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

Нейтрино являются одной из возможностей. Расчеты оценивают их реликтовое распространение со времен их производства в Большом взрыве в примерно 55 миллионов на кубический метр пространства, так что, если окажется, что один из трех видов нейтрино весит около одной сотой от миллионной (10–8) доли массы протона, они смогут заместить темную материю. Хотя недавние эксперименты дали сторогое доказательство, что нейтрино имеют массу, в соответствии с сегодняшними данными они слишком легкие, чтобы выполнить роль темной материи; они не дотягивают до нужной отметки на фактор более чем сто.

Другое перспективное предложение привлекает суперсимметричные частицы, особенно фотино, зино и хиггсино (партнеров фотона, Z-частицы и Хиггса). Это наиболее сдержанные суперсимметричные частицы, – они могут невежливо проходить через всю Землю без малейшего влияния на их движение, – а потому могут легко избежать детектирования.[9] Из расчетов, как много таких частиц могло бы быть произведено в Большом взрыве и сохраниться до сегодняшнего дня, физики оценивают, что они должны иметь массу порядка от 100 до 1 000 масс протона, чтобы заместить темную материю. Это интригующее число, поскольку различные изыскания моделей суперсимметричных частиц, точно так же, как теории суперструн, приходят к тому же диапазону масс для этих частиц без какой-либо связи с темной материей и космологией. Это должно быть загадочное и полностью необъяснимое совпадение, если, конечно, темная материя на самом деле состоит из суперсимметричных частиц. Так что поиски суперсимметричных частиц на сегодняшних и приходящих к ним на смену ускорителях могут также выглядеть как поиски самых вероятных кандидатов на темную материю.

Более прямые поиски частиц темной материи, текущих сквозь Землю, также будут на полном ходу через некоторое время, хотя это экстремально трудные эксперименты. Из миллиона или около того частиц темной материи, которые должны проходить через область размером с квартал города каждую секунду, не более одной частицы в день должно оставить какое-либо доказательство в специально разработанном оборудовании, которое многие экспериментаторы выстроили, чтобы обнаружить их. На сегодняшний день подтвержденных обнаружений частиц темной материи не достигнуто.[10] Поскольку приз все еще очень высоко в воздухе, исследователи продвигаются вперед со все большей интенсивностью. Имеется некоторая возможность, что в течение нескольких следующих лет задача идентификации темной материи будет решена.

Окончательное подтверждение, что темная материя существует, и прямое определение ее состава будет большим достижением. Впервые в истории мы сможем узнать нечто, что является одновременно полностью фундаментальным и необычайно неуловимым: строение значительной части материального содержимого вселенной.

Тем не менее, как мы говорили в Главе 10, недавние данные строго указывают, что даже при идентификации темной материи все еще имеется существенный кусок требуемых ухищрений в объяснении эксперимента: наблюдения сверхновых, которые дают доказательство расталкивающей космологической константы, составляющей до 70 процентов полной энергии во вселенной. Как самое захватывающее и неожиданное открытие последнего десятилетия, доказательство космологической константы – энергии, которая наполняет пространство, – требует убедительного завершающего подтверждения. Большое число подходов планируется или уже осуществляется.

Эксперименты по микроволновому фону и здесь играют важную роль. Размер пятен на Рис. 14.4 – где, еще раз, каждое пятно есть область однородной температуры, – освещает общую форму пространственной ткани. Если пространство имеет форму вроде сферы, как на Рис 8.6а, раздувание вовне будет приводить к тому, что пятна будут несколько больше, чем они есть на Рис.14.4b; если пространство имеет форму вроде седла, как на Рис.8.6с, сжатие вовнутрь будет приводит пятна к небольшому уменьшению; и если пространство плоское, как на Рис. 8.6b, размер пятен будет промежуточным. Точные измерения, начатые COBE и с тех пор улучшенные WMAP, жестко подтверждают предположение, что пространство плоское. Эта вещь не только является теоретическим ожиданием, следующим из инфляционных моделей, но оно также абсолютно согласуется с результатами исследования сверхновых. Как мы видели, пространственно плоская вселенная требует полной плотности массы/энергии, равной критической плотности. С обычной и темной материей, дающими вклад около 30 процентов, и темной энергией, дающей вклад около 70 процентов, все впечатляюще сходится вместе.

Более прямое подтверждение результатов по сверхновым является целью Зонда Сверхновых/Ускорения (SuperNova/Acceleration Probe – SNAP). Предложенный учеными из Лоуренсовской Лаборатории в Беркли, SNAP должен быть спутниковым орбитальным телескопом со способностью измерять в двадцать раз больше сверхновых, изучаемых путем наблюдений с земной поверхности. SNAP не только должен быть в состоянии подтвердить более ранние результаты, что 70 процентов вселенной есть темная энергия, но он также должен более точно определить природу темной энергии.

Обратите внимание, хотя я описывал темную энергию как версию эйнштейновской космологической постоянной, – постоянной, неизменной энергии, которая подталкивает пространство к расширению, – имеется и тесно связанная альтернативная возможность. Вспомним из нашего обсуждения инфляционной космологии (и прыгающей лягушки), что поле, чья величина возвышается над его низшей энергетической конфигурацией, может вести себя подобно космологической константе, двигая ускоренное расширение пространства, но оно будет действовать только короткое время. Рано или поздно поле займет свое место на дне своей чаши потенциальной энергии, и давление наружу исчезнет. В инфляционной космологии это происходит за мельчайшую долю секунды. Но путем введения нового поля и аккуратного выбора формы его потенциальной энергии физики нашли способ для ускоренного расширения, который будет намного более мягким в своем расталкивающем давлении, но намного более долгим, – для поля, которое должно двигать сравнительно слабо и равномерно ускоряющуюся фазу пространственного расширения, которое длится не долю секунды, а миллиарды лет, пока поле медленно скатывается к величине минимальной энергии. Это открывает возможность, что прямо сейчас мы можем воспринимать экстремально мягкую версию инфляционного взрыва, который, как мы уверены, происходил на протяжении ранних моментов вселенной.

Разница между "обычной" космологической константой и последней возможностью, известной как квинтэссенция, имеет минимальное значение сегодня, но влечет чрезвычайные последствия в удаленном будущем вселенной. Космологическая константа есть константа – она обеспечивает бесконечное ускоренное расширение, так что вселенная будет расширяться все более быстро и становится все более разреженной, разбавленной и пустой. Но квинтэссенция обеспечивает ускоренное расширение, которое в некоторой точке сойдет на нет, подразумевая удаленное будущее менее суровым и пустынным, чем это следует из ускоренного расширения, которое вечно. Через измерения изменений в ускорении пространства за большие промежутки времени (через наблюдение сверхновых на различных расстояниях, а потому в различные моменты времени в прошлом), SNAP может быть в состоянии сделать выбор между двумя возможностями. Через определение, является ли темная энергия по-настоящему космологической константой, SNAP даст возможность проникнуть в удаленную судьбу вселенной.

Пространство, время и теория

Путешествие к открытию природы пространства и времени было долгим и наполненным многими сюрпризами; нет сомнений, оно все еще находится в своей ранней стадии. Последние несколько веков мы видели, как прорывы один за другим радикально переворачивают наши концепции пространства и времени, и снова их изменяют. Теоретические и экспериментальные предложения, которые мы осветили в этой книге, представляют лепку этих идей нашим поколением, и, вероятно, будут составлять большую часть нашего научного наследия. В Главе 16 мы будем обсуждать некоторые из наиболее свежих и умозрительных достижений в попытке бросить свет на то, какими могут быть следующие этапы путешествия. Но сначала, в Главе 15, мы порассуждаем в другом направлении.

Хотя это не является шаблонной комбинацией для научного открытия, история показывает, что глубокое понимание часто является первым шагом в направлении технологического контроля. Понимание электромагнитной силы в 1800е в конце концов привело к телеграфу, радио и телевидению. С этим знанием, в соединении с последующим пониманием квантовой механики, мы смогли разработать компьютеры, лазеры и электронные приспособления, слишком многочисленные, чтобы упоминать их. Понимание ядерных сил привело к опасному созданию самого мощного оружия, которое когда либо знал мир, и к разработке технологий, которые однажды смогут удовлетворить все энергетические потребности мира с помощью всего лишь бочки соленой воды. Смогут ли наши все углубляющиеся представления о пространстве и времени быть первым шагом к аналогичным примерам открытий и технологических разработок? Будем ли мы однажды хозяевами пространства и времени и будем ли мы делать вещи, которые сейчас являются только частью научной фантастики?