Главная страница
qrcode

Альманах - Космос. C I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей


Скачать 11.93 Mb.
НазваниеC I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей
АнкорАльманах - Космос.pdf
Дата14.12.2017
Размер11.93 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаAlmanakh_-_Kosmos.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипСборник статей
#51569
страница3 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36
120 млн. лет. Вначале вещество распределялось почти однородно, с небольшими флуктуациями плотности млн. лет. Более плотные области оттягивают вещество из менее плотных. Формируются первые галактики млрд. лет. Со временем гравитация собирает вещество в гигантские волокна, создавая пустоты между ними млрд. лет наше время. Рост крупных структур прекратился, поскольку космическое ускорение препятствует уплотнению.
СТРОИТЕЛЬСТВО ВСЕЛЕННОЙ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
Макс Тегмарк
Эволюция снабдила нас интуицией в отношении повседневной физики, жизненно важной для наших далеких предков поэтому, как только мы выходим за рамки повседневности, мы вполне можем ожидать странностей
поставила это интуитивное представление под сомнение. Пространство может быть конечным,
если оно имеет положительную кривизну или необычную топологию. Сферическая, тороидальная или «кренделевидная» вселенная может иметь конечный объем, не имея границ. Фоновое космическое микроволновое излучение позволяет проверить существование подобных структур.
Однако до сих пор факты говорят против них.
Данным соответствует модель бесконечной вселенной, а на все прочие варианты наложены строгие ограничения.
Другой вариант таков пространство бесконечно, но материя сосредоточена в ограниченной области вокруг нас. Водном из вариантов некогда популярной модели островной Вселенной»
принимается, что на больших масштабах вещество разрежается и имеет фрактальную структуру. В обоих случаях почти все вселенные в сверхвселенной уровня I должны быть пусты и безжизненны. Последние исследования трехмерного распределения галактики фонового
(реликтового) излучения показали, что распределение вещества стремится к однородному в больших масштабах и не образует структур размером болеем. Если такая тенденция сохраняется,
то пространство за пределами наблюдаемой Вселенной должно изобиловать галактиками, звездами и планетами.
Для наблюдателей в параллельных вселенных первого уровня действуют те же законы физики,
что и для нас, но при иных стартовых условиях.
Согласно современным теориям, процессы, протекавшие на начальных этапах Большого взрыва, беспорядочно разбросали вещество, так что была вероятность возникновения любых структур. Космологи принимают, что наша Вселенная с почти однородным распределением вещества и начальными флуктуациями плотности порядка весьма типична (по крайней мере, среди тех, в которых есть наблюдатели. Оценки на основе этого допущения показывают, что ваша ближайшая точная копия находится на расстоянии в степени 10 м. На расстоянии 10 в степени м должна располагаться сфера радиусом световых лет, идентичная той, в центре которой находимся мы так что все, что в следующем веке увидим мы, увидят и находящиеся там наши двойники. На расстоянии около 10 в степени мот нас должен существовать объем Хаббла,
идентичный нашему.
Эти оценки выведены путем подсчета возможного числа квантовых состояний, которые может иметь объем Хаббла, если его температура не превышает 108 К. Число состояний можно оценить, задавшись вопросом сколько протонов способен вместить объем Хаббла с такой температурой Ответ – 10 118
. Однако каждый протон может либо присутствовать, либо отсутствовать,
что дает 2 в степени 10 возможных конфигураций. Короб, содержащий такое количество объемов Хаббла, охватывает все возможности. Размер его составляет 10 в степени 10 м. За его пределами вселенные, включая нашу, должны повторяться. Примерно те же цифры можно получить на основе термодинамических или кван(
товогравитационных оценок общего информационного содержания Вселенной.
Впрочем, наш ближайший двойник скорее всего находится к нам ближе, чем дают эти оценки,
поскольку процесс формирования планет и эволюция жизни благоприятствуют этому. Астрономы полагают, что наш объем Хаббла содержит по крайней мере 10 пригодных для жизни планет, некоторые из которых могут быть похожи на
Землю.
В современной космологии понятие сверхвсе(
ленной уровня I широко применяется для проверки теории. Рассмотрим, как используют космологи реликтовое излучение для того, чтобы отвергнуть модель конечной сферической геометрии. Горячие и холодные пятна на картах реликтового излучения имеют характерный размер, зависящий от кривизны пространства. Так вот, размер наблюдаемых пятен слишком мал, чтобы согласоваться со сферической геометрией. Их средний размер случайным образом меняется от одного объема Хаббла к другому, поэтому не исключено,
что наша Вселенная сферическая, но имеет аномально малые пятна. Когда космологи говорят,
что они исключают сферическую модель на доверительном уровне 99,9%, они имеют ввиду, что
22
В СЕЛЕН НА ЯМ а к с Тег м ар к
ОБЗОР:
СВЕРХВСЕЛЕННЫЕ
• Астрономические наблюдения свидетельствуют параллельные вселенные уже не метафора. Пространство, по*видимому, бесконечно, а значит, всевозможное становится реальным. За пределами досягаемости телескопов существуют области пространства, идентичные нашей ив этом смысле являющиеся параллельными вселенными. Ученые даже могут вычислить, как далеко они от нас находятся Когда же космологи рассматривают некоторые спорные теории, то приходят к выводу, что другие вселенные могут иметь совершенно иные свойства и физические законы. Существование таких вселенных может объяснить особенности нашей Вселенной и ответить на фундаментальные вопросы о природе времени и познаваемости физического мира. Далека ли копия нашей Вселенной?

ИГРУШЕЧНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Представьте себе двухмерную вселенную, вмещающую частицы. В ней возможны 24 = 16 вариантов расположения частиц. Если таких вселенных больше 16, расположения частиц должны повторяться. В этом примере
расстояние до ближайшей тождественной вселенной
составляет около 4 диаметров каждой вселенной.
НАША ВСЕЛЕННАЯ
Те же рассуждения применимы к нашей Вселенной, которая может вместить около субатомных частиц.
Число возможных расположений в ней составляет 2 в степени 10
118
. Умножая на диаметр Вселенной, получим оценку расстояния до ближайшей тождественной
вселенной: 10 в степени 10
118
м.
Простейший тип параллельной вселенной – область пространства, столь далекая от нас, что ее нельзя наблюдать. Самое большое расстояние, на котором мы можем
чтоLлибо видеть, составляет сегодня около мили около 42 млрд. световых лет, – расстояние, которое мог
пройти свет с момента Большого взрыва. (Оно больше млрд. световых лет, так как расширение пространства
увеличивает расстояния) Каждая из параллельных вселенных уровня I идентична нашей. Различия обусловлены лишь разницей в начальном распределении вещества.
СВЕРХВСЕЛЕННАЯ УРОВНЯ I
2 3 10
–13
метров
Параллельная вселенная
Параллельная вселенная
Параллельная вселенная, тождественная нашей
10
10
118
метров
8 3 метров частицы
2
4
расположений
10
118
частиц
2
10118
расположений
Все 16 возможностей
Расстояние повторения
Граница области, доступной для наблюдений 2
3 4
4310
26
метров
Наша Вселенная
если модель верна, то меньше чем один объем
Хаббла из тысячи будет характеризоваться столь малыми пятнами, как наблюдаемые. Из этого следует, что теория сверхвселенной поддается проверке и может быть отвергнута, хотя мы и не в состоянии видеть иные вселенные. Главное – предсказать, что представляет собой ансамбль параллельных вселенных, и найти распределение вероятностей или то, что математики называют мерой ансамбля. Наша Вселенная должна быть одной из наиболее вероятных. Если же нет, если в рамках теории сверхвселенной наша
Вселенная окажется маловероятной, то эта теория столкнется с трудностями. Как мы увидим далее,
проблема меры может стать весьма острой.
Уровень II Другие постинфляционные домены
Если вам трудно было представить сверхвсе(
ленную уровня I, то попытайтесь вообразить бесконечное множество таких сверхвселенных,
часть которых имеет иную размерность про(
странства(времени и характеризуется иными физическими константами. В совокупности они составляют сверхвселенную уровня II, предсказанную теорией хаотической вечной инфляции. Теория инфляции – это обобщение теории
Большого взрыва, позволяющее устранить недочеты последней, например, неспособность объяснить, почему Вселенная столь велика, однородна и плоска. Быстрое растяжение пространства в давние времена позволяет объяснить эти и многие другие свойства Вселенной. Такое растяжение предсказывается широким классом теорий элементарных частиц, и все имеющиеся свидетельства подтверждают его. Выражение хаотическая вечная по отношению к инфляции указывает на то, что происходит в самых крупных масштабах. В целом пространство постоянно растягивается, нов некоторых областях расширение прекращается, и возникают отдельные домены, как изюминки в поднимающемся тесте.
