Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности

• Название: Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности
• Автор: Макс Тегмарк
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-17-085475-2

Галилео Галилей заметил, что Вселенная – это книга, написанная на языке математики. Макс Тегмарк полагает, что наш физический мир в некотором смысле и есть математика. Известный космолог, профессор Массачусетского технологического института приглашает читателей присоединиться к поискам фундаментальной природы реальности и ведет за собой через бесконечное пространство и время – от микрокосма субатомных частиц к макрокосму Вселенной.

---

Если кратко, то первичные космические флуктуации появились благодаря квантовой механике – теории микромира (гл. 7, 8). Но еще в колледже я узнал, что квантовые эффекты существенны лишь для очень малых объектов вроде атомов. Так какое отношение они могут иметь к самым крупным объектам из тех, которые мы изучаем, – к галактикам? Один из самых красивых аспектов теории инфляции состоит в том, что она связывает самые малые и самые большие масштабы: на ранних стадиях инфляции область пространства, которая ныне содержит Млечный Путь, была гораздо меньше атома, так что квантовые эффекты могли иметь существенное значение. И это было так: принцип неопределенности Гейзенберга в квантовой механике (гл. 7) не позволяет никакой субстанции, в том числе инфлирующей материи, быть совершенно однородной. Если вы попытаетесь сделать ее однородной, квантовые эффекты вынудят ее волноваться, и однородность будет нарушена. Когда инфляция растягивает субатомную область до размеров всей наблюдаемой Вселенной, флуктуации плотности, которые впечатала в нее квантовая механика, также растягиваются до размеров галактик и более. Обо всем остальном позаботилась гравитационная неустойчивость, усилившая флуктуации с ничтожного уровня 0,002 %, обеспеченного квантовыми флуктуациями, до величественных галактик, их скоплений и сверхскоплений, украшающих теперь ночное небо.

И главное здесь то, что все можно точно подсчитать. Кривая спектра мощности (рис. 4.2) – это теоретическое предсказание одной из простейших инфляционных моделей, и я нахожу замечательным ее согласие со всеми наблюдениями. Инфляционные модели также предсказывают три измеренных космологических параметра, приведенных в табл. 4.1. Я уже упоминал одно из этих предсказаний: Ω = 1. Два других касаются характерных особенностей кластеризации, которыми мы займемся в последней главе. В простейших инфляционных моделях амплитуда первичных флуктуаций (обозначена в таблице буквой Q) зависит от того, насколько быстро инфлирующая область удваивается в размерах, и при времени удвоения около 10–38 секунды предсказание совпадает с наблюдаемым значением Q ≈ 0,002 %.

Теория инфляции также дает интересные предсказания для параметра «наклона» первичной кластеризации (в таблице он обозначен n). Взгляните на зазубренную кривую на рис. 5.6, которую математики называют самоподобной, фрактальной или масштабно-инвариантной. Все эти термины, по сути, означают, что если вы замените изображение увеличенным фрагментом его же, то не найдете различий. Поскольку повторять этот трюк можно сколько угодно, ясно, что и триллионная часть кривой должна выглядеть так же, как вся она в целом. Интересно, что, согласно предсказаниям теории инфляции, новорожденная Вселенная тоже почти наверняка была масштабно инвариантной в том смысле, что нельзя было обнаружить различий между случайно выбранным кубическим сантиметром и значительно увеличившимся его фрагментом. Почему? В эпоху инфляции увеличение Вселенной было, по сути, эквивалентом ожидания, пока все вокруг еще раз удвоится в размерах. Так что, совершив путешествие во времени в эпоху инфляции, вы увидели бы, что статистические свойства флуктуаций были масштабно инвариантными – то есть не изменялись во времени. Теория инфляции предсказывает, что это происходит по простой причине: локальные физические условия, порождаемые квантовыми флуктуациями, также мало изменяются во времени, поскольку инфлирующая субстанция не испытывает существенных изменений плотности или других параметров.

Параметр наклона n в табл. 4.1 характеризует близость инфляционной Вселенной к масштабной инвариантности. Он сопоставляет уровень кластеризации на больших и малых масштабах и определен так, что значение n = 1 соответствует идеальной масштабной инвариантности (одинаковая кластеризация во всех масштабах), n < 1 означает, что кластеризация сильнее в больших масштабах, а n > 1 – в малых масштабах. Муханов и другие первопроходцы теории инфляции предсказывали, что значение n должно быть очень близко к 1. Когда я с другом Тедом просиживал ночи с компьютером (гл. 4), мы занимались как раз получением самой точной в то время оценки параметра n. Наш результат был n = 1,15 ± 0,29, что подтверждало еще одно предсказание теории инфляции.

Однако ситуация с параметром n оказалась еще интереснее. Поскольку инфляция в конце концов прекратилась, инфлирующая субстанция должна была постепенно, пусть и очень медленно, разрежаться в ходе инфляции – в противном случае ничто не менялось бы, и инфляция продолжалась бы вечно. В простейших инфляционных моделях убывание плотности приводит к тому, что амплитуда порождаемых флуктуаций также убывает. Это значит, что флуктуации, возникающие позднее, должны иметь меньшую амплитуду. Но позднее возникшие флуктуации к моменту окончания инфляции не успевают сильно растянуться, и, значит, сейчас флуктуации в меньших масштабах должны быть меньшими. Эти рассуждения приводят к предсказанию n < 1. Для более конкретного прогноза необходима модель, описывающая, из чего состоит инфлирующая субстанция. Простейшая такая модель, впервые предложенная Андреем Линде и называемая на профессиональном языке «скалярным полем с квадратичным потенциалом» (это, по сути, гипотетический родственник магнитного поля), дает предсказание n = 0,96. Теперь снова заглянем в табл. 4.1. Как видите, современные измерения n стали в 60 раз точнее, чем во времена «волшебной горошины». Согласно последним данным, n = 0,96 ± 0,005, что исключительно близко к предсказанному значению.

Рис. 5.6. Эта похожая на снежинку фигура, называемая кривой Коха в честь шведского математика Хельге фон Коха, обладает замечательным свойством: она совпадает с увеличенной частью самой себя. Теория инфляции предсказывает, что новорожденная Вселенная была подобным образом неотличима от увеличенного фрагмента самой себя, по крайней мере в приближенном статистическом смысле.

С годами эти измерения будут уточняться. У нас также появилась возможность измерить несколько дополнительных параметров, для которых теория инфляции давала предсказания. Например, кроме интенсивности и цвета, свет обладает свойством поляризации. Пчелы видят ее и используют для навигации. Хотя человеческий глаз ее не замечает, темные очки пропускают свет, лишь если он определенным образом поляризован. Многие популярные модели инфляции предсказывают специфический характер поляризации излучения космического микроволнового фона. Квантовые флуктуации в ходе инфляции порождают гравитационные волны, вибрации самой ткани пространства-времени, а они, в свою очередь, характерным образом искажают рисунок космического микроволнового излучения. Если эти искажения удастся зарегистрировать в экспериментах, то, думаю, их признают неопровержимым доказательством того, что инфляция имела место.

Итак, пока нельзя утверждать, что Большой взрыв был вызван инфляцией. Однако, я считаю, надо признать: теория инфляции оказалась успешнее, чем Алан Гут мог себе представить, придумывая ее. Она согласуется с точными измерениями и является теорией нашего космического происхождения, которая наиболее серьезно воспринимается космологическим сообществом.

Вечная инфляция

Пока наш разговор о теории инфляции не очень отличается от обсуждения жизненного цикла любой успешной физической идеи: новая теория разрешает старые проблемы. Затем следуют предсказания. Экспериментальное подтверждение. Широкое признание. Переписанные учебники. Складывается впечатление, что теорию инфляции пора проводить на заслуженный отдых: «Благодарим тебя, теория инфляции, за самоотверженную службу по увязыванию некоторых неясностей в отношении истоков Вселенной. Теперь настало время уйти на пенсию в специально выделенные разделы учебников, а нас оставить в покое – работать над иными, новейшими, более волнующими нас проблемами, которые пока не разрешены». Однако, подобно упорному стареющему профессору, инфляция отказывается уходить в отставку! Помимо того, что она продолжает плодоносить в своей области космологии ранней Вселенной, она преподносит сюрпризы, для некоторых моих коллег нежелательные.

Неостановимая

Первым потрясением стало то, что инфляция в общем случае не желает останавливаться, вечно порождая пространство. В рамках конкретной модели это обнаружили Андрей Линде и Пол Стейнхардт. Элегантное доказательство существования этого эффекта дал Алекс Виленкин, профессор из Университета им. Тафтса – тот самый, который пригласил меня сделать доклад, усыпивший Алана Гута. В студенческие годы на родной Украине он, несмотря на то, что был предупрежден о «последствиях», отказался по требованию КГБ свидетельствовать против однокурсника, который критически высказывался о властях. Хотя Алекса приняли в аспирантуру физического факультета МГУ, престижную для советского физика, он так и не получил разрешения переехать в Москву. Не было у него и возможности получить какую-либо нормальную работу. Год он прослужил ночным сторожем в зоопарке, а после ему удалось покинуть страну. Всякий раз, когда меня раздражают бюрократы, я вспоминаю историю Алекса, и она превращает мое раздражение в благодарное понимание того, как незначительны мои проблемы. Возможно, его непоколебимость объясняет, почему он продолжает открывать вещи, которые отвергают другие великие ученые.