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

Предложение Толмена включало сферическую вселенную, которая, как мы видели, противоречит наблюдениям. Но радикально новое воплощение циклической космологии, содержащее в себе плоскую вселенную, недавно было разработано в рамках теории струн/М-теории. Идея пришла от Пола Стейнхардта и его коллеги Нейла Турока из Кембриджского Университета (с сильным использованием результатов, полученных ими вместе с Бартом Оврутом, Натаном Зейбергом и Джастином Хоури) и предложила новый механизм движения космической эволюции.[9] Излагая коротко, они предположили, что мы живем на 3-бране, которая яростно сталкивается каждые несколько триллионов лет с другой соседней параллельной 3-браной. И "взрыв" от столкновения инициирует каждый новый космологический цикл.

Рис 13.7 Две 3-браны, разделенные коротким интервалом.

Базовая схема предложения проиллюстрирована на Рис. 13.7 и была выдвинута несколько лет назад Хофавой и Виттеном в некосмологическом контексте. Хофава и Виттен пытались дополнить предложенное Виттеном объединение всех пяти струнных теорий и нашли, что если одно из семи дополнительных измерений в М-теории имеет очень простую форму – не круг, как на Рис. 12.7, а маленький сегмент прямой линии, как на Рис. 13.7, – и ограничивается так называемыми бранами конца мира, связанными подобно книжным обложкам, тогда может быть сделана прямая связь между Е-гетеротической струнной теорией и всеми остальными. Детали того, как они протянули эту связь, и не очевидны и не существенны (если вы интересуетесь, посмотрите, например, Элегантную Вселенную, Главу 12); что имеет значение, так это то, что это является стартовой точкой для естественного возникновения самой теории. Стейнхардт и Турок привлекли ее для своего космологического плана.

А именно, Стейнхардт и Турок представили, что каждая брана на Рис. 13.7 имеет три пространственных измерения, а разлинованный сегмент между ними обеспечивает четвертое пространственное измерение. Оставшиеся шесть пространственных измерений скручены в пространство Калаби-Яу (не показанное на рисунке), которое имеет правильную форму для струнных колебательных мод, чтобы получить известные семейства частиц.[10] Вселенная, о которой мы непосредственно осведомлены, соответствует одной из этих 3-бран; если вы хотите, вы можете думать о второй 3-бране как о другой вселенной, чьи обитатели, если они имеют место, также будут осведомлены только о своих трех пространственных измерениях, если предположить, что их экспериментальная технология и экспертиза не сильно превосходят нашу. Тогда в этой схеме другая 3-брана – другая вселенная – находится прямо рядом. Она парит не более, чем на расстоянии доли миллиметра (расстояние вдоль четвертого пространственного измерения, как на Рис. 13.7), но поскольку наша 3-брана столь липкая, а гравитация, которую мы ощущаем, столь слабая, мы не имеем прямого подтверждения существования второй браны, так же, как ее гипотетические обитатели не имеют подтверждения нашего существования.

Но в соответствии с циклической космологической моделью Стейнхардта и Турока Рис. 13.7 не есть то, что всегда было или что всегда будет. Напротив, в их подходе две 3-браны притягиваются друг к другу, – почти как если бы они были соединены маленькими резиновыми лентами, – и это предполагает, что каждая управляет космологической эволюцией другой: браны вовлечены в бесконечный цикл столкновений, отскоков и снова столкновений, вечно восстанавливая их протяженные трехмерные миры. Чтобы увидеть, как это происходит, посмотрим на Рис. 13.8, который иллюстрирует один полный цикл шаг за шагом.

(0)

(5) (1)

(4) (2)

(3)

Рис 13.8 Различные этапы в циклической космологической модели мира на бране.

На Этапе 1 две 3-браны просто несутся по направлению друг к другу и врезаются друг в друга, а затем отскакивают. Жуткая энергия столкновения запасается в существенном количестве высокотемпературной радиации и материи в каждой из отскочивших 3-бран, и – в этом ключ – Стейнхардт и Турок утверждают, что детальные свойства этой материи и радиации имеют совокупность параметров, почти идентичную той, что генерируется в инфляционной модели. Хотя на этот счет еще имеются некоторые разногласия, Стейнхардт и Турок, следовательно, заявляют, что столкновение между двумя 3-бранами приводит к физическим условиям, экстремально близким к тем, которые они имели моментом позже взрыва инфляционного расширения в более обычном подходе, обсуждавшемся в Главе 10. Тогда не удивительно, что для гипотетического наблюдателя внутри нашей 3-браны следующие несколько этапов в циклической космологической модели, по существу, те же самые, как и в стандартном подходе, как показано на Рис. 9.2 (где этот рисунок теперь интерпретируется как эскиз эволюции одной из 3-бран). А именно, когда наша 3-брана отскакивает после столкновения, она расширяется и охлаждается, а космические структуры вроде звезд и галактик понемногу срастаются из первичной плазмы, как вы можете видеть на Этапе 2. Далее, вдохновленные недавними наблюдениями сверхновых, обсуждавшимися в Главе 10, Стейнхардт и Турок дополнили свою модель, так что примерно через 7 миллиардов лет в цикле – Этап 3 – энергия обычной материи и радиации стала существенно рассеянной за счет расширения браны, так что компонента темной энергии получила верховную власть и через свое отрицательное давление запустила эру ускоренного расширения. (Это требует произвольной тонкой настройки деталей, но позволяет модели соответствовать наблюдениям, а это, как утверждают поборники циклической модели, хорошо мотивировано). Примерно 7 миллиардами лет позже мы, люди, находим себя здесь на Земле, по меньшей мере в данном цикле, испытывая начальные этапы фазы ускорения. Затем, грубо в течение следующего триллиона лет ничего особенно нового не происходит, исключая то, что наша 3-брана продолжает ускоренное расширение. Это достаточно долго для нашего трехмерного пространства, чтобы растянуться на такой колоссальный фактор, что материя и радиация рассеиваются почти полностью, приводя мир на бране к состоянию, когда он выглядит почти полностью пустым и полностью однородным: Этап 4.

К этому моменту наша 3-брана завершила свой отскок от начального столкновения и начала снова приближаться ко второй 3-бране. Когда мы подходим все ближе и ближе к следующему столкновению, квантовые дрожания струн, закрепленных на нашей бране, заполняют ее однородный вакуум мельчайшей рябью, Этап 5. Пока мы продолжаем увеличивать скорость, рябь продолжает расти; затем в катаклизме столкновения мы вляпываемся во вторую 3-брану, отскакиваем, и цикл повторяется снова. Квантовая рябь накладывает малую неоднородность на радиацию и материю, произведенную во время столкновения, и, почти как в инфляционном сценарии, эти отклонения от совершенной однородности вырастают в комки, которые в конечном счете генерируют звезды и галактики.

Это главные этапы циклической модели (также известной у сочувствующих как Большой шлепок). Ее предпосылка – сталкивающиеся миры на бранах – очень отличается от успешной инфляционной теории, но, тем не менее, имеется существенная точка контакта между двумя подходами. То, что обе полагаются на квантовые возбуждения для генерирования начальной неоднородности, является одним из существенных сходств. Фактически Стейнхардт и Турок утверждают, что уравнения, управляющие квантовой рябью в циклической модели почти идентичны таким уравнениям в инфляционной картине, так что результирующая неоднородность, предсказанная двумя теориями, почти так же идентична.[11] Более того, поскольку в циклической модели нет инфляционного взрыва, в ней есть триллионолетний период (начало Этапа 3) спокойного ускоренного расширения. Но это на самом деле только вопрос поспешности против терпения; что инфляционная модель достигает за миг, циклическая модель достигает за сравнительную вечность. Поскольку столкновение в циклической модели не является началом вселенной, имеется роскошь медленного решения космологических проблем (вроде проблем плоскостности и горизонта) за последний триллион лет каждого предыдущего цикла. Эоны спокойного, но постоянно ускоряющегося расширения в конце каждого цикла растягивают нашу 3-брану аккуратно и плоско и, исключая мелкие, но важные квантовые флуктуации, делают ее совершенно однородной. Итак, длинный финальный этап каждого цикла, сменяющийся шлепком в начале следующего цикла, дает окружение, очень похожее на то, что генерируется коротким всплеском расширения в инфляционном подходе.

Краткая оценка

При их существующих уровнях разработки как инфляционная, так и циклическая модели обеспечивают содержательные космологические схемы, но ни одна из них не предлагает завершенной теории. Незнание превалирующих условий во время самых ранних моментов вселенной заставляет поборников инфляционной космологии просто предполагать, без теоретического обоснования, что условия, требующиеся для инициации инфляции, возникли. Если это так, теория решает большое количество космологических головоломок и запускает стрелу времени. Но такие успехи, во-первых, зависят от того, происходит ли инфляция. Что еще больше, инфляционная космология не встраивается прямо в теорию струн, а раз так, она пока что не является частью непротиворечивого слияния квантовой механики и ОТО.