Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Вернуться

48

Не помешает также сделать замечание о необходимости различать две формы энергии, играющие наиболее важную роль в развитии современной Вселенной: «энергию вещества», то есть медленно движущихся частиц, разбегающихся в стороны по мере расширения Вселенной, и «темную энергию» – какую-то загадочную штуку, которая совсем не разреживается, а, наоборот, сохраняет постоянную плотность энергии. Помимо этого, само вещество может принимать две разные формы: «обычное вещество», включающее все типы частиц, которые когда-либо были экспериментальным путем обнаружены на Земле, и «темное вещество» – какой-то другой вид частиц, который не может быть ничем, что нам уже доводилось непосредственно наблюдать. Масса (и, следовательно, энергия) обычного вещества в основном сосредоточена в ядрах атомов – протонах и нейтронах, однако и электроны также вносят свой вклад. Обычное вещество включает вас, меня, Землю, Солнце, звезды и весь газ, пыль и камни во Вселенной. Мы знаем, сколько всего этого вещества, и его совершенно точно недостаточно для того, чтобы объяснить все обнаруженные в галактиках и кластерах гравитационные поля. Таким образом, должно существовать некое темное вещество. Никакие известные нам частицы его не образуют, зато физики-теоретики составили впечатляющий список возможных кандидатов, включая «аксионы», и «нейтралино», и «частицы Калуцы – Клейна». При всем при этом обычное вещество составляет приблизительно 4 % энергии во Вселенной, темное вещество – примерно 22 %, а темная энергия – оставшиеся 74 %. Создание или непосредственное обнаружение темной материи – важнейшая задача современной экспериментальной физики. Подробнее об этом – в работах: Hooper, D. Dark Cosmos: In Search of Our Universe’s Missing Mass and Energy. New York: HarperCollins, 2007; Carroll, S. M. Dark Matter and Dark Energy: The Dark Side of the Universe / Лекции на DVD. Chantilly, VA: Teaching Company, 2007; Gates, E. I. Einstein’s Telescope. New York: W. W. Norton, 2009.

Вернуться

49

Итак, как много энергии содержится в этой темной энергии? Примерно 0,03 калории в кубическом километре. Здесь надо заметить, что для измерения калорийности продуктов обычно используются килокалории (1000 калорий). Если, например, мы возьмем весь объем озера Мичиган (около 5000 км 3), то полная величина темной энергии, заключенной в этом объеме, будет меньше энергетической ценности одного Биг-Мака. Или еще пример: если преобразовать всю темную энергию из всех кубических сантиметров, составляющих объем Земли, в электричество, то получится примерно столько же, сколько потребляет за год средний американец. Суть в том, что темной энергии в одном кубическом сантиметре вообще-то совсем немного – она размазана тонким слоем по всей Вселенной. Разумеется, преобразовать темную энергию ни в какую полезную форму энергии невозможно, она абсолютно бесполезна. (Почему? Потому что она находится в состоянии с высокой энтропией.)

Вернуться

50

В действительности Планк не занимался квантовой гравитацией. В 1899 году при попытке разобраться с некоторыми загадками излучения черного тела он столкнулся с необходимостью в новой фундаментальной константе, описывающей законы природы. Сегодня эта константа носит название постоянной Планка и обозначается символом ħ . Планк взял эту новую величину и принялся умножать и делить ее разными способами на скорость света c и ньютоновскую гравитационную постоянную G . В результате он пришел к системе фундаментальных единиц измерения, которые сегодня считаются общепринятыми характеристиками квантовой гравитации: планковская длина LP = 1,6 × 10 −35метра, планковское время tP = 5,4 × 10 −44секунды и планковская масса MP = 2,2 × 10 −8килограмма, а также энергия Планка. Интересный факт: Планк первым делом предположил, что универсальная природа этих величин – основанная на законах физики, а не определенная в соответствии с какими-то человеческими условностями – однажды поможет нам в общении с внеземными цивилизациями.

Вернуться

51

Фред Адамс и Грег Лафлин посвятили этому целую книгу, и я настоятельно рекомендую вам с ней ознакомиться ( Adams, F., Laughlin, G . The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. New York: Free Press, 1999).

Вернуться

52

Хью Прайс очень уверенно раскритиковал эту тенденцию ( Price, H . Time’s Arrow and Archimedes’ Point: New Directions for the Physics of Time. New York: Oxford University Press, 1996). Он обвинил космологов в двойных стандартах, так как к ранней Вселенной применяются критерии естественности, которые никто не стал бы использовать для поздней Вселенной, и наоборот. По мнению Прайса, непротиворечивая космология, управляемая симметричными во времени законами, должна описывать симметричную во времени эволюцию. Учитывая, что у Большого взрыва была низкая энтропия, в будущем должен случиться симметричный коллапс – Большое сжатие, также имеющее низкую энтропию. В такой Вселенной – она называется Вселенной Голда в честь Томаса Голда, знаменитого своей поддержкой теории стационарной Вселенной, – стрела времени изменила бы направление, как только Вселенная достигла бы максимального размера, и энтропия начала бы уменьшаться по направлению к Сжатию. Поскольку мы уже открыли темную энергию, подобный сценарий сейчас кажется совсем маловероятным. (В этой книге мы все же ответим на вызов Прайса, попытавшись представить, что время во Вселенной действительно симметрично на больших масштабах, и в далеком прошлом, точно так же, как в далеком будущем, у Вселенной высокая энтропия – что, очевидно, может быть правдой только в том случае, если история Вселенной начинается гораздо раньше Большого взрыва.)

Вернуться

53

На самом деле Вселенная не сколлапсирует в одну большую черную дыру. Как мы уже обсуждали выше, она попросту опустеет. Примечательно, однако, что в присутствии темной энергии даже у пустого пространства есть энтропия, и мы получаем то же значение (10 120) для максимальной энтропии наблюдаемой Вселенной. Обратите внимание, что 10 120– это также величина расхождения между теоретической оценкой энергии вакуума и ее наблюдаемым значением. Это очевидное совпадение двух разных величин – уже знакомое нам совпадение между текущей плотностью вещества (связанной с максимальной энтропией) и плотностью энергии вакуума. В обоих случаях численное значение равно квадрату размера наблюдаемой Вселенной – примерно 10 миллиардов световых лет, разделенному на квадрат планковской длины.

Вернуться

54

С другой стороны, какими достижениями объясняется популярность Пэрис Хилтон, остается не меньшей загадкой.

Вернуться

55

Элдрик Тонт (Тайгер) Вудс – знаменитый американский гольфист. – Примеч. ред.

Вернуться

56