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
страница4 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
А ль м ан ах КОСМОС ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
сверхвселенной уровня I, заполненной веществом,
рожденным энергией поля, вызывающего инфляцию.
Соседние домены удалены от нас более чем на бесконечность, в том смысле, что их невозможно достичь, даже если вечно двигаться со скоростью света, поскольку пространство между нашим доменом и соседними растягивается быстрее, чем можно перемещаться в нем. Наши потомки никогда не увидят своих двойников на уровне II. А если расширение Вселенной ускоряется, как о том свидетельствуют наблюдения, то они никогда не увидят своих двойников даже на уровне I.
Сверхвселенная уровня II гораздо разнообразнее сверхвселенной уровня I. Домены различаются не только начальными условиями, но и своими фундаментальными свойствами. У физиков преобладает мнение, что размерность пространства(
времени, свойства элементарных частиц и многие так называемые физические константы не встроены в физические законы, а являются результатом процессов, известных как нарушение симметрии.
Предполагают, что пространство в нашей Вселенной некогда имело девять равноправных измерений. Вначале космической истории три из них приняли участие в расширении и стали теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную. Шесть остальных сейчас невозможно обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, сохранив тороидальную топологию, либо потому, что вся материя сосредоточена в трехмерной поверхности (мембране, или просто бране) в девятимерном пространстве. Так была нарушена исходная симметрия измерений. Квантовые флуктуации, обусловливающие хаотическую инфляцию, могли вызвать различные нарушения симметрии в разных кавернах. Одни могли стать четырехмерными другие – содержать только два, а не три поколения кварков а третьи – иметь более сильную космологическую постоянную, чем наша Вселенная.
Другой путь возникновения сверхвселенной уровня II можно представить как цикл рождений и разрушений вселенных. В е гг. физик Ричард Толмен (Richard C. Tolman) высказал эту идею, а недавно Пол Стейнхардт (Paul J. из Принстонского университета и Нил Тьюрок
(Neil Turok) из Кембриджского университета развили ее. Модель Стейнхардта и Тьюрока предусматривает вторую трехмерную брану, совершенно параллельную нашей и лишь смещенную относительно нее в измерении более высокого порядка. Эту параллельную вселенную нельзя считать отдельной, поскольку она взаимодействует с нашей. Однако ансамбль вселенных – прошлых,
нынешних и будущих, который эти браны образуют, представляет собой сверхвселенную с разнообразием, по(видимому, близким к возникающему в результате хаотической инфляции. Еще одну гипотезу сверхвселенной предложил физик
Ли Смолин (Lee Smolin) из Института Периметра в г. Ватерлоо (пров. Онтарио, Канада. Его сверх(
вселенная по разнообразию близка к уровню но она мутирует и порождает новые вселенные посредством черных дыра не бран.
Хотя мы и не можем взаимодействовать с параллельными вселенными уровня II, космологи судят об их существовании по косвенным признакам, поскольку они могут быть причиной странных совпадений в нашей Вселенной. Например, в гостинице вам предоставляют номер, ивы отмечаете, что родились в 1967 г. Какое совпадение, – говорите вы. Однако, подумав,
приходите к выводу, что это не так ужи удивительно. В гостинице сотни номеров, ивам не пришло бы в голову задумываться о чем(либо, если бы предложили номер, ничего для вас незначащий. Если бы вы ничего не знали о гостиницах,
то для объяснения этого совпадения вы могли бы предположить, что в гостинице существуют и другие номера. В качестве более близкого примера рассмотрим массу Солнца. Как известно, светимость звезды определяется ее массой. С помощью законов физики мы можем вычислить, что жизнь на
Земле может существовать лишь при условии,
что масса Солнца лежит в пределах от 1,6 х дох кг. В противном случае климат Земли был бы холоднее, чем на Марсе, или жарче,
чем на Венере. Измерения массы Солнца дали значение 2,0 х кг. На первый взгляд, попадание массы Солнца в интервал значений, обеспечивающий жизнь на Земле, является случайным. Массы звезд занимают диапазон от 10 до 10 32
кг;
если бы Солнце приобрело свою массу случайно,
то шанс попасть именно в оптимальный для нашей биосферы интервал был бы крайне мал. Кажущееся совпадение можно объяснить, предположив существование ансамбля (в данном случае – множества планетных систем) и фактора отбора (наша планета должна быть пригодной для жизни. Такие критерии отбора, связанные с наблюдателем, называют антропными; и хотя упоминание о них обычно вызывает полемику,
все же большинство физиков согласно, что пренебрегать этими критериями при отборе фундаментальных теорий нельзя.
А какое отношение все эти примеры имеют к параллельным вселенным Оказывается, не(
26
В СЕЛЕН НА ЯМ а к с Тег м ар к
наблюдателя. Эту мысль выразил в своем научно(
фантастическом романе Город перестановок г) писатель Грег Иган (Greg Egan) и развили физик Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета, независимый физик Джулиан
Барбу (Julian Barbour) и др. Как видим, идея сверх(
вселенной может играть ключевую роль в понимании природы времени.
Уровень IV Другие математические структуры
Начальные условия и физические константы в сверхвселенных уровней I, II и III могут различаться, но фундаментальные законы физики одинаковы. Почему мы на этом остановились?
Почему не могут различаться сами физические законы Как насчет вселенной, подчиняющейся классическим законам без каких(либо релятивистских эффектов Как насчет времени, движущегося дискретными шагами, как в компьютере А как насчет вселенной в виде пустого додекаэдра В сверхвселенной уровня IV все эти альтернативы действительно существуют.
О том, что такая сверхвселенная не является абсурдной, свидетельствует соответствие мира отвлеченных рассуждений нашему реальному миру. Уравнения и другие математические понятия и структуры – числа, векторы, геометрические объекты – описывают реальность с удивительным правдоподобием. И наоборот, мы воспринимаем математические структуры как реальные. Да они и отвечают фундаментальному критерию реальности одинаковы для всех, кто их изучает. Теорема будет верна независимо оттого, кто ее доказал – человек, компьютер или интеллектуальный дельфин. Другие любознательные цивилизации найдут те же математические структуры, какие знаем мы. Поэтому математики говорят, что они не создают, а открывают математические объекты.
Существуют две логичные, но диаметрально противоположные парадигмы соотношения математики и физики, возникшие еще в древние времена. Согласно парадигме Аристотеля, физическая реальность первична, а математический язык является лишь удобным приближением. В рамках парадигмы Платона, истинно реальны именно математические структуры, а наблюдатели воспринимают их несовершенно. Иными словами, эти парадигмы различаются пониманием того, что первично – лягушачья точка зрения наблюдателя (парадигма Аристотеля) или птичий взгляд с высоты законов физики (точка зрения
Платона).
Парадигма Аристотеля – это то, как мы воспринимали мир с раннего детства, задолго то того,
как впервые услышали о математике. Точка зрения Платона – это приобретенное знание. Современные физики(теоретики склоняются к ней,
предполагая, что математика хорошо описывает
Вселенную именно потому, что Вселенная мате(
матична по своей природе. Тогда вся физика сводится к решению математической задачи, и безгранично умный математик может лишь на основе фундаментальных законов рассчитать картину мира на уровне лягушки, те. вычислить,
какие наблюдатели существуют во Вселенной,
что они воспринимают и какие языки они изобрели для передачи своего восприятия.
Математическая структура – абстракция, неизменная сущность вне времени и пространства.
Если бы история была кинофильмом, то математическая структура соответствовала не одному кадру, а фильму в целом. Возьмем для примера мир, состоящий из частиц нулевых размеров,
распределенных в трехмерном пространстве.
С точки зрения птицы, в четырехмерном про(
странстве(времени траектории частиц представляют собой спагетти. Если лягушка видит частицы движущимися с постоянными скоростями,
то птица видит пучок прямых, не сваренных
«спагетти». Если лягушка видит две частицы, обращающиеся по орбитам, то птица видит две
«спагеттины», свитые в двойную спираль. Для лягушки мир описывают законы движения и тяготения Ньютона, для птицы – геометрия
«спагетти», те. математическая структура. Сама лягушка для нее – толстый их клубок, сложное переплетение которых соответствует группе частиц, хранящих и перерабатывающих информацию. Наш мир сложнее рассмотренного примера, и ученые не знают, какой из математических структур он соответствует.
В парадигме Платона заключен вопрос почему наш мир таков, каков он есть Для Аристотеля это бессмысленный вопрос мир есть, ион таков!
Но последователи Платона интересуются а мог бы наш мир быть иным Если Вселенная матема(
тична по сути, то почему в ее основе лежит только одна из множества математических структур?
Похоже, что фундаментальная асимметрия заключена в самой сути природы.
Чтобы разгадать головоломку, я выдвинул предположение, что математическая симметрия существует что все математические структуры реализуются физически, и каждая из них соответствует параллельной вселенной. Элементы этой сверхвселенной не находятся водном и том
А ль м ан ах КОСМОС ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
в рамках классических представлений. Нос точки зрения лягушки, можно видеть только малую часть этой реальности. Она может видеть вселенную уровня I, однако процесс нарушения когерентности, подобный коллапсу волновой функции, нос сохранением унитарности, не позволяет ей видеть параллельные копии самой себя на уровне Когда наблюдателю задают вопрос, на который он должен быстро дать ответ, квантовый эффект в его мозге приводит к суперпозиции решений вроде такой продолжать читать статью и бросить читать статью. Сточки зрения птицы, акт принятия решения заставляет человека размножиться на копии, одни из которых продолжают читать, а другие прекращают чтение. Однако с внутренней точки зрения, ни один из двойников не знает о существовании других и воспринимает расщепление просто как небольшую неопределенность, некоторую вероятность продолжения или прекращения чтения.
Сколь бы странным это ни казалось, но точно такая же ситуация возникает даже в супервсе(
ленной уровня I. Очевидно, вы решили продолжать чтение, но кто(то из ваших двойников в далекой галактике отложил журнал после первого же абзаца. Уровни I и III различаются только тем,
где находятся ваши двойники. На уровне I они живут где(то далеко, в добром старом трехмерном пространстве, а на уровнена другой квантовой ветви бесконечномерного гильбертова пространства.
Существование уровня III возможно лишь при условии, что эволюция волновой функции во времени унитарна. До сих пор эксперименты не выявили ее отклонений от унитарности. В последние десятилетия ее подтверждали для всех более крупных систем, включая фуллерен Си оптические волокна километровой длины. В теоретическом плане положение об унитарности было подкреплено открытием нарушения когерентности. Некоторые теоретики, работающие в области квантовой гравитации, ставят ее под сомнение. В частности,
предполагается, что испаряющиеся черные дыры могут разрушать информацию, а это не унитарный процесс. Однако недавние достижения в теории струн позволяют считать, что даже квантовое тяготение является унитарным. Если это так, то черные дыры не разрушают информацию, а просто передают ее куда(то. Если физика унитарна, стандартная картина влияния квантовых флуктуаций на начальных этапах Большого взрыва должна быть изменена.
Эти флуктуации неслучайным образом определяют суперпозицию всех возможных начальных условий, которые сосуществуют одновременно.
При этом нарушение когерентности заставляет начальные условия вести себя классическим образом на различных квантовых ветвях. Ключевое положение гласит распределение исходов на разных квантовых ветвях одного объема Хаббла
(уровень III) идентично распределению исходов в разных объемах Хаббла одной квантовой ветви
(уровень I). Это свойство квантовых флуктуаций известно в статистической механике как эрго(
дичность.
Эти же рассуждения применимы к уровню Процесс нарушения симметрии приводит не к однозначному исходу, а к суперпозиции всех исходов, которые быстро расходятся по своим отдельным путям. Таким образом, если физические константы, размерность пространства(времени и проч. могут различаться в параллельных квантовых ветвях на уровне III, то они будут также различаться в параллельных вселенных на уровне Иными словами, сверхвселенная уровня III не добавляет ничего нового к тому, что имеется на уровнях I и II, лишь большее число копий тех же самых вселенных – такие же исторические линии развиваются снова и снова на разных квантовых ветвях. Горячие споры вокруг теории Эверетта,
похоже, скоро утихнут в результате открытия столь же грандиозных, но менее спорных сверх(
вселенных уровней I и Приложения этих идей глубоки. Например, такой вопрос происходит ли экспоненциальное увеличение числа вселенных со временем Ответ неожиданный нет. Сточки зрения птицы, существует только одна квантовая вселенная. А каково число отдельных вселенных в данный момент для лягушки Это число заметно различающихся объемов Хаббла. Различия могут быть невелики:
представьте себе планеты, движущиеся в иных направлениях, вообразите себя с кем(то другим в браке и т.д. На квантовом уровне существуют в степени 10 вселенных с температурой не выше 10 К. Число гигантское, но конечное.
