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
страница5 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
Квантовая механика, обобщая понятие в другом месте»,
предсказывает существование множества параллельных
вселенных, расположенных в абстрактном пространстве
всех возможных состояний и проявляющих себя в таких
лабораторных экспериментах, как интерференция волн и
квантовые вычисления.
СВЕРХВСЕЛЕННАЯ УРОВНЯ КВАНТОВЫЕ КОСТИ
Вообразите игральную кость, случайность выпадения сторон которой
имеет чисто квантовую природу. Тогда, согласно квантовой механике, все
шесть чисел должны выпадать одновременно, новы наблюдаете иное;
значит, можно предположить, что
разные числа выпадают в разных
вселенных. В каждой шестой из них
выпадает 1, в другой шестой – 2 и т.д.
Находясь водной из вселенных, мы
можем воспринимать только часть
полной квантовой реальности.
ЭРГОДИЧНОСТЬ
Согласно принципу эргодичности, квантовые параллельные
вселенные эквивалентны более прозаичным типам параллельных вселенных. Со временем квантовая вселенная распадается наряд новых вселенных слева, которые не отличаются от уже существующих, например от других вселенных уровня I справа. Важно, что параллельные вселенные
любого типа охватывают различные пути развития событий.
ПРИРОДА ВРЕМЕНИ
Большинство людей считает время средством
описания изменений. В один момент вещество
расположено одним образом, а в другой – уже
иным слева. Концепция множества вселенных подразумевает другую точку зрения. Если
параллельные вселенные содержат всевозможные расположения вещества справа, то
время – это просто средство размещения вселенных в последовательном порядке. Сами
вселенные при этом представляются статичными, а все изменения являются иллюзией Уильям Оккам (William Occam) – философ*схоласт XIV в.,
утверждавший, что понятия, не сводимые к интуитивному и опытному знанию, должны изгоняться из науки (принцип
«бритвы Оккама»).
Был ли Большой взрыв началом времени или
Вселенная существовала и до него Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики ив частности,
появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе. Вопрос о начале начал занимал философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля
Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous?
Ou allons-nous?» Откуда мы пришли Кто мы такие Куда мы идем. Полотно изображает извечный цикл рождение, жизнь и смерть – происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и протожизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос также не вечен, как и мы?
Еще древние греки ожесточенно спорили о происхождении времени. Аристотель отвергал идею о наличии некоего начала, объясняя это тем, что из ничего ничто не возникает. А поскольку Вселенная не могла возникнуть из небытия, значит, она существовала всегда. Таким образом, время должно бесконечно простираться в прошлое ив будущее. Христианские богословы отстаивали противоположную точку зрения. Так,
Блаженный Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени и может создавать их точно также, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос Что Бог делал прежде,
чем создал мир знаменитый теолог отвечал:
«Время само является частью божьего творения,
просто не было никакого прежде
Современные космологи пришли к похожему заключению на основании общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой пространство и время – мягкие, податливые сущности.
Во вселенских масштабах пространство по своей природе динамично со временем оно расширяется или сокращается, увлекая за собой материю. В х гг. астрономы подтвердили, что наша
Вселенная в настоящее время расширяется галактики удаляются друг от друга. Из этого следует, что время не может бесконечно простираться в прошлое – еще в1960-х гг. это доказали Стивен
Хокинг (Steven Hawking) и Роджер Пенроуз (Roger
Penrose). Если мы будем просматривать космическую историю в обратном порядке, то увидим,
как все галактики будто проваливаются в черную дыру и сжимаются в единственную бесконечно малую точку – сингулярность. При этом плотность материи, ее температура и кривизна прост(
ранства-времени обращаются в бесконечность.
На сингулярности наша космическая родословная обрывается и дальше в прошлое простираться не может.
Странное совпадение
Неизбежная сингулярность представляет собой серьезную космологическую проблему. В частности, она плохо согласуется с высокой степенью однородности и изотропности, которой характеризуется Вселенная в глобальном масштабе. Раз уж космос в широком смысле слова стал всюду одинаковым, значит, между отдаленными областями пространства существовала какая-то связь, координировавшая его свойства.
Однако это противоречит старой космологической парадигме. Давайте рассмотрим, что произошло за 13,7 млрд.
лет, прошедших с момента возникновения реликтового излучения. Из-за расширения Вселенной расстояние между галактиками выросло в 10 тыс.
раз, тогда как радиус наблюдаемой Вселенной увеличился значительно больше – приблизительно в 1 млн раз (потому что скорость света
А ль м ан ах КОСМОС дополнительная информация, необходимая для описания невидимых миров.
