Мичио Каку - Гиперпространство

Продолжаем нагревать плазму на плите до 1 млрд кельвинов, пока не начнут распадаться ядра кислорода и водорода. Мы получим «газ» из отдельных нейтронов и протонов, подобный содержимому нейтронной звезды.

Если нагреть нуклонный «газ» еще сильнее, до 10 трлн кельвинов, эти субатомные частицы превратятся в обособленные кварки. У нас получится газ из кварков и лептонов (электронов и нейтрино).

Если мы нагреем этот газ до 1 квадрильона кельвинов, силы электромагнитного и слабого взаимодействия объединятся. При таких температурах возникает симметрия SU (2) x U (1). При 10 28К силы электромагнитного и сильного взаимодействий объединяются, появляются симметрии теорий Великого объединения [SU (5), О (10) или Е (6)].

Наконец, при баснословных 10 32К гравитация объединяется с силой теорий Великого объединения, и появляется вся симметрия десятимерных суперструн. Теперь у нас есть суперструнный газ. К этому моменту в скороварку попадет столько энергии, что геометрия пространства-времени наверняка начнет искажаться, многомерность пространства-времени изменится. Пространство вокруг нашей кухни вполне может стать нестабильным, в структуре пространства может образоваться прореха, в кухне появится «червоточина». В этот момент рекомендуется покинуть кухню.

Таким образом, нагревая кубик льда до невероятных температур, можно воспроизвести теорию суперструн. Урок заключается в том, что материя проходит определенные стадии развития, пока мы нагреваем ее. И наконец, по мере увеличения энергии симметрия все больше восстанавливается.

Рассматривая этот процесс в обратном порядке, мы можем оценить Большой взрыв как последовательность различных этапов. Вместо того чтобы нагревать кубик льда, теперь охлаждаем сверхгорячее вещество Вселенной, проходя несколько этапов. С момента сотворения мы прошли следующие стадии эволюции Вселенной:

10 -43секунд. Десятимерная Вселенная распадается на четырех- и шестимерную. Шестимерная схлопывается до размера 10 -32 см. Четырехмерная Вселенная стремительно расширяется. Температура 10 32К.

10 -35секунд. Разрушается взаимодействие теорий Великого объединения; сильное взаимодействие уже не объединено с электромагнитным и слабым. SU (3) отделяется от симметрии теорий Великого объединения. Крошечная песчинка в большей Вселенной увеличивается в 10 50раз и в конце концов становится нашей видимой Вселенной.

10 -9секунд. Температура 10 15К, симметрия электромагнитного и слабого взаимодействия распадается на SU (2) и U (1).

10 -3секунд. Кварки начинают конденсироваться, образуя нейтроны и протоны. Температура приблизительно 10 14К.

3 минуты. Протоны и нейтроны уже сконденсированы и образовали стабильные ядра. Энергии беспорядочных столкновений не хватает для разрушения возникающих ядер. Пространство по-прежнему остается непрозрачным для света, так как ионы недостаточно хорошо переносят его.

300 тыс. лет. Вокруг ядер скапливаются электроны. Начинается образование атомов. Поскольку свет уже не рассеян и не поглощен, Вселенная становится прозрачной для него, а космические пространства — черными.

3 млрд лет. Появляются первые квазары.

5 млрд лет. Появляются первые галактики.

10–15 млрд лет. Рождается Солнечная система. Через несколько миллиардов лет после этого на Земле появляются первые формы жизни.

Почти непостижимым выглядит то, что мы, разумные приматы с третьей планеты в системе мелкой звезды в мелкой галактике, сумели реконструировать историю нашей Вселенной почти с момента ее рождения, когда температура и давление превосходили все величины, которые можно встретить в Солнечной системе. Тем не менее именно эту картину нам открывает квантовая теория слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий.

Какой бы удивительной ни выглядела наша версия сотворения, вероятно, еще удивительнее вероятность, что «червоточины» могут выступать в качестве ворот, ведущих в другие вселенные, а возможно, даже и машин времени, обеспечивающих связь с прошлым и будущим. Вооружившись квантовой теорией гравитации, физики, вероятно, сумеют найти ответ на интригующие вопросы: существуют ли параллельные миры и можно ли изменить прошлое?

Черные дыры с недавних пор завладели воображением широкой публики. Исследованию этого странного предположения Эйнштейна, финальной стадии смерти коллапсирующей звезды, посвящены книги и документальные фильмы. Парадокс, но публика по-прежнему не подозревает о самой, пожалуй, необычайной особенности черных дыр — что они могут служить воротами в другую вселенную. Более того, в научном сообществе активно высказываются предположения о способности черных дыр открывать туннели во времени.

Для того чтобы понять, что такое черные дыры и как трудно отыскать их, следует сначала выяснить, почему сияют звезды, как они растут и как в конце концов погибают. Звезда рождается, когда огромное облако водорода, размерами многократно превосходящее нашу Солнечную систему, медленно сжимается под действием силы гравитации. Эта сила, сжимающая газ, постепенно нагревает его, поскольку гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию атомов водорода. В обычных условиях отталкивающего заряда протонов в водороде достаточно, чтобы атомы оставались обособленными. Но в определенный момент, когда температура повышается до 10–100 млн кельвинов, кинетическая энергия протонов (ядер водорода) преодолевает электростатическое отталкивание, и они врезаются друг в друга. Тогда сила ядерного взаимодействия одерживает верх над электромагнитной силой, и два ядра водорода «сливаются», образуя гелий и выделяя огромные количества энергии.

Другими словами, звезда — это ядерная печь, в которой сгорает топливо — водород и образуется ядерная «зола» — отходы в виде гелия. Кроме того, звезда — случай шаткого равновесия между силой гравитации, стремящейся полностью уничтожить звезду, и силой ядерного взаимодействия, обладающей мощностью триллионов водородных бомб, которая стремится разорвать звезду. Расходуя свое ядерное топливо, звезда достигает зрелости и старости.

Для того чтобы понять, как в ходе ядерной реакции выделяется энергия, и выяснить, какие жизненные этапы проходит звезда, прежде чем стать черной дырой, обратимся к рис. 10.1, на котором представлен один из наиболее важных графиков современной науки, иногда называемый кривой энергии связи. На горизонтальной оси отражена атомная масса различных элементов — от водорода до урана. На вертикальной оси — грубо говоря, приблизительный средний «вес» каждого протона в ядре. Обратите внимание: протоны водорода и урана в среднем тяжелее, чем протоны других элементов в центре графика.