Прошлое и будущее циклических вселенных

 

Хотя теория мира на бране является наиболее разработанным направлением циклической космологии, у идеи цикличности весьма длительная история. Вращение Земли, приводящее к смене дня и ночи, и её движение по орбите, влекущее предсказуемую смену времён года, явились основой для идей цикличности, возникших во многих культурах в попытке объяснить космос. Одна из самых древних донаучных космологий — индуизм, рассматривает Вселенную как сложноподчинённый комплекс космологических циклов внутри циклов, продолжительность которых, согласно разным интерпретациям, от миллионов до триллионов лет. Западные мыслители, начиная от философа-досократика Гераклита и римского государственного деятеля Цицерона, развивали различные циклические космологические теории. Концепция гибнущей в огне и вновь рождающейся из пепла Вселенной была очень популярна среди тех, кто размышлял над высокими материями о происхождении космоса. С распространением христианства понятие о возникновении мира как об уникальном одновременном акте постепенно взяло верх, но и циклические теории время от времени привлекали внимание.

В эпоху современного научного знания интерес к циклическим моделям возобновился с развитием общей теории относительности. Александр Фридман в популярной книге, вышедшей в СССР в 1923 году, отмечал, что некоторые из найденных им космологических решений гравитационных уравнений Эйнштейна могут быть осмыслены как осциллирующая вселенная, которая расширяется, достигает максимального размера, затем сжимается, схлопывается в «точку», после чего опять начинает расширяться.57 В 1931 году Эйнштейн, отказавшись к тому моменту от идеи статичной вселенной, также исследовал возможность осциллирующей вселенной. Но самой обстоятельной была серия статей, опубликованных в период с 1931 по 1934 год Ричардом Толманом из Калифорнийского технологического института. Толман провёл подробное математическое исследование циклических космологических моделей, что дало начало целому потоку работ в этом направлении — иногда пересыхавшему до тонкого ручейка, иногда становившемуся бурной рекой, — который не прекращается по сей день.

Частично привлекательность циклической космологии состоит в том, что ей очевидно удаётся избегать сложного вопроса о происхождении Вселенной. Если Вселенная переходит из цикла в цикл, и если циклы никогда не прекращались (и, возможно, никогда не прекратятся), то вопрос о том, как всё началось, теряет свою актуальность. Каждый цикл имеет своё начало, но в циклической теории этому имеется конкретная физическая причина — окончание предыдущего цикла. Если спросить о начале всех циклов Вселенной, то ответ будет, что такого начала просто нет, потому что циклы повторяются бесконечно.

Поэтому в фигуральном смысле циклические модели являются перепевом присказки «и волки сыты, и овцы целы». Если вернуться назад, в первые годы научной космологии, то мы увидим, что в теории стационарной вселенной был свой собственный обходной манёвр, чтобы избежать ответа на вопрос о происхождении космоса. Утверждалось, что, несмотря на постоянное расширение Вселенной, у этого процесса не было начала: при расширении Вселенной постоянно возникает новая материя, заполняющая дополнительное пространство, что гарантирует постоянство условий во всём космосе навечно. Однако теория стационарной вселенной противоречит астрономическим наблюдениям, прямо указывающим на ранние эпохи, условия в которых заметно отличались от современных. Самыми критическими оказались наблюдения, показавшие, что ранняя космологическая фаза была далека от стационарности и равновесия, вместо этого она была хаотичной и неустойчивой. Большой взрыв разрушает мечту о стационарной вселенной, поэтому вопрос о происхождении космоса выходит на первый план. Именно тут циклическая космология является убедительной альтернативой. Каждый цикл может включать Большой взрыв как часть прошлого, что нисколько не противоречит астрономическим наблюдениям. Однако, описывая бесконечное число циклов, теории не требуется предъявить начало всех начал. Таким образом, циклическая космология вобрала в себя наиболее привлекательные свойства теории стационарной вселенной и теории Большого взрыва.

Позже, в 1950-х годах, голландский физик Герман Занстра привлёк внимание к противоречию в циклических моделях, которое неявно присутствовало в работах Толмана двадцатью годами ранее. Занстра показал, что циклу нашей Вселенной не могло предшествовать бесконечное число циклов. Проблема кроется во втором законе термодинамики. Этот закон, более подробно обсуждаемый в главе 9, говорит, что беспорядок — энтропия — возрастает со временем. Мы наблюдаем это каждый день. Прибранная утром кухня к вечеру требует новой уборки; то же самое происходит с бельём в платяном шкафу, на письменном столе и в комнате для отдыха. В этих каждодневных ситуациях возрастание энтропии — лишь досадная мелочь, но в циклической космологии оно имеет решающее значение. Толман тоже понимал, что из уравнений общей теории относительности вытекает связь между энтропией Вселенной и продолжительностью данного цикла. Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченных частиц сдавливаются при схлопывании Вселенной; это приводит к более мощному последующему взрыву, пространство расширяется сильнее, и поэтому цикл длится дольше. Если оглянуться назад, то окажется, что благодаря второму закону термодинамики более ранние циклы обладали меньшей энтропией (из второго закона термодинамики следует, что энтропия возрастает по направлению в будущее, а по направлению в прошлое обязательно убывает)[18], и поэтому каждый предыдущий цикл был короче. Проведя соответствующие математические вычисления, Занстра показал, что в достаточно удалённом прошлом циклы настолько укорачивались, что должны были прекратиться. Иными словами, у последовательности циклов должно было быть начало.

Стейнхард и компания утверждают, что их новая версия циклической космологии избегает этой ловушки. В рамках их подхода циклы возникают не из-за того, что Вселенная расширяется, сжимается и снова расширяется, а потому что пространство, разделяющее миры на бранах, расширяется, сжимается и вновь расширяется. Сами по себе браны постоянно расширяются — этот процесс происходит во всех циклах. Как того требует второй закон термодинамики, энтропия возрастает от одного цикла к другому, но из-за расширения бран энтропия распределяется по постоянно растущему пространственному объёму. Полная энтропия возрастает, но её плотность уменьшается. К концу каждого цикла энтропия настолько разбавляется, что её плотность практически обнуляется, то есть происходит полный возврат к начальному состоянию. И поэтому, в отличие от теории Толмана и Занстры, циклы могут продолжаться бесконечно в направлении как будущего, так и прошлого. У бранной циклической мультивселенной нет необходимости иметь начало во времени.58

Такое обхождение со старой головоломкой о начале всех начал, безусловно является большим успехом циклической мультивселенной. Однако, как подчёркивают сторонники теории, циклическая мультивселенная не только решает космологические головоломки — она даёт особое предсказание, которое сможет отличить её от широко признанной инфляционной модели. В инфляционной космологии взрывоподобное расширение ранней Вселенной настолько сильно воздействует на пространственную структуру, что возникают сильные гравитационные волны. Такие волны должны были оставить след в реликтовом излучении и сейчас ведётся их поиск на высокочувствительном астрономическом оборудовании. Столкновение же бран сопровождается сильной кратковременной бурей, но без эффектного инфляционного расширения пространства, поэтому любые возникшие гравитационные волны скорее всего будут слишком слабы и быстро затухнут. Поэтому обнаружение гравитационных волн станет серьёзным свидетельством против циклической мультивселенной. С другой стороны, отсутствие любых наблюдательных данных о существовании таких гравитационных волн создаст серьёзные трудности большинству инфляционных моделей, и сделает циклический подход более привлекательным.

Идея циклической вселенной широко известна в физическом сообществе, но принимается с большим скептицизмом. Наблюдения могут изменить эту ситуацию. Если на Большом адронном коллайдере удастся получить доказательства существования миров на бране и если не будут обнаружены гравитационные волны, идущие из эпохи ранней Вселенной, то популярность циклической мультивселенной может значительно возрасти.

 

Внутри потока

 

Математическое осознание того, что в теории струн есть не только струны, но также и браны, оказало огромное влияние на исследования в этой области. Бранный сценарий и сопутствующие ему мультивселенные составляют направление исследований, которое потенциально может привести к значительному пересмотру наших представлений о реальности. Без точных математических методов, разработанных за последние полтора десятка лет, значительная часть этих открытий осталась бы за пределами наших возможностей. Однако основная проблема, которую физики надеялись решить с помощью точных методов, — выбор единственной формы пространства дополнительных измерений из многих кандидатов, выявленных теоретическими исследованиями, — пока остаётся нерешённой. Мы по-прежнему далеки от её решения. На самом деле, новые методы только усугубили проблему. Было открыто огромное количество новых видов пространств дополнительных измерений, что привело к невероятному увеличению числа возможных кандидатов, а понимание того, как выбрать одно единственное пространство, не продвинулось ни на йоту.

Ключевым для этих исследований явилось наличие у бран важной характеристики — потока. Подобно электрону, порождающему электрическое поле — электрический «туман», заполняющий пространство вокруг него, или подобно магниту, порождающему магнитное поле — магнитный «туман», заполняющий пространство вокруг него, брана порождает бранное поле — бранный «туман», заполняющий пространство вокруг неё (рис. 5.5). Когда в 1800-х годах Фарадей проводил первые эксперименты с электрическими и магнитными полями, для измерения напряжённости поля он использовал плотность силовых линий поля, расположенных на заданном расстоянии от источника, и эту величину он назвал потоком поля. С тех пор этот термин прочно вошёл в обиход. Напряжённость поля браны тоже измеряется порождаемым ей потоком.

 

Рис. 5.5. а ) Электрический поток, порождённый электроном; б ) Магнитный поток, порождённый магнитным стержнем; в ) Бранный поток, порождённый браной

 

Струнные теоретики, среди которых Рафаэль Буссо, Польчински, Стивен Гиддингс, Шамит Качру и многие другие, осознали, что для полного описания дополнительных измерений теории струн требуется не только определить их форму и размер — то, чем исследователи в этой области, включая меня, занимались в 1980–1990-х годах, — но также определить пронизывающие их потоки созданных бранами полей. Позвольте мне чуть более подробно остановиться на этом.

Со времён появления первых математических работ по дополнительным измерениям теории струн исследователям было известно, что пространства Калаби–Яу, как правило, содержат много пустых полостей, подобно пространству внутри мяча, внутри бублика или внутри фигурки из дутого стекла. Так продолжалось до тех пор, пока в самом начале нового тысячелетия теоретики не осознали, что пустые полости могут чем-нибудь заполняться. Они могут быть обёрнуты теми или иными бранами и пронизаны создаваемыми ими потоками полей (рис. 5.6). В более ранних исследованиях (кратко сформулированных, например, в «Элегантной Вселенной») по большей части рассматривались только «голые» пространства Калаби–Яу, для которых подобного рода украшения отсутствуют. Когда учёные осознали, что на пространства Калаби–Яу могут быть «навешены» дополнительные свойства, они обнаружили гигантский набор модифицированных пространств дополнительных измерений.

 

Рис. 5.6. В теории струн браны могут наматываться на часть дополнительных измерений, эти измерения могут быть пронизаны потоками созданных бранами полей — в результате получаются «одетые» пространства Калаби–Яу. (На рисунке представлена упрощённая версия пространства Калаби–Яу, «бублик с тремя дырками». Схематично показаны намотанные браны и линии потока в виде жгутов, намотанных на определённые части пространства)

 

Даже грубый подсчёт даёт представление о масштабе. Рассмотрим поток. Так же как в квантовой механике устанавливается, что число фотонов и электронов всегда целое — может быть 3 фотона и 7 электронов, но не 1, 2 фотона или 6, 4 электрона, — точно так же квантовая механика доказывает, что силовые линии потока собираются в целочисленные пучки. Они могут пронизывать охватывающую поверхность один раз, два раза, три раза и так далее. В принципе, помимо требования целочисленности, других ограничений не существует. На практике, когда количество линий в потоке велико, он стремится исказить пространство Калаби–Яу, что делает использованные ранее математические методы неточными. Во избежание попадания в этот математический омут учёные, как правило, рассматривают потоки с количеством линий не более 10, а часто и того меньше.59

Это означает, что если данное пространство Калаби–Яу содержит одну пустую полость, то её можно одеть потоком десятью разными способами, что приведёт к десяти новым пространствам дополнительных измерений. Если данное пространство Калаби–Яу имеет две такие полости, то имеем 10 × 10 = 100 различных способов одеть поток на пространство (10 возможных потоков на первую полость и 10 на вторую); если три пустые полости — имеем 103 различных способов одеть поток на пространство, и так далее. Насколько большим может быть это число? Некоторые пространства Калаби–Яу имеют порядка пятисот пустых полостей. Рассуждая аналогично, получаем, что число различных форм пространств дополнительных измерений будет порядка 10500.

Таким образом, вместо того чтобы просеять кандидатов и отобрать из них несколько выделенных пространств дополнительных измерений, точные математические методы открыли целый рог изобилия новых возможностей. Совершенно неожиданно выяснилось, что число возможных нарядов пространств Калаби–Яу значительно превышает число частиц в наблюдаемой части Вселенной. Для некоторых струнных теоретиков такой вывод стал большим разочарованием. Как подчёркивалось в предыдущей главе, не имея какого-нибудь способа выбрать точный вид дополнительных измерений — который, как мы теперь знаем, дополнен также выбором одетого на пространство потока, — математический аппарат теории струн лишается своей предсказательной силы. Так много надежд возлагалось на математические методы, которые могут работать вне рамок теории возмущений. Теперь же, когда некоторые из этих методов были реализованы, проблема фиксации формы пространства дополнительных измерений только усугубилась. После этого некоторые струнные теоретики совсем приуныли.

Другие, более жизнерадостные, верят, что сдаваться ещё рано. Однажды — возможно совсем скоро, а может и нет — будет найден недостающий принцип, определяющий вид дополнительных измерений, включая конкретный поток, в котором будет щеголять та или иная форма.

Иные теоретики придерживаются ещё более радикальной точки зрения. Возможно, говорят они, за десятилетиями бесплодных попыток установить точную форму пространства дополнительных измерений стоит некий смысл. Возможно, совершенно вызывающе продолжают эти радикалы, необходимо рассматривать все возможные формы и потоки, возникающие в математическом аппарате теории струн. Возможно, настаивают они, причина, по которой математика наполнена этими возможностями, в том, что они все реальны, каждая из форм задаёт дополнительные измерения в своей отдельной вселенной. И может быть, усмиряя необузданный полёт фантазии наблюдательными фактами, именно это и необходимо для рассмотрения самого трудного, по всей видимости, вопроса — космологической постоянной.

 

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: