной квантовой М-теории продолжается.
Вскоре после всесторонней разработки концепции многомерных квантовых мембран научные и популярные журналы заполнили прогнозы о близости окончательной победы в борьбе с тайнами Мироздания. Однако вместо этого, при очередных попытках получить всеобщие закономерности нашего Мира, разразился очередной грандиозный кризис теории струн. Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.
Получается, что 7 из 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в сверхмикроскопические замкнутые структуры, оставляя макроскопическими только три пространственных измерения плюс время — четырехмерное пространственно-временное многообразие нашей реальности. Детали этого механизма еще не изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали ландшафтом теории.
Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10–33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в некие сверхмалые образования с размерами не более планковских. Но, как писал в одной из последних своих космологических работ Хокинг, некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными. Мы не воспринимаем эти колоссальные образования, потому что наш Мир прикован к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.
Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — это детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Примечательно, что подобные умозаключения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты на строящихся сверхмощных ускорителях элементарных частиц могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По одной из версий Хокинга, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных струн в обычных частицах.
Один из последних суперструнных вариантов Хокинга заключался в том, что Метагалактика — видимая часть Вселенной — заполнена космическими струнами галактических или даже межгалактических размеров. Профессор Хокинг даже высказал идею, что подобные струны могут быть ответственны за «соты Метагалактики» — ячеистую структуру, сформированную гигантскими скоплениями галактик.
Хокинг объяснял, что для растяжения сверхмикроскопических струн до космических масштабов требуется трудновообразимая энергия, и ее могло дать только само расширение пространства. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь буквально метагалактическую протяженность. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущих от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).
Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.
Один из ведущих струнных теоретиков современности Дэвид Джонатан Гросс в своем физико-математическом эссе «От частиц к струнам» решительно утверждает, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает «нет». Если бы у нас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц мы бы увидели в него протяженные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.
По мнению профессора Хокинга теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Хокинг считал, что потребуется революция в наших представлениях о пространстве и времени. Он предсказывал, что теория струн продолжит углубляться в различные области теорфизики.
Главная проблема опытного подтверждения теории струн в ее сверхмалом содержимом, для экспериментов с которым требуется колоссальная энергия ускорителей элементарных частиц и чувствительность их детекторов. Правда, в последнее время появился ряд интересных предложений об использовании в опытной проверке теории струн поразительного явления квантовой запутанности. Дело в том, что «запутанные» квантовые частицы вроде бы могут «телепатически» мгновенно реагировать на изменение состояния друг друга. Сразу заметим, что основы теории относительности здесь не разрушаются, поскольку ни материя, ни информация при этом со сверхсветовой скоростью не передаются.
Это очень необычное явление в квантовом мире было многократно проверено в ряде довольно тонких опытов, и на его основе даже возникла новая прикладная наука — квантовая информатика с криптографией, живущая в ожидании появления фантастических по своим качествам компьютерных систем и линий связи.
В принципе, даже неважно, какая дистанция разделяет сцепленные квантовые частицы, — при изменении состояния одной из них меняется состояние другой. Это явление получило громкое, но маловразумительное название из научно-фантастических произведений: «квантовая телепортация». Есть тут и сомнения в правильности интерпретации экспериментальных методик, но в целом об этом замечательном квантовом эффекте можно рассказывать очень много и долго, поэтому наиболее любознательным читателям стоит порекомендовать книгу автора «Просто квантовые чудеса» (
Итак, может ли теория струн, а точнее — ее самое развитое и расширенное толкование — М-теория, претендовать на объединение идей теории относительности и квантовой механики, и стать шагом к окончательной и долгожданной «Теории Всего»?
Несмотря на бурное развитие теории струн в последние десятилетия, она пока еще остается чисто теоретической конструкцией. Никто и никогда не только не поставил ни единого эксперимента, но и, по большому счету, не знает, как к этому подступиться… Так что, в отличие от той же теории относительности или квантовой механики, М-теория является сугубо умозрительным построением или чистой воды научной спекуляцией, правда, снабженной весьма солидным математическим аппаратом.
