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

В ином варианте точка космологической сингулярности Большого взрыва предстает подобием центра симметрии, относительно которого Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если правы космологи, считающие, что расширение пространства-времени будет продолжаться неопределенно долго, до тех пор, пока вся материя не превратится в разряженный атомарный газ, то Вселенная так же бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный газ, содержащий в себе излучения и пылевидное вещество. Силы взаимодействия между частицами этого газа практически не существовали, однако с течением времени силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайные неоднородности первичного вещества вызывали эффект гравитационного «снежного кома», приводя к скапливанию протовещества, с последующим ростом плотности до критического значения начала гравитационного коллапса. Так начали образовываться первичные черные дыры.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр — не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, то наш мир — это бывшая внутренность одной из страшных черных дыр.

Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, некоторые физики вполне обоснованно замечают, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории квантовых мембран. Но их оппоненты возражают, что поскольку уравнения М-теории не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, то в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственного первичного расширения пространства-времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Другой популярный в научных кругах физиков-теоретиков космологический суперструнный сценарий носит название экпиротического (от греч. ekpyrotic — пришедший из огня). В нем предлагается модель досингулярной Вселенной как одной из мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры. Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся, — и так практически до бесконечности. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

Сейчас уже можно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики-теоретики настойчиво обращают внимание на то, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашего мира. Космологи комментируют этот парадокс с помощью своеобразного «научного заклинания»: «ландшафт суперсимметричных мембран качественно мультивариантен». Вообще говоря, это очень простая в переводе на «человеческий» язык фраза: любая теоретическая придумка найдет себе место в теории стрингов. А в «высокоинтеллектуальном» смысле это означает, что теория имеет критический уровень научной спекулятивности и ее вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно объяснить какой-нибудь модификацией суперструнной модели.

Однако было бы совершенно необоснованным считать, что физики-теоретики наслаждаются подобной ситуацией, с легкостью поглощая и тут же трансформируя в свою пользу любые контраргументы. Скорее наоборот, большинство из них с нетерпением ждут, что при внимательном изучении вопроса все же вскроется какой-то механизм сворачивания многомерных бран в наше привычное трехмерное пространство (теоретики любят называть его четырехмерным многообразием Минковского, имея в виду и временное измерение). Разумеется, поиск такого механизма представляет собой чрезвычайно сложную научную проблему, поэтому большинство исследователей надеются хотя бы отчасти «надрубить» данный «суперсимметричный» гордиев узел М-проблематики новыми экспериментальными фактами, с нетерпением ожидая сенсационных новостей с Большого адронного коллайдера.

За гранью Большого взрыва

Притягиваясь, мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном движению. Их соударение порождает начало Большого взрыва, преобразуя кинетическую энергию в материю и излучение. После удара мембраны расходятся и начинают расширяться, а материя проходит все стадии формирования от элементарных частиц до скопления галактик. В циклической модели силы притяжения замедляют движение расходящихся мембран, затем мембраны останавливаются и снова начинают сближаться, порождая новый Большой взрыв, — и так до бесконечности…===

Разумеется, никто не может лучше рассказать о теории суперструн, чем один из ее создателей, директор Института теоретической физики при Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре Дэвид Джонатан Гросс. В своей статье «От частиц к струнам» он довольно убедительно аргументирует, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Гросс пишет:

«Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает „нет“. Если бы у вас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц вы бы увидели в него протяженные струны. Согласно теории струн, базовыми составляющими материи являются не точечные частицы, а протяженные одномерные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.