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.

---

7. Эту идею ввели физики С. Гиддингс, С. Томас, С. Димопоулос и Г. Ландсберг.

8. Отметим, что фаза сжатия такой отскочившей вселенной не то же самое, что фаза расширения, бегущая в обратном направлении. Физические процессы, такие как разбрызгивание яиц и таяние свечей, будут происходить в обычном "прямом" направлении времени во время расширения и должны будут продолжатся так же во время последующей фазы сжатия. Поэтому энтропия должна будет возрастать во время обеих фаз.

9. Подготовленный читатель должен заметить, что циклическая модель может быть выражена на языке четырехмерной эффективной теории поля на одной из 3-бран, и в этой форме она разделяет многие свойства более привычных инфляционных моделей, движимых скалярным полем. Когда я говорю "радикально новый механизм", я ссылаюсь на концептуальное описание в терминах сталкивающихся бран, с которыми и само которое есть поразительно новый путь размышления о космологии.

10. Не запутайтесь в подсчете измерений. Две 3-браны вместе с пространственным интервалом между ними имеют четыре измерения. Время дает пятое. Что оставляет шесть остальных для пространства Калаби-Яу.

11. Важное исключение, отмеченное в конце этой главы и обсуждаемое дальше в деталях в Главе 14, имеет дело с неоднородностями в гравитационном поле, так называемыми изначальными гравитационными волнами. Инфляционная космология и циклическая модель отличаются в этом отношении, что дает один из путей, на котором есть шанс, что они могут быть экпериментально отличены.

12. Квантовая механика гарантирует, что всегда имеется ненулевая вероятность, что случайная флуктуация разрушит циклический процесс (например, одна брана повернется относительно другой), заставив модель застопориться. Даже если вероятность мизерна, рано или поздно событие непременно произойдет, а потому циклы не могут продолжаться бесконечно.

Глава 14

1. A. Einstein, "Vierteljahrschrift fur gerichtliche Medizin und offentliches Sanitatswesen" 44 37 (1912). D. Brill and J. Cohen, Phys. Rev. vol. 143, no. 4, 1011 (1966); H. Pfister and K. Braun, Class. Quantum Grav. 2, 909 (1985).

2. За четыре десятилетия от первоначального предложения Шиффа и Пью были предприняты другие тесты схемы увлечения. Эти эксперименты (проведенные среди других Бруно Бертотти, Игнацио Киуфолини и Петером Бендером, а также И.И.Шапиро, Р.Д. Ризенбергом, Дж.Ф.Чандлером и Р.В. Бэбкоком) изучали движение Луны, а также спутников, вращающихся вокруг Земли, и нашли строгое доказательство эффектов увлечения. Преимущество Гравитационного Зонда B (Gravity' Probe B) в том, что это первый полностью контролируемый эксперимент, один из тех, которые находятся под полным контролем экспериментаторов, что должно дать самое точное и самое прямое доказательство схемы увлечения.

3. Хотя приведенные рисунки эффективны в том, что дают почувствовать открытие Эйнштейна, другое ограничение стандартных представлений деформированного пространства в том, что они не иллюстрируют деформацию времени. Это важно потому, что ОТО показывает, что для обычного объекта вроде Солнца, в противоположность чему-нибудь экстремальному вроде черной дыры, деформация времени (чем ближе вы к Солнцу, тем медленнее будут идти ваши часы) намного более выражена, чем деформация пространства. Затруднительно изобразить деформацию времени графически, но труднее передать, как деформированное время дает вклад в искривление пространственных траекторий, таких как земная эллиптическая орбита вокруг Солнца, именно поэтому Рис. 3.10 (и другие рисунки среди любых попыток визуализировать ОТО, которых я только видел) сориентирован исключительно на деформированном пространстве. Но полезно иметь в виду, что в большом количестве известных астрофизических окружающих явлений деформация времени доминирует.

4. В 1974 Руссел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойную систему пульсаров – два пульсара (быстро вращающейся нейтронной звезды), обращающихся друг вокруг друга. Поскольку пульсары двигаются очень быстро и очень близко друг к другу, ОТО Эйнштейна предсказывает, что они будут испускать большое количество гравитационного излучения. Хотя в самом деле проблематично детектировать это излучение непосредственно, ОТО показывает, что излучение должно проявлять себя косвенно через другие вещи: энергия, эмитированная через излучение, должна вызывать постепенное снижение периода обращения двух пульсаров по орбите. Пульсары наблюдаются непрерывно с момента их открытия и на самом деле их орбитальный период уменьшается – и способом, который согласуется с предсказаниями ОТО с точностью, примерно, на одну часть из тысячи. Таким образом, даже без прямого детектирования эмитированной гравитационной радиации это обеспечивает строгое доказательство ее существования. За это открытие Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию по физике за 1993.

5. Однако см. комментарий 4 выше.

6. С точки зрения энергетики, следовательно, космические лучи обеспечивают естественно возникший ускоритель, который намного более мощный, чем любой из тех, что мы имеем или будем создавать в обозримом будущем. Препятствие в том, что, хотя частицы космических лучей могут иметь экстремально высокие энергии, мы не можем контролировать, что во что влепилось, – когда это происходит от столкновений космических лучей, мы являемся пассивными наблюдателями. Более того, число частиц космических лучей с данной энергией быстро падает, когда уровень энергии повышается. Хотя около 10 миллиардов частиц космических лучей с энергией, эквивалентной массе протона (примерно одна тысячная от планируемой мощности Большого Адронного Коллайдера), падает на каждый квадратный километр поверхности Земли каждую секунду (и несколько полностью проходят через ее тело также каждую секунду), только одна из самых энергичных частиц (около 100 миллиардов масс протона) упадет на данный квадратный километр земной поверхности каждое столетие. Наконец, ускоритель может сталкивать частицы вместе, двигая их быстро в противоположных направлениях, тем самым повышая энергию центра масс. В отличие от этого, частицы космических лучей сталкиваются с относительно медленно двигающимися частицами в атмосфере. Тем не менее, эти препятствия не непреодолимы. В течение многих десятилетий экспериментаторы действительно много узнали из изучения данных по более обильным низкоэнергетическим космическим лучам, и, чтобы работать с малочисленными высокоэнергетическими столкновениями, экспериментаторы построили гигантский массив детекторов, чтобы захватить так много частиц, как это возможно.

7. Подготовленный читатель обнаружит, что сохранение энергии в теории с динамическим пространством-временем это тонкая проблема. Определенно, тензор напряжений от всех источников для уравнений Эйнштейна ковариантно сохраняется. Но это не обязательно переносится на глобальный закон сохранения для энергии. И по хорошей причине. Тензор напряжений не учитывает гравитационной энергии – общеизвестно трудного понятия в ОТО. На достаточно коротких дистанциях и временных масштабах – таких, которые возникают в экспериментах на ускорителях, – локальное сохранение энергии применимо, но утверждения относительно глобального сохранения должны делаться с большей осторожностью.

8. Это верно для простейших инфляционных моделей. Исследователи нашли, что более усложненные реализации инфляции могут подавлять производство гравитационных волн.

9. Жизнеспособный кандидат на темную материю должен быть стабильной или очень долгоживущей частицей – которая не распадается на другие частицы. Ожидается, что это верно для легчайших из суперсимметричных партнеров частиц, а потому более точное утверждение, что легчайшие из зино, хиггсино или фотино являются подходящими кандидатами на темную материю.

10. Не так давно объединенная итальяно-китайская исследовательская группа, известная как Эксперимент по Темной Материи (Dark Matter Experiment – DAMA), отработавшая в Лаборатории Гран Сассо в Италии, сделала воодушевляющее сообщение, что они достигли первого прямого детектирования темной материи. До сегодняшнего дня, однако, ни одна другая группа не смогла проверить их утверждение. Фактически, другой эксперимент, Криогенный Поиск Темной Материи (Cryogenic Dark Matter Search – CDMS), базирующийся в Стэнфорде и объединяющий исследователей из США и России, накопил данные, которые, как многие уверены, отбросят результаты DAMA с высокой степенью достоверности. В дополнение к этим поискам темной материи идут и многие другие. Чтобы прочитать о некоторых из них, посмотрите здесь: http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/dark_matter/other_searches.html.