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

Уилтшир указывает, что пока не созданы модели, в которых средняя кривизна пространства-времени эволюционировала бы во времени. Сам Старкман предостерегает, что модели еще довольно сырые: не удается достичь реальной картины, в которой распределение материи было бы достаточно мелкозернистым; материя представляется не в виде частиц, а в виде текучей среды. Во всяком случае, сторонники обратного влияния не собираются отказываться от своей борьбы с темной энергией.

Адам Рисс совместно с Брайаном Шмидтом и Солом Перлмуттером получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике за открытие ускоренного расширения Вселенной. После окончания Массачусетского технологического института и Гарвардского университета Рисс работает в Университете Джонса Хопкинса и в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа (Space Telescope Science Institute) в Балтиморе (штат Мэриленд, США).

В чем суть открытия, сделанного вами совместно с Шмидтом и Перлмуттером, за которое вы были удостоены Нобелевской премии?

Мы – две группы астрономов, которые занимались наблюдениями близких и далеких сверхновых и использовали полученные данные для оценки расширения Вселенной в различные моменты ее истории. Мы обнаружили, что Вселенная, вопреки ожиданиям, не замедляла свое расширение, а, напротив, ускоряла.

Темная энергия – предположительно неотъемлемая энергия пространства-времени, присущая ему изначально, что-то такое, что мы до конца еще не понимаем. Не кажется ли вам странным, что премия была присуждена за открытие того, что по-прежнему остается тайной?

Совершенно нет. Ускорение Вселенной является бесспорным доказательством наличия некоего процесса. Может быть, гравитация на больших масштабах работает не так, как мы привыкли о ней думать. Единственное, что мы можем утверждать наверняка, это то, что расширение Вселенной происходит с ускорением, и это для нас большой сюрприз.

У Эйнштейна была идея, что пространство-время обладает присущей ему плотностью энергии, которая не меняется со временем, так называемой космологической постоянной. Однако впоследствии он назвал эту идею своей «самой большой ошибкой». Ваша работа реабилитирует Эйнштейна?

Да, это впечатляющая реабилитация общей теории относительности Эйнштейна. Все эти прошедшие десятилетия мы наблюдали различные необычные явления во Вселенной, и все они полностью укладываются в рамки его теории.

Еще совсем недавно трудно было представить, что Нобелевская премия будет вручаться за открытие в области астрономии и астрономических наблюдений.

Да, вы правы. Я могу назвать несколько открытий по космологии, сделанные в прошлом, которые были вполне достойны Нобелевской премии: открытие расширения Вселенной и оценка ее размеров, а также наблюдения, указывающие на присутствие темной материи или некоторой дополнительной гравитации. Эти открытия имеют основополагающее значение для нашего понимания физики.

Чтобы понять черные дыры, начало времен и истинную природу пространства, мы нуждаемся в теории, которая соединит в себе общую теорию относительности и квантовую механику – две концепции, которые кажутся принципиально несовместимыми.

Наступит день, когда два столпа современной физики сольются вместе. Общая теория относительности и квантовая механика порознь добились впечатляющих успехов, но по-прежнему кажутся несовместимыми. Стандартная модель физики элементарных частиц в квантово-механической интерпретации описывает большинство фундаментальных сил природы в терминологии порхающих частиц, в то время как теория относительности описывает гравитацию в совершенно другой терминологии, используя искривленное пространство-время.

Столпы сталкиваются и на других перекрестках. Когда мы оказываемся в ситуации, где обе теории становятся одинаково важны, например на горизонте событий черной дыры, работать вместе они отказываются (см. главу 3). Квантовая теория гравитации представляется необходимой при изучении первых моментов после Большого взрыва и, возможно, для понимания природы пространства и времени. Но квантовая гравитация поставила нас в тупик. Производительность труда самого Эйнштейна резко упала в последние годы, когда он занялся поисками теории всего.

Чтобы понять проблему, следует начать с фундаментальных основ квантовой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга воплощает в себе «расплывчатость» квантового мира. Он позволяет частицам брать в займы энергию из пустого пространства и появляться из ниоткуда в виде короткоживущих «виртуальных» частиц. Они должны вернуть одолженную энергию путем своего исчезновения – и чем больше они взяли, тем быстрее они должны исчезнуть.

Рис. 8.1. Бесконечная проблема: гравитоны – предполагаемые квантовые частицы гравитации, но теории, в которых они участвуют, оказываются весьма строптивыми

Представьте себе электрон, фотон или любую другую частицу, которая набрала один за другим множество таких «беспроцентных кредитов». В результате расчет даже простого квантового процесса (например, пролет электрона слева направо) становится чрезвычайно сложным. По словам физика Ричарда Фейнмана (1918–1988), мы должны «суммировать все возможные истории», принимая в расчет бесконечное разнообразие способов возникновения виртуальных частиц (рис. 8.1).

Иногда при таком суммировании получается конечный результат: теория делает предсказание, которое может быть проверено. Например, квантовая электродинамика хорошо описывает движение электрона. Но в ряде случаев сумма резко возрастает, и вы уходите в бесконечность. История применения квантовой теории к силам природы есть история о том, как приходится бороться с этими непокорными бесконечностями.

Один из примеров такой борьбы – анализ бета-распада, когда нейтрон спонтанно испускает электрон и нейтрино, превращаясь в протон. Квантовая теория бета-распада заводила физиков в тупик бесконечностей, пока они не разработали «электрослабую» теорию, которая объединила электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия обуздала математический аппарат, добавив гипотетические массивные частицы, такие как W -бозоны, Z -бозоны и бозоны Хиггса. С их помощью удалось справиться с бесконечностями. Фортуна благоприятствовала смелой догадке: W – и Z -бозоны были открыты в ЦЕРНе в 1983 году, а бозоны Хиггса – в 2012 году. Этот успех вдохновил многих физиков, и они поверили в то, что такая стратегия является чуть ли не универсальным рецептом при разработке квантовых теорий: если ваша модель приводит к бесконечностям, просто добавьте новые частицы, и задача будет решена.