Parallel worlds ajourney through / creation, higher dimensions, and the future of the cosmos
Скачать 5.16 Mb.
|
| Это субатомные частицы, содержащиеся в Стандартной модели — наиболее успешной теории элементарных частиц. Она построена на кварках, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонах, таких, как электрон и нейтрино, и многих других частицах. Обратите внимание, что результатом модели являются три одинаковые копии субатомных частиц. Поскольку Стандартная модель не может объяснить гравитацию (и кажется такой нелепой), физики-теоретики считают, что эта теория не может быть окончательной. Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологию новую парадигму. Идея была очень простой и изящной: в момент Большого Взрыва все четыре основные силы объединились в еди- ную связанную силу, загадочную «сверхсилу». Четыре силы были равны друг другу по значимости и являлись частью единого связного целого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться и остывать, изначальная «сверхсила» начала «расщепляться» и от нее одна за другой начали «отпадать» различные силы. Согласно этой теории, остывание Вселенной после Большого Взрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидком состоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однако при замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечных ледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальная однородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырь- ки и кристаллы. Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно по- вреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит из неровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидов и взрьшающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, — бо- лее того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны друг с другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, — это то, что она уже старая и холодная. Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства, до сегодняшнего дня она прошла много «фазовых переходов», или изменений состояния, при которых вселенские силы одна за другой освобождались от взаимодействия с остальными по мере остывания Вселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать эта- пы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершен- ного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной, которое мы видим на сегодняшний день. Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимо точно понять, как произошли эти «фазовые переходы» с момента создания Вселенной, которые ученые называют «спонтанными нарушениями». Будь то таяние льда, кипение воды, образование дождевых облаков или охлаждение после Большого Взрыва, фазовые переходы могут соединять два совершенно разных состояния веще- ства. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовые переходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подве- сить 200 ООО кг воды в воздухе без всякой опоры? Ответ: образовать облако.) Ложный вакуум Процесс, когда одна сила отделяется от остальных, можно сравнить с прорывом плотины. Реки текут по склонам, потому что вода течет в направлении уменьшения энергии, то есть в сторону уровня моря. Наименьшим энергетическим состоянием является вакуум. Однако существует и необычный, ложный вакуум. Например, если мы соору- дим плотину на реке, то будет казаться, что она находится в стабиль- ном состоянии, в то время как в действительности она находится под огромным давлением. Если в плотине появится малейшая трещина, давление может разнести плотину, освободить поток энергии из ложного вакуума (перегороженная плотиной река) и вызвать ката- строфический разлив ее в направлении истинного вакуума (уровень моря). Могут быть затоплены целые населенные пункты, если вдруг произойдет спонтанное разрушение плотины и внезапный переход от ложного вакуума к истинному. Подобным образом, по теории Великого Объединения, Вселенная изначально возникла в состоянии ложного вакуума, где три силы были объединены в единое целое. Однако целостность эта была не- стабильной, она спонтанно разрушилась, и произошел переход из ложного вакуума, где были объединены три силы, к истинному вакуу- му, где эти силы распались. Все это было известно еще до того, как Гут начал анализировать теорию Великого Объединения. Но Гут заметил еще кое-что, что просмотрели другие. В состоянии ложного вакуума Вселенная рас- ширяется экспоненциально, в точности так, как предсказывал де Ситтер в 1917 году. Энергия ложного вакуума является космоло- гической константой, которая заставляет Вселенную расширяться с невероятной скоростью. Гут задался судьбоносным вопросом: может ли это экспоненциальное расширение де Ситтера разрешить некоторые космологические проблемы? Проблема монополя Одним из прогнозов теорий Великого Объединения было образо- вание в начале времен множества монополей. Монополь — единич- ный магнитный полюс, северный или южный. В природе монополей не бывает: полюса встречаются только в паре. Если взять молоток и разбить им магнит пополам, то не получится двух монополей; вместо этого у вас окажется два меньших магнита с парой полюсов, север- ным и южным соответственно. Проблемой, однако, стало то, что ученые, веками эксперимен- тируя, не обнаружили убедительных доказательств существования монополя. Алан Гут был озадачен тем фактом, что теории Великого Объединения предсказывали существование большого количества монополей, хотя никто никогда их не видел. «Подобно единорогу, монополь и до сих пор продолжает пленять человеческий разум, несмотря на отсутствие убедительных доказательств его существо- вания», — заметил Гут. И тут внезапно ему в голову пришла идея. В мгновение ока все кусочки головоломного пазла встали на свои места. Он понял, что если Вселенная зародилась в состоянии «ложного вакуума», то она могла расширяться экспоненциально, как и предполагал де Ситтер несколько десятков лет тому назад. В этом состоянии ложного ваку- ума Вселенная могла внезапно инфляционно расшириться до неве- роятной степени. Если ученые до сих пор и не встречали монополя, то дело обстоит так лишь потому, что монополи были разбросаны по всей Вселенной, которая имела гораздо большие размеры, чем можно было предположить. Для Гута это осознание стало источником радости и удивления. Такое простое решение могло бы в момент объяснить проблему монополя. Но Гут понимал, что последствия этого решения для кос- мологии будут гораздо более существенными, чем он сам усматривал в своей идее. Проблема плоскостности Вселенной Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему, про- блему плоскостности Вселенной, которую мы упоминали ранее. Стандартная картина Большого Взрыва не могла объяснить, почему Вселенная такая плоская. В 1970-е годы считалось, что плотность вещества во Вселенной, называемая to, равнялась приблизительно ОД. Тот факт, что значение было относительно близко к критической плотности 1,0 через столько миллиардов лет после Большого Взрыва, очень беспокоил ученых. По мере того как Вселенная расширялась, со должна была бы со временем измениться. Ее же значение было неуютно близко к значению 1,0, которое описывает полностью пло- ский космос. Уравнения Эйнштейна для любого разумного значения со в начале времен показывают, что в наши дни со должна равняться почти нулю. Потребовалось бы чудо, чтобы со находилась так близко к значению 1 через столько миллиардов лет, прошедших после Большого Взрыва. Это то, что в космологии называют проблемой точной настройки. Бог, или Творец, должен был «выбрать» значение со с фантастиче- ской точностью, чтобы в наши дни она равнялась 0,1. Если в наши дни значение со находится в диапазоне от 0,1 до 10, то это подразумевает, что через одну секунду после Большого Взрыва ее значение равня- лось 1,00000000000000. Иными словами, в начале времен значение со должно было быть «выбрано» равным единице с точностью до одной стотриллионной, что с трудом укладывается в голове. • Представьте, что вы стараетесь поставить карандаш на острие. Сколько бы вы ни искали баланс, карандаш все равно падает. По сути, необходима потрясающая точность настройки — сбалансировать карандаш таким образом, чтобы он не упал. А теперь попробуйте сбалансировать карандаш так, чтобы он простоял на острие грифеля не несколько секунд, а несколько лет! Вот также невероятна и точная настройка, необходимая для того, чтобы сегодня со равнялась 0,1. Малейшая ошибка в настройке стала бы причиной нынешнего зна- чения со, намного отличного от единицы. Так почему же плотность столь близка к Первому дню Творения, если, Тю справедливости, ее значение должно бы уйти астрономически далеко? Для Гута ответ был очевиден. Вселенная просто-напросто рас- ширилась до такой степени, что стала казаться плоской. Подобно человеку, считающему, что Земля плоская, потому что он не видит горизонта, астрономы заключили, что значение со находится в обла- сти 1, потому что инфляция сделала Вселенную плоской. Проблема горизонта Инфляция не только объясняла факты, свидетельствующие о том, что Вселенная плоская, — она также решила проблему горизонта. Эта проблема основана на простом понимании того, что ночное небо ка- жется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели. Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная одно- родна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные де- сятками миллиардов световых лет. Мощнейшие телескопы не могут обнаружить каких-либо заметных отклонений в этой однородности. Наши космические спутники показали, что космическое фоновое микроволновое излучение также распределено чрезвычайно одно- родно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фо- нового излучения меняется не более чем на одну тысячную градуса. Но в этом-то и проблема, поскольку скорость света является конечным скоростным пределом во Вселенной. За время жизни Вселенной свет или информация никоим образом не могли пройти расстояние от одной части ночного неба к другой. Если взять, ска- жем, микроволновое излучение, видимое в одном направлении, то оно путешествовало более 13 млрд лет с момента Большого Взрыва. Но если мы повернем голову на 180°, то увидим такое же микровол- новое излучение, которое тоже пропутешествовало более 13 млрд лет. Поскольку эти излучения имеют одну и ту же температуру, это означает, что они находились в термальном контакте еще в начале времен. Но различные точки в ночном небе, разделенные расстояни- ем в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва нико- им образом не могли обменяться информацией. Ситуация выглядит еще хуже, если взглянуть на небо через 380000 лет после Большого Взрыва, когда впервые образовалось микроволновое фоновое излучение. Если мы взглянем на противо- положные точки небесной сферы (не простым глазом, естественно), то увидим, что излучение почти однородно. Но, согласно расчетам в рамках теории Большого Взрыва, между этими противоположными точками лежит расстояние в 90 миллионов световых лет (из-за кос- мического расширения после взрыва). Но свет никак не мог пройти 90 миллионов световых лет за 380 000 лет. Информация должна была бы двигаться со скоростью, намного превышающей скорость света, а это невозможно. По справедливости, Вселенная должна бы казаться довольно комковатой, при этом одна ее часть находилась бы слишком дале- ко от другой, чтобы они могли контактировать между собой. Как может Вселенная казаться настолько однородной, когда у света просто-напросто не было достаточно времени, чтобы перенести и распространить информацию из одной части Вселенной в другую? (Принстонский физик Роберт Дик назвал эту проблему «проблемой горизонта», поскольку горизонт — самая отдаленная точка, кото- рую мы можем видеть, самая отдаленная точка, до которой может распространяться свет.) Однако Гут понял, что инфляция дает ключ к разрешению и этой проблемы. Он сделал следующий вывод: наша Вселенная, ви- димо, была крошечным язычком изначального огненного облака. Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфля- ция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 1050 раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потому видимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ноч- ное небо и микроволновое излучение кажутся столь однородными из-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но од- нородным язычком изначального облака пламени, который внезапно расширился, образовав Вселенную. Реакция на инфляцию Хотя Гут был уверен в том, что инфляционная теория верна, он не- сколько нервничал, когда начал читать первые публичные лекции. Когда в 1980 году он представил свою теорию, то признался: «Я все еще беспокоился о том, что некоторые заключения в теории могли быть неверны. И побаивался, что покажусь незрелым космологом». Но его теория была столь изящна и мощна, что физики всего мира незамедлительно уяснили всю ее важность. Нобелевский лауреат Марри Гелл-Манн воскликнул: «Вы решили важнейшую проблему космологии!» Другой нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу по секрету сообщил Гуту, что Стивен Вайнберг был «взбешен», когда услышал об «инфляции». Гут взволнованно спросил: «У Стива были какие-то возражения по поводу теории?» Глэшоу ответил: «Нет, просто он жалел, что сам до нее не додумался». Ученые задавались во- просом, как они могли упустить такое простое решение. Теорию Гута восторженно приняли физики-теоретики, пораженные ее размахом. Новая теория расширила и перспективы Гута на получение рабо- ты. Когда-то из-за большой конкуренции на рынке труда он лицом к лицу столкнулся с безработицей. «Я находился в критической ситуации в смысле трудоустройства», — признавался он. Внезапно на него посыпались предложения из лучших университетов, но Массачусетский технологический институт, который он выбрал с самого начала, не прислал ему приглашения. Тогда же Гут прочитал записочку-предсказание, запеченную в печенье, которая гласила: «Если вы не слишком застенчивы, то прямо перед вами находится волнующая возможность». Это предсказание придало ему мужества позвонить в Массачусетский технологический институт и осведо- миться о возможности получения работы. Он был ошеломлен, когда через несколько дней ему перезвонили из института и предложили должность профессора. В следующем печенье он обнаружил вот такое предсказание: «Не нужно действовать под влиянием момен- та». Не обратив внимания на совет, он решил принять предложение МТИ. «В конце концов, что может знать китайское печенье?» — спросил он себя. Однако возникли серьезные проблемы. Астрономы были не слишком очарованы теорией Гута, поскольку в ней зияла пробоина; она давала неверный прогноз со. Тот факт, что со относительно близ- ка к 1, мог объясняться теорией инфляции. Однако инфляционная теория шла намного дальше и предсказывала, что со (или со плюс л) должна в точности равняться 1, что соответствовало плоской Вселенной. В следующие годы по мере того, как накапливалось все больше экспериментальных данных о расположении темной мате- рии во Вселенной, значение со несколько сдвинулось, поднявшись с 0,1 до 0,3. Но это значение все еще было потенциально опасным для теории инфляции. Хотя в течение следующего десятилетия физики посвятили теории инфляции более трех тысяч работ, для астрономов она оставалась странной. Им казалось, что имеющиеся у них данные исключают возможность инфляции Вселенной. Некоторые астрономы жаловались, что физики, занимающиеся теорией частиц, настолько захвачены красотой теории инфляции, что готовы пренебречь экспериментальными фактами. (Астроном Роберт Киршнер из Гарварда писал: «Эта «инфляционная» тео- рия звучит безумно. Тот факт, что ее серьезно воспринимают люди, которые пользуются заслуженным авторитетом, не превращает ее автоматически в правильную». Роджер Пенроуз из Оксфорда назвал теорию инфляции «модой, которую специалисты, занимающиеся физикой высоких энергий, навязали космологам. Даже муравьеды думают, что их детеныши прекрасны».) Сам же Гут верил: рано или поздно подтвердится, что Вселенная плоская. Но его и вправду беспокоил тот факт, что в изначальной картине наблюдался маленький, но очень серьезный недостаток, который и до сих пор не до конца объяснен. Теория инфляции иде- ально подходила для решения глубоких космологических проблем. Проблема заключалась в том, что Гут не знал, как «выключить» ин- фляцию. Представьте, что вы поставили на огонь чайник и температура воды в нем подходит к точке кипения. Как раз перед тем, как закипеть, она мгновенно переходит в состояние высокой энергии. Она стре- мится закипеть, но не может, потому что для образования пузырьков ей требуется какая-то неравномерность, инородное тело. Но когда пузырек образуется, он быстро переходит в состояние низкой энер- гии чистого вакуума, и чайник наполняется пузырьками. В конце концов пузырьки становятся такими большими, что сливаются, пока чайник не наполняется однородным паром. Когда все пузырьки сли- ваются, фаза перехода воды в пар завершена. В изначальной картине Гута каждый пузырек представлял из себя частичку нашей Вселенной, расширяющейся из вакуума. Но когда Гут провел расчеты, он обнаружил, что пузырьки не сливаются должным образом, тем самым оставляя Вселенную невероятно комковатой. Иными словами, по его теории оставался полный чайник пузырьков пара, которые никогда не сольются вместе, чтобы образовать полный чайник однородного пара. Чайник кипящей воды Гута, казалось, ни- когда не превратится во Вселенную сегодняшнего дня. В1981 году АндрейЛинде из Института П. Н. Лебедева в России, а также Пол Дж. Штайнхардт и Андреас Альбрехт из Пенсильванского университета нашли способ разрешить эту загадку, поняв, что если одиночный пузырекложного вакуума будет расширяться достаточно долго, то в конце концов он заполнит весь «чайник» и создаст одно- родную Вселенную. Иными словами, наш мир может быть побочным продуктом одиночного пузырька, который расширился и заполнил Вселенную. Тогда не понадобилось бы большое количество пузырь- ков, которые должны слиться и заполнить чайник однородным па- ром. Достаточно было бы одиночного пузырька, при условии, что он расширялся бы достаточно долго. Вернемся к аналогии с плотиной и ложным вакуумом. Чем шире плотина, тем больше времени понадобится воде, чтобы ее прорвать. Если стена плотины достаточно толстая, то время, нужное воде, что- бы пройти сквозь плотину, может быть произвольно долгим. Если Вселенная может расшириться в 1050 раз, то у одиночного пузырька достаточно времени решить проблемы горизонта, плоскостной Вселенной и монополя. Иными словами, если процесс туннелиро- вания достаточно замедлен, то Вселенная расширяется достаточно долго, чтобы стать плоской и чтобы по ней распространились моно- поли. Но это все же не решает вопрос: какой механизм может про- длить инфляцию такого большого масштаба? В конце концов, эта трудная проблема стала известна как «про- блема мягкого выхода», то есть как расширять Вселенную достаточ- но долго, чтобы один-единственный пузырек смог образовать цели- ком всю Вселенную. За несколько лет было предложено по крайней мере 50 различных способов решения «проблемы мягкого выхода». (Это обманчиво простая задача. Я сам пытался найти несколько решений. Было относительно легко создать расширение умеренных масштабов в ранней Вселенной. Но чрезвычайно трудно заставить Вселенную расшириться в 1050 раз. Конечно, можно просто вписать цифру 1050, но это будет искусственно и натянуто.) Иными словами, общепринятым было мнение, что процесс инфляции решает пробле- му монополя, горизонта и плоскостности Вселенной, но никто точно не знал, что вызвало инфляцию и что ее остановило. |
Похожие:
 | Parallel worlds ajourney through / creation, higher dimensions, and the future of the cosmos Список лиц, имеющих право на участие в годовом общем собрании акционеров, составлен по данным реестра владельцев именных ценных бумаг... | | Для того чтобы правильно выполнить задание 2, необходимо усвоить... Видо-временные формы глагола: а) активный залог – формы Indefinite (Present, Past, Future); формы Continuous (Present, Past, Future);... |
 | Lesson 20 ( period 133) Т: Today you will learn how to say that you will be doing something at a certain time in the future. You will share your plans for... | | Курс, 2 семестр (все специальности университета) Раскройте скобки,... Раскройте скобки, употребляя глаголы в Future Simple, а затем напишите к предложениям вопросительную и отрицательную форму |
| Margarita bershadskaya, research university higher school of economics | | Forms of realization and legal adjusting of constitutional freedom of creation «философские проблемы конкретных дисциплин» Часть I. федерального комплекса цикла дс |
| Historical digression creation of mmwt kovert technology Программа отборочного этапа конкурса на получение подрядов на выполнение проектных и строительных работ | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Выставка «yves saint laurent – 40 ans de création». Petit Palais, Musée des Beaux-Arts de Paris |
| Psychological mechanisms of rolegram of the professor of a higher... В статье предпринята попытка определить и раскрыть механизмы формирования ролевого репертуара преподавателя высшей педагогической... | | Тема: Future Муниципальное общеобразовательное учреждение — основная общеобразовательная школа №3 города Асино |
| Проблемы интеллектуального развития The Higher academic education... Гость классного часа доцент Нина Антоновна Арнаутова, по образованию и роду занятий теплофизик, теперь преподающий экологию | | Professional Education "National Research University Higher School of Economics" Оп – образовательная программа (совокупность всех дисциплин учебного плана и текущего и итогового контроля и других видов учебной... |
| National Research University Higher School of Economics Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика... | | 1. Раскройте скобки, употребляя глаголы в Future Simple, а затем... Раскройте скобки, употребляя глаголы в Future Simple, а затем напишите к предложениям вопросительную и отрицательную форму |
| Урока : практическая : систематизировать лексику по теме «There are a lot of things I can be». What do you think we’ll speak about? Yes, it’s about your future jobs. It’s very important... | | 1. Future Способы выражения будущего времени Будущее действие, процесс или состояние, можно пере дать следующими временными формами |
