Помоги проекту - поделись книгой:
Существование в природе замкнутых мировых линий в свое время исследовал немецкий математик Курт Гедель. Замкнутые мировые линии, известные в научно-популярной и фантастической литературе как «петли времени», появляются в окрестности массивных черных дыр. Так, Хокинг и Торн показали возможность образования петель времени в туннелях, связывающих коллапсары. Затем к творческому коллективу Хокинга и Торна присоединился видный британский космолог Ричард Готт. Вместе им удалось на основе струнной теории доказать, что прохождение таких струн сквозь друг друга должно порождать петли времени. Убедившись, что петли времени не противоречат теории относительности, физики попробовали избавиться от логических парадоксов путем ввода некоего глобального принципа, исключающего вмешательство в собственное прошлое.
Более радикальное объяснение невозможности темпоральных парадоксов предложил сам Хокинг. Используя сочетание теории гравитации с квантовой механикой, описывающей движение элементарных частиц, он показал, что квантовые эффекты должны вызвать разрушение тех петель времени, которые предсказываются уравнениями Эйнштейна. Поэтому теория замкнутых мировых линий должна обязательно учитывать квантовые эффекты.
Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий. Впрочем, это не единственный космологический парадокс, ответы на который дает физика времени.
Подавляющая часть звезд и галактик находится от нас на расстоянии, с которого свет придет только через несколько миллиардов лет. За прошедшие десяток или больше миллиардов лет с момента вспышки первой звезды в нашей Вселенной их свет еще не успел достичь нашей планеты. Эти звезды находятся как бы за «берегом реки нашего времени». Те звезды, свет которых успел прийти в Солнечную систему, по расчетам астрономов, составляют лишь незначительную часть всех существующих звездных объектов. Именно поэтому яркость их света ничтожно мала, и ночью на окраине нашей Галактики — Млечного Пути — бывает темно. Так физика времени со своей точки зрения разрешила еще один знаменитый парадокс Ольберса, названный так по имени немецкого астронома позапрошлого века, сформулировавшего его.
Ответом на риторические вопросы Хокинга о сути квантового времени может служить вся история развития современной теоретической и квантовой физики, наглядно показывающая, что известные законы, по-видимому, не противоречат принципиальной возможности создания машины времени, позволяющей путешествовать в прошлое и будущее. Существуют даже многовариантные схемы конструкции подобного Т-агрегата. При этом общим здесь является необходимость предварительного создания в общем-то фантастических конструкций, сжимающих и скручивающих окружающее нас пространство. Подобные трудновообразимые «фокусы» с привычным нам окружением физики и математики называют «сложной топологией евклидового многообразия» или «изменением топологии трехмерного континуума». Интуитивно смысл этих загадочных фраз понятен, топология — это наука о геометрии пространств с различной размерностью, а многообразие и континуум — это все то же окружающее нас пространство.
Естественно, любая теория перемещения во времени пока еще является лишь голой теорией или чистой научной спекуляцией. Чаще всего, когда речь заходит о зримом образе времени, школьные учителя и университетские профессора, следуя классической теории, рисуют на доске стрелку и говорят, что существует лишь одно временное измерение, составляющее единственное одномерное временное пространство.
В соответствии с этой точкой зрения изменение событий прошлого автоматически меняет образ настоящего. При этом возникают любопытные парадоксы «временных петель». К примеру, что случится, если вы перенесетесь в прошлое и предотвратите встречу своих родителей? Популярный фантастический фильм «Назад в будущее» утверждает, что вы просто прекратите свое существование, навсегда исчезнув из реальности настоящего.
Сегодня считается установленным, что течение времени зависит от скорости перемещения тел, характера их движения и структуры окружающего пространства. На очереди построения реальных, с точки зрения современной физики, схем перемещения во времени. Какова же здесь может быть роль квантовой физики?
С помощью квантовой теории можно решить много трудных вопросов строения Т-агрегатов. Можно сконструировать «вход» и «выход» машины времени, а также канал межвременного перехода, при этом можно радикально «развязать» все петли времени, применив многомировую интерпретацию квантовой механики. «Хрононавт», путешествуя во времени, никогда не сможет внести каких-либо изменений в исходную реальность, поскольку он всегда будет находиться в иных мирах.
При этом вообще можно представить занятную ситуацию, когда независимые миры выстраиваются во временную последовательность, где каждый из них в своем развитии абсолютно копирует ушедших в будущее соседей. Вот в таком многомирье можно было бы путешествовать и в прошлое и в будущее, не опасаясь каких-либо петель времени и наблюдая при этом неискаженную реальность истории собственного мира.
Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий.
На главный вопрос квантовой хронофизики (если временные парадоксы могут быть успешно разрешены, сами по себе путешествия во времени возможны или нет?) Хокинг давал следующий ироничный ответ: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего».
Но профессор Торн, будучи горячим сторонником теории Мультиверса, отвечал своему коллеге следующим образом: путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться «толпы визитеров». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами — только не с нами, а с нашими копиями.
Продолжая свои исследования квантовой физики времени, Хокинг пришел к новым вопросам, каждый из которых порождал бурные споры на кафедральных и факультетских семинарах.
Почему в нашем мире не два, не три, а только одно время? Почему оно одномерно? Почему у пространства три измерения — длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно — длительность? Может ли быть так, что размерность пространства-времени в иных мирах кардинально отличается от нашей Вселенной? Как выглядят многомерные миры и можно ли их увидеть в принципе? А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем — родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время? Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям, и что при этом произойдет? Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что будет сравнимо с космологическим коллапсом — Большим хлопком или Большим разрывом, ожидающим, по некоторым сценариям, нашу Вселенную?
Чем больше Хокинг погружался в тайны удивительного четвертого измерения нашей реальности, тем больше у него возникало вопросов, и тем сложнее они становились. Правда, время — настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас Мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит в новую реальность совершенно фантастических явлений.
Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии это — самая общая характеристика любых происходящих вокруг изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математики время — всего лишь параметр, нумерующий последовательности следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос — почему все последовательности многообразных событий определяются только одной укладывающейся на линию величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными или объема с тремя?
Можно было начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений — было четыре мировых оси — три пространственных, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира?
Если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о Т-аппаратах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки существования квантов времени. Некоторые расчеты показывают, дискретность времени должна проявиться в экспериментах с микрочастицами, разогнанными до энергий в десятки миллиардов джоулей. Это очень большая величина, сравнимая с энергонасыщеностью всей современной промышленности, и даже самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, вряд ли смогут обеспечить хотя бы мизерную долю требуемой энергии. По всей вероятности, для проведения подобных экспериментов понадобятся принципиально новые источники энергии, иначе подобный ускоритель очень быстро истощит все планетарные ресурсы нашей цивилизации.
Чтобы обойти трудности, возникающие при фейнмановском суммировании всех возможных волн, обусловливающих результирующую траекторию частиц, Хокинг придумал математический прием, который состоит в том, что «складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом. «Мнимое время, — писал он, — звучит, возможно, научно-фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие».
Хокинг указывал на то, что данный термин не имеет никаких вненаучных коннотаций, а основан только на понятии мнимых чисел, операции с которыми давно стали предметом соответствующего раздела алгебры. Таким образом, Хокинг показал, что, перейдя к мнимым единицам времени, можно во-первых, корректно выполнить фейнмановское суммирование по траекториям, а во-вторых, обнаружить в пространстве-времени совершенно новые и необычные для стандартной теории происхождения Вселенной изменения понятий, — в таком мире «совершенно исчезает различие между пространством и временем», — констатировал он.
Этот математический прием, который, судя по результатам, может оказаться не менее важным для науки, чем преобразования Лоренца, приведшие Эйнштейна к специальной теории относительности, или решение Дирака, с помощью которого он предсказал существование античастиц (в частности, антиэлектрон), открыл перед физиками, занимающимися теорией эволюции Вселенной, и перед философами, пытающимися ее осмыслить и ввести в культурный контекст, совершенно новые перспективы. Отмечая эту новизну, Хокинг писал:
В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.
Эта возможность обусловлена тем, что пространственно-временной континуум оказывается представленным посредством комплексных чисел в евклидовых координатах, но имеющих продолжение в мнимую область. При таком описании мира пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение Вселенной на этих границах.
Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство и время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной — это отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.
Таким образом, посредством перехода к мнимому времени Хокинг создал другую языковую систему, в которой парадоксы, связанные с наличием сингулярностей, отсутствуют по причине отсутствия самих сингулярностей. Принятие такой интерпретации полностью меняет ход дискуссий вокруг проблемы происхождения Вселенной, поскольку исчезает сам предмет дискуссии: Вселенная — это то, что есть, к ней логически неприменимы трактовки, связанные с такими категориями как происхождение, начало, завершение и т. д.
Предвидя возможное сопротивление научного сообщества принятию таких существенных изменений в понятии времени, Хокинг обращал внимание на то, что представления о мнимом времени и, соответственно, о том, что время и пространство должны быть конечны и без границ, есть всего лишь теоретический постулат, который не выводится из какого-либо другого более общего принципа: как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями.
Но поскольку наши наблюдения происходят в действительном времени, то историю саморазвития Вселенной пока что следует интерпретировать в рамках модели Большого взрыва, где, несмотря на все усилия теоретиков, все же неустранимо присутствуют сингулярности.
Впрочем, такая двойственная и в деталях взаимоисключающая картина мира построенного с учетом новой физики, возникшей в начале прошлого века, в целом неудивительна. История науки знает много крайне неудачных попыток трактовать неоднозначность поведения объектов микромира с точки зрения классической механики, все равно так или иначе приводивших к принципу дополнительности и корпускулярно-волновому дуализму. В этой связи Хокинг рассуждал:
Может быть, мнимое время — это на самом деле время реальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностям, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, может быть, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным — это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную.
Хокинг считал, что в случае квантового мнимого времени ему удалось ввести одно из важных понятий квантовой теории, наряду с представлениями о квантовых скачках, спине частиц, волнах вероятности, неодновременности событий, о квантовом вакууме и других парадоксальных изысках новой физики. Надо заметить, что недосказанные мысли кембриджского теоретика быстро поняли британские философы. На сегодняшний день считается, что современные критерии научной рациональности позволяют ввести такие противоречивые, но чрезвычайно продуктивные для теории понятия, как мнимое время, в научный контекст на основе принципа эпистемологической дополнительности.
Таким образом, переход к представлению времени в мнимых единицах измерения позволил Хокингу ликвидировать неустранимые в стандартной теории Большого взрыва бесконечные расходимости, появляющиеся в точке сингулярности, и выстроить совершенно новую концепцию времени в модели «происхождения» Вселенной.
Оказалось, что мнимое время Хокинга самым непосредственным образом связано с новыми концепциями квантового времени. Так, оно способно более-менее надежно объединить множественные миры квантового Мультиверса и даже быть связующим звеном множественного Мироздания. Например, Хокинг ввел понятие «кванта мнимого времени», связывающего воедино все миры Мультиверса.
В подобных теоретических схемах миры квантового многомирья напоминают костяшки на бухгалтерских счетах, нанизанные на единую стрелу общего времени Мультиверса. Каждый хроноквант (10–44 с) в сингулярности Большого взрыва возникает новый мир, отправляясь в путешествие по стреле времени. В этой практически бесконечной череде вселенных действует и собственное время, показывающее возраст каждого конкретного мира. Оно отражает перемещение по стреле времени, как спидометр автомобиля показывает время поездки по пройденному расстоянию при строго определенной скорости. Так связь «внешнего» и «внутреннего» времен образует единую структуру Мультиверса.
По мнению Хокинга, решение вопроса «многовременности» нашей Вселенной или хотя бы Метагалактики следует искать среди далеких космических объектов, перемещающихся со сверхсветовой скоростью. Вместе со своим коллегой Мартином Рисом профессор Хокинг выяснил, что такие объекты действительно известны астрономам! Правда, пока все они нашли свое объяснение в рамках теории относительности или оказались оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени….
Вообще говоря, совместные исследования сэра Риса и Хокинга показывают, что тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение — в момент пересечения его и нашей траектории. Получается, что если мгновением раньше оно было еще в нашем прошлом, то мгновение спустя окажется в нашем будущем.
Фантазируя на эту тему, Хокинг на одном из семинарских занятий представил ситуацию, когда «иновременной» зонд, находясь в прошлом, посылает сигнал о своем прибытии. Этот сигнал должен содержать информацию о времени и координатах точки пересечения траекторий, иначе аппарат рискует появиться внутри материального тела, и это может привести к настоящей космической катастрофе.
Правда, эта ситуация возможна, если наша временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве — это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где-то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из далекого времени мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас в глубинах космоса…
Рассказывая об особенностях «многомирового» Мироздания, Хокинг подчеркивал, что в нашем Мире мы привыкли видеть астрономические источники света — солнце и звезды — столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни. В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подбирается к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.
Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее 5 миллиардов лет.
Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов привлекли внимание Хокинга к вопросам баланса энергии в многовременном мире. Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты компенсируют друг друга — вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.
Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены так, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправно. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния, однако каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни это не так. Реальное время течет только в одном направлении.
Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии, и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т-конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.
Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из «квантовых лекций» Хокинга становится ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. При этом чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая. Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. А как же быть со временем?
В рамках классической физики электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, может обладать любой энергией, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.
Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала и определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.
Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.
Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже на смесь прыжков кенгуру на батуте и движения шахматной фигуры коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном Мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.
В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами не некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается.
Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.
В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление: фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.
Глава 11. Ячейки пространства-времени
В природе могут быть вселенные, содержащие всего несколько частиц. Эти вселенные так малы, что невозможно заметить их присоединения к нашему закоулку. Но присоединившись, они изменят видимые значения величин, таких как электрический заряд частиц. Следовательно, мы не можем предсказать, каково будет видимое значение этих величин, так как не знаем, сколько вселенных ожидают своей очереди снаружи. Возможен взрыв рождаемости вселенных. Однако, в отличие от людей, у них, похоже, не будет ограничивающих факторов, таких как пропитание и место под солнцем. Младенцы-вселенные существуют в своем собственном царстве. Это напоминает вопрос, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы.
В начале нашего века Хокинг принял деятельное участие в развитии еще одной теории на базе новых моделей квантовой гравитации, дающей парадоксальную картину природы пространства и времени на сверхмикроскопическом уровне. Эта необычная теория со странным названием «петлевая квантовая гравитация» (ПКГ) представляет нам пространство и время, состоящие из дискретных частей. Расчеты, выполненные Хокингом и другими известными физиками-теоретиками, представили простую и красивую картину, которая помогла объяснить многие загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что, хотя и в отдаленном будущем, ее предсказания можно будет проверить экспериментально, и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют. В ПКГ речь идет о структуре пространства-времени в самых малых масштабах площади или объема. Представьте себе некую область, обозначенную границей, которая может быть задана материальным объектом или непосредственно геометрией пространства-времени. Что происходит, когда мы измеряем объем описанной области? Если геометрия пространства непрерывна, то размеры и объем рассматриваемой области могут бить любыми. Но если геометрия как бы «гранулирована», то мы получим целочисленные значения, и будет существовать некоторый минимальный объем.
В теории ПКГ на субэлементарном масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы грубо задается кубом
Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют
Опыт убеждает нас в том, что многие элементарные частицы похожи на маленькие безостановочно вращающиеся волчки, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц тоже происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами. Их называют спинами частиц, и они могут принимать целые и полуцелые значения. Частицы с целыми спинами называются бозонами, а с полуцелыми — фермионами, по именам индийского теоретика С. Бозе и итальянского физика Э. Ферми, которые первыми стали изучать специфические особенности этих двух видов частиц.
К бозонам принадлежат глюоны, частица света фотон, квант гравитационного поля гравитон, многие типы мезонов. В отряд фермионов входят кварки, электрон, нейтрино, протон с нейтроном и большинство других тяжелых частиц. Нетрудно заметить, что эти классы частиц играют совершенно различную роль в строении вещества. Фермионы составляют основу вещества, а бозоны — кванты связывающих их калибровочных полей. Свойства бозонов и фермионов настолько различны, что физики долгое время были уверены в том, что это — принципиально различные частички материи. Первые подозрения в скрытом родстве бозонов и фермионов возникли у теоретиков. Уж очень сходным был математический аппарат, описывающий эти два типа частиц! Да и вообще, если за единицу измерения взять спин, равный половине, то у бозонов будут четные целые спины, у фермионов — нечетные целые. Принципиальной разницы нет. Но почему же тогда природа разделила их непроницаемой стеной? Ведь на фоне разнообразных взаимопревращений частиц, столь характерных для микромира, фермионы всегда остаются фермионами, а бозоны — бозонами! В чем тут дело?
Сомнения усилились после открытия глюонов. Хотя это типичные бозоны и исполняют роль связывающего звена в кварковых структурах, они вместе с тем могут сами рождать новые глюоны, которые в свою очередь склеивают их между собой. Получается, что четкой границы между свойствами бозонов и фермионов нет, и те же глюоны имеют двойственную природу.
К идее бозон-фермионного родства теоретики пришли, анализируя уравнения, которым подчиняются эти частицы. Они придумали, как записать эти уравнения в виде, симметричном для целых и полуцелых спинов. А если есть симметрия, то стандартные методы теории Галуа позволяют рассчитать соответствующие мультиплеты: как говорится, это уже дело техники.
Новая симметрия получила название суперсимметрии. Она утверждает, что при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Это как бы зеркальное отражение природы, при котором фермионы превращаются в бозоны, а бозоны — в фермионы. Отсюда сразу же следует, что у каждого бозона должен быть партнер — фермион, и наоборот. Наряду с известными нам кварками-фермионами в природе должны быть еще кварки-бозоны и целая россыпь состоящих из них еще не открытых элементарных частиц.
У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть партнеры — бозоны. Еще не открытый на опыте партнер, его называют фотино, есть и у частицы света фотона. Словом, все частицы в природе должны иметь своего суперсимметричного партнера. Часто один их них — легкая частица, иногда даже без массы покоя, как фотон или нейтрино, а второй очень тяжелый. Например, бозонный электрон весит, по крайней мере, в сорок тысяч раз больше обычного электрона. Не меньшая масса у бозонного нейтрино и у фотино. К таким выводам приводят и расчеты, и экспериментальные данные, ведь если бы частицы были легкими, для их рождения в ядерных реакциях требовалось бы меньше энергии, и они давно были бы обнаружены. Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладает достаточной энергией, чтобы породить такие тяжелые крупинки материи. В глазах физиков идея суперсимметрии выглядит чрезвычайно привлекательной и многообещающей, однако пока это только гипотеза. Чтобы она стала доказанным фактом, нужно открыть хотя бы некоторые из предсказанных ею частиц, например бозонные кварки или суперпартнеров электрона и нейтрино. Тем не менее это не мешает ученым использовать идею суперсимметрии в своих теоретических исследованиях, и в первую очередь — для построения квантовой теории тяготения.
Вернемся к гравитону — гипотетическому кванту поля тяготения. Если верна гипотеза суперсимметрии, у него тоже есть партнер — гравитино. Это квант калибровочного поля, различающего фермионные и бозонные частицы. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравичастиц. У бозона-гравитона спин равен двум, у фермиона-гравитино — трем вторым. Гравитон подобен фотону и не имеет массы покоя, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но по оценкам, по-видимому, раз в сто больше протонной, то есть не меньше, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает совершенно новые черты — становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и была создана усилиями физиков многих стран.
Изучение супергравитации еще только начинается. Главное препятствие — отсутствие экспериментальных данных. Некоторые косвенные сведения дает лишь космология. Эволюция Вселенной в ранний период ее жизни, когда она представляла собой смесь из быстро рождающихся, распадающихся и взаимопревращающихся частиц, должна была зависеть от свойств гравитино. Сравнивая различные теоретические космологические сценарии развития Вселенной с астрофизическими наблюдениями, можно сделать некоторые грубые оценки.
Начиная с античных времен естествоиспытатели и философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен или больше похож на кусок материи, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе — или мир развивается крошечными скачками, действуя, словно компьютер?
Как-то, будучи еще ассистентом профессора Сиамы, Хокинг сделал попытку распространить принципы квантового мира на окружающее пространство. Тогда у него получилось, что оно должно состоять из определенных квантовых единиц площади и объема, производных от длины Планка, связанной с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Из этого исследования Хокинг сделал вывод, что длина Планка определяет сверхмикроскопический масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.
Однако профессор Сиама посчитал выводы своего ассистента недостаточно обоснованными и предложил продолжить исследования. И тут Хокинг выдвинул гипотезу, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой, — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения. При этом оказалось, что если гравитация связана с кривизной четырехмерного пространства-времени, то с высшими измерениями связаны другие поля. Главный вывод Хокинга: новая теория квантовой гравитации позволяла совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что творилось не только сразу после Большого взрыва, но и до него. После смерти Хокинга эту тему продолжают развивать такие видные теоретики, как Роджер Пенроуз и Кип Торн, так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку Мироздания — что же действительно предшествовало рождению нашего Мира.
В дальнейшем при исследовании квантовой гравитации Хокингу пришлось рассчитывать в основном лишь на теорию. Для этого ему пришлось изучать и сравнивать различные ее варианты, отбирая те, которые используют меньшее число предположений и более последовательны. Это напоминало, по признанию самого теоретика, разгадывание трудных кроссвордов, где для каждой колонки или строки пустых клеток можно найти несколько вариантов подходящих слов, но их взаимное расположение дает единственно правильное решение.
Однако, как неоднократно замечал в своих выступлениях профессор Хокинг, даже в простейшем варианте новая теория чрезвычайно сложна математически. При этом он обязательно рассказывал исторический анекдот про Эйнштейна: «С тех пор как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».
«Но по сравнению с теорией супергравитации, — добавлял Хокинг, — общая теория относительности легкое чтение!
В процессе разработки теории квантовой гравитации Хокинг предсказал удивительное явление, когда фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.
Когда в миллиардах световых лет от нас происходят чудовищные взрывы звездных объектов, то в окружающее их пространство устремляются гигантские потоки радиации. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации частичка такой радиации — фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет радиацию более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет и может наблюдаться в околоземном пространстве.
Хотя силовое воздействие всемирного тяготения буквально пронизывает всю без исключения нашу среду обитания, его кванты в виде частиц-гравитонов еще не наблюдал ни один исследователь. Убежденность в их существовании исходит в основном от физиков-теоретиков, которые, основываясь на квантовой механике, утверждают, что все без исключения силовые поля должны состоять из элементарных энергетических порций — квантов. Проблемы наблюдения отдельных гравитонов обусловлены его чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, лежащим за границей чувствительности современных детекторов, ведь оно более чем на сорок (!) порядков слабее электромагнитных сил. Даже по сравнению с самой неуловимой частицей — нейтрино, для поисков которой используются толща мирового океана и сверхглубокие шахты, взаимодействие гравитона выглядит в биллионы миллиардов раз слабее. Каким же образом сила всемирного притяжения управляла рождением Вселенной, определяет современный облик нашего Мира и когда-нибудь через десятки миллиардов лет поставит последнюю точку в истории нашей реальности?..
Могущество самого грандиозного силового поля Мироздания основывается на неисчислимом количестве ее всепроникающих квантов, составляющих всемирный океан гравитационной энергии, в потоках которой плывут взаимодействующие тела. Если воспользоваться умозрительной моделью, то гравитон будет подобен летящему со скоростью света винтообразно закрученному вихрю энергии, чем-то напоминающему микроскопический торнадо. По сравнению со всеми известными элементарными частицами гравитон, по предсказаниям теоретиков, должен быть самой «закрученной» частицей, ведь ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.
Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного для нас поля земного притяжения. Что же говорить о квантовых образах иных моделей гравитационных полей, иногда имеющих несколько компонентов с различными спинами. Примером могут служить гравифотоны и гравискаляры, здесь ситуация отдаленно напоминает электромагнитное поле с его магнитной и электрической компонентами. Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но в отличие от него это довольно массивные частицы с собственной массой покоя. Они могут ускоряться и замедляться, а переносимые ими силы гравитации обрываются в пространстве более резко, чем гравитонные. В этом отношении новые гравичастицы, предсказываемые теоретиками, похожи на мезоны, переносящие ядерные силы. Только мезоны являются довольно тяжелыми, в триста раз массивнее электрона, масса же гравичастиц пока еще известна лишь очень приблизительно. Скорее всего, они чрезвычайно легкие, может быть, даже в сотни триллионов раз легче электрона. Для сравнения: электрон на столько же легче средней молекулы.
Из квантовой теории следует, что радиус сил, переносимых столь легкими частицами, как гравифотоны и гравискаляры, может составить десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут давать небольшую прибавку к классическому закону всемирного тяготения, которую, однако, физики-экспериментаторы пока еще не смогли идентифицировать. В то же время в космическом масштабе дополнительные гравитационные силы практически исчезают. Это наглядно демонстрируют детальнейшие астрономические наблюдения движения планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение отлично рассчитывается на основе обычной ньютоновской теории, без всяких дополнительных гравитационных компонентов. Здесь прослеживается четкая логическая связь, ведь если бы частицы поля тяготения были еще легче, то их радиус действия возрос бы настолько, что они были бы неминуемо замечены земными наблюдателями. В то же время некоторые из квантов гравитации могут быть очень тяжелыми, превосходя в тысячи раз протоны и нейтроны. Тогда их влияние будет проявляться лишь на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современному эксперименту. В этом случае возникают интереснейшие вопросы для физиков: каким образом подобная квантовая гравитация может влиять на процессы в макромире? Связана ли квантовая гравитация с таинственной «темной энергией», и какой вид могут иметь эти связи?
Как видим, здесь еще много неясностей, от которых нас избавит лишь эксперимент, и его результаты могут оказаться весьма неожиданными. В настоящий момент концепцию квантовой гравитации еще трудно соотнести с выводами других, интенсивно развивающихся теорий: инфляционной Вселенной, многомировой интерпретации, Мультиверса и квантовой хронофизики. Так, в последней на вселенскую сцену также выходят «атомы пространства и времени», однако их образ возникает не феноменологическим путем, а в результате анализа фундамента квантовой теории — структуры планковского кванта действия.
В начале прошлого века, незадолго после создания основ квантовой механики, Планк ввел несколько физических величин, получивших название «планковские»: длину, массу и время. Среди физиков-теоретиков до сих пор не утихают споры о том, что же скрывается за мыслимым горизонтом сверхмалых планковских масштабов. Одни видят там кипящий вакуум виртуальных частиц, из пены которого возникают новые миры, тут же проваливаясь в пропасть иных измерений, другие полагают, что континуум пространства-времени заполнен там мембранами из суперструн, а третьи мысленным взором охватывают бесконечные соты ячеек свернутых измерений. Сам Планк при выводе своих параметров руководствовался простым правилом размерностей, комбинируя известные тогда мировые константы, среди которых была и гравитационная постоянная, и это уже может служить одной из нитей, связывающих стандартную теорию с новейшими построениями.
Проблема новых гравитационных сил представляет собой один из интереснейших и актуальнейших вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья «Иллюзия гравитации», опубликованная в журнале «Мир науки» одним из ведущих теоретиков квантовой гравитации Хуаном Малдасеной, в которой он пишет, что общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью.
В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.
Здесь важно помнить, что мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений из-за их особого вида. Считается, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), которые все наши измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не обязательна: электроны, кварки и прочие частицы материи представлены струнами со свободными концами.
Таким образом, голографическое соответствие — не просто новая возможность создания квантовой теории гравитации. Оно фундаментальным образом объединяет теорию струн как наиболее изученный подход к квантовой гравитации с теорией кварков и глюонов, которая является краеугольным камнем физики элементарных частиц. Более того, голографическая теория, по-видимому, позволяет составить какое-то представление о точных уравнениях теории струн. Она была придумана в конце 1960-х годов для описания сильных взаимодействий, но ее забросили, когда на сцене появилась теория хромодинамики. Соответствие между теорией струн и хромодинамикой подразумевает, что прежние усилия не пропали даром: оба описания являются различными сторонами одной и той же монеты.
С годами на базе петлевой гравитации была создана обширная теория, дающая новую картину природы пространства и времени на уровнях планковского масштаба. Самый удивительный ее аспект в том, что на этом масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы задается кубом планковской длины. Площадь поверхности, отделяющая одну область пространства от другой, измеряется в дискретных единицах, мельчайшая из которых в грубом приближении равна квадрату планковской длины. Таким образом, если взять некий произвольный объем пространства и измерить с очень высокой точностью, мы обнаружим, что значение объема будет укладываться в дискретный ряд чисел, подобно тому как это происходит с энергией электрона в атоме. А равно, как и в случае энергетических уровней атома, здесь тоже можно вычислять дискретные площади и объемы на основе теоретических выкладок.
Важный урок состоит в том, что квантовая гравитация, на многие десятилетия озадачившая лучшие умы планеты, может оказаться очень простой, если ее рассматривать в терминах правильных переменных. Будем надеяться, что вскоре у нас появится простое описание парадоксального Мироздания, включая и сам момент рождения Вселенной — Большой взрыв.
Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь несомненная пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу. Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов для проверки зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно увидеть, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом.
Многие космологи и астрофизики утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности.
Такого же мнения придерживался и Хокинг, а решения полученных им уравнений показали, что при экстремальном «сжатии» Вселенной пространство как бы рассыпается. При этом, по выводам теоретика, квантовая геометрия не позволяет уменьшить конечный объем до нуля. На определенном этапе неизбежно должна произойти остановка и вновь начаться расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во «времени», а значит, в этой теории до Большого взрыва с неизбежностью присутствует Большой хлопок — катастрофическое сжатие «предыдущей» вселенной. При этом свойства этой предыдущей вселенной не теряются в процессе коллапса, а однозначно передаются в нашу Вселенную.
Ну а теперь вспомним, что, рассуждая о возможных проявлениях ячеистой структуры пространства-времени мы забыли о самом главном событии в истории Мироздания — его рождении в пучинах Большого взрыва. Элементарная логика подсказывает, что если атомы пространства и времени существуют, то они должны были проявиться в самом начале эволюции Вселенной. Именно тогда и должна была возникнуть космологическая стрела времени, управляющая течением всех процессов и явлений нашего Мира.
Глава 12. Инфляция новорожденного мира
Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.
Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта — Уилера, сама по себе гипотеза множественных вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав еще один поток работ в области квантовой космологии. В их основе лежит удивительная модель инфляционного Большого взрыва. Согласно инфляционному сценарию наш Мир родился из неизвестно чего под названием космологическая сингулярность. Отвечая на вопросы слушателей после очередной лекции о происхождении нашего Мира, Хокинг, чтобы поставить на место излишне любопытствующих об этом совершенно непонятном состоянии материи, иронизируя, весомо добавлял: «Это была квантовая космологическая сингулярность!»
Итак, из его рассуждений следовало, что по истечении 10–43 секунды постсингулярного развития Вселенная «приобрела свое тело», мгновенно расширившись до наблюдаемых размеров. Это кратковременное сверхбыстрое (инфляционное) расширение и дало название данной теории. Что же «сдетонировало» в ходе Большого взрыва, породившего наш Мир?
Приверженцы инфляционной теории раздувающейся Вселенной во главе с Хокингом считают, что на изначальном этапе существовал только физический вакуум, пронизанный неким первичным полем, параметры которого сильно менялись из-за квантовых флуктуаций, «вспенивающих» изначальное пространство-время.
Квантовая флуктуация — это неопределенность параметров какого-то процесса, его «размазанность», и если одна из таких флуктуаций достигнет надкритического размера («размытость» параметра пересечет своим краем некоторую критическую границу), это может привести к острому локальному экстремуму (вспоминаем школьную математику!) интенсивности поля. Этот полевой «подскок» параметров и может создать условия для выхода на инфляционный режим. В итоге возникает молниеносно расширяющийся пузырек — зародыш нашей Вселенной, за невообразимо малый «квантовый» срок заполняющий как минимум объем Метагалактики.
Так, по крайней мере умозрительно, рождается вселенская сцена, на которой материя и энергия по тщательно и не очень выписанным сценариям теорфизиков-космологов начинают разыгрывать грандиозный спектакль под названием «Наша физическая реальность»! Тут надо заметить, что режущее вначале слух слово «сценарий» ученые, работающие в области космологии, науки о Вселенной в целом, любят применять к любым «глобальным» процессам, ведь все же приятно хоть изредка чувствовать себя этаким всемогущим демиургом — сверхъестественным существом, создающим иные миры!
Хотя в квантовой инфляционной космологии еще очень много белых пятен, да и сам по себе механизм инфляции малопонятен, Хокинг вместе с коллегами создал несколько вариантов инновационных сценариев вечной инфляции. Эта парадоксальная концепция предполагает, что квантовые флуктуации, подобные той, которая, возможно, положила начало нашей Вселенной, не исчезли в первые мгновения Большого взрыва, а продолжают самопроизвольно возникать, порождая все новые и новые миры. Не исключено, что и наша Вселенная сформировалась подобным образом в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что и в нашем Мире возникнет флуктуация, которая разовьется в новую вселенную, может быть даже с иными физическими законами и структурой пространства-времени, тоже впоследствии способную к космологической «редубликациии». Конечно же, в подобных сценариях очень много загадок, так, не совсем ясна роль энергии вакуума. Эту загадочную «пустую» субстанцию Хокинг считал буквально перенасыщенной энергией!
Разрабатывая варианты космической инфляции, Хокинг предположил, что именно энергия вакуума определяет структуру космической материи. По его словам, будь она немного ближе к нулю, Вселенная так бы и осталась безжизненной и бесформенной смесью газа и пыли, равномерно распределенной по космическому пространству. В противном случае, чем больше была бы величина темной энергии, тем быстрее первичное вещество сконденсировалась в массивные галактики, которые давным-давно сколлапсировали бы в черные дыры.
Любопытно, что сценарий непрерывно рождающегося инфляционного Мира позволяет совершенно по-иному взглянуть на вероятность зарождения жизни. Эта величина, по мере продвижения вперед исследований в области молекулярной биологии и генетики, все более приобретает поистине отрицательное астрономическое значение. Сложность до сих пор не найденного «механизма запуска» жизненных процессов позволяет считать, что даже действия всех возможных факторов на протяжении эволюции нашей Вселенной (после образования первых звезд) может не хватить для его реализации. Однако наличие бесконечного количества разнообразных миров коренным образом меняет ситуацию.
Поделиться книгой: