Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

(*)"Британский проектировщик и инвестор, работающий в стиле hi-tech, совладелец всемирно известного брэнда YOO в области архитектурного дизайна. – (прим. перев.)"

Более того, в сценарии мира на бране высокоэнергетические столкновения могут даже произвести – осознайте это – миниатюрные черные дыры. Хотя мы обычно думаем о черных дырах как о чудовищных структурах далеко в глубоком пространстве, известно со времен первых дней ОТО, что если вы втисните достаточно материи в горсть вашей руки, вы создадите миниатюрную черную дыру. Этого не происходило потому, что ни одна хватка – и ни один механический прибор – даже отдаленно не имеет мощи, чтобы проявить достаточную силу сжатия. Напротив, единственный признанный механизм для производства черной дыры содержит гравитационное сжатие экстраординарно массивной звезды, преодолевшей направленное наружу давление, обычно оказываемое процессами звездной ядерной реакции, что заставляет звезду коллапсировать внутрь себя. Но если внутренняя сила гравитации на малых масштабах намного больше, чем мы думали раньше, мелкие черные дыры могут производится при существенно меньших силах сжатия, чем мы были уверены раньше. Расчеты показывают, что Большой Адронный Коллайдер (LHC) может иметь почти достаточно сдавливающей мощи, чтобы создать рог изобилия микроскопических черных дыр через высокоэнергетические столкновения между протонами.[7] Подумайте о том, насколько это будет поразительно. LHC может оказаться фабрикой по производству черных дыр! Эти черные дыры должны быть столь малы и сохраняться столь короткое время, что они не смогут представлять для нас ни малейшей опасности (годами раньше Стивен Хокинг показал, что все черные дыры испаряются посредством квантовых процессов – большие очень медленно, малые очень быстро), но их производство обеспечит подтверждение некоторых наиболее экзотических идей из когда-либо рассмотренных.

Космология мира на бране

Первейшая цель сегодняшних исследований, одна из тех, что горячо преследуются учеными всего мира (включая меня), заключается в формулировании понимания космологии, которое включает новые открытия теории струн/М-теории. Причина ясна: космология не только связана с глобальными, захватывающими дух вопросами, и мы не только подошли к осознанию, что аспекты привычного опыта – такие как стрела времени – связаны с условиями при рождении вселенной, но космология также обеспечивает теоретиков тем же, чем Нью-Йорк обеспечил Синатру: испытанием настоящей цены мастерства. Если теория может сделать это в экстремальных условиях, характеризующих ранние моменты вселенной, она сможет сделать это везде.

Что касается сегодняшнего дня, космология в соответствии с теорией струн/М-теорией находится в стадии разработки исследователями, ориентированными в двух главных направлениях. Первый и более обычный подход представляет, что точно так же, как инфляция обеспечивает недолгую, но основательную начальную часть стандартной теории Большого взрыва, теория струн/М-теория обеспечивает еще более раннюю и, возможно, еще более основательную начальную часть для инфляции. Представляется, что теория струн/М-теория будет прояснять размытое пятно, которое мы использовали для обозначения нашего неведения относительно самых ранних моментов вселенной, а затем космологическая драма будет разворачиваться в соответствии с необыкновенно успешным сценарием инфляционной теории, который мы подробно излагали в предыдущих главах.

Хотя имелся прогресс в специфических деталях, требуемых таким подходом (таких как попытки понять, почему только три пространственных измерения вселенной подверглись расширению, точно так же, как разработка математических методов, которые могут обеспечить подходящий анализ области без пространства и без времени, которая могла предшествовать инфляции), момент для крика "Эврика!" еще не наступил. Интуитивно понятно, что в то время, как инфляционная космология представляет наблюдаемую вселенную становящейся все более маленькой в совсем ранние времена, – и потому становящейся все более горячей, плотной и энергичной, – теория струн/М-теория обуздывает это буйное (на физическим языке, "сингулярное") поведение путем введения минимального размера (как в нашей дискуссии на стр. 350–351), ниже которого становятся существенными новые и менее сингулярные физические величины. Это обоснование лежит в сердце успешного соединения ОТО и квантовой механики теорией струн/М-теорией, и у меня сильное ощущение, что мы скоро определим, как применить такое же обоснование в контексте космологии. Но, что касается сегодняшнего дня, размытое пятно все еще выглядит размытым, и можно только гадать, когда будет достигнута ясность.

Второй подход использует сценарий мира на бране и в его самом радикальном воплощении постулирует полностью новую космологическую схему. Далеко от ясности, выдержит ли этот подход детальную математическую проверку, но он обеспечивает хороший пример того, как прорывы в фундаментальной теории могут проложить новые рельсы через хорошо истоптанную территорию. Предложение называется циклическая модель.

Циклическая космология

С точки зрения времени обычный опыт ставит нас перед лицом двух типов явлений: тем, что имеет ясно очерченное начало, середину и конец (эта книга, бейсбольная игра, человеческая жизнь), и тем, что циклично, случаясь снова и снова (изменение времен года, восход и закат Солнца, бракосочетания Ларри Кинга*). Конечно, при ближайшей проверке мы узнаем, что циклические явления также имеют начало и конец, поскольку циклы, как правило, не продолжаются вечно. Солнце восходит и заходит – что означает, Земля вращается вокруг своей оси во время обращения по орбите вокруг Солнца, – каждый день примерно 5 миллиардов лет. Но перед этим Солнце и Солнечная система еще формировались. А однажды, примерно через 5 миллиардов лет от сегодняшнего дня, Солнце превратится в красного гиганта, поглотив внутренние планеты, включая Землю, и тогда больше не будет даже понятия восхода и заката Солнца, по меньшей мере, не здесь.

 (*)"Известный телеведущий американской компании CNN, специализирующийся на интервью. – (прим. перев.)"

Но это современные научные представления. Для древних циклические явления казались вечно циклическими. И для большинства циклические явления, движущиеся своим курсом и неизменно возвращающиеся снова к началу, являются основополагающими явлениями. Циклы дней и времен года задают ритм работы и жизни, так что не удивительно, что старейшие из записанных космологий воображают разворачивание мира как циклический процесс. Вместо того, чтобы постулировать начало, середину и конец, циклическая космология представляет, что мир изменяется сквозь время почти как Луна изменяется по фазам: после того, как она пройдет через полную последовательность, условия созревают для того, чтобы снова стартовать и начать очередной цикл.

С момента открытия ОТО было предложено много циклических космологических моделей; наиболее известная была разработана в 1930е Ричардом Толменом из Калифорнийского Технологического Института. Толмен предположил, что наблюдаемое расширение вселенной может замедлиться, однажды остановиться, и затем последует период сжатия, при котором вселенная будет все меньше. Но вместо достижения феерического финала, в котором она схлопнется и придет к концу, Толмен предположил, что вселенная может испытать отскок: пространство может сократиться до некоторого малого размера, а затем откатиться, начав новый цикл расширения, который опять сменится сжатием. Вселенная вечно повторяет этот цикл – расширение, сжатие, отскок, снова расширение, – что позволяет элегантно избежать нелегкой проблемы начала, – в таком сценарии сама проблема начала неприменима, поскольку вселенная всегда была и всегда будет.

Но Толмен обнаружил, вглядываясь назад во времени из сегодняшнего дня, что циклы могут повторяться в течение промежутка времени, но не безгранично. Причина в том, что в течение каждого цикла второй закон термодинамики диктует, что энтропия в среднем будет возрастать.[8] А в соответствии с ОТО количество энтропии в начале каждого нового цикла определяет, как долго этот цикл будет длиться. Больше энтропии означает более длинный период расширения, прежде чем движение наружу будет подавлено до остановки и власть перейдет к движению внутрь. Каждый последующий цикл будет, следовательно, длиться намного дольше, чем его предшественник; эквивалентно, более ранние циклы будут короче и короче. Когда постоянное укорачивание циклов анализируем математически, это подразумевает, что они не могут простираться бесконечно далеко в прошлое. Даже в циклической схеме Толмена вселенная будет иметь начало.