Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Рис. 4. Коллапс с образованием сложной пространственно-временной сингулярности.

На самом деле мы можем оценить, насколько более «вероятной» будет сингулярность на рисунке 4 по сравнению с рисунком 1, используя знаменитую формулу, называемую формулой Бекенштейна – Хокинга для энтропии черной дыры. Насколько более вероятным это будет? Ответ – примерно десять в степени 10124 к 1, это 1000…00 к одному, где нулей – 10124 штук. Это очень большое число! И это дает нам некоторое представление о том, насколько маловероятно, чтобы в конкретном случае произошел такой «Большой взрыв», как в нашей вселенной, или нечто подобное ему. Инфляция совершенно не уменьшает эту невероятность. Должно было быть что-то еще, что дало нам такой необычайно специфический начальный Большой взрыв.

Как нам определить этот особенный характер нашего Большого взрыва в элегантных геометрических терминах? Мой коллега по Оксфорду Пол Тод нашел очень элегантный способ выразить это математически – значительно улучшив способ, который предлагал я, – а именно, растянуть Большой взрыв наружу конформным образом, используя трюк, в основе своей противоположный тому, что мы использовали для бесконечности. То есть, модели вселенной, в которых гравитационная энтропия находится на своем минимуме, – это те, для которых Большой взрыв может быть конформно растянут до получения хорошей гладкой начальной поверхности. На рисунке 3 показаны оба эти конформных трюка; на нем видно, что не только будущая бесконечность сжата на гладкой конформной границе будущего, но и Большой взрыв растянут до хорошей гладкой конформной границы.

В этом нет ничего особенно необычного – просто пара милых математических трюков, призванных помочь нам размышлять об общей пространственно-временной геометрии вселенной. А теперь я сделаю кое-что очень необычное. Основная мысль здесь в том, что растянутый Большой взрыв и сжатая бесконечность – не просто конечные области. Растянутый Большой взрыв рассматривается как продолжение сжатой бесконечности предыдущего эона, и наша сжатая бесконечность продолжится Большим взрывом следующего эона. Я использую термин «эон» для описания фазы существования вселенной, начинающейся с Большого взрыва и становящейся бесконечным экспоненциальным расширением. Конформная бесконечность каждого эона меняет масштаб, становясь Большим взрывом следующего эона. Где-то в бесконечной череде эонов находится и наш эон, как это показано на рисунке 5. Получается бесконечная последовательность эонов до нашего и бесконечная последовательность эонов после нас. Это модель, которую я называю конформной циклической космологией, или КЦК.

Рис. 5. Череда эонов.

Это, конечно, странная идея, безумная идея, если хотите, но она объясняет многие вещи, которые не объясняют другие космологические схемы. В первую очередь, она дает нам Второй закон термодинамики в новой форме – с гравитационными степенями свободы, полностью подавленными во время Большого взрыва. Если вы не полностью понимаете КЦК или не верите в него вовсе, то вы нисколько не уникальны. В той же лодке еще множество народу, но я пытаюсь убедить их, что в этой идее есть нечто, заслуживающее серьезного отношения. Вы вполне можете придерживаться точки зрения, что это просто геометрический курьез. Если вы занимаетесь этой забавной конформной растянуто-сжатой геометрией, то вы можете нарисовать эту милую картинку, но физика ли это? Представимо ли, что реальный мир ведет себя таким странным образом?

Ключевой вопрос здесь в том, как измерять пространственно-временную геометрию вселенной? Мы часто видим, что в популярном изложении люди описывают измерения в этом виде геометрии в терминах повсеместно прикладываемых маленьких линеек. Но линейки не очень годятся для точных измерений расстояний по современным стандартам высокой точности. В Париже хранится метровая линейка, которая была стандартом для определения метра. Сейчас это уже не годится. Расстояния куда лучше определяются временем, и мы используем скорость света для перехода от времени к расстоянию. Определение метра теперь некая часть световой секунды, то есть, расстояния, которое свет проходит за секунду. Атомные и ядерные часы необыкновенно точны, поэтому линеек больше не нужно, мы просто используем часы. Если вы знаете, как измерять время, вы можете измерять расстояния.

Дело в том, что эти часы очень, очень точны по очень хорошей причине. Каковы два самых знаменитых уравнения в физике ХХ века? Одно из них – уравнение Эйнштейна, E = mc2, второе – уравнение Макса Планка E = hν (или hf, называйте, как хотите). Е здесь энергия, а ν (это греческая буква «ню») – частота (возможно, чаще обозначаемая f в современных текстах). Планковское E = hν говорит нам, что энергия и частота, по сути, одно и то же! Тогда, с учетом уравнения Эйнштейна, мы можем сложить два и два и понять, что масса и частота – одно и то же. Так что если вы берете стабильную частицу, с хорошо определенной массой, – это маленькие часы. Все стабильные частицы – это очень, очень точные часы, и, как говорят эти знаменитые формулы, частота этих часов, частота их «тиканья» точно пропорциональна их массе. Поэтому у нас есть очень хорошее определение геометрии пространства-времени на основе этих чудесно точных часов, встроенных в природу. Замечательная точность атомных и ядерных часов в конечном итоге зависит от этого самого фундаментального их свойства. Однако можно сформулировать и обратное всему этому утверждение. Оно состоит в том, что если бы мы не имели вокруг частиц с точно определенной массой, тогда метрическая структура пространства-времени была бы не столь определенна. Есть два этапа в истории нашей вселенной – или, скорее, в истории нашего эона – когда это может иметь значение. Один из них – в очень отдаленном будущем, когда среди обитателей вселенной будут доминировать фотоны (частицы света), полностью лишенные массы, согласно современной теории и наблюдениям. Другой – в начале эона, а именно при Большом взрыве. Сразу после этого момента все частицы будут настолько энергично двигаться, что энергия, содержащаяся в массе частиц (Эйнштейновская E = mc2), будет совершенно не важна, то есть все частицы будут вести себя как фотоны, не имеющие эффективной массы.

Это говорит о том, что и с физической точки зрения, а не только с математической, идентификация бесконечно отдаленного будущего каждого эона с началом следующего эона имеет некоторый смысл. Можно считать, что физика, как и математика, гладко перетекает из одного эона в другой. Конечно, потребуются некоторые уравнения, чтобы описать, как именно все будет работать в переходной зоне между двумя эонами. Такие уравнения на самом деле можно написать, но здесь не то мероприятие, где это уместно.

Конечно, возникает вопрос, будут ли у этой схемы какие-либо измеримые последствия. На самом деле, должны быть. Я пытался представить, какие процессы могли бы быть наиболее бурными в эоне, предшествовавшем нашему, и могли бы создать сигнал достаточной силы, чтобы он был замечен в нашем эоне. Идея, которая пришла мне в голову, это столкновение в том предыдущем эоне двух сверхмассивных черных дыр, с созданием еще большей черной дыры, которая поглотит обе исходные. Выброс энергии при таком столкновении может быть обнаружен в нашем эоне. Эта энергия будет распространяться, в основном, в виде гравитационных волн, и, согласно уравнениям КЦК, эти волны распространятся в наш эон в форме импульса энергии, переданного темной материи нашего текущего эона на ранней стадии его эволюции. Такой сигнал мы можем наблюдать как круглое кольцо в космическом микроволновом фоне, вокруг которого будет зона немного повышенной температуры (для особенно далеких источников, сигнал от которых будет направлен к нам в виде узкого пучка) или немного пониженной температуры (для относительно близких источников, когда узкий сигнал направлен от нас). Этот сигнал может быть обнаружен, поскольку колебание температуры (узкое распределение температуры) вокруг такого кольца будет аномально малым среди других колец с тем же центром.

Можно ожидать, что в большом скоплении галактик будет достаточно крупных галактик со сверхмассивными черными дырами в центре. Можно ожидать, что за долгую историю такого скопления подобных столкновений будет множество, и остановятся они только когда во всем скоплении останется одна сверхмассивная черная дыра. Эти скопления создадут круглые кольца в нашем космическом микроволновом фоне, которые будут казаться нам концентрическими, потому что скопления галактик остаются, в целом, связанными структурами, несмотря на ускоренное расширение вселенной под действием космологической постоянной Λ. Таким образом, подтверждение теории КЦК может быть получено в форме необъяснимого избытка в космическом микроволновом фоне концентрических колец с узким распределением температуры.

У меня есть коллега из Армении, Вахе Гурзадян, который искал такие сигналы. После нескольких начальных неудач мы обнаружили отчетливые подтверждения того, что эти сигналы в самом деле присутствуют в космическом микроволновом фоне. Конечно, может оказаться, что найденные сигналы – лишь видимость, созданная случайным стечением обстоятельств. Необходимо выполнить тщательный анализ, чтобы убедиться, что такие сигналы действительно присутствуют на уровне выше случайного. Используя простую, но довольно необычную процедуру, мы смогли собрать значительное количество данных, подтверждающих это. Немногим позже некоторые другие наши коллеги в Польше под руководством Кшиштофа Майсснера, используя несколько иной и более традиционный метод статистического анализа, нашли дополнительное подтверждение значимого присутствия подобных круговых сигналов.

Я хочу показать вам несколько изображений микроволнового неба, проанализированных согласно процедурам, предложенным Гурзадяном и мною. Рис. 6 – это изображение микроволнового фона, на котором показаны наборы круглых колец с узким распределением температуры, в каждом из которых не менее трех колец имеют общий центр. (Пустая горизонтальная полоса посередине рисунка, закрывающая область от линии на 20° выше до линии на 20° ниже галактической плоскости Галактики, исключена, чтобы убрать шум от Млечного Пути). Мы обнаружили 352 таких центра, что значительно больше, чем можно было ожидать от случайного распределения. Мы также использовали очень простую, хотя и новаторскую процедуру, чтобы показать, что такой же поиск концентрических колец эллиптической, а не круговой формы обнаруживает значительно меньшее их число, резко уменьшающееся с ростом эллиптичности. Польская группа Майсснера использовала совсем другой метод анализа данных космического микроволнового фона (и не рассматривала вопрос о концентричности), но тем не менее получила результат на уровне достоверности 99,7 %[11], что круговые структуры не просто случайность. Канадская группа, возглавляемая Дугласом Скоттом, использовала те же процедуры, что и Гурзадян, и также обнаружила картину концентрических кругов, практически идентичную на рисунке 6, так что круговые структуры на самом деле выглядят настоящими. Однако авторы последнего исследования, скептически относящиеся к КЦК, заключили, что эти структуры все же являются статистическим эффектом.

Рис. 6.

Все это был анализ данных со спутника WMAP, запущенного в 1989 году, который наблюдал температурные вариации в космическом микроволновом фоне по всему небу. Позднее, в 2009 году, был запущен более чувствительный и точный спутник, называемый космической обсерваторией им. Планка. Некоторые полагают, что когда поступят полные данные с Planck, круговые структуры исчезнут. Были немалые споры относительно очевидного значения круговых структур, обнаруженных в данных WMAP. Однако по данным Planck эти структуры не пропали, но стали более заметными. На рисунке 7 показано изображение, полученное по данным Planck, проанализированным Гурзадяном тем же образом, что и данные WMAP. Опять, как и на рисунке 6, данные Planck показывают множество наборов из по меньшей мере трех концентрических колец с узким распределением. Теперь мы видим гораздо больше подобных центров. Более того, польская группа Майсснера, используя ту же процедуру, что и для данных WMAP, но несколько более изощренную, нашла в данных Planck подтверждение реальности круговых структур примерно на том же уровне значимости, что и в предыдущий раз.

Рис. 7.

Тем не менее благодаря понятному нежеланию настолько серьезно менять традиционную космологическую картину, аргументов против достоверности наблюдательных свидетельств в пользу КЦК все еще очень много. Однако эта критика сфокусирована на статистических вопросах касательно общего числа обнаруженных круговых структур, а не на более заметном глазу факте значительной анизотропии распределения этих структур по небу. Более того, как мы видим из рисунка 8, показывающем центры троек (или большего числа) концентрических колец с узким распределением, обнаруженных Гурзадяном в данных Planck, имеется не только явная неравномерность распределения, но видно, что сгущения этих колец часто совпадают с цветом, которым на этом рисунке для каждого центра показана средняя температура концентрических колец. Здесь красный цвет обозначает температуру выше средней, а синий – ниже средней. Таким образом, рис. 8 иллюстрирует два аспекта этих сгущений. Первый – очень плотное сгущение самих центров в относительно небольших областях, что для меня неожиданно. Второе – если рассмотреть положения этих сгущений на небе, видна их сильная корреляция с цветовым кодом. Более того, напомню, что группа Майсснера обнаружила сходные с нашими результаты, и что группа Скотта получает те же изображения, что и мы. Конвенциональное объяснение температурных вариаций в космическом микроволновом фоне состоит в том, что они происходят от квантовых флуктуаций поля («инфляционного поля»), которые пронизывают инфляционную фазу изменения температуры вселенной. Традиционное объяснение наблюдаемых температурных вариаций говорит нам, что они должны быть, по сути, случайными квантовыми событиями. Но мы видим на рисунке 8, что цвет прямо коррелирует со сгущениями – и КЦК предсказывает именно такого рода корреляцию!

Рис. 8.

Почему именно такую? Согласно КЦК, тот или иной избыток цвета в определенном месте на микроволновом небе является прямым указанием на расстояние от нас до источника сигнала (скопления галактик), имеющего вид концентрических кругов. Здесь возможна некоторая путаница, потому что самые удаленные источники – те, от которых сигнал идет к нам. Поэтому температура излучения, идущего от них, смещена в синюю сторону, хотя в терминах традиционной космологии более далекие источники – более красные. То есть, их температура выше средней, поэтому на рисунке 8 этот эффект изображен красным цветом. Сравнительно более близкие источники видимы как несколько более холодные кольца, потому что их сигнал идет в другую сторону от нас. Согласно КЦК, явно видимое красное пятно справа, чуть ниже вырезанной полосы, происходит от громадной области скопления галактик («супер-пупер скопление»), которая находится на огромном расстоянии от нас, в предыдущем эоне. Его размер может быть оценен исходя из углового диаметра области красных точек, а общий для всех этих точек оттенок красного говорит о том, что суперскопление хотя и огромно, но все же локализовано на шкале расстояний. Синяя область вверху справа – сигнал от чего-то более близкого и имеющего меньший размер (хотя все равно масштаба «супер-пупер»). Всего этого нет в стандартной космологии, с КЦК это согласуется!

Если вы не верите в КЦК, эти наблюдения придется объяснять как-то по-другому. Традиционое объяснение температурных вариаций СMB следующее. Температурные вариации вызваны «квантовыми флуктуациями» в поле, которое необходимо, чтобы произвести инфляцию в ранней вселенной. Не буду объяснять, как это работает – для нас главное, что в этом случае процессы должны быть случайными, то есть на небе не должно быть выделенных направлений. Соответственно, размещение центров концентрических колец с узким распределением температуры на рисунке 9 должно выглядеть как случайная россыпь, без значимых отклонений от средней температуры (в нашей цветовой кодировке все они выглядели бы зелеными). Хорошо было бы объяснить несоответствие между наблюдаемой неоднородной картиной (как на рис. 8) и предсказаниями традиционной теории, которые должны быть в большей степени похожи на рисунок 9.

Рис. 9.

Источники

An, D., Meissner, K.A. and Nurowski (2015) P.I. arXiv:1510.06537 DeAbreu, A., Contreras, C., Scott, D. Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background (2015) JCAP, 12, 031 Einstein, A. (1917) Kosmologische Betrachtungen zur algemeinen Relativitätstheorei. Sitzungsberichte derPreussischen Akedemie der Wissenschaften. Gurzadyan, V.G. and Penrose R. (2013) On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky. Eur. Phys. J. Plus (2013) 128: 22 DOI 10.1140/epjp/i2013-13022-4. Gurzadyan,V.G. & Penrose, R. (2016) CCC and the Fermi paradox Eur. Phys. J. Plus (2016) 131: 11. Hawking, S.W. (1974) Black hole explosions? Nature, 248, 30-1. Hawking, S.W. (1976) Black holes and thermodynamics Phys. Rev., D13(2) 191. Meissner, K. A., Nurowski, P. and Ruszczycki, B. (2013) Structures in the microwave background radiation, Proc. R. Soc. A469:2155, 20130116, arXiv:1207.2498[astro-ph.CO]. Penrose, R. (2006) Before the big bang: an outrageous new perspective and its implications for particle physics. In EPAC 2006 – Proceedings, Edinburgh, Scotland, pp.2759-62 ed. C.R.Prior (European Physical Society Accelerator Group, EPS-AG). Penrose, R. (2009) The Basic Ideas of Conformal Cyclic Cosmology, in Death And Anti-Death, Volume 6: Thirty Years After Kurt Gödel (1906–1978), Chapter 7, pp. 223–242. (Ed. Charles Tandy, Ria University Press, Stanford, Palo Alto, Calif.) ISBN 978-1-934297-03-2. Penrose, R. (2010) Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe. (Bodley Head, London). (ISBN 978-0-224-08036-1; 9780099505945). Perlmutter, S. et al (1998) Cosmology from type Ia supernovae Bull. Am. Astron. 29. [astroph/9812473]. Rindler, W. (2001) Relativity: Special, General, and Cosmological (Oxford University Press, Oxford). Schnidt, B. His lecture at this Starmus occasion. Tod, K.P. (2003) Isotropic cosmological singularities: other matter models. Class. Quantum Grav. 20 521–534 doi:10.1088/0264-9381/20/3/309

Брайан Грин

Теория струн и природа реальности

Брайан Грин – профессор физики и математики Колумбийского университета. Он получил широкую известность и признание за целый ряд выдающихся открытий в математической физике и теории суперструн, включая со-открытие зеркальной симметрии и изменения топологии. Его первая книга, предназначенная для широкой аудитории, «Элегантная вселенная», стала финалистом Пулитцеровской премии и разошлась в мире тиражом свыше двух миллионов экземпляров. Недавние книги профессора Грина, «Ткань космоса» и «Скрытая реальность», стали бестселлерами New York Times и вдохновили Washington Post назвать его «единственным в своем роде и лучшим в мире толкователем заумных вещей». По его футуристической басне «Икар на краю времени» создано живое сценическое представление под оригинальную симфоническую музыку Филипа Гласса, которое было впервые исполнено в Линкольновском центре исполнительских искусств, и с тех пор исполнялось в мире свыше 50 раз. Профессор Грин неоднократно выступал в программах Чарли Роуза и The Late Show. Был ведущим двух специальных выпусков NOVA [научно-популярный сериал сети PBS, показанный в США и более 100 странах мира – уже отснято 46 сезонов и 857 серий; съемки продолжаются] об «Элегантной вселенной» и «Ткани космоса», которые получили четыре номинации на премию «Эмми» и выиграли премию Джорджа Фостера Пибоди. Профессор Грин также сыграл эпизодические роли в голливудских фильмах Maze, Frequency и The Last Mimzy, а также сыграл самого себя в одном из эпизодов сериала «Теория Большого взрыва». Профессор Грин – директор Колумбийского центра теоретической физики. Совместно с продюсером Трейси Дэй он основал Всемирный фестиваль науки (World Science Festival).

Я хотел бы поднять вопрос об ускоренном расширении пространства и темной энергии. Позвольте мне дать краткий обзор ярких тем этого рассказа, которые тесно связаны с моим докладом. Поскольку обычная гравитация замедляет, скажем, подброшенное вверх яблоко, все думали, что расширение вселенной тоже со временем замедлится. Ожидалось, что гравитация стянет все обратно. Однако в работах Адама Рисса, Брайана Шмидта, Сола Перлмуттера и их команд обнаружено нечто совершенно противоположное. Со временем скорость расширения вселенной увеличивается, расширение ускоряется. Все движется в разные стороны все быстрее и быстрее. Это, конечно, поставило интересный вопрос – а что создает это тяготение вовне, которое растягивает все в разные стороны? Наиболее широко принятое объяснение – темная энергия, невидимая энергия, заполняющая все пространство.

Я покажу вам, как примерно это выглядело бы. Темная энергия равномерно заполняет пространство. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, она расталкивает все в разные стороны – генерирует отталкивающую гравитацию. Так вот, со временем эта отталкивающая гравитация растаскивает все в стороны быстрее и быстрее. Это потрясающий результат наблюдений, но он поднимает глубокие вопросы. Откуда берется эта темная энергия? Из чего она состоит? Как она меняется со временем?

Есть три возможных объяснения, я сосредоточусь на первом из них. Этот вариант состоит в том, что пространство заполнено некой космологической постоянной и энергией, которая постоянна во времени. Моя задача – предложить объяснение глубокой тайны этой космологической постоянной или темной энергии – эти термины у меня взаимозаменяемы. Есть одно загадочное обстоятельство: результаты стандартных вычислений драматически отличаются от результатов наблюдений.

Посмотрим на количественную величину этой разницы. На экране вы видите выраженное в естественных единицах количество темной энергии на единицу объема, необходимое для объяснения наблюдений. Когда мы, теоретики, видим такое число, у нас душа уходит в пятки. В наших теориях и уравнениях таких величин не встречается – мы привыкли работать с величинами 1, 1/₂, е, π, √2 и подобными им.

Как быть с теорией, где начав с таких величин, мы приходим к числу, показанному на экране? Эта тайна побудила многих людей предложить возможные варианты. Единого решения, с которым бы все согласились, пока не нашлось. В отведенное мне здесь время я постараюсь объяснить одно из возможных решений. Многие считают его наиболее радикальным из всех возможных, и вероятно, это означает, что оно неверно.

Но это не страшно. Красота науки в том, что вы выдвигаете теории, основанные на строгих математических рассуждениях и идеях, предъявляете их миру и позволяете данным, свидетельствам и наблюдениям рассудить, что верно и что неверно. На текущий момент у нас нет достаточного количества точных данных, чтобы получить ответ из наблюдений, так что мы продолжим теоретизировать и посмотрим, куда это нас приведет, а приведет это нас к довольно странным вещам.

Фактически, это приведет нас к понятию, что наша вселенная может быть – и я подчеркиваю слово «может» – одной из многих вселенных. Мы можем быть частью множества вселенных – мультивселенной – и это определенно непривычная, странная идея. Она удивительна, потому что большинство привыкло думать, что вселенная – это все, что есть. Но вот другая точка зрения. Здесь в первом ряду сидит моя дочка. Сейчас ей восемь, но когда ей было три с половиной, она уже слышала про эти идеи. Однажды я держал ее на руках и сказал ей: «София, я люблю тебя больше всех во вселенной». И эта маленькая девочка повернулась ко мне и спросила: «Папа, во вселенной или в мультивселенной?»

Как бы там ни было, вопрос в том, откуда взялась идея мультивселенной и каково ее теоретическое обоснование.

Я расскажу о подходе, называемом теорией струн, из которого естественным образом следует эта возможность. Отметьте, пожалуйста: я не говорю, что эти идеи верны – никто не должен верить ни в какие идеи, пока они не подтверждены наблюдением или экспериментом. Но я надеюсь убедить вас, что есть веские теоретические причины принимать мультивселенную всерьез.

Теория струн появилась десятилетия назад при попытке соединить теорию гравитации Эйнштейна, то есть общую теорию относительности, и квантовую физику. Объединить их трудно, но теория струн позволяет делать это по крайней мере на бумаге.

Что ж, главная идея такова. Вы берете любой обычный фрагмент вещества, скажем, яблоко, и изучаете его. При очень-очень высоком разрешении вы находите молекулы и атомы, электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Далее вы видите, что протоны и нейтроны состоят из кварков. И на этом традиционные идеи заканчиваются. Идея теории струн в том, что глубже есть что-то еще. И это – маленькая, крошечная, вибрирующая нить энергии. Различные колебания этой струны создают различные виды известных нам частиц – электроны, кварки, нейтрино. Все эти частицы – всего лишь различные типы вибраций гипотетической сущности, называемой струной. На бумаге это привлекательная идея, потому что она соединяет гравитацию и квантовую механику. Никакого экспериментального подтверждения эта идея пока не имеет, по той причине, что струны очень маленькие. Ну, вот и все.

Их очень трудно увидеть. Согласно обычным для этой теории оценкам, струны имеют сечение размером 10–35 метра. Это далеко за пределами возможностей Большого адронного коллайдера.

Так что теория струн – это теоретическая основа, не подтвержденная наблюдениями. Красота идеи в том, что вся физика, которую мы наблюдаем, происходит от различных типов вибрации струн. Если же углубиться в математическое представление этой теории, появляется еще один странный и неожиданный вывод. Уравнения не работают, если в нашей вселенной только три пространственных измерения. Нужно больше измерений в пространстве, чем влево/вправо, вперед/назад и вверх/вниз.

Как это может быть? Дело в том, что другие измерения, которых требует математика теории струн, могут быть втиснуты в очень маленький размер, настолько маленький, что мы не видим их. Представьте садовый шланг. Издалека он выглядит, как линия. С близкого же расстояния видно, что вокруг нее обернут дополнительный элемент. Издалека вы его не видите, потому что он слишком маленький.

Эта идея, возможно, применима к теории струн. Позвольте показать вам наглядно.

Все мы знаем про обычные три измерения – вверх – вниз, влево – вправо, вперед – назад, но если пойти глубже в ткань пространства, можно найти дополнительные свернутые измерения. Они известны как многообразия Калаби – Яу, Риччи-плоские многообразия, Кэлеровы многообразия, комплексные Кэлеровы многообразия первого класса Черна. Но не беспокойтесь о технических деталях.

Как видно, струны настолько малы, что могут вибрировать в этих дополнительных измерениях. Посмотрите, как переплетения и складки в этих измерениях влияют на вибрацию струн. Это чрезвычайно важно, потому что в теории струн от вибрации зависят физические свойства, которые мы наблюдаем – масса частиц, сила взаимодействий, даже количество темной энергии. Так что, если бы мы в точности знали, как выглядят другие измерения, то могли рассчитать, скажем, количество темной энергии.

Что можно извлечь из этого понимания? Нужно постараться внимательно рассмотреть эти дополнительные измерения и рассчитать результирующие физические свойства, а затем сравнить их с наблюдениями.

В 1980-х, когда я был старшекурсником, было известно только пять форм, которые удовлетворяли уравнениям теории струн. В моей диссертации я взял один из этих вариантов, произвел необходимые вычисления, сделал физические предсказания. Затем мы сравнили их с наблюдениями и выяснилось, что это не работает. Расчетные физические свойства не совпадали с наблюдениями. Тогда мы сказали: «Давайте посмотрим на другую форму, возможно, предсказания по ней совпадут с наблюдениями». Однако к тому моменту список найденных вариантов вырос до нескольких тысяч. Впрочем, несколько тысяч было бы еще не страшно, должны же старшекурсники что-нибудь делать.

Но когда мы вошли в 1990-е, в 2000-й год и далее, нашлось еще больше подходящих вариантов. Сейчас счетчик стоит на отметке 10500 форм. Это много – куда больше, чем частиц в наблюдаемой вселенной. Столько никогда не изучишь последовательно. Что же делают ученые? Сторонники теории струн разделились на три основные группы. Первые говорили, что эта теория никогда не даст точных предсказаний, потому что неизвестно, какой вариант формы дополнительных измерений выбрать. А без точных предсказаний теорию можно просто выбросить в мусорную корзину. Такая реакция, без сомнения, заслуживает уважения. Другие сказали, что если продолжать работать, можно найти математическое уравнение, которое позволит выбрать нужный вариант. Но этого пока не случилось.

Третья реакция выглядела так: «Математику следует принимать всерьез. Может быть, нет единственного верного варианта. Может быть, все варианты верные. Нам не нужно искать уравнение для выбора единственного варианта для нашей единственной вселенной. Может быть, все эти варианты имеют право на существование, и в мультивселенной у каждой вселенной – свой вариант формы дополнительных измерений, и свое количество темной энергии».

Сила этого утверждения в том, что объяснение странной величины – количества темной энергии – больше не будет представлять проблему, потому что любое мыслимое количество темной энергии, где-нибудь в огромной мультивселенной да реализуется. Выражу это в терминах моего сына. Раз я рассказал об одном ребенке, нужно рассказать и о другом, иначе жди беды. Когда моему сыну было четыре с половиной, мы пошли в обувной магазин, выбрали на полке его любимые ботинки, продавец вышел, вернулся, надел ему ботинки, мы расплатились и пошли. Все хорошо. Пока мы шли домой, сын повернулся ко мне и сказал: «Как удачно, что у них был мой размер». И я понял, что он не понимает, как работает обувной магазин. С его точки зрения, произошло нечто таинственное – каким образом в магазине оказались ботинки именно его размера? Он не понимал, что в магазине есть склад с ботинками всех размеров. Когда я по случаю объяснил это ему, тайна растворилась в воздухе. Конечно, у них был его размер, у них есть все размеры.

То же и здесь. Если в мультивселенной есть вселенные со всеми возможными значениями темной энергии, значит, это мультивселенная с большим складом. Наша вселенная должна быть там, потому что это одно из возможных значений. Тогда картина выглядит так. Если мы оторвемся от Земли, выберемся из Солнечной системы и отправимся дальше за пределы галактики Млечный Путь и за пределы нашей вселенной, мы обнаружим, что наша вселенная – одна из множества в огромной мультивселенной. И если мы изучим каждую из этих вселенных, мы увидим, что у каждой дополнительные измерения имеют свою форму.

Различные варианты формы определяют, как вибрируют струны, и дают разные величины для количества темной энергии. Наше значение – лишь одно из огромной коллекции величин, присутствующих в мультивселенной. Так что, как видите, это позволяет сменить вопрос. Это больше не вопрос объяснения малого количества темной энергии, которое мы наблюдаем. Новый вопрос, который теперь имеет значение: «Почему мы в этой вселенной, а не в какой-нибудь другой?»

А это вопрос, на который мы можем ответить, потому что, если рассмотреть вселенные, в которых намного больше темной энергии, чем в нашей, можно понять, что отталкивание в них было бы настолько сильно, что ничего бы не сгущалось, не было бы никаких галактик. В такой вселенной мы совсем не могли бы жить. А если рассмотреть вселенную, где темной энергии намного меньше, скажем, отрицательное количество, станет ясно, что такие вселенные сами по себе очень быстро коллапсируют, и в них не хватит времени, чтобы могла развиться жизнь. Это и будет объяснением для наблюдаемого в нашей вселенной количества темной энергии. Для тех, кому такой логический путь кажется некомфортным, отмечу, что рассуждения подобного рода мы используем постоянно для самых разных ситуаций.

Давным-давно Кеплер пытался объяснить, почему Земля находится на определенном расстоянии от Солнца, как мы знаем сегодня – 93 миллиона миль. Сначала он хотел рассчитать эту цифру исходя из фундаментальных принципов, из уравнений. Он не смог этого сделать, и мы знаем, что тому есть причина. Кеплер задавал неправильный вопрос. Есть множество планет на разном расстоянии от их звезд, и нет никакого фундаментального объяснения тому, что мы находимся на расстоянии 93 миллиона миль от нашей. Вместо этого правильный вопрос состоит в том, почему мы, человеческие существа, живем на планете, которая находится на расстоянии 93 миллиона миль от такой звезды, как наше Солнце.

И на этот вопрос мы можем ответить, если немного подумаем. Если вы будете жить на планете, расположенной намного ближе к звезде типа Солнца, будет невероятно жарко, настолько жарко, что наша форма жизни не сможет развиваться или выжить. Если вы будете намного дальше, будет намного холоднее. Опять трудно – нет жидкой воды, необходимой для нашей формы жизни. Так что мы знаем, почему мы живем на таком расстоянии – оно благоприятно для нашей формы жизни. Вот так это и объясняется.

Пример с планетами поднимает последний из вопросов, которых я коснусь. Пример с планетами звучит убедительно, потому что мы знаем, что во вселенной есть другие планеты. Но объяснение темной энергии, включающее другие вселенные, может оставить вас в неуверенности, потому что мы не знаем, существуют ли другие вселенные. Есть ли какой-то хотя бы мыслимый механизм появления других вселенных?

Хорошо, а как сделать одну вселенную? Вернемся к традиционному Большому взрыву. Происходит «взрыв» – раздувание пространства, которое распространяет материю и излучение по всем направлениям, вселенная расширяется, и наконец мы получаем все то, что привыкли видеть на темном ночном небе. Однако когда физики и астрономы попытались объяснить, что заставляет пространство расширяться, им пришлось нелегко.

И в 1980-х годах была выдвинута теория, называемая инфляционной космологией – о ней, без сомнения, расскажут здесь другие докладчики. В этой теории мы представляем себе, что было космическое топливо, в некотором смысле похожее на темную энергию, но куда более мощное. Оно называется полем инфляции, но название само по себе не имеет большого значения. Важно, что это поле в ранней вселенной произвело толчок наружу, который разнес все в разные стороны.

Красивая сторона этой теории состоит в следующем. Если пристально посмотреть на математику, выясняется, что энергии этого поля инфляции настолько много, что использовать его полностью практически невозможно. То есть, для одного Большого взрыва используется только часть. Но в процессе взрыва производится еще больше этого топлива, что генерирует другие Большие взрывы – создание других вселенных.

Тогда картина будет вот какой: происходит Большой взрыв, но он не уникален, за ним следует Большой взрыв за Большим взрывом за Большим взрывом за Большим взрывом, и каждый создает свою вселенную. Теперь, если мы вернемся к дискуссии о теории струн, можно увидеть, что в каждой вселенной будет свой вариант формы дополнительных измерений. Каждый вариант подразумевает свое количество темной энергии, и мы оказываемся в схеме мультивселенной. Причем мы находимся в этой вселенной, а не в другой, потому что значение темной энергии здесь совместимо с формированием галактик и всем прочим, необходимым для нашей формы жизни. Мы здесь, потому что нас не может быть нигде больше.

Теперь напомню, что, как я сказал в начале доклада, я не верю в эту идею. Благодарю покорно. Нет, нет, я только имею в виду, что никто не должен ни во что верить, пока не будет доказательств, наблюдательных подтверждений. Это убедительная последовательность теоретических идей. Она естественным образом вытекает из математического анализа. Можно ли вообще произвести наблюдение, которое позволит нам понять, правильно это или нет? Ответ, в принципе, положительный, и вот каким может быть это наблюдение.

Крошечные температурные вариации в реликтовом излучении дают крошечные цветовые отличия. Если вовне существуют иные вселенные, расчеты показывают, что они могут сталкиваться с нашей вселенной. Если бы такие столкновения происходили, от них по микроволновому фону шла бы рябь, создавался бы определенный температурный «рисунок», который, в принципе, может наблюдаться. Подобный рисунок искали, но пока не нашли. Бывали и ложные тревоги. Но принципиально ясно, что идея о других вселенных может быть проверена наблюдениями.

Позвольте мне завершить одной идеей, которая для меня – одна из наиболее любопытных, даже эмоционально важных, и состоит она в следующем. Если темная энергия постоянна, никогда не меняется, это тотальная константа, космологическая постоянная, – если это верно, то возникают любопытные последствия для нашего отдаленного будущего. Раз вселенная расширяется все быстрее, со временем далекие галактики улетят так далеко, что исходящий от них свет будет проигрывать в гонке расстоянию, разделяющему нас. Мы потеряем из виду все далекие галактики, и только локальная группа останется в поле зрения. И когда наши потомки посмотрят в глубины космоса в очень, очень далеком будущем, что они увидят?

Это будет интересная картина. Знакомая картина. Вселенная, которая статична, вечна и неизменна. Картина, в которую мы когда-то верили, но теперь убедились, что она неверна. Представьте себе, что вы – астроном из далекого-далекого будущего, вы смотрите в свой самый мощный телескоп и видите вот такое. Вы подумаете: «Мы – всего лишь небольшой островок галактик. Вокруг ничего нет». Можем ли мы как-то сказать этому человеку, что его картина вселенной неверна?

Что же, скажете вы, «Это просто – мы просто напишем им записку. Просто скажем им: “Дорогой Будущий Астроном, когда ты посмотришь в космос, ты увидишь темноту. Не верь этому. Здесь было множество галактик, просто они улетели далеко”». Но представьте, что вы – будущий астроном, и кто-то принес вам это ветхое, старое, пыльное знание, какую-то мифологию. Вы открываете письмо и читаете это. Неужели вы поверите в это? Или вы поверите тому, что видите? Думаю, поверите тому, что видите.

И это любопытное положение вещей, потому что мы привыкли к вселенной, где со временем мы узнаем все больше и больше о том, как устроен мир. Но этот маленький результат предупреждает нас, что иногда вселенная раскрывает секреты только в определенном окне времени. А когда это окно закрывается, эти секреты могут исчезнуть навсегда, уйти за горизонт.

Некоторые люди воспринимают это как довольно безотрадную картину будущего. Мне же кажется, что на самом деле она вдохновляющая. Она говорит нам, что мы живем в чудесное время, когда некоторая правда о вселенной все еще доступна. И это в эру, когда на мировой арене есть лидеры или потенциальные лидеры, которые намеренно игнорируют свидетельства и данные, чтобы говорить, что им хочется. Поэтому я думаю, что абсолютно необходимо рассказывать такие истории.

Что мы и делаем, конечно. Необходимо, чтобы мы, ученые, рассказывали о науке. Вы – особый случай. Вы пришли на это собрание, но подумайте обо всех остальных людях в мире. Необходимо, чтобы общественность была вдохновлена научными идеями или по крайней мере верила, что наука – верный путь к истине. Учитывая все опасности, с которыми мы сталкиваемся, и все возможности, которые у нас есть, это – единственный путь в светлое будущее. Благодарю вас.

Джордж Смут

Сигналы от начала времен

Джордж Фитцджеральд Смут-третий (род. 20 февраля 1945 года в Юконе, штат Флорида) – широко известный астрофизик и космолог. В 1966 году он окончил Массачусетский технологический институт по специальности «Математика и физика», а через четыре года получил ученую степень. Затем Смут начал работать в Калифорнийском университете и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, где он занимался изучением антивещества и проводил эксперименты в области физики частиц.

В дальнейшем исследования Смута в основном были сосредоточены на космическом микроволновом фоновом излучении (реликтовом излучении), которое впервые было обнаружено в 1964 году. Смут предложил создать специальную космическую лабораторию – Cosmic Microwave Background Explorer (COBE). Эта обсерватория была запущена в космос в 1989 году, а к 1992 году зарегистрировала флуктуации реликтового излучения, послесвечения Большого взрыва.

За исследование микроволнового фонового излучения в 2006 году Смута вместе с его коллегой Джоном К. Мазером наградили Нобелевской премией по физике. Сейчас Смут работает профессором Калифорнийского университета и Парижского университета имени Дени Дидро.

Сегодня я расскажу вам о сигнале, доходящем от начала вселенной. Такие разговоры обычно заводят меня в религиозные дебри, но сегодня я все же постараюсь внятно рассказать вам о том, как мы узнали о вселенной много нового. Источником этого нового знания стал свет – свет, дошедший до нас от начала времен, от времен чуть более поздних и от времен не столь далеких. Этот свет многое говорит нам о природе вселенной и космическом влиянии на Землю. Наш век вполне можно сравнить с эпохой Великих географических открытий, когда путешественники из Португалии и Испании исследовали Землю, только теперь мы исследуем всю вселенную.

Чтобы ввернуть красивую метафору, я сравню нашу работу с детективным расследованием. Мы случились во вселенной и теперь пытаемся выяснить, что, собственно, произошло. Рыщем по месту преступления и пытаемся восстановить картину. Находим улики и подсказки. Если мы правильно их интерпретируем, то узнаем в точности, что было здесь до нас. Все вы, наверное, смотрите детективные сериалы и знаете, что пары анализов и сложной компьютерной симуляции достаточно, чтобы воссоздать все условия преступления и вычислить преступника. Вот примерно этим мы и занимаемся. И позвольте напомнить, что воссоздать нам нужно не комнатку или темную аллею, но вселенную со всем ее содержимым.

Одна из замечательных вещей, о которых вы, наверное, слышали хотя бы краем уха – изображение Hubble Ultra Deep Field (см. стр. 2 вклейки). Когда я был молод, мы обсуждали отдельные галактики или пару скоплений, а теперь мы видим это – больше 2000 галактик на одном снимке. Практически все, что видно на этой знаменитой фотографии, кроме пары звезд, – это галактики. Видно, что они отличаются по цвету и размеру. Некоторые из них совсем небольшие и имеют странную форму. Вы видите овалы и спирали. Просто взглянув на это изображение, вы понимаете, насколько много галактик во вселенной! Вы слышали цифру «100 миллиардов» и думаете: зачем нужны 100 миллиардов галактик, если одной Солнечной системы вполне достаточно?

Солнечной системы хватает для жизни, так что к чему нам 400 миллиардов звезд и 100 миллиардов галактик? Это требует объяснения.

Если потратить какое-то время на анализ снимка, можно увидеть определенный переход. Галактики поменьше (то есть более далекие от нас) обладают неправильными формами и, что удивительно (не забывайте, что вселенная расширяется), они белее и голубее – а это значит, что они горячее. И они не просто горячее, а гораздо горячее, потому что из-за расширения вселенной их свет должен был бы смешаться в красную сторону, но их температура оказывается выше, чем у соседних галактик, тех, что имеют желтый оттенок.

Кажется, что такое не объяснить на пальцах, но на деле это гораздо проще, чем можно подумать. У нас есть один простой инструмент, наш главный источник информации – свет, который, хотя и путешествует очень быстро, но все же имеет конечную скорость, а вселенная при этом огромна. Когда мы заглядываем куда-то очень далеко, скажем, если я прямо сейчас сделаю фотографию Солнца, то на снимке будет видно, каким оно было восемь минут назад, потому что свет преодолевает расстояние от Солнца до Земли за восемь минут. Если мы взглянем на Юпитер, то увидим, каким он был 40 минут назад.

Недалекие от нас звезды мы видим такими, какими они были десятки лет назад. Если говорить о центре Галактики, то мы видим его с задержкой во много тысячелетий. От туманности Андромеды свет к нам летит два миллиона лет. Будь у нас фотография Земли два миллиона лет назад, мы сравнили бы ее с нынешней Землей и нашли бы много отличий – никакой Великой китайской стены, никаких городов, ничего. Никаких следов присутствия человека, потому что никакого человека, скорее всего, еще и не было.

Мы можем для удобства представить, что находимся в центре нескольких сфер, расположенных одна в другой. Мы наблюдаем за светом, который движется к нам (наблюдателям). Радиус каждой сферы измеряется не только расстоянием, но и временем. Это как бы путешествие в прошлое. Так что если мы поймем, что происходит в каждой сфере, то сможем реконструировать историю вселенной с самого ее начала.

Давайте представим начало вселенной как сферу, которая находится дальше всего от нас. Настоящее – это ближайшая к нам сфера, все, что находится в пределах световой секунды (примерно расстояние от Земли до Луны). Мы находимся в спиральной галактике, примерно посередке одного из рукавов, вокруг нас эти воображаемые сферы, отмеряющие время-расстояние. Если мы взглянем на своих ближайших соседей, то увидим уже проэволюционировавшие спиральные галактики и эллиптические галактики.

Если заглянуть дальше, то мы начнем замечать «неправильные» галактики. Они еще не развились, не слились с другими галактиками, не приняли форму спирали или эллипса. Давайте еще раз проговорим этот концепт космических временных сфер: начало времен – где-то далеко (край вселенной, дальше некуда), настоящее – прямо здесь, на Тенерифе, а вокруг нас – миллиарды галактик. Мы не можем все их сфотографировать или изобразить, так что просто представьте 100 миллиардов галактик: те, что рядом с нами – сформировавшиеся, похожие на нашу, а далекие галактики (те, что раньше считались «неправильными»), просто еще не развились.

Изучая галактики, мы можем создать как бы карту всего объема самой большой сферы. Эта карта понадобится вам не только чтобы найти дорогу, когда вы полетите в гости к другу на своем космолете, но и чтобы буквально увидеть историю вселенной своими глазами. Такова наша задача.

Теперь давайте минутку поговорим о фильмах. Один из них я упоминаю, потому что в аудитории сидит Джилл Тартер, – это фильм «Контакт» 1997 года с Джоди Фостер в главной роли, где она встречается с пришельцами. Джилл во многом была прототипом персонажа Фостер. Если вы посмотрите «Контакт», то увидите, что естественное освещение там создает не Солнце, а Джоди Фостер. Можете посмотреть одну из частей фильма с ужасными звуками, которые изображают исходящие радиоволны. Итак, мы пролетаем Марс и пояс астероидов. Если прислушаться, можно услышать звуки высадки на Луну, звуки убийства Кеннеди и так далее.

В фильме есть важный эпизод, где камера (вместе с главной героиней) пролетает мимо планет, удаляясь от Земли. Каждому астронавту ведь известно, что для любого полета планеты выстраиваются в идеальную прямую линию, правда? Эту сцену явно было сложно и дорого снимать, зрители, должно быть, были в восторге. Так на какой же информации все это основывалось в 1997 году? Сейчас кажется, что это какие-то пещерные времена. Но к этому времени мы уже посещали планеты нашей системы, посылали туда зонды и у нас уже были неплохие снимки этих планет. И вот, когда камера пролетает мимо пояса Копейра и облака Оорта, зритель начинает видеть другие звезды – и с этого момента киношникам пришлось выдумывать большую часть картинки вплоть до встречи Джоди с инопланетянами. Но кое-что мы все-таки знали наверняка, потому что телескоп Хаббл уже какое-то время работал. Вот камера пролетает через знаменитое облако межзвездного газа и пыли в туманности Орел – оно называется Столпы Творения. В этой точке нашей Галактики идет активное звездообразование. Когда звезды нагреваются, они испаряют вещество вокруг себя и отталкивают его, из этих испарений и появились Столпы Творения.

Моя исследовательская группа тоже снимает своего рода кино – мы сделали несколько роликов, в которых показана модель вселенной. В одном из них запечатлены наша Галактика и Андромеда. Знаете, астронавты часто говорят о том, какой крошечной Земля кажется из космоса, но если взглянуть на вселенную в целом, то можно не то что Землю, а всю нашу Галактику закрыть кончиком карандаша!