Книги по физике

Эпоха до Большого взрыва - Физика невозможного

По книге "ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО" Авт. Митио Каку


Что касается Большого взрыва, то в настоящий момент создается новое поколение приборов, которые, возможно, помогут нам разрешить некоторые вечные вопросы. Сегодня наши космические детекторы излучения регистрируют только микроволновое излучение, возникшее через 300 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые атомы. Это излучение не в состоянии помочь нам разобраться в том, что было до этого, потому что излучение первоначального огненного шара было слишком горячим и случайным, чтобы из него можно было извлечь какую-нибудь полезную информацию.

Но не исключено, что при помощи анализа других типов излучения мы сможем подобраться к Большому взрыву чуть ближе. К примеру, массу интересной информации обещает нам изучение нейтрино. Нейтрино настолько неуловимы, что могут пролететь сквозь свинцовый шар размером с Солнечную систему, поэтому нейтринное излучение может рассказать нам о том, что происходило через несколько секунд после Большого взрыва.

Окончательно же разобраться в тайнах Большого взрыва нам, возможно, помогут «гравитационные волны» — волны, бегущие по ткани пространства-времени. Физик Роки Колб из Чикагского университета говорит: «Определив свойства нейтринного фона, мы сможем заглянуть в момент через одну секунду после Большого взрыва. Но гравитационные волны из зоны инфляции возникли во Вселенной через 10~35 секунд после взрыва».



Первым предсказал гравитационные волны Эйнштейн в 1916 г.; возможно, со временем они станут важнейшим инструментом астрономии. Обращаясь к истории, можно сказать, что с обузданием каждой новой формы излучения в астрономии начиналась новая эра. Сначала был только видимый свет, при помощи которого Галилей изучал Солнечную систему. Затем к нему добавились радиоволны, которые со временем позволили человеку заглянуть в центры галактик и обнаружить там черные дыры. Не исключено, что детекторы гравитационных волн раскроют для нас — ни много ни мало — тайны творения.

В некотором смысле гравитационные волны просто обязаны существовать. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим старый как мир вопрос: что произойдет, если внезапно исчезнет Солнце? По Ньютону, мы почувствуем это немедленно. Земля мгновенно будет вышвырнута с орбиты и ввергнута во тьму. Дело в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не принимает в расчет скорость взаимодействия, поэтому силы гравитации действуют мгновенно во всей Вселенной. Но, согласно Эйнштейну, ничто не может двигаться быстрее света, и информация об исчезновении Солнца достигнет Земли только через восемь минут. Другими словами, сферическая «ударная волна» гравитации выйдет из Солнца и лишь через некоторое время ударит по Земле. Вне сферической границы этой гравитационной волны будет казаться, что Солнце по-прежнему светит и находится на месте — ведь информация о его исчезновении еще не достигла Земли. Однако внутри сферы гравитационной волны Солнца уже не будет, потому что волна эта распространяется со скоростью света.

Еще один способ убедиться в том, что гравитационные волны должны существовать, — это представить себе очень большую простыню. Согласно Эйнштейну, пространство-время — это ткань, которую можно сворачивать или растягивать подобно простыне. Если схватить простыню за край и быстро потрясти, мы увидим, что по полотну побегут волны, или рябь, — причем побегут с определенной скоростью. Точно так же гравитационные волны можно уподобить ряби, бегущей по ткани пространства-времени.

Гравитационные волны принадлежат к самым стремительно развивающимся темам современной физики. В 2003 г. были введены в строй первые крупномасштабные детекторы гравитационных волн, получившие название LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory); эти детекторы имеют 4 км в длину и расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстон-Пэриш, штат Луизиана. Ученые надеются, что детекторы LIGO, обошедшиеся нам в 365 млн долл., смогут зарегистрировать излучение от сталкивающихся нейтронных звезд и черных дыр.

Следующее крупное событие, вероятно, произойдет в 2015 г., когда начнется запуск спутников нового поколения, предназначенных для анализа гравитационного излучения в космосе с самого момента творения. Это совместный проект NASA и Европейского космического агентства; на околосолнечную орбиту предполагается запустить три спутника, которые вместе составят систему с красивым именем LISA (Laser Interferometer Space Antenna — космическая антенна с лазерным интерферометром). Эти спутники смогут регистрировать гравитационные волны, возникшие менее чем через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Проходя через один из спутников, гравитационная волна Большого взрыва, до сих пор гуляющая по всей Вселенной, потревожит лазерные лучи; эти изменения будут зарегистрированы и измерены с максимально возможной точностью и дадут нам «картинку» самого момента творения.
По проекту LISA состоит из трех спутников, которые обращаются вокруг Солнца и образуют треугольник; они соединены друг с другом при помощи лазерных лучей длиной по 5 млн км и вместе образуют самый большой научный инструмент, когда-либо созданный человечеством. Эта система из трех аппаратов будет обращаться вокруг Солнца на расстоянии около 50 млн км от Земли.

Каждый спутник будет испускать лазерный луч мощностью всего полватта. Сравнивая лазерные лучи, пришедшие от двух других спутников, каждый из спутников построит соответствующую интерференционную картину. Если гравитационная волна вызовет возмущение лазерных лучей, интерференционная картина изменится — и спутники смогут зарегистрировать это изменение. (Гравитационная волна не потревожит сами спутники и не заставит их колебаться. Результатом ее воздействия станут искажения пространства между тремя спутниками.)

Хотя лазерные лучи будут чрезвычайно слабыми, они позволят добиться поразительной точности измерений. Система сможет регистрировать колебания до одной доли из миллиарда триллионов — это примерно соответствует сдвигу в 1/100 долю размера атома. Каждый из лазерных лучей сможет уловить гравитационную волну с расстояния в 9 млрд световых лет, что покрывает большую часть видимой Вселенной.

Потенциально чувствительности аппаратуры USA должно хватить для того, чтобы различить несколько сценариев событий до Большого взрыва. На сегодня одна самых «горячих» тем теоретической физики — расчет характеристик Вселенной до Большого взрыва. В настоящее время инфляционная теория достаточно хорошо объясняет, как развивалась Вселенная после того, как произошел Большой взрыв. Но эта теория не в состоянии объяснить, почему, собственно, этот взрыв произошел. Таким образом, цель — рассчитать при помощи различных приблизительных моделей эры «до Большого взрыва» параметры гравитационного излучения, которое должно бьшо возникнуть в момент самого взрыва. Каждая из теорий предсказывает свое. К примеру, излучение Большого взрыва, предсказанное теорией Большого всплеска, отличается от излучения, которое предсказывают некоторые инфляционные теории, и LISA, вполне возможно, сумеет исключить часть существующих на сегодня теорий. Очевидно, непосредственно проверить модели поведения Вселенной до Большого взрыва невозможно, поскольку для этого требуется понимать, как вела себя Вселенная до возникновения времени, но мы можем попытаться проверить их косвенно, ведь каждая из этих моделей предсказывает свой спектр излучения, возникающего после Большого взрыва.

Физик Кип Торн пишет: «Где-то между 2008 и 2030 гг. будут обнаружены гравитационные волны от сингулярности Большого взрыва. Это открытие послужит началом новой эры, которая продлится по крайней мере до 2050 г... Эти усилия раскроют тонкие детали и свойства сингулярности Большого взрыва и таким образом проверят, какая из версий теории струн представляет собой верную квантовую теорию гравитации».

Если LISA не сможет определиться с выбором одной из многих «довзрывных» теорий, это, возможно, удастся сделать ее преемнику — Наблюдателю Большого взрыва (Big Bang Observer, ВВО). Его запуск предварительно планируется на 2025 г. ВВО сможет просканировать всю Вселенную в поисках двойных систем, включающих нейтронные звезды и черные дыры массой менее тысячи масс Солнца. Но главная его цель — изучить гравитационные волны, возникшие во время инфляционной фазы Большого взрыва. В этом смысле можно сказать, что ВВО специально разработан для проверки предсказаний инфляционной теории Большого взрыва.

По устройству ВВО напоминает LISA. Он будет состоять из трех спутников, согласованно обращающихся по орбите вокруг Солнца и разделенных расстоянием 50 000 км (эти спутники будут находиться друг к другу гораздо ближе, чем спутники системы LISA). Каждый спутник сможет излучать лазерный луч мощностью 300 Вт. ВВО сможет регистрировать гравитационные волны с частотами, промежуточными между доступными для LIGO и LISA, и таким образом заполнит важный пробел. (LISA сможет регистрировать гравитационные волны с частотами от 10 до 3000 Гц, тогда как LIGO доступен диапазон от 10 мкГц до 10 мГц. ВВО сможет регистрировать волны в широком диапазоне частот, включающем оба освоенных к тому времени диапазона.)

«К 2040 г. мы успеем уже воспользоваться этими законами [квантовой гравитации] и получить уверенные ответы на множество глубоких, ставящих в тупик вопросов, — пишет Торн, — в том числе... что было до сингулярности Большого взрыва и вообще, было ли что-нибудь "до"? Существуют ли иные вселенные? И если существуют, то как они соотносятся или связаны с нашей собственной Вселенной?.. Позволяют ли законы физики высокоразвитым цивилизациям создавать и поддерживать кротовые норы для межзвездных путешествий, а также создавать машины времени для путешествия в прошлое?»
Вывод таков: по всей видимости, в ближайшие десятилетия космические детекторы гравитационных волн дадут нам достаточно материала, чтобы разобраться в различных «до-взрывных» теориях и сделать выбор между ними.

Поэт Томас Элиот задал в свое время вопрос: умрет ли Вселенная в грохоте или в слезах? Роберт Фрост спрашивал: что нас погубит, огонь или лед? Последние данные указывают на то, что концом Вселенной станет Большой мороз; температура упадет почти до абсолютного нуля, а разумная жизнь исчезнет. Но можем ли мы утверждать это с уверенностью?

Кое-кто задается еще и таким вопросом о «невозможности»: разве можем мы узнать окончательную судьбу Вселенной, если это событие отделяют от нас триллионы и триллионы лет? Ученые считают, что темная энергия, или энергия вакуума, расталкивает галактики прочь друг от друга и заставляет их разлетаться со все возрастающей скоростью; похоже, Вселенная пошла вразнос. Расширение должно постепенно понижать температуру во Вселенной и в конце концов привести нас всех к Большому морозу. Но что, если это расширение временное? Возможно ли, что в будущем начнется обратный процесс?
К примеру, Большой всплеск—один из сценариев Большого взрыва, в котором Вселенная возникает при столкновении двух мембран, — предполагает, что мембраны, возможно, сталкиваются периодически. Если это так, то расширение, которое мы наблюдаем в настоящий момент и которое вроде бы должно привести к Большому морозу, — это всего лишь временное состояние, за которым последует обратный процесс.

Нынешнее ускоренное разбегание вселенных вызвано темной энергией, причиной существования которой, вероятно, служит «космологическая константа». Поэтому главное — понять эту загадочную константу, или энергию вакуума. Меняется ли эта константа со временем или она действительно постоянна? В настоящее время никто этого наверняка не знает. Данные спутника WMAP, находящегося в настоящее время на околоземной орбите, свидетельствуют о том, что именно эта космологическая константа вызывает нынешнее ускорение разбегания Вселенной, но мы не знаем, постоянно такое состояние или нет.
На самом деле эта проблема не нова и восходит еще к 1916 г., когда Эйнштейн впервые ввел в свои уравнения космологический член. Предложив годом раньше общую теорию относительности, он тогда разрабатывал ее космологические следствия и обнаружил — к собственному немалому удивлению,—что Вселенная не статична, что она либо расширяется, либо сжимается. Но эта мысль, казалось, противоречила фактическим данным.

Эйнштейн столкнулся с парадоксом Бентли, терзавшим еще Ньютона. В 1692 г. достопочтенный Ричард Бентли написал Ньютону невинное письмо и задал страшный по сути вопрос. Если ньютонова сила тяготения способна только притягивать, спрашивал Бентли, то почему Вселенная не схлопывается? Если Вселенная состоит из конечного числа звезд, которые взаимно притягиваются, то все звезды по идее должны были бы слететься в одно место—и тогда вся Вселенная превратилась бы в один огненный шар! Ньютона это письмо очень расстроило — ведь оно указывало на важнейший недостаток его теории: любая теория тяготения, которая предусматривает только притяжение, по сути своей нестабильна. Любое конечное число звезд неизбежно коллапсирует под действием силы притяжения.

Ньютон написал в ответ, что единственный способ создать стабильную Вселенную, — это считать, что в ней бесконечное число равномерно распределенных звезд; при этом каждую звезду тянут во все стороны, и все силы взаимно компенсируются. Это было неглупое решение, но Ньютон был достаточно умен, чтобы понимать; такая стабильность обманчива. Самые слабые колебания заставят подобную систему развалиться, как карточный домик. Она «метастабильна»; т. е. стабильна до тех пор, пока любое слабое возмущение не вызовет ее коллапса. Ньютон заключил, что без Бога в этом деле не обойтись; именно Бог должен время от времени «подправлять» звезды и ставить их на места, чтобы избежать краха Вселенной.

Другими словами, Вселенная по Ньютону подобна гигантским часам, которые были заведены Богом в начале времен и теперь существуют, подчиняясь законам Ньютона. Будучи раз заведенной, дальше Вселенная живет сама, без божественного вмешательства. Тем не менее, согласно Ньютону, время от времени Бог должен подправлять звезды, чтобы не дать Вселенной схлопнуться в единый огненный шар.
Когда Эйнштейн в 1916 г. наткнулся на парадокс Бентли, уравнения правильно подсказали ему, что Вселенная динамична, она или расширяется, или сжимается; статичная Вселенная нестабильна и должна была бы схлопнуться под действием гравитации. Но астрономы в то время настаивали, что Вселенная статична и неизменна. Поэтому Эйнштейн, склоняясь перед наблюдательными данными астрономии, добавил космологическую константу — силу, противоположную тяготению и расталкивающую звезды прочь друг от друга; эта сила должна была компенсировать силу притяжения и противостоять коллапсу Вселенной. (Эта сила, противоположная гравитации, соответствовала энергии, заключенной в вакууме. Иначе говоря, Эйнштейн допустил, что громадные пустые пространства космоса содержат в себе большое количество невидимой энергии.) Предполагалось, что эту константу, которая должна точно компенсировать силу гравитационного притяжения, следует выбирать очень тщательно.

Позже, в 1929 г., когда Эдвин Хаббл показал, что в действительности Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой». Однако теперь, 70 лет спустя, получается, что «ошибка» Эйнштейна — космологическая константа — может все-таки оказаться крупнейшим источником энергии во Вселенной; в ней заключено 73% всего вещества и энергии Вселенной. (Напротив, те элементы, из которых строятся наши тела, составляют всего лишь 0,03% Вселенной.) Очень может быть, что ошибка Эйнштейна определит окончательную судьбу Вселенной.

Но откуда взялась космологическая константа? В настоящее время этого никто не знает. В начале времени сила антитяготения была, возможно, достаточно велика, чтобы заставить Вселенную раздуваться и вызвать таким образом Большой взрыв. Затем она по неизвестным причинам внезапно исчезла. СВ этот период Вселенная продолжала расширяться, но медленнее.) А затем, примерно через 8 млрд лет после Большого взрыва, сила антитяготения вновь проявила себя; она начала расталкивать галактики и снова ускорила разбегание Вселенной.

Итак, действительно ли «невозможно» определить окончательную судьбу Вселенной? Или все же возможно? Большинство ученых считает, что размер космологической константы определяется в конечном итоге квантовыми эффектами. Но простейший расчет по упрощенной версии квантовой теории показывает, что теоретическое значение космологической константы отличается от реального в 10 120 раз. Безусловно, это величайшая нестыковка в истории науки.

Но физики также сходятся во мнении о том, что эта странность просто означает, что нам не хватает теории квантовой гравитации. Поскольку космологическая константа возникает из квантовых поправок, необходимо построить «теорию всего» — теорию, которая позволит нам рассчитать не только Стандартную модель, но и размер космологической константы, которая определит окончательную судьбу Вселенной.
Таким образом, при определении окончательной судьбы Вселенной нам не обойтись без теории всего. Ирония ситуации заключается в том, что некоторые физики считают, что разработать такую теорию невозможно.

Следующая


Оглавление

По книге "ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО" Авт. Митио Каку

Устали? - Отдыхаем!

Вверх