Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Рис. 15. Построение природой Мироздания

Большинство современных космологов считают, что судьба нашей Вселенной решалась в первые секунды после Большого взрыва в зависимости от соотношения плотности вещества и энергии. Был достигнут их баланс. Преобладание же энергии на ничтожные доли процента привело бы к быстрому раздуванию и охлаждению, а вещества — к скорой смене расширения на сжатие в точку и, возможно, новому взрыву. Вид нашей Вселенной также определила ядерная сила связи протонов с нейтронами. Если бы она была меньше существующей, атомные ядра просто бы не возникли, а если больше, то еще на стадии первичного синтеза атомных ядер (нуклеосинтеза) практически весь наличный водород превратился бы в гелий — и наша водородная Вселенная имела бы гелиевое лицо. Не совсем понятную, но, несомненно, очень важную роль в эволюции нашего мира играет скрытая «темная энергия» физического вакуума. По неизвестным причинам около семи миллиардов лет назад она сдвинулась от нуля к положительному значению, из-за чего Метагалактика начала ускоренно расширяться.

Рис. 16. Таким видят квантовый мир «струнные» физики-теоретики

Хотите — верьте, хотите — нет, но именно так выглядит пространство-время на самом дальнем «донышке» Мироздания. Конечно, вы увидите такую картину, только если проникнетесь идеями «теоретиков-суперструнщиков», постоянно ищущих новые подходы в теории квантовой гравитации. Поверим им хотя бы на мгновение, и тут же в квантовом масштабе наш мир раскинется необозримой сетью ячеек причудливо изогнутой сетки.

Рис. 17. Пенящееся виртуальное море в океане энергии

Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10 -35м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации.

Рис. 18. Суперструнный гравитон

Гравитоны — это закольцованные струны, и потому бранные границы им не помеха. Они могут покидать нашу 3-брану и уходить в другие измерения. Но если переносчики гравитации способны на это, то сила тяготения должна убывать с увеличением расстояния не по ньютоновскому закону обратных квадратов, а гораздо быстрее! То, что мы этого не замечаем, может свидетельствовать о сворачивании (компактификации) дополнительных измерений. В этом случае отклонения от ньютоновской формулы должны проявляться лишь на очень малых дистанциях.

Рис. 19. Сверхдальние галактики, видимые сквозь гравитационные линзы

По всей Вселенной галактики настолько похожи друг на друга, будто сделаны по одному шаблону, потому что простые законы природы — всемирное тяготение и сохранение углового момента — действуют во всем мировом пространстве. Та же физика, которая в земном микрокосме определяет движение падающего тела или вираж конькобежца, создает галактики в макрокосме Вселенной.

Рис. 20. Возникновение квантового микроколлапсара

Столкновение высокоэнергетичных частиц может создать квантовый микроколлапсар. Такая микроскопическая черная дыра способна вращаться, вибрировать, иметь электрический заряд, излучая гравитационные и электромагнитные волны. Этот процесс, в котором остается только заряд, спин и масса, патриарх квантовой космологии Джон Уилер называет «дыра теряет свои волосы». Дальнейшее излучение уносит заряд, энергию вращения (спин), так что коллапсар замедляется и принимает сферическую форму. Испуская излучение и массивные частицы, дыра «испаряется», приближаясь к минимальной массе Планка. Исчезая из нашей реальности, квантовый микроколлапсар испускает поток «наифундаментальнейших» суперстрингов.

Рис. 21. Модель гравитационных волн вблизи колеблющегося массивного тела

Наш мир пронизывает гравитация, всепроникающая и неэкранируемая, очень знакомая и столь непонятная. Волны тяготения — поперечные, как рябь на водной поверхности. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения. Поэтому твердое тело, оказавшееся на пути гравитационной волны, будет испытывать деформации. Гравитационные волны возникают при движении больших масс материи. Например, они будут исходить от системы звезд разных масс, вращающихся вокруг общего центра.

Рис. 22. Таинственный центр нашей Галактики

Орбитальные астрономические обсерватории обнаружили, что ядро Галактики является мощным источником гамма-излучения на частоте определенной спектральной линии, которая согласуется с представлением о скрытой там массивной черной дыре. Галактики, подобные Млечному Пути, могут воплощать собой период спокойной зрелости в непрерывной эволюционной последовательности, включающей и бурную юность — квазары и взрывающиеся галактики. Поскольку квазары очень далеки от нас, мы наблюдаем их в период молодости, какими они были миллиарды лет назад.

Звезды Млечного Пути движутся в величественном порядке. Шаровые скопления ныряют сквозь галактическую плоскость и выходят с противоположной стороны, где замедляют свой ход, поворачивают и устремляются обратно. Если бы мы могли проследить за движением отдельных звезд вблизи галактической плоскости, то увидели бы, что оно напоминает подпрыгивание воздушной кукурузы. Мы никогда не видели, чтобы галактики существенно изменяли форму, но лишь потому, что это занимает слишком много времени. Млечный Путь совершает один оборот за четверть миллиарда лет. …Астрономический снимок любой галактики — это лишь стоп-кадр, фиксирующий один момент ее медленного движения и эволюции.