Для лягушки эволюция волновой функции соответствует бесконечному движению от одного из этих 10 в степени 10 118 состояний к другому. Сейчас вы находитесь во вселенной А, где и читаете это предложение. А теперь вы уже во вселенной В,
где читаете следующее предложение. Иначе говоря, в Весть наблюдатель, идентичный наблюдателю во вселенной Ас той лишь разницей, что у него есть лишние воспоминания. В каждый момент существуют всевозможные состояния, так что течение времени может происходить перед глазами
28
В СЕЛЕН НА ЯМ а к с Тег м ар к
же пространстве, но существуют вне времени и пространства. В большинстве из них, вероятно,
нет наблюдателей. Гипотезу можно рассматривать как крайний платонизм, утверждающий,
что математические структуры платоновского мира идей, или умственного пейзажа математика Руди Ракера (Rudy Rucker) из Университета
Сан(Хосе, существуют в физическом смысле. Это сродни тому, что космолог Джон Барроу (John D.
Barrow) из Кембриджского университета называл в небесах, философ Роберт Нозик (Robert
Nozick) из Гарвардского университета описывал как принцип плодовитости, а философ Дэвид
Льюис (David K. Lewis) из Принстонского университета именовал модальной реальностью. Уровень IV замыкает иерархию сверхвселенных, поскольку любая самосогласованная физическая теория может быть выражена в форме некой математической структуры.
Гипотеза о сверхвселенной уровня IV позволяет сделать несколько поддающихся проверке предсказаний. Как и на уровне II, она включает ансамбль (в данном случае – совокупность всех математических структур) и эффекты отбора. Занимаясь классификацией математических структур, ученые должны заметить, что структура,
описывающая наш мир, является наиболее общей из тех, что согласуются с наблюдениями. Поэтому результаты наших будущих наблюдений должны стать наиболее общими из числа тех, которые согласуются сданными прежних исследований, а данные прежних исследований – самыми общими из тех, что вообще совместимы с нашим существованием.
Оценить степень общности – непростая задача. Одна из поразительных и обнадеживающих черт математических структур состоит в том, что свойства симметрии и инвариантности, обеспечивающие простоту и упорядоченность нашей
Вселенной, как правило, являются общими. Математические структуры обычно обладают этими свойствами по умолчанию, и для избавления от них требуется введение сложных аксиом.
Что говорил Оккам?
Таким образом, теории параллельных вселенных имеют четырехуровневую иерархию, где на каждом следующем уровне вселенные все менее напоминают нашу. Они могут характеризоваться различными начальными условиями (уровень физическими константами и частицами (уровень или физическими законами (уровень IV). Забавно, что наибольшей критике в последние десятилетия подвергался уровень III как единственный, не вводящий качественно новых типов вселенных.
В грядущем десятилетии детальные измерения реликтового излучения и крупномасштабного распределения вещества во Вселенной позволят точнее определить кривизну и топологию пространства и подтвердить или опровергнуть существование уровня I. Эти же данные позволят получить сведения об уровне II путем проверки теории хаотической вечной инфляции. Успехи астрофизики и физики частиц высоких энергий помогут уточнить степень тонкой настройки физических констант, подкрепив или ослабив позиции уровня Если усилия по созданию квантового компьютера будут успешными, появится дополнительный довод в пользу существования уровня III, поскольку для параллельных вычислений будет использоваться параллелизм этого уровня. Экспериментаторы ищут также свидетельства нарушения унитарности, которые позволят отвергнуть гипотезу о существовании уровня Наконец, успех или провал попытки решить главнейшую задачу современной физики – объединить общую теорию относительности с квантовой теорией поля – даст ответ на вопрос об уровне Либо будет найдена математическая структура,
точно описывающая нашу Вселенную, либо мы наткнемся на предел невероятной эффективности математики и будем вынуждены отказаться от гипотезы об уровне Итак, можно ли верить в параллельные вселенные Основные доводы против их существования сводятся к тому, что это слишком расточительно и непостижимо. Первый аргумент состоит в том,
что теории сверхвселенной уязвимы для «бритвы
Оккама»*, поскольку они постулируют существование других вселенных, которые мы никогда не увидим. Зачем природе быть столь расточительной и развлекаться созданием бесконечного числа различных миров Однако этот аргумент можно обратить в пользу существования сверх(
вселенной. В чем именно расточительна природа Разумеется, не в пространстве, массе или количестве атомов их бесконечно много уже содержится на уровне I, существование которого не вызывает сомнений, так что нет смысла беспокоиться, что природа потратит их еще сколь(
кото. Реальный вопрос состоит в кажущемся уменьшении простоты. Скептиков беспокоит ВСЕЛЕН НА ЯМ а к с Тег м ар к

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом