Со времен Альберта Эйнштейна одной из основных задач физики стало объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля. Существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное, или ядерное, и самое универсальное - гравитационное. У каждого взаимодействия есть свои переносчики - заряды и частицы. У электромагнитных сил - это положительные и отрицательные электрические заряды (протон и электрон) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия, - фотоны. Слабое взаимодействие переносят так называемые бозоны, открытые только десять лет назад. Переносчики сильного взаимодействия - кварки и глюоны. Гравитационное взаимодействие стоит особняком - это проявление кривизны пространства-времени.
Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.
Многое в теории электрослабых взаимодействий было странным. Уравнения поля имели непривычный вид, а массы некоторых элементарных частиц оказались непостоянными величинами. Они появлялись в результате действия так называемого динамического механизма возникновения масс при фазовом переходе между различными состояниями физического вакуума. Физический вакуум - не просто "пустое место", где отсутствуют частицы, атомы или молекулы. Структура вакуума пока неизвестна, ясно только, что он представляет собой наинизшее энергетическое состояние материальных полей с чрезвычайно важными свойствами, которые проявляются в реальных физических процессах. Если, например, этим полям сообщить очень большую энергию, произойдет фазовый переход материи из ненаблюдаемого, "вакуумного", состояния в реальное. Как бы "из ничего" появятся частицы, имеющие массу. На гипотезах о возможных переходах между различными состояниями вакуума и понятиях симметрии основана идея единой теории поля.
Проверить эту теорию в лаборатории удастся, когда энергия ускорителей достигнет 10 16 ГэВ на одну частицу. Произойдет это не скоро: сегодня она пока не превышает 10 4 ГэВ, и строительство даже таких "маломощных" ускорителей - мероприятие чрезвычайно дорогостоящее даже для всего мирового научного сообщества. Однако энергии порядка 10 16 ГэВ и даже гораздо выше были в ранней Вселенной, которую физики часто называют "ускорителем бедного человека": изучение физических взаимодействий в ней позволяет проникнуть в недоступные нам области энергий.
Утверждение может показаться странным: как можно исследовать то, что происходило десятки миллиардов лет назад? И тем не менее такие "машины времени" существуют - это современные мощные телескопы, позволяющие изучать объекты на самой границе видимой части Вселенной. Свет от них идет к нам 15-20 миллиардов лет, мы сегодня видим их такими, какими они были именно в ранней Вселенной.
Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.
Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны , поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.
Создать их в лаборатории невозможно: у всего человечества не хватит энергии. Другое дело - ранняя Вселенная, где условия для рождения космических струн возникли естественным путем.
Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.
Башня аризонской обсерватории Кит-Пик растворилась в черноте мартовской ночи. Ее огромный купол медленно поворачивался - глаз телескопа искал две звездочки в созвездии Льва. Астроном из Принстона Э. Тернер предполагал, что это квазары, таинственные источники, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Они так бесконечно далеки, что едва видны в телескоп. Наблюдения закончились. Тернер ждал, когда ЭВМ расшифрует оптические спектры, даже не предполагая, что через несколько часов, рассматривая с коллегами свежие распечатки, сделает сенсационное открытие. Телескоп обнаружил космический объект, о существовании которого ученые и не догадывались, хотя размеры его настолько велики, что их трудно себе представить.
Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.
В 1979 году астрофизики, изучая радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, отождествили его с двумя слабыми звездочками. Расшифровав их оптические спектры, ученые поняли, что открыли еще одну пару неизвестных квазаров.
Вроде бы ничего особенного - искали один квазар, а нашли сразу два. Но астрономов насторожили два необъяснимых факта. Во-первых, угловое расстояние между звездами составляло всего шесть угловых секунд. И хотя в каталоге уже было больше тысячи квазаров, столь близкие пары еще не встречались. Во-вторых, спектры у источников полностью совпали. Вот это-то и оказалось главным сюрпризом.
Дело в том, что спектр каждого квазара уникален и неповторим. Порой их даже сравнивают с дактилоскопическими картами - как нет одинаковых отпечатков пальцев у разных людей, так не могут и совпадать спектры двух квазаров. И если уж продолжить сравнение, то совпадение оптических спектров у новой пары звезд было просто фантастическим - словно сошлись не только отпечатки пальцев, но даже и мельчайшие царапинки на них.
Одни астрофизики сочли "близнецов" парой разных, не связанных квазаров. Другие выдвинули смелое предположение: квазар один, а его двойное изображение - просто "космический мираж". О земных миражах, возникающих в пустынях и на морях, наслышан каждый, а вот наблюдать подобное в космосе еще никому не удавалось. Однако это редкое явление должно возникать.
Космические объекты с большой массой создают вокруг себя сильное гравитационное поле, которое изгибает идущие от звезды лучи света. Если поле неоднородно, лучи изогнутся под разными углами, и вместо одного изображения наблюдатель увидит несколько. Понятно, что чем сильнее искривлен луч, тем больше и масса гравитационной линзы. Гипотеза нуждалась в проверке. Долго ждать не пришлось, линзу нашли осенью того же года. Эллиптическую галактику, вызывающую двойное изображение квазара, сфотографировали почти одновременно в двух обсерваториях. А вскоре астрофизики обнаружили еще четыре гравитационные линзы. Позднее удалось обнаружить даже эффект "микролинзирования" - отклонение световых лучей очень маленькими (по космическим меркам) темными объектами масштаба нашей Земли или планеты Юпитер (см. "Наука и жизнь" № 2, 1994 г.).
И вот Э. Тернер, получив похожие друг на друга, как две капли воды, спектры, открывает шестую линзу. Казалось бы, событие заурядное, какая уж тут сенсация. Но на этот раз двойные лучи света образовали угол в 157 секунд дуги - в десятки раз больший, чем раньше. Такое отклонение могла создать лишь гравитационная линза с массой в тысячу раз большей, чем любая доселе известная во Вселенной. Вот почему астрофизики поначалу и предположили, что обнаружен космический объект невиданных размеров - что-то вроде сверхскопления галактик.
Эту работу по важности, пожалуй, можно сравнить с такими фундаментальными результатами, как обнаружение пульсаров, квазаров, установление сетчатой структуры Вселенной. "Линза" Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века.
Разумеется, интересна не сама находка - еще в 40-х годах А. Эйнштейн и советский астроном Г. Тихов почти одновременно предсказали существование гравитационной фокусировки лучей. Непостижимо другое - размер линзы. Оказывается, в космосе бесследно скрываются огромные массы, в тысячу раз превосходящие все известные, и на их поиск ушло сорок лет.
Работа Тернера пока чем-то напоминает открытие планеты Нептун французским астрономом Леверье: новая линза существует тоже лишь на кончике пера. Она вычислена, но не обнаружена.
Конечно, пока не появятся достоверные факты, скажем, фотоснимки, можно делать самые различные предположения и допущения. Сам Тернер, например, считает, что линзой может оказаться "черная дыра" размером в тысячу раз больше нашей Галактики - Млечного Пути. Но если такая дыра существует, она должна вызывать двойное изображение и у других квазаров. Ничего подобного астрофизики пока не увидели.
И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.
внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. ...космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.
Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.
Эволюция замкнутой космической струны может быть очень сложной. Ее простое самопересечение приводит к образованию пары колец, а более сложные сцепления создают весьма причудливые топологические структуры. Поведение этого невообразимо огромного объекта описывает математическая теория узлов, начало которой положил немецкий математик Карл Гаусс.
Согласно общей теории относительности масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить себе трехмерное пространство, свернутое в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии.
Возьмем плоский лист бумаги - двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки - вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.
Нечто подобное возникает и в нашем трехмерном пространстве в непосредственной близости от струны. Вершина каждого конуса лежит на струне, только "вырезанный" ею сектор мал - несколько угловых минут. Именно на такой угол струна своей чудовищной массой искривляет пространство, и на этом угловом расстоянии видна парная звезда - "космический мираж". И отклонение, которое создает "линза" Тернера, - около 2,5 угловых минут - очень хорошо соответствует теоретическим оценкам. На всех остальных известных нам линзах угловое расстояние между изображениями не превышает угловых секунд или даже долей секунд.
Из чего же состоит космическая струна? Это не материя, не цепочка каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей - тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия.
Плотность их энергии колоссальна (10 16 ГэВ) 2 , а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc 2 , струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10 -24 г, весит 10 -10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 10 38 кгс. Масса нашего Солнца - около 2x10 30 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.
Будет ли струна взаимодействовать с веществом? Вообще говоря, будет, но довольно странным образом. Диаметр струны - 10 -37 см, а, скажем, электрона - несравненно больше: 10 -13 см. Любая элементарная частица одновременно и волна, которая по порядку величины равна ее размерам. Волна не замечает препятствия, если длина волны значительно больше его размеров: длинные радиоволны огибают дома, а световые лучи дают тень даже от очень маленьких предметов. Сравнивать струну с электроном - все равно, что исследовать взаимодействие веревки диаметром 1 сантиметр с галактикой размером 100 килопарсек. Исходя из здравого смысла, галактика вроде бы просто не должна веревку заметить. Но веревка-то эта весит больше всей галактики. Поэтому взаимодействие все-таки произойдет, но оно будет похоже на взаимодействие электрона с магнитным полем. Поле закручивает траекторию электрона, у него появляется ускорение, и электрон начинает излучать фотоны. При взаимодействии элементарных частиц со струной тоже возникнет электромагнитное излучение, но его интенсивность будет настолько мала, что струну по нему обнаружить не удастся.
Зато струна может взаимодействовать сама с собой и с другими струнами. Пересечение или самопересечение струн приводит к значительному выделению энергии в виде стабильных элементарных частиц - нейтрино, фотонов, гравитонов. Источником этой энергии служат замкнутые кольца, которые возникают при самопересечениях струн.
Кольцевые струны - интереснейший объект. Они нестабильны и распадаются за некоторое характерное время, которое зависит от их размеров и конфигурации. При этом кольцо теряет энергию, которая берется из вещества струны и уносится потоком частиц. Кольцо уменьшается, стягивается, и, когда его диаметр доходит до размера элементарной частицы, струна распадается взрывным образом за 10 -23 секунды с выделением энергии, эквивалентной взрыву 10 Гигатонн (10 10 т) тротила.
Около сорока миллиардов лет (общепринятая оценка 13,8 млрд лет - моё прим.) назад произошел Большой взрыв, положивший начало нашей Вселенной (1).
Началась стадия инфляции - раздувания Вселенной, происходившего со сверхсветовой скоростью. За ничтожное время 10 -36 секунды ее размеры увеличились от 10 -43 сантиметра до 1 сантиметра (2).
После стадии инфляции температура Вселенной упала, возникли обычная материя и различные экзотические объекты, среди которых было около миллиона удивительных образований - космических струн (3).
Струны имеют диаметр около 10 -37 сантиметра, длину порядка размеров Вселенной и своими концами "упираются" в ее границы. Проследим за эволюцией отдельной струны (4).
В момент своего зарождения она обладала внутренними напряжениями, заставляющими ее скручиваться (5).
На струне образуются "перехлест" и петля (6), которая отделяется и начинает самостоятельное существование (7).
Напряжение самой струны при этом уменьшается, она выпрямляется и становится устойчивее. Эволюция замкнутой струны достаточно сложна. На ней могут возникнуть свои "перехлесты", узлы, перетяжки, "восьмерки" (8).
Струна рвется на более простые объекты типа колец (9).
Их размеры зависят от начальных условий и могут достигать диаметра Вселенной. Эти кольца неустойчивы; они стягиваются в точку и схлопываются, выделяя громадное количество энергии, сравнимое с энергией целой галактики (10).
Длительность всех этих процессов зависит от размеров первоначальной петли и может колебаться от миллионов до десятков миллиардов лет. В конце концов во Вселенной "выживают" и остаются только те струны, которые замыкаются на ее границах (11).
Физика кольцевых струн очень хорошо вписалась в одну любопытную теорию - так называемую теорию зеркального мира. Эта теория утверждает, что у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону - зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная. Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент - обычная звезда нашего мира, а другой - звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180о, их зеркальному отражению. Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.
Звездолет проходит сквозь кольцевую струну. Со стороны кажется, что он постепенно растворяется в абсолютно пустом пространстве. На самом же деле звездолет уходит из нашего мира в "зазеркалье". Все частицы, из которых он состоит, превращаются в своих зеркальных партнеров и перестают быть видны в нашем мире.
Отзвуки этих идей мы, как это ни удивительно, находим в многочисленных сказках и легендах. Их герои попадают в другие миры, спускаясь в колодец, проходя через зеркало или через таинственную дверь. Кэрроловская Алиса, пройдя сквозь зеркало, попадает в мир, населенный шахматными и карточными фигурами, а упав в колодец, встречает разумных зверюшек (или тех, кого она приняла за них). Интересно, что математик Доджсон заведомо не мог знать о теории зеркального мира - она была создана в 80-х годах российскими физиками.
