Что находится за границей вселенной: Что находится за краем Вселенной?

Содержание

комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.

Насколько велика Вселенная, и что находится за границей того, что мы можем наблюдать.

Для начала:

1. Никто не знает и, вполне возможно, никогда не узнает реальный размер Вселенной.

2. Если Вселенная бесконечная и при этом плоская, мы так же об этом никогда не сможем узнать, только предполагать.

3. Вселенная может быть очень большой, но все же не бесконечной. Под «очень большой» я имею в виду такие числа, которыми никто никогда в повседневной (да и вне повседневной) жизни не оперирует, они появляются только когда кто-то решает их просто придумать. Типа миллион в степени миллион в степени миллион… и так миллион раз. Или то же самое с миллиардом. Или на что там у вас хватит фантазии. И в этом случае мы тоже вряд ли сможем когда-либо оценить ее реальный размер.

4. Что же мы можем узнать? Мы можем оценить нижнюю границу реального размера Вселенной, насколько это позволяют нам наши измерительные приборы, наш математический аппарат и знание о законах мироздания вообще.

Когда речь заходит о размере Вселенной, первое число, с которым сталкивается большинство — это 13,8 миллиардов световых лет. Лично я узнал в первый раз именно его. Что это за расстояние? Нет, это даже не радиус наблюдаемой части Вселенной. Это максимальное расстояние, с которого до нас успел дойти свет за время жизни Вселенной — 13,8 млрд. лет. На самом деле, оно даже немного меньше, т. к. первые тысячелетия Вселенная была непрозрачной для излучения. Самый далекий «объект», от которого до нас долетают фотоны — это Поверхность последнего рассеяния. Реликтовое микроволновое излучение.

Реальное же расстояние до самых далеких объектов, которые мы можем наблюдать, за время жизни Вселенной успело увеличиться почти втрое — до 46 млрд. св. лет. Пока свет от них летел к нам, они удалялись от нас за счет расширения пространства со все увеличивающейся скоростью. Итак, диаметр Метагалактики примерно 93 млрд. св. лет или 1 000 000 000 000 000 000 000 (секстиллион) километров. Я чуток округлил, чтоб не выписывать все эти цифры.

Число колоссальное, но оно даже не является известной нижней границей оценки полного размера Вселенной.

Дальнейшие оценки делаются на основе таких данных наблюдательной космологии, как карта реликтового излучения. Она позволюяет оценить кривизну пространства наблюдаемой Вселенной. Кривина описывается параметром Ω . Если он меньше нуля, то геометрия вселенной имеет сферическую форму.

Тут надо сделать отступление, чтобы пояснить, что это значит.

По аналогии с поверхностью Земного шара, если долго идти в одном направлении, в итоге вернешься туда, откуда начал — если бы везде на твоем пути была суша. Хотя из-за его размеров ты не замечаешь кривизны и поверхность тебе кажется плоской. Точно так же со Вселенной, только она закруглена в четвертом измерении, — если бы можно было со сверхсветовой скоростью лететь в такой Вселенной по прямой, не перемещаясь при этом в прошлое и не упираясь ни в какие другие парадоксы, в итоге мы бы вернулись в исходную точку.

Если параметр Ω равен нулю, то Вселенная плоская и если он больше нуля, то Вселенная имеет гиперболическую форму. 118 метров. А еще дальше все это снова должно повторяться. Это все верхние границы оценки, полученные с помощью банальной комбинаторики и не учитывающие общность законов по которым формируются галактики, звезды, планеты и жизнь на них. Т. е. реальное расстояние до наших двойников несколько меньше. Всё, что находится за пределами нашей Метагалактики, Тегмарк называет параллельными Вселенными. А структуру, объединяющую их — Сверхвселенной.

зы На картинках тот, кто их переводил, напутал с числами. Цифра 3 в расстояниях — это на самом деле знак умножения.

А где-то еще дальше — намного дальше даже в сравнении с этими, более, чем астрономическими, числами, существуют Вселенные с иными физическими константами или даже с иным числом измерений. Они отделены от нас пустым, расширяющимся пространством. Эти отделенные друг от друга области пространства зародились в самые первые мгновения инфляции — ускоренного расширения Вселенной в первые мгновения ее существования — за счет флуктуаций первоначального инфлатонного поля, ответственного за ее расширение.

Использованы материалы статьи: http://www.modcos.com/articles.php?id=40 в которой есть еще много инфы о параллельных Вселенных. А так же статьи из вики и некоторые исследования о размерах Вселенной, в той мере, которой я смог их понять.

От конечной Вселенной — к дырочному вакууму

Дырочная физика, телепортация и левитация, Том 1,
№ 1, август 2001

От конечной Вселенной – к дырочному вакууму (стр.
5)

К. З. Лешан [email protected]

Фундаментальный факт наличия в любой
точке Вселенной виртуальных дырок в пространстве и времени следует из конечности
Вселенной по объему и трансмутации элементарных объемов. В первый момент
расширения Вселенная имела вид точки, и ее центр и граница совпадали. Сейчас
через миллиарды лет после начала расширения Вселенная также имеет вид точки,
и ее центр и граница совпадают в любой произвольной точке.

Прежде всего, нужно рассмотреть свойства Вселенной
как целого, в первую очередь отсутствие или наличие границы у Вселенной.
Согласно стандартной космологической теории Большого Взрыва Вселенная появилась
после взрыва “сверхатома”. Расширяясь, Вселенная за конечное время займет
конечный объем, а любое тело конечного объема должно иметь границу, хотя
бы в виде точки. Big Bang не является обычным взрывом, где материя расширяется
в пространстве от какого-то центра, расширяется вся Вселенная, материя
вместе с пространством. Следовательно за пределами расширяющейся Вселенной
нет материи и пространства. Отсутствие центра расширения подтверждается
наличием реликтового микроволнового фонового излучения, которое равномерно
заполняет Вселенную.

    Что же может находиться за границей Вселенной? Из
литературы [1] находим: ”Вне Вселенной ничего нет. Причем нет не только
галактик или какой-либо другой материи, но и вообще ничего – ни пространства,
ни времени”. Таким образом, за пределами Вселенной – абсолютная пустота,
где нет даже свойства длины и времени, это пространство-точка нулевого
измерения, назовем ее ноль-пространством или дыркой [2,3,4,5,6]. Граница
Вселенной не может находиться в одном фиксированном месте, так как согласно
космологическому принципу во Вселенной не могут существовать привилегированные
точки и направления. Поэтому граница Вселенной должна проходить через любую
произвольную точку и виртуальные дырки должны быть в любой точке Вселенной.
Пространство содержащее виртуальные дырки в пространстве и времени можно
назвать дырочным вакуумом или дырочным пространством. До сих пор существовало
представление, высказанное еще Джордано Бруно: “Центр Вселенной – везде,
а граница нигде”. Но сейчас мы можем утверждать, что “Центр Вселенной –
везде, и граница   – везде”.

    Обратите внимание на то, что в первый момент расширения,
когда Вселенная имела вид точки, ее центр и граница совпадали, потому что
центр и граница математической точки совпадают. После миллиардов лет расширения
Вселенной мы можем повторить, что сейчас центр и граница Вселенной также
совпадают в любой точке Вселенной. Это совпадение не случайно и имеет глубокий
философский смысл.

    Можно представить себе Вселенную в виде шара висящего
в ноль-пространстве. Расстояние между любыми двумя точками на внешней поверхности
шара равно нулю, и площадь внешней поверхности шара также равна нулю. Для
мифического существа из ноль – пространства вид Вселенной не изменился
с начала расширения – как и в первый момент расширения, сейчас Вселенная
также имеет вид точки.

Фундаментальный факт наличия в пространстве виртуальных
дырок в пространстве и времени можно вывести и другим методом, например
пользуясь понятием трансмутации [8]. В 1949 Е.И. Френкель выдвинул идею
о движении частиц как о серии регенераций или трансмутаций – превращение
частицы в другую частицу и затем серийное превращение частицы в такую же
самую. Такая серия превращений видится нам как непрерывное движение. Трансмутация
это современное продолжение существенных изменений Аристотеля — рождение
и уничтожение понимается как более фундаментальный вид движения, чем макроскопическое
механическое движение.

Как известно, современная физика утверждает, что вакуум на малых
расстояниях состоит из ячеек или элементарных объемов. Естественно, что
такие квантовые объекты могут двигаться только квантовым образом – частица
исчезает/уничтожается в одном месте, чтобы появиться/родиться в другом
месте. Так в момент исчезновения элементарного объема на его месте остается
дырка, не обладающая свойствами элементарного объема – протяженностью и
временем. Дырочный вакуум это смесь двух виртуальных частиц – элементарных
объемов и дырок. Элементарный объем существует время dt, после чего исчезает,
образуя дырку, которая начинает захлопываться сразу после образования.
Время захлопывания дырки можно считать временем жизни вакуумной дырки.
По существу, это квантовый вакуум, с элементарными объемами фиксированного
размера, но это вовсе не означает, что не могут существовать частицы с
меньшими чем dv размерами. Введено ограничение на размер элементарных объемов,
но в образованном ими объеме могут существовать частицы как большего, так
и меньшего размера. Так как диаметр дырки – свободный параметр, не
вытекающий логически из анализированных выше явлений, то пока диаметр
дырки принимается равным примерно 10^–15м (это не точное значение),
потому что именно при таком значении дырочная теория наиболее проста.
Здесь следует отметить, что размер дырки имеет вероятностную природу, а
время жизни дырки равно приблизительно 10^–24 с. Как дырка
не обладающая свойством протяженности может иметь размеры и объем? Дырка
нематериальна, но раз она появилась в материальном мире, то мы видим проявления
ее существования, например оболочку из материальных частиц, которые окружают
дырку, а также процесс захлопывания дырки. Таким образом, под диаметром
дырки подразумевается расстояние между двумя реальными частицами
или элементарными объемами, между которыми – абсолютная пустота.

Список литературы:

1.Новиков И.Д. – Эволюция Вселенной. М. Наука, 1990, стр. 23

2.Conference proceedings, ICPS94, S. Petersburg, 1994

3.Conference proceedings, ICPS’95, Copenhagen, 1995

4. Лешан К.З, – Объединение гравитационного, сильного и слабого взаимодействия
в дырочном вакууме и материя, тип. 31 Августа 22, Бэлць, 1994

5. C.Z. Leshan , – Are frontiere Universul?, Magazin, № 14, 1998

6. Leshan C., – Thought Experiment to the Border of Universe, Journal
of Theoretics, Vol.1 No.4, Oct./Nov. 1999

7. Новиков И.Д. – Эволюция Вселенной. М. Наука, 1990, стр. 23

8. Френкель Я.И. Понятие движения в релятивистской
квантовой механике // Докл. АН СССР. Т. 64. С. 507 – 509

На главную страницу журнала

Эп.

28: Во что расширяется Вселенная?

Фрейзер Кейн: Нам постоянно задают этот вопрос, и мы собирались включить его в наши шоу с вопросами, но это такая крутая тема с таким большим количеством предыстории, которая уходит на объяснение ответа, что вы получаете много мяса на нем.

Астрономы обычно признают, что наша Вселенная зародилась 13,7 миллиарда лет назад из сжатого состояния, а затем быстро расширилась и продолжается сегодня, и это то, что мы все называем Большим взрывом. Но когда вы думаете об этой расширяющейся Вселенной, во что она расширяется? Что находится за пределами Вселенной?

Хорошо, Памела. Я видел этот вопрос, заданный другим астрономам: какой ответ вы получите?

Доктор Памела Гей: Стандартный ответ: это бессмысленный вопрос.

Фрейзер: Я так и думал, что ты собираешься сказать.

[смех]

Так что обычно, я думаю, мы бы ушли, спрашивая: «Что это значит?» с астрономом, смотрящим на вас свысока со своим «бессмысленным вопросом». На этот раз я не отпущу тебя — мы докопаемся до сути.

Итак, что это значит? Когда вы представляете в своем уме, вы можете представить этот расширяющийся шар как воздушный шар, а внутри воздушного шара Вселенную, вне воздушного шара что-то еще. Поскольку Вселенная расширяется, есть что-то вне Вселенной, но, как вы сказали, это бессмысленный вопрос. Давайте разберемся — почему это бессмысленный вопрос?

Памела: Чтобы сказать, что есть что-то вне Вселенной, это означает, что вне Вселенной должно существовать. Мы говорим, что все, что есть в пространстве, все, что есть во времени, все, что есть все, находится внутри нашей Вселенной. Итак, если вы выходите за пределы Вселенной, перестают существовать измерения, прекращается всякое время, и ничто не может быть обозначено как что-то — оно даже не может быть по-настоящему обозначено как ничто, потому что наша концепция ничто не является пространством, которое все еще имеет измерения и все еще существует во времени.

Итак, вы оказываетесь перед этим философским переломным моментом, когда покидаете Вселенную «но… но… ее не существует!»

Фрейзер: Но разве этот вопрос не зависит от того, конечна Вселенная или бесконечна? Если это бесконечность, если Вселенная — это все, что есть, и это все, что есть во всех направлениях, то я покупаю ее. Что такое бесконечность плюс один? Бесконечность. Сколько бесконечность умножить на бесконечность? Еще бесконечность. Если идти в бесконечность во всех направлениях, все равно бесконечность. Но если Вселенная конечна, если есть внешний край того, что расширяется, то должно быть что-то, во что она расширяется.

Памела: Но почему нельзя просто сказать, что все, что есть все, расширяется? Наше представление о форме Вселенной состоит в том, что она плоская. Если Вселенная конечна, то способ, которым вы одновременно получаете плоскую и конечную Вселенную, состоит в том, что вся Вселенная в основном представляет собой пончик.

Фрейзер: Тебе придется объясняться на секунду.

Памела: Хорошо.

Фрейзер: Потому что я думаю об этом как о трех измерениях, верно?

Памела: Мы определяем геометрию Вселенной, рассматривая, что произойдет, если вы отправите два фотона, которые стартовали (как мы думали) параллельно друг другу. На обычном листе бумаги, если вы нарисуете две линии параллельно друг другу, они всегда останутся на одном и том же расстоянии друг от друга. В плоской Вселенной два вылетающих фотона всегда остаются на одном и том же расстоянии друг от друга. Если бы у нас была замкнутая геометрия, то эти два фотона были бы больше похожи на два самолета, запущенных по параллельным линиям на Земле; путешествуя по сфере, они в конце концов сойдутся в одной и той же точке.

Фрейзер: Понятно. Итак, если вы возьмете два самолета и запустите их из какого-то места, поскольку они следуют линиям долготы Земли, когда они достигнут полюса, они врежутся друг в друга, верно?

Памела: Точно. Это закрытая геометрия.

У нас также есть так называемая открытая геометрия, которая больше похожа на седло. В этом случае, по мере того, как предметы удаляются от сиденья седла вниз по кривой вверх к тому месту, где вы, надеюсь, не упадете, два световых луча будут расходиться и расходиться по мере удаления от этого сиденья. Вопрос в том, как затем преобразовать их в трехмерную Вселенную, у которой также есть время.

У нас есть эта сложная вещь, и для нашей плоской геометрии, как вы ее переводите, если у нас есть бесконечная Вселенная, тогда это вроде листа бумаги, который простирается во всех направлениях, но это лист бумаги, который имеет больше не только два измерения — оно также имеет три измерения

Фрейзер: Верно, лист бумаги, который расширяется, как куб бумаги.

Памела: Даааа.

Фрейзер: … это… большое.

[смех]

Памела: Точно. Так что это работает для бесконечной Вселенной. Но если у вас конечная Вселенная, каким-то образом вещи должны иметь возможность возвращаться к самим себе. В этом случае мы можем получить плоскую геометрию, если у нас есть пончик.
Если представить себя сидящим на вершине пончика в виде посыпки, если вы и ваш сосед посыпаете обе головы по прямой линии в любом направлении, то вы всегда будете возвращаться туда, откуда начали, и всегда останетесь одинаковое расстояние. Вы можете решить закрутить спираль вокруг верхней поверхности пончика. Возможно, вы решите, что будете обходить пончик по дуге снаружи. Таким образом, у вас есть два разных пути, оба из которых позволяют вам вернуться в одну и ту же точку, один короткий путь, а другой длинный путь, но вы и ваш сосед посыпаетесь, пока вы решаете отправиться в одном направлении, вы всегда остаетесь на одном и том же расстоянии друг от друга.

Фрейзер: Итак, если в нашей Вселенной мы выпустим два фотона в противоположных направлениях? Или в том же направлении?

Памела: В том же направлении.

Фрейзер: В том же направлении они останутся на том же расстоянии друг от друга, но смогут ли они снова вернуться в исходное положение?

Памела: Если наша Вселенная конечна. Большинство людей верят, что Вселенная конечна, но мы не можем прямо сейчас это доказать. Есть надежда, что с грядущим космическим кораблем Европейского космического агентства «Планк» они смогут с уверенностью доказать, что Вселенная конечна, но у нас пока нет наблюдательных данных.

Фрейзер: Итак, если Вселенная конечна, а не бесконечна, Планк сможет увидеть… что она сможет увидеть?

Памела: Он сможет увидеть определенные узоры на Космическом Микроволновом Фоне, которые не были видны спутнику WMAP. Есть надежда, что со спутником Planck дальнейший уровень получения закономерностей в анизотропии и распределении температуры позволит нам понять, что такое геометрия.

Фрейзер: Это потрясающе. Оно всегда возвращается к Космическому Микроволновому Фоновому Излучению. Это как бы самая полезная часть данных, которые у нас есть.

Памела: Это самое далекое место, куда мы можем заглянуть, и вы можете многому научиться, глядя на детские фотографии. В этом конкретном случае, глядя на реликтовое излучение, мы получаем профиль плотности ранней Вселенной и видим, как фотоны путешествовали и общались друг с другом. Мы получаем представление о том, по каким путям они шли, и есть надежда, что с Планком мы сможем понять «возможно ли, что фотоны, покидающие одно и то же место, могут отправиться туда, где они сейчас, по двум разным путям?»

Фрейзер: Понятно, это почти как если бы у меня в руке был глобус (маленький глобус) и маленькие игрушечные самолетики, и я двигал бы их по параллельным линиям на Земле, я бы очень четко быть в состоянии видеть, как они терпят крах вместе. Но с настоящей Землей, если бы я увидел, как мимо пролетело два самолета, я бы не смог этого понять, потому что теперь Вселенная в тех размерах, которые у нас есть, ее очень трудно увидеть. Если мы сможем оглянуться назад, когда Вселенная была младенцем, тогда такие вещи станут более ясными.

Памела: Точно.

Фрейзер: Правильно. Так является ли Вселенная на самом деле пончиком, или это просто пончик — хорошая модель, чтобы придумать форму, в которой вы можете двигаться в разных направлениях и возвращаться туда, откуда начали?

Памела: В данном случае, я думаю, это хороший способ взглянуть на это. Это одна из тех вещей, где в астрономии есть много вещей, которые математические модели и реальность никогда не могут быть полностью уверены, является ли одно способом моделирования другого или одно является отражением другого. Одним из таких примеров является то, как мы воспринимаем гравитацию.

Эйнштейн сказал, что гравитация на самом деле искажает пространство. Но действительно ли пространство искривлено? Если бы мы могли выйти за пределы нашей Вселенной и заглянуть в нее, увидели бы мы деформации вокруг звезд? Или это просто лучший способ математически смоделировать движение вещей в пространстве, чтобы рассматривать гравитацию как деформацию?

С математической точки зрения лучший способ рассматривать плоскую Вселенную — это пончик, математический Телец. Но я не знаю, могу ли я с уверенностью сказать, что «Вселенная на самом деле имеет форму тора, если она конечна». Я просто знаю, что это математическая модель, которая работает.

Фрейзер: Хорошо. Итак, давайте вернемся назад и скажем, что мы, надеюсь, дошли до этой части: Вселенная конечна, есть определенное количество — вы могли бы измерить его достаточно большой мерной палочкой? Это правильно?

Памела: Да.

Фрейзер: А Вселенная плоская.

Памела: Да.

Фрейзер: Возможно. Другими словами —

Памела: Мы точно знаем, что он плоский. Конечна она или бесконечна, мы не совсем уверены.

Фрейзер: Хорошо, мы знаем, что он плоский, и подозреваем, что он конечен, но тогда я думаю, что вы попадаете в эту ловушку того, что находится за его пределами. Я позволю тебе иметь бесконечное, но конечное — я буду с тобой бороться.

[смех]

Итак, давайте вернемся к этому. Как Вселенная может расширяться, не расширяясь во что-то?

Памела: Хорошо. Это начинает становиться философски уродливым. Проблема в следующем:

Фрейзер: Придерживайтесь улик!

[смех]

Памела: Мы понимаем, что все время и все особые измерения существуют внутри нашей Вселенной. Если бы вы каким-то образом телепортировались с помощью какой-то магической технологии, которая, вероятно, никогда не будет существовать за пределами нашей Вселенной, вы оказались бы в каком-то месте, где не существует ни пространственных измерений, ни времени.

Это то, что всплывает в таких местах, как сериал Стивена Кинга «Темная башня», где вы действительно можете выпасть из параллельных вселенных в его научной фантастике. Это не то, что вне научно-фантастического жанра у нас точно есть способ обсудить. Можно сказать, что это какое-то чистилище, где, когда ты попадаешь туда, время останавливается. Как вы воспринимаете что-либо, когда время больше не тикает?

Фрейзер: Хорошо, я думаю, у меня есть аналогия (это будет эпизод, наполненный аналогиями), но я думаю, что мы описываем Вселенную, используя концепцию измерений и времени. Это почти как (я пытаюсь представить…), скажем, вы играете в Scrabble или что-то в этом роде. Затем, чтобы выйти за пределы Вселенной, вы выходите за пределы концепций времени и пространственных измерений. Это то же самое. Если вы не играете в скрэббл, вы не можете применить правила скрэббла к внешнему миру, за пределами самой игры скрэббл.

Памела: Точно.

Фрейзер: Но я все еще думаю, что этого недостаточно, потому что тогда может быть что-то еще с другими правилами, не время, а что-то еще; не размеры, а что-то другое?

Памела: Существует множество различных космологов, которые работают над различными теориями мультивселенной. Они говорят, что наша Вселенная является одной из, возможно, конечного, возможно, бесконечного (скорее всего, бесконечного, если эта теория верна) набора параллельных Вселенных, которые все бурлят вместе. Если бы вы перепрыгнули из нашей Вселенной в другую Вселенную, не в пространство между ними, а из нашей Вселенной в другую Вселенную, вы бы нашли место, где физические параметры были другими, где гравитация работала по-другому, где электростатические силы работает по-другому, когда силы, удерживающие атомы вместе, контролируются другими константами, чем те, с которыми мы сталкиваемся.

Проблема этих теорий в том, что у нас нет возможности их проверить. Несмотря на то, что они блестящие, в них много сложной математики, и они выдвинуты одними из самых блестящих теоретиков, они не поддаются проверке. Итак, они философски удовлетворительны. Они говорят нам, что «это может быть то, что находится за пределами нашей вселенной», но мы также вышли за пределы нашей способности иметь проверяемую модель, которая делает прогнозы, которые можно наблюдать.

Фрейзер: И в этом весь смысл.

Памела: Точно.

Фрейзер: Хорошо. Итак, что означает форма Вселенной для ее расширения?

Памела: Есть одна странная вещь в том, как мы думаем и как это работает на самом деле: когда я говорю, что Вселенная имеет форму пончика, вы как бы представляете, что находитесь на поверхности и можете летать по ней. Как насчет того, кто находится в 30 милях от вас в любом направлении? Они все еще на поверхности. А как насчет того, кто находится на расстоянии 300 тысяч световых лет в любом направлении? Они все еще на поверхности. Как выбраться с поверхности, если вы застряли на поверхности и все измерения, которые вы можете воспринимать, все еще находятся на поверхности? Имеет ли это смысл?

Фрейзер: [долгая пауза] Да, я имею в виду… Нееет, но да?

[смех]

Памела: Итак, когда мы начинаем думать: «Во что мы расширяемся?», мы расширяемся во что-то за пределами нашей способности воспринимать, потому что все, что мы воспринимаем, находится в ловушке на этой поверхности.

Фрейзер: Возможно ли, что мы расширяемся во что-то похожее на нашу Вселенную, но есть (и опять же, аналогия неверна) пузырь лопается внутри чего-то другого, где действуют точно такие же правила. Это время и пространство. Я думаю, когда люди задают этот вопрос, они задают это интуитивно, может быть, есть что-то снаружи, есть большая Вселенная, и наша Вселенная — это нечто, что расширяется внутри этой Вселенной. Может быть, другие Вселенные расширятся внутри нашей Вселенной и исчезнут.

Памела: Существует множество теорий, которые невозможно проверить. Одна из существующих теорий, выдвинутая Андре Линде, заключается в том, что во время инфляционной эпопеи, периода до образования космического микроволнового фона, в мельчайшие доли секунды после начала Большого взрыва (300 с лишним тысяч лет до образовался космический микроволновый фон), наша Вселенная прошла через этот период удивительного расширения. На самом деле, из-за этого расширения мы воспринимаем вещи как плоские. Точно так же, как если вы нанесете узор на дурацкую замазку и растянете его, он превратится из красивого узора в постоянный оттенок серого, когда наша Вселенная раздулась, она в конце концов перестала раздуваться. Это позволило нам появиться на свет.

Что, если в той ранней Вселенной были карманы, которые не переставали расширяться? Что, если бы были места, где инфляция просто продолжалась? Эти очаги продолжающейся инфляции могли образовать ветвящиеся Вселенные, связанные с нашей собственной, которые могли в основном перестать раздуваться, но все же иметь еще один карман, который продолжал расширяться. Из этих разветвленных вселенных [Линде] строит картину множественных параллельных вселенных. Не обязательно, чтобы все они имели одинаковые параметры, на самом деле гораздо более вероятно, что все они имеют несколько разные параметры.
Мы не можем найти никакой лежащей в основе физики, которая говорит, что мы должны иметь гравитацию, которая у нас есть, что мы должны иметь постоянную тонкой структуры, управляющую квантовой механикой, которая у нас есть, что так много различных параметров — просто вопрос соотношение антивещества, которое у нас есть. Мы не знаем причин для того, чтобы все было так, как оно есть, поэтому, если вы собираетесь придумать еще одну, вторую, третью, миллиардную вселенную, вероятность говорит, что они, скорее всего, будут другими.

Фрейзер: И каждая из этих вселенных расширяется во что-то другое.

Памела: Одна из тревожных (опять же, не поддающихся проверке) теорий заключается в том, что одна из этих вселенных может поглотить нашу собственную.

Фрейзер: Ты просто поразил меня.

[смех]

Памела: Думайте об этом как о мыльных пузырях. Каждый мыльный пузырь имеет несколько разные параметры внутри. Один мыльный пузырь может поглотить другой мыльный пузырь, в процессе стирая содержимое обоих.

Фрейзер: Люди ломали голову над этим вопросом на протяжении сотен лет — или, я думаю, с момента открытия Большого Взрыва — оказала ли темная энергия какое-либо влияние на мышление?

Памела: Это на самом деле полностью изменило наш взгляд на многие вещи. Готовясь к этому, я вытащил кучу своих книг по космологии, и в итоге я…

Фрейзер: Это неправильно, это неправильно..

Памела: Я с отвращением отложил их в сторону, потому что все мои любимые книги говорят о лямбда = 0, тёмной энергии нет — мы не знали, что такое тёмная энергия. Они сказали, что судьба Вселенной будет определяться геометрией Вселенной, где, если у нас есть замкнутая геометрия (геометрия, в которой два луча света или два самолета встречаются и разбиваются), тогда Вселенная в конечном итоге будет медленно расширяться. , поменяйте направление и снова столкнитесь вместе. Они сказали, что, возможно, у нас плоская Вселенная, и в этом случае Вселенная расширяется и расширяется, и, учитывая бесконечное время, перестанет расширяться.

Возможно, у нас есть открытая Вселенная, и в этом случае она будет продолжать расширяться вечно.

Итак, судьбу определила геометрия.

Теперь кажется, что у нас есть эта плоская геометрия, которая (если бы геометрия определяла нашу судьбу), если бы ей дали достаточно времени (бесконечное время), расширение в значительной степени остановилось бы. Мы никогда не дойдем до бесконечности времени. Дело в том, что с темной энергией темная энергия ускоряет все вокруг, поэтому у нас есть полностью открытое будущее с плоской геометрией.

Фрейзер: Открытое будущее с плоской геометрией. Раньше, я думаю, космологи всегда балансировали между собой — они не были уверены, было одно или другое, всей информации не было. Теперь ответ, который они ищут, есть и он подавлен темной энергией.

Памела: Да, в 1998 году, когда две команды по красному смещению опубликовали свои результаты, говоря, что у нас есть темная энергия, я думаю, что многие космологи просто решили, что математика — это зло.

[смех]

Мы все долгое время предполагали, что лямбда = 0, геометрия плоская, и это значительно упростило математику.

Вся эта лямбда, не равная 0, делает математику намного сложнее, моделирование намного сложнее, а Вселенную более захватывающей.

Фрейзер: Я думаю, что этот вопрос является одним из тех вопросов, которые находятся на одном из самых крайних краев науки и (как вы сказали) довольно часто входят в философскую область и выходят из нее. Есть несколько замечательных новых обсерваторий, и мы кратко говорили о Планке. К каким открытиям, к каким доказательствам люди должны прислушиваться в течение следующего десятилетия или около того, чтобы помочь нам действительно основательно довести все это до сознания?

Памела: Мы всегда пытаемся найти способы измерить, как Вселенная менялась с течением времени, как она ускорялась, как менялась со временем скорость ее расширения. Мы всегда пытаемся проверить, что различные параметры остаются постоянными во времени.
Одна из вещей, которую люди пытаются измерить, — это постоянная тонкой структуры, которая лежит в основе многих явлений квантовой механики и электростатики. Это маленькая альфа, которая продолжает появляться в математических уравнениях.

Убедившись, что Вселенная в значительной степени остается постоянной или изменяется известным образом, мы можем проверить наши теории, и периодически Вселенная поднимает свою уродливую голову и показывает нам, что она меняется со временем. Все это «первоначально замедлялось из-за того, что масса замедляла расширение, а затем взяла верх темная энергия, и теперь она ускоряет расширение — это было неожиданностью.

Мы смогли далеко зайти в своем понимании. Сверхновые действительно яркие, но они недостаточно яркие, чтобы изучать самые ранние моменты Вселенной. Нам нужно найти новые способы исследовать все дальше и дальше. Есть люди, работающие над этим, например, изучая гамма-всплески. Нам также необходимо найти другие способы измерения Вселенной. Мы смотрим, как свет смещается под действием гравитации, мы смотрим, как меняется космический микроволновый фон, когда он проходит через большую массу галактических скоплений. Мы можем использовать это для исследования Вселенной.

Ключ в том, чтобы понять, как смотреть все дальше и дальше назад. Часть этого заключается в том, чтобы смотреть на новые длины волн, смотреть по-новому и смотреть все глубже и глубже с помощью все больших и больших телескопов. Нам повезло, потому что свету нужно время, чтобы путешествовать, и это позволяет телескопам быть машинами времени. В конце концов, сбор фотонов — тяжелая работа.

Фрейзер: Ммм. Хорошо. Не думаю, что на этот раз мне удалось вас загнать в угол.

[смех]

Я думаю, пока мы уходим с частью «вопрос не имеет смысла». Надеюсь, мы смогли дать людям некоторый контекст для вопроса. Когда ваши друзья спросят вас об этом, вы можете спросить их, считают ли они, что Вселенная бесконечна или конечна, и если она конечна, плоская она или искривленная, плоская ли она и так далее.

Надеюсь, вы сможете дать людям довольно хорошее объяснение того, почему вопрос не имеет никакого смысла. Это лучшее, что мы можем сделать на данный момент, пока не появятся дополнительные доказательства. Если они появятся, мы обязательно их закроем.

Эта стенограмма не полностью соответствует аудиофайлу. Он был отредактирован для ясности.

Миф о начале времени

Был ли Большой взрыв действительно началом времени? Или вселенная существовала до этого? Всего десять лет назад такой вопрос казался почти кощунственным. Большинство космологов настаивали на том, что в этом просто нет смысла — что размышлять о времени до Большого взрыва — все равно, что спрашивать дорогу к месту к северу от Северного полюса. Но развитие теоретической физики, особенно появление теории струн, изменили их точку зрения. Вселенная до взрыва стала последним рубежом космологии.

Новая готовность рассмотреть то, что могло произойти до взрыва, является последним колебанием интеллектуального маятника, который качался туда-сюда на протяжении тысячелетий. В той или иной форме вопрос о конечном начале занимал философов и теологов почти во всех культурах. Он переплетается с огромным набором проблем, одна из которых хорошо выражена в картине Поля Гогена 1897 года: D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? Откуда мы пришли? Кто мы? Куда мы идем? Произведение изображает цикл рождения, жизни и смерти — происхождение, личность и судьбу каждого человека — и эти личные заботы напрямую связаны с космическими. Мы можем проследить нашу родословную назад через поколения, через наших предков-животных, к ранним формам жизни и протожизни, к элементам, синтезированным в изначальной вселенной, к аморфной энергии, отложившейся в космосе до этого. Наше генеалогическое древо всегда уходит в прошлое? Или его корни обрываются? Так ли непостоянен космос, как мы?

Древние греки яростно спорили о происхождении времени. Аристотель, принимая сторону безначальности, ссылался на принцип, согласно которому из ничего ничего не возникает. Если Вселенная никогда не могла перейти от небытия к чему-то, она должна была существовать всегда. По этой и другим причинам время должно бесконечно простираться в прошлое и будущее. Христианские богословы придерживались противоположной точки зрения. Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени, способный создать эти конструкции так же уверенно, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос, что делал Бог до он создал мир? Августин ответил: Само время является частью творения Бога, а просто не существовало раньше!

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна привела современных космологов почти к такому же выводу. Теория утверждает, что пространство и время являются мягкими, податливыми сущностями. В самых больших масштабах пространство естественно динамично, расширяясь или сжимаясь во времени, перенося материю, подобно корягам, по течению. В 1920-х годах астрономы подтвердили, что наша Вселенная в настоящее время расширяется: далекие галактики удаляются друг от друга. Одним из следствий, как доказали физики Стивен У. Хокинг и Роджер Пенроуз в XIX в. 60-х годов, это то, что время не может продолжаться бесконечно. Когда вы проигрываете космическую историю в обратном направлении во времени, все галактики сходятся в одну бесконечно малую точку, известную как сингулярность, — почти как если бы они спускались в черную дыру. Каждая галактика или ее предшественник сжаты до нулевого размера. Такие величины, как плотность, температура и кривизна пространства-времени, становятся бесконечными. Сингулярность — это окончательный катаклизм, за пределы которого не могут простираться наши космические предки.

Неизбежная сингулярность создает серьезные проблемы для космологов. В частности, он неудобен для высокой степени однородности и изотропии, которую Вселенная демонстрирует в больших масштабах. Чтобы космос в целом выглядел везде одинаково, между далекими областями космоса должна была проходить какая-то связь, согласовывающая их свойства. Но идея такой связи противоречит старой космологической парадигме.

Чтобы быть точным, рассмотрим, что произошло за 13,7 миллиардов лет с момента выброса космического микроволнового фонового излучения. Расстояние между галактиками увеличилось примерно в 1000 раз (из-за расширения), в то время как радиус наблюдаемой Вселенной увеличился примерно в 100 000 раз (поскольку свет опережает расширение). Сегодня мы видим части Вселенной, которые не могли увидеть 13,7 миллиарда лет назад. Действительно, впервые в космической истории свет от самых далеких галактик достиг Млечного Пути.

Странное совпадение

ТЕМ НЕ МЕНЕЕ, свойства Млечного Пути в основном такие же, как у далеких галактик. Это как если бы вы пришли на вечеринку и обнаружили, что одеты точно так же, как дюжина ваших самых близких друзей. Если хотя бы двое из вас были одеты одинаково, это можно было бы объяснить совпадением, но дюжина говорит о том, что участники вечеринки согласовали свой наряд заранее. В космологии это не дюжина, а десятки тысяч — количество независимых, но статистически идентичных участков неба на микроволновом фоне.

Одна возможность состоит в том, что все эти области пространства были наделены при рождении одинаковыми свойствами, другими словами, что однородность является простым совпадением. Физики, однако, придумали еще два естественных выхода из тупика: ранняя Вселенная была намного меньше или намного старше, чем в стандартной космологии. Любой (или оба, действуя вместе) сделали бы возможным взаимодействие.

Самый популярный вариант следует за первым вариантом. Он постулирует, что Вселенная прошла через период ускоряющегося расширения, известного как инфляция, в начале своей истории. До этой фазы галактики или их предшественники были настолько плотно упакованы, что могли легко координировать свои свойства. Во время инфляции они потеряли контакт, потому что свет не успевал за неистовым расширением. После окончания инфляции расширение начало замедляться, поэтому галактики постепенно возвращались в поле зрения друг друга.

Физики приписывают инфляционный всплеск потенциальной энергии, хранящейся в новом квантовом поле, инфлатоне, примерно через 1035 секунд после Большого взрыва. Потенциальная энергия, в отличие от массы покоя или кинетической энергии, приводит к гравитационному отталкиванию. Вместо того чтобы замедлить расширение, как это сделала бы гравитация обычного вещества, инфлатон ускорил его. Предложенная в 1981 г. теория инфляции с точностью объяснила множество наблюдений [см. «Инфляционная Вселенная» Алана Х. Гута и Пола Дж. Стейнхардта; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, 19 мая.84; и «Четыре ключа к космологии», специальный отчет; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, февраль 2004 г.]. Однако остается ряд возможных теоретических проблем, начиная с вопросов о том, что именно представляет собой инфлатон и что дает ему такую огромную начальную потенциальную энергию.

Менее известный способ решения головоломки следует второму варианту, избавляясь от сингулярности. Если бы время не началось с взрыва, если бы началу нынешнего космического расширения предшествовала долгая эпоха, материя могла бы иметь достаточно времени, чтобы гладко устроиться. Поэтому исследователи пересмотрели рассуждения, которые привели их к выводу о сингулярности.

Одно из предположений о том, что теория относительности всегда верна, вызывает сомнения. Вблизи предполагаемой сингулярности квантовые эффекты должны были быть важными, даже доминирующими. Стандартная теория относительности не принимает во внимание такие эффекты, поэтому принятие неизбежности сингулярности равносильно безосновательному доверию теории. Чтобы узнать, что произошло на самом деле, физикам нужно включить теорию относительности в квантовую теорию гравитации. Эта задача занимала теоретиков, начиная с Эйнштейна, но прогресс был почти нулевым до середины 19-го века.80-е годы.

Эволюция революции

СЕГОДНЯ выделяются два подхода. Один из них, получивший название петлевой квантовой гравитации, сохраняет теорию Эйнштейна практически нетронутой, но изменяет процедуру ее реализации в квантовой механике [см. «Атомы пространства и времени», Ли Смолин, на стр. 82]. За последние несколько лет специалисты по петлевой квантовой гравитации добились больших успехов и достигли глубокого понимания. Тем не менее их подход может оказаться недостаточно революционным для решения фундаментальных проблем квантования гравитации. С аналогичной проблемой столкнулись теоретики элементарных частиц после того, как Энрико Ферми представил свою эффективную теорию слабого ядерного взаимодействия в 1919 году.34. Все попытки построить квантовую версию теории Ферми с треском провалились. Требовалась не новая техника, а глубокие модификации, внесенные электрослабой теорией Шелдона Л. Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама в конце 1960-х годов.

Второй подход, который я считаю более многообещающим, — это теория струн — поистине революционная модификация теории Эйнштейна. Эта статья будет посвящена ему, хотя сторонники петлевой квантовой гравитации заявляют, что пришли ко многим из тех же выводов.

Теория струн выросла из модели, которую я записал в 1968 году для описания мира ядерных частиц (таких как протоны и нейтроны) и их взаимодействий. Несмотря на большое первоначальное волнение, модель потерпела неудачу. Несколько лет спустя от нее отказались в пользу квантовой хромодинамики, которая описывает ядерные частицы в терминах более элементарных составляющих, кварков. Кварки заключены внутри протона или нейтрона, как если бы они были связаны эластичными нитями. Оглядываясь назад, можно сказать, что первоначальная теория струн уловила эти тонкие аспекты ядерного мира. Только позже она была возрождена как кандидат на объединение общей теории относительности и квантовой теории.

Основная идея заключается в том, что элементарные частицы представляют собой не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты, струны. Большой зоопарк элементарных частиц, каждая из которых имеет свои характерные свойства, отражает множество возможных моделей вибрации струны. Как такая простодушная теория может описать сложный мир частиц и их взаимодействий? Ответ можно найти в том, что мы можем назвать магией квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне — как к миниатюрной струне скрипки, за исключением того, что вибрации распространяются по ней со скоростью света, — появляются новые свойства. Все они имеют глубокие последствия для физики элементарных частиц и космологии.

Во-первых, квантовые струны имеют конечный размер. Если бы не квантовые эффекты, струну скрипки можно было бы разрезать пополам, разрезать еще раз пополам и так далее до самого конца, превращаясь в безмассовую точечную частицу. Но принцип неопределенности Гейзенберга, в конце концов, вмешивается и не позволяет нарезать самые легкие струны меньше, чем примерно 1034 метра. Этот неприводимый квант длины, обозначаемый l _s , представляет собой новую постоянную природы, введенную теорией струн наряду со скоростью света, c , а постоянная Планка ч . Он играет решающую роль почти во всех аспектах теории струн, устанавливая конечный предел для величин, которые в противном случае могли бы стать либо нулевыми, либо бесконечными.

Во-вторых, квантовые струны могут иметь угловой момент, даже если у них нет массы. В классической физике угловой момент — это свойство объекта, который вращается относительно оси. Формула углового момента умножает скорость, массу и расстояние от оси; следовательно, безмассовый объект не может иметь угловой момент. Но квантовые флуктуации меняют ситуацию. Крошечная цепочка может содержать до двух единиц по 903:43 ч углового момента без увеличения массы. Это свойство очень приветствуется, поскольку оно точно соответствует свойствам носителей всех известных фундаментальных сил, таких как фотон (для электромагнетизма) и гравитон (для гравитации). Исторически угловой момент — это то, что подсказало физикам квантово-гравитационные последствия теории струн.

В-третьих, квантовые струны требуют существования дополнительных измерений пространства в дополнение к обычным трем. В то время как классическая скрипичная струна будет вибрировать независимо от свойств пространства и времени, квантовая струна более привередлива. Уравнения, описывающие вибрацию, становятся несовместимыми, если только пространство-время не сильно искривлено (вопреки наблюдениям) или не содержит шесть дополнительных пространственных измерений.

В-четвертых, физические константы, такие как константы Ньютона и Кулона, которые появляются в уравнениях физики и определяют свойства природы, больше не имеют произвольных фиксированных значений. Они встречаются в теории струн как поля, подобно электромагнитному полю, которые могут динамически корректировать свои значения. Эти поля могли принимать разные значения в разные космологические эпохи или в отдаленных областях космоса, и даже сегодня физические константы могут незначительно различаться. Наблюдение за любой вариацией дало бы огромный импульс теории струн.

Одно такое поле, называемое дилатоном, является главным ключом к теории струн; он определяет общую силу всех взаимодействий. Дилатон очаровывает струнных теоретиков, потому что его значение можно интерпретировать как размер дополнительного измерения пространства, что дает в общей сложности 11 пространственно-временных измерений.

Связывание свободных концов

НАКОНЕЦ, КВАНТОВЫЕ струны познакомили физиков с некоторыми поразительными новыми симметриями природы, известными как двойственности, которые изменяют наше интуитивное представление о том, что происходит, когда объекты становятся чрезвычайно маленькими. Я уже упоминал о форме двойственности: обычно короткая струна легче длинной, но если мы попытаемся уменьшить ее размер ниже основной длины l _s , струна снова становится тяжелее.

Другая форма симметрии, Т-дуальность, утверждает, что малые и большие дополнительные измерения эквивалентны. Эта симметрия возникает из-за того, что струны могут двигаться более сложным образом, чем точечные частицы. Рассмотрим замкнутую струну (петлю), расположенную в пространстве цилиндрической формы, круговое сечение которого представляет собой одно конечное дополнительное измерение. Кроме вибрации, струна может как целиком оборачиваться вокруг цилиндра, так и обматываться вокруг него один или несколько раз, подобно резиновой ленте, обернутой вокруг свернутого плаката [9].0343 см. рамку на противоположной странице ].

Энергетическая стоимость этих двух состояний струны зависит от размера цилиндра. Энергия намотки прямо пропорциональна радиусу цилиндра: большие цилиндры требуют, чтобы струна растягивалась больше, когда она наматывается, поэтому обмотки содержат больше энергии, чем на меньшем цилиндре. С другой стороны, энергия, связанная с движением по кругу, обратно пропорциональна радиусу: большие цилиндры позволяют использовать более длинные волны (меньшие частоты), которые представляют меньше энергии, чем более короткие длины волн. Если большой цилиндр заменить маленьким, два состояния движения могут поменяться ролями. Энергии, которые были произведены круговым движением, вместо этого производятся намоткой, и наоборот. Внешний наблюдатель замечает только уровни энергии, но не происхождение этих уровней. Для этого наблюдателя большой и малый радиусы физически эквивалентны.

Хотя T-двойственность обычно описывается в терминах цилиндрических пространств, в которых одно измерение (окружность) конечно, ее вариант применим к нашим обычным трем измерениям, которые кажутся бесконечными. Нужно быть осторожным, говоря о расширении бесконечного пространства. Его общий размер не может измениться; он остается бесконечным. Но он все еще может расширяться в том смысле, что заключенные в нем тела, такие как галактики, удаляются друг от друга. Решающей переменной является не размер пространства в целом, а его масштабный фактор — фактор, с помощью которого изменяется расстояние между галактиками, проявляющееся в галактическом красном смещении, наблюдаемом астрономами. Согласно Т-дуальности, вселенные с малыми масштабными факторами эквивалентны вселенным с большими масштабными факторами. В уравнениях Эйнштейна такой симметрии нет; она возникает из унификации, воплощенной в теории струн, с дилатоном, играющим центральную роль.

В течение многих лет струнные теоретики считали, что Т-дуальность применима только к закрытым струнам, в отличие от открытых струн, у которых есть свободные концы и поэтому они не могут скручиваться. В 1995 году Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре понял, что Т-дуальность применима к открытым струнам при условии, что переключение между большими и малыми радиусами сопровождается изменением условий в концевых точках струны. До этого физики постулировали граничные условия, при которых на концы струн не действует никакая сила, что позволяет им свободно колебаться. При Т-двойственности эти условия становятся так называемыми граничными условиями Дирихле, при которых концы остаются на месте.

Любая заданная строка может сочетать оба типа граничных условий. Например, электроны могут быть струнами, концы которых могут свободно перемещаться в трех из десяти пространственных измерений, но застрять в остальных семи. Эти три измерения образуют подпространство, известное как мембрана Дирихле или D-брана. В 1996 году Петр Хорава из Калифорнийского университета в Беркли и Эдвард Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, предположили, что наша Вселенная находится на такой бране. Частичная подвижность электронов и других частиц объясняет, почему мы не в состоянии воспринять все великолепие 10-мерного пространства.

Все магические свойства квантовых струн указывают в одном направлении: струны ненавидят бесконечность. Они не могут коллапсировать до бесконечно малой точки, поэтому они избегают парадоксов, которые влечет за собой коллапс. Их ненулевой размер и новые симметрии устанавливают верхние границы для физических величин, которые неограниченно возрастают в традиционных теориях, и устанавливают нижние границы для величин, которые убывают. Струнные теоретики ожидают, что если проигрывать историю Вселенной в обратном направлении во времени, кривизна пространства-времени начинает увеличиваться. Но вместо того, чтобы идти до бесконечности (в традиционной сингулярности Большого взрыва), она в конце концов достигает максимума и снова сжимается. До появления теории струн физикам было трудно представить себе какой-либо механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность.

Приручение Бесконечности

УСЛОВИЯ, ПРИБЛИЖАЮЩИЕСЯ к нулевому времени Большого Взрыва, были настолько экстремальными, что никто еще не знает, как решать уравнения. Тем не менее, струнные теоретики отваживались строить предположения о Вселенной до взрыва. В продаже есть две популярные модели.

Первый, известный как сценарий до большого взрыва, который мои коллеги и я начали разрабатывать в 1991 году, сочетает в себе Т-дуальность с более известной симметрией обращения времени, согласно которой уравнения физики одинаково хорошо работают как в прямом, так и в обратном направлении. во время. Комбинация порождает новые возможные космологии, в которых Вселенная, скажем, за пять секунд до Большого взрыва расширялась с той же скоростью, что и через пять секунд после взрыва. Но скорость изменения расширения в эти два момента была противоположной: если оно замедлялось после взрыва, то ускорялось до него. Короче говоря, Большой взрыв мог быть не источником Вселенной, а просто резким переходом от ускорения к замедлению.

Прелесть этой картины в том, что она автоматически включает в себя великое понимание стандартной инфляционной теории, а именно, что Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать такой однородной и изотропной. В стандартной теории ускорение происходит после Большого взрыва из-за специального инфлатонного поля. В сценарии до большого взрыва это происходит до взрыва как естественный результат новых симметрий теории струн.

Согласно сценарию, вселенная до взрыва была почти идеальным зеркальным отражением вселенной после взрыва [ см. рамку на стр. 77 ]. Если вселенная вечна в будущем, ее содержимое истончается до скудной кашицы, она вечна и в прошлом. Бесконечно давно он был почти пуст, заполнен только разреженным, широко рассеянным, хаотическим газом излучения и материи. Силы природы, управляемые полем дилатона, были так слабы, что частицы в этом газе почти не взаимодействовали.

Время шло, силы набирали силу и стягивали материю. Случайным образом некоторые регионы накапливали материю за счет своего окружения. В конце концов плотность в этих областях стала настолько высокой, что начали формироваться черные дыры. Затем материя внутри этих областей была отрезана от внешней, разбивая Вселенную на несвязанные части.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями. Центр черной дыры — это не точка в пространстве, а момент времени. По мере того как падающая материя приближалась к центру, она достигала все большей и большей плотности. Но когда плотность, температура и кривизна достигли максимальных значений, допускаемых теорией струн, эти величины отскочили и начали уменьшаться. Момент этого обращения и есть то, что мы называем большим взрывом. Внутренняя часть одной из этих черных дыр стала нашей вселенной.

Неудивительно, что такой нестандартный сценарий вызвал споры. Андрей Линде из Стэнфордского университета утверждал, что для того, чтобы этот сценарий соответствовал наблюдениям, черная дыра, которая породила нашу Вселенную, должна была сформироваться с необычно большими размерами — намного больше, чем шкала длины теории струн. Ответ на это возражение заключается в том, что уравнения предсказывают черные дыры всех возможных размеров. Просто случилось так, что наша вселенная образовалась внутри достаточно большой.

Более серьезное возражение, выдвинутое Тибо Дамуром из Института высших научных исследований в Бюрес-сюр-Иветт, Франция, и Марком Энно из Свободного университета Брюсселя, заключается в том, что материя и пространство-время вели себя хаотично вблизи момента взрыв, что, возможно, противоречит наблюдаемой регулярности ранней Вселенной. Недавно я предположил, что хаотическое состояние будет производить плотный газ миниатюрных струнных дырок — струн, которые были настолько малы и массивны, что вот-вот должны были стать черными дырами. Поведение этих дыр может решить проблему, выявленную Дамуром и Хенно. Аналогичное предложение было выдвинуто Томасом Бэнксом из Университета Рутгерса и Вилли Фишлером из Техасского университета в Остине. Существуют и другие критические анализы, и еще предстоит определить, обнаружили ли они фатальный недостаток в сценарии.

Другой ведущей моделью Вселенной до взрыва является экпиротический (пожарный) сценарий. Разработан пять лет назад группой космологов и теоретиков струн — Джастином Хури из Колумбийского университета, Полом Дж. Стейнхардтом из Принстонского университета, Бертом А. Оврутом из Пенсильванского университета, Натаном Зайбергом из Института перспективных исследований и Нилом Туроком из Кембриджский университет — экпиротический сценарий опирается на ранее упомянутую идею Хорава-Виттена о том, что наша Вселенная находится на одном конце многомерного пространства, а скрытая брана — на противоположном конце. Две браны действуют друг на друга с силой притяжения и время от времени сталкиваются, в результате чего дополнительное измерение сжимается до нуля, прежде чем снова возрастет. Большой взрыв соответствовал бы моменту столкновения [ см. рамку на стр. 78 ].

В варианте этого сценария коллизии происходят циклически. Две браны могут столкнуться, отскочить друг от друга, разойтись, притянуть друг друга, снова столкнуться и так далее. В промежутках между столкновениями браны ведут себя как глупая замазка, расширяясь при удалении и немного сжимаясь при сближении. Во время оборота скорость расширения увеличивается; действительно, нынешнее ускоряющееся расширение Вселенной может предвещать новое столкновение.

Сценарии до большого взрыва и экпиротические сценарии имеют некоторые общие черты. Оба начинаются с большой, холодной, почти пустой вселенной, и оба разделяют сложную (и нерешенную) проблему перехода между фазами до и после взрыва. Математически основное различие между сценариями заключается в поведении дилатонного поля. В период до большого взрыва дилатон начинался с низкого значения — так что силы природы были слабыми — и неуклонно набирал силу. Противоположное верно для экпиротического сценария, в котором столкновение происходит, когда силы наиболее слабы.

Разработчики экпиротической теории изначально надеялись, что слабость сил позволит более легко проанализировать отскок, но они все же столкнулись со сложной ситуацией с высокой кривизной, поэтому пока неясно, действительно ли сценарий позволяет избежать особенность. Кроме того, экпиротический сценарий должен предполагать особые условия для решения обычных космологических загадок. Например, браны, которые должны были столкнуться, должны были быть почти точно параллельны друг другу, иначе столкновение не могло привести к достаточно однородному взрыву. Циклическая версия может решить эту проблему, потому что последовательные столкновения позволят бранам выпрямиться.

Оставляя в стороне сложную задачу полного математического обоснования этих двух сценариев, физики должны задаться вопросом, имеют ли они какие-либо наблюдаемые физические последствия. На первый взгляд оба сценария могут показаться упражнением не в физике, а в метафизике — интересными идеями, правильность или ошибочность которых наблюдатели никогда не смогут доказать. Такое отношение слишком пессимистично. Подобно деталям инфляционной фазы, детали возможной предвзрывной эпохи могут иметь наблюдаемые последствия, особенно для небольших изменений, наблюдаемых в температуре космического микроволнового фона.

Во-первых, наблюдения показывают, что колебания температуры формировались акустическими волнами в течение нескольких сотен тысяч лет. Регулярность колебаний свидетельствует о том, что волны были синхронизированы. Космологи с годами отказались от многих космологических моделей, потому что они не смогли объяснить эту синхронность. Инфляционные сценарии, сценарии до Большого взрыва и экпиротические сценарии проходят этот первый тест. В этих трех моделях волны были вызваны квантовыми процессами, усиленными в период ускоряющегося космического расширения. Фазы волн совпали.

Во-вторых, каждая модель предсказывает различное распределение колебаний температуры по угловому размеру. Наблюдатели обнаружили, что колебания всех размеров имеют примерно одинаковую амплитуду. (Заметные отклонения происходят только в очень малых масштабах, для которых первичные колебания были изменены последующими процессами.) Инфляционные модели точно воспроизводят это распределение. Во время инфляции кривизна пространства менялась относительно медленно, поэтому флуктуации разных размеров генерировались примерно в одних и тех же условиях. В обеих струнных моделях кривизна развивалась быстро, увеличивая амплитуду мелкомасштабных флуктуаций, но другие процессы усиливали крупномасштабные, оставляя все флуктуации с одинаковой силой. Для экпиротического сценария эти другие процессы включали дополнительное измерение пространства, то самое, которое разделяло сталкивающиеся браны. Для сценария до большого взрыва они использовали квантовое поле, аксион, связанное с дилатоном. Короче говоря, все три модели соответствуют данным.

В-третьих, вариации температуры могут быть вызваны двумя различными процессами в ранней Вселенной: флуктуациями плотности материи и колебаниями, вызванными гравитационными волнами. Инфляция включает в себя оба процесса, тогда как сценарии до большого взрыва и экпиротические сценарии в основном связаны с изменениями плотности. Гравитационные волны определенных размеров оставляли бы отличительную черту в поляризации микроволнового фона [см. «Эхо Большого взрыва» Роберта Р. Колдуэлла и Марка Камионковски; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, январь 2001 г.]. Будущие обсерватории, такие как спутник Европейского космического агентства «Планк», должны быть в состоянии увидеть эту сигнатуру, если она существует, что обеспечит почти окончательный тест.

Четвертый тест относится к статистике колебаний. При инфляции флуктуации следуют колоколообразной кривой, известной физикам как гауссова. То же самое может быть верно и в экпиротическом случае, тогда как сценарий до большого взрыва допускает значительное отклонение от гауссовости.

Анализ микроволнового фона — не единственный способ проверить эти теории. Сценарий до большого взрыва также должен создавать случайный фон гравитационных волн в диапазоне частот, которые, хотя и не имеют отношения к микроволновому фону, должны быть обнаружены будущими обсерваториями гравитационных волн. Более того, поскольку сценарии до Большого взрыва и экпиротические сценарии включают изменения в поле дилатона, которое связано с электромагнитным полем, они оба приведут к крупномасштабным флуктуациям магнитного поля. Остатки этих флуктуаций могут проявиться в галактических и межгалактических магнитных полях.

Итак, когда началось время? У науки пока нет окончательного ответа, но по крайней мере две потенциально проверяемые теории правдоподобно утверждают, что Вселенная — а, следовательно, и время — существовала задолго до Большого взрыва. Если любой из сценариев верен, космос существовал всегда и, даже если однажды он снова рухнет, его конец никогда не исчезнет.

АВТОР

ГАБРИЭЛЬ ВЕНЕЦИАНО , физик-теоретик из ЦЕРНа, в конце 19 века был отцом теории струн.