Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"
Автор книги: Брайан Грин
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 52 (всего у книги 52 страниц)
Альберт Майкельсон сослался на лорда Кельвина на церемонии открытия физической лаборатории Райерсона в университете Чикаго в 1894 г. (см.: Kleppner D. Physics Today.November 1998).
Lord Kelvin. Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light. Phil. Mag.Ii-6th series. 1901. № 1.
Einstein A., Rosen N., and Podolsky B. Phys. Rev.1935. № 47. P. 777.
Sir Arthur Eddington. The Nature of the Physical World.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1928.
Как будет показано в примечании 2 главы 6, это несколько преувеличенное утверждение, поскольку есть примеры, включающие довольно необычные частицы (такие как K-мезоны и B-мезоны), которые показывают, что для так называемых слабых ядерных сил направление времени не полностью симметрично. Но, поскольку эти частицы не играют существенной роли в определении свойств обычных материальных объектов, то мне и многим другим, размышлявшим над этим, кажется маловероятным, что эти примеры существенны для разгадки природы стрелы времени (хотя, поспешу добавить, никто не знает этого наверняка). Таким образом, хотя, в принципе, это несколько преувеличенное утверждение, везде в дальнейшем я буду предполагать, что для законов физики направление времени безразлично.
Намёк на книгу Тимоти Ферриса «Возмужание на окраине Млечного Пути» (Ferris Т. Coming of Age in the Milky Way.New York: Anchor, 1989).
Newton I. Sir Isaac Newton’s Mathematical Principle of Natural Philosophy and His System of the World.Trans. A. Motte and Florian Cajori. Berkley: University of California Press, 1934. Vol. 1. P. 10.
Newton I. Sir Isaac Newton’s Mathematical Principle of Natural Philosophy and His System of the World.Trans. A. Motte and Florian Cajori. Berkley: University of California Press, 1934. Vol. 1. P. 6.
Newton I. Sir Isaac Newton’s Mathematical Principle of Natural Philosophy and His System of the World.Trans. A. Motte and Florian Cajori. Berkley: University of California Press, 1934. Vol. 1. P. 6.
Высказывание Альберта Эйнштейна, приведённое в предисловии к книге: Jammer М. Concepts of Space: The Histories of Theories of Space in Physics.New York: Dover, 1993.
Hall A. R. Isaac Newton, Adventurer in Thought.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1992. P. 27.
Hall A. R. Isaac Newton, Adventurer in Thought.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1992. P. 27.
H. G. Alexander, ed. The Leibniz-Clarke Correspondence.Manchester: Manchester University Press, 1956.
Я выбрал Лейбница как яркого представителя тех, кто был против приписывания пространству существования, независимого от находящихся в нём объектов, но и многие другие учёные также энергично отстаивали реляционную позицию – среди них Христиан Гюйгенс и епископ Беркли.
См., например: Jammer M. Concepts of Space.P. 116.
Ленин В. И.Материализм и эмпириокритицизм. Критические заметки об одной реакционной философии. М.: Издательство политической литературы, 1984.
Для математически подкованных читателей приведём эти четыре уравнения:
где E, B, ρ, J, ε 0, μ 0обозначают напряжённость электрического поля, напряжённость магнитного поля, плотность электрического заряда, плотность электрического тока, диэлектрическую проницаемость и магнитную восприимчивость вакуума соответственно. Как видно, уравнения Максвелла связывают скорость изменения электромагнитного поля с наличием электрических зарядов и токов. Нетрудно показать, что эти уравнения дают для скорости электромагнитных волн величину 
, являющуюся, фактически, скоростью света в вакууме.
Есть некоторое разногласие по поводу того, какую роль сыграли эти эксперименты при создании специальной теории относительности. В биографии Эйнштейна (см.: Пайс А.Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. М.: Наука, 1989) Абрахам Пайс, ссылаясь на поздние заявления Эйнштейна, утверждает, что он знал о результатах эксперимента Майкельсона-Морли. Альбрехт Фользинг в своей биографии Эйнштейна (Fölzing A. Albert Einstein: A Biography.New York: Viking Press, 1997. P. 217–220) также утверждает, что Эйнштейн был осведомлён как о результатах опыта Майкельсона-Морли, так и о более ранних отрицательных результатах поиска эфира, таких как работа Армана Физо. Но Фользинг и многие другие историки науки утверждают, что эти эксперименты играли в лучшем случае лишь вторичную роль в размышлениях Эйнштейна. Эйнштейн в основном руководствовался соображениями математической симметрии и простоты, а также поразительной физической интуицией.
Мы видим объекты с помощью света: чтобы увидеть объект, свет должен дойти от него до наших глаз. Аналогично, чтобы увидеть свет, сам свет должен дойти до наших глаз. Поэтому есть некая условность в моём утверждении, когда я говорю, что Барт видит удаляющийся от него свет. Можно представить себе, что Барт имеет группу помощников, движущихся с его скоростью, но находящихся в различных местах вдоль «гоночной трассы». Эти помощники сообщают Барту, какой отметки трассы и в какое время достиг свет. На основе этой информации Барт может затем вычислить, с какой скоростью удаляется от него свет.
Есть несколько подходов к выводу преобразований координат и времени в специальной теории относительности Эйнштейна. Заинтересованный читатель может посмотреть главу 2 моей предыдущей книги ( Грин Б.Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории / Пер. с англ.; Общ. ред. В. О. Малышенко. М.: URSS, 2007) (вместе с математическим выкладками, приведёнными в примечаниях к этой главе). Чёткие рассуждения с техническими деталями приводятся в книге: Тейлор Э. Ф., Уилер Дж. А.Физика пространства-времени / Пер. с англ. Н. В. Мицкевича. Изд. 2-е, дополненное. М.: Мир, 1971.
Остановка времени при движении со скоростью света – интересная идея, но не следует слишком увлекаться ею. Дело в том, что специальная теория относительности показывает, что ни один материальный объект никогда не сможет достичь скорости света: чем быстрее он движется, тем труднее его «подтолкнуть», чтобы придать бо́льшую скорость. Чтобы разогнать объект до скорости света, ему надо дать бесконечно сильный толчок, что попросту невозможно сделать. Таким образом, «безвременно́й» характер фотона ограничен объектами с нулевой массой(фотон является примером такого объекта), и поэтому «безвременность» навсегда за пределами достижимого всех объектов, за исключением немногих частиц. Хотя может быть интересным и полезным вообразить, как Вселенная будет выглядеть при движении со скоростью света, но в конечном счёте нам стоит сосредоточиться на том, что реально достижимо для материальных объектов, таких как мы с вами, если мы хотим понять, как специальная теория относительности влияет на наше представление о времени.
См.: Пайс А.Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. С. 110.
Точнее говоря, мы говорим, что вода вращается, если её поверхность принимает вогнутую форму, и не вращается – если не принимает такую форму. С точки зрения Маха, в пустом пространстве нет понятия вращения, так что поверхность воды всегда будет плоской (или, чтобы избежать вопросов, связанных с отсутствием гравитации, мы можем сказать, что верёвка, связывающая два камня, всегда будет оставаться ненатянутой). Здесь же утверждается, что в специальной теории относительности есть понятие вращения даже в пустой Вселенной, поэтому поверхность воды может стать вогнутой (и может натянуться верёвка, связывающая два камня). В этом смысле специальная теория относительности противоречит идеям Маха.
Fölsing A. Albert Einstein: A Biography.1997. P. 208–210.
Математически подкованный читатель заметит, что если выбрать единицы измерений так, что скорость света будет равняться единице (этого можно достичь, взяв, например, секунду за единицу времени и световую секунду, равную 300 тыс. км, за единицу длины), то свет будет двигаться по пространству-времени под углом 45° по отношению к оси времени (потому что для такой диагональной линии одной единице пространства будет соответствовать одна единица времени, двум единицам пространства – две единицы времени и т. д.). Поскольку ничто не может превысить скорость света, то любой материальный объект должен покрывать меньшее расстояние за единицу времени, чем луч света, и, следовательно, его траектория в пространстве-времени должна быть наклонена к оси времени под углом, меньшим 45°. Более того, Эйнштейн показал, что зависимость между временем t движущдвижущегося со скоростью υнаблюдателя и временем t стационарнпокоящегося наблюдателя (предположим для простоты, что пространство одномерно) даётся формулой
где γ= (1 − υ 2/ c 2) −1/2и c– скорость света. В принятых нами единицах c= 1, поэтому υ< 1 и, следовательно, временны́е слои для движущегося наблюдателя (где t движущфиксировано) задаются уравнением
Такие срезы наклонены под некоторым углом к временны́м слоям стационарного наблюдателя ( t стационарн= const), а поскольку υ< 1, то угол между ними не может превосходить 45°.
Для математически подкованного читателя это утверждение можно строго сформулировать следующим образом: геодезические линии пространства-времени Минковского (пути экстремальной длины между двумя точками пространства-времени) являются геометрическим объектами, не зависящими от выбора координат или системы отсчёта. Эти линии являются внутренними, абсолютными геометрическими свойствами пространства-времени. Точнее говоря, в стандартной метрике Минковского геодезические (времениподобные) линии являются прямыми (составляющими с осью времени угол меньше 45°, поскольку скорость материального объекта не может превышать скорость света).
Есть ещё кое-что важное, с чем согласятся все наблюдатели, независимо от скорости их движения. Это подразумевается в нашем описании пространства-времени, но стоит сказать об этом прямо! Если одно событие является причиной другого (я кинул камень в окно, и окно разбилось), то все наблюдатели согласятся с тем, что причина стояла передследствием (все согласятся, что я кинул камень передтем, как окно разбилось). Для математически подкованного читателя это нетрудно показать с помощью нашего схематического описания пространства-времени. Если событие Aявляется причиной события B, то линия, проведённая в пространстве-времени от Aдо Bпересечёт каждый временно́й слой (временно́й слой наблюдателя, покоящегося по отношению к A) под углом, превышающим45°. Например, если события Aи Bпроизошли в одном и том же месте пространства (от резинки, натянутой вокруг моего пальца [событие A] мой палец побелел [событие B]), то линия, соединяющая Aи B, перпендикулярна плоскостям временны́х слоёв (составляет с ними угол 90°). Если же события Aи Bпроизошли в разных точках пространства (камень летит в окно), то всё же влияние из Aв Bпередавалось со скоростью, не превышающей скорость света, откуда следует, что соответствующая траектория в пространстве-времени не может отклониться от оси времени на угол, превышающий 45°, и, значит, угол между траекторией и любым временны́м слоем всегда больше 45°. (Вспомните из примечания 9, что только свет может отклоняться на максимальный угол 45° по отношению к оси времени.) Временны́е слои двигающегося наблюдателя наклонены под углом к временны́м слоям неподвижного наблюдателя, но этот угол наклона всегда меньше45° (поскольку относительная скорость движения двух наблюдателей не может превышать скорость света). И, поскольку угол траектории, связанной с причинно связанными событиями, всегда больше45°, то эта траектория не может пересечь временно́й слой, относящийся к следствию, раньшеслоя, относящегося к причине. Поэтому для всех наблюдателей причина всегда предшествует следствию.
Кроме того, если влияние могло бы распространяться быстрее света, это нарушало бы причинность.
Newton I. Sir. Isaac Newton’s Mathematical Principles of Natural Philosophy and His System of the World.P. 634.
Поскольку гравитационное притяжение Земли меняется от точки к точке, то свободно падающий наблюдатель (имеющий ненулевые размеры) всё же может обнаружить остаточное воздействие гравитационной силы. А именно, если этот наблюдатель выпустит по бейсбольному мячу из двух своих вытянутых в стороны рук, то каждый из мячей полетит по своей траектории к центру Земли. Поэтому с точки зрения этого наблюдателя он сам будет падать строго вниз к центру Земли, тогда как мяч, выпущенный из правой руки, будет падать с еле заметным отклонением влево, а мяч, выпущенный из левой руки, будет падать с едва заметным отклонением вправо. Проводя тщательные замеры, наблюдатель заметит, что расстояние между мячами мало-помалу сокращается; они двигаются навстречу друг другу. Здесь важно то, что мячи были выпущены в разных, хотя и близких, точках пространства, поэтому их траектории свободного падения по направлению к центру Земли, хотя и почти незаметно, но отличаются. Таким образом, более точное утверждение, отражающее догадку Эйнштейна, состоит в том, что чем меньше размеры объекта, тем полнее он может устранить гравитацию в своём свободном падении. Но в нашем обсуждении этим обстоятельством можно благополучно пренебречь, хотя оно и важно в принципе.
Для математически подготовленного читателя приведём уравнения Эйнштейна: G μν= (8 πG/ c 4) T μν, где в левой части стоит тензор Эйнштейна, описывающий кривизну пространства-времени, а в правой части – тензор энергии-импульса T μν, описывающий распределение материи и энергии во Вселенной.
Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж.Гравитация. Т. 2. М.: Мир, 1977. С. 192–195.
В 1954 г. Эйнштейн писал коллеге: «Кстати, о принципе Маха вообще больше говорить не стоит» (цитируется по книге: Пайс А.Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. С. 279).
Как отмечалось ранее, следующие идеи были впоследствии приписаны Маху, хотя он сам никогда не выражал их столь буквально.
С той оговоркой, что объекты, настолько удалённые от нас, что с момента рождения Вселенной их свет или гравитационное воздействие ещё нас не достигли, не влияют на ощущаемую нами гравитацию.
Искушённый читатель заметит, что, формально говоря, это слишком сильное утверждение, поскольку для пустого пространства имеются нетривиальные решения общей теории относительности (т. е. такие, которые дают не пространство Минковского, а нечто более сложное). Здесь я просто использую тот факт, что специальная теория относительности может рассматриваться как специальный случай общей теории относительности, если не учитывать гравитацию.
Строго говоря, не все физики и философы согласны с этим заключением. Хотя Эйнштейн отказался от принципа Маха, в течение последних тридцати лет этот принцип вёл собственную жизнь. Выдвигались различные версии и интерпретации идей Маха. Так, например, некоторые физики предполагали, что общая теория относительности в своей основе охватывает идеи Маха, и только некоторые особые формы, которые может иметь пространство-время, – такие как бесконечное плоское пространство-время в пустой Вселенной, – не отвечают принципу Маха. Возможно, предполагали они, любое пространство-время, которое хотя бы отдалённо реалистично (населено звёздами и галактиками и т. д.), удовлетворяет принципу Маха. Другие предлагали новые формулировки принципа Маха, в которых дело было больше не в том, как объекты, подобные связанным верёвкой камням или наполненному водой ведру, ведут себя Вселенной, а скорее в том, как различные временные слои – различные геометрии трёхмерного пространства – связаны друг с другом во времени. Поучительные ссылки на современное осмысление этих идей содержатся в книге Mach’s Principle: From Newton’s Bucket to Quantum Gravity(Julian Barbour and Herbert Pfister, eds. Berlin: Birkhäuser, 1995), являющейся сборником статей по данной теме. В этой книге содержится также опрос примерно сорока физиков и философов по поводу их взгляда на принцип Маха. Большинство (90%) согласны, что общая теория относительности не полностью согласуется с идеями Маха. Другое чрезвычайно интересное обсуждение этих идей с точки зрения, поддерживающей идеи Маха, и на уровне, доступном широкому читателю, содержится в книге: Barbour J. The End of Time: The Next Revolution in Physics.(Oxford: Oxford University Press, 1999).
Склонному к математике читателю будет интересно узнать – Эйнштейн считал, что пространство-время не существует отдельно от своей метрики (метрика – математическое понятие, дающее меру расстояния в пространстве-времени), поэтому, если удалить всё, включая метрику, то пространство-время уже небудет представлять собой нечто. Под «пространством-временем» я всегда имел в виду многообразие вместе с метрикой, являющейся решением уравнений Эйнштейна, следовательно, мы приходим к выводу, который на математическом языке звучит так: метрическое пространство-время есть нечто.
Jammer M. Concepts of Space.P. xvii.
Точнее говоря, таково средневековое представление, корни которого восходят к Аристотелю.
Как мы обсудим позже, встречаются ситуации (такие как Большой взрыв и чёрные дыры), в которых остаётся много тайн, по крайней мере в отношении экстремально малых расстояний и огромных плотностей, когда перестаёт быть справедливой даже более изощрённая теория Эйнштейна. Так что приведённое здесь утверждение относится ко всем ситуациям, кроме экстремальных, в которых перестают работать известные законы физики.
Один из первых читателей этого текста неожиданно оказался сведущ в колдовстве и сообщил мне, что то, что путешествует через пространство и исполняет желания колдуна, называется «духом». Так что мой пример с колдовством, возможно, неудачен. Тем не менее идея ясна.
Во избежание путаницы я ещё раз подчеркну, что утверждения типа «Вселенная не является локальной» или «Нечто, происходящее здесь, может быть переплетено с чем-то там» не подразумевают возможность мгновенно управлять чем-то удалённым. Как будет ясно из дальнейшего, эффект, на который я ссылаюсь, проявляется в качестве корреляциимежду событиями – обычно в форме корреляций между результатами измерений, – происходящими в отдалённых друг от друга местах (таких что даже свет не успел бы преодолеть расстояние между ними). Таким образом, я имею в виду то, что физики называют нелокальными корреляциями. На первый взгляд может показаться, что в таких корреляциях нет ничего удивительного. Если кто-то посылает вам посылку с одной перчаткой, а другую перчатку из той же пары посылает вашему другу за тысячи миль от вас, то будет корреляция между тем, что каждый из вас увидит, открыв свою посылку: если вы увидите перчатку на левую руку, то ваш друг увидит перчатку на правую руку, и наоборот. И, понятно, в этих корреляциях нет ничего загадочного. Но, как увидим мы в дальнейшем, корреляции квантового мира носят совсем другой характер. Это как если бы вы имели пару «квантовых перчаток», в которой каждая перчатка может быть левой или правой, и каждая раскрывает свою «ориентацию» только в момент надлежащего наблюдения или измерения. И странность здесь в том, что хотя каждая перчатка может совершенно случайно стать правой или левой, но перчатки всегда оказываются парными, даже если они далеко разнесены: если одна оказывается левой, то другая – правой, и наоборот.
Предсказания квантовой механики потрясающе точно согласуются с экспериментальными наблюдениями. С этим согласны все. Тем не менее, поскольку понятия квантовой механики весьма непривычны для нашего повседневного опыта, и отчасти из-за этого имеются различные математические формулировки теории (и различные представления о том, как теория преодолевает разрыв между явлениями микромира и измеряемыми в макромире величинами), то нет согласия в том, как интерпретироватьразличные особенности теории (и загадочные результаты экспериментов, которые теория тем не менее может объяснить математически), включая вопросы нелокальности. В данной главе я принял ту точку зрения, которую посчитал самой убедительной, основываясь на современных теоретических представлениях и экспериментальных результатах. Но я подчёркиваю, что не все соглашаются с этой точкой зрения, и в дальнейшем, разъяснив свои взгляды, я коротко отмечу некоторые другие точки зрения и укажу, где можно подробнее прочесть о них. Я также хочу особо подчеркнуть, что упомянутые эксперименты противоречат вере Эйнштейна в то, что их результаты могут быть объяснены исключительно на основе представления о том, что частицы всегда имеют определённые, хотя и скрытые, характеристики, не привлекая при этом идею нелокальной связи. Однако несостоятельность этой веры приводит к отказу только от представления о локальной Вселенной; при этом не отбрасывается возможность того, что частицы имеют определённые скрытые характеристики.
Для математически подкованного читателя следует отметить один аспект, который может ввести в заблуждение. Для многочастичных систем волна вероятности (обычно называемая волновой функцией) имеет по сути ту же интерпретацию (как только что описанную), но определяется как функция на конфигурационном пространствевсех частиц (для одной частицы конфигурационное пространство изоморфно реальному пространству, но для системы Nчастиц оно имеет 3 Nизмерений). Важно не забывать об этом, размышляя над тем, является ли волновая функция реальной физической сущностью или просто математическим приёмом, – ведь если занять первую позицию, то потребуется принять реальность и конфигурационного пространства – интересная вариация на темы глав 2 и 3. Поля в релятивистской квантовой теории поля можно определить в обычном четырёхмерном пространстве-времени, хотя имеются и не так широко используемые формулировки, в которых вводятся обобщённые волновые функции – так называемые волновые функционалы, определяемые на ещё более абстрактном пространстве, пространстве полей.
Я имею в виду эксперименты по фотоэлектрическому эффекту, в которых свет, направленный на кусок металла, выбивает электроны с его поверхности. Экспериментаторы обнаружили, что чем выше интенсивность света, тем больше испускается электронов. Более того, эксперименты показали, что энергия каждого испущенного электрона определяется цветом (т. е. частотой) света. Эйнштейн указал, что это легко понять, если представить себе луч света состоящим из частиц, и тогда бо́льшая интенсивность света означает большее количество частиц света (фотонов) в луче – а чем больше фотонов, тем с большим числом электронов они столкнутся и выбьют с поверхности металла. Далее, частота света определяет энергию каждого фотона и, значит, и энергию каждого испущенного электрона, что находится в точном соответствии с экспериментальными данными. Корпускулярные свойства фотонов были окончательно подтверждены в 1923 г. Артуром Комптоном в экспериментах по упругому рассеянию фотонов на электронах.
Institut International de Physique Solvay. Rapport et discussions du 5ème Conseil.Paris, 1928. P. 253ff.
Born I., trans. The Born-Einstein Letters.New York: Walker, 1971. P. 223.
Stapp H. Nuovo Cimento.1977. № 40B. P. 191–204.
Дэвид Бом является одним из самых творческих умов, работавших в квантовой механике на протяжении XX в. Он родился в Пенсильвании в 1917 г. и был студентом Роберта Оппенгеймера в Беркли. Во время преподавания в Принстонском университете он был вызван в Комитет по расследованию антиамериканской деятельности, но отказался давать показания на слушаниях. Дэвид Бом был вынужден покинуть США и стал профессором университета Сан-Паоло в Бразилии, затем в Технионе в Израиле и, наконец, в Биркбек-колледже Лондонского университета. Дэвид Бом жил в Лондоне до своей смерти в 1992 г.
Конечно, если подождать достаточно долго, то воздействие, оказанное вами на одну частицу, может, в принципе, передаться другой: первая частица могла бы послать сигнал, оповещающий вторую, что она подверглась измерению, и этот сигнал мог бы повлиять на вторую частицу. Однако, поскольку ни один сигнал не может распространяться быстрее света, такого рода влияние не может быть мгновенным. Самое главное в нашем рассуждении состоит в том, что в тот самый момент, когда мы измеряем спин одной частицы относительно выбранной оси, мы сразу же узнаём спин другой частицы относительно этой же оси. Так что любой вид «стандартного» сообщения между частицами – посредством света или с ещё более низкой скоростью связи – не имеет отношения к делу.
В этом и следующем разделах я излагаю суть открытия Белла, используя «инсценировку», вдохновлённую превосходными статьями Дэвида Мермина «Quantum Mysteries for Anyone» ( Journal of Philosophy.1981. № 78. P. 397–408); «Can You Help Your Team Tonight by Watching on TV?» (in Philosophical Consequences of Quantum Theory: Reflections on Bell’s Theorem.J. T. Cushing and E. McMullin, eds. University of Notre Dame Press, 1989); «Spooky Action at a Distance: Mysteries of the Quantum Theory» (in The Great Ideas Today.Encyclopaedia Britannica Inc., 1988), которые все собраны в книге: Mermin N. D. Boojums All the Way Through.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1990. Интересующимся более формальным изложением идей с техническими деталями лучше всего начать с собственных статей Белла, многие из которых собраны в его книге: Bell J. S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1997.
В то время как предположение о локальности является ключевым в аргументации Эйнштейна, Подольского и Розена, исследователи пытались найти ошибки и в других элементах их рассуждения, чтобы избежать вывода, что Вселенная допускает нелокальные свойства. Например, иногда утверждается, что всё, что требуют результаты экспериментов – это отказаться от так называемого реализма – представления, согласно которому объекты обладают своими характеристиками независимо от процесса измерения. Однако это ничего не решает. Если доводы ЭПР были бы подтверждены экспериментом, не было бы ничего удивительного в дальнодействующих корреляциях квантовой механики; они были бы не более удивительны, чем классические дальнодействующие корреляции – того же рода, что обнаружив левую перчатку здесь, вы можете с уверенностью утверждать, что её пара, находящаяся где-то там, будет обязательно правой. Но доводы ЭПР были опровергнуты результатами Белла/Аспекта. Однако если в ответ на опровержение ЭПР мы откажемся от реализма (как мы поступаем в стандартной квантовой механике), это никак не уменьшит ошеломляющую загадочность дальнодействующих корреляций между далеко разнесёнными друг от друга случайнымипроцессами; когда мы отказываемся от реализма, перчатки, как в примечании {43} , становятся «квантовыми перчатками». Отказ от реализма никоим образом не делает наблюдаемые нелокальные корреляции хоть сколько-нибудь менее странными. Хотя, конечно, верно, что если в свете результатов ЭПР, Белла и Аспекта мы попытаемся сохранить реализм (например, как в теории Бома), то для согласования с имеющимися данными потребуется ещё более сильная нелокальность, включающая нелокальность взаимодействий, а не только нелокальность корреляций. Многие физики воздерживаются от такого выбора и, таким образом, отказываются от реализма.
Специальная теория относительности запрещает всему, что когда-либо двигалось медленнее скорости света, пересекать барьер скорости света. Но, строго говоря, специальная теория относительности не запрещает чему-то всегдадвигаться со скоростью, превышающей скорость света. Гипотетические частицы такого сорта называются тахионами. Большинство физиков считают, что тахионы не существуют, но другим нравится тешить себя возможностью их существования. Однако, по большей части из-за странных свойств, которые эти частицы имели бы согласно уравнениям специальной теории относительности, никто не нашёл для них полезного применения – даже гипотетически. В настоящее время теории, в которых появляются тахионы, обычно выглядят страдающими от нестабильности.
Склонный к математике читатель должен отметить: по сути, специальная теория относительности утверждает, что законы физики должны быть инвариантными относительно преобразований Лоренца, т. е. инвариантными относительно SO(3,1)-преобразования координат пространства Минковского. Следовательно, квантовая механика будет согласована со специальной теорией относительности, если её можно сформулировать так, что она будет инвариантна относительно преобразований Лоренца. В настоящее время релятивистская квантовая механика и релятивистская квантовая теория поля далеко продвинулись по направлению к этой цели, но пока ещё нет полного согласия в том, решается ли в них проблема квантового измерения инвариантным относительно преобразования Лоренца образом. Например, в релятивистской квантовой теории поля можно рассчитать амплитуды вероятности и вероятности исхода различных экспериментов полностью Лоренц-инвариантным способом. Но стандартная трактовка спотыкается на описании, каким же образом конкретный результат измерения возникает из всего спектра квантовых возможностей – т. е. что же происходит в процессе измерения. Это особенно важная проблема для запутывания как явления, которое зависит от того, что делает экспериментатор, – от акта измерения характеристик одной из запутанных частиц. Более детальное обсуждение можно найти в книге: Maudlin T. Quantum Non-locality and Relativity.Oxford: Blackwell, 2002.
Для склонного к математике читателя привожу соответствующий расчёт. Допустим, спин измеряется относительно трёх осей: вертикальной и двух, отклонённых от вертикали на угол 120° по и против часовой стрелки соответственно (полдень, четыре и восемь часов на циферблате часов соответственно). Пусть точно между двумя детекторами возникает пара электронов в так называемом синглетном состоянии. В этом состоянии суммарный спин двух электронов всегда равен нулю, так что если спин одного из электронов оказывается направленным вверх, то спин другого электрона обязательно будет направлен вниз. (Вспомните, что ради простоты я раньше рассматривал ситуацию, когда спины электронов всегда совпадают, а не противоположны. Но это совершенно не важно: вы можете представить, что детекторы откалиброваны противоположным образом, так что один из них всегда указывает на противоположное направление по отношению к тому, что есть на самом деле.) Элементарные рассуждения из квантовой механики показывают, что если угол между осями измерения спина на двух детекторах составляет θ, то вероятность того, что их показания окажутся противоположными, равна cos 2( θ/2). Таким образом, если оси детекторов направлены одинаково ( θ= 0), то их показания всегда противоположны (это отвечает утверждению основного текста книги, что показания всегда одинаковы – помните о перекалибровке одного из датчиков), а если угол между их осями составляет +120° или −120°, то вероятность регистрации ими противоположных спинов составляет cos 2(±60°) = 1/4. Если же оси детекторов выбираются случайным образом и независимо друг от друга, то в 1/3 случаев их направления совпадут, а в 2/3 случаев – нет. Итого, ожидаемая вероятность обнаружения противоположных спинов равна (1/3) ∙ 1 + (2/3) ∙ (1/4) = 1/2, что и обнаруживается в эксперименте.
Вам может показаться странным, что предположение о локальности Вселенной ведёт к более высокой корреляции спина (больше 50%), чем в традиционном подходе квантовой механики, допускающем дальнодействие посредством мгновенного коллапса волны вероятности (ровно 50%). Вы могли бы подумать, что дальнодействующее запутывание должно приводить к большей корреляции. Фактически, так оно и есть. Подумайте вот над чем: с результатом лишь 50% для корреляции по всем измерениям квантовая механика гарантирует 100%-ю корреляцию результатов в случае одинаковой направленности осей детекторов. А в локальной Вселенной Эйнштейна–Подольского–Розена, чтобы гарантировать 100%-е согласие показаний для однонаправленных осей детекторов, требуется 55%-я корреляция по всем измерениям. Значит, грубо говоря, в локальной Вселенной 50%-я корреляция по всем измерениям дала бы менеечем 100%-ю корреляцию для одинаково направленных осей, т. е. корреляция получается меньшей, чем в нелокальной квантовой Вселенной.
Вы могли бы подумать, что мгновенный коллапс волны вероятности с самого начала нарушает предел скорости, устанавливаемый светом, и тем самым вызывает конфликт со специальной теорией относительности. И если волны вероятности были бы действительно подобны волнам на поверхности воды, то конфликт был бы обеспечен. Тот факт, что волна вероятности внезапно падает до нуля на бескрайнем пространстве, был бы гораздо более шокирующим, чем если бы вся вода Мирового океана вдруг бы мгновенно застыла и перестала двигаться. Но, как утверждают сторонники квантовой механики, волны вероятности неподобны волнам на поверхности воды. Хотя волна вероятности описывает материю, но сама по себе она не материальна. Световой же барьер относится только к материальным объектам, чьё движение можно непосредственно видеть, чувствовать, обнаруживать. Если волна вероятности электрона упала до нуля в галактике Андромеды, то это просто означает, что андромедянский физик наверняка не сможет обнаружить у себя этот электрон. Никакое наблюдение в галактике Андромеды не обнаружит внезапного изменения волны вероятности, связанного с тем, что электрон уже обнаружен в Нью-Йорке. Нет никакого конфликта со специальной теорией относительности, так как сам электрон не перемещался из одного места в другое быстрее света. И, как можно видеть, происходит лишь обнаружение электрона в Нью-Йорке, ничего более. Скорость электрона даже не упоминалась в дискуссии. Таким образом, хотя схема мгновенного коллапса вероятности несёт с собой загадки и проблемы (они подробнее обсуждаются в главе 7), но она не обязательно подразумевает конфликт со специальной теорией относительности.
Некоторые из этих предложений обсуждаются в книге: Maudlin T. Quantum Non-locality and Relativity.
Для, читателя, склонного к математике, укажем, что из уравнения
которое обсуждалось в примечании 9 к главе 3, мы приходим к тому, что список настоящего для Чуви в данный момент будет содержать события, которые наблюдатели на Земле будут полагать прошедшими на ( υ/ c 2) x Землиранее, где x Землиесть расстояние от Чуви до Земли. Здесь мы предполагали, что Чуви движется прочь от Земли. Для движения в направлении Земли υимеет противоположный знак, так что связанные с Землёй наблюдатели будут полагать, что такие события произойдут на ( υ/ c 2) x Землипозднее. Выбирая υ= 18 км/ч и x Земли= 10 10световых лет, находим, что ( υ/ c 2) x Землисоставит около 150 лет.
Это число – и аналогичное число, приведённое несколькими абзацами ниже при описании движения Чуви в направлении Земли, – было правильным на момент публикации книги. Но поскольку время здесь на Земле течёт, эти числа будут становиться несколько неточными.
Склонный к математике читатель должен заметить, что метафора сечения пространственно-временно́й буханки под разными углами представляет собой обычную концепцию пространственно-временных диаграмм, изучаемых в курсе специальной теории относительности. На пространственно-временных диаграммах всё трёхмерное пространство в данный момент времени с точки зрения наблюдателя, который считается стационарным, обозначается горизонтальной линией (или, на более продвинутых диаграммах, горизонтальной плоскостью), тогда как время обозначается вертикальной осью. (На нашем рисунке каждое сечение буханки – плоскость – представляет всё пространство в один момент времени, тогда как ось, идущая через середину буханки, от корки до корки, есть ось времени.) Пространственно-временная диаграмма обеспечивает наглядный способ представления точек, из которых составлен ваш слой настоящего и слой настоящего для Чуви.
Тонкие сплошные линии совпадают с временны́ми слоями (слоями настоящего) для наблюдателей, покоящихся по отношению к Земле (для простоты мы представляем, что Земля не вращается и не подвержена никаким ускорениям, поскольку это ненужное усложнение картины), а тонкие пунктирные линии совпадают с временны́ми слоями наблюдателей, двигающихся прочь от Земли, скажем, со скоростью 16,7 км/ч. Когда Чуви покоится относительно Земли, горизонтальные линии представляют его слои настоящего (и поскольку вы всё время покоитесь на Земле, эти тонкие сплошные линии всегда представляют ваши слои настоящего), а самая тёмная сплошная линия показывает слой настоящего, содержащий вас (левая тёмная точка) на Земле XXI в., и Чуви (правая тёмная точка), когда вы оба ещё сидите и читаете. Когда Чуви идёт в направлении от Земли, его слои настоящего представляются пунктирными линиями, а самая тёмная пунктирная линия представляет слой настоящего, содержащий самого Чуви (когда тот только что встал и отправился погулять). Заметим, что один из последующих пунктирных временны́х слоёв будет содержать гуляющего Чуви (если он всё ещё гуляет!) и вас в двадцать первом столетии, сидящего и читающего. Поэтому ваш единственный момент времени появится в двух списках настоящего у Чуви – в одном до того, как он отправился на прогулку, и в одном – после. Это демонстрирует ещё один способ, каким простое интуитивное представление о сейчас– при рассмотрении применительно к большим расстояниям – трансформируется специальной теорией относительности в концепцию с совершенно необычными свойствами. Далее, эти списки настоящего не имеют отношения к причинности: стандартная причинность (см. примечание {27} ) остаётся полностью в силе. Список настоящего у Чуви резко изменяется (делает скачок) из-за того, что он сам перепрыгивает из одной системы отсчёта в другую. Но любой наблюдатель (используя любой хорошо определённый способ описания точек пространства-времени координатами) согласится с любым другим наблюдателем в отношении того, какие события на что могут влиять.
Albert Einstein and Michele Besso: Correspondence1903–1955. P. Spezialy, ed. Paris: Hermann, 1972.
Данное обсуждение призвано придать качественный смысл тому, как переживания прямо сейчасвместе с памятью, которую вы имеете прямо сейчас, формируют основу ваших ощущений жизни, в которой вы имели эту память. Но если, например, ваш мозг и тело были каким-то образом приведены в точно то же состояние, в котором они находятся прямо сейчас, вы должны будете иметь то же самое ощущение прожитой жизни, которое подтверждает ваша память (предполагая, как я это делаю, что основа всех ощущений может быть найдена в физическом состоянии мозга и тела), даже если эти переживания никогда на самом деле не происходили, а были искусственно впечатаны в ваш мозг. Одно упрощение в обсуждении заключается в предположении, что мы можем чувствовать или переживать вещи, которые происходят в определённый момент времени, тогда как, на самом деле, требуется некоторое конечное время для обработки, для того чтобы мозг распознал и интерпретировал воздействие на входе. Хотя это и верно, но это не имеет особого значения для излагаемой мной точки зрения; это интересное, но совершенно не относящееся к делу усложнение, связанное с анализом представлений о времени в прямой связи с человеческими ощущениями. Как мы говорили раньше, различные жизненные примеры помогают делать наше обсуждение более обоснованным и интуитивно ясным, но это требует от нас отделять те аспекты обсуждения, которые более интересны с биологической точки зрения, в противоположность физической.
Вы можете поинтересоваться, как обсуждение в этой главе соотносится с нашим описанием в главе 3 объектов, «всегда двигающихся» через пространство-время со скоростью света. Для не склонного к математике читателя грубый ответ состоит в том, что история объекта представляется кривой в пространстве-времени – путём через блок пространства-времени, который высвечивает каждое место, которое занимал объект в момент, когда он там был (примерно так, как мы видим на рис. 5.1). Интуитивное обозначение «движения» через пространство-время тогда может быть выражено на языке «без течения», путём просто указания этого пути (в противоположность представлению, что путь проходится на ваших глазах). «Скорость», связанная с этим путём, тогда измеряется величиной, определяемой длиной этого пути (от одной выбранной точки до другой), делённой на промежуток времени, измеренный часами, переносимыми кем-то или чем-то между двумя выбранными точками пути. Ещё раз, это есть подход, который не содержит какого-либо течения времени: вы просто смотрите на то, что говорят интересующие вас часы в двух представляющих интерес точках. Оказывается, что скорость, найденная таким способом, для любогодвижения равна скорости света. Математически подготовленный читатель немедленно обнаружит причину этого. Метрика в пространстве-времени Минковского есть
(где dx 2есть евклидова длина 
), тогда как время, измеряемое движущимся часами («собственное» время), даётся выражением dt 2= ds 2/ c 2. Так что, очевидно, скорость движения через пространство-время, определяемая выражением ds/ dt, равна c.
Carnap S. R. Autobiography, in The Philosophy of Rudolf Carnap.P. A. Schilpp, ed. Chicago: Library of Living Philosophers, 1963. P. 37.
Отметим, что асимметрия, о которой идёт речь (стрела времени), возникает из порядка, в котором события имеют место вовремени. Вы могли бы также поинтересоваться асимметрией самого времени – например, как мы увидим в дальнейших главах, в соответствии с некоторыми космологическими теориями время могло иметь начало, но оно может не иметь конца. Это разные понятия асимметрии времени, но наше обсуждение здесь сосредоточено на первом. Но даже в этом случае до конца главы мы придём к заключению, что асимметрия вещей во времени имеет отношение к специальным условиям в ранней истории Вселенной, а потому связывает стрелу времени с космологией.
Для склонного к математике читателя позвольте мне отметить более точно, что означает симметрия по отношению к обращению времени, и указать на одно интригующее исключение, значение которого для обсуждаемых нами в этой главе проблем ещё предстоит полностью осознать. Простейшее определение симметрии по отношению к обращению времени состоит в утверждении, что набор законов физики симметричен по отношению к обращению времени. Если задано любое решение уравнений, скажем S( t), тогда S(− t) тоже будет решением этих уравнений. Например, в ньютоновской механике с силами, которые зависят от положений частиц, если x( t) = ( x 1( t), x 2( t), ..., x 3 n( t)) есть положения nчастиц в трёх пространственных измерениях, то из того, что x( t) является решением уравнений d 2 x( t)/ dt 2= F( x( t)), следует, что x(− t) также является решением уравнений Ньютона d 2 x(− t)/ dt 2= F( x(− t)) Отметим, что x(− t) представляет движение частиц, которые проходят через те же самые положения, что и в случае x( t), но в обратном порядке и с противоположными скоростями.
В более общем смысле набор физических законов обеспечивает нас алгоритмом эволюции из начального состояния физической системы в момент времени t 0к состоянию в некоторый другой момент времени t+ t 0. Конкретно, этот алгоритм может быть рассмотрен как отображение U( t), которое действует на начальное состояние S( t 0) и приводит к состоянию S( t+ t 0), т. е. S( t+ t 0) = U( t) S( t 0). Мы говорим, что законы, приводящие к U( t), являются симметричными во времени, если имеется отображение T, удовлетворяющее соотношению U(− t) = T −1 U( t) T. На обычном языке это уравнение говорит, что при помощи подходящих манипуляций над состоянием физической системы в один момент времени (достигаемых с помощью T) эволюция на время tвперёд во времени в соответствии с законами теории (выражаемыми через U( t)) становится эквивалентной эволюции системы на tединиц времени назад (обозначаемой U(− t)). Например, если мы определи состояние системы частиц в один момент времени через их положения и скорости, тогда Tбудет оставлять все положения частиц фиксированными и менять на противоположные все скорости. Эволюция такой конфигурации частиц вперёд во времени на промежуток tэквивалентна эволюции оригинальной конфигурации частиц назад во времени на промежуток t. (Действие T −1отменяет обращение скоростей так, что в конце не только положения частиц совпадают с теми, которые они имели tединиц времени назад, но то же будет и с их скоростями.)
Для некоторых законов оператор Tболее сложен, чем в случае ньютоновской механики. Например, если мы изучаем движение заряженных частиц в присутствии электромагнитного поля, одно только обращение скоростей частиц не приведёт к движению, в котором частицы проходят те же шаги в обратном порядке. Должно быть обращено также и направление магнитного поля. (Это требуется, чтобы член υ× Bв уравнении для силы Лоренца остался неизменным.) Таким образом, в этом случае операция Tвыполняет оба эти преобразования. Тот факт, что мы проделываем больше, чем просто обращаем все скорости частиц, никак не влияет на обсуждение, которое следует дальше в тексте. Всё, что имеет значение, это то, что движение частицы в одном направлении точно так же согласуется с законами физики, как и движение частицы в обратном направлении. То, что мы обращаем любые магнитные поля, которым случилось присутствовать, чтобы полностью обратить движение частиц, не имеет особого значения.
Ситуация становится более тонкой в случае слабых ядерных взаимодействий. Слабые взаимодействия описываются частным случаем квантовой теории поля (которая коротко обсуждается в главе 9), и общая теорема показывает, что квантовые теории поля (при условии, что они локальны, унитарны и Лоренц-инвариантны, – такие и представляют интерес) всегда симметричны относительно объединенияопераций сопряжения заряда C(которые заменяют частицы на их античастицы), чётности P(которые отражают координаты относительно начала) и чистой операции обращения времени T(которая заменяет tна − t). Так что мы можем определить оператор Tкак CPT, но если T-инвариантность безусловно требует введения операции CP, тогда Tбольше не может быть интерпретирован просто как прохождение частицами их движения в обратном направлении (поскольку, например, сам тип частицы будет изменён таким T– частицы будут заменены их античастицами, – а потому обратного движения оригинальных частиц уже не может быть). Оказалось, что имеются некоторые экзотические экспериментальные ситуации, в которых реализуется именно этот случай. Есть определённые виды частиц (K-мезоны, B-мезоны), манера поведения которых CPT-инвариантна, но не инвариантна относительно чистой операции обращения времени T. Это было установлено косвенно в 1964 г. Джеймсом Кронином, Валом Фитчем и их сотрудниками (за что Кронин и Фитч получили в 1980 г. Нобелевскую премию), которые показали, что K-мезоны нарушают CP-симметрию (следовательно, они должны нарушать T-симметрию, чтобы не нарушать CPT-симметрию). Позднее нарушение T-симметрии было непосредственно установлено в эксперименте CPLEARв ЦЕРНе и в эксперименте KTEVв Фермилабе. Грубо говоря, эти эксперименты продемонстрировали, что если вам показали фильм с записью процессов, происходящих с этими мезонами, то вы будете в состоянии определить, прокручивается ли этот фильм в правильном направлении, или в обратном. Другими словами, эти особые частицы могут различать прошлое и будущее. Остаётся неясным, однако, имеет ли это какое-нибудь отношение к стреле времени, которую мы ощущаем в повседневном контексте. Как-никак, это экзотические частицы, которые могут быть рождены на короткие моменты в высокоэнергетических столкновениях, но они не являются частями привычных материальных объектов. Для многих физиков, включая меня, кажется маловероятным, что необратимость времени, проявляемая этими частицами, играет роль в разрешении загадки стрелы времени, так что мы не будем дальше обсуждать этот исключительный пример. Но правда заключается в том, что никто не знает этого с уверенностью.
Я иногда обнаруживаю нежелание согласиться с теоретическим утверждением, что кусочки яичной скорлупы могли бы на самом деле собраться в целое яйцо. Но симметрия законов физики по отношению к обращению времени, как более подробно рассматривалось в предыдущем примечании, означает, что это то, что могло бы случиться. На микроскопическом уровне разбивание яйца есть физический процесс, затрагивающий различные молекулы, из которых состоит скорлупа. Скорлупа трескается, поскольку удар, которому подверглось яйцо, заставляет разделяться группы молекул. Если бы эти движения молекул происходили в обратном направлении, молекулы объединились бы снова, собрав скорлупу в первоначальную форму.
Чтобы не отклоняться от обсуждения современного понимания этих идей, я пропустил одну очень интересную историю. Собственные раздумья Больцмана по поводу энтропии существенно уточнялись в течение 1870-х – 1880-х гг., когда очень полезными оказались взаимодействия и обмен информацией с такими физиками, как Джеймс Клерк Максвелл, лорд Кельвин, Джозеф Лошмидт, Джозайя Уиллард Гиббс, Анри Пуанкаре, С. X. Бербери и Эрнест Цермело. Фактически, Больцман сначала думал, что он сможет доказать, что для изолированной физической системы энтропия всегда и абсолютно не уменьшается, но не что просто очень маловероятно получить такое уменьшение энтропии. Но возражения, выдвинутые этими и другими физиками, постепенно привели Больцмана к статистическому и вероятностному подходу к этой теме, к тому, который используется и сегодня.
Я говорю об издании романа «Война и мир» в серии «Библиотека современной классики» (Modern Library Classics) в переводе на английский Констанции Гарнетт, содержащем 1386 страниц текста.
Для склонного к математике читателя следует заметить, что поскольку числа могут стать столь велики, то энтропия на самом деле определяется как логарифм числа возможных перестановок – но эта деталь не имеет отношения к рассматриваемой проблеме. Однако, с принципиальной точки зрения, это важно, поскольку очень удобно, что энтропия является так называемой аддитивной величиной. Это означает, что если вы объедините две системы вместе, энтропия их совокупности есть сумма их индивидуальных энтропий. Это остаётся правильным только для энтропии в форме логарифма, так как число перестановок в этом случае задаётся произведением индивидуального числа перестановок подсистем, так что логарифм числа перестановок является аддитивной величиной.
Поскольку мы можем, в принципе, предсказать, где приземлится каждая страница, вы можете подумать, что имеется дополнительный элемент, который определяет расположение страниц: как вы будете собирать страницы вместе в аккуратную пачку. Это не имеет отношения к обсуждаемой физике, но в случае, если вас это беспокоит, представьте, что вы договорились подбирать страницы одну за одной, начиная с той, которая к вам ближе всего, затем подберёте ближайшую за этой страницу и т. д. (И, например, для определения ближайшей страницы вы можете договориться измерять расстояние до ближайшего угла страницы.)
Надежда преуспеть в расчёте движения даже нескольких страниц с точностью, требуемой для предсказания их порядка (с учётом применения некоторого алгоритма складывания в пачку, как в предыдущем примечании), на самом деле экстремально оптимистична. В зависимости от гибкости и веса бумаги такой сравнительно «простой» расчёт может оказаться за пределами сегодняшних вычислительных возможностей.
Вас может смутить фундаментальное отличие в определениях понятия энтропии для расположения страниц и для коллективов молекул. Расположения страниц дискретны – вы можете пересчитать их одно за другим, так что, хотя полное число возможностей может быть большим, оно конечно. В противоположность этому, движение и положение даже отдельной молекулы непрерывно – вы не можете пересчитать их одно за другим, так что тут (по крайней мере, в соответствии с классической физикой) имеется бесконечное число возможностей. Как же можно провести точный счёт перестановок молекул? Короткий ответ состоит в том, что это хороший вопрос, но один из тех, на которые найдены полные ответы, – поэтому, если этого достаточно, чтобы успокоить вашу тревогу, свободно пропускайте следующий текст. Более длинный ответ требует немного математики, так что без определённых знаний его, наверное, будет трудно понять. Физики описывают классическую многочастичную систему, привлекая фазовое 6 N-мерное пространство (где Nесть число частиц), в котором каждая точка обозначает все положения и скорости всех частиц (для каждой частицы требуется три числа для положения и три для скорости, в итоге получаем 6 N-мерное фазовое пространство). Существенный момент состоит в том, что фазовое пространство может быть разбито на такие области, что все точки данной области соответствуют конфигурациям скоростей и координат молекул, которые дают одинаковые макроскопические свойства всей системы. Если конфигурация молекул изменилась от одной точки в данной области фазового пространства к другой точке той же области, макроскопические свойства системы не изменятся. Теперь, вместо того чтобы пересчитывать число точек в данной области, – самая прямая аналогия подсчёта числа различных перестановок страниц, но которая, несомненно, привела бы к бесконечному результату, – физики определяют энтропию в терминах объёма каждой области в фазовом пространстве. Больший объём означает больше точек, а потому большую энтропию. А объём области, даже области в многомерном пространстве, есть нечто, чему можно дать строгое математическое определение. (С математической точки зрения необходимо выбрать нечто, именуемое мерой, и для склонного к математике читателя я замечу, что мы обычно выбираем меру, которая однородна по всем микросостояниям, совместимым с данным макросостоянием, – т. е. каждая микроскопическая конфигурация, связанная с данным набором макроскопических свойств, предполагается равновероятной.)
В частности, мы знаем один путь, на котором это может произойти: если несколькими днями ранее молекулы CO 2были в бутылке, тогда мы знаем из нашего обсуждения выше, что если сейчас вы одновременно замените на противоположные скорости всех молекул CO 2, а также каждой молекулы или атома, которые любым образом взаимодействовали с молекулами CO 2, и подождёте те же несколько дней, молекулы соберутся назад в бутылку. Но это обращение скорости – не та вещь, которую можно исполнить на практике, однако это может произойти по их собственному согласию. Я должен заметить, что это было доказано математически: если вы ждёте достаточно долго, то молекулы CO 2по своей собственной воле обязательно снова соберутся в бутылку. Результат, доказанный в 1800-е гг. французским математиком Жозе Лиувиллем, можно использовать для доказательства того, что известно как теорема о возвращении Пуанкаре. Эта теорема показывает, что если вы достаточно долго ждёте, то система с конечной энергией и ограниченная конечным пространственным объёмом (вроде молекул CO 2в закрытом помещении) будет возвращаться в состояние, как угодно близкое к её начальному состоянию (в нашем случае все молекулы CO 2соберутся в бутылке колы). Загвоздка в том, как долго вам придётся ждать, чтобы это случилось. Для систем с любым, даже малым числом составляющих теорема показывает, что вы, как правило, будете ждать намного дольше возраста Вселенной, пока составляющие по своему собственному согласию перегруппируются в их начальную конфигурацию. Тем не менее, с принципиальной точки зрения, интересно отметить, что любая пространственно ограниченная физическая система при бесконечном терпении и долговечности будет возвращаться к своей начальной конфигурации.
Вы можете удивиться тогда, почему вода вообще превращается в лёд, ведь это приводит к тому, что молекулы H 2O становятся более упорядоченными, что означает переход к меньшей, а не большей, энтропии. Грубый ответ состоит в том, что когда жидкая вода превращается в твёрдый лёд, она отдаёт энергию в окружающую среду (в противоположность тому, что происходит, когда лёд тает, когда он забирает энергию из окружения), а это повышает энтропию окружающей среды. При достаточно низких температурах окружения, т. е. ниже 0°C, рост энтропии окружающей среды превосходит уменьшение энтропии воды, так что замерзание становится предпочтительным с точки зрения энтропии. Вот почему холодной зимой получается лёд. Аналогично, когда кубики льда формируются в морозильнике вашего холодильника, их энтропия уменьшается, но сам холодильник накачивает тепло в окружающую среду, и если принять это во внимание, получим, что общая энтропия возрастает. Более точный ответ для склонного к математике читателя заключается в том, что спонтанные явления такого вида управляются тем, что известно как свободная энергия. Интуитивно свободная энергия есть та часть энергии системы, которая может быть использована для совершения работы. Математически свободная энергия Fопределяется соотношением F= U− TS, где Uобозначает полную энергию, T– температуру, а S– энтропию. Система будет склонна к спонтанному изменению, если это приводит к уменьшению её свободной энергии. При низких температурах уменьшение U, связанное с превращением жидкой воды в твёрдый лёд, перевешивает уменьшение S(перевешивает возрастание − TS), поэтому переход будет происходить.
По поводу более раннего обсуждения того, как прямое применение энтропийных рассуждений может приводить к заключению, что память и исторические записи не являются достоверными оценками прошлого, см.: Weizsaeker C. F. von. in The Unity of Nature.New York: Farrar, Straus, and Giroux, 1980. P. 138–46 (первоначально опубликовано в Annalen der Physik. 1939. № 36). По поводу превосходной недавней дискуссии см.: Albert D. in Time and Chance.Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2000.
Фактически, поскольку законы физики не различают направления вперёд и назад во времени, объяснение полностью сформированных кубиков льда получасом раньше, в 10:00 вечера, будет точно в той же степени абсурдным (говоря на языке энтропии), как и предсказание, что на полчаса позже, в 11:00 вечера, маленькие кусочки льда вырастут в полностью сформированные кубики льда. Напротив, объяснение, что в 10:00 вечера была жидкая вода, из которой медленно формируются маленькие кусочки льда к 10:30 вечера, является ровно столь же осмысленным, как и предсказание, что в 11:00 вечера маленькие кусочки льда растают в жидкую воду, что является привычным и полностью ожидаемым. Это последнее объяснение с точки зрения наблюдения в 10:30 вечера является совершенно симметричным во времени и, более того, согласуется с последующими наблюдениями.
Особенно внимательный читатель может подумать, что фразой «специфическое прошлое» я внёс необъективность, поскольку тем самым ввёл временну́ю асимметрию. Выражаясь более точно, я имел в виду, что нужны специальные условия, преобладающие (по крайней мере) на одном из концов временного измерения. Как станет ясно, специальные условия означают граничное условие низкой энтропии, и я буду называть «прошлым» направление, в котором это условие выполняется.
Идея, что стрела времени требует низкоэнтропийного прошлого, имеет долгую историю, восходя к Больцману и другим; она обсуждалась в некоторых деталях в книге: Рейхенбах Г.Направление времени. М.: URSS, 2003. и отстаивалась особенно интересным количественным методом в книге: Пенроуз Р.Новый ум короля. М.: URSS, 2008. С. 293–297.
Вспомним, что наше обсуждение в этой главе не принимает во внимание квантовую механику. Как показал Стивен Хокинг в 1970-е гг., когда рассматриваются квантовые эффекты, чёрные дыры позволяют некоторому количеству радиации просачиваться наружу, но это не влияет на их статус самых высокоэнтропийных объектов в космосе.
Естественный вопрос заключается в том, откуда мы знаем, что не существуют некоторые будущие ограничения, которые также имеют влияние на энтропию. По правде говоря, мы этого не знаем, и некоторые физики даже предлагали эксперименты, чтобы обнаружить возможное влияние, которое такие будущие ограничения могли бы оказывать на вещи, которые мы можем наблюдать сегодня. Интересная статья, обсуждающая возможность будущих и прошлых ограничений на энтропию, – Gell-Mann М. and Hartle J. Time Symmetry and Asymmetry in Quantum Mechanics and Quantum Cosmology, in Physical Origins of Time Asymmetry. J. J. Halliwell, J. Perez-Mercader, W. H. Zurek, eds. Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1996, а также другие статьи в частях 4 и 5 этого сборника.
На протяжении этой главы мы говорили о стреле времени, ссылаясь на очевидный факт, что имеется асимметрия вдоль оси времени (оси времени любого наблюдателя) пространства-времени: гигантское разнообразие последовательностей событий выстраивается в одном порядке вдоль оси времени, но обратное упорядочение таких событий появляется редко, если вообще появляется. На протяжении многих лет физики и философы делили эти последовательности событий на подкатегории, для которых временна́я асимметрия может, в принципе, быть объяснена логически независимым образом. Например, тепло перетекает от горячих объектов к более холодным, но не от холодных объектов к горячим; электромагнитные волны испускаются наружу из источников вроде звёзд и электрических лампочек, но, кажется, никогда не собираются внутрь таких источников; Вселенная выглядит однородно расширяющейся, но не сжимающейся; и мы помним прошлое, но не будущее (это называется, соответственно, термодинамической, электромагнитной, космологической и психологической стрелой времени). Все эти явления асимметричны во времени, но они могут, в принципе, получать свою временну́ю асимметрию благодаря совершенно разным физическим принципам. Моя точка зрения, которую многие разделяют (но другие – нет), состоит в том, что, исключая, возможно, космологическую стрелу времени, эти явления временно́й асимметрии фундаментально не отличаются и, в конце концов, поддаются одинаковому объяснению – которое мы описываем в этой главе. Например, почему электромагнитное излучение распространяется в виде расходящихся волн, но не в виде сходящихся волн, хотя оба вида волн являются совершенно правильными решениями уравнений электромагнетизма Максвелла? Да потому, что наша Вселенная имеет низкоэнтропийные, когерентные, упорядоченные источники таких расходящихся волн – звёзды и электрические лампочки, например, – и существование этих упорядоченных источников является результатом ещё более упорядоченного окружения в отправной точке Вселенной, как обсуждается в тексте. Психологическая стрела времени труднее для понимания, поскольку тут очень многое связано с микропсихическими основами человеческого мышления, которые нам ещё предстоит понять. Но большой прогресс в понимании стрелы времени имеет место в её отношении к компьютерам – выполнение и завершение вычислений, запись результатов есть основная вычислительная последовательность, энтропийные свойства которой хорошо поняты (в работах Чарльза Беннета, Рольфа Ландауера и др.) и тесно связаны со вторым началом термодинамики. Таким образом, если человеческое мышление может быть связано с вычислительным процессом, то может быть применено и сходное термодинамическое объяснение. Отметим также, что асимметрия, связанная с тем фактом, что Вселенная расширяется, а не сжимается, связана со стрелой времени, которую мы исследовали, но логически отличается от неё. Если расширение Вселенной замедлится, остановится, а затем повернёт к сжатию, стрела времени всё ещё будет указывать в том же направлении. Физические процессы (разбивание яиц, старение людей и т. д.) всё ещё будут происходить в обычном направлении, даже если расширение Вселенной сменится сжатием.
Для склонного к математике читателя отметим, что, когда мы делаем такой вид вероятностного утверждения, мы предполагаем особую меру вероятности: такую, которая однородна относительно всех микросостояний, совместимых с тем, что мы видим прямо сейчас. Имеются, конечно, другие меры, которые можно было бы использовать. Например, Дэвид Альберт (Albert D. в Time and Chance) отстаивает использование вероятностной меры, которая однородна по всем микросостояниям, совместимым с тем, что мы видим сейчас, и с тем, что он называет гипотезой о прошлом, – с очевидным фактом, что Вселенная началась с низкоэнтропийного состояния. Используя эту меру, мы удаляем из рассмотрения все истории, кроме тех, которые совместимы с низкоэнтропийным прошлым, подтверждаемым нашей памятью, записями и космологическими теориями. При таком способе мышления вероятностной загадки по поводу Вселенной с низкой энтропией нет; Вселенная начала этот путь, по предположению, с вероятностью 1. Остаётся, правда, всё та же гигантская головоломка, почему она начала таким образом, хотя это и не озвучивается явно в вероятностном контексте.
Вы можете попытаться объяснить, что известная Вселенная имела сначала низкую энтропию просто потому, что она была намного меньше по размеру, чем сегодня, а потому – подобно книге с несколькими страницами – допускала намного меньше перестановок своих составляющих. Но для неё самой этот фокус не проходит. Даже маленькая Вселенная может иметь гигантскую энтропию. Например, одна из возможных (хотя маловероятных) судеб для нашей Вселенной заключается в том, что текущее расширение однажды остановится, повернётся, и Вселенная станет сжиматься, закончив в так называемом Большом сжатии. Расчёты показывают, что хотя размер Вселенной уменьшается во время фазы сжатия, энтропия будет продолжать расти, а, это означает, что малый размер не гарантирует малой энтропии. Однако в главе 11 мы увидим, что малый начальный размер Вселенной на самом деле играет важную роль в том наилучшем объяснении низкоэнтропийного начала, которое имеется на настоящий момент.
Хорошо известно, что уравнения классической физики не могут быть решены точно, если вы изучаете движение трёх или более взаимодействующих тел. Так что даже в классической физике любые реальные предсказания о движении большого набора частиц будут с неизбежностью приблизительными. Суть, однако, в том, что тут не имеется фундаментального предела, насколько точным может быть это приближение. Если бы мир управлялся классической физикой, тогда с помощью всё более мощных компьютеров и задания всё более точных начальных данных для положений и скоростей мы могли бы подобраться всё ближе к точному ответу.
В конце главы 4 отмечено, что результат Белла, Аспекта и других не исключает возможности, что частицы всегда имеют определённые положения и скорости, хотя мы никогда не можем определить такие свойства одновременно. Более того, версия квантовой механики Бома явно реализует такую возможность. Таким образом, хотя широко распространённое мнение, что электрон не имеет положения до измерения, является стандартной особенностью общепринятого подхода к квантовой механике, но, строго говоря, это слишком сильно для общего утверждения. Обратим внимание, однако, что в подходе Бома, как мы будем обсуждать далее в этой главе, частицы «сопровождаются» вероятностными волнами; т. е. теория Бома всегда привлекает частицы иволны, тогда как стандартный подход демонстрирует дополнительность, которая, грубо говоря, означает частицы иливолны. Таким образом, заключение, к которому мы приходим, – что квантово-механическое описание прошлого было бы совершенно неполным, если бы мы говорили исключительно о частицах, проходящих через единственную точку пространства в каждый определённый момент времени (что мы бы делали в классической физике), – тем не менее остаётся верным. В обычной квантовой механике мы обязаны включить все возможные другие положения, которые частица могла бы занимать в любой данный момент, тогда как в подходе Бома мы должны также включить «волну-пилот» – объект, который также распределён по всем возможным положениям. (Подготовленный читатель должен заметить, что волна-пилот есть просто волновая функция обычной квантовой механики, хотя её воплощение в теории Бома несколько отличается.) Чтобы избежать бесконечных оговорок, последующую дискуссию будем проводить с точки зрения обычной квантовой механики (более широко используемого подхода), оставив ссылки на подход Бома и другие подходы до последнего раздела главы.
Для математизированного, но на очень высоком педагогическом уровне, изложения теории интеграла по путям (суммирования по историям) см.: Фейнман Р., Хибс А.Квантовая механика и интегралы по траекториям. М.: Мир, 1968.
Вы можете попытаться привлечь дискуссию главы 3, в которой мы узнали, что при достижении скорости света время останавливается, чтобы доказать, что с точки зрения фотона все моменты времени есть один и тот же момент, так что фотон «знает», как установлен выключатель детектора, когда он проходит через светоделитель. Однако эти эксперименты могут быть проведены и с другими видами частиц, такими как электроны, которые двигаются медленнее света, а результаты останутся неизменными. Таким образом, это объяснение не касается сути физики явления.
Экспериментальная установка, а также реально подтверждённые экспериментальные результаты обсуждаются в статье: Kim Y., Yu R., Kulik S., Shih Y., Scully M. Phys. Rev. Lett.Vol. 84. № 1. P. 1–5.
Квантовая механика также может основываться на эквивалентном уравнении, представленном в другой форме Вернером Гейзенбергом в 1925 г. (это представление известно как матричная механика). Для склонного к математике читателя приведём уравнение Шрёдингера:
где Hобозначает гамильтониан, Ψ обозначает волновую функцию, а ħесть постоянная Планка.
Подготовленный читатель отметит, что я здесь пропустил одно тонкое место. А именно, нам бы пришлось взять комплексно сопряжённую волновую функцию частицы, чтобы она была решением обращённого во времени уравнения Шрёдингера. Это означает, что описанный в примечании 2 к главе 6 оператор T, действуя на волновую функцию Ψ( x, t), отображает её в Ψ*( x, − t). Это не влияет существенно на обсуждение в тексте.
Бом на самом деле заново открыл и дальше развил подход, который восходит к принцу Луи де Бройлю, так что этот подход иногда называют подходом де Бройля-Бома.
Для склонного к математике читателя заметим, что подход Бома локален в конфигурационномпространстве, но определённо нелокаленв реальном пространстве. Изменения волновой функции в одном месте в реальном пространстве немедленно оказывают влияние на частицы, расположенные в других, удалённых местах.
Для исключительно ясного обсуждения подхода Жирарди-Римини-Вебера и его применения к пониманию квантового запутывания см.: Bell J. S. Are There Quantum Jumps? in Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics.Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1993.
Некоторые физики рассматривают вопросы из этого списка как не относящиеся к делу и являющиеся побочным продуктом ранней путаницы в понимании квантовой механики. Волновая функция, утверждает эта точка зрения, является просто теоретическим средством, чтобы делать (вероятностные) предсказания, и не должна соответствовать никакой, кроме математической, реальности (точка зрения, которую иногда называют подходом «Заткнись и вычисляй», поскольку она поощряет использовать квантовую механику и волновые функции, чтобы делать предсказания, не задумываясь сильно о том, что на самом деле означают и делают волновые функции). Вариант этой точки зрения утверждает, что волновые функции никогда на самом деле не коллапсируют, но что взаимодействия с окружающей средой делают так, что кажется, что коллапсируют. (Мы коротко обсудим версию такого подхода.) Я симпатизирую этим идеям и, фактически, очень надеюсь, что рано или поздно мы будем обходиться без услуг понятия коллапса волновой функции. Но я не нахожу первый подход удовлетворительным, также я не готов отказаться от понимания, что происходит в мире, когда мы «не смотрим» на него, а второй подход – при том, что, на мой взгляд, это есть правильное направление, – требует дальнейшей математической разработки. Суть в том, что измерение вызывает нечто, что есть, или похоже на, или маскируется подколлапс волновой функции. Либо через лучшее понимание влияния окружения, либо через некоторые другие подходы, которые ещё должны быть предложены, но этот явный эффект требует рассмотрения, а не просто выбрасывания из головы.
Помимо очевидной экстравагантности, имеются и другие спорные проблемы, связанные с многомировой интерпретацией. Например, имеются технические проблемы в определении понятия вероятности в контексте, в котором имеется бесконечное число копий каждого из наблюдателей, чьи измерения, как предполагается, описываются этими вероятностями. Если данный наблюдатель на самом деле является одной из многих копий, в каком смысле мы можем сказать, что он имеет определённую вероятность измерить этот или тот результат? Кто на самом деле есть этот наблюдатель? Каждая копия наблюдателя будет измерять – с вероятностью 1 – любой результат, какой бы ни был получен для той копии вселенной, в которой он находится, так что полная вероятностная схема требует (и требовала, и продолжает требовать) осторожной проверки в рамках многомировой интерпретации. В качестве более технического замечания заметим, что в зависимости от того, как именно определяются «многие миры», может потребоваться выбор привилегированного базиса собственных состояний. Но как должен быть выбран этот собственный базис? Была масса дискуссий и написано много статей по этим вопросам, но на сегодняшний день нет универсально принимаемого решения. Подход, базирующийся на декогеренции, который тоже далее коротко обсуждается, частично проясняет эти проблемы и предлагает особый взгляд на проблему выбора собственного базиса.
Подход Бома или де Бройля-Бома никогда не привлекал большого внимания. Возможно, одна из причин этого, как обратил внимание Джон Белл в своей статье «The Impossible Pilot Wave» в сборнике «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics», что ни де Бройль, ни Бом не испытывали особенно нежных чувств к тому, что сами разработали. Но, как указал всё тот же Белл, подход де Бройля-Бома преодолевает значительную часть неопределённости и субъективности многих стандартных подходов. Даже если подход неверен, всё же полезно иметь в виду, что частица может иметь определённое положение и определённую скорость в каждый момент времени (за пределами возможности их измерить, даже в принципе) и всё же полностью подчиняться предсказаниям стандартной квантовой механики – неопределённости и всему такому. Другой аргумент против подхода Бома состоит в том, что нелокальность в этой схеме более «жёсткая», чем в стандартной квантовой механике. Это означает, что в подходе Бома с самого начала и как центральный элемент теории предполагается нелокальное взаимодействие (между волновой функцией и частицей), тогда как в стандартной квантовой механике нелокальность скрыта более глубоко и появляется только в нелокальных корреляциях между далеко разнесёнными измерениями. Но, как доказывали сторонники подхода Бома, если что-то скрыто, оно от этого не станет присутствовать меньше и, более того, так как стандартный подход имеет проблемы с квантовым измерением – тем самым местом, где нелокальность и проявляется, – однажды, когда проблема будет полностью решена, нелокальность вполне может оказаться и не столь скрытой. Другие доказывали, что имеются препятствия на пути разработки релятивистской версии подхода Бома, хотя прогресс на этом фронте также имеет место (см., например: Bell J. Beables for Quantum Field Theoryв упомянутом выше сборнике). Так что, определённо, стоит держать этот альтернативный подход в уме, хотя бы только как некое средство против поспешных заключений о том, что должно неизбежно следовать из квантовой механики. Для склонного к математике читателя прекрасное рассмотрение теории Бома и проблем квантового запутывания можно найти в книге: Maudlin T. Quantum Non-locality and Relativity.Molden, Mass.: Blackwell, 2002.
Для глубокого, хотя и несколько технического обсуждения стрелы времени в целом и роли декогеренции в частности, см.: Zeh H. D. The Physical Basis of the Direction of Time.Heidelberg: Springer, 2001 (см. также интересную, но уже немного устаревшую статью Дитера Цея: Zeh H. D. Quantum theory and time asymmetry.arXiv:quant-ph/0307013 – Прим. ред.).
Только для того чтобы дать вам ощущение, как быстро возникает декогеренция – как быстро влияние окружающей среды подавляет квантовую интерференцию и при этом сводит квантовые вероятности к привычным классическим, – приведём несколько примеров. Числа приблизительны, но смысл, который они передают, ясен. Волновая функция частички пыли, плавающей в вашей комнате и бомбардируемой дрожаниями молекул воздуха, станет декогерентной через примерно миллиардную от миллиардной от миллиардной от миллиардной (10 −36) доли секунды. Если частичка пыли содержится в совершенной вакуумной камере и взаимодействует только с солнечным светом, её волновая функция будет декогерировать чуть медленнее, требуя тысячную от миллиардной от миллиардной (10 −21) доли секунды. А если частичка пыли плавает в тёмных глубинах пустого пространства и взаимодействует только с реликтовыми микроволновыми фотонами Большого взрыва, её волновая функция станет декогерентной примерно за миллионную долю секунды. Эти числа экстремально малы, а это показывает, что декогеренция для чего-то даже столь крохотного, как частица пыли, происходит очень быстро. Для более крупных объектов декогеренция происходит ещё быстрее. Потому неудивительно, что хотя наша Вселенная и квантовая, мир вокруг нас выглядит так, как он выглядит (см., например: Joos E. Elements of Environmental Decoherence, in Decoherence: Theoretical, Experimental, and Conceptual Problems.Ph. Blanchard, D. Giulini, E. Joos, C. Kiefer, I.-O. Stamatescu, eds. Berlin: Springer, 2000).
Точнее, симметрия между законами в Коннектикуте и законами в Нью-Йорке использует кактрансляционную симметрию, так ивращательную симметрию. Когда вы выступаете в Нью-Йорке, вы не только изменили своё положение по сравнению с Коннектикутом, но и, скорее всего, вы осуществили ваше выступление в некотором ином направлении (например, запад вместо севера), чем во время подготовки.
Законы движения Ньютона обычно описываются как применимые для «инерциальных наблюдателей», но если внимательно посмотреть, как такие наблюдатели определяются, получается порочный круг: «инерциальные наблюдатели» – это те наблюдатели, для которых выполняются законы Ньютона. Хорошей областью для размышлений о том, что на самом деле происходит, является то, что законы Ньютона обращают наше внимание на широкий и особенно удобный класс наблюдателей: те, которые описывают движение полностью в соответствии с ньютоновской схемой. По определению, это и есть «инерциальные наблюдатели». На практике «инерциальные наблюдатели» – это те, на которых не действуют никакие силы, т. е. наблюдатели, которые не испытывают ускорения. Общая теория относительности Эйнштейна, напротив, применима ко всем наблюдателям, независимо от состояния их движения.
Если бы мы жили в эпоху, в течение которой всеизменения были бы остановлены, мы бы не ощущали течения времени (все функции тела и мозга должны были бы быть также заморожены). Но означало ли это, что пространственно-временно́й блок на рис. 5.1 закончился, или, напротив, он продолжался бы без изменений вдоль оси времени (т. е. закончилось ли время или всё ещё существует в некотором формальном, обобщённом смысле), – гипотетический вопрос, на который и ответить трудно и который в значительной степени не имеет отношения к чему-либо, что мы можем измерить или ощутить. Заметим, что эта гипотетическая ситуация отличается от состояния максимального беспорядка, в котором энтропия не может больше расти, но микроскопические изменения вроде движения молекул газа туда-сюда всё ещё имеют место.
Космическое микроволновое излучение было открыто в 1964 г. учёными из Лаборатории Белла Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном во время тестирования большой антенны, предназначенной для связи со спутниками. Фоновый шум, с которым столкнулись Пензиас и Вильсон, оказалось невозможным удалить (даже после того как они вычистили птичий помёт – «белый шум» – из внутренностей антенны), и благодаря ключевому прозрению Роберта Дике из Принстона и его студентов Петера Ролла и Дэвида Вилинсона, вместе с Джимом Пиблсом, в конце концов было понято, что антенна улавливала микроволновое излучение, которое произвёл Большой взрыв. (Важная работа в космологии, которая послужила основой для этого открытия, была выполнена раньше Георгием Гамовым, Ральфом Алфером и Робертом Германом). Как мы обсудим в последующих главах, фоновая радиация даёт нам подлинную картину Вселенной, когда ей было около 300 000 лет. В это время электрически заряженные частицы вроде электронов и протонов, сильно поглощавшие свет, объединились, сформировав электрически нейтральные атомы, которые, в общем, позволили свету путешествовать почти свободно. С тех самых пор этот древний свет – произведённый на ранних этапах жизни Вселенной – путешествовал беспрепятственно, и сегодня заполняет всё пространство микроволновыми фотонами.
Физическое явление, затронутое здесь, обсуждается в главе 11, и известно как красное смещение. Обычные атомы, такие как водород и кислород, испускают свет с длинами волн, которые хорошо известны из лабораторных экспериментов. Когда такие вещества входят в состав галактик, которые уносятся от нас прочь, длина волны испущенного ими света увеличивается, почти как увеличивается длина волны звука сирены полицейского автомобиля, который уносится прочь, приводя к понижению тона сирены. Поскольку красный свет – это свет с наибольшей длиной волны, который может быть виден невооружённым глазом, это растяжение света называется красным смещением. Величина красного смещения растёт с ростом скорости убегания, а потому, измеряя длины волн зарегистрированного света и сравнивая их с лабораторными результатами, можно определить скорость удалённого объекта. (На самом деле это один из видов красного смещения, он известен как эффект Допплера. Красное смещение может быть также вызвано гравитацией: длина волны фотонов увеличивается, когда они выкарабкиваются из гравитационного поля.)
Более точно, как отметит склонный к математике читатель, что частица массы m, находящаяся на поверхности шара радиуса Rс плотностью массы ρ, ощущает ускорение d 2 R/ dt 2, равное (4 π/3) R 3 Gρ/ R 2, так что (1/ R) d 2 R/ dt 2= (4 π/3) Gρ. Если мы формально отождествим Rс радиусом Вселенной, а ρс плотностью массы Вселенной, это будет уравнение Эйнштейна для эволюции размера Вселенной (в предположении отсутствия давления).
См.: Peebles P. J. Е. Principles of Physical Cosmology.Princeton: Princeton University Press, 1993. З. 81.
Надпись гласит: «Но кто на самом деле надувает этот мяч? Из-за чего Вселенная расширяется или раздувается? Эту работу делает Лямбда! Другой ответ не может быть дан». Лямбда обозначает нечто, известное как космологическая постоянная, – идея, с которой мы встретимся в главе 10.
Чтобы избежать путаницы, позвольте мне заметить, что недостатком модели с монеткой является то, что каждая монетка, по существу, идентична любой другой, тогда как это определённо не верно для галактик. Но дело в том, что на самых больших масштабах – порядка 100 млн световых лет – индивидуальные отличия между галактиками, как считается, усредняются, так что, когда мы анализируем гигантские объёмы пространства, общие свойства каждого такого объёма чрезвычайно похожи на свойства любого другого такого объёма.
Вы могли бы путешествовать прямо по внешнему краю чёрной дыры и оставаться там, включив двигатели, чтобы избежать падения в неё. Сильное гравитационное поле чёрной дыры проявляется как сильная деформация пространства-времени, что приводит к тому, что ваши часы будут идти намного медленнее, чем в более обычном положении в галактике (в относительно пустом пространстве). Снова продолжительность времени, измеренная по вашим часам, совершенно правильна. Но, как и при замедлении времени при высокой скорости, это полностью индивидуальная точка зрения. Когда мы анализируем свойства Вселенной как целого, куда удобнее иметь более широко применимое и согласованное понятие истёкшего времени, и это обеспечивается часами, которые двигаются вместе с космическим потоком расширения пространства и которые подвергаются действию намного более слабого, более усреднённого гравитационного поля.
Для анализа геометрической формы пространства математики и физики используют количественный подход к описанию кривизны, разработанный в девятнадцатом столетии, который сегодня является частью математической области знаний, известной как дифференциальная геометрия. Один неформальный способ понимания этого способа описания кривизны заключается в изучении треугольников, нарисованных на или в изучаемом пространстве. Если сумма углов треугольника равна 180°, что верно, когда он нарисован на плоской поверхности стола, мы говорим, что пространство плоское. Но если сумма углов больше или меньше 180°, что верно, когда треугольник нарисован на поверхности сферы (сумма углов больше 180°) или на поверхности седла (сумма углов меньше 180°), мы говорим, что поверхность кривая. Это показано на рис. 8.6.
Если бы вы склеили противоположные вертикальные края тора вместе (что разумно сделать, поскольку они отождествлены – когда вы проходите через один край, вы немедленно возникаете на другом), вы бы получили цилиндр. И затем, если бы вы сделали то же самое с верхним и нижним краями (которые теперь будут иметь форму окружностей), вы бы получили бублик. Таким образом, бублик есть другой способ представлять себе тор. Одно усложнение этого представления заключается в том, что бублик уже не выглядит плоским! Однако это действительно так. Используя понятие кривизны, данное в предыдущем примечании, вы найдёте, что все треугольники, нарисованные на поверхности бублика, имеют сумму углов 180°. То, что бублик выглядит кривым, является артефактом того, как мы вложили двумерную поверхность в наш трёхмерный мир. По этой причине в текущем контексте более удобно использовать явно плоские представления двух– и трёхмерных торов, как это обсуждается в тексте.
Отметим, что мы весьма вольно разграничили понятия формы поверхности и кривизны. Имеются три типа кривизны для полностью симметричного пространства: положительная, нулевая и отрицательная. Но две поверхности могут иметь одинаковую кривизну и всё же не быть идентичными по форме; простейшим примером является плоский видеоэкран и плоская бесконечная поверхность стола. Таким образом, симметрия позволяет нам свести кривизну пространства к трём возможностям, но имеются в некотором смысле больше чем три формы пространства (отличающиеся тем, что математики называют глобальными свойствами), которые реализуют эти три кривизны.
До настоящего момента мы концентрировались исключительно на кривизне трёхмерного пространства – кривизне пространственных сечений в блоке пространства-времени. Однако, хотя это трудно нарисовать, во всех трёх случаях пространственной кривизны (положительной, нулевой, отрицательной) искривлено всё четырёхмерное пространство-время, причём со степенью кривизны тем большей, чем ближе мы подходим к Большому взрыву. Фактически, вблизи момента Большого взрыва четырёхмерная кривизна пространства-времени возрастает настолько, что уравнения Эйнштейна отказывают. Мы обсудим это далее в последующих главах.
Если вы повысите температуру много больше, то получите четвёртое состояние материи, известное как плазма, в котором атомы разрушаются на составляющие частицы.
Имеются любопытные вещества, такие как соли Рошелле, которые становятся менее симметричными при высоких температурах и более симметричными при низких температурах – противоположно тому, что мы, как правило, ожидаем.
Одно различие между полями сил и материи выражается принципом исключенияВольфганга Паули. Этот принцип показывает, что, в то время как огромное количество частиц – переносчиков сил (вроде фотонов) могут объединяться, чтобы создать поля, понятные доквантовому физику, такому как Максвелл, – такие поля, которые вы видите всякий раз, когда заходите в тёмную комнату и включаете свет, но частицам материи в общем случае законы квантовой физики запрещают такое кооперирование согласованным, организованным способом. (Более точно, две частицы одного и того же типа, такие как два электрона, не могут иметь одинаковое состояние, тогда как для фотонов такого ограничения нет. Из-за этого поля материи в общем случае не имеют макроскопического, классического проявления.)
В схеме квантовой теории поля каждая известная частица выглядит как возбуждение определённого фундаментального поля, связанного с семейством, членом которого является частица. Фотоны есть возбуждения фотонного поля – т. е. электромагнитного поля; u-кварк является возбуждением поля u-кварков; электрон есть возбуждение электронного поля и т. д. Таким образом, вся материя и все силы описываются единым квантово-механическим языком. Однако оказалось, что очень трудно описать на этом языке все квантовые свойства гравитации, эту проблему мы будем рассматривать в главе 12.
Хотя поле Хиггса названо в честь Петера Хиггса, но жизненно важную роль в его появлении в физике и в его теоретическом исследовании сыграло большое число других физиков, среди них – Томас Киббл, Филип Андерсон, Роберт Браут и Франсуа Энглер.
Имейте в виду, что величинаполя задаётся расстоянием от него до центра чаши, так что хотя поле имеет нулевую энергию, когда его величина находится в жёлобе чаши (поскольку высота над дном жёлоба обозначает энергию поля), его величина не равна нулю.
В принципе, имеются два понятия массы, которые фигурируют в физике. Одно понятие описано в тексте: масса есть свойство объекта, определяющее его способность сопротивляться ускорению. Иногда эту массу называют инертноймассой. Второе понятие массы имеет отношение к гравитации: масса, как такое свойство объекта, которое определяет, насколько сильно он будет притягиваться гравитационным полем заданной величины (таким как поле Земли). Иногда это понятие массы называется гравитационноймассой. На первый взгляд, поле Хиггса имеет отношение только к пониманию инертной массы. Однако принцип эквивалентности общей теории относительности утверждает, что силы, ощущаемые от ускоренного движения и от гравитационного поля, неразличимы – они эквивалентны. А это означает эквивалентность понятий инертной и гравитационной массы. Таким образом, поле Хиггса имеет отношение к обоим видам массы, которые мы упомянули, поскольку, согласно Эйнштейну, они представляют собой одно и то же.
Я благодарю Рафаэля Каспера, который указал, что это описание является вариацией победной метафоры профессора Дэвида Миллера, предъявленной в 1993 г. в ответ на требование Британского министра науки Вильяма Вальдегрейва Британскому физическому обществу объяснить, почему деньги налогоплательщиков должны быть использованы на поиски частицы Хиггса.
Склонный к математике читатель должен отметить, что фотоны, W-, и Z-бозоны описываются в электрослабой теории как принадлежащие к присоединённому представлению группы SU(2) × U(1), а потому преобразовываются под действием этой группы. Более того, уравнения электрослабой теории полностью симметричны относительно преобразований этой группы, и в этом смысле мы описываем частицы сил как взаимосвязанные. Более точно, в электрослабой теории фотон является определённой смесью калибровочного бозона, проявляющего явную U(1)-симметрию, и U(1)-подгруппы группы SU(2); таким образом, он тесно связан со слабыми калибровочными бозонами. Однако вследствие структуры группы, имеющей вид произведения двух групп, четыре бозона (на самом деле имеются два W-бозона с противоположными электрическими зарядами) не полностью смешиваются под её действием. В этом смысле слабое и электромагнитное взаимодействия являются частью единой математической структуры, но не настолько сильно унифицированы, как это могло бы быть. Если включить ещё и сильные взаимодействия, группа пополняется путём включения множителя SU(3) – «цветная группа» SU(3) – и тогда эта группа, имея три независимых сомножителя, SU(3) × SU(2) × U(1), только ещё раз подчёркивает отсутствие полного объединения. Такова часть мотивировки великого объединения, обсуждаемого в следующем разделе: великое объединение ищет единственную, полупростую группу Ли – группу, состоящую из единственного сомножителя, – которая описывает силы на больших масштабах энергии.
Склонный к математике читатель должен заметить, что великая теория объединения Джорджи и Глэшоу базировалась на группе SU(5), которая включала SU(3), группу, ассоциирующуюся с сильным ядерным взаимодействием, а также SU(2) × U(1), группу, ассоциирующуюся с электрослабым взаимодействием. В дальнейшем физики изучали следствия других потенциальных групп великого объединения, таких как SO(10) и E 6.
Как мы видели, сам Большой взрыв не произошёл в определённом месте предсуществующего пространства, вот почему мы также не спрашиваем, гдеон взорвался. Шутливое описание неполноценности Большого взрыва, которое мы использовали, принадлежит Алану Гуту; см., например, его книгу: Guth A. The Inflationary Universe.Reading, Eng.: Perseus Books, 1997. P. xiii.
Термин «Большой взрыв» иногда используется для обозначения события, которое само произошло в момент времени «нуль», приведя Вселенную к существованию. Но поскольку, как мы будем обсуждать в следующей главе, уравнения общей теории относительности в момент «нуль» не работают, никто не имеет никакого понятия, чем на самом деле было это событие. Этот пробел мы и имеем в виду, когда говорим, что теория Большого взрыва не включает в себя взрыв. В этой главе мы ограничимся ситуациями, в которых уравнения не отказывают. Инфляционная космология использует такие хорошо ведущие себя уравнения, чтобы описать быстрое взрывное раздувание пространства, которое мы естественно рассматриваем как взрыв, не описываемый самой теорией Большого взрыва. Однако этот подход определённо оставляет без ответа вопрос о том, что происходило в начальный момент создания Вселенной – если действительно был такой момент.
Pais A. Subtle Is the Lord.Oxford: Oxford University Press, 1982. P. 253 (рус. пер. Пайс А.Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989. С. 245).
Отметим для склонного к математике читателя: Эйнштейн заменил исходное уравнение
на
где Λ есть число, обозначающее величину космологической постоянной.
Когда я в этом контексте обращаюсь к массе объекта, я ссылаюсь на сумму полных масс его отдельных составляющих. Если, скажем, кубик состоит из 1000 атомов золота, мне надо бы говорить о 1000 масс одного такого атома. Это определение согласуется с точкой зрения Ньютона. Законы Ньютона говорят, что такой кубик будет иметь массу в 1000 раз больше массы отдельного атома золота и что он будет весить в 1000 раз больше, чем отдельный атом золота. В соответствии с Эйнштейном, однако, вес кубика зависит также от кинетической энергии атомов (так же как и всех других вкладов в энергию кубика). Это следует из соотношения E= mc 2: бо́льшая энергия ( E), безотносительно к её источнику, транслируется в бо́льшую массу ( m). Таким образом, эквивалентный способ выражения сути дела состоит в том, что, поскольку Ньютон не знал о формуле E= mc 2, его закон гравитации использовал определение массы, которое не учитывает различные вклады в энергию, такие как энергия, связанная с движением.
Данное обсуждение намекает на лежащую в основе физику, но не охватывает её полностью. Давление, оказываемое сжатой пружиной, на самом деле влияет на то, насколько сильно коробка притягивается к Земле. Но это происходит потому, что сжатая пружина влияет на полную энергию коробки, и, как обсуждалось в предыдущем абзаце, в соответствии с общей теорией относительности, полная энергия – это именно то, что имеет отношение к делу. Однако я здесь подчёркиваю, что само давление – не только благодаря вкладу, который оно вносит в полную энергию, – генерирует гравитацию, почти как это делают масса и энергия. В соответствии с общей теорией относительности давление гравитирует. Также заметим, что отталкивающая гравитация, на которую мы ссылаемся, является внутреннимгравитационным полем, ощущаемым внутри области пространства, заполненного чем-то, что имеет отрицательное, а не положительное, давление. В такой ситуации отрицательное давление будет давать вклад в отталкивающее гравитационное поле, действующее внутриобласти.
Математически космологическая постоянная представляется числом, обычно обозначаемым Λ (см. примечание {127} ). Эйнштейн обнаружил, что его уравнения являются вполне осмысленными независимо от того, выбрана ли Λ положительным или отрицательным числом. Обсуждение в тексте сосредоточено на особенно интересном для современной космологии (и современных наблюдений) случае, в котором Λ положительна, поскольку это приводит к появлению отрицательного давления и отталкивающей гравитации. Отрицательная величина Λ даёт обычную притягивающую гравитацию. Отметим ещё, что поскольку давление, оказываемое космологической постоянной, однородно, это давление непосредственно не создаёт какую-либо силу: только разности давлений, подобные тому, что чувствуют ваши уши, когда вы погружаетесь под воду, приводят к силам давления. В отличие от этого сила, оказываемая космологической постоянной, есть чисто гравитационная сила.
Обычные магниты всегда имеют как северный, так и южный полюса. Из теорий же великого объединения следует, что могут существовать частицы, которые подобны чистому северному или чистому южному магнитным полюсам. Такие частицы называются монополями и они могли бы иметь большое влияние на стандартную космологию Большого взрыва. Они никогда не наблюдались.
Гут и Тай обнаружили, что переохлаждённое поле Хиггса будет действовать как космологическая постоянная, открытие, которое было сделано ранее Мартинусом Вельтманом и другими. Фактически, Тай говорил мне, что если бы не ограничение по числу страниц в журнале Physical Review Letters, в который они с Гутом послали свою статью, они не выкинули бы заключительное предложение о том, что следствием их модели должен бы быть период экспоненциального расширения Вселенной. Но Тай также заметил, что осознание важности космологических последствий периода экспоненциального расширения (что будет обсуждаться позже в этой и следующей главе) и, следовательно, помещение инфляции в центр обсуждения космологов было достижением Гута.
Как иногда бывает в извилистой истории открытий, несколькими годами ранее советский физик Алексей Старобинский нашёл другой способ генерирования того, что мы сейчас называем инфляционным расширением, в работе, которая не была широко известна среди западных учёных. Однако Старобинский не подчеркнул, что период такого быстрого расширения мог бы решить ключевые космологические проблемы (такие как проблемы горизонта и плоскостности), что объясняет частично, почему его работа не вызвала такого восторженного отклика, который получил Гут. В 1981 г. японский физик Катсухико Сато также разработала версию инфляционной космологии, и даже ещё раньше (в 1978 г.) советские физики Геннадий Чибисов и Андрей Линде наткнулись на идею инфляции, но они обнаружили – когда разобрались в деталях, – что она сталкивается с принципиальными трудностями (обсуждающимися в примечании 11), и потому не стали публиковать свою работу.
Для склонного к математике читателя следует заметить, что нетрудно увидеть, как возникает ускоренное расширение. Одно из уравнений Эйнштейна есть
где a, ρи pесть масштабный фактор Вселенной (её «размер»), плотность энергии и давление соответственно. Заметим, что если правая сторона этого уравнения положительна, масштабный фактор будет расти с возрастающим темпом: скорость роста Вселенной будет увеличиваться со временем. Для поля Хиггса, застрявшего на плато, его давление оказывается равным плотности его энергии со знаком минус (то же самое справедливо для космологической постоянной), так что правая сторона и в самом деле положительна.
Физика, лежащая в основе этих квантовых скачков, есть принцип неопределённости, затронутый в главе 4. Я буду явно обсуждать применение квантовой неопределённости к полям в главах 11 и 12, но, забегая вперёд, коротко отмечу следующее. Величина поля в данной точке пространства и скорость изменения величины поля в этой точке играют для полей такую же роль, какую для частиц играет положение и скорость (импульс). Таким образом, точно так же, как мы никогда не можем знать сразу определённое положение и определённую скорость частицы, поле не может иметь определённую величину и определённую скорость изменения этой величины в любой данной точке пространства. Чем более точно определена величина поля в данный момент времени, тем более неопределённа скорость его изменения – это означает, что тем более вероятно, что величина поля изменится моментом позже. И такое изменение, индуцированное квантовой неопределённостью, это то, что я имею в виду, когда говорю о квантовых скачках величины поля.
Вклад Линде и Альбрехта со Стейнхардтом был безусловно критически важным, поскольку оригинальная модель Гута – сейчас называемая старой инфляцией– страдала фатальным пороком. Вспомним, что переохлаждённое поле Хиггса (или в терминологии, которую мы вскоре введём, поле инфлатона) имеет величину, которая удерживается на выпуклости его энергетической чаши однородново всём пространстве. Поэтому, когда я описывал, как быстро переохлаждённое поле инфлатона могло бы соскочить к значению, соответствующему наинизшей энергии, нам надо было бы спросить, произойдёт ли этот квантовый скачок везде в пространстве в одно и то же время. А ответ состоит в том, что нет, не произойдёт. Вместо этого, как объяснял Гут, релаксация поля инфлатона к нулевой величине энергии происходит через образование отдельных пузырьков: сначала инфлатон соскакивает к значению поля с нулевой величиной энергии в одной точке пространства, и от этой точки начинает расти пузырёк, стенки которого двигаются со скоростью света и в котором поле инфлатона спадает к нулевой величине энергии по мере продвижения стенки пузырька. Гут представил, что множество таких пузырьков со случайно расположенными центрами в конце концов сольются, что даст Вселенную с нулевой энергией поля инфлатона везде. Однако, как это понимал и сам Гут, проблема в том, что окружающее пузырьки пространство всё ещё заполнено полем инфлатона с ненулевой энергией, так что такие области по-прежнему будут подвержены быстрому инфляционному расширению, которое будет растаскивать пузырьки друг от друга. Поэтому нет гарантии, что растущие пузырьки найдут друг друга и сольются в однородное пространство. Более того, Гут утверждал, что когда поле инфлатона релаксирует к нулевой энергии, энергия поля не теряется, а переходит в обычные частицы материи и излучения, заполняющие Вселенную. Однако чтобы довести модель до соответствия с наблюдениями, это превращение должно было бы давать однородноераспределение материи и энергии во всём пространстве. В механизме, который предложил Гут, это превращение должно было бы происходить через столкновения стенок пузырьков, но расчёты, проведённые Гутом и Эриком Вайнбергом из Колумбийского университета, а также Стивеном Хокингом, Ианом Моссом и Джоном Стюардом из Кембриджского университета, показали, что итоговое распределение материи и энергии получается неоднородным. Таким образом, оригинальная инфляционная модель Гута привела к существенным проблемам в деталях.
Идеи Линде и Альбрехта со Стейнхардтом – теперь называемые новой инфляцией– решили эти досадные проблемы. Заменив форму чаши потенциальной энергии на ту, что показана на рис. 10.2, эти исследователи обнаружили, что инфлатон мог бы релаксировать к значению, соответствующему нулевой энергии, постепенно плавно «скатываясь» с энергетического холма в жёлоб, что не требует квантового скачка, как в оригинальном предложении. И, как показали их расчёты, это несколько более плавное скатывание позволяет инфляционному раздуванию пространства продолжаться достаточно долго, чтобы один отдельный пузырёк легко вырос до таких размеров, чтобы заключить в себе всю наблюдаемую Вселенную. Таким образом, в этом подходе не нужно беспокоиться о слиянии пузырьков. Также важно, что вместо превращения энергии поля инфлатона в обычные частицы и излучения при столкновениях пузырьков, в новом подходе инфлатон реализует это превращение энергии постепенно и однородно во всём пространстве, в процессе, напоминающем трение: по мере того как поле скатывается с энергетического холма – однородно в пространстве, – оно передаёт свою энергию путём «трения» о более привычные поля частиц и излучения (взаимодействуя с ними). Новая инфляция, таким образом, сохраняет все успехи подхода Гута, но оказывается способной решить существенные проблемы, с которыми тот столкнулся.
Примерно через год после большого прогресса, связанного с новой инфляцией, Андрей Линде совершил новый прорыв. Для того чтобы механизм новой инфляции работал, нужно, чтобы одновременно выполнялся ряд ключевых условий: чаша потенциальной энергии должна иметь правильную форму, величина поля инфлатона должна находиться изначально на выпуклости чаши (и, несколько более технический момент, сама величина поля инфлатона должна быть однородна в достаточно большой пространственной области). Хотя в принципе возможно, чтобы Вселенная как-то оказалась в таких условиях, Линде нашёл способ генерации инфляционного взрыва более простым и много более естественным способом. Линде показал, что даже для простой чаши потенциальной энергии, такой как на рис. 9.1 а, и даже без точной настройки начальной величины поля инфлатона инфляция всё же легко может иметь место. Идея такова. Представьте, что в очень ранней Вселенной всё было «хаотическим», – например, представьте, что имелось поле инфлатона, величина которого хаотически скакала от одного значения к другому. В некоторых местах в пространстве его величина могла быть малой, в других местах его величина была средней, а ещё в других местах в пространстве его величина могла быть высокой. В местах, где величина поля была малой или средней, ничего особенно достойного внимания не происходило. Но Линде понял, что нечто потрясающе интересное могло бы иметь место в областях, где полю инфлатона случилось достичь большой величины (даже если область была совсем ничтожной, всего 10 −33см в поперечнике). Когда величина поля инфлатона велика – когда поле находится высоко в энергетической чаше на рис. 9.1 а, – начинает работать некая разновидность космического трения: поле пытается скатиться к более низкой потенциальной энергии, но его большая величина вызывает тормозящую силу трения, так что поле скатывается очень медленно. Таким образом, величина поля инфлатона должна была оставаться примерно постоянной и (примерно как инфлатон на вершине холма потенциальной энергии в новой инфляции) поле должно было давать примерно постоянный вклад в энергию и в отрицательное давление. И, как мы уже знаем, это те условия, которые требуются, чтобы вызвать взрыв инфляционного расширения. Таким образом, не используя специальную форму энергетической чаши и не требуя специальной конфигурации для поля инфлатона, хаотическая среда ранней Вселенной могла бы естественным образом вызвать инфляционное расширение. Неудивительно, что Линде назвал этот подход хаотической инфляцией. Многие физики рассматривают его как наиболее убедительную реализацию инфляционной парадигмы.
Те, кто близко знаком с историей предмета, поймут, что возбуждение по поводу открытия Гута было вызвано тем, что оно давало возможность решить ключевые космологические проблемы, такие как проблемы горизонта и плоскостности, которые мы коротко рассматриваем.
Вы можете поинтересоваться, может ли электрослабое поле Хиггса, или поле Хиггса великого объединения, выполнять двойную работу – играть роль, которую мы описали в главе 9, а также одновременно управлять инфляционным расширением в более ранние времена, до формирования Хиггсова океана. Модели такого типа предлагались, но они обычно страдают от технических проблем. Наиболее убедительные реализации инфляционного расширения привлекают новое поле Хиггса, которое играет роль инфлатона.
См. примечание {134} .
Например, вы можете представлять наш горизонт как гигантскую воображаемую сферу с нами в центре, которая отделяет то, с чем мы могли бы связаться (вещи внутри сферы), от того, с чем мы не смогли бы связаться (вещи вне сферы) за время, прошедшее с Большого взрыва. Сегодня радиус нашей «сферы горизонта» составляет около 14 млрд световых лет; на ранних этапах истории Вселенной радиус сферы был намного меньше, поскольку свет имел меньше времени на распространение. См. также примечание {223} .
Поскольку в этом суть того, как инфляционная космология решает проблему горизонта, чтобы избежать путаницы, позвольте мне выделить ключевой элемент решения. Допустим, однажды ночью вы с вашим другом вышли в поле и стали обмениваться световыми сигналами, включая и выключая электрические фонарики, тогда если вы развернётесь и разбежитесь друг от друга (не имеет значения, с какой скоростью вы это сделаете) – вы всегдабудете в состоянии потом обменяться световыми сигналами. Почему? Потому что, чтобы избежать получения света, которым ваш друг светит вслед вам, или чтобы ваш друг мог избежать получения света, который вы посылаете вслед ему, вам надо убегать друг от друга быстрее скорости света, а это невозможно. Тогда как же области пространства, которые были в состоянии обмениваться световыми сигналами в ранней истории Вселенной (а потому, например, могли выровнять свои температуры), теперь оказываются за пределами коммуникативной области друг друга? Как ясно из примера с фонариками, они обязаны были уноситься друг от друга прочь быстрее скорости света. И в самом деле, колоссальное расталкивание отрицательной гравитации во время инфляционной фазы действительнозаставило каждую область пространства уноситься прочь от любой другой намного быстрее скорости света. Ещё раз, это не входит в противоречие со специальной теорией относительности, поскольку предел скорости, установленный светом, относится к движению через пространство, а не к движению от раздувания самого пространства. Так что новое и важное свойство инфляционной космологии состоит в том, что она предполагает существование короткого периода, в течение которого имеется сверхсветовое расширение пространства.
Заметим, что численная величина критической плотности уменьшается, по мере того как Вселенная расширяется. Но суть в том, что если реальная плотность материи/энергии Вселенной равна критической плотности в один момент времени, она будет уменьшаться в точности тем же образом, и равенство критической плотности сохранится на все времена.
Склонный к математике читатель должен заметить, что во время инфляционной фазы размер нашего космического горизонта оставался фиксированным, в то время как пространство чудовищно раздулось (как можно легко увидеть, выбрав экспоненциальную форму масштабного фактора в примечании {223} ). Именно в этом смысле наша наблюдаемая Вселенная в инфляционной схеме является мельчайшим лоскутком гигантского космоса.
Preston R. First Light.New York: Random House Trade Paperbacks, 1996. P. 118.
Превосходный обзор о тёмной материи на общем уровне см. в книге: Krauss L. Quintessence: The Mystery of Missing Mass in the Universe.New York: Basic Books, 2000.
Подготовленный читатель заметит, что я не выделяю разные проблемы, связанные с тёмной материей, которые появляются на разных масштабах наблюдения (галактический, космический), поскольку мой интерес здесь связан только с вкладом тёмной материи в плотность космической массы.
На самом деле имеются некоторые разногласия в отношении того, в этом ли состоит механизм, стоящий за всеми вспышками сверхновых типа Ia (я благодарю Д. Спергеля, обратившего моё внимание на это), но однородность этих событий – которая и нужна нам для обсуждения – имеет прочные наблюдательные основания.
Интересно заметить, что намного раньше результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Кейс Вестерн (г. Кливленд), Майкла Тернера из университета Чикаго и Гари Стейгмана из Огайо указали, что Вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. Тогда большинство физиков не приняли это предположение слишком серьёзно, но теперь, с данными по сверхновым, отношение к нему существенно изменилось. Также заметим, что ранее в этой главе мы говорили, что расталкивание от космологической постоянной может описываться полем Хиггса, которое, подобно лягушке на выпуклости, захвачено выше своей конфигурации с минимальной энергией. Так что в то время как космологическая постоянная хорошо описывает результаты наблюдений, более точное утверждение состоит в том, что исследователи сверхновых пришли к выводу, что пространство должно быть заполнено чем-то подобнымкосмологической постоянной, что генерирует гравитационное расталкивание. (Имеются сценарии, в которых поле Хиггса могло бы генерировать расталкивание, действующее в течение длительного времени, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в главе 14, когда рассмотрим вопрос, действительно ли наблюдательные данные непременно требуют наличия космологической постоянной или всем требованиям могут отвечать некоторые другие идеи, приводящие к сходным явлениям в гравитации). Исследователи часто используют термин «тёмная энергия» в широком смысле для обозначения ингредиента Вселенной, который невидим для глаза, но заставляет любую область пространства отталкиваться от любой другой, вместо того чтобы притягиваться.
Тёмная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что результаты наблюдений могут быть объяснены, если сила гравитации отклоняется от обычной величины, предсказываемой ньютоновской или эйнштейновской физикой, когда расстояния становятся экстремально большими – космологических масштабов. Другие ещё не верят, что результаты наблюдений действительно показывают космологическое ускорение, и ожидают, что измерения будут проведены с помощью более точных инструментов. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно если будущие наблюдения дадут результаты, которые создадут проблемы для существующих объяснений. Но пока имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в основном тексте, – самые убедительные.
Среди лидеров в описании того, как квантовые флуктуации могли бы приводить к неоднородностям, в ранние 1980-е гг. были Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Co-Юнг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов.
Даже после всего изложенного в основном тексте вы всё ещё можете быть озадачены, как крохотное количество материи/энергии в кусочке инфлатона могло дать гигантское количество материи/энергии, составляющее наблюдаемую Вселенную. Как вы можете получить больше материи/энергии, чем то, с чего вы начали? Как объяснялось в основном тексте, поле инфлатона в силу своего отрицательного давления «добывало» энергию из гравитации. Это означает, что по мере того как энергия в поле инфлатона возрастала, энергия в гравитационном поле уменьшалась. Специальное свойство гравитационного поля, известное со времён Ньютона, состоит в том, что его энергия может становиться сколь угодно отрицательной. Таким образом, гравитация подобна банку, который готов дать взаймы неограниченное количество денег, – гравитация заключает в себе, по существу, безлимитный ресурс энергии, которую извлекает поле инфлатона во время расширения пространства.
Точные значения массы и размера начального кусочка однородного поля инфлатона зависят от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от подробностей формы чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представлял, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 10 82г/см 3, так что объём (10 −26см) 3= 10 −78см 3должен был иметь полную массу около 10 кг. Эти величины типичны для вполне обычного класса инфляционных моделей, но предназначены только чтобы дать вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в моделях хаотической инфляции Андрея Линде (см. примечание {134} ) наша наблюдаемая Вселенная могла бы появиться из начального кусочка даже меньшего размера, всего 10 −33см в поперечнике (так называемая планковская длина), с более высокой плотностью энергии, около 10 94г/см 3, что даёт полную массу около 10 −5г (так называемая планковская масса). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно как частичка пыли.
См.: Davies P. Inflation and Time Asymmetry in the Universe, Nature. Vol. 301. P. 398; Page D. Inflation Does Not Explain Time Asymmetry, Nature. Vol. 304. P. 39; и Davies P. Inflation in the Universe and Time Asymmetry, Nature. Vol. 312. P. 524.
Чтобы объяснить этот существенный момент, удобно разделить энтропию на часть, связанную с пространством-временем и гравитацией, и оставшуюся часть, связанную со всем остальным, поскольку это на интуитивном уровне отражает ключевые идеи. Однако я должен заметить, что попытка дать математически строгую трактовку, в которой гравитационный вклад в энтропию аккуратно идентифицирован, выделен и учтён, является иллюзорной. Тем не менее это не умаляет качественные заключения, которых мы достигли. На самом деле вся дискуссия может быть перефразирована почти совершенно без ссылки на гравитационную энтропию. Как мы подчёркивали в главе 6, когда существенна обычная притягивающая гравитация, материя собирается в сгущения. В этом процессе материя преобразует гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая затем частично преобразуется в излучение, уходящее из сгустка. Это представляет собой последовательность событий с возрастанием энтропии (большие средние скорости частиц увеличивают соответствующий объём фазового пространства; производство излучения во взаимодействиях увеличивает общее число частиц – то и другое повышает общую энтропию). Таким образом, то, на что в тексте мы ссылались как на гравитационную энтропию, может быть перефразировано как энтропия материи, генерируемая гравитационными силами. Когда мы говорим, что гравитационная энтропия мала, мы имеем в виду, что гравитационные силы имеют потенциал, чтобы сгенерировать значительные количества энтропии благодаря скучиванию материи. Реализуя такой энтропийный потенциал, сгустки материи создают неоднородное, негомогенное гравитационное поле – деформации и рябь в пространстве-времени, – которое в тексте я описывал как имеющее более высокую энтропию. Но, как ясно из этого обсуждения, на самом деле оно (это поле) может мыслиться как скученная материя плюс произведённое в процессе скучивания излучение, имеющие вместе более высокую энтропию, чем когда материя однородно рассеяна (и поле однородно). Это хорошо, поскольку эксперт заметит, что если мы рассматриваем классический гравитационный фон (классическое пространство-время) как когерентное состояние гравитонов, это существенно единственное (квантовое) состояние, а потому оно имеет низкую энтропию. Определение энтропии возможно только при подходящем усреднении – переходе к классическому пределу. Однако подчеркнём, что это не особенно необходимо. С другой стороны, если сгусток материи достаточен, чтобы создать чёрную дыру, тогда энтропия действительно становится атрибутом самой гравитации: площадь горизонта событий чёрной дыры (как объясняется далее в главе 16) является мерой энтропии чёрной дыры. И эта энтропия может быть однозначно названа гравитационной энтропией.
Точно так же, как возможны и разбивание яйца, и собирание заново кусочков скорлупы разбитого яйца в первоначальное яйцо, для квантово-индуцированных флуктуаций возможны и вырастание до бо́льших неоднородностей (как мы описывали), и (для достаточно коррелированных неоднородностей) работа в тандеме, подавляющая такой рост. Таким образом, инфляционный вклад в генерацию стрелы времени также требует достаточно некоррелированных начальных квантовых флуктуаций. Ещё раз, если мы думаем в духе Больцмана, среди всех флуктуаций, дающих подходящие условия для инфляции, рано или поздно найдётся такая, которая удовлетворяет всем этим условиям, позволяя Вселенной начаться.
Некоторые физики утверждают, что дела обстоят лучше, чем описано. Например, Андрей Линде доказывает, что при хаотической инфляции (см. примечание {134} ) наблюдаемая Вселенная рождается из кусочка планковского размера, содержащего однородное поле инфлатона с плотностью энергии планковского масштаба. При определённых предположениях Линде далее показывает, что энтропия однородногополя инфлатона в таком крошечном кусочке примерно равна энтропии любой другой конфигурации поля инфлатона, а потому условия, необходимые для достижения инфляции, не были какими-то особенными. Энтропия этого кусочка планковского размера была мала, но сопоставима с возможной энтропией, которую кусочек планковского размера мог быиметь. Последующий инфляционный взрыв затем в один миг создал гигантскую Вселенную с намного более высокой энтропией – но с такой, которая, благодаря гладкости и однородности распределения материи, была также чудовищно далека от энтропии, которую она могла бы иметь. Стрела времени задаёт направление, в котором этот разрыв в величине энтропии будет уменьшаться.
Хотя я неравнодушен к этому оптимистичному взгляду, но до тех пор, пока мы не достигнем лучшего понимания физических основ, благодаря которым возникает инфляция, следует проявлять осторожность. Отметим, что этот подход использует неподтверждённые предположения о высокоэнергетических (транспланковских) модах поля инфлатона – модах, которые могут влиять на начало инфляции и играть ключевую роль в формировании структуры Вселенной.
Косвенные доказательства, которые я имею в виду, основываются на факте, что силы всех трёх негравитационных взаимодействий зависят от энергии и температуры окружающей среды, в которой работают эти взаимодействия. При низких энергиях и температурах, таких как в нашем повседневном окружении, силы всех трёх взаимодействий различаются. Но имеются косвенные теоретические и экспериментальные указания на то, что при очень высоких температурах, которые имели место в самые ранние моменты Вселенной, величины всех трёх сил сходятся, указывая, хотя и косвенно, что сами все три силы могут быть объединены на фундаментальном уровне и выглядят различными только при низких энергиях и температурах. Для более детального обсуждения см., например, «Элегантную Вселенную», главу 7.
Склонный к математике читатель должен отметить, что из принципа неопределённости следует, что флуктуации энергии обратно пропорциональны временно́му разрешению наших измерений, так что чем точнее разрешение во времени, с которым мы исследуем энергию поля, тем сильнее будут флуктуации поля.
В этом эксперименте Ламоро измерил силу Казимира на модифицированной установке, использующей притяжение между сферической линзой и кварцевой пластинкой. Позднее Джианни Каруньо, Роберто Онофрио и их сотрудники в университете Падуи поставили более сложный эксперимент, использующий исходную идею Казимира с двумя параллельными пластинами. (Сохранение пластин совершенно параллельными действительно является сложной экспериментальной проблемой.) Пока они смогли подтвердить предсказания Казимира с точностью 15%.
Ретроспективно эти достижения также показывают, что если бы Эйнштейн не ввёл космологическую постоянную в 1917 г., квантовым физикам пришлось бы ввести собственную версию её несколькими десятилетиями позже. Как вы вспомните, космологическая постоянная является энергией, которая, как представлял Эйнштейн, заполняет всё пространство, но что является её источником, он – и современные сторонники космологической постоянной – оставил не определённым. Теперь мы понимаем, что квантовая физика заполняет пустое пространство флуктуирующими полями, и, как мы непосредственно видим благодаря открытию Казимира, результирующий микроскопический хаос полей наполняет пространство энергией. Фактически, крупнейший вызов, брошенный теоретической физике, состоит в том, чтобы показать, что совокупный вклад всех флуктуаций полей даёт полную энергию пустого пространства – полную космологическую постоянную, – которая укладывается в пределы, даваемые наблюдениями за сверхновыми, как обсуждалось в главе 10. До сегодняшнего дня никто не смог этого сделать; проведение точного анализа находится за пределами досягаемости современных теоретических методов, а приближённые вычисления дают ответы, чудовищнопревосходящие то, что дают наблюдения, определённо указывая на то, что эти приближения никуда не годятся. Многие рассматривают объяснение величины космологической постоянной (равна ли она нулю, как ещё думают, или мала и отлична от нуля, как следует из инфляции и из данных по сверхновым) как одну из самых важных открытых проблем в теоретической физике.
В этом разделе я описываю один способ ви́дения конфликта между общей теорией относительности и квантовой механикой. Но в связи с темой поиска правильной природы пространства и времени я должен заметить, что при попытках объединения общей теории относительности и квантовой механики возникают и другие несколько менее понятные, но потенциально важные загадки. Одна из особенно трудных загадок возникает, когда процедура трансформации классической негравитационной теории (вроде электродинамики Максвелла) в квантовую теорию прямолинейно применяется к классической общей теории относительности (как показал Брюс ДеВитт, эта загадка относится к так называемому уравнению Уилера-ДеВитта). В центральном уравнении, которое при этом возникает, получается, что отсутствует переменная времени. Так что вместо того чтобы получить явную математическую реализацию концепции времени – как в случае любой другой фундаментальной теории, – в этом подходе квантования гравитации эволюция во времени должна отслеживаться некоторым физическим свойством Вселенной (таким как её плотность), которое, как мы ожидаем, должно изменяться регулярным образом. На данный момент никто не знает, работоспособна ли эта процедура квантования гравитации (хотя недавно в одном ответвлении этого формализма, именуемом петлевой квантовой гравитацией(см. главу 16), был достигнут большой прогресс), так что неясно, скрывает ли отсутствие явной переменной времени что-то более глубокое (время как производная, эмерджентная концепция?), или нет. В этой главе мы сосредоточимся на другом подходе к объединению общей теории относительности и квантовой механики, теории суперструн.
Отчасти неправильно говорить о «центре» чёрной дыры как о некотором месте в пространстве. Причина, грубо говоря, заключается в том, что когда кто-то пересекает горизонт событий чёрной дыры – её внешний край, – роли пространства и времени для него меняются местами. Фактически, точно так же, как вы не можете сопротивляться переходу от одной секунды к другой во времени, вы не можете сопротивляться затягиванию в «центр» чёрной дыры, если вы пересекли горизонт событий. Оказывается, что эта аналогия между направленностью вперёд во времени и устремлением к центру чёрной дыры строго обосновывается математическим описанием чёрных дыр. Таким образом, вместо того чтобы думать о центре чёрной дыры как о положении в пространстве, лучше думать о нём как о положении во времени. Более того, поскольку вы не можете уйти за центр чёрной дыры, вы могли бы попытаться думать о нём как о положении в пространстве-времени, где время приходит к концу. Это вполне может оказаться и правильным. Однако, поскольку стандартные уравнения общей теорией относительности не работают при таких экстремально малых размерах и гигантских плотностях массы, наша способность делать определённые утверждения такого типа компрометируется. Конечно, это означает, что если бы мы имели уравнения, которые работали бы в глубине чёрной дыры, мы смогли бы получить важные результаты о природе времени. Это одна из целей теории суперструн.
Как и в предыдущих главах, под «наблюдаемой Вселенной» я подразумеваю ту часть Вселенной, с которой мы могли бы, по крайней мере в принципе, иметь сообщение в течение времени с момента Большого взрыва. Во Вселенной, которая бесконечна в пространстве, как обсуждалось в главе 8, всё пространство несжато в точку в момент Взрыва. Определённо, когда мы всё более приближаемся к началу, наблюдаемая часть Вселенной всё более сжимается, но, хотя это трудно изобразить, имеются объекты – бесконечно далеко удалённые, – которые всегда будут оставаться отделёнными от нас, несмотря на то что плотность материи и энергии всё более возрастает.
Леонард Сасскинд в «Элегантной Вселенной», NOVA, трёхчасовые серии Государственной службы радиовещания (PBS), впервые вышли в эфир 28 октября и 4 ноября 2003 г.
На самом деле сложность проведения экспериментального тестирования для теории суперструн представляет собой ключевое препятствие, которое существенно затрудняет принятие теории. Однако, как мы увидим в следующих главах, в этом направлении был достигнут немалый прогресс; струнные теоретики очень надеются, что находящиеся на подходе ускорители и эксперименты с космическим базированием дадут по меньшей мере косвенные подтверждения в поддержку теории, а при удаче, может быть, даже больше.
Хотя я не касался этого в тексте явно, замечу, что каждая известная частица имеет античастицу– частицу с той же массой, но с противоположным силовым зарядом (вроде противоположного знака электрического заряда). Античастица электрона есть позитрон; античастица u-кварка есть анти– u-кварк и т. д.
Как мы увидим в главе 13, недавние работы по теории струн наводят на мысль, что струны могут быть намного больше планковской длины, и это даёт множество критических следствий, включая возможность экспериментальной проверки теории.
Существование атомов сначала доказывалось косвенными путями (как объяснение особых пропорций, в которых могут соединяться различные химические вещества, а позже через броуновское движение); существование первых чёрных дыр было подтверждено (к удовлетворению многих физиков) благодаря наблюдению их влияния на газ, который падает на них с расположенных рядом звёзд, а не через «наблюдение» их непосредственно.
Поскольку даже слабо колеблющаяся струна имеет некотороеколичество энергии, вы можете поинтересоваться, как это возможно для колебательной моды струны давать безмассовую частицу. Ответ снова связан с квантовой неопределённостью. Независимо от того, насколько спокойна струна, квантовая неопределённость означает, что она имеет некоторое минимальное количество дрожаний и ряби. И благодаря волшебству квантовой механики эти индуцированные неопределённостью колебания имеют отрицательнуюэнергию. Когда это объединяется с положительной энергией от самых слабых из обычных колебаний струны, полная материя/энергия оказывается равной нулю.
Как можно отметить для склонного к математике читателя, наиболее точное утверждение состоит в том, что квадратымасс колебательных мод струны являются целыми крайними квадрата планковской массы. Ещё более точно (и в соответствии с недавними разработками, затронутыми в главе 13), квадраты этих масс являются целыми крайними струнного масштаба(что пропорционально обратному квадрату длины струны). В общепринятой формулировке теории струн струнный масштаб и планковская масса связаны, почему я и допустил упрощение в главном тексте и ввёл только планковскую массу. Однако в главе 13 мы рассмотрим ситуации, в которых струнный масштаб может отличаться от планковской массы.
Не так уж трудно понять, в упрощённых терминах, как планковская длина вкралась в анализ Клейна. Общая теория относительности и квантовая механика используют три фундаментальные постоянные природы: c(скорость света), G(константа гравитационного взаимодействия) и ħ(постоянная Планка, описывающая величину квантовых эффектов). Эти три константы могут быть так объединены, чтобы получилась величина с размерностью длины: ( ħG/ c 3) 1/2, которая, по определению, является планковской длиной. После подстановки численных значений трёх констант находим для планковской длины примерно 1,616 × 10 −33см. Таким образом, если только в теории не получается безразмерный множитель, существенно отличающийся от единицы, – что не часто происходит в простой, хорошо сформулированной физической теории, – мы ожидаем, что планковская длина будет характерной величиной длины, такой как длина свёрнутого пространственного измерения. Тем не менее заметим, что это не исключает возможности, что размеры могут оказаться больше планковской длины, и в главе 13 мы познакомимся с недавней интересной работой, в которой исследуется эта возможность.
Включение в теорию заряженной частицы с относительно маленькой массой оказывается труднопреодолимой проблемой.
Заметим, что требование симметрии, заключающейся в однородности пространства, которое мы использовали в главе 8, чтобы сузить количество форм Вселенной, мотивируется астрономическими наблюдениями (такими как наблюдения микроволнового фонового излучения) трёх больших измерений. Эти условия симметрии не влияют на форму возможных шести микроскопических дополнительных измерений.
Вы можете поинтересоваться, возможны ли не только дополнительные пространственные измерения, но также и дополнительные временны́е измерения. Исследователи (такие как Ицхак Барс из университета Южной Калифорнии) рассмотрели эту возможность и показали, что по меньшей мере возможно сформулировать теорию со вторым временны́м измерением, которая кажется физически разумной. Но является ли это второе временно́е измерение реальным наряду с обычным временным измерением или это только математический трюк, до конца не было установлено; общее ощущение скорее в пользу второго, чем первого. Наоборот, наиболее прямое прочтение теории струн говорит, что дополнительные пространственные измерения являются во всех отношениях столь же реальными, как и три, которые мы знаем.
Для математически подкованного читателя: я говорю здесь о конформнойсимметрии – симметрии, обладающей свойством сохранения углов при преобразовании области пространства, занимаемой предполагаемым элементарным объектом. Струны заметают в своей эволюции двумерные мировые поверхности в пространстве-времени, а уравнения теории струн инвариантны относительно группы двумерных конформных преобразований, являющейся бесконечномернойгруппой. В пространствах другой размерности, связанных с объектами, которые сами по себе не являются одномерными, группа конформных преобразований является конечномерной.
Многие физики внесли значительный вклад в эти исследования, заложив их фундамент или обнаружив важные следствия: Майкл Дафф, Пол Хау, Такео Инами, Келли Стелле, Эрик Бергшофф, Эргин Сезгин, Пол Таунсенд, Крис Халл, Крис Поп, Джон Шварц, Ашок Сен, Эндрю Строминджер, Кертис Каллан, Джозеф Польчински, Петр Хорава, Джин Дай, Роберт Лей, Герман Николаи, Бернард деВитт и многие другие.
В действительности, как разъяснено в главе 12 «Элегантной Вселенной», есть даже более тесная связь между невыявленным десятым измерением и p-бранами. По мере увеличения размера десятого измерения, скажем, в формулировке типа IIA, одномерные струны превращаются в мембраноподобные двумерные трубки. В предположении малости десятого измерения (как всегда неявно подразумевалось до открытия M-теории) эти трубки выглядят и ведут себя как струны. Как и в случае со струнами, остаётся открытым вопрос, являются ли эти найденные браны неделимыми или они состоят из ещё более тонких элементов. Исследователи не исключают возможности, что объекты, до сих пор обнаруженные в теории струн / M-теории, не приведут к прекращению поисков элементарныхсоставляющих Вселенной. Но, возможно, и приведут. Поскольку многое из последующего не затрагивается этой проблемой, мы ради простоты предположим, что все объекты – струны и браны более высокой размерности – являются фундаментальными. Как тогда насчёт более ранних рассуждений, приводивших к выводу, что элементарные объекты более высокой размерности не могут быть включены в физически осмысленную конструкцию? Дело в том, что сами эти рассуждения основывались на другой приближённой схеме квантовой механики – стандартной и проверенной схеме, но имеющей свои ограничения, как и любое приближение. Хотя исследователям ещё предстоит постичь все тонкости, связанные с включением в квантовую теорию объектов высокой размерности, но эти объекты столь органично вплетаются во все пять формулировок теории струн, что почти все верят в то, что они не нарушают ни одного основополагающего и священного принципа физики.
В действительности мы могли бы жить на бране даже более высокой размерности (4-бране, 5-бране...), три измерения которой заполняют обычное пространство, а прочие измерения заполняют некоторые из миниатюрных дополнительных измерений, требующихся в теории.
Математически подкованный читатель должен заметить, что в течение многих лет было известно: замкнутые струны подчиняются принципу T-дуальности (как это разъяснено в главе 10 «Элегантной Вселенной» и о чём мы далее будем говорить в главе 16). Принцип T-дуальности состоит вот в чём: если дополнительное измерение имеет форму окружности, то теории струн совершенно всё равно, будет ли радиус окружности равен Rили 1/ R. Причина состоит в том, что струны могут двигаться как вдоль окружности («колебательные моды»), так и наматываться на неё («топологические моды»), а при замене Rна 1/ Rроли этих мод просто меняются, так что физические выводы теории остаются прежними. В этом рассуждении существенно, что струны являются замкнутыми петлями, поскольку если они незамкнуты, то отсутствует топологически стабильное понятие наматывания на циклическое измерение. Так что на первый взгляд кажется, что замкнутые и незамкнутые струны ведут себя совершенно по-разному при T-дуальности. Но при более внимательном рассмотрении, используя граничные условия Дирихле для открытых струн (этим объясняется буква «D» в названии «D-браны»), Польчински, Дай, Лей, так же как и Хорава, Грин и другие исследователи решили эту загадку.
Чтобы обойти введение тёмной материи или тёмной энергии, выдвигались и предположения, что закон гравитации даже на крупных масштабах может отличаться от ньютоновского или эйнштейновского, и таким путём можно было бы объяснить гравитационные эффекты, несовместимые только с видимой нами материей. Но пока что такие предположения носят чисто спекулятивный характер и не получили заметной поддержки, ни экспериментальной, ни теоретической.
Это предположение было высказано С. Гиддингсом и С. Томасом, а также С. Димополусом и Г. Ландсбергом.
Заметим, что фаза сжатия такой «отскакивающей» Вселенной – это не «расширение наоборот». Физические процессы, такие как разбивание яйца и таяние свечи, проходили бы в обычном «прямом» направлении в ходе фазы расширения и продолжали бы течь в том же направлении и в фазе сжатия. Вот почему энтропия возрастала бы в ходе обеих фаз.
Искушённый читатель отметит, что циклическая модель может быть изложена на языке четырёхмерной теории поля одной из 3-бран, и в этом виде она разделяет многие черты инфляционных моделей с более привычным скалярным полем. Говоря о «совершенно новом механизме», я имею в виду концептуальное описание в терминах сталкивающихся бран, что само по себе является совершенно новым подходом в космологии.
Не сбейтесь со счёта при подсчёте количества измерений. Две 3-браны вместе с разделяющим их измерением составляют четыре измерения. Время – пятое измерение. На пространство Калаби–Яу остаётся шесть измерений.
Важное исключение составляют неоднородности гравитационного поля, это так называемые реликтовые гравитационные волны; об этом будет упомянуто в конце этой главы и более подробно будет рассматриваться в следующей главе. Инфляционная космология и циклическая модель разнятся в этом отношении, причём эта разница допускает экспериментальную проверку.
Квантовая механика утверждает, что всегда существует ненулевая вероятность того, что случайная флуктуация нарушит циклический процесс (например, одна брана повернётся относительно другой), из-за чего модель перестанет быть верной. Даже если эта вероятность ничтожно мала, рано или поздно она наверняка реализуется, и, следовательно, циклы не могут бесконечно сменять друг друга.
Einstein A. Vierteljahrschrift für gerichtliche Medizin und öffentliches Sanitätswesen.1912. Vol. 44. № 37; Brill D., and Cohen J. Phys. Rev.1966. Vol. 143. № 4. P. 1011; Pfister H. and Braun K. Class. Quantum Grav.1985. № 2. P. 909.
За четыре десятилетия, прошедшие с момента исходного предложения Шиффа и Пью, проводились и другие эксперименты по выявлению эффекта увлечения. В этих экспериментах (проведённых, среди прочих, Бруно Бертотти, Игнацио Кьюфолини и Петером Бендером, а также И. И. Шапиро, Р. Д. Ризенбергом, Дж. Ф. Чандлером и Р. В. Бэбкоком) изучалось движение Луны и спутников вокруг Земли и были получены веские доказательства существования эффекта увлечения. Преимущество эксперимента со спутником «Gravity Probe В» состоит в том, что это первый полностью контролируемый эксперимент, и поэтому он должен дать самое точное и самое прямое доказательство существования эффекта увлечения.
Есть и другое ограничение такой визуализации открытия Эйнштейна – она не передаёт искажение времени. Это важно из-за того, что общая теория относительности показывает: для обычных объектов наподобие Солнца (в отличие от крайних случаев типа чёрных дыр) искажение времени гораздо больше выражено, чем искажение пространства. Искажения времени гораздо труднее передать графически, и не менее трудно представить, как искажение времени влияет на искривлённые пространственные траектории, такие как эллиптическая орбита Земли при вращении вокруг Солнца; вот почему на рис. 3.10 (и практически на каждой иллюстрации, которую мне приходилось видеть, пытающейся графически передать результаты общей теории относительности) принимается во внимание искривление только пространства. Но не следует забывать, что в большинстве астрофизических ситуаций доминирует искажение времени.
В 1974 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойную систему пульсаров – два пульсара (быстро вращающиеся нейтронные звёзды), обращающиеся друг вокруг друга. Поскольку пульсары движутся очень быстро и очень близко друг к другу, то общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что они испускают сильное гравитационное излучение. Хотя очень проблематично обнаружить это излучение непосредственно, общая теория относительности показывает, что излучение должно проявляться и косвенно: излучение энергии должно приводить к постепенному уменьшению периода орбитального движения пульсаров. Пульсары непрерывно наблюдались с момента их открытия, и было обнаружено, что их орбитальный период действительно уменьшился, и это уменьшение согласуется с предсказаниями общей теории относительности с точностью до одной тысячной. Таким образом, это служит веским свидетельством в пользу существования гравитационного излучения даже без его прямого обнаружения. За это открытие Халс и Тейлор удостоились Нобелевской премии по физике за 1993 г.
Однако см. примечание {187}
[Закрыть].
Поэтому с точки зрения энергетики космические лучи дают естественный ускоритель частиц, гораздо более мощный, чем любой из имеющихся у нас в настоящее время или который мы сможем построит в обозримом будущем. Недостаток этого естественного ускорителя состоит в том, что хотя частицы космических лучей обладают чрезвычайно высокими энергиями, но мы не можем управлять, что с чем сталкивать – когда дело доходит до столкновений космических частиц, мы оказываемся пассивными наблюдателями. Более того, доля космических частиц с заданной энергией быстро падает по мере повышения энергии частиц. Хотя около 10 млрд частиц космических лучей с энергией, эквивалентной массе протона (что составляет примерно одну тысячную от расчётной мощности Большого адронного коллайдера) ежесекундно падает на каждый квадратный километр поверхности Земли (и несколько из них ежесекундно проходят через ваше тело), но только однаиз самых энергетических частиц (с энергией порядка 100 млрд масс протона) попадает в заданный квадратный километр поверхности Земли за целое столетие. Наконец, в ускорителях можно сталкивать частицы, летящие в противоположных направлениях, что повышает энергию центра масс системы частиц. Частицы же космических лучей сталкиваются, напротив, с относительно медленно движущимися частицами атмосферы. Тем не менее эти недостатки не являются непреодолимыми. За несколько десятилетий учёные довольно много узнали из изучения данных по более обильным космическим лучам с более низкой энергией, а для борьбы с малочисленностью высокоэнергетических столкновений экспериментаторы построили гигантские массивы детекторов, чтобы поймать как можно больше частиц.
Подготовленный читатель заметит, что сохранение энергии в теории с динамическим пространством-временем является очень тонким вопросом. Конечно, тензор напряжений от всех источников для уравнений Эйнштейна ковариантно сохраняется. Но отсюда не обязательно следует глобальный закон сохранения энергии. И на то есть причина. Тензор напряжений не учитывает гравитационной энергии – это общеизвестная трудность общей теории относительности. На достаточно коротких расстояниях и за достаточно короткий промежуток времени (таких как в экспериментах с ускорителями) энергия сохраняется локально, но утверждения относительно глобального сохранения должны делаться с большей осторожностью.
Это верно для простейших инфляционных моделей. Исследователи обнаружили, что в более сложных реализациях инфляции рождение гравитационных волн может подавляться.
Перспективным кандидатом на роль тёмной материи должна быть стабильная или очень долго живущая частица, которая не распадается на другие частицы. Ожидается, что это верно для легчайших из суперсимметричных партнёров частиц, а потому корректнее будет сказать, что легчайшие зино, хиггсино и фотино являются подходящими кандидатами на роль тёмной материи.
Не так давно исследовательская группа, работающая над совместным итальяно-китайским проектом под названием DAMA (Dark Matter Experiment – эксперимент по обнаружению тёмной материи) в Лаборатории Гран Cacco в Италии, сделала захватывающее дух сообщение, что ими впервые обнаружена тёмная материя. Однако до сих пор ни одна другая группа не смогла проверить их утверждение. На самом деле, в рамках другого проекта под названием CDMS (Cryogenic Dark Matter Search – криогенный поиск тёмной материи), осуществляющегося в Стэнфорде с участием американских и российских учёных, уже накоплены данные, которые, как полагают многие, опровергнут результаты DAMA с высокой степенью достоверности. Помимо этих, запущено или готовится и множество других проектов, направленных на поиск тёмной материи. О некоторых из них можно прочесть на http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/dark_matter/other_searches.html.
В этом утверждении игнорируются подходы со скрытыми переменными, такие как подход Бома. Но даже в рамках таких подходов нам потребуется телепортировать квантовое состояние объекта (его волновую функцию), для чего недостаточно измерения ряда параметров объекта, таких как его положение и скорость.
В исследовательскую группу Цайлингера также входили Дик Баумистер, Джан-Ви Пан, Клаус Маттле, Манфред Эйбл и Харалд Вайнфуртер, а в группу Де Мартини – С. Джиакомини, Г. Милани, Ф. Сциаррино и Е. Ломбарди.
