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

Черные дыры – это сверхплотные объекты, которые поглощают все, включая свет, пролетающий слишком близко от них. Они имеют различные размеры: сверхмассивные черные дыры затаились в самом центре большинства галактик, а черные дыры звездной массы образуются при коллапсе звезд, выработавших свой ресурс. Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности, и они представляют собой места, где гравитация настолько сильна, что ею больше нельзя пренебрегать, рассматривая квантовые взаимодействия на малых масштабах. В настоящее время у нас нет никакого представления, что происходит на краю черной дыры или внутри нее.

Наши теории гравитации прошли проверку лишь на малых масштабах.

Общая теория относительности – чрезвычайно точная теория гравитации, по крайней мере, насколько мы способны об этом судить. Но, возможно, модифицированная теория сможет изгнать некоторых космических демонов?

Предсказания общей теории относительности по поводу движения космических зондов и планет точны в масштабе солнечной системы. Недавнее открытие гравитационных волн показывает, что общая теория относительности также правильно описывает процесс слияния двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. Но по космическим стандартам в двойной системе черных дыр огромное количество массы спрессовано в относительно малом пространстве. Что происходит с гравитацией в тех средах, где напряженность гравитационного поля слабее?

Измененная версия теории гравитации, названная модифицированной ньютоновской динамикой, может объяснить аномальное вращение галактик, которое принято считать свидетельством существования темной материи, но в каком направлении производить эту модификацию – пока неизвестно. Согласно гравитационной гипотезе DGP , названной по имени предложивших ее ученых (Двали, Габададзе, Поррати), гравитация может «просачиваться» из нашего четырехмерного пространства в объем большего числа измерений, постепенно ослабляя свое действие с течением времени. Отсюда – иллюзия существования темной энергии. Однако эта гипотеза еще требует своего экспериментального подтверждения.

Новые частицы помогут нам понять, почему мы видим мир таким, какой он есть.

Теория суперсимметрии, или Сьюзи ( SUSY ), как ее называют в узком кругу поклонников, – универсальный швейцарский нож в теориях элементарных частиц, ключ для открытия всего. Главный принцип заключается в том, что для каждого фермиона, образующего вещество в стандартной модели, есть свой переносчик взаимодействия – бозон, и наоборот.

Сьюзи была первоначально сформулирована для решения некоторых проблем физики элементарных частиц (например, почему три основных типа взаимодействия, не считая гравитации, имеют такие различные напряженности поля). Но потом оказалось, что нейтралино – самая легкая частица-суперпартнер, предложенная этой теорией, – являет собой готовый образчик темной материи.

Но, возможно, это чересчур хорошо, чтобы быть правдой: если бы суперсимметричные частицы существовали, они уже должны были быть созданы на Большом адронном коллайдере. Но за исключением одного странного импульса, который впоследствии не повторился, никаких знаков больше не было. Возможно, суперпартнеры тяжелее, чем мы думали, или просто мы неправильно расшифровываем имеющиеся у нас экспериментальные данные. Но постепенно у физиков-ядерщиков возникают все более серьезные опасения: возможно, природа не может дать такого четкого и ясного ответа, как это предлагает теория суперсимметрии.

Может ли квинтэссенция изгнать космических духов?

Гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие… Почему существует именно четыре фундаментальных взаимодействия в природе?

Наверное, наиболее вероятным пятым взаимодействием может быть слабое, действующее на больших расстояниях взаимодействие, несколько похожее на гравитацию и, вероятно, взаимодействующее с ней. Эта пятая сила может слегка гасить гравитацию, объясняя ускорение расширения Вселенной и выдавая себя за темную энергию. Или, наоборот, она может подпитывать гравитацию, объясняя наличие дополнительного притяжения, обычно приписываемого темной материи. Эта пятая сила должна быть очень хитро замаскирована, и это объясняет то, что мы не можем ее обнаружить. Одно из предположений заключается в том, что большое количество массы внутри и вокруг Солнечной системы экранирует нас от ее воздействия. Но если это и так, доказать это будет очень трудно.

Новые типы взаимодействий и соответствующие им квантовые частицы часто предлагаются для решения проблемы тонкой настройки в физике элементарных частиц, но наличие новых сил на этих масштабах кажется маловероятным. Но случайные аномалии питают надежды физиков: совсем недавно отклонения от ожидаемой скорости распада ядер радиоактивного бериллия были расценены как свидетельство существования целого нового «темного сектора» частиц и сил.

Окончательная теория должна соединить в себе квантовую теорию и теорию относительности.

Мечты многих физиков, включая Эйнштейна, разбились о попытки сформулировать единую теорию, объясняющую все явления природы. За последние десятилетия обозначился путь к созданию теории всего: струнная теория, в особенности ее разновидность, известная как M-теория. В M-теории вещество состоит не из точечных частиц, как в стандартной модели, а из одномерных колеблющихся струн, существующих во вселенной с одиннадцатью измерениями пространства-времени. Эти струны по-разному вибрируют, создавая различные элементарные частицы, даже гравитоны, которые могут переносить квантованные гравитационные взаимодействия.

M-теория способна решить проблему тонкой настройки и в неявном виде включает в себя теорию суперсимметрии. Дополнительные измерения свернуты в крошечный клубок, и поэтому мы до сих пор ничего о них не знаем. В 1995 году был совершен прорыв: открыт путь к тому, чтобы связать теорию гравитации в пяти измерениях с чисто квантовой теорией в четырех измерениях. Это научное достижение показало, что мы на правильном пути к объединению взаимодействий и теорий.

Но успехов, подобных разработке теории соответствия AdS/CFT , еще предстоит достигнуть, чтобы теоретическое пространство-время приблизить к условиям нашей Вселенной, а теории струн еще предстоит сделать хоть одно достоверное предсказание. Больше всего беспокоит то, что она предсказывает существование мультивселенной, состоящей из 10 500различных вселенных (см. далее).