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

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 48 (всего у книги 52 страниц)

Построение машины времени на кротовой норе

Теперь ясен план построения машины времени. Шаг 1. Найти или создать кротовую нору, достаточно широкую для вас и всех, кого вы хотите посылать сквозь время. Шаг 2. Создать разницу во времени между её концами – например, двигая один конец относительно другого. Вот и всё. В принципе.

А как на практике? Что же, как я заметил в самом начале, неизвестно, существуют ли в действительности кротовые норы. Некоторые физики предположили, что крохотные кротовые норы могут в избытке существовать на микроскопическом уровне ткани пространства, где они постоянно вызываются квантовыми флуктуациями гравитационного поля. Если это так, то задача будет состоять в том, чтобы увеличить одну из них до макроскопического размера. Выдвигались предложения, как этого можно было бы достичь, но все они вряд ли выходят за пределы чисто теоретических полётов фантазии. Другие физики представляют себе создание больших кротовых нор в качестве инженерного проекта прикладной общей теории относительности. Мы знаем, что пространство откликается на распределение материи и энергии таким образом, что, обладая достаточным контролем над материей и энергией, мы могли бы в некоторой области пространства породить кротовую нору. В этом подходе возникает дополнительное усложнение, ведь подобно тому как нам надо разорвать склон горы, чтобы проделать в ней туннель, точно также нам требуется разорвать ткань пространства, чтобы прикрепить к ней вход в кротовую нору. ^{205} Неизвестно, допускаются ли законами физики такие разрывы пространства. Работа, которую я вёл в рамках теории струн (см. главу 13), показала, что возможны определённые виды пространственных разрывов, но пока неизвестно, имеют ли эти разрывы какое-либо отношение к порождению кротовых нор. Вывод состоит в том, что умышленное порождение макроскопических кротовых нор является фантазией, которая, в лучшем случае, находится оченьдалеко от своей реализации.

Более того, даже если бы нам удалось как-то заполучить кротовую нору, то проблемы на этом не кончились бы; мы столкнулись бы с парой существенных препятствий. Во-первых, ещё в 1960-х гг. Уиллер и Роберт Фуллер с помощью уравнений общей теории относительности показали, что кротовые норы нестабильны. Их стены стремятся схлопнуться внутрь за доли секунды, что делает их непригодными для какого-либо путешествия. Однако недавно физики (включая Торна и Морриса, а также Мэтта Виссера) нашли возможный выход из положения. Если кротовая нора не пуста и содержит вещество – так называемую экзотическую материю, – которое может давить на её стены изнутри, то, возможно, удастся не допустить схлопывания кротовой норы. По своему расталкивающему воздействию экзотическая материя аналогична космологической постоянной, но благодаря отрицательной энергии, а не отрицательному давлению, характеризующему эту постоянную. ^{206} Квантовая механика допускает существование отрицательной энергии при очень специфических условиях, ^{207} но немыслимо сгенерировать столько экзотической энергии, чтобы её хватило на поддержание кротовой норы в открытом состоянии. (Например, Виссер подсчитал, что для поддержки кротовой норы шириной в метр требуется по порядку величины приблизительно столько же отрицательной энергии, сколько (положительной) энергии вырабатывает Солнце за 10 млрд лет.) ^{208}

Во-вторых, даже если кто-то найдёт или создаст макроскопическую кротовую нору, и даже если мы как-нибудь умудримся удержать её стены от мгновенного коллапса, и даже если мы сможем внести разницу во времени между концами кротовой норы (скажем, отправив один конец в космос на высокой скорости, а затем вернув его на место), но останется ещё одна преграда к обретению машины времени. Ряд физиков, включая Стивена Хокинга, указали на возможность того, что вакуумные флуктуации – колебания, которым подвержены все поля, даже в пустом пространстве (они возникают из-за квантовой неопределённости, о чём мы говорили в главе 12), – могут разрушить кротовую нору, как только она будет готова стать машиной времени. Дело в том, что в этот момент может вступить в игру разрушительный механизм обратной связи (подобный тому, что приводит к пронзительному гудению, когда микрофон и громкоговоритель не настроены должным образом). Вакуумные флуктуации из будущего могут пройти в прошлое через кротовую нору, откуда они могут перейти в будущее через обычное пространство и время, затем снова войти в нору и снова оказаться в прошлом, порождая тем самым бесконечный цикл и наполняя кротовую нору всё большей энергией. Такая интенсивная накачка энергией, по-видимому, разрушит кротовую нору. Теоретические исследования говорят, что это реальная возможность, но проведение необходимых расчётов наталкивается на известные трудности, связанные с одновременным применением общей теории относительности и квантовой механики в искривлённом пространстве, так что этому нет убедительного доказательства.