Приведём выкладки для читателя, знакомого с формализмом квантовой механики. Пусть начальное состояние моего фотона в Нью-Йорке описывается функцией
где 
и 
– два поляризационных состояния фотона, про которые мы будем предполагать, что они нормированные, но коэффициенты перед ними произвольны. Моя цель – предоставить Николасу информацию, достаточную для того, чтобы он смог привести свой фотон в то же самое квантовое состояние. С этой целью мы с Николасом для начала обзаводимся парой сцепленных фотонов в состоянии, скажем,
Таким образом, начальное состояние трёхфотонной системы описывается функцией
Проведя совместное измерение Белла подсистемы фотонов 1 и 2, я перевожу эту подсистему в одно из четырёх состояний:
Теперь перепишем начальное состояние трёхфотонной системы в терминах собственных состояний подсистемы фотонов 1 и 2:
Таким образом, выполнив измерение, я переведу систему в одно из этих четырёх состояний. После того как я сообщу Николасу (обычными средствами), какое состояние я обнаружил, он будет знать, что сделать с фотоном 3, чтобы воспроизвести начальное состояние фотона 1. Например, если я обнаружу состояние 
, то Николасу не потребуется ничего делать, поскольку в этом случае фотон 3 уже будет находиться в начальном состоянии фотона 1. Если же я получу другой результат, то Николасу придётся осуществить подходящее вращение (диктуемое конкретным результатом измерения), чтобы привести фотон 3 в желаемое состояние.
В действительности, математически подготовленный читатель заметит, что нетрудно доказать так называемую теорему о невозможности клонирования квантовых состояний. Предположим, что у нас есть унитарный оператор клонирования U, «удваивающий» любое квантовое состояние системы
Тогда результатом применения Uк 
будет 
, а не дублированное состояние 
. Это противоречие показывает, что не существует такого оператора клонирования. (Впервые это было показано Вутерсом и Цуреком в начале 1980-х гг.)
Как в разработке теории, так и в экспериментальной реализации квантовой телепортации приняли участие многие исследователи. Назовём ещё некоторых: исследования Санду Попеску, работавшего в то время в Кембриджском университете, сыграли важную роль в экспериментах, проведённых в Риме, а группа Джеффри Кимбла из Калифорнийского технологического института впервые осуществила телепортацию непрерывных характеристик квантового состояния.
О чрезвычайно интересных достижениях в области запутывания многочастичных систем рассказано, например, в статье: Julsgaard В., Kozhekin A., and Polzik Е. S. Experimental long-lived entanglement of two macroscopic objects. Nature.2001. Sept. № 413. P. 400–403.
Одной из наиболее захватывающих и развивающихся областей науки, использующей запутывание квантовых состояний и квантовую телепортацию, являются квантовые вычисления. Квантовые вычисления на популярном уровне хорошо изложены в недавних книгах: Siegfried Т. The Bit and the Pendulum.New York: John Wiley, 2000; Johnson G. A Shortcut Through Time.New York: Knopf, 2003.
Одним из следствий эффектов замедления времени с увеличением скорости, который мы не обсуждали в главе 3, но который будет играть свою роль в данной главе, является так называемый парадокс близнецов. Дело вот в чём: если я и вы двигаемся друг относительно друга с постоянной скоростью, я буду думать, что я не двигаюсь и, следовательно, ваши часы идут медленнее моих. Но вы с тем же правом можете заявить, что это вы неподвижны, а двигаюсь я, и, значит, мои часы идут медленнее ваших. Может показаться парадоксальным, что каждый из нас думает, что часы другого идут медленнее, но этот парадокс легко разрешим. При относительном движении с постоянной скоростью наши часы будут всё удаляться друг от друга и, следовательно, у нас не будет никакой возможности для непосредственного сравнения показаний часов, чтобы определить, какие из них «на самом деле» идут медленнее. А все прочие косвенные сравнения показаний часов (например, с помощью сотовой связи) требуют некоторого времени и происходят на некотором пространственном отдалении, что непременно вводит в игру усложнения, связанные с различным представлением разных наблюдателей о том, что происходит «сейчас», о чём мы говорили в главах 3 и 5. Я не хочу вдаваться здесь во все подробности, но если учесть все релятивистские поправки, то не будет противоречия в том, что каждый из нас заявляет, что часы другого идут медленнее (полное, технически точное, но достаточно элементарное обсуждение этого парадокса приводится, например, в книге: Тейлор Э. Ф., Уилер Дж. А.Физика пространства-времени. М.: Мир, 1971). Ситуация становится более загадочной, если, к примеру, вы замедляетесь, останавливаетесь, поворачиваетесь и возвращаетесь ко мне, так что мы сможем напрямую сравнить показания наших часов, устраняя усложнения, связанные с различными представлениями о «сейчас». Когда мы встретимся, чьи часы будут показывать меньшее время? Это так называемый парадокс близнецов: если мы с вами близнецы, то кто из нас при встрече будет выглядеть старше или же мы будем выглядеть одинаково? Ответ такой: мои часы будут показывать большее время и, следовательно, я буду выглядеть старше. Есть множество способов объяснить, почему это так, но проще всего заметить, что когда вы меняете скорость и испытываете ускорение, теряется симметрия между нами – вы можете определённо сказать, что это вы двигаетесь (поскольку, к примеру, вы это чувствуете– или, вспоминая обсуждение в главе 3, в отличие от меня, ваше путешествие по пространству-времени происходит не по прямой линии) и, значит, ваши часы идут медленнее моих. Для вас пройдёт меньше времени, чем для меня.
Джон Уилер, среди прочих, предполагал возможность центральной роли наблюдателей в квантовой Вселенной. Это предположение отражено в одном из его известных афоризмов: «Никакое элементарное явление не является явлением, пока оно не становится наблюдаемым явлением». О захватывающей деятельности Уилера в области физики можно прочесть в книге: Wheeler J. A., Ford К. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics.New York: Norton, 1998. Роджер Пенроуз также исследовал связь между квантовой физикой и разумом в своих книгах «Новый ум короля» (М.: URSS, 2008), а также «Тени разума: в поисках науки о сознании» (М.; Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2005).
См., например, «Reply to Criticisms» в томе 7 Albert Einsteinиз серии Library of Living Philosophers(P. A. Schilpp, ed. New York: MJF Books, 2001).
Stockum W. J. van. Proc. R. Soc. Edin.1937. A 57. P. 135.
Подготовленный читатель заметит, что я упрощаю. В 1966 г. Роберт Герох, будучи студентом Джона Уилера, показал, что можно, по крайней мере в принципе, создать кротовую нору, не разрывая пространство. Но в отличие от более понятного подхода с разрывом пространства для создания кротовой норы, при котором сам факт существования кротовой норы не влечёт за собой путешествие во времени, в подходе Героха на самой стадии создания кротовой норы время должно быть столь искажено, чтобы можно было свободно путешествовать вперёд-назад во времени (но если назад, то не дальше, чем в начало строительства).
Грубо говоря, если вы на скорости, близкой к скорости света, пересечёте область, содержащую такую экзотическую материю, и измерите среднюю плотность энергии, то она окажется отрицательной. Физики говорят, что существование такой экзотической энергии нарушает так называемое усреднённое слабое энергетическое условие.
Проще всего получить экзотическую материю благодаря квантовым флуктуациям электромагнитного поля между параллельными пластинами, как в эксперименте Казимира, о котором говорились в главе 12. Расчёты показывают, что уменьшение квантовых флуктуаций между пластинами (по сравнению с пустым пространством) ведёт к отрицательной средней плотности энергии (и к отрицательному давлению).
Поучительный, хотя и технический обзор кротовых нор содержится в книге: Visser M. Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking.New York: American Institute of Physics Press, 1996.
Для математически подкованных читателей напомним примечание {71} , говорящее о том, что энтропия определяется как логарифмколичества всех перестановок (или состояний), что и даёт ответ на поставленный вопрос. Любое состояние молекул воздуха в двух соединённых контейнерах можно получить, задав состояние молекул воздуха в первом контейнера, а затем задав его во втором. Значит, количество перестановок для соединённых контейнеров равно квадрату возможных перестановок внутри каждого из контейнеров. Взяв логарифм от квадрата перестановок, мы получим удвоение энтропии.
Конечно, бессмысленно сравнивать объём с площадью поверхности, поскольку они имеют разные единицы измерения. Здесь я имею в виду то, что по мере увеличения радиуса объём растёт гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Таким образом, поскольку энтропия пропорциональна площади поверхности, а не объёму, то она растёт медленнее, чем она бы росла, если бы была пропорциональна объёму.
Здесь по сути всё верно, но сведущий читатель заметит, что я упрощаю. Более точная оценка, предложенная Рафаэлем Буссо, говорит о том, что поток энтропии через некоторую нулевую гиперповерхность (с всюду неположительным параметром фокусировки Θ) ограничен величиной A/4, где A– площадь пространственно-подобного поперечного сечения нулевой гиперповерхности («световая поверхность»).
Точнее говоря, энтропия чёрной дыры равна площади её горизонта событий в планковских единицах, помноженной на константу Больцмана и разделённой на 4.
Математически подкованный читатель может припомнить из примечаний к главе 8, что существует и другая концепция горизонта – космического горизонта, – представляющего собой поверхность, отделяющую объекты, с которыми наблюдатель в принципе не может сообщаться. Предполагается, что такой горизонт также поддерживает энтропию, пропорциональную площади его поверхности.
В 1971 г. английский физик Деннис Габор (венгр по происхождению) был удостоен Нобелевской премии за открытие голографии. Стремясь улучшить разрешающую способность электронных микроскопов, Габор в 1940-х гг. искал способ записывать больше информации, закодированной в световых волнах, отражающихся от объекта. Например, фотоаппарат регистрирует лишь интенсивность световых волн: места с высокой интенсивностью света на фотографии получаются более яркими, а места с низкой интенсивностью света получаются более тёмными. Но Габор и многие другие физики понимали, что интенсивность – это только часть информации, переносимой световыми волнами. Мы видели это, к примеру, на рис. 4.3 б: хотя интерференционная картина отражает интенсивность (амплитуду) света (волны с более высокой амплитудой дают более яркие участки картины), но сама интерференционная картина возникает из-за наложения волн, проходящих через каждую щель и достигающих своего максимума, минимума и промежуточных значений своей амплитуды на разных участках экрана. Эту информацию называют фазовой информацией: говорят, что две световых волны находятся в фазев данной точке, если они усиливают друг друга (они одновременно достигают максимума или минимума), или в противофазе, если они гасят друг друга (одна достигает максимума, тогда как другая достигает минимума в той же точке); и, вообще говоря, в каждой точке есть разность фазволн, промежуточная между этими двумя крайностями, приводящая к частичному усилению или гашению результирующей световой волны в каждой точке экрана. Таким образом, интерференционная картина несёт в себе запись фазовой информации интерферирующих световых волн.
Габор придумал установку для записи на специальной плёнке как интенсивности, так и фазовой информации света, рассеянного объектом. Переводя на современный язык, его подход был сродни экспериментальной установке на рис. 7.1, за исключением того, что один из двух лазерных лучей отражался объектом, расположенным на его пути к экрану. Если экран покрыт плёнкой, содержащей подходящий эмульсионный слой, то на плёнке запишется интерференционная картина (в виде мельчайших линий) наложения двух лучей, один из которых беспрепятственно попал на экран, а другой был рассеян объектом. Интерференционная картина содержит информацию как об интенсивности отражённого света, так и о сдвиге фаз между двумя световыми лучами. Изобретение Габора внесло существенный вклад в научные исследования, позволив значительно усовершенствовать широкий круг измерительных методов. Но для широкой публики самым выдающимся достижением стала разработка художественных и промышленных голограмм.
Обычные фотографии выглядят плоскими из-за записи только интенсивности света. Для передачи глубины нужна фазовая информация. Причина в том, что по мере движения световой волны её амплитуда меняется от минимума к максимуму и обратно, так что фазовая информация – или, точнее, информация о сдвиге фаз между световыми лучами, отражёнными соседними частями объекта, – запечатлевает разницу расстояний, проходимых световыми лучами от разных частей объекта. Например, если вы смотрите на кошку, сидящую прямо перед вами, то её глаза находятся от вас чуть дальше, чем её нос, и эта разница отражается в сдвиге фаз между световыми лучами, отражёнными от разных частей её мордочки. Освещая затем голограмму лазерным светом, мы задействуем фазовую информацию, записанную на голограмме, и тем самым добавляем глубину к изображению. Мы все видели результаты: потрясающие трёхмерные изображения, порождаемые двумерным куском пластика. Хотя заметим, что наши глаза не используют эту фазовую информацию для передачи глубины картины. Вместо этого они используют параллакс: небольшая разница в углах, под которыми свет от одной и той же точки доходит до правого и левого глаза, даёт нужную информацию, которую мозг затем переводит в расстояние до этой точки. Вот почему, к примеру, если человек слепнет на один глаз (или просто прикрывает его), то ощущение глубины ухудшается.
Для математически подкованного читателя это утверждение можно сформулировать следующим образом: луч света (или, в общем смысле, любая безмассовая частица), испущенный из любой точки внутри антидеситтеровского пространства, достигает пространственной бесконечности и возвращается назад за конечное время.
Для математически подкованного читателя сообщаем, что Малдасена работал в контексте AdS 5× S 5, и теория на границе возникала из границы AdS 5.
Это утверждение скорее относится к социологии, чем к физике. Теория струн выросла на традициях физики элементарных частиц, тогда как теория петлевой квантовой гравитации – на традициях общей теории относительности. Однако важно отметить, что на сегодняшний день только теория струн может давать результаты, успешно предсказанные общей теорией относительности, поскольку только теория струн убедительно сводится на больших масштабах к общей теории относительности. Теория петлевой квантовой гравитации хорошо понятна в квантовой области, но оказалось трудным распространить её на область крупномасштабных явлений.
Точнее говоря, как об этом говорилось в главе 13 книги «Элегантная Вселенная», энтропия чёрной дыры была подсчитана ещё в 1970-х гг. в работах Бекенштейна и Хокинга. Однако эти учёные использовали довольно непрямой подход и никогда не считали количество микроскопических перестановок – как в главе 6 – для объяснения найденной ими энтропии. В середине 1990-х гг. этот пробел был заполнен в работе Эндрю Строминджера и Кумруна Вафы, нашедших связь между чёрными дырами и определёнными конфигурациями бран теории струн / M-теории. Грубо говоря, им удалось установить, что определённые особые чёрные дыры допускают ровно такое же количество перестановок образующих их компонентов (чем бы ни были эти компоненты), как и определённые, специально подобранные комбинации бран. Когда они подсчитали количество соответствующих всевозможных перестановок бран (и взяли от него логарифм), то получили тот же ответ, что и найденный годами раньше: энтропия чёрной дыры равна площади горизонта событий чёрной дыры, выраженной в планковских единицах и поделённой на 4. В теории петлевой квантовой гравитации исследователям также удалось показать, что энтропия чёрной дыры пропорциональна площади поверхности её горизонта событий, но точный ответ (площадь поверхности, выраженная в планковских единицах и поделённая на 4) оказалось не так-то легко получить. Если должным образом подобрать особый параметр, называемый параметром Иммирзи, тогда с помощью математического аппарата теории петлевой квантовой гравитации можно действительно получить точный правильный ответ, но пока ещё нет всеми принятого фундаментального объяснения в рамках самой теории, почему величина этого параметра должна быть именно такой.
Как и во всей книге, я отбрасываю несущественные для понимания численные параметры (хотя и важные в количественном отношении для вычисления точных значений).
Более детальное разъяснение (хотя, всё ещё, общего характера) искривления пространства и времени согласно общей теории относительности можно найти, например, во второй главе моей предыдущей книги (Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории).
См., например: Gell-Mann M. The Quark and the Jaguar.New York: Freeman, 1994; Price H. Time’s Arrow and Archimedes’ Point.Oxford: Oxford University Press, 1996.
Подготовленный читатель увидит, что я предполагаю, что пространство-время является пространством-временем Минковского. Аналогичные аргументы в других геометриях не обязательно будут давать полное пространство-время.
Склонный к математике читатель заметит, что свет путешествует вдоль нулевых геодезических пространственно-временно́й метрики, которые, для определённости, мы можем выбрать в виде ds 2= dt 2− a 2( t)( dx 2), где 
, а xесть сопутствующие координаты. (Сопутствующие координаты – координаты, привязанные к расширяющемуся пространству. Две точки, удаляющиеся друг от друга только из-за хаббловского потока, имеют неизменное расстояние в сопутствующей системе координат. – Прим. ред.) Положив ds 2= 0, что соответствует нулевым геодезическим, для полного сопутствующего расстояния, которое свет, испущенный в момент t, пройдёт до момента t 0, найдём 
. Если мы умножим это на величину масштабного фактора a( t 0) в момент t 0, мы рассчитаем физическое расстояние, которое прошёл свет за этот временной интервал. Этот алгоритм может быть использован, чтобы рассчитать, как далеко свет может пройти за данный временной интервал; например, для того, чтобы проверить, являются ли две точки пространства причинно связанными. Как вы можете видеть, для ускоренного расширения даже для достаточно большого t 0интеграл ограничен, показывая, что свет никогда не достигнет произвольно удалённого сопутствующего положения. Таким образом, во Вселенной с ускоренным расширением имеются места, с которыми мы никогда не сможем связаться, и наоборот, имеются области, которые никогда не смогут связаться с нами. О таких областях говорят как о находящихся за пределами нашего космического горизонта.
В описании в тексте величина поля Хиггса задаётся его расстоянием от центра чаши, так что вы можете удивиться тому, что множество разныхточек на круговом жёлобе чаши – а именно те, которые находятся на одинаковом расстоянии от центра чаши, – дают одинаковуювеличину поля Хиггса. Ответ, для математически подготовленного читателя, состоит в том, что различные точки жёлоба представляют величины поля Хиггса с одной и той же абсолютной величиной, но с различными фазами (величина поля Хиггса является комплексным числом).
Если мы знаем, что поле, подобное любому из известных силовых полей, является частью структуры космоса, тогда мы знаем, что оно существует везде – оно вплетено в ткань космоса. Невозможно удалить поле, так же как невозможно удалить само пространство. Следовательно, самое большее, что мы можем сделать в смысле удаления поля, это иметь его с величиной, которая минимизирует его энергию. Для силовых полей вроде электромагнитного эта величина равна нулю, как обсуждается в тексте. Для полей вроде инфлатона или поля Хиггса стандартной модели (которое для простота мы тут не рассматриваем) эта величина может быть не равна нулю, и значение этой величины зависит от точной формы потенциальной энергии поля, как мы обсуждали в главах 9 и 10. Как отмечено в тексте, чтобы не отвлекаться от сути дискуссии, мы явно обсуждаем только квантовые флуктуации полей, состояние минимальной энергии которых достигается при нулевой величине поля, хотя флуктуации, связанные с полями Хиггса или инфлатона, не приводят к изменениям в выводах.
Эксперты в теории струн (и те, кто прочитал «Элегантную Вселенную», главу 12) заметят, что более точное утверждение состоит в том, что определённые формулировки теории струн (обсуждаемые в главе 13 этой книги) допускают предельные случаи, в которых имеется одиннадцать пространственно-временных измерений. Всё ещё обсуждается, не лучше ли думать о теории струн как о теории, на фундаментальном уровне действующей в одиннадцати пространственно-временных измерениях, или одиннадцатимерная формулировка должна рассматриваться как частный предел (например, когда константа струнного взаимодействия выбирается большой в формулировке теории типа IIA) наряду с другими пределами. Так как это различие мало влияет на наше обсуждение на общем уровне, я выбрал первую точку зрения, в значительной степени из-за литературной простоты, когда имеется фиксированное и неизменное число измерений.
