Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 42 (всего у книги 52 страниц)

Космология мира на бране

Первой целью современных исследований, проводимых учёными во всём мире (включая меня), является осмысление космологии с учётом новых достижений теории струн / M-теории. Причина ясна: космология не только имеет дело с глобальными вопросами мироздания, и момент рождения Вселенной не только определяет многие элементы нашего повседневного опыта (такие как стрела времени), но и служит теоретикам тем, чем Нью-Йорк послужил Синатре [84]84
  Фрэнк Синатра – единственный в истории певец, который смог через 50 лет вернуть себе былую популярность и любовь публики, записав шлягер «Нью-Йорк, Нью-Йорк». (Прим. перев.)


[Закрыть]: первоклассной испытательной площадкой. Если теория заработает в экстремальных условиях, характеризующих самые ранние моменты существования Вселенной, то она сможет сделать это везде.

В настоящее время ведутся разработки космологии согласно теории струн / M-теории, причём исследователи идут в двух основных направлениях. В первом и более традиционном подходе предполагается, что подобно тому как инфляционная теория описывает краткий, но важный период, предшествовавший периоду, описываемому стандартной теорией Большого взрыва, так и теория струн / M-теория может описывать ещё более ранний и, возможно, ещё более важный период, предшествовавший инфляции. Здесь можно надеяться на то, что теория струн / M-теория избавит нас от неуклюжих заплаток, использованных нами, чтобы покрыть своё неведение о самых ранних моментах рождения Вселенной, а затем космологическая драма будет развёртываться согласно необычайно успешному сценарию инфляционной теории, изложенному в предыдущих главах.

Хотя и был достигнут определённый прогресс, касающийся специфических деталей, требующихся в рамках этого подхода (попытка понять, почему только три пространственных измерения Вселенной претерпели расширение, а также разработка математических методов, которые могут оказаться уместными для анализа беспространственного/вневременного царства, которое могло быть до периода инфляции), но ещё не настал тот момент, когда можно воскликнуть «Эврика!». Интуитивное ощущение состоит в том, что, в то время как в рамках инфляционной космологии размеры наблюдаемой Вселенной всё уменьшаются во всё более ранние моменты времени (и, следовательно, Вселенная становится всё более горячей, плотной и энергетически насыщенной), теория струн / M-теория справляется со столь буйным поведением (физики используют термин «сингулярное поведение»), вводя минимальный размер (как мы обсуждали это в предыдущей главе), ниже которого становятся значимыми новые и менее сингулярные физические величины. Такой подход в рамках теории струн / M-теории позволяет успешно объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, и моё инстинктивное чувство говорит о том, что мы вскоре найдём, как применить этот подход в космологии. Но пока что неуклюжая заплатка всё ещё выглядит неуклюжей, и можно лишь догадываться, когда установится полная ясность.

Во втором подходе используется сценарий мира на бране, и в своём самом радикальном варианте он предлагает совершенно новую космологическую конструкцию. Пока что далеко не ясно, устоит ли этот подход под пристальным математическим взглядом, но он даёт действительно хороший пример того, как прорывы в фундаментальной теории могут открывать новые тропы по хорошо исхоженной территории. Этот подход назван циклической моделью.

Циклическая космология

С точки зрения времени нам известны два типа явлений: те, которые имеют явно выраженное начало, середину и конец (чтение этой книги, футбольный матч, человеческая жизнь), и, те, которые носят циклический характер, возобновляясь снова и снова (времена года, восход и закат Солнца, свадьбы Ларри Кинга [85]85
  Известный американский тележурналист, ведущий телешоу. Помимо всего прочего известен своими семью законными жёнами и двумя гражданскими. (Прим. ред.)


[Закрыть]). Конечно, при более пристальном взгляде мы обнаруживаем, что и циклические явления имеют своё начало и конец, поскольку циклы не длятся вечно. Солнце всходит и восходит, т. е. Земля вращается вокруг своей оси, вращаясь вокруг Солнца, – так оно есть и так оно и было каждый день в течение 5 млрд лет. Но до этого Солнце и Солнечная система ещё должны были сформироваться. И когда-нибудь, через 5 млрд лет, Солнце превратится в красного гиганта и поглотит свои планеты, включая Землю; и тогда уже не будет даже понятия о восходе и закате Солнца, по крайней мере здесь.

Но это выяснилось благодаря современным научным открытиям. В древности циклические явления казались вечно циклическими. Циклы суток и времён года задают ритм работы и жизни, так что неудивительно, что в некоторых из древнейших космологий считалось, что развёртывание мира является циклическим процессом. Вместо того чтобы вводить начало, середину и конец, циклическая космология постулирует, что мир меняется во времени во многом так же, как Луна проходит свои фазы: после полного цикла всё готово к тому, чтобы начать заново и запустить ещё один цикл.

Со времён создания общей теории относительности предлагалось несколько моделей циклической космологии; самая известная из них была разработана Ричардом Толменом из Калифорнийского технологического института. Толмен предположил, что наблюдаемое расширение Вселенной может замедлиться, затем остановиться, после чего начнётся период сжатия, во время которого Вселенная будет становиться всё меньше и меньше. Но вместо того чтобы окончательно сжаться и прекратить своё существование, Вселенная могла бы претерпеть отскок: пространство могло бы сжаться только до определённого малого размера, а затем «отскочить», начав новый цикл расширения, за которым опять последует сжатие. Теория Вселенной, вечно повторяющей этот цикл – расширение, сжатие, отскок, снова расширение, – элегантно избежала бы тернистых вопросов о своём начале: в таком сценарии само понятие начала теряет смысл, поскольку Вселенная всегда была и всегда будет.

Но Толмен понял, что при ретроспективном взгляде с наших дней циклы бы повторялись только какое-то время, но не бесконечно. Причина кроется в том, что второе начало термодинамики диктует: в течение каждого последующего цикла энтропия должна возрастать. ^{179} А согласно общей теории относительности количество энтропии в начале каждого цикла определяет, как долго будет длиться этот цикл. Большее количество энтропии означает более длительный период расширения, прежде чем движение наружу остановится, и движение внутрь возьмёт своё. Поэтому каждый последующий цикл должен длиться гораздо дольше предыдущего; но в ретроспективном взгляде это значит, что предшествовавшие циклы должны быть всё короче и короче. Математический анализ показывает, что постоянное укорачивание циклов ведёт к тому, что они не могут бесконечно уходить в прошлое. Даже в рамках циклической концепции Толмена Вселенная имела бы начало.

В гипотезе Толмена предполагалось, что Вселенная имеет сферическую форму, что, как мы видели, было опровергнуто наблюдениями. Но недавно в рамках представлений теории струн / M-теории был разработан совершенно новый вариант циклической космологии, включающий плоскую Вселенную. Идея исходит от Пола Стейнхардта и его коллеги Нила Тьюрока из Кембриджского университета (с существенным использованием результатов, полученных в сотрудничестве с Бертом Оврутом, Натаном Зайбергом и Джастином Хури); в ней предлагается новый механизм космической эволюции. ^{180} Коротко говоря, они предположили, что мы живём внутри 3-браны, которая каждый триллион лет со страшной силой соударяется с другой параллельной 3-браной, находящейся неподалёку. И «взрыв» от столкновения порождает новый космологический цикл.

Основная идея этого предположения проиллюстрирована на рис. 13.7; она была предложена на несколько лет раньше Хоравой и Виттеном в другом контексте, не связанном с космологией. Хорава и Виттен пытались завершить объединение всех пяти теорий струн и обнаружили, что если одно из семи дополнительных измерений M-теории имеет очень простую форму – не окружности, как на рис. 12.7, а отрезка прямой линии, как на рис. 13.7, – и ограничено так называемыми «концевыми бранами», прикреплёнными как книгодержатель или подставка для книги, тогда можно установить прямую связь между теорией E-гетеротических струн и прочими теориями струн. Детали вывода этой связи не очевидны, но и не существенны для нас (заинтересованный читатель может полистать главу 12 «Элегантной Вселенной»); нам важно лишь то, что эта исходная идея естественным образом следует из самой теории. Стейнхардт и Тьюрок приспособили её для космологии.

Рис. 13.7.Две 3-браны, разделённые малым расстоянием

Точнее говоря, Стейнхардт и Тьюрок представили, что каждая из бран на рис. 13.7 имеет три пространственных измерения, а соединяющие их отрезки прямых линий представляют четвёртое измерение. Остальные шесть измерений свёрнуты в пространства Калаби–Яу (не отображены на рисунке), имеющие такую форму, чтобы колебательные моды струн соответствовали известным элементарным частицам. ^{181} Вселенная, которую мы непосредственно осознаём, соответствует одной из этих 3-бран; если угодно, вы можете считать вторую 3-брану другой Вселенной, обитатели которой (если эту Вселенную вообще кто-либо населяет) ведают только о трёх пространственных измерениях, если их технологии не сильно превосходят наши. При таком устройстве другая 3-брана (другая Вселенная) находится прямо рядом с нами. Она парит не далее чем в миллиметре от нас (по четвёртому пространственному измерению, как на рис. 13.7), но из-за липкости нашей 3-браны и слабости испытываемой нами гравитации у нас нет никаких прямых свидетельств её существования, как и её гипотетические обитатели не подозревают о нашем существовании.

Однако согласно циклической космологической модели Стейнхардта и Тьюрока не всегда было или будет так, как представлено на рис. 13.7. В их модели две 3-браны притягиваются друг к другу (словно они соединены тончайшими резиновыми нитями), и это значит, что каждая из них определяет космологическую эволюцию другой: браны втянуты в нескончаемый цикл – столкновение, отскок, снова столкновение, – в котором вечно регенерируются расширяющиеся трёхмерные миры. Посмотрим на рис. 13.8, иллюстрирующий полный цикл.

Рис. 13.8.Различные стадии в циклической космологической модели мира на бране

На первой стадии две 3-браны только что столкнулись и теперь отскакивают друг от друга. Грандиозная энергия столкновения порождает значительную массу высокотемпературного излучения и материи на каждой из отскакивающих 3-бран, и (вот что самое главное) Стейнхардт и Тьюрок утверждают, что точные свойства этой материи и излучения имеют профиль, почти идентичный профилю, возникающему в инфляционной модели. Хотя ещё есть разногласия по этому вопросу, но Стейнхардт и Тьюрок твёрдо стоят на том, что столкновение между двумя 3-бранами приводит к физическим условиям, очень близким к тем, что возникают сразу после вспышки инфляционного расширения в более традиционном подходе, рассмотренном в главе 10. Поэтому не удивительно, что для гипотетического наблюдателя, находящегося в нашей 3-бране, следующие несколько стадий циклической космологической модели будут, по сути, такими же, как в стандартной модели, проиллюстрированной на рис. 9.2 (который теперь интерпретируется как эволюция одной из 3-бран). А именно, по мере своего отскока наша 3-брана расширяется и охлаждается, из первородной плазмы постепенно сгущаются космические структуры, такие как звёзды и галактики (вторая стадия). Затем, опираясь на недавние наблюдения за сверхновыми, обсуждавшиеся в главе 10, Стейнхардт и Турк подстроили свою модель так, что примерно за 7 млрд лет (третья стадия) энергия обычных материи и излучения становится достаточно «разреженной» из-за расширения браны, так что начинает преобладать тёмная энергия, которая посредством своего отрицательного давления приводит к эре ускоренного расширения. (Для этого требуется подбирать параметры модели, но, по мнению сторонников этой модели, такой произвол оправдан, поскольку позволяет добиться согласия с наблюдениями.) Спустя примерно 7 млрд лет на Земле появляются люди и начинают наблюдать ранние этапы фазы ускоренного расширения. Затем, за следующий примерно триллионлет, происходит не особенно много нового, помимо того что наша 3-брана продолжает своё ускоренное расширение. За этот период наше трёхмерное пространство растягивается настолько колоссально, что материя и излучение почти полностью «теряются» в пространстве, так что мир на бране выглядит почти совершенно пустым и почти полностью однородным (четвёртая стадия).

К этому моменту наша 3-брана завершает свой отскок и начинает снова приближаться ко второй 3-бране. По мере приближения к следующему столкновению квантовые флуктуации струн, прикреплённых к нашей бране, наполняют её однородную пустоту мельчайшей рябью (пятая стадия). Эти флуктуации продолжают расти, по мере того как наша брана набирает скорость; затем происходит катаклизм, когда наша брана ударяется о вторую 3-брану, затем она отскакивает, и цикл возобновляется. Квантовые флуктуации отпечатывают крохотные неоднородности на излучении и материи, возникающие в ходе столкновения, и, во многом подобно инфляционному сценарию, эти отклонения от совершенной однородности перерастают в сгущения материи, которые в конечном счёте образуют звёзды и галактики.

Таковы основные стадии циклической модели (её также ласково называют большим шлепком). Её основные идеи – сталкивающиеся миры на бранах – резко отличаются от основ инфляционной теории, но тем не менее в этих двух моделях есть общие важные положения. В обеих теориях считается, что изначальная неоднородность создаётся квантовыми возмущениями. В действительности, Стейнхардт и Тьюрок утверждают, что уравнения, описывающие квантовую рябь в циклической модели, почти идентичны уравнениям инфляционной теории, так что и неоднородности, предсказываемые двумя этими теориями, тоже почти идентичны. ^{182} Более того, хотя в циклической модели нет стремительного инфляционного расширения, но его заменяет период в триллион лет (начиная с третьей стадии) более мягкого ускоренного расширения. Это всего лишь вопрос постановки вопроса; на то, что в инфляционной модели достигается за мгновение ока, в циклической модели уходит почти вечность. Поскольку в циклической модели столкновение не знаменует начало Вселенной, то можно неторопливо решить космологические проблемы (такие как проблема плоского пространства и проблема горизонта) за последние триллионы лет каждого предыдущегоцикла. Эры мягкого, но постоянно ускоренного расширения в конце каждого цикла растягивают 3-брану, делая её плоской и вполне однородной, за исключением мельчайших, но важных квантовых флуктуаций. Так что долгая финальная стадия каждого цикла, за которой следует шлепок в начале следующего цикла, даёт среду, очень близкую к той, что возникает за кратчайший период расширения в инфляционной модели.

Беглая оценка

В настоящий момент как инфляционная, так и циклическая модели представляют собой глубокие космологические разработки, но ни одна из них не является законченной теорией. Незнание преобладающих условий в самые ранние моменты возникновения Вселенной вынуждает сторонников инфляционной космологии просто предположить, без теоретического обоснования, что в то время возникли условия, требующиеся для инфляции. Если они действительно возникали, то инфляционная теория решает многочисленные космологические загадки и объясняет стрелу времени. Но её успех в первую очередь зависит от того, что действительно происходило. Более того, инфляционная космология не была согласована с теорией струн и поэтому не разделяет успех теории струн в деле объединения квантовой механики и общей теории относительности.

В циклической модели есть свои недостатки. Как и в случае с моделью Толмена, соображения, связанные с накоплением энтропии (а также квантово-механические соображения ^{183} ), показывают, что циклы не могли идти вечно. Циклы должны были когда-то начаться в прошлом, и поэтому, как и в инфляционной модели, нужно объяснить, как всё началось. С этой оговоркой циклическая теория, подобно инфляционной теории, решает основные космологические проблемы и устанавливает стрелу времени, указывающую направление от низкоэнтропийного шлепка через последующие стадии (рис. 13.8). Однако согласно современным представлениям циклическая модель никак не объясняет, каким образом или почему Вселенная оказалась в должной конфигурации, отражённой на рис. 13.8. Например, почему шесть пространственных измерений свернулись в требуемое многообразие Калаби–Яу, тогда как одно из дополнительных измерений послушно приняло форму пространственного сегмента, разделяющего две 3-браны? Как так вышло, что две 3-браны так совершенно выровнялись по отношению друг к другу и притягиваются как раз с нужной силой, требующейся для того, чтобы все стадии на рис. 13.8 шли так, как мы их описали? И, прежде всего, что в действительности происходит, когда две 3-браны сталкиваются в версии циклической модели взрыва?

Что касается последнего вопроса, то есть надежда, что шлепок циклической модели менее проблематичен, чем сингулярность в нулевое время, возникающая в инфляционной космологии. В рамках циклического подхода бесконечно сжимается не всё пространство, а только одно измерение между бранами; в ходе каждого цикла сами браны испытывают не сжатие, а расширение. И это, согласно Стейнхардту, Тьюроку и их сотрудникам, подразумевает конечнуютемпературу и конечнуюплотность на самих бранах. Но это лишь очень предварительный вывод, поскольку пока что никому не удалось как следует выписать уравнения и вычислить, что происходит, когда сталкиваются браны. В действительности, предварительный анализ указывает на то, что в момент шлепка возникает та же проблема, что и в нулевой момент времени в инфляционной теории: известная математика перестаёт работать. Таким образом, в космологии всё ещё остаётся проблема сингулярного начала – будь это «настоящее» начало Вселенной или начало нашего текущего цикла.

Наиболее впечатляет то, как циклическая модель включает в себя тёмную энергию и наблюдаемое ускоренное расширение. Открытие в 1998 г. ускоренного расширения Вселенной явилось немалым сюрпризом для большинства физиков и астрономов. Ускоренное расширение можно включить в картину, рисуемую инфляционной космологией, если предположить, что Вселенная содержит нужное количество тёмной энергии, но это предположение выглядит неуклюжим придатком. В циклической же модели тёмная энергия естественно играет центральную роль. Триллионолетний период плавного, но неизменно ускоренного расширения необходим для «расчистки сцены», для крайнего «разжижения» наблюдаемой Вселенной и создания условий для начала следующего цикла. Как инфляционная, так и циклическая модели опираются на ускоренное расширение (в инфляционной модели ускоренное расширение нужно в начальный момент Вселенной, а в циклической модели – в конце каждого цикла), но только в циклической модели ускоренное расширение подтверждается прямыми наблюдениями. (Напомним, что согласно циклической модели мы только вошли в стадию ускоренного расширения, и такое расширения было недавно обнаружено.)

Это несомненный плюс в копилку циклической модели, но это также означает, что если в будущих наблюдениях ускоренное расширение небудет подтверждено, то инфляционная модель ещё сможет пережить это (хотя снова возникнет загадка нехватки 70% энергии в «бюджете» Вселенной), но циклическая модель станет непригодной.

Новый взгляд на пространство и время

Как сам сценарий мира на бране, так и родившаяся из него космологическая модель в высшей степени гипотетичны. Я рассказал о них не столько из-за того, что уверен в их справедливости, сколько из-за того, что хотел проиллюстрировать совершенно новые подходы к осмыслению населяемого нами пространства и его эволюции – подходы, возникшие из теории струн / M-теории. Если мы живём внутри 3-браны, то сакраментальный вопрос о материальности трёхмерного пространства получит самый определённый ответ: поскольку пространство окажется браной, то, несомненно, оно есть «нечто». И в нём не будет ничего особенного, поскольку может быть множество других бран, причём разных размерностей, дрейфующих в пространстве более высокой размерности, задаваемой теорией струн / M-теории. И если космологическая эволюция нашей 3-браны направляется повторяющимися соударениями с близлежащей браной, то время, каким мы его знаем, будет охватывать лишь один из множества циклов Вселенной, от одного «шлепка» до другого.

Такой взгляд кажется мне одновременно волнующим и смиренным. Пространство и время могут таить в себе гораздо большее, чем мы думали; в таким случае то, что мы считали «всем», может обернуться лишь малой составляющей гораздо более богатой реальности.