Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Внутреннее и внешнее пространство
Рассуждения о будущем науки являются занимательным и конструктивным упражнением. Они помещают наше сегодняшнее дело в более широкий контекст и подчеркивают всеобъемлющие цели, в направлении которых мы медленно и осознанно трудимся. Но когда такие рассуждения применяются к будущему самого пространства-времени, они приобретают почти мистическое качество: мы рассматриваем судьбу тех самых вещей, которые господствуют в нашем ощущении реальности. Еще раз, вопрос не в том, что безотносительно к будущим открытиям пространство и время будут продолжать формировать наше индивидуальное восприятие; пространство и время, пока движется повседневная жизнь, будут стоять рядом. Что будет продолжать изменяться и, вероятно, изменяться радикально, так это наше понимание обеспечивающей их системы, – что означает, арены эмпирической реальности. После столетий размышлений мы все еще можем дать только словесное описание пространства и времени, как самого привычного из странного. Они беззастенчиво идут своим путем через наши жизни, но ловко скрывают свою фундаментальную структуру за теми же самыми ощущениями, которые они полностью формируют и на которые влияют.
На протяжении последней сотни лет мы стали близко знакомы с некоторыми ранее скрытыми свойствами пространства и времени благодаря двум теориям относительности Эйнштейна и благодаря квантовой механике. Замедление времени, относительность одновременности, альтернативные сечения пространства-времени, вероятностная природа реальности, дальнодействующее квантовое запутывание не были в списке вещей, которые даже лучшие из физиков мира девятнадцатого века могли бы ожидать найти прямо за углом. А они, однако, там были, что подтвердили как экспериментальные результаты, так и теоретические объяснения.
В нашу эпоху мы подошли к нашему собственному великолепию неожиданных идей: темная материя и темная энергия, которые оказались, несомненно, доминирующими составляющими вселенной. Гравитационные волны – рябь на ткани пространства-времени, – которые были предсказаны ОТО Эйнштейна и однажды позволят нам бросить взгляд дальше назад во времени, чем когда-либо ранее. Океан Хиггса, который пронизывает все пространство и который, если это подтвердится, поможет нам понять, как частицы приобретают массу. Инфляционное расширение, которое может объяснить форму космоса, решить загадку, почему он так однороден на больших масштабах, и установить направление стрелы времени. Теория струн, которая постулирует петли и обрывки энергии вместо точечных частиц и предлагает смелую версию мечты Эйнштейна, в которой все частицы и все силы объединены в единственную теорию. Дополнительные пространственные измерения, возникающие из математики теории струн, и, возможно, обнаруживаемые экспериментами на ускорителях в течение следующего десятилетия. Мир на бране, в котором наши три пространственные измерения могут быть лишь одной вселенной среди многих, плавающих в многомерном пространстве-времени. И, возможно, даже новое пространство-время, в котором сама ткань пространства и времени составлена более фундаментальными беспространственными и безвременными сущностями.
В течение следующего десятилетия все более мощные ускорители обеспечат почти необходимый экспериментальный вклад, и многие физики уверены, что данные, собранные из высокоэнергетических столкновений, которые планируются, подтвердят большое число стержневых физических построений. Я разделяю этот энтузиазм и страстно ожидаю результатов. До тех пор, пока наши теории не соприкоснулись с наблюдаемыми, проверяемыми явлениями, они остаются в подвешенном неопределенном состоянии – они остаются многообещающими коллекциями идей, которые могут иметь или могут не иметь отношения к реальному миру. Новые ускорители существенно продвинут вперед уменьшение зазора между теорией и экспериментом и, мы, физики, надеемся, введут многие из этих идей в область признанной науки.
Но имеется другой подход, который, будучи более чем смелым предположением, наполняет меня несравненным удивлением. В Главе 11 мы обсуждали, как эффекты мельчайших квантовых скачков могут быть заметны на любом ясном ночном небе, поскольку они были чудовищно растянуты космическим расширением, приведя в итоге к сгущениям, давшим начало формированию звезд и галактик. (Повторим аналогию с мельчайшими черточками, нарисованными на воздушном шаре, которые растягиваются по его поверхности, когда шар раздувается). Это осознание наглядно дает доступ к квантовой физике через астрономические наблюдения. Вероятно, это может быть продвинуто даже дальше. Возможно, космическое расширение может растянуть отпечатки даже самых мелкомасштабных процессов или свойств – физики струн или, возможно, квантовой гравитации, или атомистической структуры самого ультрамикроскопического пространства-времени – и распространить их влияние, в некотором тонком, но наблюдаемом смысле, через небеса. Это означает, может быть, что вселенная уже расписана микроскопическими волокнами ткани космоса и явно раскрывает их через небо, и все, что нам нужно, это научиться, как распознавать картинку.
Оценка самых современных предложений для глубоких физических законов может в будущем потребовать, чтобы дикая мощь ускорителей частиц была в состоянии воссоздать неистовые условия, невиданные с моментов после Большого взрыва. Но для меня не будет ни достижения более поэтичного, ни итога более привлекательного, ни унификации более полной, чем подтвердить для нас наши теории ультрамалого – наши теории об ультрамикроскопической структуре пространства, времени и материи – просто через нацеливание наших самых мощных телескопов в небо и через безмолвный пристальный взгляд на звезды.
Толковый словарь
Абсолютизм: Точка зрения, считающая, что пространство абсолютно.
Абсолютное пространство: Ньютоновский взгляд на пространство; воображаемое пространство как неизменное и независимое от его содержимого.
Абсолютное пространство-время: Взгляд на пространство, возникающий из СТО; воображаемое пространство через полноту времени, с любой системы отсчета, как неизменное и независимое от его содержимого.
Большого взрыва теория/стандартная теория Большого взрыва: Теория, описывающая горячую, расширяющуюся вселенную от момента после ее рождения.
Большой хруст: Один из возможных концов вселенной, аналог обращенного Большого взрыва, в котором пространство коллапсирует само в себя.
Вакуум: Наибольшая пустота, в которой может быть регион; состояние с низшей энергией.
Вакуумные флуктуации поля: См. Квантовые флуктуации.
Великое объединение: Теория, пытающаяся объединить сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия.
Величина вакуумного среднего Хиггсова поля: Ситуация, в которой Хиггсово поле приобретает ненулевую величину в пустом пространстве; Хиггсов океан.
Вероятностная волна: Волна в квантовой механике, которая кодирует вероятность, что частица будет найдена в данном положении.
Волновая функция: См. Вероятностная волна.
Вращательная инвариантность, вращательная симметрия: Характеристика физической системы или теоретического закона, при которой они не изменяются при вращении.
Временное сечение: Все пространство в данный момент времени; отдельное сечение пространственно-временного блока или батона.
Второй закон термодинамики: Закон, который гласит, что, в среднем, энтропия физической системы имеет тенденцию возрастать от любого заданного момента.
Глюоны: Переносчики сильного ядерного взаимодействия.
Горизонт событий: Воображаемая сфера, окружающая черную дыру, отделяющая точки невозврата; все, пересекшее горизонт событий, не может спастись от гравитации черной дыры.
Гравитоны: Гипотетические частицы-переносчики гравитационного взаимодействия.
Единая теория: Теория, которая описывает все силы и всю материю в единой теоретической структуре.
Замкнутые струны: Нити энергии в теории струн в форме петель.
Запутывание, квантовое запутывание: Квантовый феномен, в котором пространственно разделенные частицы имею коррелированные свойства.
Инерция: Свойство объекта сопротивляться ускорению.
Интерференция: Явление, в котором перекрывающиеся волны создают характерную картину; в квантовой механике включает в себя объединение вместе кажущихся особыми альтернатив.
Инфляционная космология: Космологическая теория, включающая короткий, но гигантский взрыв пространственного расширения в ранней вселенной.