Изначально в тех же струнных моделях видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков.
В данной ситуации казалось, что моделям ПКГ и М-теории суждено остаться чисто умозрительными построениями. До этого физики-теоретики много раз пытались создать основы квантовой версии релятивистской гравитации, опираясь на то, что уравнения теории Эйнштейна предсказывают существование гравитационных волн, и переносчиков сил тяготения — гравитонов. При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели и сопоставлялась с гравитоном! Отсюда следовало, что теория струн — это математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, и ее основная задача — объединить все фундаментальные взаимодействия в Теории Всего.
Надо честно признать, что, несмотря на прогнозы о близости окончательной победы над тайнами строения фундамента Мироздания, заполняющие научно-популярные журналы, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран, это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.
При этом математические формулы, описывающие поведение, скажем, трех квантово-сцепленных частиц, весьма напоминают описание определенного класса коллапсаров в М-теории. Хокинг всегда убеждал, что подобное сходство никак не является простым совпадением и наверняка отражает что-то очень важное в основе Мироздания. Трудно сказать, насколько сбудутся оптимистичные прогнозы, и струнным теоретикам посчастливится открыть некую чрезвычайно важную деталь Великого Объединения. Но даже после смерти главного автора идеи определенные надежды сохраняются…
Глава 9. Миры-частицы
Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена, подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать, а также будут слабо подходить для существования любой формы жизни. Только малая часть из них позволит созданиям, подобным нам, существовать. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с условиями нашего существования. Это дает нам ощущение себя как венцов творения, хотя мы слабы и незначительны.
Читая в Британском музее общедоступный цикл лекций об истории современной науки, Хокинг начинал рассказ о квантовой механике с вопроса, которым философы-метафизики задавались еще два с половиной тысячелетия назад: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы у подобного измельчения и каковы наименьшие размеры могут быть у частицы вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем. Здесь можно вспомнить удивительное суждение греческого философа Анаксагора, утверждавшего в V веке до н. э., что в каждой частице, какой бы малой она ни была, есть города, населенные людьми, обработанные поля, светит солнце, луна и другие звезды.
В те далекие времена это вызывало только насмешки большинства, ведь и сейчас трудно согласиться с подобными утверждениями и вместить масштабы нашего мира в ничтожно малый объем атомов или даже элементарных частиц. Ведь масштабы видимой Вселенной — Метагалактики — завораживают. В одном нашем Млечном Пути насчитывается порядка 200 миллиардов звезд, а ведь подобных галактик десятки миллиардов! Неудивительно, что сопоставить сверхбольшое сверхмалому даже умозрительно очень трудно.
Тем не менее, подобной игре воображения предавались многие известные физики. Например, Нильс Бор в начале прошлого века объяснял планетарную модель строения атома, получившую название «атом Бора», с помощью аналогии, где электроны представали планетами, вращающимися вокруг солнца — атомного ядра. При этом он полусерьезно утверждал, что в планетарную модель атома вполне могут входить сверхмикроскопические обитатели планет-электронов. Они могут быть разумны и создать свою атомную физику, а потом вдруг обнаружить, что и их атомы также являются маленькими планетными системами…
Рассказывая на лекциях о сингулярном состоянии материи, Хокинг всегда останавливался на работах петербургского математика и физика Фридмана. В далеких 20-х годах прошлого века Александр Александрович заинтересовался общей теорией относительности. Развивая свои идеи, он показал, что при определенных условиях из математической точки может развиться новая Вселенная с мириадами звезд и галактик.
Согласно Эйнштейну, геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной, и эта кривизна связана с гравитационным полем, все определяет плотность вещества. Если она достаточно велика, то все метрические соотношения привычной для нас геометрии Евклида меняются неузнаваемым образом! И весь Мир может стянуться в точку… Все это и послужило исходным материалом для гипотезы о том, что, возможно, вся наша Вселенная с мириадами галактик и биллионами звезд является микроскопической системой с размерами элементарной частицы! Подобные частицы в честь Фридмана были названы фридмонами.
