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
страница6 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 МИФ О НАЧАЛЕ ВРЕМЕН
36
В СЕЛЕН НА ЯГ а б р и ель Венец и ан о
ТЕОРИЯ СТРУН
Теория струн – самая многообещающая хотя и не единственная) теория, пытающаяся описать, что происходило в момент Большого взрыва. Струны представляют собой материальные объекты, очень похожие на струны скрипки.
Когда скрипач перемещает пальцы по деке инструмента, он уменьшает длину струн и вызывает повышение частоты колебаний и, следовательно, их энергии. Если укоротить струну до суб-субатомных размеров, начнут действовать квантовые эффекты, препятствующие дальнейшему уменьшению длины.
Субатомная струна может не только перемещаться целиком или колебаться, но и завиваться, как пружина. Предположим,
что пространство имеет цилиндрическую форму. Если длина окружности больше, чем минимальная допустимая длина струны, увеличение скорости перемещения требует малого приращения энергии, а каждый виток – большого. Однако если окружность короче минимальной длины, на дополнительный виток затрачивается меньше энергии, чем на приращение скорости. Следовательно, полная эффективная энергия остается неизменной. Струна не может быть короче кванта длины, поэтому вещество в принципе не может быть бесконечно плотным.
ПРЕДВЗРЫВНОЙ СЦЕНАРИЙ
Когда плотность материи достигла максимально допустимой величины, квантовые эффекты привели к Большому взрыву. Тем временем снаружи возникали другие черные дыры, которые затем тоже становились вселенными.
Первой попыткой применить теорию струн к космологии стала разработка так называемого предвзрывного сценария,
в соответствии с которым Большой взрыв был не моментом возникновения Вселенной, а просто переходной стадией. До него расширение ускорялось, а после него – замедлялось
(по крайней мере, вначале. Путь галактики в пространст*
ве-времени справа) имеет форму бокала
пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных, образующих подпространство, известное как мембрана Дирихле, или мембрана. В 1996 г. Петр Хорава
(Petr Horava) из Калифорнийского университета и Эдвард Уиттен (Edward Witten) из Института специальных исследований в Принстоне, штат
Нью-Джерси, предположили, что наша Вселенная расположена как раз на такой мембране (см. статьи Информация в голографической Вселенной»,
«В мире науки, №11, 2003 г, и Кто нарушил закон тяготения, стр. 61). Наша неспособность воспринимать всемерное великолепие пространства объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц.
Приручение бесконечности
Все волшебные свойства квантовых струн указывают на то, что они ненавидят бесконечность.
Струны не могут стянуться в бесконечно малую точку, и поэтому им несвойственны парадоксы,
связанные с коллапсом. Отличие их размера от нуля и новые виды симметрии задают верхние границы для возрастающих физических величин и нижние – для убывающих. Специалисты по теории струн полагают, что, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространст(
ва-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности
Большого взрыва в некоторый момент ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. До появления теории струн физики отчаянно пытались придумать механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность.
Условия вблизи нулевого момента времени, соответствующего началу Большого взрыва, настолько экстремальны, что никто пока не знает,
как решать соответствующие уравнения. Тем не менее специалисты по теории струн берут на себя смелость высказывать догадки о том, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва.
Сейчас входу две модели.
Первую из них, известную как предвзрывной сценарий, мы начали разрабатывать в 1991 г. В ней принцип Т-дуализма объединяется с более известной симметрией обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. Такая комбинация позволяет говорить о новых возможных вариантах космологии, в которых Вселенная, скажем, за 5 с до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через 5 с после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях если после
Большого взрыва расширение замедлялось, то передним ускорялось. Короче говоря, Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению. Прелесть такой картины состоит в том, что она автоматически подразумевает более глубокое понимание теории инфляции Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать настолько однородной и изотропной. В стандартной теории ускорение после Большого взрыва происходит под действием введенного специально для этой цели инфлатона. В предвзрывном сценарии оно происходит перед взрывом как естественное следствие новых видов симметрии в теории струн. В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него
(см. рис. на стр. 40). Если Вселенная безгранично устремляется в будущее, в котором ее содержимое разжижается до скудной кашицы, то она также бескрайне простирается ив прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста ее заполнял лишь невероятно разреженный, хаотический газ из излучения и вещества. Силы природы, управляемые дилатоном, были настолько слабы, что частицы этого газа практически не взаимодействовали друг с другом. Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться черные дыры. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, те. Вселенная разбивалась на обособленные части.
Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями ее центр – не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность,
температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной. Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, Андрей Линде
(Andrei Linde) из Стэнфордского университета утверждает, что для того, чтобы такая модель Альманах КОСМОС МИФ О НАЧАЛЕ ВРЕМЕН

открытые струны не могут наматываться, так каких концы свободны. В 1995 г. Йозеф Полчин(
ски (Joseph Polchinski) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показал, что принцип
T-дуализма применим к открытым струнам в том случае, когда переход от больших радиусов к малым сопровождается изменением условий на концах струны. До этого физики считали, что на концы струн не действуют никакие силы и они абсолютно свободны. Вместе стем дуализм обеспечивается так называемыми граничными условиями Дирихле, при которых концы струн оказываются зафиксированными.
Условия на границе струны могут быть смешанными. Например, электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены всеми ВСЕЛЕН НА ЯГ а б р и ель Венец и ан о

ЭКПИРОТИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ
Если наша Вселенная – многомерная мембрана, плавающая в еще более многомерном пространстве, то Большой взрыв, возможно, был результатом ее соударения с параллельной мембраной.
Такие столкновения могут повторяться циклически. Каждая галактика перемещается в пространстве-времени по пути в форме песочных часов см. ниже
столкновение происходит тогда, когда значения сил минимальны. Разработчики экпиротической схемы вначале надеялись, что слабость сил облегчит процедуру анализа столкновения, однако им приходится иметь дело с высокой кривизной пространства-вре(
мени, поэтому пока нельзя однозначно решить,
удастся ли избежать сингулярности. Кроме того,
этот сценарий должен протекать при весьма специфичных обстоятельствах. Например, перед самым столкновением мембраны должны быть почти идеально параллельны друг другу, иначе вызванный им Большой взрыв будет недостаточно однородным. В циклической версии эта проблема стоит не так остро последовательные соударения позволили бы мембранам выровняться. Оставив пока в стороне трудности полного математического обоснования обеих моделей, ученые должны разобраться, удастся ли когда-ни(
будь проверить их экспериментально. На первый взгляд, описанные сценарии очень похожи на упражнения не в физике, а в метафизике масса интересных идей, которые никогда не удастся подтвердить или опровергнуть результатами наблюдений. Такой взгляд слишком пессимистичен. Как стадия инфляции, таки довзрывная эпоха должны были оставить после себя артефакты, которые можно заметить и сегодня, например, в небольших вариациях температуры реликтового излучения.
Во-первых, наблюдения показывают, что температурные отклонения были сформированы акустическими волнами за несколько сотен тысяч лет. Регулярность флуктуаций свидетельствует о когерентности звуковых волн. Космологи уже отвергли целый ряд космологических моделей, неспособных объяснить волновой синхронизм. Сценарии с инфляцией, эпохой до Большого взрыва и столкновением мембран успешно проходят это первое испытание. В них синфазные волны создаются квантовыми процессами, усилившимися входе ускоряющегося космического расширения.
Во-вторых, каждая модель предсказывает разное распределение температурных флуктуаций в зависимости от их углового размера. Оказалось,
что большие и малые флуктуации имеют одинаковую амплитуду. (Отступления от этого правила наблюдаются только при очень малых масштабах, в которых изначальные отклонения изменились под действием более поздних процессов) В инфляционных моделях это распределение воспроизводится с высокой точностью. Вовремя инфляции кривизна пространства изменялась относительно медленно, так что флуктуации различных размеров возникали в почти одинаковых условиях. Согласно обеим струнным моделям,
кривизна менялась быстро. В результате амплитуда мелкомасштабных флуктуаций увеличивалась,
однако другие процессы усиливали крупномасштабные отклонения температуры, выравнивая общее распределение. В экпиротическом сценарии этому способствует дополнительное пространственное измерение, разделяющее сталкивающиеся мембраны. В предвзрывной схеме за выравнивание распределения флуктуации отвечает аксион квантовое поле, связанное с дилатоном. Короче говоря, все три модели согласуются с результатами наблюдений.
В-третьих, в ранней Вселенной температурные вариации могли возникать из-за флуктуаций плотности вещества и из-за слабых колебаний,
вызванных гравитационными волнами. При инфляции обе причины имеют одинаковое значение, а в сценариях со струнами основную роль играют вариации плотности. Гравитационные волны должны были оставить свой отпечаток в поляризации реликтового излучения. Возможно, в будущем его удастся обнаружить с помощью космических обсерваторий, таких как спутник
«Планк» Европейского космического агентства. Четвертая проверка связана с распределением флуктуаций. В инфляционном и экпиротическом сценариях оно описывается законом Гаусса.
Вместе стем предвзрывная модель допускает значительные отклонения от нормального распределения. Анализ реликтового излучения – не единственный способ проверить рассмотренные теории.
Сценарий с эпохой до Большого взрыва подразумевает возникновение случайного фона гравитационных волн в некотором диапазоне частот, который в будущем можно будет обнаружить с помощью гравитационных обсерваторий. Кроме того,
поскольку в струнных моделях изменяется дилатон,
тесно связанный с электромагнитным полем, им обеим должны быть свойственны крупномасштабные флуктуации магнитного поля. Не исключено,
что их остатки можно обнаружить в галактических и межгалактических магнитных полях.
Так когда же началось время Наука пока не дает окончательного ответа. И все же согласно двум потенциально проверяемым теориям Вселенная – а значит, и время – существовала задолго до Большого взрыва. Если один из этих сценариев соответствует истине, то космос существовал всегда. Возможно, однажды он снова коллапсиру(
ет, ноне исчезнет никогда. В мире науки, №8, Альманах КОСМОС МИФ О НАЧАЛЕ ВРЕМЕН
согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории струн. Но ведь наши уравнения не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр. Просто случилось так, что
Вселенная сформировалась внутри достаточно большой дыры. Более серьезное возражение приводят Тибо
Дамур (Thibault Damour) из Института высших научных исследований в Бур-сюр-Ив во Франции и Марк Анно (Marc Henneaux) из Брюссельского свободного университета материя и прост(
ранство-время вблизи момента Большого взрыва должны были вести себя хаотически, что наверняка противоречит наблюдаемой регулярности ранней Вселенной. Недавно я предположил, что в таком хаосе мог возникнуть плотный газ из миниатюрных струнных дыр – чрезвычайно малых и массивных струн, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблемы, описанной Дамуром и Анно. Аналогичное предположение было высказано Томасом Бэнксом (Thomas
Banks) из Рютгерса и Вилли Фишлером (Willy
Fischler) из Техасского университета в Остине.
Существуют и другие критические соображения,
но нам еще предстоит выяснить, выявляют ли они какие-либо принципиальные недостатки описанной модели.
Соударение мембран
Другая популярная модель, подразумевающая существование Вселенной до Большого взрыва, –
экпиротический сценарий (от греч. пришедший из огня, разработанный три года назад Джастином Каури (Justin Khoury) из Колумбийского университета, Полом Штейнхард(
том (Paul Steinhardt) из Принстонского университета, Бартом Оврутом (Burt A. Ovrut) из Пенсильванского университета, Натаном Зейбергом
(Nathan Seiberg) из Института углубленных исследований и Нейлом Тьюроком (Neil Turok) из
Кембриджского университета. Оноснован на предположении, что наша Вселенная – одна из многих мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. Мембраны притягиваются друг к другу, а когда они сталкиваются, в них может произойти то, что мы называем Большим взрывом см. рис. на стр. 38)
. Не исключено, что коллизии происходят циклически. Две мембраны могут сталкиваться, отскакивать друг от друга, расходиться, притягиваться одна к другой, снова соударяться итак далее. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной может указывать на предстоящее столкновение. У предвзрывного и экпиротического сценариев есть общие особенности. Оба они начинаются с большой, холодной, почти пустой Вселенной, и обоим свойственна трудная (и пока нерешенная) проблема перехода от состояния перед Большим взрывом к стадии после него.
Математически главное различие между двумя моделями заключается в поведении дилатона.
В предвзрывном сценарии это поле и, соответственно, все силы природы изначально очень слабы и постепенно усиливаются, достигая максимума в момент Большого взрыва. Для эк(
пиротической модели справедливо обратное:
40
В СЕЛЕН НА ЯГ а б р и ель Венец и ан о
ПРЕДВЗРЫВНОЙ СЦЕНАРИЙ
Не исключено, что изучить эпоху до Большого взрыва нам поможет гравитационное излучение, возможно, сохранившееся с тех далеких времен. Периодические вариации гравитационного поля можно зарегистрировать косвенно по их влиянию на поляризацию реликтового излучения см. модель ниже) или непосредственно в наземных обсерваториях. Согласно пред*
взрывному и экпиротическому сценариям гравитационных волн, высокой частоты должно быть больше, а низкочастотных – меньше, чем в обычных инфляционных моделях см. внизу. В недалеком будущем результаты наблюдений,
которые планируется провести с помощью спутника
«Планк» и обсерваторий LIGO и, позволят выбрать одну из гипотез
Поиск начал
Спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва
Вселенная выросла примерно до одной тысячной сегодняшних размеров. Температура газа понизилась, и протоны начали захватывать электроны, образуя атомы. Этот процесс, называемый рекомбинацией, коренным образом изменил обстановку. Фотоны практически перестали сталкиваться с заряженными частицами и впервые получили возможность свободно распространяться в пространстве. Так картина горячих и холодных областей, созданная звуковыми волнами,
навеки застыла в структуре КМФ. Тогда же вещество освободилось от давления излучения, препятствовавшего образованию сгустков материи,
которые под действием сил тяготения уплотнились и со временем стали звездами и галактиками.
Современный уровень вариаций температуры
КМФ, составляющий 0,001%, в точности соответствует амплитуде, необходимой для образования крупномасштабных структур, которые мы видим сегодня.
Что же послужило источником первичного возмущения, породившего звуковые волны Вопрос непростой. Наблюдая за развитием Вселенной с самого начала, мы могли бы видеть лишь пространство, ограниченное так называемым горизонтом, радиус которого равен расстоянию,
которое успел пройти свет с момента Большого взрыва. Поскольку информация не может передаваться быстрее света, горизонт определяет сферу влияния любого физического механизма. Если,
пытаясь выяснить происхождение структур определенного размера, мы станем двигаться в прошлое, горизонт будет сужаться ив конце концов станет меньше, чем интересующие нас образования. Следовательно, ни один физический процесс, подчиняющийся закону причинности, не поможет нам разобраться в их генезисе (так называемая проблема горизонта).
Согласно теории инфляции, ускоренное расширение Вселенной сразу после Большого взрыва происходило под влиянием особого поля – ин(
флатона. Таким образом, сегодня мы видим лишь малую часть того, что наблюдалось до инфляции.
Квантовые флуктуации инфлатона, усиленные быстрым расширением, привели к появлению начальных возмущений, приблизительно одинаковых по амплитуде как в малых, таки в больших областях пространства. Так в первичной плазме возникли пространственные колебания плотности энергии.
Картина звуковых волн, застывшая в КМФ,
подтверждает теорию инфляции. Поскольку все возмущения плотности появились одновременно в первый же момент творения, звуковые волны оказались синхронизированными по фазе. В результате сформировался спектр с обертонами, как у музыкального инструмента. Если дуть в трубу с открытыми концами, то основная частота звука будет соответствовать волне (моде колебаний) с максимальным смещением воздуха на концах трубы и минимальным в ее середине см. верхний рис. на стр. 38)
. Длина волны основной моды равна удвоенной длине трубы.
Но в звуке будут присутствовать обертоны, соответствующие волнам, которые вдвое, втрое,
вчетверо и т.д. короче основной волны. Иными словами, частоты обертонов (высшие гармоники)
равны основной частоте (первой гармонике, умноженной на 2, 3, 4 и т.д. Именно обертоны обогащают звуки позволяют отличить скрипку
Страдивари от рядового инструмента.
Анализируя звук в ранней Вселенной, мы должны рассматривать волны, колеблющиеся во времени, а не в пространстве см. рис. на стр. Длине трубы будет соответствовать промежуток времени, в течение которого первичная плазма была заполнена звуковыми волнами, исчезнувшими вовремя рекомбинации. Предположим, что вначале инфляции в некоторой области пространства температура плазмы была максимальной (наибольшее положительное смещение. В процессе распространения звуковых волн ее плотность стала колебаться, и температура устремилась сначала к среднему (нулевое смещение, а затем к минимальному значению
(наибольшее отрицательное смещение. Волна,
благодаря которой температура в данной области упала до минимума точно ко времени рекомбинации, является основной модой ранней
Вселенной. Обертоны с вдвое, втрое и т.д. большими частотами в этот момент обеспечивают
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом