Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Грин Брайан

С некоторых пор уже ведутся и прямые поиски частиц тёмной материи, проносящихся через Землю, хотя такие эксперименты чрезвычайно трудны. Из примерно миллиона частиц тёмной материи, которые должны ежесекундно проходить через площадь размером примерно с 25-центовую монетку, в лучшем случае только одна может оставить какой-либо след в экспериментальной установке, специально построенной для их обнаружения. До сих пор не было подтверждённых обнаружений частиц тёмной материи. ^{193} Имея перед собой цель, всё ещё парящую вдалеке, исследователи настойчиво продвигаются вперёд. Вполне возможно, что в течение следующих нескольких лет будет установлено, из чего же состоит тёмная материя.

Окончательное подтверждение существования тёмной материи и прямое определение её состава явилось бы крупным достижением. Впервые в истории мы узнали бы о чём-то основополагающем и одновременно удивительно ускользающем:

о составе большей части материального содержимого Вселенной.

Но всё же, как мы видели в главе 10, недавние результаты определённо указывают на то, что помимо тёмной материи остаётся ещё кое-что не менее важное, требующее экспериментальной проверки: наблюдения за сверхновыми свидетельствуют в пользу космологической постоянной, на долю которой приходится 70% полной энергии во Вселенной. Как самое волнующее и неожиданное открытие за последнее десятилетие, это свидетельство в пользу космологической постоянной — энергии, заполняющей пространство, — требует решительного и надёжного подтверждения. С этой целью тоже запланирован или уже осуществляется целый ряд проектов.

Эксперименты, относящиеся к реликтовому излучению играют важную роль и здесь. Размер пятен на рис. 14.4 (где, напомним, каждое пятно соответствует области одинаковой температуры) отражает форму ткани пространства. Если бы пространство имело сферическую форму, как на рис. 8.6 а, то выпуклость пространства сделала бы пятна более крупными, чем на рис. 14.4 б; если бы пространство имело седлообразную форму, как на рис. 8.6 в, пятна были бы несколько меньше; а если пространство плоское, как на рис. 8.6 б, то размер пятен имеет промежуточное значение между двумя упомянутыми выше случаями. Точные измерения, выполненные COBE, а затем улучшенные WMAP, веско подтверждают предположение, что пространство плоское. Это не только соответствует теоретическим ожиданиям, исходящим из инфляционных моделей, но и полностью согласуется с результатами наблюдений сверхновых звёзд. Как мы видели, в плоской Вселенной требуется, чтобы общая плотность материи/энергии равнялась критической плотности. Все данные впечатляюще согласуются друг с другом при вкладе обычной и тёмной материи около 30%, и вкладе тёмной энергией около 70%.

Более прямое подтверждение результатов по сверхновым является целью исследований, проводимых с помощью спутника SNAP (SuperNova/Acceleration Probe — спутник для изучения сверхновых и расширения Вселенной), предложенного учёными Лоуренсовской лаборатории в Беркли (Lawrence Berkeley Laboratory). SNAP будет представлять собой орбитальный спутниковый телескоп, способный измерять в 20 раз больше сверхновых, чем в земных обсерваториях. SNAP в состоянии не только подтвердить предыдущие результаты о том, что 70% приходится на долю тёмной энергии, но также он должен оказаться способным точнее определить природу тёмной энергии.

Вы видите, хотя я описал тёмную энергию как одну из версий космологической постоянной Эйнштейна — постоянной, неизменной энергии, заставляющей пространство постоянно расширяться, — но есть и тесно связанная альтернативная возможность. Вспомним из обсуждения инфляционной космологии (и прыгающей лягушки), что поле, величина которого держится на уровне, превосходящем уровень самого низкого энергетического состояния, может действовать подобно космологической постоянной, вызывая ускоренное расширение пространства, но обычно оно способно на это только в течение короткого промежутка времени. Рано или поздно поле займёт своё место на дне энергетической чаши, и его расталкивающее действие исчезнет. В инфляционной космологии это происходит за крошечную долю секунды. Но за счёт введения нового поля и тщательного подбора формы его энергетической чаши физики нашли способ, как сделать ускоренное расширение гораздо более мягким и длящимся гораздо дольше — чтобы поле вызывало относительно медленное и равномерное расширение пространства, длящееся не доли секунды, а миллиарды лет, по мере того как поле очень медленно скатывается в состояние с наименьшей энергией. Это открывает возможность, что прямо сейчас мы можем переживать чрезвычайно мягкую версию инфляционного взрыва, который имел место в самые ранние моменты истории Вселенной.

Это различие между настоящей космологической постоянной и последней возможностью, известной как квинтэссенция, имеет минимальное значение сегодня, но влечёт чрезвычайные последствия для далёкого будущего Вселенной. Космологическая постоянная постоянна— она обеспечивает нескончаемое расширение, так что Вселенная будет всё быстрее расширяться и будет становиться всё более разреженной и пустой. Но в концепции квинтэссенции ускоренное расширение рано или поздно закончится, так что будущее

рисуется менее безрадостным и пустынным, чем при вечном ускоренном расширении. Фиксируя изменения в ускорении расширения пространства за отдалённые промежутки времени (посредством наблюдения сверхновых, удалённых от нас на различные расстояния и, следовательно, на различные временные эпохи), SNAP, может быть, поможет выделить верный вариант. Определив, представляет ли тёмная энергия действительно постоянную величину — космологическую постоянную, — SNAP позволит заглянуть в очень отдалённое будущее Вселенной.

Пространство, время и предположения теории

Наше путешествие к раскрытию природы пространства и времени было долгим и насыщенным множеством сюрпризов; несомненно, мы ещё только в начале пути. За несколько последних столетий мы были свидетелями цепочки прорывов, каждый из которых радикально менял наши представления о пространстве и времени. Теоретические и экспериментальные предложения, рассмотренные в данной книге, отражают идеи и взгляды нашего поколения; вероятно, большая их часть войдёт в наше научное наследие. В главе 16 мы обсудим некоторые из самых недавних теоретических достижений в попытке пролить свет на то, что может оказаться следующими шагами нашего путешествия. Но сначала, в главе 15, посмотрим в другом направлении.

Хотя нет и не может быть никаких правил научных открытий, но история показывает, что глубокое понимание часто ведёт к новым технологическим достижениям. Изучение электромагнитного взаимодействия в XIX в. в конечном счёте привело к изобретению телеграфа, радио и телевидения. Объединив это знание с последующими прорывами в области квантовой механики, мы смогли создать компьютеры, лазеры и самые разнообразные электронные устройства, которым не счесть числа. Понимание ядерных сил привело к опасному овладению самым мощным оружием, которое когда-либо знал мир, а также к развитию технологий, которые в перспективе могли бы удовлетворить энергетические потребности всего мира с помощью всего лишь цистерн солёной воды. Станет ли наше всё углубляющееся понимание пространства и времени первым шагом аналогичной цепочки открытий и технологических достижений? Овладеем ли мы когда-нибудь пространством и временем и достигнем ли того, что пока является уделом лишь научной фантастики?

Никто не знает этого. Но давайте сейчас оценим, как далеко мы зашли и что это может повлечь за собой.

Глава 15. Телепортация и машины времени

Путешествие сквозь пространство и время

Возможно, мне просто не хватало воображения в далёких 1960-х гг., но самой невероятной вещью мне тогда казался компьютер на борту «Энтерпрайза»из сериала «Звёздный Путь». Я был учеником начальной школы и мог спокойно допустить, что когда-нибудь будут созданы двигатели, позволяющие почти мгновенно преодолевать громадные космические расстояния, и меня не удивляла Вселенная, населённая инопланетянами, бегло говорящими по-английски. Но чтобы машина могла по запросу выводить изображение какой угодно исторической личности, предоставлять технические спецификации для любого оборудования или текст какой угодно книги из когда-либо написанных? Именно в этоя отказывался верить. В конце 1960-х гг. подросток в моём лице был уверен, что никогда не будет найден способ собирать, хранить и предоставлять быстрый доступ к такому богатству информации. И всё же, менее полувека спустя, я сижу на кухне с ноутбуком, снабжённым беспроводным доступом в Интернет и программой распознавания речи, и играю роль капитана Кирка, листая обширные хранилища знаний — от капитальных до несерьёзных — не пошевелив и пальцем. Конечно, наши компьютеры ещё проигрывают в скорости и эффективности вымышленным компьютерам XXIII в. из мира «Звёздного Пути», но легко представить, что через двести лет наши технологии превзойдут всяческие ожидания.

Этот пример стал одним из избитых штампов для иллюстрации возможности научной фантастики предсказывать будущее. Но что может быть соблазнительней такой машины: вы входите в помещение, щёлкаете переключатель и мгновенно переноситесь в далёкое место или другое время? Возможно, однажды мы освободимся от ограничений на пространство и время, к которым мы были так долго привязаны, и познаем дальние пределы пространств и времён? Или же такая возможность навсегда останется уделом научной фантастики? Уличив меня в детской неспособности предвидеть информационную революцию, вы можете усомниться в моей способности предсказывать будущие технологические прорывы. Поэтому вместо размышлений о вероятности того, что может быть, в этой главе я расскажу, как далеко мы уже продвинулись, как в теории, так и на практике, в направлении реализации телепортации и машины времени, и что понадобится для дальнейшего продвижения и овладения контролем над пространством и временем.