Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 38 страниц)

Квантовые поля

Во времена Ньютона цель физики состояла в изучении движения обычных предметов – камней, пушечных ядер, планет – и полученные им уравнения прекрасно служили этой цели. Законы движения Ньютона – это математический способ выразить движение реальных тел, если их толкнуть, потянуть или бросить. В течение более чем столетия данный подход давал прекрасные результаты. Однако в начале XIX века английский учёный Майкл Фарадей ввёл в обиход трудное для понимания, но эффективное понятие поля.

Возьмите мощный магнит и разместите его в сантиметре от канцелярской скрепки. Вы знаете, что произойдёт. Скрепка подпрыгнет вверх и прилипнет к поверхности магнита. Этот опыт настолько распространён, настолько хорошо известен, что легко проглядеть, насколько он невероятен. Магнит заставляет двигаться канцелярскую скрепку, даже не прикоснувшись к ней. Как такое возможно? Каким образом передаётся влияние магнита на скрепку без какого-либо контакта? Эти и другие вопросы привели Фарадея к постулату, что хотя магнит в буквальном смысле слова не касается скрепки, он производит нечто, что касается. Это нечто было названо Фарадеем магнитным полем.

Поля, порождённые магнитом, нельзя увидеть, нельзя услышать, ни одно из наших чувств восприятия не настроено на них. Однако это всего лишь физиологические ограничения. Так же как от пламени идёт тепло, так и от магнита исходит магнитное поле. Находясь за пределами физической границы твёрдого магнита, магнитное поле является некоей «дымкой» или «эссенцией», которая наполняет пространство и действует по распоряжению магнита.

Кроме магнитных есть и другие поля. Заряженные частицы порождают другой тип – электрические поля, подобные тем, из-за которых можно получить удар током, прикоснувшись к металлической ручке двери комнаты, устланной шерстяными коврами. Эксперименты Фарадея совершенно неожиданно показали, что электрические и магнитные поля внутренне связаны: было обнаружено, что изменение электрического поля порождает магнитное и наоборот. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл подвёл мощный математический фундамент под эти эксперименты, описав электрические и магнитные поля в виде чисел, приписанных каждой точке пространства, причём значения этих чисел характеризуют способность поля оказывать влияние в данной точке. В точках пространства, где численные значения магнитных полей велики, например в томографической камере, металлические предметы будут испытывать сильное отталкивание или притяжение. В точках пространства, где велики численные значения электрических полей, например внутри грозового облака, могут происходить сильные электрические разряды, такие как молнии.

Максвелл вывел уравнения, впоследствии названные в его честь, которые описывают изменение силы электрических и магнитных полей в пространстве от точки к точке и от одного момента времени к другому. Именно эти уравнения описывают море электрических и магнитных полей – так называемые электромагнитные волны, окружающие нас со всех сторон. Включите сотовый телефон, радио или беспроводной компьютер, и получаемые сигналы будут лишь крохотной крупицей из электромагнитного потока, молчаливо обтекающего нас каждую секунду. А более всего потрясает то, что и видимый свет, согласно уравнениям Максвелла, является электромагнитной волной, такой, которую научились воспринимать в процессе эволюции наши глаза.

Во второй половине XX столетия физики присоединили концепцию поля к быстро развивающемуся пониманию микромира, основанному на квантовой механике. В итоге квантовая теория поля стала математическим аппаратом для создания самых точных теорий материи и сил в природе. С её помощью физики установили, что помимо электрических и магнитных полей существует целый набор других полей, таких как сильные и слабые ядерные поля, электронные, кварковые, и нейтринные поля. Поле, которое является теоретическим фундаментом инфляционной космологии[12]12
  Так как быстрое расширение пространства называется инфляцией, то следуя исторической традиции придумывания названий, поле, обеспечивающее инфляцию, стали называть инфлатоном (по аналогии с фотоном, электроном, нейтроном, мюоном и так далее).


[Закрыть], называется полем инфлатона. Однако на настоящий момент его статус остаётся совершенно гипотетическим.

Квантовые поля и инфляция

Поля обладают энергией. Интуитивно мы знакомы с этим, потому что поля участвуют в процессах, требующих затрат энергии, как, например, вызванное полями движение предметов (как в случае с канцелярской скрепкой). В количественном отношении уравнения квантовой теории поля показывают, как при заданном численном значении поля в заданной области пространства вычислить содержащееся в нём количество энергии. Как правило, чем больше значение поля, тем больше количество энергии. Значение поля может изменяться от точки к точке, но если поле является постоянным, то есть везде имеет одинаковое значение, энергия также будет одинаковой в каждой точке пространства. Важное наблюдение Гута состояло в том, что такие однородные конфигурации поля наполняют пространство не только однородной энергией, но также и однородным отрицательным давлением. Таким способом он обнаружил физический механизм возникновения гравитационного отталкивания.

Чтобы увидеть, почему однородное поле приводит к отрицательному давлению, представьте сначала более привычную ситуацию с участием положительного давления: открытие бутылки шампанского. По мере того как вы медленно вытаскиваете пробку, вы ощущаете положительное давление газа в бутылке, которое выталкивает её наружу. Вы можете легко непосредственно убедиться, что на такое движение пробки наружу тратится лишь малая часть энергии шампанского. Вы видели дымок около бутылочного горлышка сразу после открытия бутылки? Он образуется, потому что энергия, истраченная шампанским при выталкивании пробки, приводит к уменьшению температуры, что заставляет конденсироваться окружающий водяной пар аналогично тому, как конденсируется выдыхаемый воздух в морозный день.

Теперь представьте, что шампанское заменили чем-нибудь менее праздничным, но более поучительным – полем, значение которого однородно во всей бутылке. На этот раз открытие пробки даст совершенно другой эффект. Пока пробка выходит наружу, внутри бутылки возникает небольшой дополнительный объём, куда может проникнуть поле. Так как энергия однородного поля одинакова во всех точках, то чем больший объём заполняется полем, тем бо́льшая полная энергия содержится в бутылке. Что означает, что, в отличие от шампанского, при вынимании пробки энергия добавляется в бутылку.

Как такое может быть? Откуда берётся энергия? Давайте представим, что произойдёт, если содержимое бутылки, вместо того чтобы выталкивать пробку наружу, начнёт тянуть её внутрь. Тогда для открытия бутылки нужно будет тянуть пробку на себя, то есть приложить усилия, которые в свою очередь передадут энергию ваших мышц содержимому бутылки. Таким образом, чтобы объяснить увеличение энергии бутылки, мы должны предположить, что в отличие от шампанского, выталкивающего пробку наружу, однородное поле засасывает её внутрь. Вот что мы имеем в виду, когда говорим, что однородное поле приводит к отрицательному, а не положительному давлению.

Хотя и не существует официанта, открывающего бутылку с космосом, условие остаётся в силе: если есть поле – гипотетическое поле инфлатона – однородное во всей области пространства, то оно заполнит эту область не только энергией, но и создаст в ней отрицательное давление. И, как теперь понятно, такое отрицательное давление создаёт гравитационное отталкивание, которое приводит к безостановочному расширению пространства. Когда Гут подставил в уравнения Эйнштейна предполагаемые значения энергии инфлатона и давления, согласованные с экстремальными условиями ранней Вселенной, то вычисления показали, что возникающее гравитационное отталкивание должно быть колоссальным. Оно на несколько порядков сильнее, чем гравитационное отталкивание, рассмотренное Эйнштейном годами ранее, когда он возился с космологической постоянной, и приводит к фееричному пространственному расширению. Уже одно это захватывало дух. Но Гут осознал, что имеется ещё один неотъемлемый бонус.

Такое же рассуждение, объясняющее, почему однородное поле обладает отрицательным давлением, применимо также и к космологической постоянной. (Если в бутылке находится пустое пространство с космологической постоянной, то при медленном вытаскивании пробки возникает дополнительное пространство, которое даёт дополнительный вклад в энергию. Единственный источник этой энергии находится в ваших мышцах, напряжение которых направлено против втягивающего отрицательного давления, создаваемого космологической постоянной.) Как и в случае с однородным полем, однородное отрицательное давление космологической постоянной приводит к гравитационному отталкиванию. Однако здесь важна не аналогия сама по себе, а то, как космологическая постоянная отличается от однородного поля.

Космологическая постоянная – это всего лишь константа, фиксированное число из третьей строчки гравитационной декларации, которая порождает сегодня ровно такое же гравитационное отталкивание, как и миллиарды лет назад. В противоположность этому значение поля может изменяться и, вообще говоря, изменяется. При включении микроволновой печи находящееся внутри неё электромагнитное поле изменяется; при включении томографа электромагнитное поле внутри камеры изменяется. Гут осознал, что инфляционное поле, заполняющее пространство, ведёт себя похожим образом – включается для инфляции и затем выключается, – что позволяет гравитационному отталкиванию действовать лишь в короткий промежуток времени. Это важно. Наблюдения показывают, что если взрывоподобное расширение пространства вообще имело место, то оно должно было произойти миллиарды лет назад и резко оборваться, после чего началось размеренное расширение, о котором свидетельствуют точные астрономические измерения. Итак, исключительно важное свойство инфляционной гипотезы состоит в том, что эпоха мощного гравитационного отталкивания была временной.

Механизм включения и последующего выключения инфляционного взрыва основывается на физических построениях, изначально предложенных Гутом и впоследствии существенно переработанных Линде, Альбрехтом и Стейнхардом. Чтобы понять суть их предложений, представьте себе шар, а ещё лучше представьте Колобка, неуверенно сидящего на вершине холма. Физик сказал бы, что благодаря своему положению Колобок обладает энергией. Точнее, он обладает потенциальной энергией, и это означает, что эта сдерживаемая энергия готова вот-вот вырваться наружу, и проще всего это произойдёт, когда Колобок свалится вниз, и потенциальная энергия превратится в энергию движения (кинетическую энергию). Опыт подтверждает, а физические законы делают точным утверждение о типичности такой ситуации. Система, наполненная потенциальной энергией, воспользуется любой возможностью высвободить её. Иными словами, если что-нибудь может упасть, оно падает.

Энергия, переносимая полем с ненулевым значением, также является потенциальной: она может высвободиться, что в случае с Колобком не привело ни к чему хорошему. Подобно тому как рост потенциальной энергии Колобка, по мере того как он забирается на гору, определяется формой склона – при движении с небольшим уклоном его потенциальная энергия изменяется минимально, а на крутых склонах, где надо карабкаться вверх, она резко возрастает, – потенциальная энергия поля имеет аналогичную форму, которая называется кривой потенциальной энергии. Такая кривая определяет изменения потенциальной энергии поля при изменении его значения (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Энергия поля инфлатона (вертикальная ось) при заданном значении поля (горизонтальная ось)

Вслед за пионерами инфляции давайте представим, что в самые ранние моменты космоса пространство было равномерно заполнено полем инфлатона, значение которого соответствует самой высокой точке на кривой потенциальной энергии. Прислушаемся к их мнению и представим, что кривая потенциальной энергии выпрямляется и приобретает вид ровного плато (рис. 3.1), позволяя инфлатону задержаться на самой вершине. Что произойдёт дальше при таких гипотетических условиях?

Произойдут два события, и оба очень важны. Пока инфлатон находится на плато, он наполняет пространство большой потенциальной энергией и отрицательным давлением, приводя к взрывоподобному инфляционному расширению. Но подобно тому как потенциальная энергия Колобка высвобождается при скатывании с горы, так и инфлатон высвобождает потенциальную энергию во всё пространство, скатываясь к более низким значениям. И по мере уменьшения значения инфлатона его энергия и отрицательное давление рассеиваются, что приводит к завершению взрывоподобного расширения. Не менее важно, что высвободившаяся полем инфлатона энергия не теряется, а подобно остывающему пару, конденсирующемуся в капли воды, энергия инфляции конденсируется в однородную среду частиц, заполняющих пространство. Такой двухступенчатый процесс – короткое, но быстрое расширение, за которым следует преобразование энергии в частицы, – приводит к огромному однородному пространству, заполненному сырьём для будущих звёзд и галактик.

Подробности этого процесса зависят от факторов, которые ни теория, ни эксперимент пока не могут определить (начальное значение поля инфлатона, точная форма наклона кривой потенциальной энергии и так далее)^{18}, но типичные модели, возникающие в математических выкладках, говорят о том, что энергия инфлатона скатывается по наклону за кратчайшие доли секунды, порядка 10⁻³⁵. И кроме того, за этот короткий промежуток времени пространство расширяется в колоссальное число раз, возможно в 10³⁰, если не более. Эти числа настолько велики, что их сложно с чем-то сравнивать. Они говорят, что область пространства размером с горошину расширяется до размеров, превышающих наблюдаемую часть Вселенной, за время настолько малое, что одно моргание глазом превышает его в миллион миллиардов миллиардов миллиардов раз.

Хотя представить себе такой масштаб очень трудно, важно то, что область пространства, породившая наблюдаемую часть Вселенной, была настолько мала, что в ней легко могла установиться одинаковая температура, прежде чем молниеносный взрыв расширил её до космических масштабов. Инфляционное расширение и миллиарды лет последующей космологической эволюции значительно понизили температуру, но однородность пространства в ранние времена определила однородность в настоящую эпоху. Это решает загадку возникновения однородных условий во Вселенной. При инфляции однородная температура во всём пространстве неизбежна.^{19}

Вечная инфляция

В течение почти трёх десятилетий с момента открытия инфляция является основным инструментом космологических исследований. Но для получения точного вида всей исследовательской панорамы следует помнить, что инфляция – это способ осмысления космологии, а не какая-то конкретная теория. Исследования показали, что существует множество способов для воплощения инфляции; отличаются лишь детали, такие как число полей инфлатона, обеспечивающих отрицательное давление, конкретные кривые потенциальной энергии различных полей и так далее. К счастью, разнообразные реализации инфляции имеют общие черты, и поэтому можно сделать определённые выводы, даже не имея окончательной версии теории.

Среди разных сценариев инфляции есть один, изначально выдвинутый Александром Виленкиным[13]13
  Алан Гут осознал бесконечную природу инфляции; Пол Стейнхард предложил её математическую реализацию в определённом контексте; Александр Виленкин описал её в самых общих терминах.


[Закрыть] из университета Тафтса и впоследствии разработанный другими исследователями, прежде всего Линде; он имеет первостепенную важность. Фактически именно поэтому я потратил первую половину этой главы, объясняя инфляционный сценарий.

Во многих вариантах инфляционной теории взрывоподобное пространственное расширение не является единомоментным событием. Наоборот, процесс, благодаря которому образовалась наша область Вселенной – быстрое расширение пространства и следующее за ним более обычное, более спокойное расширение, сопровождающееся рождением частиц, – может неоднократно повторяться в толще космоса. Если представить космос в целом, он будет изобиловать бесчисленным множеством далеко разбросанных областей, каждая из которых несёт след произошедшего инфляционного расширения. Наш мир, который мы издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большем пространстве. Если в других областях есть разумные существа, они бы также уверенно считали, что их вселенная единственна. Таким образом, инфляционная космология приводит нас к очередной вариации на тему параллельных миров.

Для понимания того, как возникает такая инфляционная мультивселенная, в мою аналогию с Колобком следует добавить два усложняющих обстоятельства.

Первое: образ Колобка, сидящего высоко на вершине холма, отражает поле инфлатона, обладающее значительной потенциальной энергией и отрицательным давлением и находящееся в неустойчивом равновесии. Но если Колобок сидит на вершине одного холма, поле инфлатона обладает значением в каждой точке пространства. В основу теории закладывается изначальное равенство значений поля инфлатона во всех точках исходной области. Поэтому чтобы более адекватно представить инфляционный сценарий, нам бы потребовалось вообразить нечто довольно странное: многочисленных клонов Колобка, забравшихся на многочисленные, близко расположенные, тождественные вершины гор во всём пространстве.

Второе: до сих пор мы почти никак не затрагивали квантовый аспект квантовой теории поля. Поле инфлатона, как и всё остальное в нашей квантовой вселенной, подвержено квантовой неопределённости. Это означает, что его значение будет испытывать случайные флуктуации, мгновенно немножко возрастая здесь и убывая немножко там. В обычной жизни квантовые флуктуации слишком малы, чтобы их заметить. Однако вычисления показывают, что чем больше энергия инфлатона, тем больше его флуктуации, возникающие из-за квантовой неопределённости. Поскольку энергия инфлатона во время инфляционного расширения крайне высока, то квантовые флуктуации в ранней Вселенной должны быть большими и доминирующими.^{20}

Таким образом, следует представлять не просто целый отряд Колобков, забравшихся высоко на одинаковые горные вершины; также следует вообразить, что происходят случайные подземные толчки – тут сильнее, там слабее, а вот там очень сильно. Тогда можно понять, что произойдёт. Разные клоны Колобков будут удерживаться на своих горных вершинах в течение разного времени. Где-то сильное землетрясение свалит большинство Колобков вниз; где-то толчки будут не очень сильными, и им удастся свалить только часть Колобков; а где-то Колобки начали сваливаться вниз, но сильный толчок их может закинуть обратно на вершину. Через некоторое время вся местность поделится случайным образом на области (что похоже на то, как Соединённые Штаты разделены на отдельные штаты): в каких-то из них ни один из Колобков не удержался наверху, а в остальных Колобки спокойно сидят на своих вершинах.

Случайность квантовых флуктуаций приводит к похожему выводу для поля инфлатона. Исходно инфлатон находится на самом верху кривой потенциальной энергии в каждой точке некоторой области пространства. Затем квантовые флуктуации действуют как подземные толчки. По этой причине, как показано на рис. 3.2, пространство быстро разделяется на области: в некоторых квантовые флуктуации заставляют поле скатиться по кривой вниз, а в других оно остаётся наверху.

Рис. 3.2. Различные области пространства, где инфлатон уже скатился по склону (тёмно-серые), либо где он удерживается наверху (светло-серые)

Пока дела идут неплохо. Но теперь следите внимательнее, именно здесь начинается различие между Колобками и космологией. Поле, находящееся на вершине кривой потенциальной энергии, воздействует на окружение значительно сильнее, чем сидящие на вершинах Колобки. Вспоминая нашу присказку – что однородная энергия поля и отрицательное давление приводят к гравитационному отталкиванию, – мы понимаем, что область, заполненная полем инфлатона, расширяется с фантастической скоростью. Это означает, что эволюция поля инфлатона управляется двумя противоположными процессами. Квантовые флуктуации, стремящиеся сбросить поле с верхнего положения, уменьшают область пространства, заполненного большой энергией. Инфляционное расширение путём быстрого увеличения тех областей, где поле удерживается в верхнем положении, увеличивает объём пространства, заполненного большой энергией.

Какой из процессов возобладает?

В абсолютном большинстве предложенных вариантов инфляционной космологии увеличение происходит по-меньшей мере так же быстро, как уменьшение. Причина в том, что поле инфлатона, которое можно слишком быстро сбросить со своей вершины, как правило, создаёт очень небольшое инфляционное расширение для решения проблемы горизонта; таким образом, в космологически успешных вариантах инфляции увеличение превалирует над уменьшением, и поэтому полный объём пространства, в котором энергия поля велика, увеличивается со временем. Принимая, что подобные полевые конфигурации приводят к дальнейшему инфляционному расширению, мы видим, что однажды начавшись, инфляция не заканчивается никогда.

Это похоже на вирусную эпидемию, где для устранения угрозы необходимо уничтожить вирус быстрее, чем он сможет воспроизвести себя. Инфляционный вирус «воспроизводит» себя – большое значение поля порождает быстрое пространственное расширение и таким образом наполняет большую область с таким же большим значением поля – и это происходит быстрее, чем противоположный процесс успевает погасить этот эффект. Инфляционный вирус весьма успешно сопротивляется уничтожению.^{21}