В свою очередь Хокинг, исследуя связь свойств материи и пространства, пришел к выводу, что она может осуществляться на сверхглубоком, квантовом уровне, где могут быть спрятаны не только дополнительные измерения, но и целые миры-частицы… Поэтому на передний план выступили кембриджские теоретики, которые создали совершенно парадоксальный математический образ подобного мира, назвав его в честь отца-основателя квантовой физики Макса Планка: планкеон.
Наряду с другими вариантами «частиц-миров», вроде фридмонов, они входят в класс максимонов, образуя очень странные и полностью замкнутые миры, по идее, никак не проявляющие себя во внешнем пространстве. Из него не проникают наружу ни поля, ни световые лучи, и для стороннего наблюдателя он просто неотличим от окружающего пространства, не имея ни размеров, ни массы, ни электрического заряда. Таким образом, Хокинг получил совершенно фантастическую картину.
В ней вся наша Вселенная со всеми ее звездами, галактиками и туманностями оказывается замкнута в планкеонную оболочку. Впрочем, планкеоны как и фридмоны вовсе не обязательно должны заключать в себе только гигантские метагалактические структуры. Их содержимым могут быть и отдельные галактики, светила и даже планеты…
Более того, если исходить из теории Хокинга, получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной Вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, населенными странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться, то пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами. Путешествуя по различным планкеонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и во времени.
Полностью замкнутый мир, по идее Хокинга, не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда.
Быть может, и наша Вселенная, по словам кембриджского теоретика, со всеми ее звездами, квазарами, галактиками и их скоплениями представляет всего лишь внутренний мир одного из максимона. Впрочем, миры-частицы не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе одну лишь галактику или планетную систему…
С точки зрения физиков-теоретиков планкеоны и фридмоны представляют собой вполне математически реальные объекты и без каких-либо дополнительных гипотез их можно получить как решения систем уравнений релятивистской гравитации… Но как же все-таки Вселенная может сжаться до размеров атома? Вместе с другими кембриджскими теоретиками и Роджером Пенроузом Хокинг сумел показать суть процессов, «свертывающих» в единое целое масштабы макро- и микромира, наглядно демонстрируя возможность своеобразного космологического подхода к теории элементарных частиц.
Поразительно, но гипотеза Хокинга даже допускает опытную проверку. Для того чтобы наша Вселенная выглядела одной из разновидностей максимона, надо всего лишь, чтобы она имела некоторую строго определенную плотность материи, где-то в пределах 10–29 грамма в кубическом сантиметре. Пока данные о регистрируемой средней плотности несколько ниже — примерно 10–30 грамма в кубическом сантиметре, но это значение лежит в пределах допустимой погрешности. Разумеется, пока еще удивительные планкеоны и фридмоны являются лишь предвидением теоретика. Наука сейчас не может ответить, тождественны ли максимоны каким-то уже известным частицам, например протонам, или же это что-то совершенно новое, что еще только предстоит открыть опытным путем. Но как бы там ни было, концепция миров-частиц уже значительно обогатила квантовую космологию.
Чтобы хоть как-то представить себе необычный мир фридмонов, давайте совершим мысленное путешествие, которое некогда придумал Хокинг для одной из своих научно-популярных лекций.
Когда-то великий английский физик XVIII века Джеймс Кларк Максвелл ввел в обиход умозрительных физико-теоретических построений воображаемое существо, впоследствии названное
Демон встретит на своем долгом пути звезды, галактики, скопление галактик и скопление из скоплений… Но вот он приблизится к чудовищной воронке, соединяющей Вселенную фридмона с внешним миром. Пролетев через горловину наружу, максвелловский демон с удивлением обнаружил бы, что его родная Вселенная представляет теперь собой… всего лишь микроскопический объект. Так может быть, стремясь в космические дали, мы поднимаемся вверх по лестнице, идущей вниз? Что, если бесконечность мира скорее похожа на круг, где сколь угодно малые величины в то же время являются бескрайне большими?
Поделиться книгой: