Следует ли доверять математике?

 

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг однажды написал: «Наша ошибка не в том, что мы слишком серьёзно воспринимаем наши теории, а в том, что мы недостаточно серьёзно к ним относимся. Всегда тяжело осознавать, что числа и уравнения, с которыми мы играемся на письменном столе, имеют какое-то отношение к реальному миру».131 Вайнберг имел в виду пионерские результаты Ральфа Альфера, Роберта Германа и Георгия Гамова по реликтовому излучению, описанные в главе 3. Хотя предсказанное излучение является прямым следствием общей теории относительности и принятой космологической физики, о нём стали говорить только после повторного теоретического открытия, через дюжину лет, и после его счастливого экспериментального наблюдения.

Разумеется, слова Вайнберга не следует воспринимать буквально. Хотя на его письменном столе лежат неординарные уравнения той математики, которая оказалась существенной для описания реального мира, но далеко не каждое уравнение, с которым мы, теоретики, возимся, поднимается до этого уровня. Определить, какая математика важна в отсутствие убедительных экспериментальных и наблюдательных результатов, — это столь же искусство, сколь и наука.

Действительно, этот вопрос является главным во всём, что мы обсуждали в этой книге; он также повлиял на выбор её названия. Широта выбора различных гипотез мультивселенных (табл. 11.1) может свидетельствовать о целой панораме скрытых реальностей. Однако в названии этой книги фигурирует реальность в единственном числе, что отражает уникальность исключительно глубокого смысла, стоящего за всеми ними: способность математики выявлять скрытые истины об устройстве мира. Научные открытия на протяжении нескольких столетий выявили это со всей очевидностью. Монументальные перевороты идей в физике неоднократно возникали только благодаря математике. То, как обхаживал математику сам Эйнштейн, как раз является показательным примером.

Когда в конце 1800-х годов Джеймс Клерк Максвелл осознал, что свет — это электромагнитная волна, его уравнения показали, что скорость света должна быть равной примерно 300 000 километров в секунду — очень близко к измеренному в экспериментах значению. Однако уравнения оставили без ответа следующий вопрос: 300 000 километров в секунду по отношению к чему? В качестве паллиативного решения было предложено, что существует невидимая субстанция — «эфир», — пронизывающая всё пространство, которая задаёт незримую систему координат. Но в самом начале двадцатого столетия Эйнштейн доказал, что учёным следует воспринимать уравнения Максвелла более серьёзно. Если уравнения Максвелла не используют систему координат, то в ней вообще нет никакой необходимости; скорость света, настойчиво утверждал Эйнштейн, составляет 300 000 километров в секунду по отношению к чему угодно. Хотя подробности этого уже имеют лишь исторический интерес, я привожу данный эпизод с важной целью: любому было доступно изучить уравнения Максвелла, но лишь гений Эйнштейна смог охватить их целиком. Осознав это свойство уравнений Максвелла, Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, ниспровергнув многовековые размышления о пространстве, времени, материи и энергии.

В течение последующего десятилетия, развивая общую теорию относительности, Эйнштейн близко познакомился с многочисленными разделами математики, которые большинство физиков того времени знало плохо или не знало вообще. Нащупывая путь к окончательным уравнениям общей теории относительности, Эйнштейн проявил огромное мастерство в объединении разных математических конструкций твёрдой рукой физической интуиции. Спустя несколько лет, узнав хорошие новости о том, что наблюдения солнечного затмения 1919 года подтверждают предсказания общей теории относительности об искривлении траектории света от звёзд, Эйнштейн самоуверенно заявил, что если бы результаты наблюдений оказались другими, то ему «было бы очень жаль дорогого Господа, так как теория верна». Я уверен, что убедительные данные, противоречащие общей теории относительности, изменили бы настрой Эйнштейна, но это замечание хорошо отражает то, как набор математических уравнений, с их последовательной внутренней логикой, присущей им красотой и возможностью обширного применения, может излучать реальность.

Тем не менее, был предел тому, насколько сильно Эйнштейн желал следовать своим собственным математическим уравнениям. Эйнштейн не воспринимал общую теорию относительности «достаточно серьёзно», чтобы поверить в предсказанные ею чёрные дыры или в предсказанное расширение Вселенной. Как мы видели, другие, включая Леметра, Шварцшильда и Фридмана, восприняли уравнение Эйнштейна более глубоко, нежели он сам, и их достижения задали курс, которому следуют космологические исследования уже почти сто лет. Сам Эйнштейн, наоборот, в течение последних примерно двадцати лет своей жизни полностью погрузился в математические расчёты, увлечённо занимаясь построением единой теории физики. Оценивая эту работу на основе того, что нам известно теперь, трудно удержаться и не сделать вывод, что в течение этих лет Эйнштейн был слишком увлечён — можно сказать, был ослеплён — лесом уравнений, в которые он был постоянно погружён. Поэтому даже Эйнштейн в разные моменты его жизни принимал неверные решения относительно того, к каким уравнениям относиться серьёзно, а к каким нет.

Третья по счёту революция в современной теоретической физике, квантовая механика, является другим примером, прямо относящимся ко всему, что рассказано в этой книге. Шрёдингер выписал своё уравнение распространения квантовых волн в 1926 году. В течение десятилетий это уравнение считалось применимым только на малых расстояниях, к молекулам, атомам и частицам. Но в 1957 году Хью Эверетт воплотил напутствие Эйнштейна по оценке максвелловских уравнений, данное за пол века до этого: воспринимайте математику серьёзно. Эверетт доказал, что уравнение Шрёдингера должно быть применимо ко всему, потому что всё, что материально, независимо от размера, сделано из молекул, атомов и субатомных частиц. Как мы видели, это привело Эверетта к многомировому подходу к квантовой механике и квантовой мультивселенной. Более чем пятьдесят лет спустя мы по-прежнему не знаем, верен ли подход Эверетта. Но если воспринимать математический аппарат квантовой теории серьёзно — полностью серьёзно, — возможно, что Эверетт стал первооткрывателем одного из наиболее глубоких направлений научного исследования.

Другие модели мультивселенных также основываются на убеждении в том, что математика плотно вплетена в ткань реальности. В модели окончательной мультивселенной эта идея доведена до самого конца; согласно окончательной мультивселенной, математика является реальностью. Но даже при не столь радикальной точке зрения на характер взаимосвязи между математикой и реальностью другие модели мультивселенной (см. табл. 11.1) также были вызваны к жизни благодаря числам и уравнениям, над которыми колдуют теоретики за своими письменными столами — а также пишут в блокнотах, на досках, программируют на компьютерах. Даже если мы будем думать об общей теории относительности, квантовой механике, теории струн или математических методах в более широком контексте, то содержимое табл. 11.1 возникнет только в том случае, если мы допустим, что математические теоретизирования могут проявить скрытые истины. Только время покажет, воспринимаются ли на такой линии рассуждений соответствующие математические теории слишком серьёзно или, возможно, недостаточно серьёзно.

Если что-то или все из тех математических идей, которые толкнули нас на мысли о параллельных мирах, окажется важным для описания реальности, то мы сможем дать определённый ответ на знаменитый вопрос Эйнштейна о том, имеет ли Вселенная те свойства, какие имеет, просто потому, что другие вселенные невозможны? И ответ будет таков — нет. Наша Вселенная не является единственно возможной. Её свойства могли бы быть другими. Во многих моделях мультивселенных свойства других вселенных могут быть другими. В свою очередь, поиск фундаментальных объяснений того, почему определённые вещи таковы, каковы они есть, станет бессмысленным. Вместо этого в нашем понимании бескрайнего космоса прочное место займут статистическая вероятность или чистая случайность.

Я не знаю, так это будет или нет. Никто не знает. Но только благодаря дерзким усилиям мы сможем узнать свои собственные пределы. Только благодаря тщательному осмыслению теорий, даже тех, которые влекут нас в странные и неведомые просторы, у нас появится шанс осознать размах реальности.

 

Литература для дальнейшего чтения

 

Идея параллельных вселенных вызывает широкий научный интерес. Увеличивается количество литературы, в которой затрагиваются те или иные темы. В основном она предназначена для неспециалистов, хотя также подойдёт тем, кто уже имеет определённое образование в этом вопросе. В дополнение к процитированным в примечаниях источникам ниже приводится ряд книг — лишь некоторых из многих замечательных сочинений на эту тему, — с помощью которых читатель может продолжить изучение вопросов, обсуждавшихся в «Скрытой реальности».

 

Albert, David. «Quantum Mechanics and Experience». Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1994.

Alexander H. G. «The Leibniz–Clarke Correspondence». Manchester: Manchester University Press, 1956.

Barrow, John. «Pi in the Sky». Boston: Little, Brown, 1992.

Barrow, John. «The World Within the World». Oxford: Clarendon Press, 1988.

Barrow, John, and Frank Tipler. «The Anthropic Cosmological Principle». Oxford: Oxford University Press, 1986.

Bartusiak, Marcia. «The Day We Found the Universe». New York: Vintage, 2010.

Bell, John. «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics». Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1993.

Bronowski, Jacob. «The Ascent of Man». Boston: Little, Brown, 1973.

Byrne, Peter. «The Many Worlds of Hugh Everett III». New York: Oxford University Press, 2010.

Callender, Craig, and Nick Huggett. «Physics Meets Philosophy at the Planck Scale». Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 2001.

Carroll, Sean. «From Eternity to Here». New York: Dutton, 2010.

Clark, Ronald. «Einstein: The Life and Times». New York: Avon, 1984.

Cole, K. C. «The Hole in the Universe». New York: Harcourt, 2001.

Crease, Robert P., and Charles C. Mann. «The Second Creation». New Brunswick, N. J.: Rutgers University Press, 1996.

Davies, Paul. «Cosmic Jackpot». Boston: Houghton Mifflin, 2007.

Deutsch, David. «The Fabric of Reality». New York: Allen Lane, 1997. (Рус. пер.: Дойч Д. «Структура реальности». Ижевск: РХД, 2001.)

DeWitt, Bryce, and Neill Graham, eds. «The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics». Princeton: Princeton University Press, 1973.

Einstein, Albert. «The Meaning of Relativity». Princeton: Princeton University Press, 1988. (Рус. пер.: Эйнштейн А. «Сущность теории относительности». М.: Иностранная литература, 1955.)

Einstein, Albert. «Relativity». New York: Crown, 1961.

Ferris, Timothy. «Coming of Age in the Milky Way». New York: Anchor, 1989.

Ferris, Timothy. «The Whole Shebang». New York: Simon & amp; Schuster, 1997.

Feynman, Richard. «The Character of Physical Law». Cambridge, Mass.: MIT Press, 1995. (Рус. пер.: Фейнман P. «Характер физических законов». М.: Наука, 1987.)

Feynman, Richard. «QED». Princeton: Princeton University Press, 1986. (Рус. пер.: Фейнман P. «КЭД — странная теория света и вещества». М.: Наука, 1988.)

Gamow, George. «Mr. Tompkins in Paperback». Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1993.

Gleick, James. «Isaac Newton». New York: Pantheon, 2003.

Gribbin, John. «In Search of the Multiverse». Hoboken, N. J.: Wiley, 2010.

Gribbin, John. «Schrodinger’s Kittens and the Search for Reality». Boston: Little, Brown, 1995.

Guth, Alan H. «The Inflationary Universe». Reading, Mass.: Addison–Wesley, 1997.

Hawking, Stephen. «A Brief History of Time». New York: Bantam Books, 1988. (Рус. пер.: Хокинг С. «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр». СПб.: Амфора, 2010.)

Hawking, Stephen. «The Universe in a Nutshell». New York: Bantam Books, 2001. (Рус. пер.: Хокинг С. «Мир в ореховой скорлупке: Новейшие тайны Вселенной в кратком и красочном изложении». СПб.: Амфора, 2011.)

Isaacson, Walter. «Einstein». New York: Simon & amp; Schuster, 2007.

Kaku, Michio. «Parallel Worlds». New York: Anchor, 2006. (Рус. пер.: Каку М. «Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса». М: София, 2008.)

Kirschner, Robert. «The Extravagant Universe». Princeton: Princeton University Press, 2002.

Krauss, Lawrence. «Quintessence». New York: Perseus, 2000.

Kurzweil, Ray. «The Age of Spiritual Machines». New York: Viking, 1999.

Kurzweil, Ray. «The Singularity Is Near». New York: Viking, 2005.

Lederman, Leon, and Christopher Hill. «Symmetry and the Beautiful Universe». Amherst, N. Y.: Prometheus Books, 2004.

Livio, Mario. «The Accelerating Universe». New York: Wiley, 2000.

Lloyd, Seth. «Programming the Universe». New York: Knopf, 2006.

Moravec, Hans. «Robot». New York: Oxford University Press, 1998.

Pais, Abraham. «Subtle Is the Lord». Oxford: Oxford University Press, 1982.

Penrose, Roger. «The Emperor’s New Mind». New York: Oxford University Press, 1989. (Рус. пер.: Пенроуз P. «Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики». М.: URSS, 2011.)

Penrose, Roger. «Shadows of the Mind». New York: Oxford University Press, 1994. (Рус. пер.: Пенроуз P. «Тени разума. В поисках науки о сознании». Ижевск: РХД, 2005.)

Randall, Lisa. «Warped Passages». New York: Ecco, 2005. (Рус. пер.: Рэндалл Л. «Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства». М.: URSS, 2011.)

Rees, Martin. «Before the Beginning». Reading, Mass.: Addison–Wesley, 1997.

Rees, Martin. «Just Six Numbers». New York: Basic Books, 2001.

Schrodinger, Erwin. «What Is Life? » Cambridge, Eng.: Canto, 2000. (Рус. пер.: Шрёдингер Э. «Что такое жизнь с точки зрения физики? » М.: Римис, 2009.)

Siegfried, Tom. «The Bit and the Pendulum». New York: John Wiley & amp; Sons, 2000.

Singh, Simon. «Big Bang». New York: Fourth Estate, 2004.

Susskind, Leonard. «The Black Hole War». New York: Little, Brown, 2008.

Susskind, Leonard. «The Cosmic Landscape». New York: Little, Brown, 2005.

Thorne, Kip. «Black Holes and Time Warps». New York: W. W. Norton, 1994.

Tyson, Neil deGrasse. «Death by Black Hole». New York: W. W. Norton, 2007.

Vilenkin, Alexander. «Many Worlds in One». New York: Hill and Wang, 2006.

von Weizsacker, Carl Friedrich. «The Unity of Nature». New York: Farrar, Straus and Giroux, 1980.

Weinberg, Steven. «Dreams of a Final Theory». New York: Pantheon, 1992. (Рус. пер.: Вайнберг С. «Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы». М.: URSS, 2008.)

Weinberg, Steven. «The First Three Minutes». New York: Basic Books, 1993. (Рус. пер.: Вайнберг С. «Первые три минуты». М.: ЭКСМО, 2011.)

Wheeler, John. «A Journey into Gravity and Spacetime». New York: Scientific American Library, 1990.

Wilczek, Frank. «The Lightness of Being». New York: Basic Books, 2008.

Wilczek, Frank, and Betsy Devine. «Longing for the Harmonies». New York: W. W. Norton, 1988.

Yau, Shing-Tung, and Steve Nadis. «The Shape of Inner Space». New York: Basic Books, 2010.

 

 

Комментарии

 

 

Возможность того, что наша Вселенная представляет собой лист, парящий в многомерном пространстве, восходит к статье двух знаменитых советских физиков В. А. Рубакова и М. Е. Шапошникова «Do We Live Inside a Domain Wall? » (V A. Rubakov and М. E. Shaposhnikov, «Physics Letters В» 125 (May 26, 1983): 136) и не использует теорию струн. Рассматриваемый в главе 5 сценарий возникает из теоретико-струнных построений середины 1990-х годов.

 

 

Эта цитата взята из мартовского выпуска «Literary Digest» 1933 года. Следует отметить, что точность цитаты недавно была поставлена под сомнение датским историком науки Хельге Крагхом (см. его книгу: Helge Kragh, «Cosmology and Controversy». Princeton: Princeton University Press, 1999), который считает, что она может являться перефразировкой более ранней заметки в газете «Newsweek» того же года, где Эйнштейн высказывался о происхождении космических лучей. Однако доподлинно известно, что в этом же году Эйнштейн отрёкся от веры в статичную вселенную и принял динамичную космологию, возникающую из его исходных уравнений общей теории относительности.

 

 

Этот закон определяет силу гравитационного притяжения F между двумя объектами с заданными массами m 1 и m 2 и расстоянием r между ними. Математически закон имеет вид F = Gm 1m 2/r 2, где G обозначает константу Ньютона — экспериментально измеренное число, характеризующее силу гравитационного взаимодействия.

 

 

Для математически подкованного читателя приведём уравнения Эйнштейна:

где g — это метрика пространства-времени, Rμ ν — тензор кривизны Риччи, R — скалярная кривизна, G — константа Ньютона, Tμ ν — тензор энергии-импульса.

 

 

За десятилетия, прошедшие с момента этого знаменитого подтверждения общей теории относительности, возникли вопросы, касающиеся надёжности полученных результатов. Чтобы увидеть световой луч от удалённой звезды, огибающий Солнце, наблюдения должны были проводиться во время солнечного затмения; к сожалению, плохая погода затруднила получение чётких фотографий затмения 1919 года. Вопрос в том, могли ли Эддингтон и его сотрудники внести систематическую ошибку под влиянием ожидаемого результата: отбраковывая фотографии, кажущиеся ненадёжными по причине интерференции, вызванной погодными условиями, они могли бы исключить несоразмерное количество фотографий с данными, которые казались противоречащими теории Эйнштейна. Недавнее подробное исследование Даниэля Кеннефика (см.: www.arxiv.org, paper arXiv: 0709.0685, в котором, помимо прочих рассмотрений, делается современная переоценка фотографических пластинок, сделанных в 1919 году) убедительно свидетельствует что подтверждение теории, сделанное в 1919 году, на самом деле является надёжным.

 

 

Для заинтересованного читателя приведём уравнения Эйнштейна общей теории относительности, которые в рассматриваемом случае выглядят так:

Переменная a (t ) является масштабным фактором вселенной — её значение, как указывает название, устанавливает масштаб расстояния между объектами (если значения a (t ) в два разных момента времени отличаются, например, в 2 раза, то расстояние между двумя частными галактиками будет отличаться между этими временами также в 2 раза), G — это константа Ньютона, ρ — плотность материи/энергии, и k является параметром, значение которого может быть 1, 0 или − 1, в зависимости от того, является ли форма пространства сферической, евклидовой («плоской») или гиперболической. Обычно считается, что вид этого уравнения был найден Александром Фридманом и, собственно, называется уравнением Фридмана.

 

 

Внимательный читатель может отметить два момента. Во-первых, в общей теории относительности, как правило, мы определяем координаты, которые сами зависят от находящегося в пространстве вещества: мы используем галактики в качестве носителей координат (как будто на каждой галактике «нарисован» частный набор координат — так называемые движущиеся системы координат). Поэтому для задания определённой области пространства обычно ссылаются на присутствующую в ней материю. Тогда более точная перефразировка текста такова: область пространства, в которой находится некоторая группа из N галактик в момент времени t 1, будет иметь больший объём в более поздний момент времени t 2. Во-вторых, интуитивно понятное утверждение, касающееся плотности материи и энергии, изменяющиеся при расширении или сжатии пространства, содержит неявное предположение насчёт уравнения состояния материи и энергии. Есть ситуации и скоро мы столкнёмся с одной из них, когда пространство может расширяться или сжиматься, а плотность некоторого вклада энергии — плотность энергии так называемой космологической постоянной — остаётся неизменной. Действительно, есть даже более экзотические сценарии, в которых пространство расширяется а плотность энергии при этом растёт. Такое происходит, потому что при определённых обстоятельствах гравитация служит источником энергии. Важный момент этого параграфа состоит в том, что уравнения общей теории относительности в исходном виде противоречат статичной вселенной.

 

 

Вскоре мы увидим, что Эйнштейн отказался от статичной вселенной, столкнувшись с астрономическими данными, согласно которым вселенная расширяется. Однако, следует отметить, что его опасения насчёт статичной вселенной предшествовали получению этих данных. Физик Виллем де Ситтер указал Эйнштейну, что его статичная вселенная нестабильна: стоит её слегка толкнуть, и она начнёт расти или сжиматься. Физики избегают решений, которые могут существовать лишь в идеальных, неискажённых условиях.

 

 

В модели Большого взрыва расширение пространства вовне во многом подобно движению вверх подброшенного мяча: сила притяжения гравитации тянет обратно движущийся вверх мяч, и тем самым замедляет его движение; аналогичным образом сила притяжения гравитации действует на разлетающиеся галактики и тем самым тормозит их движение. Ни в одном из случаев движение вперёд не требует отталкивающей силы. Однако вы всё равно можете спросить: мяч был запущен вверх рукой, а что «запустило» пространство и его расширение вовне? Мы вернёмся к этому вопросу в главе 3, где увидим, что современная теория постулирует непродолжительную вспышку гравитационного отталкивания, действующего в самые ранние моменты космической истории. Мы также увидим, что более точные данные свидетельствуют о том, что расширение пространства не замедляется со временем, что приводит к удивительному — и это станет ясно в последующих главах — воскрешению потенциально глубокого смысла космологической постоянной.

Открытие пространственного расширения стало поворотным пунктом в современной космологии. Помимо открытий Хаббла, это достижение основывалось на работе и идеях многих других учёных, включая Весто Слайфера, Харлоу Шэпли и Мильтона Хумасона.

 

 

Двумерный тор обычно изображается как пустой бублик. Двухшаговый процесс показывает, что эта картинка согласована с приведённым в тексте книги описанием. Когда, достигнув правого края экрана, вы попадаете назад на левый край, это равносильно отождествлению всего правого края с левым краем. Если бы экран был гибким (например, из тонкого пластика), то такое отождествление могло бы быть буквальным, если скатать экран в цилиндр и объединить вместе правый и левый края. Когда, ступив на верхний край, вы попадаете в нижний, то это тоже равносильно отождествлению этих краёв. Это достигается явным образом на втором шаге, в котором мы скручиваем цилиндр и соединяем верхний и нижний круговые края. Получившаяся фигура выглядит как обычный бублик. Обманчивый аспект этих манипуляций состоит в том, что поверхность бублика выглядит искривлённой; если его поверхность покрыть отражающей краской, то ваше отражение будет искажено. Это артефакт реализации тора в виде объекта, расположенного в объемлющем трёхмерном пространстве. В действительности, являясь двумерной поверхностью, тор не искривлён. Он плоский. Что очевидно, если его представить в виде плоского экрана для видеоигр. Именно поэтому в тексте книги я выбрал более фундаментальное описание в виде фигуры, края которой попарно отождествляются.

 

 

Искушённый в математике читатель заметит, что под словами «подходящим образом нарезать и скомпоновать» я подразумеваю факторпространства, которые возникают при факторизации односвязных накрывающих пространств по дискретным группам изометрии.

 

 

Приведённое количество справедливо для текущей эры. В более ранней Вселенной критическая плотность была выше.

 

 

Если бы Вселенная была статична, то свет, путешествующий в течение последних 13, 7 миллиардов лет и только сейчас достигший нас, действительно был бы излучён с расстояния в 13, 7 миллиардов световых лет. В расширяющейся вселенной, в то время, пока свет находится в пути, испустивший его объект продолжает отдаляться миллиарды лет. Таким образом, на момент, когда мы принимаем этот свет, объект находится ещё дальше — значительно дальше, — чем 13, 7 миллиардов световых лет. Вычисления с помощью общей теории относительности показывают, что этот объект (допустим, что он всё ещё существует и постоянно движется вместе с расширяющимся пространством) будет теперь находиться на расстоянии примерно 41 миллиарда световых лет. В этом смысле, наблюдаемая Вселенная имеет диаметр примерно 82 миллиарда световых лет. Свет от объектов, находящихся дальше, ещё не успел до нас дойти, и поэтому они находятся за пределами нашего космического горизонта.

 

 

Образно говоря, можно считать, что в силу квантовой механики частицы всегда находятся в состоянии, которое мне нравится называть «квантовым дрожанием»: что-то вроде неизбежных случайных квантовых вибраций, что придаёт самому понятию частицы с определённым положением и скоростью (импульсом) приближённый смысл. В этом смысле изменения в положении/скорости, достаточно малые, чтобы быть на равных с квантовыми флуктуациями, являются квантово-механическим «шумом» и, следовательно, не имеют значения.

На более точном языке, если погрешность в измерениях положения умножить на погрешность в измерениях импульса, то результат — неопределённость — всегда больше, чем число, называемое постоянной Планка (в честь Макса Планка, одного из пионеров квантовой физики). Это, в частности, означает, что точное разрешение в процессе измерения положения частицы (небольшая погрешность) обязательно приведёт к большой неопределённости при измерении импульса частицы и, за компанию, её энергии. Поскольку энергия всегда ограничена, разрешение при измерении положения, таким образом, тоже является ограниченным.

Также отметим, что эти понятия всегда будут применяться в конечной пространственной области — как правило, в областях, размер которых сопоставим с современным космическим горизонтом (как в следующем разделе). Область конечного размера, пусть даже большая, подразумевает максимальную неопределённость при измерении положения. Если предполагается, что частица находится в данной области, то неопределённость её положения конечно же будет не больше размера самой области. Согласно принципу неопределённости, такая максимальная неопределённость в положении приводит к минимальной неопределённости при измерении импульса. Помимо ограниченного разрешения при измерении местоположения, мы видим редукцию от бесконечного к конечному числу возможных различных конфигураций положений и скоростей частицы.

Вы всё ещё можете задаваться вопросом о том, что препятствует построению прибора, способного измерять положения частицы с ещё большей точностью. Это также касается энергии. Как описано в книге, если вы хотите измерить положение частицы с большей точностью, необходимо использовать более точный прибор. Для определения местоположения мухи в комнате можно включить обычный верхний свет. Для определения положения электрона необходимо осветить его узким лучом мощного лазера. Для ещё более точного определения положения электрона надо использовать ещё более мощный лазер. Когда более мощный лазер бьёт по электрону, его скорость сильно искажается. Таким образом, ключевой момент здесь в том, что точность определения положения частицы достигается за счёт огромных изменений скорости частицы — и, следовательно, огромных изменений её энергии. Если есть предел того, сколько энергии может иметь частица, а такой предел есть всегда, то также есть предел того, насколько точно можно измерить её положение.

Таким образом, ограниченность энергии в ограниченной пространственной области приводит к конечному разрешению при измерении как положения, так и скорости.

 

 

Наиболее прямой способ проделать это вычисление состоит в использовании результата, который без привлечения технических подробностей будет описан в главе 9: энтропия чёрной дыры — логарифм числа различных квантовых состояний — пропорциональна площади её поверхности, измеренной в единицах планковской площади. Заполняющая наш космический горизонт чёрная дыра будет иметь радиус примерно 1028 сантиметра, или примерно 1061 планковских длин. Таким образом, её энтропия будет примерно 10122 в единицах планковской площади. Следовательно, полное число различных состояний составляет примерно 10, возведённое в степень 10122, или 1010122.

 

 

Можно поинтересоваться, почему не учитываются поля. Как мы увидим, описания частиц и полей дополнительны друг к другу — поле может описываться в терминах определённых частиц, из которых оно состоит, подобно тому как океанские волны могут описываться в терминах составляющих их молекул воды. Выбор описания в терминах частиц или полей является в основном вопросом удобства.

 

 

Расстояние, проходимое светом за заданный промежуток времени, сильно зависит от скорости расширения пространства. В последующих главах мы обсудим доводы, указывающие на то, что темп пространственного расширения ускоряется. Если так, то существует предел того, насколько далеко свет может распространиться в пространстве, даже если ждать сколь угодно долго. Удалённые области пространства будут удаляться от нас так быстро, что излучаемый нами свет не сможет достичь их; аналогичным образом испущенный ими свет не сможет достичь нас. Это будет означать, что космические горизонты — та часть пространства, с которой можно обмениваться световыми сигналами, — не будут расти бесконечно. (Заинтересовавшийся читатель может найти соответствующие формулы в комментарии 66.)

 

 

Дж. Эллис и Дж. Бандрит исследовали повторяющиеся миры в бесконечной классической вселенной; Ж. Гаррига и А. Виленкин изучали такие миры в квантовом контексте.

 

 

В ранних работах Дикке рассматривал идею осциллирующей Вселенной, которая многократно проходит через вереницу циклов Большой взрыв—расширение—сжатие—схлопывание и снова Большой взрыв. В любом цикле будет присутствовать заполняющее пространство остаточное излучение.

 

 

Следует отметить, что хотя у галактик нет реактивных двигателей, в общем случае они движутся чуть быстрее, чем ожидается из расширения пространства — как правило, это результат крупномасштабных межгалактических гравитационных сил, а также внутреннего движения вращающегося газового облака, из которого образуются звёзды в галактиках. Скорость такого движения называется пекулярной и, как правило, она достаточно мала, поэтому в космологическом анализе ею можно смело пренебречь.

 

 

Проблема горизонта довольно тонкая, и приведённое мной описание решения на основе инфляционной космологии несколько отличается от стандартного, поэтому, возможно, читателя заинтересует чуть более подробное обсуждение этого вопроса. Сначала опять постановка проблемы: рассмотрим две области в ночном небе, настолько удалённые друг от друга, что они никогда не вступали в контакт. Для определённости скажем, что в каждой области находится наблюдатель, который контролирует термостат, поддерживающий температуру в его области. Эти наблюдатели хотят, чтобы две данные области имели одинаковую температуру, но поскольку наблюдатели не имели возможности контактировать, они не знают на какую температуру устанавливать свои термостаты. Естественная идея состоит в том, что поскольку миллиарды лет назад наблюдатели находились гораздо ближе, то тогда им было проще установить контакт и сравнять температуры в своих областях. Однако, как отмечалось в основном тексте, в стандартной теории Большого взрыва эти рассуждения не проходят. И этому есть причины. В стандартной теории Большого взрыва Вселенная расширяется, но в силу гравитационного притяжения темп расширения со временем замедляется. Это очень похоже на подбрасывание мяча вверх. Во время подъёма он сначала быстро удаляется от вас, но в силу притяжения Земли постепенно замедляется. Замедление пространственного расширения имеет серьёзные последствия. Для пояснения я воспользуюсь аналогией с подброшенным мячом. Представьте, что мяч достигает верхней точки за шесть секунд. Поскольку изначально (после того как отрывается от вашей руки) он двигался быстро, он может пройти первую половину расстояния за две секунды, но из-за уменьшения скорости пройдёт четыре секунды, прежде чем он одолеет вторую половину пути. Таким образом, на половине временного интервала, через три секунды, он пролетел больше половины пути. Аналогичным образом происходит процесс замедляющегося во времени пространственного расширения: в середине космической истории два наших наблюдателя будут разделены расстоянием бо́ льшим, чем половина современного расстояния между ними. Давайте подумаем, что это значит. Два наблюдателя будут ближе друг к другу, но им будет тяжелее — а не легче — установить контакт. Посылаемый одним из наблюдателей сигнал будет располагать половиной от прошедшего интервала времени для достижения второго наблюдателя, но расстояние, которое он должен будет преодолеть, больше половины от современного расстояния. Половина времени для взаимодействия на расстоянии, превышающем половину текущего расстояния между ними, осложняет установление контакта между наблюдателями.

Таким образом, расстояние между наблюдателями — лишь один из факторов при анализе возможности наблюдателей влиять друг на друга. Другой фактор — время, прошедшее с момента Большого взрыва, поскольку это ограничивает дальность распространения сигнала. В стандартной теории Большого взрыва, хотя в прошлом всё действительно располагалось ближе друг к другу, Вселенная также и расширялась быстрее, поэтому, пропорционально говоря, для распространения влияния было меньше времени.

Решение этого вопроса, предложенное в инфляционной космологии, состоит в добавлении некоторой фазы в самые ранние моменты космической истории, в которой темп расширения не замедляется, как скорость подброшенного вверх мяча; наоборот, пространственное расширение начинается неспешно, а затем постепенно наращивает скорость: расширение ускоряется. Согласно только что приведённым рассуждениям, на половине пути такой инфляционной фазы два наших наблюдателя будут разделены расстоянием меньшим половины расстояния между ними в момент завершения инфляционной фазы. А если есть половина времени для распространения сигнала на менее чем половину расстояния, это означает, что в ранние моменты времени контакт мог быть легче установлен. Можно сказать, что ускорение расширения в более ранние моменты времени означает, что для распространения сигнала было больше времени, а не меньше. Это позволяло удалённым на настоящий момент областям легко контактировать в ранней Вселенной, что объясняет их одинаковую температуру сейчас.

Поскольку по сравнению со стандартной теорией Большого взрыва ускоренное расширение приводит к ещё большему пространственному расширению, эти области будут гораздо ближе в начальный момент при инфляции, чем в аналогичный момент времени в стандартной теории Большого взрыва. Эта разница в расстоянии в ранней Вселенной является эквивалентным способом для понимания того, почему контакт между областями, невозможный при стандартном Большом взрыве, легко достигается в инфляционной теории. Если в некоторый момент после начала расстояние между двумя областями меньше, им легче обмениваться сигналами.

Применяя уравнения, описывающие расширение в произвольные ранние моменты времени (представьте, для определённости, что пространство имеет форму сферы), мы увидим, что две области в инфляционной модели будут удаляться друг от друга медленнее, чем при стандартном Большом взрыве: именно поэтому они удаляются на меньшее расстояние по сравнению с теорией Большого взрыва. В этом смысле в инфляционном подходе есть период времени, когда темп разлёта областей меньше, чем в картине обычного Большого взрыва.

При описании инфляционной космологии очень часто всё внимание целиком сосредоточено на фантастическом увеличении скорости расширения по сравнению со стандартными подходами, а не на уменьшении. Различие в описании возникает из того, какие физические свойства двух подходов сравниваются. Если сравнить траектории двух областей, расположенных в ранней Вселенной на некотором расстоянии друг от друга, то в инфляционной теории эти области разлетаются гораздо быстрее, чем в стандартной теории Большого взрыва; на сегодняшний день они находятся гораздо дальше друг от друга, чем после обычного Большого взрыва. Но если рассматривать области, расположенные на определённом расстоянии сегодня (подобно двум участкам в противоположных концах ночного неба), то становится важным приведённое мной описание. А именно: в определённый момент времени в очень ранней Вселенной эти области были гораздо ближе друг к другу, и в теории с инфляционным расширением разлетались гораздо медленнее, чем в теории без такового. Роль инфляционного расширения в том, чтобы компенсировать медленный старт, разгоняя затем эти области быстрее и быстрее, гарантируя, что они окажутся в тех же местах на небе как и в стандартной теории Большого взрыва.

Более полное обсуждение проблемы горизонта включал

⇐ Предыдущая25262728293031323334

Поделиться: