Гиперпространство - Каку Митио

И здесь таилась космическая загадка: если Большой взрыв отличался исключительной равномерностью и единообразием, тогда один миллиард лет — недостаточно продолжительный период для формирования скоплений галактик, которые мы наблюдаем. Явное несоответствие между изначальной однородностью Большого взрыва и неоднородностью Вселенной миллиард лет спустя — проблема, которая не давала покоя космологам, заставляя их всех ломать голову. Проблему представляла не теория Большого взрыва как таковая, а наши представления об эволюции уже после Большого взрыва, через один миллиард лет после сотворения. Но без высокочувствительных спутников, способных измерить космическое фоновое излучение, проблема сохраняла остроту на протяжении многих лет. К 1990 г. журналисты, не имеющие серьезной научной подготовки, принялись публиковать сенсационные статьи, в которых ошибочно утверждали, что ученые нашли роковую ошибку в самой теории Большого взрыва. Многие журналисты писали, что теория Большого взрыва вскоре будет опровергнута. В прессе начали всплывать давно дискредитированные альтернативы теории Большого взрыва. Даже газета The New York Times опубликовала большую статью, в которой утверждалось, что теория Большого взрыва столкнулась с серьезными затруднениями (что неверно с научной точки зрения).

Благодаря этой псевдодискуссии вокруг теории Большого взрыва усилился интерес к обнародованию данных, полученных спутником СОВЕ. С небывалой скрупулезностью выявляя отклонения в пределах одной стотысячной, спутник СОВЕ сканировал небо и передавал по радиосвязи самую точную из существующих карту космического фонового излучения. Результаты СОВЕ подтвердили теорию Большого взрыва и не только.

Однако проанализировать данные СОВЕ было непросто. Группа ученых во главе со Смутом столкнулась с чудовищными проблемами. К примеру, надо было исключить в расчетах влияние движения Земли на фоновое излучение. Солнечная система движется со скоростью 370 км/сек по отношению к фоновому излучению. Кроме того, Солнечная система перемещается относительно галактики, а сама галактика совершает сложное перемещение относительно скоплений других галактик. Тем не менее после доскональной модернизации компьютерных программ анализ дал несколько поразительных результатов. Во-первых, реликтовое, или микроволновое, фоновое излучение соответствовало ранним прогнозам Георгия Гамова (скорректированным благодаря уточненным экспериментальным данным) с отклонением не более 0,1 % (рис. 9.1). Сплошной линией на рисунке обозначены прогнозы, крестиками — точки, данные для которых получены спутником СОВЕ. Когда эта кривая впервые возникла на экране во время встречи примерно тысячи астрономов, присутствующие встали и устроили овацию. Возможно, впервые в истории науки простой график вызвал столь бурные аплодисменты такого большого числа видных ученых.

Рис. 9.1. Сплошной линией показан прогноз по теории Большого взрыва, согласно которому фоновое космическое излучение должно напоминать излучение абсолютно черного тела в микроволновом диапазоне. Крестиками обозначены точки, которые построены по данным, полученным спутником СОВЕ, и служат нам самым убедительным подтверждением теории Большого взрыва.

Во-вторых, команда Смута сумела доказать присутствие в микроволновом фоновом излучении крохотных, почти микроскопических всплесков. Именно эти всплески помогли объяснить скопления и войды, найденные через миллиард лет после Большого взрыва. (Если бы спутник СОВЕ не обнаружил никаких всплесков, тогда анализ событий, произошедших после Большого взрыва, пришлось бы всесторонне пересмотреть.)

И в-третьих, результаты согласовывались с так называемой теорией космической инфляции, но не доказывали ее. (Эта теория, предложенная Аланом Гутом из Массачусетского технологического института, гласит, что взрывное расширение Вселенной в первый момент сотворения значительно превосходило стандартное, соответствующее модели Большого взрыва; согласно этой теории Вселенная, которую мы видим в телескопы, — лишь крохотная частица гигантской Вселенной с границами, находящимися далеко за пределами нашей видимости.)

До сотворения: орбиобразие?

Результаты, полученные со спутника СОВЕ, позволили физикам с уверенностью утверждать, что им понятно происхождение Вселенной вплоть до малой доли секунды после Большого взрыва. Но нас по-прежнему ставят в тупик вопросы о том, что предшествовало Большому взрыву и почему он произошел. Общая теория относительности дает в конечном итоге бессмысленные результаты. Поняв, что общая теория относительности просто не работает при очень малых расстояниях, Эйнштейн пытался расширить теорию до более всеобъемлющей, способной объяснить этот феномен.

Мы полагаем, что в момент Большого взрыва преобладающей силой, превосходящей гравитацию, являются квантовые эффекты. Следовательно, ключ к истокам Большого взрыва — квантовая теория гравитации. На данный момент единственная теория, претендующая на разрешение загадки событий, предшествующих Большому взрыву, — десятимерная теория суперструн. В настоящее время ученые строят догадки о том, как десятимерная Вселенная разделилась на четырех- и шестимерную. Как выглядит Вселенная, парная нашей?

Один из физиков, занятых поиском ответов на эти космические вопросы, — Камран Вафа, гарвардский профессор, потративший несколько лет на изучение возможного процесса разделения нашей десятимерной Вселенной на две вселенных меньшего размера. Парадокс, но сам Вафа тоже разрывается между двумя мирами: он живет в Кембридже, Массачусетс, но родом из Ирана, откуда был вынужден уехать в связи с политическими катаклизмами последнего десятилетия. С одной стороны, он мечтает в конце концов вернуться на родину, в Иран, — возможно, после того как прекратятся гражданские волнения. С другой стороны, исследования уводят его от этого очага напряженности к дальним границам шестимерного пространства, к тому моменту, когда состояние Вселенной, охваченной хаосом, еще не успело стабилизироваться.

«Представим себе простую видеоигру», — предлагает Вафа. Ракета может перемещаться по экрану, пока не достигнет правого края. Всякий любитель видеоигр знает, что после этого ракета внезапно появляется с левого края экрана точно на такой же высоте. А если ракета залетит слишком далеко и уйдет за границу нижнего края экрана, то вновь материализуется в его верхней части. Таким образом, объясняет Вафа, на этом экране — полностью замкнутая вселенная. Вы никогда не покидаете вселенную, ограниченную экраном. Однако большинство подростков не задается вопросом о том, какую форму на самом деле имеет вселенная. Вафа указывает на удивительный факт: топологически экран устройства для видеоигр — внутренняя поверхность трубы!

Представим себе экран в виде листа бумаги. Поскольку углы в верхней части экрана идентичны углам в нижней части, можно склеить вместе верх и низ экрана. Мы свернули лист бумаги в трубку. Углы правого края трубки точно такие же, как углы левого края. Единственный способ соединить два конца получившейся трубки — осторожно согнуть ее в кольцо и склеить открытые концы вместе (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Если ракета в видеоигре исчезает за правым краем экрана, то снова появляется слева. Если она исчезает за верхним краем, то снова появляется снизу. Теперь свернем экран так, чтобы совместить идентичные углы. Сначала совместим верхние и нижние края, свернув экран в трубку. Затем совместим левую и правую стороны, согнув трубку. Таким образом, можно продемонстрировать, что экран в видеоигре с топологической точки зрения представляет собой бублик.

Мы превратили лист бумаги в фигуру, похожую на бублик. Можно сказать, что ракета, перемещающаяся по экрану в видеоигре, движется по внутренней поверхности трубки. Всякий раз, когда ракета исчезает с экрана и вновь появляется с другой стороны, это соответствует пересечению ракетой склеенного стыка внутри трубки.