Однако весь ансамбль часто бывает проще каждого из своих членов. Информационный объем алгоритма числа есть, грубо говоря, выраженная в битах длина самой короткой компьютерной программы, генерирующей это число. Возьмем для примера множество всех целых чисел. Что проще – все множество или отдельное число На первый взгляд – второе. Однако первое можно построить с помощью очень простой программы, а отдельное число может быть чрезвычайно длинным. Поэтому все множество оказывается проще.
Аналогично, множество всех решений уравнений Эйнштейна для поля проще каждого конкретного решения – первое состоит всего из нескольких уравнений, а второе требует задания огромного количества начальных данных на некой гиперповерхности. Итак, сложность возрастает, когда мы сосредоточиваем внимание на отдельном элементе ансамбля, теряя симметрию и простоту, свойственные совокупности всех элементов.
В этом смысле сверхвселенные более высоких уровней проще. Переход от нашей Вселенной к сверхвселенной уровня I исключает необходимость задавать начальные условия. Дальнейший переход к уровню II устраняет необходимость задавать физические константы, а на уровне IV вообще ничего задавать ненужно. Чрезмерная сложность – это лишь субъективное восприятие,
точка зрения лягушки. Ас позиции птицы, эта сверхвселенная едва ли может быть еще проще.
Жалобы на непостижимость имеют эстетическую,
а ненаучную природу и оправданы лишь при аристотелевском мировосприятии. Когда мы задаем вопрос о природе реальности, не следует ли нам ожидать ответа, который может показаться странным Общее свойство всех четырех уровней сверх(
вселенной состоит в том, что простейшая и, по(
видимому, самая изящная теория по умолчанию включает в себя параллельные вселенные. Чтобы отвергнуть их существование, нужно усложнить теорию, добавив не подтверждаемые экспериментом процессы и придуманные для этого постулаты – оконечности пространства, коллапсе волновой функции и онтологической асимметрии. Наш выбор сводится к тому, что считать более расточительными неизящным – множество словили множество вселенных. Возможно, со временем мы привыкнем к причудам нашего космоса и сочтем его странность очаровательной. В мире науки, №8, ВСЕЛЕН НА ЯМ а к с Тег м ар к

Вселенные могут различаться не только местоположением, космологическими свойствами или квантовыми состояниями, но и законами физики. Они существуют вне времени и пространства, и их почти невозможно изобразить. Человек может рассматривать их
только абстрактно как статические скульптуры, представляющие математические структуры физических
законов, которые управляют ими. Рассмотрим простую вселенную, состоящую из Солнца, Земли и Луны,
подчиняющихся законам Ньютона. Для объективного
наблюдателя такая вселенная представляется кольцом (орбита Земли, размазанная во времени, обернутым оплеткой (орбита Луны вокруг Земли. Другие формы олицетворяют иные физические законы (a,
b, c, d). Этот подход позволяет разрешить ряд фундаментальных проблем физики.
СВЕРХВСЕЛЕННАЯ УРОВНЯ IV
a
b
c
d
Солнце
Орбита
Земли
МИФ О НАЧАЛЕ ВРЕМЕН
Габриель Венециано
Согласно теории струн, Большой взрыв был не началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния
действия, предложенной Шелдоном Глэшоу
(Sheldon Glashow), Стивеном Вейнбергом (Steven
Weinberg) и Абдусом Саламом (Abdus Salam) в конце х гг. Более обещающим мне представляется второй подход – теория струн, действительно революционная модификация теории Эйнштейна.
Она выросла из модели, предложенной мною в 1968 г. для описания ядерных частиц (протонов и нейтронов) и их взаимодействий. К сожалению, модель оказалась не совсем удачной, и через несколько лет от нее отказались, предпочтя квантовую хромодинамику, согласно которой протоны и нейтроны состоят из кварков.
Последние ведут себя так, словно связаны между собой упругими струнами. Изначально теория струн была посвящена описанию струнных свойств ядерного мира. Однако вскоре ее стали рассматривать как возможный вариант объединения общей теории относительности и квантовой механики. Основная идея состоит в том, что элементарные частицы – не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты, называемые струнами. Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Как же столь бесхитростная теория описывает сложный мир частиц и их взаимодействий Секрет в так называемой магии квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне,
вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.
Во-первых, квантовые струны имеют конечный размер. Обычную (неквантовую) скрипичную струну можно было бы разрезать пополам,
А ль м ан ах КОСМОС МИФ О НАЧАЛЕ ВРЕМЕН
превышает скорость расширения. Сегодня мы наблюдаем те области Вселенной, которые не могли бы видеть 13,7 млрд. лет назад. Впервые в космической истории свет от наиболее отдаленных галактик достиг Млечного Пути. Тем не менее свойства Млечного Пути в основном такие же, как у отдаленных галактик. Если на вечеринке вы встретите двух одинаково одетых людей, то это можно объяснить простым совпадением. Однако если в похожих нарядах будут десять человек – значит, они заранее договорились о форме одежды. Сегодня мы наблюдаем десятки тысяч независимых участков небесной сферы со статистически идентичными характеристиками реликтового фона. Возможно, такие области пространства уже при рождении были одинаковыми,
т.е. однородность Вселенной – простое совпадение. Однако физики придумали два более правдоподобных объяснения на начальной стадии развития Вселенная была либо намного меньше,
либо намного старше, чем считалось раньше. Чаще всего предпочтение отдается первой альтернативе. Считается, что молодая Вселенная прошла период инфляции, те. ускоряющегося расширения. До него галактики (точнее, их прародители) были очень плотно упакованы и поэтому стали похожи друг на друга. Вовремя инфляции они потеряли контакт, ибо свет не успевал за неистовым расширением. Когда инфляция закончилась, расширение начало замедляться и галактики снова оказались в поле зрения друг друга. Виновницей стремительного инфляционного всплеска физики считают потенциальную энергию, накопленную спустя с после Большого взрыва в особом квантовом поле – инфлатоне. Потенциальная энергия в отличие от массы покоя и кинетической энергии приводит к гравитационному отталкиванию. Тяготение обычной материи замедляло бы расширение, а инфлатон, напротив, ускорял его. Появившаяся в 1981 г. теория инфляции точно объясняет результаты целого ряда наблюдений см. Четыре ключа к космологии, стр. 13)
. Однако до сих пор не ясно,
что представлял собой инфлатон и откуда у него взялось столько потенциальной энергии. Вторая альтернатива подразумевает отказ от сингулярности. Если время началось не в момент
Большого взрыва, а Вселенная возникла задолго до начала нынешнего космического расширения,
то у материи было достаточно времени, чтобы плавно самоорганизоваться. Поэтому ученые решили пересмотреть рассуждения, приводящие к мысли о сингулярности. Весьма сомнительным представляется предположение о том, что теория относительности справедлива всегда. Ведь в ней не учитываются квантовые эффекты, которые должны были доминировать вблизи сингулярности. Чтобы окончательно во всем разобраться, нужно включить общую теорию относительности в квантовую теорию гравитации. Над этой задачей теоретики бились со времен Эйнштейна, но лишь в середине х гг.
дело сдвинулось с мертвой точки.
Эволюция революции
Сегодня рассматриваются два подхода. В теории петлевой квантовой гравитации теория относительности сохраняется по существу нетронутой, изменяется только процедура ее применения в квантовой механике см. статью Ли
Смолина Атомы пространства ивремени», В мире науки, №4, 2004 г. В последние годы сторонники петлевой квантовой гравитации добились больших успехов и достигли глубокого понимания, однако их подход недостаточно кардинален для решения фундаментальных проблем квантования тяготения. С похожей проблемой столкнулись специалисты по теории элементарных частиц. В 1934 г. Энрико Ферми Fermi) предложил эффективную теорию слабого ядерного взаимодействия, но попытки построить ее квантовый вариант поначалу потерпели фиаско. Требовалась не новая методика, а концептуальные изменения, которые были воплощены в теории электрослабого взаимо(
34
В СЕЛЕН НА ЯГ а б р и ель Венец и ан о
ОБЗОР: СТРУННАЯ КОСМОЛОГИЯ С давних пор философы спорят о том, есть ли у Вселенной определенное происхождение или она существовала всегда. Общая теория относительности подразумевает конечность бытия – расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва Однако в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер. В теории струн, которая претендует название квантовой теории гравитации, вводится новая фундаментальная физическая постоянная – минимальный квант длины. В результате старый сценарий Вселенной,
рожденной в Большом взрыве, становится несостоятельным Большой взрыв все же имел место, но плотность материи в тот момент не была бесконечной, а Вселенная,
возможно, существовала и до него. Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала,
ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения. В любом случае эпоха до Большого взрыва оказала огромное влияние на современный космос.
ДВЕ ВЕРСИИ НАЧАЛА
В нашей расширяющейся Вселенной галактики разбегаются, словно рассеивающаяся толпа. Они удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними галактики, разделенные 500 млн. световых лет,
разбегаются вдвое быстрее, чем галактики, разнесенные на 250 млн. световых лет. Таким образом, все наблюдаемые нами галактики должны были в момент Большого взрыва одновременно стартовать из одного итого же места. Это справедливо даже в том случае, если космическое расширение проходит периоды ускорения и замедления. На диаграммах пространства и времени см. ниже) галактики перемещаются по извилистым путям в наблюдаемую часть пространства и из нее желтый клин. Однако пока точно неизвестно, что же происходило в тот момент, когда галактики (или их предшественники) начали разлетаться. В стандартной модели с Большим взрывом, основанной на общей теории относительности, расстояние между любыми двумя галактиками в определенный момент нашего прошлого равнялось нулю. До этого момента время не имеет смысла.
В моделях, учитывающих квантовые эффекты, в момент старта любые две галактики были разделены некоторым минимальным расстоянием. Такие сценарии не исключают возможности существования Вселенной до Большого взрыва
затем одну из половинок снова порвать на две части итак далее, пока не получилась бы точечная частица с нулевой массой. Однако принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет нам разделить струну на части длиной меньше, чем приблизительном. Мельчайший квант длины обозначается и представляет собой природную константу, которая в теории струн стоит водном ряду со скоростью света c и постоянной
Планка h.
Во-вторых, даже безмассовые квантовые струны могут иметь угловой момент. В классической физике тело с нулевой массой не может обладать угловым моментом, поскольку он определяется как произведение скорости, массы и расстояния до оси. Но квантовые флуктуации изменяют ситуацию. Угловой момент крошечной струны может достигать 2h, даже если ее масса равняется нулю, что в точности соответствует свойствам переносчиков всех известных фундаментальных сил, таких как фотон и гравитон. Исторически именно эта особенность углового момента привлекла внимание к теории струн как к кандидату название теории квантовой гравитации.
В-третьих, квантовые струны требуют существования дополнительных пространственных измерений. Классическая скрипичная струна будет колебаться независимо оттого, каковы свойства пространства и времени. Квантовая струна более привередлива уравнения, описывающие ее колебания, остаются непротиворечивыми только в том случае, если пространство-время сильно искривлено (что противоречит наблюдениям) или содержит шесть дополнительных измерений.
В-четвертых, физические постоянные, которые определяют свойства природы и входят в уравнения, отражающие закон Кулона и закон всемирного тяготения, перестают быть независимыми, фиксированными константами. В теории струн их значения динамически задаются полями, похожими на электромагнитное. Возможно,
напряженность полей была неодинакова на протяжении различных космологических эпох или в отдаленных областях пространства. Теория струн получит серьезное экспериментальное подтверждение, если ученым удастся зарегистрировать хотя бы незначительное изменение физических констант. Центральное место в теории струн занимает одно из таких полей – дилатон. Оно определяет общую силу всех взаимодействий. Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения – го по счету. Связывание свободных концов

Наконец квантовые струны помогли физикам открыть новый вид природной симметрии – дуализм, который изменяет наше интуитивное представление о том, что происходит, когда объекты становятся чрезвычайно малыми. Я уже ссылался на одну из форм дуализма обычно длинная струна тяжелее, чем короткая, но если мы попытаемся сделать ее короче фундаментальной длины ls, то она снова начнет тяжелеть. Поскольку струны могут двигаться более сложными способами, чем точечные частицы, существует и другая форма симметрии – дуализм, который выражается в том, что маленькие и большие дополнительные измерения эквивалентны. Рассмотрим замкнутую струну (петлю, расположенную в цилиндрическом пространстве, круговое сечение которого представляет собой одно конечное дополнительное измерение. Струна может не только колебаться, но и вращаться вокруг цилиндра или наматываться на него см. рис. на стр. Энергетическая стоимость обоих состояний струны зависит от размеров дополнительного измерения. Энергия наматывания прямо пропорциональна его радиусу чем больше цилиндр, тем сильнее растягивается струна и тем больше энергии она запасает. Сдругой стороны, энергия, связанная с вращением, обратно пропорциональна радиусу цилиндрам большего радиуса соответствуют более длинные волны, а значит, более низкие частоты и меньшие значения энергии.
Если большой цилиндр заменить малым, два состояния движения могут поменяться ролями:
энергия, связанная с вращением, может быть обеспечена наматыванием и наоборот. Внешний наблюдатель замечает только величину энергии,
а не ее происхождение, поэтому для него большой и малый радиусы физически эквивалентны. Хотя дуализм обычно описывается на примере цилиндрических пространств, в которых одно из измерений (окружность) конечно, один из его вариантов применяется к обычным трем измерениям, которые, похоже, простираются безгранично. О расширении бесконечного пространства нужно говорить с осторожностью. Его полный размер не может измениться и остается бесконечным. Но все же оно способно расширяться в том смысле, что расположенные в нем тела (например галактики) могут удаляться друг от друга. В данном случае значение имеет не размер пространства в целом, а его масштабный коэффициент, в соответствии с которым происходит изменение расстояний между галактиками и их скоплениями, заметное по красному смещению.
Согласно принципу дуализма, вселенные и с малыми, и с большими масштабными коэффициентами эквивалентны. В уравнениях Эйнштейна такой симметрии нет она является следствием унификации, заключенной в теории струн, причем центральную роль здесь играет дилатон.
Когда-то бытовало мнение, что дуализм присущ только замкнутым струнам, поскольку
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом