Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Хотя я неравнодушен к этому оптимистичному взгляду, до тех пор, пока мы не получим лучшего постижения физики, из которой предположительно возникает инфляция, следует проявлять осторожность. Например, подготовленный читатель отметит, что этот подход одобряет, но не подтверждает предположения по поводу высокоэнергетических (транспланковских) мод поля инфлатона – мод, которые могут влиять на результат инфляции и играть ключевую роль в формировании структуры вселенной.

Глава 12

1. Подробное доказательство, которое я имею в виду здесь, основывается на факте, что силы всех трех негравитационных взаимодействий зависят от энергии и температуры окружающей среды, в которой эти силы действуют. При низких энергиях и температурах, таких как в нашем повседневном окружении, силы всех трех взаимодействий различаются. Но имеются непрямые теоретические и экспериментальные подтверждения, что при очень высоких температурах, которые возникали в самые ранние моменты вселенной, величины всех трех сил сходятся, указывая, хотя и косвенно, что сами все три силы могут быть объединены на фундаментальном уровне и выглядят различными только при низких энергиях и температурах. Для более детального обсуждения см., например, Элегантная вселенная, Глава 7.

2. Раз мы знаем, что поле, подобное любому из известных силовых полей, является ингредиентом в структуре космоса, тогда мы знаем, что оно существует везде – оно вплетено в ткань космоса. Невозможно удалить поле, почти как невозможно удалить само пространство. Ближе всего, следовательно, мы можем подойти к уничтожению присутствия поля, это иметь его на величине, которая минимизирует его энергию. Для силовых полей вроде электромагнитного эта величина равна нулю, как обсуждается в тексте. Для полей вроде инфлатона или Хиггсова поля стандартной модели (которое для простоты мы тут не рассматриваем), эта величина может быть некоторым ненулевым числом, что зависит от точной формы потенциальной энергии поля, как мы обсуждали в Главах 9 и 10. Как отмечено в тексте, чтобы сохранить целевую направленность обсуждения, мы обсуждаем явно только квантовые флуктуации полей, чье состояние минимальной энергии достигается, когда величина поля равна нулю, хотя флуктуации, связанные с полями Хиггса или инфлатона не требуют изменений в наших заключениях.

3. На самом деле, склонный к математике читатель должен отметить, что принцип неопределенности диктует, что флуктуации энергии обратно пропорциональны временному разрешению наших измерений, так что чем точнее разрешение времени, с которым мы исследуем энергию поля, тем более широко поле будет волноваться.

4. В этом эксперименте Ламоро измерил силу Казимира на модифицированной установке, содержащей притяжение между сферическими линзами и кварцевой пластиной. Более недавно Джианни Каруньо, Роберто Онофио и их сотрудники в университете Падовы предприняли более сложный эксперимент, включающий оригинальную схему Казимира из двух параллельных пластин. (Удержание пластин совершенно параллельно является в самом деле экспериментальной проблемой). До сегодняшнего дня они подтвердили предсказания Казимира на уровне 15 процентов.

5. Ретроспективно эти достижения также показывают, что если бы Эйнштейн не ввел космологическую константу в 1917, квантовые физики должны были бы ввести собственную версию ее несколькими десятилетиями позже. Как вы вспомните, космологическая константа была энергией, которая, как воображал Эйнштейн, заполняет все пространство, но что является ее причиной, он – и поборники космологической константы сегодняшних дней – оставил не определенным. Теперь мы осознаем, что квантовая физика заполняет пустое пространство скачущими полями, и, как мы непосредственно видим через открытие Казимира, результирующее микроскопическое безумие полей наполняет пространство энергией. Фактически, главная стоящая перед теоретической физикой, это показать, что совокупный вклад всех скачков полей дает полную энергию пустого пространства – полную космологическую константу, – которая находится внутри наблюдаемых пределов, в настоящее время определяемых по наблюдениям сверхновых, обсужденным в Главе 10. До сегодняшнего дня никто не смог сделать этого; провести анализ точно оказалось вне досягаемости современных теоретических методов, а приближенные вычисления получают ответы дико превосходящие то, что позволяют наблюдения, сильно указывая на то, что приближения недалеко ушли. Многие объявляют величину космологической константы (равна ли она нулю, как еще думают, или мала и отлична от нуля, как предполагается инфляцией и данными по сверхновым) как одну из самых важных открытых проблем в теоретической физике.

6. В этой секции я описываю один способ рассмотрения конфликта между ОТО и квантовой механикой. Но я должен заметить в связи с нашей темой поиска правильной природы пространства и времени, что и другие несколько менее осязаемые, но потенциально важные головоломки возникают из попыток соединения ОТО и квантовой механики. Одна из особенно мучительных возникает, когда прямое применение процедуры трансформации классической негравитационной теории (вроде электродинамики Максвелла) в квантовую теорию распространяется на классическую ОТО (как показано Брюсом ДеВиттом в том, что сейчас называется уравнением Уилера-ДеВитта). В центральном уравнении, которое при этом возникает, оказывается, что не появляется переменная времени. Так что вместо того, чтобы получить явное математическое воплощение времени, – как в случае любой другой фундаментальной теории, – в этом подходе квантования гравитации темпоральная эволюция должна отслеживаться физическим свойством вселенной (таким как ее плотность), которое, мы ожидаем, должно изменяться регулярным образом. На данный момент никто не знает, если эта процедура квантования гравитации подходит (хотя большой прогресс недавно был достигнут в ответвлении этого формализма, именуемом петлевой квантовой гравитацией, см. Главу 16), то не ясно, скрывается ли отсутствие явной переменной времени в неких глубинах (время как производная концепция?) или нет. В этой главе мы сосредоточимся на другом подходе к соединению ОТО и квантовой механики, теории суперструн.

7. Отчасти неправильно говорить о 'центре' черной дыры как если бы он был местом в пространстве. Причина, грубо говоря, в том, что когда нечто пересекает горизонт событий черной дыры – ее внешний край, – роли пространства и времени меняются местами. Фактически, точно так же, как вы не можете сопротивляться переходу от одной секунды к другой во времени, так вы не можете сопротивляться затягиванию в 'центр' черной дыры, раз уж вы пересекли горизонт событий. Оказывается, что эта аналогия между направленностью вперед во времени и направленностью к центру черной дыры строго обоснована математическим описанием черных дыр. Таким образом, вместо того, чтобы думать о центре черной дыры как о положении в пространстве, лучше думать о нем как о положении во времени. Более того, поскольку вы не можете уйти от центра черной дыры, вы могли бы попытаться подумать о нем как о положении в пространстве-времени, где время приходит к концу. Это, может быть, и правильно. Но поскольку стандартные уравнения ОТО отказывают при таких экстремально малых размерах и гигантских плотностях массы, наша способность делать определенные утверждения такого сорта компроментируется. Ясно, это подразумевает, что если бы мы имели уравнения, которые не разваливались бы в глубине черной дыры, мы смогли бы получить важные результаты по поводу природы времени. Это одна из целей теории суперструн.