Мир в ореховой скорлупке (илл. книга-журнал) - Хокинг Стивен Уильям

Общая теория относительности предсказывает, что массивные тела, движущиеся под воздействием тяготения, испускают гравитационные волны. Они, подобно световым волнам, уносят энергию объектов, которые их испускают. Правда, обычно потеря энергии идет крайне медленно и ее трудно заметить. Например, испускание гравитационных волн заставляет Землю медленно по спирали двигаться к Солнцу, но для того, чтобы упасть, ей понадобится 1027лет.

Однако в 1975 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойной пульсар PSR1913+16, систему из двух компактных нейтронных звезд, которые при обращении удаляются друг от друга не больше чем на один радиус Солнца. Согласно общей теории относительности быстрое движение означает, что орбитальный период этой системы должен сокращаться в гораздо меньшем масштабе времени благодаря испусканию сильного гравитационно-волнового сигнала. Предсказания общей теории относительности получили великолепное подтверждение в наблюдениях Халса и Тейлора. Они измерили, что с 1975 г. период обращения сократился более чем на 10 с. В 1993 г. им была присуждена Нобелевская премия за это подтверждение общей теории относительности.

Если мы действительно живем на бране в пространстве с дополнительными измерениями, гравитационные волны, возникающие при движении тел на бране, должны уходить в другие измерения. Если есть вторая, теневая, брана, гравитационные волны будут отражаться назад и оставаться между двумя бранами. С другой стороны, при наличии только одной браны и уходящих на бесконечность измерений, как в модели Рандалл — Сандрама, гравитационные волны могут исчезать и уносить энергию из мира на нашей бране (рис. 7.15).

В модели Рандалл — Сандрама короткие гравитационные волны могут уносить энергию от источников на бране, вызывая кажущееся нарушение закона сохранения энергии.

Это, похоже, должно противоречить одному из фундаментальных физических принципов — закону сохранения энергии, гласящему, что общее количество энергии остается неизменным. Но подобные процессы будут казаться нарушением лишь потому, что видимые нам явления ограничены браной. Ангел, способный видеть дополнительные измерения, знал бы, что энергия остается неизменной и просто растекается в стороны.

Гравитационные волны, порождаемые двумя звездами, которые обращаются одна вокруг другой, имеют длину волны много больше радиуса седловидной кривизны дополнительных измерений. Это означает, что такие волны будут, подобно силе тяготения, удерживаться в ближайших окрестностях браны, они не будут далеко распространяться в дополнительные измерения или уносить с браны значительное количество энергии. В то же время гравитационные волны с длиной короче масштаба искривления дополнительных измерений легко ускользнут из окрестностей браны.

Единственным источником значительного количества коротких гравитационных волн, по-видимому, являются черные дыры. Черная дыра на бране будет простираться и в дополнительные измерения. Если она маленькая, у нее будет почти круглая форма, то есть в дополнительных измерениях у нее будет такой же поперечник, как и на бране. А вот большая черная дыра на бране растянется в «черный блин», который привязан к окрестностям браны и может быть гораздо меньше в толщину (в дополнительных измерениях), чем в ширину (на бране) (рис. 7.16).

Черная дыра в нашем мире на бране должна иметь продолжение в дополнительных измерениях. Если черная дыра маленькая, она будет почти круглой, но большая черная дыра на бране будет в дополнительных измерениях напоминать по форме блин.

Как объяснялось в главе 4, квантовая теория утверждает, что черные дыры не совсем черные: они, как любое нагретое тело, испускают излучение и частицы всех видов, которые будут распространяться по бране, поскольку к ней привязаны вещество и негравитационные силы, такие как электричество. Однако черные дыры испускают также и гравитационные волны. Они не будут привязаны к бране и могут распространяться также и в дополнительные измерения. В случае большой блиноподобной черной дыры гравитационные волны останутся вблизи браны. Это означает, что скорость потери черной дырой энергии (а значит, и массы — по закону E = mc2) должна быть такой же, какой можно ожидать в четырехмерном пространстве-времени. Черная дыра должна поэтому медленно испаряться и сокращаться в размерах, пока не станет меньше радиуса кривизны седлообразных дополнительных измерений. В этой точке испускаемые черной дырой гравитационные волны начнут свободно уходить в дополнительные измерения. Тому, кто находится на бране, будет казаться, что черная дыра (или темная звезда, как ее называл Мичелл, — см. главу 4) испускает темное излучение, которое невозможно наблюдать непосредственно на бране, но о существовании которого говорит тот факт, что черная дыра теряет массу.

Это означает, что финальная вспышка излучения от испаряющейся черной дыры покажется менее мощной, чем она в действительности была. Вот почему, возможно, мы не наблюдаем всплесков гамма-излучения, которые можно было бы связать со смертью черных дыр, хотя есть и другое, более прозаичное объяснение: может быть, просто черных дыр с массой, достаточно малой, чтобы они успели испариться за время существования Вселенной, не слишком много.

Излучение от черных дыр в мире на бране возникает из-за квантовых флуктуаций частиц на бране и вне ее. Но браны, как и все остальное во Вселенной, сами подвержены квантовым флуктуациям. Они могут вызвать спонтанное появление и исчезновение бран. Квантовое рождение браны чем-то похоже на образование пузырька пара в кипящей воде. Жидкая вода состоит из миллиардов и миллиардов молекул Н2О, связанных между собой благодаря взаимодействию между ближайшими соседями. По мере нагревания воды молекулы движутся все быстрее и, сталкиваясь, отскакивают друг от друга. Изредка эти столкновения придают такие большие скорости группе молекул, что связи между ними разрываются и образуется крошечный пузырек пара, окруженный водой. Затем пузырек будет расти или уменьшаться случайным образом в зависимости от того, каких молекул больше: тех, что переходят из связанного жидкого состояния в пар или наоборот. Большинство маленьких пузырьков пара схлопывается, вновь возвращаясь в жидкое состояние, но есть такие, что вырастают до определенного критического размера, за которым они почти наверняка продолжат расти. Именно эти большие расширяющиеся пузыри мы видим, когда вода кипит (рис. 7.17).

Аналогично ведут себя миры на бранах. Принцип неопределенности позволяет им появляться из ничего, как пузырькам, причем брана образует поверхность пузырька, а его внутренность находится в пространстве более высокой размерности. Очень маленькие пузырьки имеют тенденцию схлопываться и возвращаться в небытие, но пузырь, который благодаря квантовым флуктуациям вырос крупнее определенного критического размера, скорее всего, продолжит расти. Люди (такие, как мы), живущие на бране, то есть на поверхности пузыря, будут думать, что Вселенная расширяется. Как будто галактики нарисовали на поверхности воздушного шара и стали его надувать. Галактики будут разбегаться, но ни одну галактику нельзя считать центром расширения. Будем надеяться, что никто не проткнет наш пузырь космической булавкой.

Согласно предположению об отсутствии границ, которое мы рассматривали в главе 3, спонтанно созданный мир на бране должен иметь историю в мнимом времени, которая похожа на скорлупу ореха — четырехмерную сферу, подобную поверхности Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Важное отличие состоит в том, что описанная в главе 3 ореховая скорлупка была, по сути, пустой: четырехмерная сфера не имела никаких границ, а шесть или семь других измерений, которые предсказывает М-теория, должны быть свернуты до размеров куда меньше скорлупки. Однако в новой картине мира на бране скорлупка должна быть наполнена: история в мнимом времени для браны, на которой мы живем, будет четырехмерной сферой, которая ограничивает пятимерный пузырь, а оставшиеся пять или шесть измерений свернуты до очень малых размеров (рис. 7.18).