Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

• Название: Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
• Автор: Брайан Грин
• Жанр: Физика
• Год: 2004

Вторая книга американского физика Брайана Р. Грина "Ткань космоса..." доставляет интеллектуальное наслаждение и производит сильнейшее впечатление, которыми и хочу поделиться с народом. Тем, кто читал первую книгу Грина "Элегантная вселенная..." (изданную в России в 2004 и 2005), предисловия не нужны. "Ткань космоса" не уступает "Элегантной вселенной" ни в широте охвата и глубине материала, ни в детальном понимании автором обсуждаемых тем, ни в таланте автора объяснять сложнейшие вещи "на пальцах", ни в легкости языка. Главная тема книги – борьба науки за понимание пространства и времени. Книга дает текущую картину того, чем занята современная физика, с самой линии фронта и от непосредственного участника боев. Не требует специальной подготовки – только немножко внимания и воображения. Приятных впечатлений.

---

Особая масса и размер начального кусочка однородного поля инфлатона зависит от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от точных деталей чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представил, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 1082 грамм на кубический сантиметр, так что объем (10–26 сантиметра)3 = 10–78 кубических сантиметров должен был иметь полную массу около 10 килограммов, т.е. около 20 фунтов. Эти величины типичны для четко определенного класса инфляционных моделей, но означают только то, что они дают вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в хаотических моделях инфляции Андрея Линде (см. комментарий 11 к Главе 10) наша наблюдаемая вселенная должна была появится из начального кусочка даже меньшего размера, 10–33 сантиметра в поперечнике (так называемая длина Планка), чья плотность энергии была даже выше, около 1094 грамм на кубический сантиметр, что в совокупности дает более низкую полную массу около 10–5 грамма (так называемая масса Планка). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно так же, как частичка пыли.

3. См. Paul Davies, "Inflation and Time Asymmetry in the Universe," in Nature, vol. 301, p. 398; Don Page, "Inflation Does Not Explain Time .Asymmetry," in Nature, vol. 304, p. 39; and Paul Davies, "Inflation in the Universe and Time Asymmetry," in Nature, vol. 312, p. 524

4. Чтобы объяснить этот существенный момент, принято разделять энтропию на часть, связанную с пространством-временем и гравитацией, и остающуюся часть, связанную со всем остальным, поскольку это интуитивно ухватывает ключевые идеи. Однако, я должен заметить, что оказывается трудным дать математически строгую разработку, в которой гравитационный вклад в энтропию аккуратно идентифицирован, выделен и оценен. Тем не менее, это не нарушает качественные заключения, которых мы достигли. В случае, если вы найдете это проблематичным, заметим, что вся дискуссия может быть перефразирована почти совершенно без ссылки на гравитационную энтропию. Как мы подчеркивали в Главе 6, когда существенна обычная притягивательная гравитация, материя слипается в комки. В процессе этого материя конвертирует гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая затем частично конвертируется в радиацию и излучается из самого комка. Это означает последовательность событий с возрастанием энтропии (большие средние скорости частиц повышают относящийся к делу объем фазового пространства; производство радиации через взаимодействия повышает общее число частиц – то и другое повышает общую энтропию). Таким образом, то, на что мы ссылались в тексте как на гравитационную энтропию, может быть перефразировано как энтропия материи, генерируемая гравитационными силами. Когда мы говорим, что гравитационная энтропия мала, мы имеем в виду, что гравитационные силы имеют потенциал, чтобы сгенерировать значительные количества энтропии через слипание материи. Реализуя такой энтропийный потенциал, комки материи создают неоднородное, негомогенное гравитационное поле – деформации и рябь в пространстве-времени, – которое в тексте я описывал как имеющее более высокую энтропию. Но, как ясно из этого обсуждения, на самом деле оно может мыслиться как будто слипшаяся материя (и произведенная в процессе радиация) имеет более высокую энтропию (чем когда она однородно рассеяна). Это хорошо, поскольку подготовленный читатель заметит, что если мы рассматриваем классический гравитационный фон (классическое пространство-время) как когерентное состояние гравитонов, это, по существу, единственное состояние, а потому имеет низкую энтропию. Определение энтропии возможно только при подходящем грубом гранулировании. Однако, как подчеркивает этот комментарий, это не особенно необходимо. С другой стороны, если комок материи достаточен, чтобы создать черную дыру, тогда становится применимым неоспоримое определение энтропии: площадь горизонта событий черной дыры (как объясняется далее в Главе 16) является мерой энтропии черной дыры. И эта энтропия может быть однозначно названа гравитационной энтропией.

5. Точно так же, как возможно как разбивание яйца, так и собирание заново кусочков скорлупы разбитого яйца в первоначальное яйцо, для квантово-индуцированных флуктуаций возможно как вырастание в большие неоднородности (как мы описывали), так и для достаточно коррелированных неоднородностей возможна работа в тандеме, чтобы подавить такой рост. Таким образом, инфляционный вклад в разрешение стрелы времени также требует достаточно некоррелированных начальных квантовых флуктуаций. Еще раз, если мы думаем в манере Больцмана, среди всех флуктуаций, дающих подходящие условия для инфляции, раньше или позже будут встречены все эти условия, позволяющие начаться известной нам вселенной.

6. Имеются некоторые физики, которые утверждают, что ситуация лучше, чем описано. Например, Андрей Линде доказывает, что в хаотической инфляции (см. комментарий 11 к Главе 10) наблюдаемая вселенная появляется из кусочка планковского размера, содержащего однородное поле инфлатона с плотностью энергии планковского масштаба. При определенных предположениях Линде далее утверждает, что энтропия однородного поля инфлатона в таком мельчайшем кусочке грубо равна энтропии любой другой конфигурации поля инфлатона, а потому условия, необходимые для достижения инфляции, не были специальными. Энтропия кусочка планковского размера была мала, но наравне с возможной энтропией, которую кусочек планковского размера мог бы иметь. Последующий инфляционный взрыв затем создал в один миг гигантскую вселенную с намного более высокой энтропией, – но с такой, которая благодаря гладкости и однородности распределения материи была также чудовищно далека от энтропии, которую она могла бы иметь. Стрела времени указывает в направлении, в котором этот энтропийный недостаток будет уменьшаться.

Хотя я неравнодушен к этому оптимистичному взгляду, до тех пор, пока мы не получим лучшего постижения физики, из которой предположительно возникает инфляция, следует проявлять осторожность. Например, подготовленный читатель отметит, что этот подход одобряет, но не подтверждает предположения по поводу высокоэнергетических (транспланковских) мод поля инфлатона – мод, которые могут влиять на результат инфляции и играть ключевую роль в формировании структуры вселенной.

Глава 12

1. Подробное доказательство, которое я имею в виду здесь, основывается на факте, что силы всех трех негравитационных взаимодействий зависят от энергии и температуры окружающей среды, в которой эти силы действуют. При низких энергиях и температурах, таких как в нашем повседневном окружении, силы всех трех взаимодействий различаются. Но имеются непрямые теоретические и экспериментальные подтверждения, что при очень высоких температурах, которые возникали в самые ранние моменты вселенной, величины всех трех сил сходятся, указывая, хотя и косвенно, что сами все три силы могут быть объединены на фундаментальном уровне и выглядят различными только при низких энергиях и температурах. Для более детального обсуждения см., например, Элегантная вселенная, Глава 7.

2. Раз мы знаем, что поле, подобное любому из известных силовых полей, является ингредиентом в структуре космоса, тогда мы знаем, что оно существует везде – оно вплетено в ткань космоса. Невозможно удалить поле, почти как невозможно удалить само пространство. Ближе всего, следовательно, мы можем подойти к уничтожению присутствия поля, это иметь его на величине, которая минимизирует его энергию. Для силовых полей вроде электромагнитного эта величина равна нулю, как обсуждается в тексте. Для полей вроде инфлатона или Хиггсова поля стандартной модели (которое для простоты мы тут не рассматриваем), эта величина может быть некоторым ненулевым числом, что зависит от точной формы потенциальной энергии поля, как мы обсуждали в Главах 9 и 10. Как отмечено в тексте, чтобы сохранить целевую направленность обсуждения, мы обсуждаем явно только квантовые флуктуации полей, чье состояние минимальной энергии достигается, когда величина поля равна нулю, хотя флуктуации, связанные с полями Хиггса или инфлатона не требуют изменений в наших заключениях.

3. На самом деле, склонный к математике читатель должен отметить, что принцип неопределенности диктует, что флуктуации энергии обратно пропорциональны временному разрешению наших измерений, так что чем точнее разрешение времени, с которым мы исследуем энергию поля, тем более широко поле будет волноваться.