Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

• инфляционное расширение, которое может объяснить форму космоса и решить загадку его однородности на больших масштабах, а также установить направление стрелы времени;

• теория струн, которая постулирует петли и отрезки энергии вместо точечных частиц и обещает реализовать мечту Эйнштейна об объединении всех частиц и сил в рамках единой теории;

• дополнительные пространственные измерения, которые возникли из математики теории струн и которые могут быть обнаружены в экспериментах на новых ускорителях в следующем десятилетии;

• мир бран, в котором наши три пространственных измерения могут соответствовать лишь одной Вселенной среди множества Вселенных, плавающих в пространстве-времени более высокой размерности;

• и, возможно, даже новое понятие о пространстве-времени, когда сама ткань пространства и времени состоит из более фундаментальных беспространственных и безвременны́х элементов.

В следующем десятилетии более мощные ускорители дадут так необходимые экспериментальные данные, и многие физики уверены, что результаты, полученные из наблюдений высокоэнергетических столкновений, подтвердят ряд кардинальных теоретических построений. Я разделяю этот энтузиазм и с нетерпением жду результатов. Пока наши теории не соприкоснутся с наблюдаемыми, проверяемыми явлениями, они будут подвешены в состоянии неопределённости, оставаясь обещающим набором идей, который может иметь или не иметь отношение к реальному миру. Новые ускорители значительно расширят поле перекрытия между теорией и экспериментом и, как надеются физики, переведут многие из этих идей в область признанной науки.

Но есть и другой подход, наполняющий меня несравненным изумлением, хотя у этого подхода не так много шансов. В главе 11 мы говорили о том, как эффекты крошечных квантовых флуктуаций могут быть видны на ясном ночном небе, поскольку они были грандиозно растянуты в ходе космического расширения, что привело к образованию сгущений материи, давших начало звёздам и галактикам. (Вспомним аналогию с мелкими каракулями на оболочке воздушного шара, которые растягиваются, когда этот шар надувают.) Это яркий пример того, как можно получить доступ к квантовой физике через астрономические наблюдения. Возможно, это ещё не предел. Не исключено, что космическое расширение может растягивать отпечатки ещё более мелкомасштабных процессов или характеристик — физики струн, или вообще квантовой гравитации, или ультрамикроскопической атомизированной структуры пространства-времени — и распространять их влияние по небесам неким тонким, но наблюдаемым образом. Возможно, Вселенная уже растянула микроскопические нити ткани космоса и распустила их по небу, так что всё, что нам нужно, — это научиться их увидеть.

Чтобы добраться до проверки самых последних идей, касающихся фундаментальных физических законов, вполне может потребоваться и чрезвычайная мощь ускорителей частиц, способных воссоздать экстремальные условия, невиданные с момента Большого взрыва. Но, по моему мнению, нет ничего более поэтичного, результата более изысканного, объединения более полного, чем получить подтверждение наших теорий об ультрамалом — теорий об ультрамикроскопическом строении пространства, времени и материи, — обратив к небу самые мощные телескопы и молчаливо всматриваясь в звёзды.

Словарь научных терминов

Абсолютизм. Система взглядов, в которой пространство считается абсолютным.

Абсолютное пространство. Ньютоновская концепция пространства; пространство считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.

Абсолютное пространство-время. Взгляд на пространство и время с точки зрения специальной теории относительности; пространство-время в своей целостности (но не по отдельности) считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.

Большое сжатие. Возможный конец Вселенной, напоминающий Большой взрыв, протекающий в обратном направлении, когда пространство коллапсирует в себя.

Вакуум. Настолько пустая область пространства, насколько это возможно; состояние с самой низкой энергией.

Вектор скорости. Величина скорости и направление движения объекта.

Великое объединение. Теория, объединяющая сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в рамках единого формализма.

Волна вероятности. Волна в квантовой механике, которая может кодировать вероятность обнаружения частицы в заданной точке пространства.

Волновая функция. См. Волна вероятности.

Вращательная инвариантность, вращательная симметрия. Независимость от вращения характеристик физической системы или теоретического закона.

Временной слой, срез по времени. Всё пространство в заданный момент времени; отдельное сечение блока пространства-времени.

Второе начало термодинамики. Закон, гласящий, что в среднем энтропия физической системы имеет тенденцию возрастать, начиная с любого заданного момента времени.

Глюоны. Частицы, передающие сильное взаимодействие.

Горизонт событий. Воображаемая сфера, окружающая чёрную дыру; после пересечения этой сферы обратного пути нет; всё, что пересекло горизонт событий, не может вырваться из гравитационного поля чёрной дыры.

Гравитоны. Гипотетические частицы, передающие гравитационное взаимодействие.

Замкнутые струны. Нити энергии (струны) теории струн в виде петель.

Запутанность, квантовая запутанность. Квантовое явление, при котором коррелируют свойства разнесённых в пространстве частиц.

Инерция. Свойство объектов сопротивляться своему разгону или замедлению.

Интерференция. Явление наложения волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление — в других. В квантовой механике позволяет комбинироваться альтернативам, которые выглядят исключающими друг друга.

Инфлатон, поле инфлатона. Поле, энергия и отрицательное давление которого вызывают инфляционное расширение.

Инфляционная космология. Космологическая теория, включающая в себя краткий период раннего этапа развития Вселенной, когда та испытала колоссальное расширение с огромной скоростью.

Информация о выборе пути. Квантово-механическая информация, определяющая путь, выбранный частицей при движении от источника к детектору.

Квантовая механика. Теория, разработанная в 20–30-х гг. XX в. для описания области атомных и субатомных частиц.

Квантовая хромодинамика. Релятивистская квантовая теория поля, описывающая сильное взаимодействие.

Квантовые флуктуации. Неизбежные быстрые изменения силового поля на микроскопических масштабах, возникающие благодаря принципу неопределённости в квантовой физике.

Кварки. Частицы материи, участвующие в сильных взаимодействиях. Существует шесть разновидностей кварков (u, d, c, s, t, b).

Классическая физика. В данной книге под классической физикой понимаются физические законы, введённые Ньютоном и Максвеллом. Термин «классическая физика» может пониматься и в более широком смысле и охватывать все неквантовые законы физики, включая уравнения специальной и общей теории относительности.

Критическая плотность. Величина средней плотности массы или энергии во Вселенной, которая требуется для того, чтобы пространство было плоским; равна приблизительно 10−23 г/см3.

Коллапс волны вероятности, коллапс волновой функции. Гипотетический процесс, в ходе которого волна вероятности (волновая функция) мгновенно «схлопывается», переходя от формы, распределённой в пространстве, к острому пику.

Копенгагенская интерпретация. Толкование квантовой механики, в котором макроскопические объекты считаются подчиняющимися законам классической физики, а микроскопические объекты — законам квантовой физики.

Космическое микроволновое фоновое излучение, реликтовое излучение. Остаточное электромагнитное излучение (фотоны), сохранившееся с начальных этапов существования Вселенной и заполняющее всё пространство.

Космический горизонт, горизонт. Предельная удалённость точек в пространстве, откуда свет мог бы успеть дойти до нас с момента рождения Вселенной. Информация о более удалённых точках пространства нам недоступна.

Космологическая постоянная. Гипотетическая энергия и давление, однородно распределённые в пространстве. Происхождение и состав неизвестны.