Современная научная картина мира
Шрифт:
Распад сингулярности можно представить в виде расходящейся во все стороны ряби от трепещущей первичной суперточки. Вероятно, истинное число ее степеней свободы составляло примерное количество суперструн нынешней Вселенной, помноженное на 9 или 10 степеней свободы. Сингулярность теряла свои исходные количественно астрономические степени свободы, сбрасывая их в виде 9– или 10-мерных суперструн. Это могло бы выражать действующий во Вселенной закон сохранения суммарного количества степеней свободы суперструн – закон, исходный для законов сохранения квантовых чисел (спина, электрического заряда и других свойств, заданных степенями свободы суперструн).
Передвигаясь по мировой поверхности как по среде с определенной степенью вязкости [552, с. 31–32; 803], суперструны испытывают ее сопротивление. Это происходит следующим образом. Вероятность встречи с короткоживущими виртуальными частицами мала. Однако для суперструн, перемещающихся с релятивистскими скоростями, она заметна. Причем чем выше частота их колебаний, тем она ощутимей. «Цепляясь» за встречные виртуальные частицы, суперструны претерпевают деформации, выражающиеся в уплотнении суперструны, т. е. в сокращении ее объема, падении амплитуды и соответствующем подъеме частоты колебаний.
Поэтому, как следует из теории относительности [120; 377], микрообъекты, ускоряясь на релятивистских скоростях, сокращаются в линейных размерах, прибавляют в массе и тормозятся во времени. Последнее обусловлено тем, что физическое время представляет собой дистанцию между событиями. Подскакивая при ускорении в частоте, суперструны сокращают эту дистанцию между своими колебаниями и, следовательно, замедляют свое время (при скорости света – вообще останавливают). Указанные релятивистские эффекты сродни эффекту Доплера в макромире (т. е. зависимости частоты колебания и длины волны от скорости движения источника звука или света). Масса покоя и масса движения у безмассовых частиц зависят от частоты колебания суперструны, что объясняет физическую природу формулы E = mc2 : чем энергичнее колебания суперструн, тем значительнее их массы (что подробно разъяснялось выше). У частиц с массой покоя имеется нижний предел частот, ответственных за эту массу. У безмассовых частиц он не фиксирован – поэтому масса «плавает» и не расценивается как масса покоя.
Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица «зависает» на отметке скорости света.
Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что-либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам-суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.
Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн-бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W-бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).
Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам «демиурга» – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.
Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.
1.2. Макромир
Вселенная родилась в Большом Взрыве и с тех пор непрерывно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла, обозначаемой символом Н. Две трети обратной ей величины (1/H) отвечают возрасту Вселенной при условии, что средняя плотность масс во Вселенной делает ее гравитационно замкнутой. При этом средняя плотность масс принимается за единицу ( = 1). Если средняя плотность масс меньше единицы ( < 1), Вселенная не замкнута и будет расширяться вечно. Если средняя плотность масс равна или больше единицы ( > 1), Вселенная замкнута, и ее расширение должно смениться сжатием (коллапсом). Эмпирические оценки средней плотности Вселенной разноречивы: = 0,3–1,3 [255; 270; 609; 832]. Однако средняя плотность Вселенной, в принципе, не может быть «отрицательной», т. е. иметь < 1 (так принято выражаться в астрофизике, хотя «омега» не может быть меньше «нуля» – она всего лишь меньше «единицы»).
Как отмечалось выше (см. разд. 1.1), Вселенная – это сплошная мировая поверхность, которая по квантово-механическим причинам не мыслится «тоньше» планковской длины. Допустим, Вселенная «попробует» расширяться вечно. Тогда, предельно растянувшись в расширении и достигнув «по толщине» планковской размерности, Вселенная непременно прекратит рост и под влиянием собственной внутренней гравитации обязательно начнет сжиматься. Поэтому ее вероятная средняя плотность больше или равна единице ( >= 1).
Между тем реальное положение вещей намного сложнее. Теоретическая оценка «омеги» – в том случае, когда она больше или равна единице, приложима лишь к изотропной модели Вселенной, т. е. ко Вселенной, повсеместно однородной. Однако современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию (о чем речь пойдет ниже). В неоднородной же (анизотропной) Вселенной средняя плотность вещества, по-видимому, составляет приблизительно Univ = ~ 0,245 (см. приложение 7). И все-таки данное обстоятельство не делает Вселенную открытой (вечно расширяющейся), поскольку в ее центральных областях местная плотность существенно превосходит критическую (т. е. loc > 1). Это превращает Вселенную в образование, склонное к поэтапному схлопыванию на манер «гармошки», и пока периферические области Вселенной продолжают вяло расширяться, центральные области уже властно сжимаются и шаг за шагом втягивают в себя беспомощную периферию. Подобная современная картина мира куда сложнее традиционной, однако лучше отвечает новым фактам (см. далее).
Наблюдательные астрономические оценки постоянной Хаббла колеблются в пределах 39–105 ±11 км/с на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 млн световых лет) [151; 174; 186; 243; 269; 331; 336; 341; 355; 404; 420; 428; 435; 527; 531; 624; 748; 792]. Для определения возраста Вселенной такие данные непригодны, поскольку дают колоссальный разброс величин и не учитывают неоднородность Вселенной (споры по поводу оценки постоянной Хаббла даже получили хлесткое наименование «войны Хаббловой константы» [269] – участники ее были беспощадны друг к другу). Имеется, правда, и другая теоретическая возможность.