Искать струны можно разными методами. Во-первых, по эффекту гравитационного линзирования, как это сделал Э. Тернер. Во-вторых, можно измерять температуру реликтового излучения перед струной и за нею - она будет различной. Эта разница невелика, но вполне доступна современной аппаратуре: она сравнима с уже измеренной анизотропией реликтового излучения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.).
Есть и третий способ обнаруживать струны - по их гравитационному излучению. Силы натяжения в струнах очень велики, они значительно больше сил давления в недрах нейтронных звезд - источниках гравитационных волн. Наблюдатели собираются регистрировать гравитационные волны на приборах типа детекторов LIGO (США), VIRGO (Европейский детектор) и AIGO (Австралия), которые начнут работать уже в начале следущего века. Одна из задач, поставленных перед этими приборами, - детектирование гравитационного излучения от космических струн.
И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.
Сегодня многие обсерватории мира ведут поиски гравитационных линз: изучая их, можно приблизиться к разгадке главной тайны Вселенной - понять, как она устроена.
Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.
Мое резюме:
Все, что связано с космическими струнами, этими гипотетическими астрономическими объектами, безусловно, интересно. И статья мне понравилась. Но это пока всего лишь теоретические (математические) построения, не подтвержденные достоверными экспериментальными данными. И, как мне представляется, эти построения на сегодняшний день больше соответствуют жанру научной фантастики, будучи только предположениями и гипотезами.
Так в приведенной выше статье сказано, цитирую:
Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.
Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца.
В материале на аналогичную тему в том же журнале (Наука и жизнь, 6 июня 2016 г. Гравитационные волны играют на струнах Вселенной написано следующее, цитирую:
Родившись в самом начале возникновения Вселенной, когда еще не разделились четыре фундаментальных взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), некоторые струны в ходе расширения Вселенной могли превратиться в удивительные образования – так называемые космические струны. Они представляют собой чрезвычайно тонкие и длинные «веревки», диаметр которых в миллиарды миллиардов раз меньше атомного ядра (порядка 10 -28 см), а длина составляет десятки, сотни и более килопарсек (1 парсек = 3,26 светового года). Очень велика и плотность такой струны. Один ее сантиметр должен иметь массу порядка 10 20 грамм, другими словами, тысяча километров струны будет весить столько же, сколько Земля.
Сравним характеристики космических струн (КС) из указанных публикаций:
Примечание : масса Солнца превышает массу Земли в 333 тысячи раз.
О чем может говорить такое расхождение в оценках? Выводы можете делать сами.
Миф о начале време Габриель Венециано
Согласно теор ии струн, Большой взрыв был не началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния.
Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлени ях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысл а, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теор етической физики и, в частности, появление теор ии струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
Вопрос о начале начал занимал философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена "D"ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?" ("Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?"). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть - происхождение, идентифи кация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и протожизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энерги и, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?
| ОБЗОР: СТРУННАЯ
КОСМОЛОГИЯ
|
Еще древние греки ожесточенно спорили о происхождении времени. Аристотель отвергал идею о наличии некоего начала, объясняя это тем, что из ничего ничто не возникает. А поскольку Вселенная не могла возникнуть из небытия, значит, она существовала всегда. Таким образом, время должно бесконечно простираться в прошлое и в будущее. Христианские богословы отстаивали противоположную точку зрения. Так, Блаженный Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени и может создавать их точно так же, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос "Что Бог делал прежде, чем создал мир?" знаменитый теолог отвечал: "Время само является частью божьего творения, просто не было никакого прежде!"
Современные космологи пришли к похожему заключению на основании общей теор ии относительности Эйнштейна, согласно которой пространство и время - мягкие, податливые сущности. Во вселенских масштабах пространство по своей природе динамично: со временем оно расширяется или сокращается, увлекая за собой материю. В 1920-х гг. астрономы подтвердили, что наша Вселенная в настоящее время расширяется: галактики удаляются друг от друга. Из этого следует, что время не может бесконечно простираться в прошлое - еще в 1960-х гг. это доказали Стивен Хокинг (Steven Hawking) и Роджер Пенроуз (Roger Penrose). Если мы будем просматривать космическую историю в обратном порядке, то увидим, как все галактики будто проваливаются в черную дыру и сжимаются в единственную бесконечно малую точку - сингулярность. При этом плотность материи, ее температура и кривизна пространства-времени обращаются в бесконечность. На сингулярности наша космическая родословная обрывается и дальше в прошлое простираться не может.
Странное совпадение
Неизбежная сингулярность представляет собой серьезную космологическую проблему. В частности, она плохо согласуется с высокой степенью однородности и изотропности, которой характеризуется Вселенная в глобальном масштабе. Раз уж космос в широком смысл е слова стал всюду одинаковым, значит, между отдаленными областями пространства существовала какая-то связь, координировавшая его свойства. Однако это противоречит старой космологической парадигме.
Давайте рассмотрим, что произошло за 13,7 млрд. лет, прошедших с момента возникновения реликтового излучения. Из-за расширения Вселенной расстояние между галактиками выросло в 10 тыс. раз, тогда как радиус наблюдаемой Вселенной увеличился значительно больше - приблизительно в 1 млн раз (потому что скорость света превышает скорость расширения). Сегодня мы наблюдаем те области Вселенной, которые не могли бы видеть 13,7 млрд. лет назад. Впервые в космической истории свет от наиболее отдаленных галактик достиг Млечного пути.
Тем не менее свойства Млечного пути в основном такие же, как у отдаленных галактик. Если на вечеринке вы встретите двух одинаково одетых людей, то это можно объяснить простым совпадением. Однако если в похожих нарядах будут десять человек - значит, они заранее договорились о форме одежды. Сегодня мы наблюдаем десятки тысяч независимых участков небесной сферы со статистически идентичными характеристиками реликтового фона. Возможно, такие области пространства уже при рождении были одинаковыми, т.е. однородность Вселенной - простое совпадение. Однако физики придумали два более правдоподобных объяснения: на начальной стадии развития Вселенная была либо намного меньше, либо намного старше, чем считалось раньше.
Чаще всего предпочтение отдается первой альтернативе. Считается, что молодая Вселенная прошла период инфляции, т.е. ускоряющегося расширения. До него галактики (точнее, их прародители) были очень плотно упакованы и поэтому стали похожи друг на друга. Во время инфляции они потеряли контакт, ибо свет не успевал за неистовым расширением. Когда инфляция закончилась, расширение начало замедляться и галактики снова оказались в поле зрения друг друга.
Виновницей стремительного инфляционного всплеска физики считают потенциал ьную энерги ю, накопленную спустя 10-35 с после Большого взрыва в особом квантовом поле - инфлатоне. Потенциальная энерги я, в отличие от массы покоя и кинетической энерги и, приводит к гравитационному отталкиванию. Тяготение обычной материи замедляло бы расширение, а инфлатон, напротив, ускорял его. Появившаяся в 1981 г. теор ия инфляции точно объясняет результаты целого ряда наблюдений (см. специальный репортаж "Четыре ключа к космологии", "В мире науки", №5, 2004 г.). Однако до сих пор не ясно, что представлял собой инфлатон и откуда у него взялось столько потенциал ьной энерги и.
Вторая альтернатива подразумевает отказ от сингулярности. Если время началось не в момент Большого взрыва, а Вселенная возникла задолго до начала нынешнего космического расширения, то у материи было достаточно времени, чтобы плавно самоорганизоваться. Поэтому ученые решили пересмотреть рассуждения, приводящие к мысли о сингулярности.
| ДВЕ ВЕРСИИ НАЧАЛА |
| В нашей расширяющейся Вселенной галактики разбегаются, словно рассеивающаяся толпа. Они удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними: галактики, разделенные 500 млн. световых лет, разбегаются вдвое быстрее, чем галактики, разнесенные на 250 млн. световых лет. Таким образом, все наблюдаемые нами галактики должны были в момент Большого взрыва одновременно стартовать из одного и того же места. Это справедливо даже в том случае, если космическое расширение проходит периоды ускорения и замедления. На диаграммах пространства и времени (см. ниже) галактики перемещаются по извилистым путям в наблюдаемую часть пространства и из нее (желтый клин). Однако пока точно неизвестно, что же происходило в тот момент, когда галактики (или их предшественники) начали разлетаться. |
Весьма сомнительным представляется предположение о том, что теор ия относительности справедлива всегда. Ведь в ней не учитываются квантовые эффекты, которые должны были доминировать вблизи сингулярности. Чтобы окончательно во всем разобраться, нужно включить общую теор ию относительности в квантовую теор ию гравитации. Над этой задачей теор етики бились со времен Эйнштейна, но лишь в середине 1980-х гг. дело сдвинулось с мертвой точки.
Эволюция революции
Сегодня рассматриваются два подхода. В теор ии петлевой квантовой гравитации теор ия относительности сохраняется по существу нетронутой, изменяется только процедура ее применения в квантовой механике (см. статью Ли Смолина "Атомы пространства и времени", "В мире науки", №4, 2004 г.). В последние годы сторонники петлевой квантовой гравитации добились больших успехов и достигли глубокого понимания, однако их подход недостаточно кардинален для решения фундаментальных проблем квантования тяготения. С похожей проблемой столкнулись специалисты по теор ии элементарных частиц. В 1934 г. Энрико Ферми (Enrico Fermi) предложил эффективную теор ию слабого ядерного взаимодействия, но попытки построить ее квантовый вариант поначалу потерпели фиаско. Требовалась не новая методика, а концептуальные изменения, которые были воплощены в теор ии электрослабого взаимодействия, предложенной Шелдоном Глэшоу (Sheldon Glashow), Стивеном Вейнбергом (Steven Weinberg) и Абдусом Саламом (Abdus Salam) в конце 1960-х гг.
Более обещающим мне представляется второй подход - теор ия струн, действительно революционная модификация теор ии Эйнштейна. Она выросла из модели, предложенной мною в 1968 г. для описания ядерных частиц (протонов и нейтронов) и их взаимодействий. К сожалению, модель оказалась не совсем удачной, и через несколько лет от нее отказались, предпочтя квантовую хромодинамику, согласно которой протоны и нейтроны состоят из кварков. Последние ведут себя так, словно связаны между собой упругими струнами. Изначально теор ия струн была посвящена описанию струнных свойств ядерного мира. Однако вскоре ее стали рассматривать как возможный вариант объединения общей теор ии относительности и квантовой механики.
Основная идея состоит в том, что элементарные частицы - не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты, называемые струнами. Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Как же столь бесхитростная теор ия описывает сложный мир частиц и их взаимодействий? Секрет в так называемой маги и квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне, вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.
Во-первых, квантовые струны имеют конечный размер. Обычную (неквантовую) скрипичную струну можно было бы разрезать пополам, затем одну из половинок снова порвать на две части и так далее, пока не получилась бы точечная частица с нулевой массой. Однако принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет нам разделить струну на части длиной меньше, чем приблизительно 10-34 м. Мельчайший квант длины обозначается ls и представляет собой природную константу, которая в теор ии струн стоит в одном ряду со скоростью света c и постоянной Планка h.
Во-вторых, даже безмассовые квантовые струны могут иметь угловой момент. В классической физике тело с нулевой массой не может обладать угловым моментом, поскольку он определяется как произведение скорости, массы и расстояния до оси. Но квантовые флуктуации изменяют ситуацию. Угловой момент крошечной струны может достигать 2h, даже если ее масса равняется нулю, что в точности соответствует свойствам переносчиков всех известных фундаментальных сил, таких как фотон и гравитон. Исторически именно эта особенность углового момента привлекла внимание к теор ии струн, как к кандидату на звание теор ии квантовой гравитации.
В-третьих, квантовые струны требуют существования дополнительных пространственных измерений. Классическая скрипичная струна будет колебаться независимо от того, каковы свойства пространства и времени. Квантовая струна более привередлива: уравнения, описывающие ее колебания, остаются непротиворечивыми только в том случае, если пространство-время сильно искривлено (что противоречит наблюдениям) или содержит шесть дополнительных измерений.
В-четвертых, физические постоянные, которые определяют свойства природы и входят в уравнения, отражающие закон Кулона и закон всемирного тяготения, перестают быть независимыми, фиксированными константами. В теор ии струн их значения динамически задаются полями, похожими на электромагнитное. Возможно, напряженность полей была неодинакова на протяжении различных космологических эпох или в отдаленных областях пространства. Теория струн получит серьезное экспериментальное подтверждение, если ученым удастся зарегистрировать хотя бы незначительное изменение физических констант.
Центральное место в теор ии струн занимает одно из таких полей - дилатон. Оно определяет общую силу всех взаимодействий. Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения - 11-го по счету.
| ТЕОРИЯ СТРУН |
| Теория струн - самая многообещающая (хотя и не
единственная) теор
ия, пытающаяся описать, что происходило в момент
Большого взрыва. Струны представляют собой материальные объекты,
очень похожие на струны скрипки. Когда скрипач перемещает пальцы по
деке инструмента, он уменьшает длину струн и вызывает повышение
частоты колебаний и, следовательно, их энерги
и. Если укоротить
струну до субсубатомных размеров, начнут действовать квантовые
эффекты, препятствующие дальнейшему уменьшению длины.
Субатомная струна может не только перемещаться целиком или колебаться, но и завиваться, как пружина. Предположим, что пространство имеет цилиндрическую форму. Если длина окружности больше, чем минимальная допустимая длина струны, увеличение скорости перемещения требует малого приращения энерги и, а каждый виток - большого. Однако если окружность короче минимальной длины, на дополнительный виток затрачивается меньше энерги и, чем на приращение скорости. Следовательно, полная эффективная энерги я остается неизменной. Струна не может быть короче кванта длины, поэтому вещество в принципе не может быть бесконечно плотным.
|
Связывание свободных концов
Наконец квантовые струны помогли физикам открыть новый вид природной симметрии - дуализм, который изменяет наше интуитивное представление о том, что происходит, когда объекты становятся чрезвычайно малыми. Я уже ссылался на одну из форм дуализма: обычно длинная струна тяжелее, чем короткая, но если мы попытаемся сделать ее короче фундаментальной длины ls, то она снова начнет тяжелеть.
Поскольку струны могут двигаться более сложными способами, чем точечные частицы, существует и другая форма симметрии - T-дуализм, который выражается в том, что маленькие и большие дополнительные измерения эквивалентны. Рассмотрим замкнутую струну (петлю), расположенную в цилиндрическом пространстве, круговое сечение которого представляет собой одно конечное дополнительное измерение. Струна может не только колебаться, но и вращаться вокруг цилиндра или наматываться на него (см. рис. выше).
Энергетическая стоимость обоих состояний струны зависит от размеров дополнительного измерения. Энергия наматывания прямо пропорциональна его радиусу: чем больше цилиндр, тем сильнее растягивается струна и тем больше энерги и она запасает. С другой стороны, энерги я, связанная с вращением, обратно пропорциональна радиусу: цилиндрам большего радиуса соответствуют более длинные волны, а значит, более низкие частоты и меньшие значения энерги и. Если большой цилиндр заменить малым, два состояния движения могут поменяться ролями: энерги я, связанная с вращением, может быть обеспечена наматыванием и наоборот. Внешний наблюдатель замечает только величину энерги и, а не ее происхождение, поэтому для него большой и малый радиусы физически эквивалентны.
Хотя T-дуализм обычно описывается на примере цилиндрических пространств, в которых одно из измерений (окружность) конечно, один из его вариантов применяется к обычным трем измерениям, которые, похоже, простираются безгранично. О расширении бесконечного пространства нужно говорить с осторожностью. Его полный размер не может измениться и остается бесконечным. Но все же оно способно расширяться в том смысл е, что расположенные в нем тела (например, галактики) могут удаляться друг от друга. В данном случае значение имеет не размер пространства в целом, а его масштабный коэффициент, в соответствии с которым происходит изменение расстояний между галактиками и их скоплениями, заметное по красному смещению. Согласно принципу T-дуализма, вселенные и с малыми, и с большими масштабными коэффициентами эквивалентны. В уравнениях Эйнштейна такой симметрии нет; она является следствием унификации, заключенной в теор ии струн, причем центральную роль здесь играет дилатон.
Когда-то бытовало мнение, что T-дуализм присущ только замкнутым струнам, поскольку открытые струны не могут наматываться, так как их концы свободны. В 1995 г. Йозеф Полчински (Joseph Polchinski) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показал, что принцип T-дуализма применим к открытым струнам в том случае, когда переход от больших радиусов к малым сопровождается изменением условий на концах струны. До этого физики считали, что на концы струн не действуют никакие силы и они абсолютно свободны. Вместе с тем T-дуализм обеспечивается так называемыми граничными условиями Дирихле, при которых концы струн оказываются зафиксированными.
Условия на границе струны могут быть смешанными. Например, электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных, образующих подпространство, известное как мембрана Дирихле, или D-мембрана. В 1996 г. Петр Хорава (Petr Horava) из Калифорнийского университета и Эдвард Уиттен (Edward Witten) из Института специальных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, предположили, что наша Вселенная расположена как раз на такой мембране (см. статьи "Информация в голографической Вселенной", "В мире науки", №11, 2003 г. и "Кто нарушил закон тяготения?", "В мире науки", №5, 2004 г). Наша неспособность воспринимать все 10-мерное великолепие пространства объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц.
| ПРЕДВЗРЫВНОЙ СЦЕНАРИЙ | ||||||||||||
 Первой попыткой применить теор ию струн к космологии стала разработка так называемого предвзрывного сценария, в соответствии с которым Большой взрыв был не моментом возникновения Вселенной, а просто переходной стадией. До него расширение ускорялось, а после него - замедлялось (по крайней мере, в начале). Путь галактики в пространстве-времени (справа) имеет форму бокала.
|
||||||||||||
Приручение бесконечности
Все волшебные свойства квантовых струн указывают на то, что они ненавидят бесконечность. Струны не могут стянуться в бесконечно малую точку, и поэтому им несвойственны парадоксы, связанные с коллапсом. Отличие их размера от нуля и новые виды симметрии задают верхние границы для возрастающих физических величин и нижние - для убывающих. Специалисты по теор ии струн полагают, что, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности Большого взрыва: в некоторый момент ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. До появления теор ии струн физики отчаянно пытались придумать механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность.
 |
|
| Притягиваясь друг к другу, две почти пустые мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном направлению движения. | Мембраны соударяются, и их кинетическая энерги я преобразуется в материю и излучение. Это соударение и есть Большой взрыв. |
 |
|
Условия вблизи нулевого момента времени, соответствующего началу Большого взрыва, настолько экстремальны, что никто пока не знает, как решать соответствующие уравнения. Тем не менее специалисты по теор ии струн берут на себя смелость высказывать догадки о том, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва. Сейчас в ходу две модели.
Первую из них, известную как пред-взрывной сценарий, мы начали разрабатывать в 1991 г. В ней принцип Т-дуализма объединяется с более известной симметрией обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. Такая комбинация позволяет говорить о новых возможных вариантах космологии, в которых Вселенная, скажем, за 5 с до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через 5 с после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним - ускорялось. Короче говоря, Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.
Прелесть такой картины состоит в том, что она автоматически подразумевает более глубокое понимание теор ии инфляции: Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать настолько однородной и изотропной. В стандартной теор ии ускорение после Большого взрыва происходит под действием введенного специально для этой цели инфлатона. В пред-взрывном сценарии оно происходит перед взрывом как естественное следствие новых видов симметрии в теор ии струн.
В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него (см. рис.выше). Если Вселенная безгранично устремляется в будущее, в котором ее содержимое разжижается до скудной кашицы, то она также бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный, хаотический газ из излучения и вещества. Силы природы, управляемые дилатоном, были настолько слабы, что частицы этого газа практически не взаимодействовали друг с другом.
Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться черные дыры. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т.е. Вселенная разбивалась на обособленные части.
Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр - не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теор ией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной.
Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, Андрей Линде (Andrei Linde) из Стэнфордского университета утверждает, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теор ии струн. Но ведь наши уравнения не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр. Просто случилось так, что Вселенная сформировалась внутри достаточно большой дыры.
Более серьезное возражение приводят Тибо Дамур (Thibault Damour) из Института высших научных исследований в Бур-сюр-Ив во Франции и Марк Анно (Marc Henneaux) из Брюссельского свободного университета: материя и пространство-время вблизи момента Большого взрыва должны были вести себя хаотически, что наверняка противоречит наблюдаемой регулярности ранней Вселенной. Недавно я предположил, что в таком хаосе мог возникнуть плотный газ из миниатюрных "струнных дыр" - чрезвычайно малых и массивных струн, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблемы, описанной Дамуром и Анно. Аналогичное предположение было высказано Томасом Бэнксом (Thomas Banks) из Рютгерса и Вилли Фишлером (Willy Fischler) из Техасского университета в Остине. Существуют и другие критические соображения, но нам еще предстоит выяснить, выявляют ли они какие-либо принципиальные недостатки описанной модели.
| НАБЛЮДЕНИЯ | ||
 |
Соударение мембран
Другая популярная модель, подразумевающая существование Вселенной до Большого взрыва, - экпиротический сценарий (от греч. ekpyrotic - "пришедший из огня"), разработанный три года назад Джастином Каури (Justin Khoury) из Колумбийского университета, Полом Штейнхардтом (Paul Steinhardt) из Принстонского университета, Бартом Оврутом (Burt A. Ovrut) из Пенсильванского университета, Натаном Зейбергом (Nathan Seiberg) из Института углубленных исследований и Нейлом Тьюроком (Neil Turok) из Кембриджского университета. Он основан на предположении, что наша Вселенная - одна из многих D-мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. Мембраны притягиваются друг к другу, а когда они сталкиваются, в них может произойти то, что мы называем Большим взрывом (см. рис. выше).
Не исключено, что коллизии происходят циклически. Две мембраны могут сталкиваться, отскакивать друг от друга, расходиться, притягиваться одна к другой, снова соударяться и так далее. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной может указывать на предстоящее столкновение.
У пред-взрывного и экпиротического сценариев есть общие особенности. Оба они начинаются с большой, холодной, почти пустой Вселенной, и обоим свойственна трудная (и пока нерешенная) проблема перехода от состояния перед Большим взрывом к стадии после него. Математически главное различие между двумя моделями заключается в поведении дилатона. В пред-взрывном сценарии это поле и, соответственно, все силы природы изначально очень слабы и постепенно усиливаются, достигая максимума в момент Большого взрыва. Для экпиротической модели справедливо обратное: столкновение происходит тогда, когда значения сил минимальны.
Разработчики экпиротической схемы вначале надеялись, что слабость сил облегчит процедуру анализа столкновения, однако им приходится иметь дело с высокой кривизной пространства-времени, поэтому пока нельзя однозначно решить, удастся ли избежать сингулярности. Кроме того, этот сценарий должен протекать при весьма специфичных обстоятельствах. Например, перед самым столкновением мембраны должны быть почти идеально параллельны друг другу, иначе вызванный им Большой взрыв будет недостаточно однородным. В циклической версии эта проблема стоит не так остро: последовательные соударения позволили бы мембранам выровняться.
Оставив пока в стороне трудности полного математического обоснования обеих моделей, ученые должны разобраться, удастся ли когда-нибудь проверить их экспериментально. На первый взгляд, описанные сценарии очень похожи на упражнения не в физике, а в метафизике: масса интересных идей, которые никогда не удастся подтвердить или опровергнуть результатами наблюдений. Такой взгляд слишком пессимист ичен. Как стадия инфляции, так и довзрывная эпоха должны были оставить после себя артефакты, которые можно заметить и сегодня, например, в небольших вариациях температуры реликтового излучения.
Во-первых, наблюдения показывают, что температурные отклонения были сформированы акустическими волнами за несколько сотен тысяч лет. Регулярность флуктуаций свидетельствует о когерентности звуковых волн. Космологи уже отвергли целый ряд космологических моделей, не способных объяснить волновой синхронизм. Сценарии с инфляцией, эпохой до Большого взрыва и столкновением мембран успешно проходят это первое испытание. В них синфазные волны создаются квантовыми процессами, усилившимися в ходе ускоряющегося космического расширения.
Во-вторых, каждая модель предсказывает разное распределение температурных флуктуаций в зависимости от их углового размера. Оказалось, что большие и малые флуктуации имеют одинаковую амплитуду. (Отступления от этого правила наблюдаются только при очень малых масштабах, в которых изначальные отклонения изменились под действием более поздних процессов.) В инфляционных моделях это распределение воспроизводится с высокой точностью. Во время инфляции кривизна пространства изменялась относительно медленно, так что флуктуации различных размеров возникали в почти одинаковых условиях. Согласно обеим струнным моделям, кривизна менялась быстро. В результате амплитуда мелкомасштабных флуктуаций увеличивалась, однако другие процессы усиливали крупномасштабные отклонения температуры, выравнивая общее распределение. В экпиротическом сценарии этому способствует дополнительное пространственное измерение, разделяющее сталкивающиеся мембраны. В пред-взрывной схеме за выравнивание распределения флуктуации отвечает аксион - квантовое поле, связанное с дилатоном. Короче говоря, все три модели согласуются с результатами наблюдений.
В-третьих, в ранней Вселенной температурные вариации могли возникать из-за флуктуаций плотности вещества и из-за слабых колебаний, вызванных гравитационными волнами. При инфляции обе причины имеют одинаковое значение, а в сценариях со струнами основную роль играют вариации плотности. Гравитационные волны должны были оставить свой отпечаток в поляризации реликтового излучения. Возможно, в будущем его удастся обнаружить с помощью космических обсерваторий, таких как спутник "Планк" Европейского космического агентства.
Четвертая проверка связана с распределением флуктуаций. В инфляционном и экпиротическом сценариях оно описывается законом Гаусса. Вместе с тем предвзрывная модель допускает значительные отклонения от нормального распределения.
Анализ реликтового излучения - не единственный способ проверить рассмотренные теор ии. Сценарий с эпохой до Большого взрыва подразумевает возникновение случайного фона гравитационных волн в некотором диапазоне частот, который в будущем можно будет обнаружить с помощью гравитационных обсерваторий. Кроме того, поскольку в струнных моделях изменяется дилатон, тесно связанный с электромагнитным полем, им обеим должны быть свойственны крупномасштабные флуктуации магнитного поля. Не исключено, что их остатки можно обнаружить в галактических и межгалактических магнитных полях.
Так когда же началось время? Наука пока не дает окончательного ответа. И все же согласно двум потенциал ьно проверяемым теор иям Вселенная - а значит, и время - существовала задолго до Большого взрыва. Если один из этих сценариев соответствует истине, то космос существовал всегда. Возможно, однажды он снова коллапсирует, но не исчезнет никогда.
ОБ АВТОРЕ:
Габриель Венециано
(Gabriele Veneziano), физик-теор
етик из CERN, создал теор
ию струн в конце
1960-х гг. Однако вскоре она была признана ошибочной, так как не объясняла
всех свойств атомного ядра. Поэтому Венециано занялся квантовой
хромодинамикой, в которую внес крупный вклад. Когда в 1980-х гг. о теор
ии
струн заговорили как о теор
ии квантовой гравитации, Венециано впервые
применил ее к черным дырам и космологии.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Возможно, ученые приблизились к разгадке самой интригующей тайны мироздания: существуют ли, кроме нашей, другие вселенные?
Альберт Эйнштейн в течение всей жизни пытался создать «теорию всего», которая описала бы все законы мироздания. Не успел.
Сегодня астрофизики предполагают, что наилучшим кандидатом на эту теорию является теория суперструн. Она не только объясняет процессы расширения нашей Вселенной, но и подтверждает существование других вселенных, находящихся рядом с нами. «Космические струны» представляют собой искажения пространства и времени. Они могут быть больше, чем сама Вселенная, хотя толщина их не превышает размеров атомного ядра.
Тем не менее, несмотря на удивительную математическую красоту и целостность, теория струн пока не нашла экспериментального подтверждения. Вся надежда на Большой адронный коллайдер. Ученые ждут от него не только открытия частицы Хиггса, но и некоторых суперсимметричных частиц. Это будет серьезной поддержкой теории струн, а значит, и других миров. Пока же физики строят теоретические модели иных миров.
Первым о параллельных мирах в 1895 году землянам сообщил писатель-фантаст Герберт Уэллс в рассказе «Дверь в стене». Спустя 62 года выпускник Принстонского университета Хью Эверетт поразил коллег темой своей докторской диссертации о расщеплении миров.
Вот ее суть: каждый миг каждая вселенная расщепляется на не-
представимое количество себе подобных, а уже в следующий миг каждая из этих новорожденных расщепляется точно таким же образом. И в этом огромном множестве есть множество миров, в которых существуете вы. В одном мире вы, читая эту статью, едете в метро, в другом — летите в самолете. В одном — вы царь, в другом — раб.
Толчком к размножению миров служат наши поступки, объяснял Эверетт. Стоит нам сделать какой-нибудь выбор — «быть или не быть», например, — как в мгновение ока из одной вселенной получилось две. В одной мы живем, а вторая — сама по себе, хотя мы присутствуем и там.
Интересно, но… Даже отец квантовой механики Нильс Бор остался тогда к этой сумасшедшей идее равнодушным.
1980-е годы. Миры Линде
Теория многомирья могла бы и забыться. Но вновь на помощь ученым пришел писатель-фантаст. Майкл Муркок по какому-то наитию поселил всех жителей своего сказочного города Танелорн в Мультивселенную. Термин Multiverse тотчас замелькал в трудах серьезных ученых.
Дело в том, что в 1980-е у многих физиков уже созрело убеждение, что идея параллельных вселенных может стать одним из краеугольных камней новой парадигмы науки о структуре мироздания. Главным поборником этой красивой идеи стал Андрей Линде — бывший сотрудник Физического института им. Лебедева Академии наук, а ныне профессор физики Стэнфордского университета.
Линде строит свои рассуждения на базе модели Большого взрыва, в результате которого возник молниеносно расширяющийся пузырек — зародыш нашей Вселенной. Но если какое-то космическое яйцо оказалось способным породить Вселенную, то почему нельзя предположить возможность существования других подобных яиц? Задавшись этим вопросом, Линде построил модель, в которой инфляционные (inflation — раздувание) вселенные возникают непрерывно, отпочковываясь от своих родительниц.
Для иллюстрации можно представить себе некий резервуар, заполненный водой во всех возможных агрегатных состояниях. Там будут жидкие зоны, глыбы изо льда и пузыри пара — их и можно считать аналогами параллельных вселенных инфляционной модели. Она представляет мир как огромный фрактал, состоящий из однородных кусков с разными свойствами. Передвигаясь по этому миру, вы сможете плавно переходить из одной вселенной в другую. Правда, ваше путешествие продлится долго — десятки миллионов лет.
1990-е годы. Миры Риса
Логика рассуждений профессора космологии и астрофизики Кембриджского университета Мартина Риса примерно такова.
Вероятность зарождения жизни во Вселенной априори настолько мала, что смахивает на чудо, рассуждал профессор Рис. И если не исходить из гипотезы Создателя, то почему бы не предположить, что Природа случайным образом рождает множество параллельных миров, которые служат для нее полем для экспериментов по созданию жизни.
По мнению ученого, жизнь возникла на небольшой планете, обращающейся вокруг рядовой звезды одной из рядовых галактик именно нашего мира по той простой причине, что этому благоприятствовало его физическое устройство. Другие миры Мультивселенной, скорее всего, пусты.