Неимоверные трудности, связанные с созданием кротовых нор, очевидны. Но окончательное слово не будет сказано до тех пор, пока не улучшится наше знание в области соприкосновения квантовой механики и гравитации, что, возможно, придёт с достижениями теории суперструн. Хотя на интуитивном уровне физики обычно соглашаются с тем, что путешествие в прошлое невозможно, но на сегодняшний день этот вопрос ещё не окончательно закрыт.

Толпы зевак из будущего

Раздумывая над путешествиями во времени, Хокинг поднял интересный вопрос. Если путешествие во времени возможно, то почему, – спрашивает он, – нас не наводняют гости из будущего? Что же, возможно и наводняют, – можно было бы ответить. И можно было бы пойти дальше и заявить, что мы уже упекли в психбольницу стольких из них, что они уже и не решаются о себе заявлять. Конечно, Хокинг наполовину шутит (и я тоже), но он ставит серьёзный вопрос. Если вы, как и я, думаете, что нас ещё не посещали гости из будущего, то не значит ли это, что путешествие во времени невозможно? Конечно, если людям в будущем удалось бы построить машину времени, то некоторые историки непременно получили бы грант на тщательное изучение событий, связанных с созданием первой атомной бомбы или с первым полётом на Луну. Так что если мы верим, что никто не посещал нас из будущего, то, возможно, мы подразумеваем, что машина времени никогда не будет построена.

Однако это слишком поспешный вывод. Машины времени, предложенные до сих пор, не позволяют путешествовать в прошлое, предшествующее созданию самой первой машины времени.Для машины времени на кротовой норе это легко понять, взглянув на рис. 15.5. Хотя есть разница во времени между концами кротовой норы, и хотя эта разница позволяет путешествовать вперёд-назад во времени, но невозможно перенестись во время, предшествовавшее моменту создания разницы во времени. Сама кротовая нора не существует на дальнем левом конце «буханки» пространства-времени, так что невозможно использовать кротовую нору, чтобы добраться туда. Значит, если первая машина времени будет построена, скажем, через 10 000 лет, то, несомненно, именно тотмомент привлечёт толпы зевак из будущего, но все предшествовавшие времена, включая наше, будут оставаться для них недоступными.

Лично мне кажется любопытным и вызывающим то обстоятельство, что наше современное понимание законов природы не только говорит о том, как можно избегать кажущихся парадоксов, связанных с путешествием во времени, но и предлагает способы реализации путешествия во времени. Не поймите меня неправильно: я отношу себя к числу рассудительных физиков, интуитивно чувствующих, что когда-нибудь мы полностью исключим возможность путешествия в прошлое. Но пока нет окончательного доказательства, я считаю оправданным не исключать такую возможность. Исследователи, сосредоточенные на этой проблеме, по крайней мере существенно углубляют наше понимание пространства и времени в экстремальных ситуациях. А в лучшем случае они предпринимают первые шаги, которые приведут нас к приобщению к пространственно-временной супермагистрали. В конце концов, время до создания первой машины времени навечно останется за пределами нашей достижимости и достижимости наших потомков.

Глава 16. Будущее одной иллюзии
Перспективы пространства и времени

Большую часть своей жизни физики проводят в состоянии смятения и непонимания. Это «профессиональные риски» их работы. Преуспеть в физике значит охватить неопределённость, шагая извилистой дорогой к ясности. Дразнящий аромат препятствий – вот что вдохновляет внешне обычных людей на необычные подвиги находчивости и творчества; ничто так не концентрирует разум, как диссонирующие элементы, ожидающие гармонического решения. Но на пути к объяснению – в поисках новых парадигм для ответов на глубочайшие вопросы – теоретики должны упорно пробираться через джунгли путаницы, будучи ведомыми, главным образом, предчувствиями, намёками, ощущениями и прикидками. И поскольку большинство исследователей склонны скрывать свои следы, то открытия зачастую мало говорят о трудностях пройденного пути. Так что всегда имейте в виду, что ничто не даётся легко. Природа не так-то просто раскрывает свои секреты.

В данной книге мы взглянули на многочисленные главы в истории попыток понять пространство и время. И хотя мы познакомились с некоторыми глубокими и поразительными прозрениями, ещё не наступил момент «эврики», когда исчезает вся путаница и появляется полная ясность. Мы, совершенно точно, ещё блуждаем в джунглях. Так куда же идти? Какова очередная глава в истории пространства-времени? Конечно, никто не знает этого наверняка. Но в последние годы появился ряд идей, и хотя их ещё предстоит увязать в согласованную картину, многие физики верят, что они указывают на следующий большой переворот в нашем понимании космоса. Известные нам сейчас пространство и время могут обернуться всего лишь указанием на существование более тонких, более глубоких и более фундаментальных принципов, лежащих в основе физической реальности. В последней главе мы рассмотрим некоторые из этих намёков и попытаемся уловить проблески того, куда они могут нас вести в продолжающемся поиске понимания ткани космоса.

Фундаментальны ли понятия пространства и времени?

Немецкий философ Иммануил Кант считал, что при описании Вселенной будет не просто трудно, а решительно невозможно покончить с пространством и временем. И мне понятно, откуда исходит это утверждение. Всякий раз, когда я сижу, закрыв глаза, и пытаюсь размышлять о вещах, я оказываюсь не в состоянии представлять их не занимающими какую-либо область пространства или существующими вне времени. Совершенно не в состоянии. Пространство или время всегда умудряется просачиваться: первое – через контекст, второе – через изменение. По иронии, ближе всего я подхожу к освобождению своего мышления от прямой ассоциации с пространством-временем, когда я погружён в математические расчёты (часто имеющие отношение к пространству-времени!), поскольку мои мысли кажутся поглощёнными, хотя бы на мгновение, абстрактной субстанцией кажущейся лишённой пространства и времени. Но всё же само мышление и тело, в котором оно имеет место, остаются частью известного нам пространства-времени. Проще убежать от собственной тени, чем по-настоящему отделаться от пространства и времени.

Тем не менее многие современные ведущие физики подозревают, что пространство и время, несмотря на свою вездесущность, не являются поистине фундаментальными понятиями. Подобно тому как твёрдость пушечного ядра вытекает из коллективных свойств составляющих его атомов, и подобно тому как аромат розы определяется коллективными свойствами её молекул, а стремительность ягуара обусловлена коллективными свойствами его мускулов, нервов и тканей, точно также и свойства пространства и времени могут вытекать из коллективного поведения неких иных, более фундаментальных составляющих, которые ещё предстоит установить.

Суммируя такие рассуждения, физики иногда говорят, что пространство-время может быть иллюзией – провоцирующей картинкой, требующей дальнейших пояснений. В конце концов, если на вас летит пушечное ядро, или вы вдохнули чарующий аромат розы, или заметили стремительно мчащегося ягуара, то вы не будете отрицать их существование просто из-за того, что они состоят из более тонких и более фундаментальных элементов. Напротив, большинство людей согласятся, что эти материальные объекты действительно существуют и, более того, что много чего ещё можно узнать, изучив, как их хорошо известные характеристики следуют из атомных составляющих. Но поскольку эти объекты составные, то не стоит пытаться строить теорию Вселенной на базе пушечных ядер, роз или ягуаров. Аналогичным образом, если пространство и время окажутся составными сущностями, то это не будет означать, что иллюзорны их хорошо известные проявления, такие как ведро Ньютона или гравитация Эйнштейна; несомненно, по мере улучшения нашего понимания пространство и время не утратят своих глобальных позиций в эмпирической реальности. Составной характер пространства-времени будет лишь означать, что предстоит открыть ещё более глубокое описание Вселенной, не опирающееся на категории пространства и времени. Значит, иллюзией окажется наше собственное творение: ошибочная вера в то, что глубочайшее понимание космоса поместит в фокус пространство-время. Подобно тому как твёрдость пушечного ядра, аромат розы и стремительность ягуара исчезают при изучении материи на атомном и субатомном уровнях, точно так же и пространство и время могут исчезнуть в самой фундаментальной формулировке законов природы.

Предположение о нефундаментальном характере пространства-времени может показаться вам чем-то надуманным. И вы вполне можете оказаться правы. Но молва о предстоящем исключении пространства-времени из числа глубочайших физических понятий рождена не безответственным теоретизированием. Напротив, это предположение хорошо подкрепляется рядом аргументированных соображений. Давайте взглянем на самые обещающие.

Квантовое усреднение

В главе 12 мы говорили, что ткань пространства, как и всё остальное в нашей квантовой Вселенной, подвержена квантовым флуктуациям. Именно эти флуктуации мешают построить осмысленную квантовую теорию гравитации на базе представлений о точечных частицах. Заменяя точечные частицы на петли и отрезки, теория струн усмиряет флуктуации, существенно снижая их амплитуду, и благодаря этому удаётся объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Тем не менее флуктуации пространства-времени всё же существуют (что иллюстрирует рис. 12.2), и благодаря им мы можем найти важные путеводные нити, касающиеся участи пространства-времени.

Прежде всего, известные пространство и время, наполняющие наши мысли и входящие в наши уравнения, появляются в результате некоего усреднения. Что вы увидите на телевизионном экране, приблизившись к нему на расстояние в несколько сантиметров? Увиденное будет сильно отличаться от того, что вы видите с более комфортного расстояния, когда ваши глаза уже не различают отдельные точки экрана и перед вашим взором предстаёт усреднённая гладкая картинка. Заметьте, что лишь благодаря усреднению отдельных точек возникает сплошное изображение. Аналогично, микроскопическая структура пространства-времени пронизана случайными флуктуациями, но мы непосредственно не осознаём это, поскольку не способны разрешить пространство-время на таких крохотных масштабах. Вместо этого наши глаза и даже самое мощное наше оборудование объединяет отдельные флуктуации в некое среднее подобно объединению отдельных точек в целостную картину на телевизионном экране. Поскольку флуктуации случайны, то в малой области отдельные флуктуации обычно усредняются и гасят другу друга, так что в среднем получается гладкое пространство-время. Как и в аналогии с телевизионным изображением, гладкая форма пространства-времени получается лишь за счёт усреднения.

Благодаря квантовому усреднению мы получаем осязаемую интерпретацию утверждения, что известное нам пространство-время может быть иллюзией. Средние величины полезны для многих целей, но по своей природе они не могут дать точную детальную картину. По статистике средняя семья в США имеет 2,2 ребёнка, но на вас посмотрят как на сумасшедшего, если вы попросите показать такую семью. Согласно той же статистике литр молока в США стоит в среднем 0,735 доллара, но вы вряд ли найдёте магазин, торгующий молоком точно по этой цене. Точно так же известное нам пространство-время, получающееся в результате усреднения, в принципе не может описать детали того, что мы хотим назвать фундаментальными компонентами. Пространство и время могут быть всего лишь приближёнными, собирательными концепциями, чрезвычайно полезными при анализе Вселенной на всех масштабах, кроме ультрамикроскопических, но всё же иллюзорными, как и семья, имеющая 2,2 детей.

Второе соображение состоит в том, что из-за неограниченного роста квантовых флуктуаций по мере уменьшения пространственно-временных масштабов представление о делимости пространства и времени перестаёт быть справедливым при достижении планковской длины (10 ⁻³³см) и планковского времени (10 ⁻⁴³с). Мы сталкивались с этим соображением в главе 12, подчеркнув при этом, что хотя оно и совсем не согласуется с нашими обычными представлениями о пространстве и времени, но нет ничего удивительного в том, что свойство, почерпнутое из обычного повседневного опыта, оказывается неверным в микромире. И поскольку сколь угодно малая делимость пространства и времени является одним из их свойств, самых характерных для повседневного опыта, то неприменимость этого представления на ультракоротких масштабах даёт другой намёк на нечто, скрывающееся в глубинах микромира, – нечто, что можно было бы назвать основополагающим субстратом пространства-времени. Мы полагаем, что этот самый базисный материал пространства-времени, не позволяющий делить его на сколь угодно малые кусочки, чтобы не допустить сколь угодно больших флуктуаций, совсем не похож на крупномасштабное пространство-время, которое мы непосредственно переживаем. Поэтому фундаментальные составляющие пространства-времени, какими бы они ни были, вероятно, значительно трансформируются в результате усреднения, дающего известное нам пространство-время.

Таким образом, поиски известного нам пространства-времени в глубочайших законах природы могут быть подобны попыткам рассматривать Девятую симфонию Бетховена с помощью набора нот самих по себе, воспринимать полотна Моне как набор мазков. Подобно этим творениям человеческого гения целостное пространство-время может столь отличаться от своих частей, что на самом фундаментальном уровне не существует ничего похожего на известное нам пространство-время.

Преобразование геометрии

Другое соображение, называемое геометрической дуальностью, также указывает на то, что пространство-время может не быть фундаментальной реальностью, но указывает на это с совсем другой точки зрения. Для разъяснения этого соображения требуется больше технических деталей, чем для разъяснения квантового усреднения, так что не стесняйтесь лишь бегло пробежать по тем местам этого раздела, которые покажутся вам слишком трудными. Но поскольку многие исследователи считают данный материал одной из самых ярких черт теории струн, то стоит попытаться уловить его суть.

В главе 13 мы видели, как пять вариантов теории струн, кажущиеся различными, на самом деле являются разными формулировками одной и той же теории. Среди прочего мы подчеркнули, что это является очень мощным достижением, поскольку на некоторые чрезвычайно трудные вопросы, заданные в одном варианте теории, порою гораздо проще ответить в другом варианте. И это относится и к пространству-времени: трудность описания геометрической формы пространства-времени может радикально меняться при переходе от одной формулировки струнной теории к другой. Вот что я имею в виду.

Поскольку теория струн требует более чем три пространственных измерения и одно временное, которые знакомы нам по повседневному опыту, в главах 12 и 13 мы поднимали вопрос о том, где могут скрываться эти дополнительные измерения. Мы пришли к тому, что они могут быть свёрнуты до таких микроскопических размеров, что мы неспособны обнаружить их экспериментально. Мы также установили, что физика известных нам больших измерений зависит от точной формы и размера дополнительных измерений, поскольку их геометрические свойства воздействуют на моды колебаний струн. Хорошо. Теперь вернёмся к части I.

Словарь, который переводит вопросы, поставленные в одном варианте теории струн, в вопросы, задаваемые в другом варианте теории струн, также переводит геометрию дополнительных измерений первой теории в другую геометрию дополнительных измерений второй теории. Если, к примеру, вы изучаете физические выводы, скажем, теории струн типа IIA с дополнительными измерениями, свёрнутыми до определённого размера и в определённую форму, то любой вывод этой теории может быть получен, по крайней мере в принципе, из переформулированных вопросов, скажем, теории струн типа IIB. Но при этом требуется, чтобы дополнительные измерения теории струн типа IIB были свёрнуты в точную геометрическую форму, зависящую от конкретной геометрической формы дополнительных измерений теории струн типа IIA, но, как правило, отличающуюся от неё. Короче говоря, один вариант теории струн с дополнительными измерениями, свёрнутыми в одну геометрическую форму, эквивалентен другому варианту теории струн с дополнительными измерениями, свёрнутыми в другуюгеометрическую форму.

И разница геометрий пространства-времени может и не быть незначительной. Например, теория струн типа IIA с дополнительным измерением, свёрнутым в окружность, как на рис. 12.7, полностью эквивалентна теория струн типа IIB с дополнительным измерением, тоже свёрнутым в окружность, но с обратнопропорциональным радиусом. Если одна окружность – крохотная, тогда другая – гигантская, и наоборот, и всё же нет никакого способа различить эти геометрии. (Если в единицах планковской длины радиус одной окружности равен R, тогда радиус другой окружности равен 1/ R). Вы можете подумать, что сможете легко и просто отличить большую окружность от маленькой, но в теории струн это не всегда так. Все результаты наблюдения, следующие из взаимодействия струн, и две эти теории струн – типа IIA с большим циклическим измерением и типа IIB с маленьким циклическим измерением – являются попросту различными способами выражения одной и той же физики. Каждое наблюдение, описываемое в рамках одной теории струн, имеет альтернативное и столь же верное описание в рамках другой теории струн, даже если могут различаться языки теорий и даваемые ими интерпретации. (Такое возможно из-за того, что существует две принципиально разные конфигурации для струн, движущихся по циклическому измерению: струна может быть намотана на циклическое измерение подобно резиновой ленте вокруг консервной банки, и струна может находиться в циклическом измерении, не будучи намотанной на него. Энергия намотанной струны пропорциональнарадиусу циклического измерения [чем больше радиус, тем длиннее намотанная струна и тем больше её энергия], тогда как ненамотанная струна имеет энергию, обратно пропорциональнуюрадиусу циклического измерения [чем меньше радиус, тем сильнее зажата струна в пределах циклического измерения и тем больше энергия её движения в силу квантовой неопределённости]. Заметим, что если поменять радиус циклического измерения на обратныйи одновременно поменять «намотанные» и «ненамотанные» струны, то энергетический спектр струн и, вообще, физика описываемого ими мира не изменится. Это в точности то, что требует словарь, переводящий теорию IIA в теорию IIB, и именно поэтому могут быть физически эквивалентны две различные геометрии – с малым и с большим радиусом дополнительного измерения.)

Сказанное остаётся верным и при замене простых циклических измерений на более сложные многообразия Калаби–Яу, введённые в главе 12. Одна теория струн с дополнительными измерениями, свёрнутыми в определённое многообразие Калаби–Яу, физически эквивалентна другой теории струн с дополнительными измерениями, свёрнутыми в другое многообразие Калаби–Яу (называемое зеркальнымили дуальныммногообразием). В этом случае могут отличаться не только размеры многообразий Калаби–Яу, но и их формы, включая количество и разновидности их отверстий. Но принцип физической эквивалентности теорий струн разного типа гарантирует, что несмотря на различие форм и размеров дополнительных измерений описываемые ими миры будут абсолютно идентичны физически. (В многообразиях Калаби–Яу существуют отверстия двух типов, но оказывается, что колебательные моды струн – а значит, и все физические следствия – чувствительны только к разностимежду количествами отверстий каждого типа. Так что если одно многообразие Калаби–Яу имеет, скажем, два отверстия первого типа и пять отверстий второго типа, а другое многообразие Калаби–Яу имеет пять отверстий первого типа и два – второго, то эти два многообразия приводят к одной и той же физике, несмотря на различие геометрических форм этих многообразий). [101]101
  Более подробно о геометрической дуальности циклических измерений и многообразий Калаби–Яу см. главу 10 книги «Элегантная Вселенная».


[Закрыть]

Это с другой стороны поддерживает подозрение, что пространство не является фундаментальной концепцией. Один наблюдатель, описывающий Вселенную с помощью одного из пяти вариантов теории струн, заявит, что пространство, включая дополнительные измерения, имеет конкретную форму и конкретные размеры, тогда как другой наблюдатель, использующий другой вариант теории струн, возразит ему, сказав, что пространство, включая дополнительные измерения, имеет другую форму и другие размеры. Поскольку оба наблюдателя используют всего лишь разные математическиеописания одной и той же физическойВселенной, то нельзя сказать, что один из них прав, а другой – нет. Они оба правы, даже если разнятся их выводы о форме и размерах пространства. Отметим также, что это не похоже на то, что они нарезают пространство-время на слои разными, но одинаково законными способами, как это было в специальной теории относительности. Эти наблюдатели не придут к согласию относительно целостной структуры самого пространства-времени. И в этом всё дело. Если бы пространство-время было действительно фундаментально, то большинство физиков ожидало бы, что тогда всё, независимо от точки зрения и языка теории, пришли бы к согласию относительно свойств пространства-времени. Но тот факт, что по крайней мере в рамках теории струн это не обязательно так, говорит о том, что пространство-время может быть лишь вторичным явлением.

Следовательно, это ведёт нас к вопросу: если нити рассуждений, приведённые в двух последних разделах, ведут в верном направлении, так что известное нам пространство-время является лишь проявлением на крупных масштабах некой более фундаментальной сущности, то что это за сущность и каковы её свойства? На сегодня этого никто не знает. Но в поисках ответа исследователи нащупали новые путеводные нити, и самая главная нить возникла из размышлений о чёрных дырах.