Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Это предположение представляется дерзким, но оно построено на твердом фундаменте теоретических исследований. В самом понятии о других измерениях нет ничего нового. Уже несколько десятков лет многие теоретики рассматривают возможность существования дополнительных измерений как нашу лучшую надежду на примирение общей теории относительности Эйнштейна с другим бастионом физики XX века – квантовой теорией. «Брак» между двумя такими, с первого взгляда несопоставимыми, концепциями, одна из которых оперирует с очень большим, а другая – с очень малым, увенчается созданием теории всего, единой концепции, способной описать Вселенную во всей ее полноте.

Одним из популярных кандидатов на роль этой единой концепции является М-теория, развивающая теорию струн и предполагающая, что мы живем в 11-мерной вселенной, в которой остальные 7 измерений скручены так туго, что выпадают из поля зрения. Это элегантная и математически привлекательная теория с одним большим недостатком: отсутствуют четкие предсказания, которые можно было бы проверить, чтобы ее подтвердить. Работа Дика по обобщению теории струн, известная как теория бран, могла бы дать такое предсказание и в то же самое время разрешить дилемму космологического принципа. В теории бран наша Вселенная представляет собой четырехмерную мембрану, плавающую в море подобных же бран, проникающих во множество дополнительных измерений. Теория предполагает, что мы можем даже ощутить влияние соседней браны, накладывающейся на нашу.

Для измерения расстояния до удаленных объектов астрономы используют эффект красного смещения (см. также главу 1). Свет от любого объекта, удаляющегося от нас из-за расширения Вселенной, будет смещаться в длинноволновую сторону спектра и спектральные линии будут смещены в красную сторону. Чем дальше от нас объект, тем больше будут смещены линии. Если астрономы видят, что многие объекты находятся на одном красном смещении, они интерпретируют этот факт как существование некоей структуры, например кольца гамма-всплесков или Большой группы квазаров.

Однако другая брана, накладывающаяся на нашу, может исказить измерения красного смещения. Фотоны в одной бране будут влиять на заряженные частицы в другой – это явление Дик назвал «взаимные помехи бран». Это может изменить энергетические уровни внутри атомов, сдвигая спектральные линии света, который они поглощают или излучают. Другими словами, взаимные помехи бран могут создать красное смещение, которое не имеет никакого отношения к истинному расширению Вселенной. Такое положение вещей может привести к появлению видимого скопления объектов на одном красном смещении и отчетливого недостатка объектов на другом красном смещении. Эта иллюзия может привести к заблуждению, что в однородной Вселенной содержатся массивные структуры и огромные пустоты (рис. 5.1).

Конечно, на самом деле все не так просто. Моатаз Эмам, физик из Государственного университета Нью-Йоркского колледжа в Кортленде, предупреждает о том, что некоторые предположения теории Дика уже подвергались критике в прошлом. Но модель вполне проверяема: Эмам предлагает наблюдать части неба, где районы с густой плотностью соседствуют с кажущимися пустотами. Если различие в красных смещениях во всех случаях одинаково, это вполне может означать, что наша брана накладывается на другую.

Рис. 5.1. Альтернативное объяснение мегаструктур

С помощью Слоановского цифрового небесного обзора ( Sloan Digital Sky Survey, SDSS ), самой детализированной трехмерной карты Вселенной на сегодняшний день, Дик намеревается проанализировать базы данных о красных смещениях, которые могли бы поддержать его теорию. Его попытки «развенчать миф» о существовании крупнейших объектов во Вселенной могут привести к появлению новых «монстров» на их местах. Открытие бран за пределами нашей собственной браны сделает абсурдной концепцию об однородности космоса. И действительно, есть ли смысл так благоговеть перед космологическим принципом в обширной мультивселенной, полной взаимодействующих мембран?

Секреты Большого взрыва прячутся за непроницаемой стеной огня, но существует возможность заглянуть в глубину веков, о чем мы раньше не могли и мечтать. В то время, когда не было не только звезд, галактик, атомов и молекул, но даже протонов и нейтронов, когда все только начиналось, когда созревала детонация взрыва, из которого и возникла наша Вселенная. Все, что нам для этого нужно, – это солнцезащитные очки.

Вы смотрите на звезды? Значит, вы смотрите в прошлое, ведь свету нужно время, чтобы дойти от далекой звезды до нашего взора. Можно было бы подумать, что если заглянуть достаточно далеко в космос, то можно вернуться к моменту рождения Вселенной. Но горячий и непроницаемый бульон из электронов и атомных ядер, существовавший в ранней Вселенной, делает это невозможным. Только спустя 380 000 лет после рождения Вселенная охладилась настолько, чтобы стать прозрачной. Каким бы мощным ни был ваш телескоп, вы не сможете увидеть того, что происходило раньше.

Несмотря на это, физики любят порассуждать о том, какой была первая доля секунды после начала всего и вся, и заглянуть в гипотетическую, почти мифическую эру, известную как инфляция. Теория инфляции была создана, чтобы залатать некоторые проблемы в целом успешной теории Большого взрыва. Согласно общей теории относительности Эйнштейна материя и энергия могут искривлять пространство-время, но на больших масштабах наша Вселенная оказывается плоской. Кроме того, в инфляционной модели нет никаких указаний на то, что далеко отстоящие друг от друга области Вселенной должны выглядеть одинаково. Тем не менее галактики по разные стороны Вселенной группируются в скопления с примерно одинаковыми конфигурациями и численностью. Наконец, в ранней Вселенной должны были быть некоторые маленькие флуктуации плотности, чтобы материя под действием гравитации постепенно собралась воедино. В противном случае сегодня вместо галактик существовало бы однородное пространство, заполненное разреженным газом. Но опять-таки классическая теория Большого взрыва не объясняет, почему возникли эти флуктуации.

Для того чтобы разрешить эти ставящие ученых в тупик проблемы, Алан Гут из Массачусетского технологического института в 1980 году предложил теорию инфляции. Он предположил, что краткий и мощный импульс ускорения возник в пространстве и заставил расширяться его по всем направлениям. То, что мы сейчас называем наблюдаемой Вселенной, началось с точки размером меньше атома и выросло до нескольких сантиметров за долю секунды. Любая первоначальная кривизна разгладилась бы в результате этого расширения и выровнялась бы любая разница в температуре или, скажем, плотности. Крошечные квантовые флуктуации в полях энергии, заполняющих пространство, усилились бы и образовали первые ранние флуктуации плотности (рис. 5.2).