мичио каку. Мичио Каку. Параллельные миры
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
Как могли бы выглядеть другие вселенные? Идея Мультивселенной весьма привлекательна, потому что все, что нам нужно сделать, — это предположить, что спонтанное нарушение происходит беспорядочно. Не нужно делать никаких других предположений. Каждый раз, как какая-либо вселенная выбрасывает бутон другой вселенной, физические постоянные уходят от первоначальных, создавая новые законы физики. Если это действительно так, то в каждой новой вселенной может возникнуть совершенно новая реальность. Но тут возникает потрясающий вопрос: как выглядят эти другие вселенные? Ключом к пониманию физики параллельных вселенных является знание того, как эти вселенные созданы, то есть точное понимание того, как происходит спонтанное нарушение. Когда происходит спонтанное нарушение и возникает вселенная, это также нарушает симметрию первоначальной теории. Для физика красота — это симметрия и простота. Если теория совершенна, то это означает, что в ней заложена абсолютная симметрия, которая может объяснить множество данных наиболее сжатым и экономичным путем. Точнее, уравнение считается совершенным, если оно остается неизменным, когда мы меняем его члены местами. Залогом обнаружения скрытой в природе симметрии оказывается то, что явления, кажущиеся различными, по сути своей есть проявлениями одного и того же, связаны между собой симметрией. Например, мы можем показать, что электричество и магнетизм в действительности разные аспекты одного и того же явления, поскольку существует симметрия, которая может сделать их взаимозаменяемыми в рамках уравнений Максвелла. Подобным образом Эйнштейн доказал, что теория относительности может превращать пространство во время и наоборот, поскольку они являются частью целого, материи времени-пространства. Представьте снежинку, в которой мы видим совершенную шестикратную симметрию, источник бесконечного восхищения. Суть красоты снежинки состоит в том, что она не изменяется при повороте снежинки на 60 градусов. Это также означает, что любое уравнение, которое мы составим для описания снежинки, должно отражать тот факт, что она остается неизменной при повороте на количество градусов, кратное 60. Математически мы говорим, что снежинка обладает симметрией С. В симметрии закодирована красота природы. Но в действительности сегодня симметрии нарушены. Четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной совсем не похожи друг на друга. По сути, Вселенная полна неравномерностей и дефектов; нас окружают обломки и осколки первоначальной фундаментальной симметрии, вдребезги расколотые Большим Взрывом. Таким образом, ключом к пониманию возможных параллельных Вселенных служит понимание «нарушения симметрии» — то есть того, как эти симметрии могли нарушиться после Большого Взрыва. Как сказал Дэвид Гросс: «Секрет природы — симметрия, но значительная часть мировой структуры является следствием нарушения симметрии». Представьте, что красивое зеркало разбивается на тысячи осколков. Первоначальное зеркало обладало совершенной симметрией. Но когда оно разбилось, первоначальная симметрия оказалась утрачена. Определив, как именно нарушена симметрия, можно понять, как разбилось зеркало. Нарушение симметрии Чтобы понять этот факт, задумайтесь о развитии эмбриона. На ранних стадиях, то есть через несколько дней после зачатия, эмбрион — это совершенная сфера, состоящая из клеток. Каждая клетка ничем не отличается от остальных. Сфера выглядит одинаково, с какой бы стороны мы на нее ни взглянули. Физики утверждают, что в этом случае эмбрион обладает симметрией 0(3), то есть остается неизменным, по какой бы оси вращения вы его ни поворачивали. Хотя эмбрион прекрасен и изящен, он довольно бесполезен. Представляя собой совершенную сферу, он не может выполнять какую-либо полезную функцию или взаимодействовать с окружающей средой. Однако со временем эмбрион нарушает эту симметрию: у него развивается крошечная головка и тело, и он становится похожим на кеглю. Хотя изначальная сферическая симметрия нарушена, эмбриону все же присуща остаточная симметрия — он остается неизменным при вращении его вокруг собственной оси. Таким образом, он обладает цилиндрической симметрией. Математически это означает, что первоначальная симметрия 0(3) сферы свелась к симметрии 0(2) цилиндра. Однако нарушение симметрии О (3) могло бы происходить иначе. Например, у морской звезды нет ни цилиндрической, ни двусторонней симметрии; вместо этого при нарушении сферической симметрии у нее появляется симметрия С (которая остается неизменной при повороте на 72 градуса), что придает ей форму пятиугольной звезды. То есть, то, каким образом нарушается симметрия 0(3), определяет форму организма при рождении. Ученые считают, что Вселенная подобным образом зародилась в состоянии идеальной симметрии, где все взаимодействия были объединены в целое. Вселенная была совершенной, симметричной, но довольно бесполезной. Та жизнь, которая нам известна, не могла бы существовать в этом идеальном состоянии. Чтобы появилась жизнь, при остывании Вселенной ее симметрия должна была нарушиться. Симметрия и Стандартная модель Подобным же образом для того, чтобы понять, как выглядят параллельные Вселенные, мы для начала должны понять симметрию сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Например, сильное взаимодействие основано на трех кварках, которые ученые метят, символически приписывая им «цвета» (например, красный, белый и синий). Мы хотим, чтобы уравнения оставались неизменными, если поменяем местами эти три цветных кварка. Мы говорим, что уравнения обладают симметрией SU(3), то есть они останутся неизменными, если мы перемешаем эти три кварка. Ученые считают, что теория, обладающая симметрией SU(3), представляет наиболее точное описание сильных взаимодействий (называемое «квантовой хромодинамикой»). Если бы у нас был гигантский суперкомпьютер, то только по массам кварков и силе их взаимодействия мы, теоретически, могли бы вычислить все свойства протона и нейтрона и все характеристики ядерной физики. Пусть у нас есть два лептона — электрон и нейтрино. Если мы поменяем их местами в уравнении, то у нас будет симметрия SU(2). Мы можем добавить свет, группа симметрии которого U(1). (Эта группа симметрии меняет местами между собой различные составляющие, или поляризации света.) Таким образом, группой симметрии слабого и электромагнитного взаимодействия является SU(2)xU(1). Если мы просто «склеим» эти три теории, то получим (и это неудивительно) симметрию SU(3)xSU(2)xU(l), — иными словами, симметрию, которая отдельно «склеивает» три кварка между собой и отдельно два лептона между собой (но не смешивает кварки и леп-тоны). В результате получили теорию Стандартной модели — возможно, одной из наиболее успешных теорий в истории человечества. Как утверждает Гордон Кейн из Мичиганского университета: «Все, что происходит внашем мире (кроме воздействия гравитации), проистекает из взаимодействия частиц согласно Стандартной модели». Некоторые из ее положений были экспериментально проверены в лабораторных условиях и оправдались с точностью до одной стомиллионной. (Вообще, физики, которые собрали вместе составляющие Стандартной модели, получили 20 Нобелевских премий.) В конце концов, можно было бы построить теорию, объединяющую сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие в единую симметрию. Простейшая из теорий Великого Объединения, которая способна на это, меняет местами все пять частиц (три кварка и два лептона) одновременно. В отличие от симметрии Стандартной модели, симметрия Великого Объединения может перемешивать кварки и лептоны (что означает, что протоны могут распадаться и превращаться в электроны). Иными словами, в теории Великого Объединения используется симметрия SU(5) (которая перетасовывает все пять частиц — три кварка и два лептона — между собой). За многие годы было проанализировано много других групп симметрии, но SU(5), видимо, является минимальной группой, которая вписывается в расчетные данные. Когда происходит спонтанное нарушение, первоначальная симметрия ТВО может разрушиться несколькими путями. В одном случае симметрия ТВО разрушается до SU(3.)xSU(2)xU(1), где есть ровно 19 параметров, которые нам необходимы для описания свойств Вселенной. Это описывает свойства известной Вселенной. Однако в действительности есть много различных вариантов разрушения симметрии ТВО. В других вселенных наверняка будет наблюдаться совершенно иная остаточная симметрия. Минимальным различием будут отличные от наших значений 19 параметров. Иными словами, действие различных сил будет различаться в разных вселенных, ведя к огромным изменениям в структуре Вселенной. К примеру, ослабив силу ядерного взаимодействия, можно предотвратить образование звезд, что погрузит Вселенную в вечную тьму и сделает невозможной существование в ней. Если силу ядерного взаимодействия увеличить, то звезды могут израсходовать свое ядерное топливо слишком быстро, чтобы успела зародиться какая-либо жизнь. Группа симметрии может измениться таким образом, что это станет причиной образования совершенно иной вселенной. В некоторых из таких вселенных протон может оказаться неустойчивым и быстро распасться на позитроны. В таких вселенных невозможна известная нам жизнь, они быстро распадутся в безжизненное облако электронов и нейтрино. В других вселенных распад симметрии ТВО может пойти иным путем — будет больше устойчивых частиц, таких, как протоны. В такой вселенной могло бы существовать огромное разнообразие новых неизвестных химических элементов. Формы жизни в таких вселенных были бы более сложными, чем в нашей, так как там соединения, подобные ДНК, создавались бы из большего количества элементов. Мы можем также разбить изначальную симметрию ТВО таким образом, что в результате получим несколько симметрии U(l). Это определит существование нескольких форм света, а не одной. Подобная Вселенная действительно была бы удивительной — существа, обитающие в ней, могли бы «видеть», пользуясь не одной, а несколькими силами. В такой Вселенной глаза любого живого существа были бы снабжены большим количеством разнообразных рецепторов для улавливания различных видов излучения, подобных световому. Неудивительно, что существуют сотни, а возможно, бесчисленное множество возможностей разбить эти симметрии на составляющие. В свою очередь, каждое из возможных решений может соответствовать совершенно иной вселенной. Проверяемые прогнозы К несчастью, проверка теории Мультивселенной, предполагающей существование многочисленных вселенных с различным набором физических законов в каждой из них, в настоящее время не является возможной. Для того, чтобы добраться до параллельных вселенных, необходимо двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Но одним из преимуществ инфляционной теории является то, что она делает заключения о природе нашей Вселенной, которые можно проверить. Поскольку инфляционная теория — теория квантовая, она основывается на принципе неопределенности Гейзенберга, краеугольном камне квантовой теории. (Принцип неопределенности гласит, что нельзя произвести измерения с бесконечной точностью, например такие, как измерение скорости и местоположения электрона. При этом неважно, насколько чувствительны приборы, — в измерениях все равно будет присутствовать некоторая неопределенность. Если вам точно известна скорость электрона, то не может быть известно его местоположение; если вы точно знаете его местоположение, то вы не можете знать его скорость.) Применительно к изначальному огненному облаку Большого Взрыва это означает, что первоначальный космический взрыв не мог быть бесконечно «ровным». (Если бы он был идеально однородным, то мы бы знали точные траектории субатомных частиц, разлетевшихся в результате Большого Взрыва, что противоречит принципу неопределенности.) Квантовая теория позволяет нам вычислить размер этих волн, или флуктуации, в первоначальном облаке огня. Если мы расширим эти крошечные многочисленные волны, то сможем вычислить минимальное количество волн, которое должны увидеть в фоновом микроволновом излучении через 380 ООО лет после Большого Взрыва. (А если мы расширим эту рябь до настоящего времени, то должны увидеть расположение галактических скоплений. Наша галактика сама появилась в виде одной из этих крошечных флуктуации.) Первоначальный поверхностный анализ данных со спутника СОВЕ не обнаружил отклонений или флуктуации в фоновом микроволновом излучении. Это несколько озаботило физиков, поскольку идеально гладкий микроволновый фон противоречил бы не только инфляционной теории, но также и всей квантовой теории, нарушая принцип неопределенности. Это потрясло бы физическую науку до самого основания. Возможно, пришлось бы разрушить весь фундамент квантовой физики XX века. К великому облегчению ученых, доскональное изучение обработанных на компьютере данных со спутника СОВЕ обнаружило размытую рябь, при этом колебания температуры не превосходили 10 — минимальный размер отклонения, допускаемый квантовой теорией. Эти бесконечно малые волны ряби вписывались в инфляционную теорию. Гут признался: «Я совершенно очарован космическим фоновым излучением. Сигнал был таким слабым, что его обнаружили лишь в 1965 году, а теперь измеряют флуктуации с точностью до 10"». Хотя накапливаемые экспериментальные данные постепенно подтверждали инфляционную теорию, ученым все еще предстояло решить мучительную проблему значения со — объяснить тот факт, что со равнялась 0,3, а не 1,0. Сверхновые — возвращение лямбды Хотя оказалось, что теория инфляции согласуется с данными, полученными со спутника СОВЕ, все же до 1990-х годов астрономы роптали на то, что она вопиющим образом нарушает экспериментальные данные, касающиеся значения со. Впервые ситуация начала изменяться в девяностых в результате обработки данных, полученных из совершенно неожиданной области. Астрономы пытались пересчитать скорость расширения Вселенной в далеком прошлом. Вместо анализа переменных цефеид (которым в 1920-е годы занимался Хаббл) астрономы начали изучение сверхновых в далеких галактиках на расстоянии миллиардов световых лет в прошлом. В частности, они исследовали тип сверхновых 1а. Сверхновые этого типа — идеальные кандидаты в стандартные свечи. Астрономам известно, что все сверхновые этого типа характеризуются приблизительно одинаковой яркостью. (Яркость сверхновых типа 1а изучена настолько хорошо, что могут быть замечены даже небольшие отклонения: чем ярче сверхновая, тем медленнее убывает ее яркость.) Такие сверхновые Появляются, когда белый карлик в двойной звездной системе медленно вытягивает вещество из своего спутника. Кормясь от сестры-звезды, белый карлик постепенно увеличивает массу, и так до тех пор, пока она не достигает 1,4 солнечной массы, максимально возможной для белого карлика. Превысив этот предел, они коллапсируют и взрываются как сверхновые типа 1а. Эта предельная масса и объясняет тот факт, что все сверхновые типа 1а так однородны в своей яркости — это естественное следствие того, что белые карлики увеличивают массу ровно до 1,4 солнечной массы, а затем коллапсируют под воздействием силы гравитации. (Как показал Субраманьян Чандрасекар в 1935 году, в белом карлике сила гравитации, разрушающая звезду, уравновешивается силой отталкивания электронов, которая называется давлением вырожденных электронов. Если белый карлик превосходит 1,4 солнечной массы, то гравитация преодолевает эту силу и звезда разрушается, а результатом этого разрушения становится сверхновая.) Поскольку взрывы отдаленных сверхновых произошли в молодой Вселенной, то посредством их анализа можно рассчитать скорость расширения Вселенной миллиарды лет назад. Две независимые группы астрономов — возглавляемые Солом Перлмуттером «Проект космологии сверхновых» (Supernova Cosmology Project) и Брайаном П. Шмидтом «Группа поисков сверхновых с большим красным смещением» (High-Z Supernova Search Team) — рассчитывали обнаружить, что Вселенная, продолжая расширяться, все же постепенно замедляет скорость расширения. Для нескольких поколений астрономов это было догмой, которой учили во всех курсах космологии, — «изначальное расширение постепенно замедляется». После того как каждая из групп изучила около дюжины сверхновых, они обнаружили, что Вселенная расширяется не так быстро, как считалось раньше (то есть красное смещение сверхновых — а следовательно, и их скорость — было меньше априорных ожиданий). При сравнении скорости расширения ранней Вселенной и Вселенной наших дней обе группы астрономов заключили, что в наши дни скорость расширения Вселенной — не меньше, а больше. К своему большому удивлению, обе группы пришли к поразительному выводу: расширение Вселенной ускоряется В полное смятение их привело то, что ни одно из значений со не вписывалось в полученные ими данные. Единственным способом, позволяющим согласовать данные и теорию, было возвращение лямбды ().), энергии вакуума, впервые введенной Эйнштейном. Более того, астрономы обнаружили, что to была просто задавлена необычайно большой что вызывало ускорение Вселенной по сценарию де Ситтера. Две группы совершенно независимо друг от друга пришли к этому потрясающему выводу, но не торопились публиковать результаты из-за господствующего предубеждения, что значение). равнялось нулю. Как сказал Джордж Джейкоби из обсерватории Китт-Пик: «). всегда была донкихотским понятием, и любого, кто был достаточно не в себе, чтобы сказать, что она не равна нулю, считали спятившим». Шмидт вспоминает: «Я все еще качал головой, но мы все проверили… Мне не хотелось говорить об этом людям, потому что нас разорвали бы на части». Однако, когда в 1998 году обе группы опубликовали свои результаты, целую гору представленных ими данных было не так-то легко сбросить со счета. «величайшая ошибка» Эйнштейна, которую в современной космологии практически и не вспоминали, возвращалась через 90 лет забвения! Физики были ошеломлены. Эдвард Виттен из Института передовых исследований в Принстоне заявил, что это было «самое необычайное экспериментальное открытие с того момента, как я начал заниматься физикой». Когда значение со = 0,3 добавили к значению Х=0,7, то сумма оказалась (с учетом погрешности в ходе эксперимента) равной 1,0, то есть результат совпал с тем, который предсказывала теория инфляции. Будто бы части головоломки встали на свои места, и космологи увидели недостающий фрагмент в теории инфляции. Он пришел прямиком из вакуума. Этот результат был самым впечатляющим образом подтвержден спутником WMAP, который показал, что энергия, приписываемая или темная материя, составляет 73 % всего вещества и энергии во Вселенной, что отводит ей доминирующее место в космической головоломке. Фазы Вселенной Возможно, основным вкладом спутника WMAP в науку стало то, что он дал ученым уверенность в правильности Стандартной модели космологии. Хотя и до сих пор существуют огромные «белые пятна», перед глазами астрофизиков начинают вырисовываться общие контуры Стандартной теории, рождающейся из общего количества полученных данных. Согласно картинке, которую мы сейчас складываем из отдельных элементов, в эволюции Вселенной по мере ее остывания прослеживались отдельные этапы. Переход от одного этапа к другому означает нарушение симметрии и отсечение одного из фундаментальных природных взаимодействий. Ниже представлены те фазы и вехи, которые известны нам на сегодняшний день: 1. До 10" секунды — эпоха Планка. Об эпохе Планка точно почти ничего не известно. При энергии Планка (10 млрд электронвольт) гравитационное взаимодействие было столь же сильным, как и остальные многочисленные силы. Как следствие, четыре взаимодействия Вселенной были, видимо, объединены в единую «сверхсилу». Возможно, Вселенная существовала в совершенном состоянии «небытия», или пустого пространства с большим количеством измерений. Та загадочная симметрия, которая смешивает все четыре взаимодействия, оставляя уравнения неизменными, — скорее всего, «сверхсимметрия» (см. главу 7). По неизвестным причинам эта загадочная симметрия, объединявшая все четыре взаимодействия, была нарушена, и сформировался крошечный пузырек — эмбрион нашей Вселенной, возникший, возможно, в результате значительной, но случайной флуктуации. Размеры этого пузырька не превышали длины Планка, которая составляет 10" см. 2. 10" секунды — эпоха ТВО. Произошло нарушение симметрии, что стало причиной образования стремительно расширяющегося пузырька. По мере того как пузырек расширялся, четыре фундаментальных взаимодействия стремительно отделились друг от друга. Гравитация первой отделилась от трех остальных взаимодействий, вызвав ударную волну во всей Вселенной. Изначальная симметрия сверхсилы была нарушена и превратилась в симметрию меньшего порядка, которая, возможно, содержала в себе симметрию ТВО SU(5). Оставшиеся сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были все еще объединены симметрией ТВО. На этом этапе Вселенная расширилась в невероятное количество раз (возможно, в 10), и расширение это было вызвано неизвестными до сих пор причинами; пространство расширялось со скоростью, астрономически большей, чем скорость света. Температура была 10 градусов. 3. 10 секунды — конец инфляции. Температура упала до 10 градусов, когда сильное взаимодействие отделилось от двух других сил. (Группа симметрии ТВО распалась на SU(3)xSU(2)xU(l).) Инфляционный период завершился, дав Вселенной возможность идти по пути стандартного расширения Фридмана. Вселенная состояла из горячего плазменного «супа» свободных кварков, глюонов и лептонов. Свободные кварки превратились в нынешние протоны и нейтроны. Наша Вселенная была еще довольно маленькой, размером всего лишь с сегодняшнюю Солнечную систему. Вещество и антивещество аннигилировались, но существовал крошечный перевес вещества над антивеществом (1 миллиардная доля), в результате которого возникла вся материя вокруг нас. (Это энергетический диапазон, который, как мы надеемся, будет дублирован в течение нескольких следующих лет ускорителем частиц — Большим адронным коллайдером (the Large Hadron Collider).) 4. 3 минуты — образование ядер. Температуры упали достаточно низко для образования ядер, которые теперь не разрывало сильным жаром. Водород синтезировался в гелий (создав сегодняшнее соотношение: 75 % водорода к 25 % гелия). Образовались ничтожные количества лития, но синтез более тяжелых элементов прекратился, потому что ядра с 5 частицами были слишком неустойчивы. Вселенная была непрозрачной, свет рассеивался свободными электронами. Этот момент отмечает конец первозданного огненного шара. 5. 380 ООО лет — возникновение атомов. Температура упала до 3000 градусов по Кельвину. Атомы формировались электронами, окружающими ядра, которые не разрывало жаром. Фотоны теперь могли свободно передвигаться, не будучи поглощенными. Это и есть то самое излучение, которое было измерено спутниками СОВЕ и WMAP. Вселенная, когда-то непрозрачная и наполненная плазмой, стала прозрачной. Небо вместо белого стало черным. 6. 1 млрд лет — звезды отвердевают. Температура упала до 18 градусов. Начали формироваться квазары, галактики и галактические скопления," в большинстве своем представляющие побочный продукт многочисленных крошечных волн в первоначальном облаке пламени. В звездах начали «печься» легкие элементы, такие, как углерод, кислород и азот. Взрывающиеся звезды извергали в небеса элементы с атомным весом выше железа. Это самая отдаленная эпоха, которую мы можем исследовать с помощью космического телескопа Хаббла. 7. 6,5 млрд лет — расширение де Ситтера. Расширение Фридмана завершается, и Вселенная постепенно ускоряет свое расширение и входит в фазу ускорения, которая называется расширением де Ситтера, вызванным загадочной антигравитационной силой, природа которой не раскрыта и до сегодняшнего дня. 8. 13,7 млрд лет — сегодня. Настоящее. Температура упала до 2,7 градуса. Мы наблюдаем сегодняшнюю Вселенную, состоящую из галактик, звезд и планет. Расширение Вселенной продолжает стремительно ускоряться. Будущее Хотя сегодня инфляционная теория способна объяснить столько загадок Вселенной, это еще не служит доказательством того, что она верна. (Кроме того, недавно были предложены конкурирующие теории, как мы увидим в главе 7.) Данные, касающиеся сверхновых звезд, предстоит еще проверять и проверять, принимая во внимание такие факторы, как пыль и аномалии, возникающие при образовании сверхновых. «Дымящимся пистолетом» (то есть последней, явной уликой), который окончательно подтвердит или опровергнет инфляционный сценарий, являются «гравитационные волны», возникшие в момент Большого Взрыва. Подобно микроволновому фону, эти гравитационные волны должны по-прежнему отражаться во Вселенной и, по сути, могут быть обнаружены при помощи детекторов гравитационных волн, как мы расскажем в главе 9. Теория инфляции содержит некоторые предположения относительно природы этих гравитационных волн, и детекторы должны обнаружить их. Но один из наиболее интригующих прогнозов теории инфляции не может быть проверен прямым путем. Этот прогноз — существование в Мультивселенной «дочерних вселенных», которые живут по несколько иным физическим законам. Чтобы осознать все, что влечет за собой факт возможного существования Мультивселенной, необходимо прежде всего понять, что теория инфляции полностью укладывается в причудливые уравнения Эйнштейна и квантовой теории. Согласно теории Эйнштейна, существование многочисленных вселенных является возможным, а по квантовой теории у нас даже есть средства для передвижения между ними. И в рамках новой М-теории мы можем обрести новую, окончательную теорию, которая поможет раз и навсегда решить вопрос о параллельных вселенных и путешествии во времени. ЧАСТЬ II Мультивселенная |