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

Если Хиггсов океан не найдется, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдется, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для точного оформления наших математических рассуждений, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделает еще две вещи. Первое, оно обеспечит прямое подтверждение древней эры, когда многие аспекты сегодняшней вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Второе, оно установит, что наше интуитивное понятие пустого пространства, – конечного результата удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура уменьшатся настолько, насколько это возможно, – в течение длительного времени было наивным. Пустейшее пустое пространство не требует включения состояния абсолютной пустоты. Следовательно, без спиритического вызова мы можем неожиданно вплотную столкнуться с мыслями Генри Мора (Глава 2) в нашем научном квесте по изучению пространства и времени. Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства может быть аналогично эфемерной, поскольку пустое пространство, о котором мы осведомлены, может всегда быть заполнено океаном Хиггсова поля.

Рис 9.2 Временная ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва.

<Снизу от оси последовательно отмечены ключевые события модели: Большой взрыв (начало оси); Великое объединение (время 10–35 секунды, температура 1028 Кельвинов); электрослабое объединение (10–12 секунды, 1015 Кельвинов); формирование ядер (1 секунда, 1010 Кельвинов); формирование галактик (109 лет, 10 Кельвинов); сегодня (1010 лет, 2,7 Кельвина)>.

Энтропия и время

Ось времени на Рис. 9.2 содержит фазовые переходы, которые мы обсуждали в историческом контексте, и потому дает нам твердое понимание последовательности событий, через которые прошла вселенная от Большого взрыва до яйца на вашем кухонном столе. Но решающая информация все еще скрыта в размытом пятне. Вспомним, знание, как начались вещи, – порядок в стопке страниц Войны и Мира, спрессованные молекулы углекислого газа в вашей бутылке колы, состояние вселенной при Большом взрыве, – является существенным для понимания, как они эволюционируют. Энтропия может возрастать, только если задано пространство для ее роста. Энтропия может возрастать, только если она стартовала с низкой величины. Если страницы Войны и Мира начинаются с полного беспорядка, дальнейшие подбрасывания просто будут оставлять их в беспорядке; если вселенная началась в полностью разупорядоченном высокоэнтропийном состоянии, дальнейшая космическая эволюция будет просто сохранять этот беспорядок.

История, показанная на Рис. 9.2, очевидно, не является хроникой непрерывного неизменного разупорядочения. Даже если отдельные симметрии терялись при космических фазовых переходах, общая энтропия вселенной неуклонно возрастает. Следовательно, в начале вселенная должна была быть высоко упорядоченной. Этот факт позволяет нам связать направление "вперед" во времени с направлением возрастания энтропии, но нам все еще необходимо понять объяснение невероятно низкой энтропии – невероятно высокого состояния однородности – в только что рожденной вселенной. Это требует, чтобы мы пошли еще дальше назад, чем мы уже зашли, и попытались понять больше из того, что было в начале, – во время размытого пятна на Рис. 9.2, – задача, к которой мы сейчас приступаем.

10 Разборка Взрыва на составляющие

Общее неправильное представление заключается в том, что теория Большого взрыва обеспечивает теорию возникновения космоса. Это не так. Большой взрыв это теория, частично описанная в последних двух главах, которая намечает космическую эволюцию от долей секунды после чего-то, произошедшего, чтобы привести вселенную к существованию, но она совсем ничего не говорит о самом времени нуль. А поскольку в соответствии с теорией Большого взрыва сам Взрыв есть то, что предполагается произошедшим в начале, Большой взрыв не включает сам Взрыв. Он ничего не говорит нам о том, что взорвалось, почему взорвалось, как оно взорвалось или, откровенно говоря, взорвалось ли оно на самом деле вообще.[1] Фактически, если вы на секунду задумаетесь о нем, вы обнаружите, что Большой взрыв предстает перед нами совершенно загадочным. При чудовищных плотностях материи и энергии, характеризующих ранние моменты вселенной, гравитация была доминирующей над всеми другими силой. Но гравитация притягивающая сила. Она подталкивает вещи объединяться. Так что могло бы, вероятно, соответствовать направленной наружу силе, которая подтолкнула вселенную к расширению? Может показаться, что некоторые виды мощных отталкивающих сил должны были играть критическую роль во время Взрыва, но какие из природных сил могли бы это быть?

Много десятилетий этот самый основной из всех космологических вопросов оставался без ответа. Затем в 1980е было возрождено старое наблюдение Эйнштейна в блистательной новой форме, дав развитие тому, что стало известно как инфляционная космология. И с этим открытием влияние на Взрыв, наконец, смогло быть отдано достойной силе: гравитации. Это удивительно, но физики обнаружили, что в правильном окружении гравитация может быть отталкивающей и в соответствии с теорией необходимые условия превалировали в течение самых ранних моментов космической истории. В течение временного интервала, для которого наносекунда могла бы показаться вечностью, ранняя вселенная обеспечивала арену, на которой гравитация проявляла свою отталкивательную сторону, с неумолимой свирепостью растаскивая каждый регион пространства от любого другого. Отталкивательное действие гравитации было столь мощным, что не только определило Взрыв, оно обнаружило большее – намного большее – чем кто бы то ни было мог ранее представить. В инфляционной схеме ранняя вселенная расширялась с ошеломительно гигантским коэффициентом по сравнению с тем, что предсказывалось стандартной теорией Большого взрыва, увеличив нашу космологическую перспективу до такой степени, что осознание последнего столетия, что наша галактика не более чем одна среди сотен миллиардов, было еще более принижено.[2]

В этой и следующей главе мы обсуждаем инфляционную космологию. Мы увидим, что она обеспечивает "последний рубеж" для стандартной модели Большого взрыва, предлагая важнейшие модификации к утверждениям стандартной теории о событиях, происходивших в течение самых ранних моментов вселенной. При этом инфляционная космология решает ключевые проблемы, которые находятся вне пределов досягяемости стандартной модели Большого взрыва, делает ряд предсказаний, которые были экспериментально проверены и в недалеком будущем продолжат экспериментально тестироваться, и, наверное, самое выдающееся, показывает, как квантовые процессы могут через космологическое расширение разгладить крошечные морщины на ткани пространства, оставляя видимый отпечаток в ночном небе. И, помимо этих успехов, инфляционная космология дает существенное проникновение в то, как ранняя вселенная могла получить свою чрезвычайно низкую энтропию, подводя нас ближе чем когда-либо к объяснению стрелы времени.

Эйнштейн и отталкивательная гравитация

После нанесения последних штрихов на ОТО в 1915 Эйнштейн применил свои новые уравнения к ряду проблем. Одной из них была давно стоявшая загадка, что уравнения Ньютона не могут оценить так называемую прецессию перигелия орбиты Меркурия – наблюдаемый факт, что Меркурий не прочерчивает каждый раз один и тот же путь, когда он обращается вокруг Солнца: вместо этого каждый завершенный оборот слабо сдвигается относительно предыдущего. Когда Эйнштейн переделал стандартные расчеты орбиты со своими новыми уравнениями, он точно вывел наблюдаемую прецессию перигелия, найденный им результат настолько потрясяющ, что заставил его сердце сильно биться.[3] Эйнштейн также применил ОТО к вопросу, как круто траектория света, эмитированного удаленной звездой, будет изгибаться кривизной пространства-времени, когда она проходит мимо Солнца на своем пути к Земле. В 1919 две команды астрономов – одна ночевала в палатках на острове Принсипи у западного побережья Африки, другая в Бразилии – проверили это предсказание во время солнечного затмения путем сравнения звездного света, который почти задевал поверхность Солнца (эти световые лучи наиболее подвергались влиянию из-за наличия Солнца, и только во время затмения они могли быть видимыми), с фотографиями, сделанными, когда земное обращение по орбите поместило Землю между теми же звездами и Солнцем, фактически уничтожив гравитационное воздействие Солнца на траекторию звездного света. Сравнение обнаружило угол отклонения лучей, который еще раз подтвердил расчеты Эйнштейна. Когда пресса ухватила слухи о результатах, Эйнштейн в течение ночи стал всемирно известной звездой. С ОТО, честно говоря, Эйнштейн оказался при деньгах.