Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

ЦВЕТНЫЕ ИЛЛЮСТРАЦИИ

Рис. 1. Солнечная система

Закон всемирного тяготения Ньютона определяет строение всей наблюдаемой Вселенной — Метагалактики. Прежде всего его действие проявляется в движении планет нашей Солнечной системы.

Рис. 2. Образ Моря Дирака

Это случилось давным-давно, когда кварки были свободными и презирали конфайнмент (особое качество кварков, состоящее в невозможности увидеть их «воочию»), вакуум обладал великим множеством симметрий и ни одна из них не была нарушена. И не было мира, в котором мы живем, а был только Дирак, который стоял на берегу моря элементарных частиц и решал задачу о рыбах, которых поймали и унесли с собой рыбаки, так что на берегу не осталось никого. И как он ни решал эту задачу, число рыб получалось отрицательным.

Ток стоял Дирак, ничего уже не решая, о только думая о физике элементарных частиц как о женщине, которая может одарить своими милостями, а может и отказать в них. Потом он думал о женщине как о море и о море как о физике элементарных частиц, и ощущение того, что истина где-то рядом, наполняло его скрытой энергией. Когда много лет занимаешься физикой и делаешь свое дело хорошо, предчувствие открытия всегда приходит чуть-чуть раньше, опережая само открытие. Там, по ту сторону вакуума, он увидел множество частиц, море частиц, обладающих отрицательной энергией и упавших вниз и подпирающих собой бездну. Море смеялось…

Когда Дирак опубликовал свою работу и через год новая частица была обнаружена экспериментально, наш мир в одночасье удвоился, и всеобщее ликование и ощущение праздника заслонили собой одно простое обстоятельство: оба мира, один зеркальное отражение другого, были неравноправны.

Как ни поправляли потом вакуум, как ни перенормировали, так он и остался скособоченным. Так родилась наша Вселенная. И были атомы, и были звезды.

Рис. 3. Вакуумные дырки

В результате аннигиляции масса исчезает, превратившись в электромагнитную энергию; исчезают заряды противоположных знаков и полностью компенсируются противоположно ориентированные спины. Но магнитный и электрический дипольные моменты никак не могут исчезнуть! Поэтому получается, что в той точке пространства, где произошла аннигиляция, должно остаться удивительное электромагнитное поле, существующее без вещества, как бы само по себе.

Рис. 4. Фрактальная форма цветной капусты

Самосогласованные процессы роста и развития часто встречаются в природе, подтверждая универсальность разработанного человеком математического аппарата.

Рис. 5. Спектр электромагнитного излучения

Электромагнитные волны образуют сплошной энергетический спектр длин волн и соответствующих частот, подразделяемый на условные диапазоны — от радиоволн до гамма-лучей.

Рис. 6. Запутанность нашего мира

Математика, математический порядок является тем первичным принципом, на основании которого может стать понятным все многообразие явлений… Итак, для понимания пестрого многообразия явлений следовало найти в нем формальный единый принцип, который можно выразить математическим языком. В результате обнаруживается тесная связь между понятым и прекрасным. Ведь если в прекрасном видеть согласие частей друг с другом и с целым и если, с другой стороны, та же формальная взаимосвязь впервые делает возможным какое бы то ни было понимание вообще, переживание прекрасного почти отождествляется с переживанием понятой или хотя бы предугаданной взаимосвязи.

Рис. 7. Модель Вселенной

Кусочек Метагалактики можно описать в фиолетовых тонах темной неизвестной материи, добавив желто-зеленые облака межзвездного водорода с красными прожилками пыли и охватив все это сине-голубой сеткой сверхструктуры галактик. Однако сколько же информации может потребоваться для полного описания нашего мира?

Рис. 8. Взрывная Метагалактика

Как и во всякой физической системе, материя, содержащаяся во Вселенной, нагревается при сжатии и охлаждается при расширении. …Значит, на первых этапах Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей, так как находилась в чрезвычайно сжатом состоянии. Поэтому содержимое Вселенной на этом этапе обычно называют первичным огненным шаром.

Рис. 9. Эффект Доплера

Если мы стоим на железнодорожной насыпи и нас приветствует проходящий мимо локомотив, то его сигнал меняется поразительным образом от свистка до басовитого гудения. Данное явление изменения воспринимаемой частоты колебаний при движении источника или приемника волн впервые исследовал немецкий акустик К. Доплер. Эффект Доплера справедлив для любых волн, и в астрономии по доплеровскому сдвигу частоты испускаемого света судят о скорости движения небесных тел. Наблюдение доплеровского сдвига частот света удаленных галактик в виде так называемого красного смещения свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием. Вопрос о физических причинах красного смещения до сих пор бурно дебатируется в астрономических и особенно околоастрономических кругах, хотя подавляющее большинство ученых сходятся во мнении, что смещение линий в спектрах далеких галактик вызвано именно расширением Вселенной.

Рис. 10. Реликтовый микроволновый фон

Реликтовое излучение заполняет всю Вселенную, и если бы мы могли видеть микроволны, все небо пылало бы во всех направлениях. Микроволновый фон является одним из главных доказательств реальности сценария «горячей Вселенной» и самого Большого взрыва.

Рис. 11. Звездная система из белого карлика и красного гиганта

Здесь представлена художественная модель космического катаклизма в двойной звездной системе. Красный гигант сбрасывает с себя водородный газовый слой на своего компаньона — белый карлик. При этом может произойти чудовищный термоядерный взрыв, который земные астрономы увидят как новую звезду. Ученые предполагают, что в подобных звездных системах через сотни тысяч лет на поверхности белого карлика может собраться столько вещества, что произойдет один из самых мощных космических катаклизмов — взрыв сверхновой звезды. Модель белого карлика была разработана в тридцатые годы прошлого века, после создания квантовой механики и открытия нейтрона. Тогда физики исследовали возможность формирования этих особых звездных компактных объектов, а также нейтронных звезд после истощения в недрах звезды ядерного топлива. В ходе выгорания вещества звездное ядро может сжаться в маленький сверхплотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.

Рис. 12. Сверхновые звезды в далеких галактиках

В тридцатых годах прошлого века целый ряд астрономов выдвинули гипотезу о том, что вспышки сверхновых звезд представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезд. Тогда же было высказано предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.

Рис. 13. Гипотетическая сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики

В центре нашей Галактики — Млечного Пути находится таинственный кандидат в черные дыры с массой, более чем в два миллиона раз превышающей массу Солнца. Это заключение астрономы сделали, наблюдая искажения траекторий звезд, обращающихся вокруг центра Галактики. Невидимый центр сверхсильного притяжения таких звезд должен быть исключительно компактным. Все это полностью соответствует портрету гравитационного коллапсара, созданному физиками-теоретиками.

Рис. 14. Модельная схема редукции волнового пакета

Если разместить в пространстве детекторы для определения параметров пучка квантовых микрообъектов, например электронов, то в определенный момент один из данных детекторов пошлет сигнал о поимке электрона. Это означает, что вероятность нахождения отслеживаемой частицы в данный момент в месте расположения детектора тут же превращается в единицу, тогда как вероятность ее появления в любом другом месте и в иное время сразу падает до нуля. Но если бы мы решили уравнение Шрёдингера до срабатывания детектора, то оказалось бы, что волновая функция непрерывно распределена во времени и пространстве.

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^-35 м), 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.

Рис. 23. Остаток сверхновой и нейтронная звезда

Это типичный остаток от взрыва звезды, которым неизбежно заканчивается жизнь массивных звезд. Нейтронная звезда светится во всем спектре электромагнитного излучения — от радиоизлучения (синий цвет) до оптического (красный цвет) и рентгеновского (зеленый цвет). Свет от взрыва звезды, создавшего это расширяющееся космическое облако, преодолел путь длиною около пяти тысяч световых лет и достиг нашей планеты несколько тысяч лет назад.

Рис. 24. Загадочная энергия Солнца

В своих работах энтузиасты антигравитации указывают на еще одно возможное космическое проявление следов отрицательных масс. Речь идет об источнике солнечной энергии. Физики долго были уверены, что это — бушующие в его недрах термоядерные реакции. С точки зрения ядерной физики наше светило не что иное, как термоядерная бомба, только такая огромная, что взрыв ее продолжается миллиарды лет. Мы можем достаточно точно рассчитать интенсивность реакций, необходимых для поддержания наблюдаемой температуры Солнца, и соответственно вычислить поток рождающихся в этих реакциях частиц нейтрино. То, что в действительности наблюдается значительно меньший их поток, говорит о том, что интенсивность термоядерных реакций на Солнце меньше расчетной, а это означает, что там, возможно, есть еще какой-то дополнительный, неизвестный нам источник энергии. Может быть, Солнце подогревается потоком частиц-антигравитантов, изливающихся из глубин космоса? Опускаясь по шкале отрицательных энергий, они могут передавать положительную энергию солнечной плазме и поднимать ее температуру.

Рис. 25. Свернутое пространство в фотообъективе «рыбий глаз»

Для объединения известных четырех взаимодействий нужно не менее шести новых направлений в пространстве. С другой стороны, исследования, основанные на теории симметрий Галуа, показали, что имеется всего только две возможности — десяти- и одиннадцатимерное пространство-время. Тем не менее до однозначности здесь еще далеко. Структура многомерных пространств чрезвычайно сложна, и дополнительные шесть или семь степеней свободы можно «свернуть» в сверхмалом объеме множеством способов. И каждый способ — новая теория со своими геометрическими и физическими особенностями.

Рис. 26. Зарождение первых звезд

Вполне вероятно, что если принять на вооружение «темный» сценарий зарождения галактик, то определяющая роль «темных» гравиконцентратов — правда, гораздо меньшего масштаба — выявится и при образовании первых звезд.

Рис. 27. Эволюция «шиворот-навыворот». Компьютерная модель смеси «темных» и «обычных» частиц в ранней Вселенной

Традиционный сценарий развития процесса Большого взрыва, просуществовавший без малого столетие, предполагал вполне понятную и логически стройную линию развития материи от элементарных частиц, атомов и молекул до звезд, планет и галактик. Согласно новым схемам построения Мироздания, уже на самых ранних этапах эволюции Вселенной скрытые «темные» частицы входили в смесь с обычным веществом, образуя неоднородности скрытых тяжелых частиц. Эти «зерна» темного вещества могли бы составить своеобразный «темный скелет» будущих галактик. То есть к моменту формирования ядер атомов темная материя вполне успела бы оформиться в галактики и даже в скопления галактик, а уже на них начали бы собираться под воздействием гравитации высвобождающиеся элементы обычной материи. Такая модель формирования нашего мира напоминает затягивание пены обычного вещества в водовороты вселенской реки темной материи.

Рис. 28. Расширение Вселенной

Наглядно расширение Вселенной можно представить как раздувание поверхности воздушного шара. При этом возникает иллюзия, что каждая точка пространства является центром расширения, удаляясь на фоне увеличения всех вселенских масштабов. С течением времени неизвестная энергия, вызвавшая раздувание, перешла в тепло — и Вселенная разогрелась, положив начало Большому взрыву. Современные космологи все больше склоняются к тому, что возникновение Мироздания напоминает кипение вакуума с образованием множества пузырей пространственно-временной пены. После Большого взрыва на протяжении семи миллиардов лет в балансе вселенских сил доминировала гравитация, тормозя разлет галактик во Вселенной. Затем произошел совершенно непонятный сдвиг физических законов — и наш мир стал расширяться ускоренно.

Рис. 29. Галактический горизонт

Условную границу, отделяющую все, что могут разглядеть и зафиксировать самые мощные астрономические инструменты, от еще не познанной Вселенной, часто называют метагалактическим — или просто галактическим — горизонтом. С двадцатых годов прошлого века за границу галактического горизонта вместе с астрономами и астрофизиками стали «заглядывать» физики-теоретики, надеясь открыть путь к построению «теории всего».

Что же там может находиться, за метагалактическим горизонтом? Бесконечна ли Вселенная или замкнута сама на себя? Если размеры ее конечны, то как будет происходить дальнейшее расширение пространства?

Открытие ускоренного расширения Вселенной только добавило вопросов в общую картину Мироздания. Теперь все больше теоретиков предполагают, что за галактическим горизонтом могут скрываться невообразимые разливы пространства-времени, рядом с которыми даже космические провалы черных дыр квазаров покажутся микроскопически ничтожными.

Рис. 30. Распространение элементов в Метагалактике

По данным наблюдений, Вселенная состоит в основном из водорода (¾ по массе) и гелия (¼); прочие элементы составляют примесь порядка одного процента. Эти данные получены на основе анализа спектров звезд и межзвездного газа и хорошо согласуются с теоретическими моделями астрофизики, описывающими состав и эволюцию звезд. Приведенные выше цифры (¾ и ¼) относятся к начальной фазе данной эволюции, в процессе которой в звездах вырабатываются и другие, в том числе тяжелые элементы. По современным представлениям, в первые минуты своего существования Вселенная прошла «эру нуклеосинтеза», во время которой и образовались водород и гелий в пропорции 3:1, а также ничтожная доля других легких элементов, в частности лития и изотопов водорода — дейтерия и трития. Все прочие, более тяжелые элементы уже гораздо позднее образовались внутри звезд, а в межзвездное пространство попадают при взрывах сверхновых звезд.