Алекс Виленкин - Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных.

122

По-видимому, мы не случайно обитаем в диске гигантской галактики. Образование галактик — это иерархический процесс, в ходе которого небольшого размера плотные объекты сливаются, формируя более крупные и рыхлые. Ранние плотные галактики меньше подходили для жизни по причинам, отмеченным в примечании [108].

Такое объяснение совпадения приведено в статье, написанной мной совместно с Хауме Гарригой и Марио Ливио (Mario Livio) "Космологическая постоянная и время ее доминирования" (Physical Review, vol. D61, p. 023503, 2000). Независимо эта идея была предложена Сиднеем Бладменом (Sidney Bludman) в Nuclear Physics, vol. Аббз, p. 865, 2000.

Другим важным вкладом Менделеева в культуру было совершенствование рецепта русской водки.

Другими словами, любые два атома с различным числом населенных оболочек, но с одинаковым числом электронов на внешней оболочке демонстрируют сходное химическое поведение.

Позитроны — это античастицы электронов. Мюоны — нестабильные частицы, очень похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее.

Большинство из этих новых частиц неустойчивы и быстро распадаются на уже знакомые нам стабильные частицы.

Цит. по книге Найджела Калдера, "Ключ ко Вселенной" (Nigel Calder, The Key to the Universe, Penguin Books, New York, 1977, p. 69).

В 1970-1980-х годах физики пытались достичь более единообразного описания частиц и их взаимодействий в рамках так называемых теорий Великого объединения. Первая модель этого типа была предложена Говардом Джорджи (Howard Georgi) и Шелдоном Глэшоу из Гарварда, которые показали, что всю Стандартную модель вместе с ее отдельными симметриями для сильного и электрослабого взаимодействий можно элегантно вписать в теорию, которая имеет одну, но более мощную симметрию. Более того, эта модель дала единое описание для трех фундаментальных взаимодействий. Великое объединение — очень привлекательная идея, и многие физики верят, что она сохранится как часть окончательной теории. Однако в теории Великого объединения сохраняются почти все недостатки Стандартной модели. В частности, она требует еще большего числа подстраиваемых параметров, а гравитация по-прежнему остается за бортом.

Широкий круг вопросов, касающихся существования (или несуществования) окончательной теории, обсуждается в книге Стивена Вайнберга "Мечты об окончательной теории" (Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory, Vintage, New York, 1994).

Космология дает интересную возможность наблюдательной проверки теории струн. В результате высокоэнергетических процессов в конце инфляции могли образоваться струны астрономического размера. Подобно "обычным" космическим струнам (см. главу 6) эти фундаментальные струны будут впоследствии доступны для наблюдения. Струны не испускают света и потому непосредственно не видны, но их присутствие может быть обнаружено по гравитационным эффектам. Световые лучи далеких галактик, расположенных позади длинной струны, искривляются ее притяжением, и мы можем видеть по соседству два изображения галактики, образованных лучами, прошедшими с двух сторон от струны. Колеблющиеся струнные петли служат мощными источниками гравитационных волн. Существующие и перспективные детекторы гравитационных волн будут искать характерные для них сигналы.

Недавние работы Наймы Аркани-Хамеда (Nima Arkani-Hamed) из Гарварда, Гии Двали (Gia Dvali) из Нью-Йоркского университета и Саваса Димипоулоса (Savas Dimipoulos) из Стэнфорда говорят о том, что компактные измерения могут быть гораздо больше, чем считалось прежде. В этом случае размеры вибрирующих струнных петель также значительно возрастают. Это означает, что следующее поколение ускорителей может оказаться достаточно мощным, чтобы открыть "струнную" природу частиц.

Яркое изложение этой философии, а также более подробное описание теории струн можно найти в книге Брайана Грина "Элегантная Вселенная" (Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage Books, New York, 2000).

Теория также включает множество других сущностей (например, потоки, похожие на магнитные поля), но здесь я не буду о них рассказывать.

В присутствии бран струны могут образовывать замкнутые петли, но могут также быть и открытыми, с концами, присоединенными к бранам. Такие открытые сегменты струн могут двигаться вдоль бран, но никогда их не покидают. Браны играют центральную роль в так называемом "мире бран" — космологической модели, которая предполагает, что мы живем на трехмерной бране, плавающей в многомерном пространстве. Знакомые нам частицы, такие как электроны и кварки, представляются тогда открытыми струнами, концы которых присоединены к нашей бране.

В значительной мере благодаря работам Полчински стало ясно, что теория струн должна включать браны разной размерности.

Формируются также и пузырьки с более высокой энергией, хотя вероятность этого намного ниже.

Пространственно-временная структура расширяющихся пузырьков напоминает островные вселенные, описанные в главе 10. Пузырьки конечны, когда рассматриваются снаружи, но изнутри каждый пузырек выглядит самодостаточной бесконечной вселенной. Вечная инфляция с пузырьками островных вселенных упомянута Ричардом Готтом в 1982 году, а более реалистичная ее модель обсуждалась в 1983 году Полом Стейнхардтом.

Цит. по статье Davide Castelvecchi, "The growth of inflation" ("Рост инфляции"), Free Republic, December 2004.

Речь об известной фразе Черчилля: "Никогда не сдавайтесь — никогда, никогда, никогда, никогда…" ("Never give in — never, never, never, never…"). — Примеч. перев.

Эдвард Виттен (Edward Witten) — один из ведущих специалистов по теории струн, награжденный в 1990 году Филдсовской медалью — эквивалентом Нобелевской премии для математиков.

Интервью с Джоном Брокманом (John Brockman), Edge, 2003.

Интервью с Джоном Брокманом (John Brockman), Edge, 2003.

Интересные параллели между древними мифами и современной космологией обсуждаются в книге Марчело Глизера "Танцующая Вселенная: от мифов о творении до Большого взрыва" (Marcelo Gleiser, The Dancing Universe: From Creation Myths to the Big Bang, Dutton, New York, 1997).

Эта же критика применима к идее Вселенной, рождающейся из хаоса, как в модели хаотической инфляции. Этот момент обыгрывается в "шутке", приводимой в книге Тимоти Ферриса "Целая история" (Timothy Ferris, The Whole Shebang, Simon & Schuster, New York, 1997). Атеист заявляет, что мир появился из хаоса, на что верующий отвечает: "Но кто же навел этот хаос?"

Для реализации этого сценария Стейнхардт и Турок ввели скалярное поле с тщательно подобранным энергетическим ландшафтом. Космологи обычно скептически относятся к их модели, поскольку этот ландшафт выглядит довольно искусственно. Кроме того, значение плотности энергии вакуума, которое играет ключевую роль в этой модели, просто устанавливается "руками" без всякого объяснения, почему оно столь мало или почему оно доминирует во Вселенной в эпоху формирования галактик.

Минимальный радиус деситтеровской сферы примерно равен расстоянию, которое проходит свет за один период инфляционного удвоения.

Существование такого класса наблюдателей может считаться определением расширяющейся вселенной.

Этот метод доказательства неполноты пространства-времени путем демонстрации того, что определенные истории имеют конечную длительность в прошлом или будущем, восходит к работам Хокинга и Пенроуза 1960-70-х годов.

Один из способов обойти вывод данной теоремы — допустить, что по мере движения назад во времени темп расширения все замедляется и замедляется и в бесконечном прошлом вселенная становится статической. Но тогда вселенная должна была бы оставаться статической в течение бесконечного времени и достигла бы термодинамического равновесия.

Другая интересная попытка избавиться от начала Вселенной предпринята в 1998 году в статье принстонских ученых Дж. Ричарда Готта и Ли-Синь Ли "Может ли Вселенная создать саму себя?" С- Richard Gott, Li-Xin Li, "Can the universe create, itself?", Physical Review D, vol. 58, p. 023501.) Готт и Ли предположили, что при движении в прошлое мы попадаем во временную петлю, прокручивая снова и снова одни и те же события. Эйнштейновская теория относительности действительно в принципе допускает существование временных петель. (Увлекательное обсуждение этого см. в отличной книге Ричарда Готта "Путешествия во времени в эйнштейновской вселенной".) Однако, как отмечают сами Готт и Ли, вдобавок к историям, закрученным в петлю, придуманное ими пространство-время с необходимостью содержит некоторые неполные истории, подобные истории космического путешественника, обсуждаемой в основном тексте. Это означает, что само пространство-время неполно в прошлом, а значит, не обеспечивает удовлетворительной модели для вселенной, не имеющей начала.