2000-е годы. Миры Тегмарка
Профессор физики и астрономии Пенсильванского университета Макс Тегмарк убежден, что вселенные могут различаться не только местоположением, космологическими свойствами, но и законами физики. Они существуют вне времени и пространства, и их почти невозможно изобразить.
Рассмотрим простую вселенную, состоящую из Солнца, Земли и Луны, предлагает физик. Для объективного наблюдателя такая вселенная представляется кольцом: орбита Земли, «размазанная» во времени, как будто обернута оплеткой — ее создает траектория движения Луны вокруг Земли. А другие формы олицетворяют иные физические законы.
Свою теорию ученый любит иллюстрировать на примере игры в «русскую рулетку». По его мнению, каждый раз, когда человек нажимает на курок, его вселенная расщепляется на две: где выстрел произошел, и где его не было. Но сам Тегмарк не рискует проводить такой опыт в реальности — по крайней мере, в нашей Вселенной.
Андрей Линде — физик, создатель теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Окончил Московский государственный университет. Работал в Физическом институте им. Лебедева Академии наук (ФИАН). С 1990 года — профессор физики Стэнфордского университета. Автор более 220 трудов в области физики элементарных частиц и космологии.
Булькающий космос
— Андрей Дмитриевич, в какой части многоликой Вселенной «прописаны» мы, земляне?
— В зависимости оттого, куда мы попали. Вселенная может быть разбитой на большие области, каждая из которых по всем своим свойствам выглядит локально, как огромная Вселенная. Каждая из них имеет огромные размеры. Если мы живем в одной из них, то мы не будем знать, что другие части Вселенной существуют.
— Законы физики везде одинаковые?
— Я думаю, разные. То есть в действительности закон физики может быть один и тот же. Это так же как вода, которая может быть жидкой, газообразной и твердой. Тем не менее рыба может жить только в жидкой воде. Мы — в другой среде. Но не потому, что других частей Вселенной нет, а потому, что мы можем жить только в
удобном нам сегменте «многоликой Вселенной».
— На что похож этот наш сегмент?
— На пузырь.
— Получается, что люди, по вашему представлению, когда появились, сидели все в одном пузырьке?
— Никто еще не сидел. Люди родились потом, после завершения инфляции. Тогда энергия, которая была ответственна за быстрое расширение Вселенной, перешла в энергию обычных элементарных частиц. Это произошло за счет того, что Вселенная вскипела, возникли пузырьки, как в кипящем чайнике. Стенки пузырьков ударили друг по другу, выделили свою энергию, и за счет выделения энергии родились нормальные частицы. Вселенная стала горячей. И уже после этого возникли люди. Они посмотрели вокруг и сказали: «О, какая большая Вселенная!»
Мы можем попасть из одной вселенной-пузыря в другую?
— Теоретически да. Но по дороге мы наткнемся на барьер. Это будет доменная стенка, энергетически очень большой величины. Чтобы долететь до стенки, надо быть долгожителем, потому что расстояние до нее — порядка 10 в миллионной степени световых лет. А для того чтобы пересечь границу, нам надо иметь очень много энергии, чтобы хорошенько разогнаться, и перескочить через нее. Хотя вероятно, что мы тут же и умрем, потому что частицы нашего, земного типа могут в другой вселенной распасться. Или изменить свои свойства.
— Возникновение пузырей-вселенных происходит постоянно?
— Это вечный процесс. У Вселенной никогда не будет конца. В разных ее частях возникают разные куски Вселенной, разного типа. Происходит это так. Возникают два пузыря, например. Каждый из них расширяется очень быстро, но Вселенная между ними продолжает раздуваться, поэтому расстояние между пузырями остается очень большим, и они почти никогда не сталкиваются. Возникают еще пузыри — и Вселенная еще больше расширяется. В части из этих пузырей нет никакой структуры — не образовалось. А в другой части из этих пузырей возникли галактики, в одной из которых мы и живем. И таких разных типов Вселенной — где-то 10 в тысячной степени или 10 в сотой. Ученые еще продолжают считать.
— Что происходит в этих многих копиях одной и той же Вселенной?
— Вселенная сейчас вышла на новую стадию раздувания, но очень медленную. Нашу Галактику это пока не тронет. Потому что материя внутри нашей Галактики гравитационно очень сильно друг к другу притянута. А другие галактики будут от нас улетать, и мы их больше не увидим.
— Куда они улетят?
— К так называемому горизонту мира, который от нас находится на расстоянии 13,7 млрд. световых лет. Все эти галактики прилипнут к горизонту и истают для нас, станут плоскими. Сигнал от них не будет больше приходить, и останется одна наша Галактика. Но и это ненадолго. Со временем энергетические ресурсы в нашей Галактике потихонечку иссякнут, и нас постигнет печальная судьба.
— Когда это произойдет?
— К счастью, распадемся мы не скоро. Через 20 млрд. лет, а то и больше. Но благодаря тому, что Вселенная является самовосстанавливающейся, благодаря тому, что она производит все новые и новые части во всех ее возможных комбинациях, Вселенная в целом и жизнь в целом никогда не исчезнет.
Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии - струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы - браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.
Концепция развивается
Теория единого поля, теория суперструн, - сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.
Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.
Теория суперструн для начинающих
В основе гипотезы положены пять ключевых идей.
- Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
- Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
- Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
- Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
- Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.
Струны и браны
Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами - струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту.
Эти суперструны теория делит на два вида - замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.
Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.
Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.
Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.
Квантовая гравитация
Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.
Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.
Объединение сил
Теория струн пытается объединить четыре силы - электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию - в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.
Суперсимметрия
Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.
Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.
Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые
Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого - необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.
Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.
Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.
Дополнительные измерения
Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:
- Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
- Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.
Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.
Понимание цели
Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны - «теория всего», т. е. единая физическая гипотеза, которая на фундаментальном уровне описывает всю физическую реальность. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
Объяснение материи и массы
Одна из основных задач современных исследований - поиск решения для реальных частиц.
Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.
Масса этих является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:
- короткая петля через середину тора;
- длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.
Короткая петля будет легкой частицей, а большая - тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.
Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.
Определение пространства и времени
Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.
В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.
Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.
Квантование силы тяжести
Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.
Унификация сил
В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.
Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.
Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.
Пять вариантов
После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.
Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.
М-теория
На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:
- 11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
- двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
- браны - струны, с более чем 1 измерением.
Следствия
В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.
Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.
Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.
Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.
Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.
Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.
Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.
Никто не знает, к чему может привести пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.
Подробнее об этой гипотезе можно прочесть в книге Эндрю Циммермана «Теория суперструн для чайников».