Появляется бесконечное множество таких доменов, и каждый из них служит зародышем
А ль м ан ах КОСМОС ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
СВЕРХВСЕЛЕННАЯ УРОВНЯ Зарождение доменов
Квантовое поле, называемое инфлатоL
ном, вызывает быстрое раздувание пространства, в большей части которого
случайные флуктуации не позволяют
полю ослабевать. Области, в которых
поле теряет интенсивность и расширение замедляется, становятся доменами.
Улики
Космологи заподозрили существование параллельных вселенных уровня II, изучая такие
свойства нашей вселенной,
как интенсивность природных
сил левая диаграмма) и число
наблюдаемых измерений пространства и времени (правая
диаграмма).
Значения этих параметров, установившиеся входе случайных процессов в период рождения вселенной, благоприятны
для возникновения жизни. Логично предполагать, что существуют вселенные с иными
свойствами.
Теория космологической инфляции приводит к более
сложному типу параллельных вселенных. Предполагается, что наша сверхвселенная уровня I (те. наша Вселенная и прилегающие к ней области пространства) образует домен в большем, но пустом пространстве, где существуют другие домены, несвязанные с нашим. Флуктуации квантовых полей в процессе зарождения доменов
придают каждому свойства, отличающие его от других.
Наша
сверхвселенная
уровня Наша
Вселенная
Параллельная
сверхвселенная
уровня I
ALFRED T. KAMAJIAN
(background)
; CORNELIA BLIK
(top inset)
; SARA CHEN
(bottom inset)
ALFRED T.
KAMAJIAN
(background)
; CORNELIA BLIK
(top inset)
; SARA CHEN
(bottom inset)
Параллельная
сверхвселенная
уровня Пустое
пространство
раздувается
Расстояние
Интенсивность электромагнетизма
0
10
L1
1
10
0
1
2
3
4
10
1
10
L1
0
5
4
3
2
1
0
Число больших измерений пространства
Звезды
взрываются
Мы
здесь
Мы
здесь
Все
атомы
нестаL
бильны
События совершенно неL
предсказуемы
События совершенно неL
предсказуемы
Сложные
структуры не
могут сущестL
вовать
Поля
нестаL
бильны
Атомы
нестаL
бильны
Все атомы раL
диоактивны
Преобладают гравитации
Прогноз теории великого
объединения Углерод нестабилен
Дейтерий нестабилен
ИнтенсивL
ность поля
Интенсивность сильного взаимодействия
Число больших измерений времени
Космологические данные позволяют сделать вывод, что пространство существует и за пределами обозреваемой нами Вселенной. С помощью спутника WMAP были измерены флуктуации реликтового излучения
(слева). Самые сильные имеют угловой размер чуть более полугра*
дуса левый график, откуда следует, что пространство очень велико или бесконечно. (Правда, некоторые космологи считают, что выпадающая точка слева на графике говорит оконечности пространства.)
Данные спутника и обзор красных смещений галактик 2dF свидетельствуют, что в очень больших масштабах пространство заполнено веществом однородно правый графика значит, другие вселенные должны быть в основном подобны нашей.
Радиус пространства, млрд. св. лет 2 4 8 16
20 5 2 1 0,5 Радиус сферы, св. годы
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
25
10
23
10
21
10
19
10
17
10
15
10
13
Угловой размер, градусы 0
7
1 0
8
1 0
9
1 0
1 0
1 0
1 1
Сферическая
геометрия
Гиперболическая
геометрия
Плоская геометL
рия
Однородная
плотность
Распределение галактик
Реликтовое излучение
Неоднородности температуры, мкК
Масса внутри сферы, солнечные массы
Размер Вселенной
большое изменение физических констант, определяемых нарушением симметрии, приводит к качественно иной вселенной – такой, в которой мы бы не могли существовать. Будь масса протона больше всего на 0,2%, протоны распадались бы с образованием нейтронов, делая атомы нестабильными. Будь силы электромагнитного взаимодействия слабее на 4%, не существовало бы водорода и обычных звезд. Будь слабое взаимодействие еще слабее, не было бы водорода а будь оно сильнее, сверхновые не могли бы заполнять межзвездное пространство тяжелыми элементами. Будь космологическая постоянная заметно больше, Вселенная невероятно раздулась бы еще до того, как смогли образоваться галактики.
Приведенные примеры позволяют ожидать существование параллельных вселенных с иными значениями физических констант. Теория сверх(
вселенной второго уровня предсказывает, что физики никогда не смогут вывести значения этих констант из фундаментальных принципов, а смогут лишь рассчитывать распределение вероятностей различных наборов констант в совокупности всех вселенных. При этом результат должен согласоваться с нашим существованием водной из них.
Уровень Квантовое множество вселенных
Сверхвселенные уровней I и II содержат параллельные вселенные, чрезвычайно удаленные от нас за пределы возможностей астрономии. Однако следующий уровень сверхвселенной лежит прямо вокруг нас. Он возникает из знаменитой и весьма спорной интерпретации квантовой механики – идеи о том, что случайные квантовые процессы заставляют вселенную «размножаться»,
образуя множество своих копий – по одной для каждого возможного результата процесса.
В начале ХХ в. квантовая механика объяснила природу атомного мира, который не подчинялся законам классической ньютоновской механики. Несмотря на очевидные успехи, среди физиков шли жаркие споры о том, в чем же истинный смысл новой теории. Она определяет состояние Вселенной не в таких понятиях классической механики, как положения и скорости всех частица через математический объект,
называемый волновой функцией. Согласно уравнению Шрёдингера, это состояние изменяется стечением времени таким образом, который математики определяют термином унитарный. Он означает, что волновая функция вращается в абстрактном бесконечномерном пространстве, называемом гильбертовым. Хотя квантовую механику часто определяют как принципиально случайную и неопределенную,
волновая функция эволюционирует вполне детерминистским образом. В отношении нее нет ничего случайного или неопределенного.
Самое трудное – связать волновую функцию стем, что мы наблюдаем. Многие допустимые волновые функции соответствуют противоестественным ситуациям вроде той, когда кошка одновременно и мертва, и жива в виде так называемой суперпозиции. В е гг. XX в. физики обошли эту странность, постулировав, что волновая функция коллапсирует к некоторому определенному классическому исходу, когда кто(либо осуществляет наблюдение. Это дополнение позволило объяснить результаты наблюдений, но превратило изящную унитарную теорию в неряшливую и не унитарную.
Принципиальная случайность, приписываемая обычно квантовой механике, является следствием именно этого постулата.
Со временем физики отказались от этой точки зрения в пользу другой, предложенной в 1957 г.
выпускником Принстонского университета Хью
Эвереттом (Hugh Everett III). Он показал, что можно обойтись и без постулата о коллапсе. Чистая квантовая теория не налагает никаких ограничений. Хотя она и предсказывает, что одна классическая реальность постепенно расщепляется на суперпозицию нескольких таких реальностей,
наблюдатель субъективно воспринимает это расщепление просто как небольшую хаотичность с распределением вероятностей, в точности совпадающим стем, которое давал старый постулат коллапса. Эта суперпозиция классических вселенных и есть сверхвселенная уровня Более сорока лет такая интерпретация смущала ученых. Однако физическую теорию легче понять, сравнивая две точки зрения внешнюю, с позиции физика, изучающего математические уравнения (подобно птице, оглядывающей пейзаж с высоты своего полета и внутреннюю, с позиции наблюдателя (назовем его лягушкой, живущего на ландшафте, обозреваемом птицей.
С точки зрения птицы, сверхвселенная уровня III является простой. Существует всего одна волновая функция, которая плавно эволюционирует во времени без расщепления и параллелизма. Абстрактный квантовый мир, описываемый эволюционирующей волновой функцией, содержит в себе огромное количество непрерывно расщепляющихся и сливающихся линий параллельных классических историй, а также ряд квантовых явлений, неподдающихся описанию
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом