Галактики, плывущие на волнах гравитации

Так что до сих пор у нас нет иной модели для теории гравитации, кроме математической. …Каждый новый наш закон – чисто математическое утверждение, притом довольно сложное и малопонятное. Ньютонова формулировка закона тяготения – это сравнительно простая математика. Но она становится все менее понятной и все более сложной по мере того, как мы продвигаемся вперед. Почему? Не имею ни малейшего понятия. Моя цель в том и состоит, чтобы лишь сообщить об этом факте. В нем и заключается смысл всей лекции: нельзя честно объяснить все красоты законов природы так, чтобы люди восприняли их одними чувствами, без глубокого понимания математики. Как ни прискорбно, но, по‑видимому, это факт.

 

Ричард Фейнман, выдающийся физик‑теоретик, нобелевский лауреат

Объединить сверхмалый мир квантов и сверхбольшой мир всемирного тяготения, возможно, смогут исследования бездонных провалов черных дыр – застывших звезд‑коллапсаров

Первое всеобщее объединение связано с построением квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности. Такое объединение оказалось довольно сложным, и один из его авторов, лауреат Нобелевской премии Поль Дирак, признавался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Следующим, более важным и сложным шагом должна быть связь гравитации и квантовой механики, но пока и здесь нет общепризнанных достижений. Каждый специалист предлагает свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для создания математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

 

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

 

Вообще говоря, как бы ни были «сверхреволюционны» новые представления о полях и частицах, все они покоятся на общепризнанной и традиционной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие элементарных частиц напоминает знаменитую игру кембриджских и оксфордских студентов, которую они устраивали после ежегодной не менее знаменитой регаты. Две лодки вечных противников расходились на некоторое расстояние, и один из гребцов, выбранный по жребию, бросал своим соперникам бутылку шампанского. Те должны были поймать ее и тут же повторить бросок, и так далее, пока кто‑нибудь не промахивался или не упускал бутылку. Вот если представить лодки обычными частицами, то бутылка шампанского отлично сыграет роль силового поля, будучи сама виртуальным аналогом «реальных частиц». В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные частицы оказываются как бы закутанными в пышную шубу множества виртуальных частиц. Физики так и говорят: «виртуальная шуба».

С другой стороны, в научных популяризациях квантовой механики уже довольно давно сложился образ частиц‑осцилляторов, неких шариков на пружинках. Эти шарики, атомы и частицы находятся в непрерывных колебаниях, а многие еще и вращаются вокруг своей оси. Их движение зависит от энергии, повышаясь с ростом температуры, но и при самой низкой из возможных температур во Вселенной – температуре абсолютного нуля – микроскопические жители нашего мира не останавливаются. Они продолжают двигаться, совершая так называемые «нулевые квантовые колебания». Вот такие сверхмаленькие непоседы!

Эти кручения и колебания микрочастиц настолько быстры, что буквально сливаются в размытую область кручения и верчения. Согласно принципу неопределенности «энергия – время»: ΔEΔt ≥ ħ, для частицы, «живущей» сверхмалый интервал времени Δt, энергия не может быть зафиксирована. Аналогично, частица с определенными координатами имеет соответствующий разброс по значениям импульса. Получается, что по квантовым законам энергия и импульс непрерывно флуктуируют, то есть их значения колеблются произвольным образом, и в течение сверхмалых промежутков времени закон сохранения энергии может «виртуально» нарушаться, а процессы, протекающие внутри сверхмалых объемов, могут сопровождаться «местными нарушениями» закона сохранения импульса. Это напоминает ситуацию с нечестным банковским кассиром, использующим кассу банка для своих нужд. Кассир всегда может взять какую‑то сумму из кассы для покрытия своих расходов, ведь главное – вернуть ее в кассу через промежуток времени Δt до начала очередной банковской ревизии. Ну а если когда‑нибудь кассир замешкается, превысит время Δt «одалживания» денег у своего банка и в результате проверки тут же попадет под домашний арест? Оказывается, он и тут сможет применить преимущества своего «стиля поведения», скажем, выскакивая из дома во двор на расстояние Δх и возвращаясь назад до того, как его отсутствие заметит полицейский. Главное здесь то, что с классической точки зрения все законы сохранения неуклонно выполняются, денежный баланс банка не нарушается, а арестованный безукоризненно выполняет свой режим содержания!

Это дает возможность по‑новому взглянуть и на парадоксальную неопределенность явлений микромира, где все предсказания того или иного течения какого‑либо процесса сводятся к своеобразным «статистическим гаданиям». Впрочем, лучше всего это мог бы проиллюстрировать отрывок из блестящей научной популяризации выдающегося физика прошлого века Г. Гамова «Приключения мистера Томпкинса»:

«Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс, к своему большому удивлению, заметил, что шар начал „расплываться“. Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга…

Должно быть, игрок, нанесший удар по шару, был знатоком своего дела: катящийся шар столкнулся с другим шаром в лобовом ударе, как это и требовалось. Послышался громкий стук, и оба шара – покоившийся и налетевший (мистер Томпкинс не мог бы с уверенностью сказать, где какой шар) – разлетелись „в разные стороны“. Выглядело это, что и говорить, весьма странно: на столе не было более двух шаров, выглядевших несколько размазанно, а вместо них бесчисленное множество шаров (все – с весьма смутными очертаниями и сильно размазанные) поразлеталось по направлениям, составлявшим от 0 до 180 градусов с направлением первоначального соударения. Бильярдный шар скорее напоминал причудливую волну, распространяющуюся из точки соударения шаров. Присмотревшись повнимательнее, мистер Томпкинс заметил, что максимальный поток шаров направлен в сторону первоначального удара.

– Рассеяние S‑волны, – произнесу него за спиной знакомый голос, и мистер Томпкинс, не оборачиваясь, узнал профессора.

– Неужели и на этот раз что‑нибудь здесь искривилось, – спросил мистер Томпкинс, – хотя поверхность бильярдного стола мне кажется гладкой и ровной?

– Вы совершенно правы, – подтвердил профессор, – пространство в данном случае совершенно плоское, а то, что вы наблюдаете, в действительности представляет собой квантовое явление.

– Ах эти матрицы! – рискнул саркастически заметить мистер Томпкинс.

– Точнее, неопределенность движения, – заметил профессор…

– Вы заметили, что шары „расплываются“, – начал он. – Это означает, что их положение на бильярдном столе не вполне определенно. Вы не можете точно указать, где именно находится шар. В лучшем случае вы можете утверждать лишь, что шар находится „в основном здесь“ и „частично где‑то там“.

– Все это в высшей степени необычно, – пробормотал мистер Томпкинс.

– Наоборот, – возразил профессор, – это абсолютно обычно в том смысле, что всегда происходит с любым материальным телом. Лишь из‑за чрезвычайно малого значения квантовой постоянной и неточности обычных методов наблюдения люди не замечают этой неопределенности и делают ошибочный вывод о том, что положение и скорость тела всегда представляют собой вполне определенные величины. В действительности же и положение, и скорость всегда в какой‑то степени неопределенны, и чем точнее известна одна из величин, тем более размазан на другая. Квантовая постоянная как раз и управляет соотношением между этими двумя неопределенностями. Вот взгляните, я накладываю определенные ограничения на положение этого бильярдного шара, заключая его внутрь деревянного треугольника.

Как только шар оказался за деревянным заборчиком, вся внутренность треугольника заполнилась блеском слоновой кости.

– Видите! – обрадовался профессор. – Я ограничил положение шара размерами пространства, заключенного внутри треугольника, то есть какими‑то несколькими дюймами. И в результате – значительная неопределенность в скорости, шар так бегает внутри периметра треугольника!»

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство‑время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно бы оказываются в гравитационном поле. Я тут не оговорился: именно «словно бы», ибо в ОТО Эйнштейна гравитационного поля в привычном нам понятии как бы и не существует, его заменяет искривление пространства‑времени.

А что же тогда нам объясняют на школьных уроках физики? Вообще‑то, говоря о гравитации Ньютона, школьные учителя (а часто и университетские профессора!) рассказывают нам о том, как мы воспринимаем с помощью понятия гравитационного поля истинную причину всемирного тяготения, кроющуюся в геометрии (математики говорят – топологии) нашего мира.

Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства‑времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Соответственно, пустое релятивистское пространство‑время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что для всех бесчисленных сценариев, которые постоянно предлагают теоретики, у Природы просто может не хватить ролей…

Черная дыра коллапсара

Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства‑времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства‑времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно‑временная пена.

 

ТЕОРИЯ СТРИНГОВ

 

Однако на самые популярные, можно сказать даже – физически остромодные сценарии развития нашей действительности всегда есть большой спрос. Вот сейчас «звездами физической сцены», безусловно, являются те же суперструны. Конечно, физики‑теоретики пока еще только «срежиссировали» первые серии грандиозного сериала под названием «Суперструнная квантовая гравитация». Тем не менее дальнейшее развитие сюжета обещает быть не менее захватывающим, чем в лучших образцах «мыльных опер».

Основная идея здесь состоит в том, что элементарные частицы – не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты – квантовые стринги или суперструны. Для дотошных читателей заметим, что вначале была просто «теория струн», но потом к ней добавили некую «суперсимметрию» и теперь в основном обсуждают именно «теорию суперструн». Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Это очень просто понять, всего лишь представьте, что каждая элементарная частица – это звук, а все вместе они составляют жизнеутверждающую и жизнепорождающую симфонию нашего мира. Как же столь бесхитростная теория описывает сложный мир частиц и их взаимодействий? Секрет в так называемой магии квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне, вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.

Изначально в теории струн видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков.

Модель суперструн

 

Стринги и браны

В ходе глубокой перестройки основ суперструнной теории физики добавили к одномерным струнам их пространственные аналоги с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2‑бранами, трехмерные – 3‑бранами, структуры с размерностью p – p ‑бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности – от 1 до 9. Однако одномерные струны все равно остаются главными: именно их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных движений, причем только струн со свободными концами.

 

НА ПУТИ К «ТЕОРИИ ВСЕГО»

 

Кварковая микрофизика носит название квантовая хромодинамика, поскольку связана с динамикой цветовых (хромо‑) зарядов кварков. Она дает ученым эффективный способ описания сильных внутриядерных взаимодействий и прекрасно согласуется с экспериментальными данными, считаясь универсальной основой для фундаментальных объяснений микромира. Теория струн на фоне квантовой хромодинамики выглядит достаточно экзотично, не очень‑то логически стройно и, самое главное, не имеет существенных экспериментальных подтверждений. Именно поэтому теорфизики долгое время не уделяли ей должного внимания. Затем мода на суперструнные построения вернулась, и их стали все чаще рассматривать как математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, как первый шаг в объединении всех фундаментальных взаимодействий в будущей «теории всего» (рис. 18 цв. вкл.).

На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени (впрочем, их и сейчас более чем достаточно!). Вполне возможно, что среди них будут и удачные модели, которые помогут разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и скорее всего для ее осуществления потребуется еще не одна научная революция, подобная той, что произошла в начале прошлого века. Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным результатам в математике, включая создание новых математических структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, часто можно встретить физиков‑теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования во многих областях математики, например в алгебраической геометрии.

Теория струн началась со сверхмалых – «планковских» – масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10‑33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Так, в последние годы возникли идеи о том, что некоторые дополнительные измерения могут быть очень даже масштабными и даже стремиться в бесконечность. Конечно, мы не можем их воспринять по той простой причине, что сами заключены в трехмерном мире, который может входить как отдельная гиперповерхность во Вселенную с большим числом измерений.

Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения – детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Это, конечно, дело экспериментов отдаленного будущего. Хотя и сейчас есть идеи, что новые опыты по рассеянию элементарных частиц на сверхмощных ускорителях, подобных Большому адронному коллайдеру, могут привести к открытию «свернутых пружинок» новых параметров нашего мира. Да и сверхбольшие дополнительные измерения по идее должны приводить к очень интересным эффектам (рис. 19 цв. вкл.).

Теория струн предлагает и оригинальные космологические сценарии эволюции нашего мира, согласно которым Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство‑время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего мира. Конечно, тут за скобками остается очень интересный вопрос о том, что предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке – зародыше нашей Вселенной. Следующий вопрос состоит в характере непосредственного влияния микро‑, мезо‑, макро‑ и мегасуперструн на эволюцию Вселенной, а также изменения при этом их физических характеристик.

Гипотезу мегасуперструн можно привлечь и для объяснения одной из главных загадок нашего Мироздания – перехода равномерного расширения Вселенной в ускоренное около восьми миллиардов лет назад. Может быть, в те невообразимо далекие времена что‑то поменялось в характере взаимодействия суперструн с таинственной темной материей и с не менее загадочной темной энергией? Ведь, если квантовые стринги существуют, они так или иначе должны входить в контакт с основным «темным» содержимым Метагалактики.