Брайан Грин - Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

• Название: Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности
• Автор: Брайан Грин
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Физика
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-397-00001-7

Брайан Грин — один из ведущих физиков современности, автор «Элегантной Вселенной» — приглашает нас в очередное удивительное путешествие вглубь мироздания, которое поможет нам взглянуть в совершенно ином ракурсе на окружающую нас действительность.

В книге рассматриваются фундаментальные вопросы, касающиеся классической физики, квантовой механики и космологии. Что есть пространство? Почему время имеет направление? Возможно ли путешествие в прошлое? Какую роль играют симметрия и энтропия в эволюции космоса? Что скрывается за тёмной материей? Может ли Вселенная существовать без пространства и времени?

Грин детально рассматривает картину мира Ньютона, идеи Маха, теорию относительности Эйнштейна и анализирует её противоречия с квантовой механикой. В книге обсуждаются проблемы декогеренции и телепортации в квантовой механике. Анализируются многие моменты инфляционной модели Вселенной, первые доли секунды после Большого взрыва, проблема горизонта, образование галактик. Большое внимание уделено новому современному подходу к объяснению картины мира с помощью теории струн/М-теории.

Грин показывает, что наш мир сильно отличается от того, к чему нас приучил здравый смысл. Автор увлекает всех нас, невзирая на уровень образования и научной подготовки, в познавательное путешествие к новым пластам реальности, которые современная физика вскрывает под слоем привычного нам мира.

---

[259]

Существует даже гипотеза, выдвинутая Лизой Рэндалл из Гарвардского университета и Раманом Сундрумом из университета Джона Хопкинса и состоящая в том, что гравитация тоже может быть заперта, но не липкой браной, а дополнительными измерениями, искривлёнными нужным образом, что ещё более смягчает ограничения на размер дополнительных измерений.

[260]

Джон Хэнкок — политический деятель времён борьбы американских колоний за независимость от английской метрополии. Он первым поставил свою подпись под мятежным документом — американской Декларацией независимости. Его подпись была столь размашистой и крупной, что, по его словам, сам король Георг III смог бы прочесть её и без очков. (Прим. перев.)

{261}

Это предположение было высказано С. Гиддингсом и С. Томасом, а также С. Димополусом и Г. Ландсбергом.

[262]

Фрэнк Синатра — единственный в истории певец, который смог через 50 лет вернуть себе былую популярность и любовь публики, записав шлягер «Нью-Йорк, Нью-Йорк». (Прим. перев.)

[263]

Известный американский тележурналист, ведущий телешоу. Помимо всего прочего известен своими семью законными жёнами и двумя гражданскими. (Прим. ред.)

{264}

Заметим, что фаза сжатия такой «отскакивающей» Вселенной — это не «расширение наоборот». Физические процессы, такие как разбивание яйца и таяние свечи, проходили бы в обычном «прямом» направлении в ходе фазы расширения и продолжали бы течь в том же направлении и в фазе сжатия. Вот почему энтропия возрастала бы в ходе обеих фаз.

{265}

Искушённый читатель отметит, что циклическая модель может быть изложена на языке четырёхмерной теории поля одной из 3-бран, и в этом виде она разделяет многие черты инфляционных моделей с более привычным скалярным полем. Говоря о «совершенно новом механизме», я имею в виду концептуальное описание в терминах сталкивающихся бран, что само по себе является совершенно новым подходом в космологии.

{266}

Не сбейтесь со счёта при подсчёте количества измерений. Две 3-браны вместе с разделяющим их измерением составляют четыре измерения. Время — пятое измерение. На пространство Калаби-Яу остаётся шесть измерений.

{267}

Важное исключение составляют неоднородности гравитационного поля, это так называемые реликтовые гравитационные волны; об этом будет упомянуто в конце этой главы и более подробно будет рассматриваться в следующей главе. Инфляционная космология и циклическая модель разнятся в этом отношении, причём эта разница допускает экспериментальную проверку.

{268}

Квантовая механика утверждает, что всегда существует ненулевая вероятность того, что случайная флуктуация нарушит циклический процесс (например, одна брана повернётся относительно другой), из-за чего модель перестанет быть верной. Даже если эта вероятность ничтожно мала, рано или поздно она наверняка реализуется, и, следовательно, циклы не могут бесконечно сменять друг друга.

{269}

Einstein A. Vierteljahrschrift für gerichtliche Medizin und öffentliches Sanitätswesen. 1912. Vol. 44. № 37; Brill D., and Cohen J. Phys. Rev. 1966. Vol. 143. № 4. P. 1011; Pfister H. and Braun K. Class. Quantum Grav. 1985. № 2. P. 909.

{270}

За четыре десятилетия, прошедшие с момента исходного предложения Шиффа и Пью, проводились и другие эксперименты по выявлению эффекта увлечения. В этих экспериментах (проведённых, среди прочих, Бруно Бертотти, Игнацио Кьюфолини и Петером Бендером, а также И. И. Шапиро, Р. Д. Ризенбергом, Дж. Ф. Чандлером и Р. В. Бэбкоком) изучалось движение Луны и спутников вокруг Земли и были получены веские доказательства существования эффекта увлечения. Преимущество эксперимента со спутником «Gravity Probe В» состоит в том, что это первый полностью контролируемый эксперимент, и поэтому он должен дать самое точное и самое прямое доказательство существования эффекта увлечения.

[271]

В ноябре 2007 г. коллаборация «Gravity Probe B» объявила о подтверждении эффекта увлечения инерциальной системы отсчёта с точностью 30%. При обработке результатов измерений возникли трудности с учётом электрических зарядов в стенках прибора. К марту 2010 г. коллаборация надеется завершить обработку результатов. (Прим. ред.)

{272}

Есть и другое ограничение такой визуализации открытия Эйнштейна — она не передаёт искажение времени. Это важно из-за того, что общая теория относительности показывает: для обычных объектов наподобие Солнца (в отличие от крайних случаев типа чёрных дыр) искажение времени гораздо больше выражено, чем искажение пространства. Искажения времени гораздо труднее передать графически, и не менее трудно представить, как искажение времени влияет на искривлённые пространственные траектории, такие как эллиптическая орбита Земли при вращении вокруг Солнца; вот почему на рис. 3.10 (и практически на каждой иллюстрации, которую мне приходилось видеть, пытающейся графически передать результаты общей теории относительности) принимается во внимание искривление только пространства. Но не следует забывать, что в большинстве астрофизических ситуаций доминирует искажение времени.

{273}

В 1974 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойную систему пульсаров — два пульсара (быстро вращающиеся нейтронные звёзды), обращающиеся друг вокруг друга. Поскольку пульсары движутся очень быстро и очень близко друг к другу, то общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что они испускают сильное гравитационное излучение. Хотя очень проблематично обнаружить это излучение непосредственно, общая теория относительности показывает, что излучение должно проявляться и косвенно: излучение энергии должно приводить к постепенному уменьшению периода орбитального движения пульсаров. Пульсары непрерывно наблюдались с момента их открытия, и было обнаружено, что их орбитальный период действительно уменьшился, и это уменьшение согласуется с предсказаниями общей теории относительности с точностью до одной тысячной. Таким образом, это служит веским свидетельством в пользу существования гравитационного излучения даже без его прямого обнаружения. За это открытие Халс и Тейлор удостоились Нобелевской премии по физике за 1993 г.

[274]

В составе проекта LIGO работают три установки. Третья, с длиной плеч 600 м, расположена близ Ганновера, Германия. С мая 2007 г. к анализу результатов LIGO стали присоединяться данные французско-итальянского инструмента VIRGO — гравитационной антенны аналогичной конструкции с длиной плеч 3 км. На начало 2008 г. гравитационные волны не обнаружены. (Прим. ред.)

{275}

Однако см. примечание 273.

[276]

Одной из таких модернизаций является запланированный проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерный космический интерферометр), космическая версия LIGO, включающая в себя несколько космических кораблей, разделённых миллионами километров, играющих роль четырёхкилометровых труб LIGO. Установка LIGO будет также спарена с VIRGO, французско-итальянским детектором гравитационных волн, расположенным в окрестностях города Пиза.

[277]

Пуск LHC состоялся 10 сентября 2008 г., но выход на проектную мощность запланирован на лето 2009 г. (Прим. ред.)

[278]

К настоящему времени установки HiRes и детектор имени Пьера Оже зафиксировали частицу с энергией более 1020 эВ (100 млрд масс протона). (Прим. ред.)

{279}

Поэтому с точки зрения энергетики космические лучи дают естественный ускоритель частиц, гораздо более мощный, чем любой из имеющихся у нас в настоящее время или который мы сможем построит в обозримом будущем. Недостаток этого естественного ускорителя состоит в том, что хотя частицы космических лучей обладают чрезвычайно высокими энергиями, но мы не можем управлять, что с чем сталкивать — когда дело доходит до столкновений космических частиц, мы оказываемся пассивными наблюдателями. Более того, доля космических частиц с заданной энергией быстро падает по мере повышения энергии частиц. Хотя около 10 млрд частиц космических лучей с энергией, эквивалентной массе протона (что составляет примерно одну тысячную от расчётной мощности Большого адронного коллайдера) ежесекундно падает на каждый квадратный километр поверхности Земли (и несколько из них ежесекундно проходят через ваше тело), но только одна из самых энергетических частиц (с энергией порядка 100 млрд масс протона) попадает в заданный квадратный километр поверхности Земли за целое столетие. Наконец, в ускорителях можно сталкивать частицы, летящие в противоположных направлениях, что повышает энергию центра масс системы частиц. Частицы же космических лучей сталкиваются, напротив, с относительно медленно движущимися частицами атмосферы. Тем не менее эти недостатки не являются непреодолимыми. За несколько десятилетий учёные довольно много узнали из изучения данных по более обильным космическим лучам с более низкой энергией, а для борьбы с малочисленностью высокоэнергетических столкновений экспериментаторы построили гигантские массивы детекторов, чтобы поймать как можно больше частиц.