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

В 1990 году Эдвард Виттен, внесший большой вклад в разработку теории струн, стал лауреатом Филдсовской премии, аналога Нобелевской премии для математиков. Это показывает, насколько тесно связаны математика и теория струн.

Хуан Малдасена – еще один пример влиятельного современного физика. Его работа показывает, что физические законы и явления внутри определенной области Вселенной могут быть описаны теми событиями, которые происходят на границе этой области. Хотя его идея родилась в рамках M-теории, она способна привести к революционным изменениям во многих областях теоретической физики.

В течение нескольких десятков лет охота за теорией, способной объединить относительность и квантовую теорию, основывалась на теории струн. Но существуют и альтернативные пути.

Наиболее перспективный «неструнный» подход к разработке теории всего – каузальная динамическая триангуляция, или метод причинно-динамических разбиений. Этот метод разработали Рената Лолл из Утрехтского университета в Нидерландах и ее коллеги Ян Амбьорн и Ежи Юркевич. CDT -метод предлагает для пространства-времени модель, сложенную из крошечных, идентичных друг другу строительных кирпичиков. Они представляют собой аналоги треугольников, но более высокой размерности, так называемые 4-симплексы. Под влиянием законов квантовой механики, эти «треугольники» постоянно перестраиваются, приобретая новые конфигурации, и каждая из них имеет свою собственную кривизну.

Подобно тому, как вы можете соединить шесть равносторонних треугольников в одной точке, превратив их в кусок плоского пространства, с помощью CDT -метода можно создать плоское, положительно или отрицательно искривленное пространство-время путем соединения нескольких 4-симплексов в одной точке. Треугольники – это не физические объекты, а просто математический инструмент для вычислений, и они приводят к убедительным результатам.

Ключевым этапом формирования пространства-времени в большом масштабе является суммирование всех возможных конфигураций этих треугольников. Это вполне соответствует духу подхода, который Ричард Фейнман применил в квантовой механике: чтобы вычислить, как частица добирается из точки A в точку Б, нужно сложить все возможные траектории ее пути. Еще в конце 1970-х годов аналогичный подход к рассмотрению пространства-времени применил Стивен Хокинг, но у него получались вселенные либо вообще без измерений, либо измерений было бесконечное множество.

Идея Лолл заключалась в том, чтобы встроить зафиксированный порядок причинно-следственных связей в способ самоорганизации треугольников. В результате ее вычисления привели к модели, включающей три измерения пространства и одно измерение времени, и создали гладкую расширяющуюся вселенную, подобную той, в которой мы живем. В этой вселенной господствуют законы общей теории относительности и стандартной космологии.

Полученный результат предполагает, что принцип причинности может объяснить, почему мы живем в четырехмерной Вселенной. Но в CDT -модели пространство-время является четырехмерным только на больших масштабах. На крошечных масштабах модель превращается в двумерную с фрактальной структурой пространства-времени, неровной и зазубренной, со все более отчетливой прорисовкой деталей по мере увеличения масштаба. Реальность может быть слегка «потерта» по краям.

Физики, пытающиеся примирить гравитацию с квантовой механикой, приветствовали теорию, появившуюся «на кончике пера», которая может все упростить. Пространство-время представляет собой концепцию, которая хорошо нам послужила, но если физик Пётр Хорава прав, то это всего лишь мираж. Хорава, который работает в Калифорнийском университете в Беркли (штат Калифорния, США), хочет разорвать эту ткань и освободить время и пространство друг от друга.

Одной из ключевых идей теории относительности является симметрия Лоренца: все наблюдатели, двигающиеся с постоянной скоростью, выражают согласие по поводу законов физики и положения событий в пространстве-времени. Но что если эта симметрия есть не фундаментальное свойство природы, а нечто, возникшее в процессе охлаждения Вселенной после огненного шара Большого взрыва?

В 2009 году Хорава внес исправления в уравнения Эйнштейна, удалив симметрию Лоренца. К его удовольствию, это привело к системе уравнений, описывающих гравитацию с тех же самых квантовых позиций, которые справедливы и для других фундаментальных сил природы: гравитация возникает как сила притяжения благодаря квантовым частицам, называемым гравитонами, так же как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами.

Гравитацию Хоравы можно изучать с помощью того же самого математического аппарата, который был разработан для трех других фундаментальных взаимодействий природы. Отчасти поэтому эта идея с таким увлечением была подхвачена многими физиками. Она могла помочь разрешить застарелую проблему темной материи. Когда Синдзи Мукойяма из Токийского университета (Япония) вывел уравнения движения из теории Хоравы, он обнаружил, что в них присутствует новый член, которого не было в уравнениях, выводимых из общей теории относительности, и что этот новый член имитирует свойства темной материи. В зависимости от его значения мы можем либо частично, либо почти полностью избавиться от темной материи.

С темной энергией, в отличие от темной материи, так просто разобраться не получается. Теории физики элементарных частиц предсказывают, что концентрация темной энергии должна быть на 120 порядков больше, чем наблюдаемое значение. Но теория Хоравы содержит параметр, который можно плавно подстроить, чтобы уменьшить энергию вакуума, предсказываемую физикой элементарных частиц.

Наши надежды, направленные на создание теории всего, связаны с разрушением баланса, на который так уповал Эйнштейн. Современная физика ненадежно сбалансирована на невероятном совпадении, связанном с тем, как мы представляем себе массу и как мы ее определяем. Эйнштейн утверждал, что это совпадение – изначальное свойство природы и использовал этот «принцип эквивалентности» как основу для создания своей общей теории относительности. Но если мы хотим найти некую более общую, лучшую теорию, которая сможет объединить гравитацию с другими силами, с принципом эквивалентности придется расстаться.

Существует несколько вариантов принципа эквивалентности, но все сводятся к одной идее: действие гравитационных полей неотличимо от действия ускоренного движения. На человека, стоящего в лифте на планете Земля, действует сила притяжения, направленная вниз. Запустите лифт в дальний космос на ракете, и если ракета будет лететь с ускорением, пассажир будет испытывать точно такое же притяжение. Инерция пассажира не даст ему парить в кабине. Инерция – естественное сопротивление любого тела действию ускорения. Этот же эффект вдавливает вас в спинку сиденья машины, когда водитель нажимает на газ.