Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

Также следует вспомнить, что в общей теории относительности Эйнштейна явление гравитации происходит из кривизны пространства и в уравнениях не участвует никакая явная гравитационная сила. В данной модели Земля находится на орбите вокруг Солнца не потому, что сила гравитации Солнца притягивает ее посредством обмена гравитонами или чем бы то ни было, — она просто следует естественному пути, которому должна следовать в отсутствие всяких сил, — геодезической линии через пространство-время, которая как раз закругляется вокруг Солнца. Позже было высказано предположение, что гравитация может быть описана как «производное» явление, которое вытекает из стремления систем двигаться в сторону большей энтропии (см. обсуждение производности в главе 5) {327} 327 Verlinde Erik. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton //Journal of High Energy Physics, 2011. — №4: 1–27; Thanu Padmanabhan, Grappling with Gravity // Scientific American India, 2011. — January: 31–35. .

Даже если бы у нас была квантовая теория гравитации, похоже, что у нас не было бы возможности проверить ее предсказания в планковском состоянии, в котором она предположительно применима. Тем не менее квантовая гравитация вполне может иметь измеримые эффекты. Например, на расстояниях, близких к планковским, пространство-время должно быть «бугристым», то есть вместо гладкого континуума мы должны увидеть знаменитую квантовую пену, предложенную Джоном Уилером в 1955 году {328} 328 Wheeler John Archibald and Ford Kenneth William. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. — New York: Norton, 1998. .

Как ни удивительно, оказывается, что эта пенистость, в принципе, обнаружима. Вспомните пассаж о гамма-всплесках в главе 13. Они происходят в далеких галактиках, на расстоянии миллиардов световых лет, и излучают фотоны высоких энергий. Считается, что это происходит в результате столкновения двух нейтронных звезд. Эти фотоны могут взаимодействовать с квантовой пеной и задерживаться на пути к Земле. Данный эффект можно наблюдать, если измерить время прибытия двух или более фотонов, которые были испущены одновременно в одном всплеске.

Используя данные о гамма-всплесках, полученные космическим гамма-телескопом Ферми, астроном Роберт Немирофф и его соавторы сравнили время прибытия гамма-фотонов разных энергий, излученных из одного источника. В случае гамма-всплеска GRB 090510, зарегистрированного в мае 2009 года на расстоянии 7 млрд. световых лет от нас, прибытие трех фотонов было зафиксировано в пределах 1 мс {329} 329 Nemiroff Robert J. et al. Bounds on Spectral Dispersion from FermiDetected Gamma Ray Bursts // Physical Review Letters, 108,2012. — № 23:2 31103. . Этот результат накладывает ограничения на размер пузырьков пространственно-временной пены — в 525 раз меньше планковской длины. Хотя результат требует независимого подтверждения, похоже, что пространство-время в наблюдаемой Вселенной гладко.

Может возникнуть вопрос, как это значение согласуется с утверждением, которое я высказал в главе 6, что никакое расстояние меньше планковской длины нельзя измерить. Ответ имеет отношение к разнице между теорией и экспериментом, которую я раз за разом подчеркиваю в этой книге. Реально было измерено вовсе не расстояние короче планковской длины. Тем не менее измеренное значение было включено в теоретическую модель, в результате предсказавшую ограничение на размер пузырьков, которые должны быть значительно меньше планковской длины. Но само это число существует только в рамках модели, а не в прямом наблюдении.

Теперь давайте поставим вопрос, что могло существовать по отрицательную сторону нашей временной оси, то есть до t = О в нашем прошлом. Откуда же взялась эта первичная сфера абсолютного хаоса? Хотя у нас нет никакой эмпирической информации о том, что могло происходить до планковского времени, мы все еще можем применить наши наиболее глубокие теоретические знания, то есть общую теорию относительности и квантовую теорию, которые были основаны на эмпирических свидетельствах из более позднего времени.

В книге и статье 2006 года я описал сценарий, который обосновывает естественное происхождение нашей Вселенной и вытекает из общепризнанной физики и космологии {330} 330 Stenger Victor J. The Comprehensible Cosmos: Where Do the Laws of Physics Come From? — Amherst, NY: Prometheus Books, 2006. — P. 312–319; A Scenario for the Natural Origin of the Universe // Philo, 9,2006. — № 2:93–102. . Он строится на модели, предложенной в 1982 году Дэвидом Аткацем и Хайнцем Пейджелсом {331} 331 Atkatz David and Pagels Heinz. Origin of the Universe as a Quantum Tunneling Event // Physical Review Letters D, 25,1982:2065–2073. . Я выработал этот сценарий чисто математически на уровне, доступном для студента-физика, в значительной степени полагаясь на очень приятное учебное пособие, опубликованное Аткацем в 1994 году, «Квантовая космология для пешеходов» {332} 332 Atkatz David. Quantum Cosmology for Pedestrians // American Journal of Physics, 62,1994. — № 7: 619–627. . Здесь я только кратко опишу порядок действий.

В 1982 году Аткац и Пейджелс показали, каким образом наша Вселенная могла появиться благодаря квантовому туннелированию. Этот механизм был предложен Виленкиным в 1982 году {333} 333 Vilenkin Alexander. Creation of Universes from Nothing // Physics Letters B, 117, 1982. — №1:25–28. , а также Джеймсом Хартлом и Стивеном Хокингом в 1983 году {334} 334 Hartle James B. and Hawking Stephen W. Wave Function of the Universe // Physical Review D, 28,1983: 2960–2975. .

Начнем с уравнений Фридмана для пустой, гомогенной, изотропной Вселенной с положительной кривизной, то есть с параметром кривизны k = +1. Хотя наша Вселенная очень близка к плоской, из этого не обязательно следует, что глобальный параметр кривизны k = 0; она может иметь k = +1 или k = -1 и все еще быть очень, очень плоской после инфляции. Аткац и Пейджелс показали, что туннелирование работает только при k = +1.

Имея в распоряжении это уравнение, мы следуем стандартным правилам, согласно которым нужно перейти от классического уравнения к квантово-механическому, заменив действительные числа математическими операторами [25] Для тех, кто знаком с дифференциальным исчислением в частных производных: в волновой механике Шрёдингера x-компонента импульса px заменяется дифференциалом, который не коммутирует с x, из чего вытекает принцип неопределенности. В квантовой механике Гейзенберга наблюдаемые объекты представлены в виде матриц. В квантовой механике Дирака наблюдаемые объекты представлены в виде операторов в линейном векторном пространстве. . Результат выглядит неожиданно просто. Вы получаете квантово-механическое, не зависящее от времени уравнение Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковскои массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент Вселенной, который мы можем принять за радиус Вселенной. Следует отметить, что это просто математическое тождество и из него не следует, что такая частица существует.