Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса - Грин Брайан - Страница 38

Позже, в 1950-х годах, голландский физик Герман Занстра привлёк внимание к противоречию в циклических моделях, которое неявно присутствовало в работах Толмана двадцатью годами ранее. Занстра показал, что циклу нашей Вселенной не могло предшествовать бесконечное число циклов. Проблема кроется во втором законе термодинамики. Этот закон, более подробно обсуждаемый в главе 9, говорит, что беспорядок — энтропия — возрастает со временем. Мы наблюдаем это каждый день. Прибранная утром кухня к вечеру требует новой уборки; то же самое происходит с бельём в платяном шкафу, на письменном столе и в комнате для отдыха. В этих каждодневных ситуациях возрастание энтропии — лишь досадная мелочь, но в циклической космологии оно имеет решающее значение. Толман тоже понимал, что из уравнений общей теории относительности вытекает связь между энтропией Вселенной и продолжительностью данного цикла. Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченных частиц сдавливаются при схлопывании Вселенной; это приводит к более мощному последующему взрыву, пространство расширяется сильнее, и поэтому цикл длится дольше. Если оглянуться назад, то окажется, что благодаря второму закону термодинамики более ранние циклы обладали меньшей энтропией (из второго закона термодинамики следует, что энтропия возрастает по направлению в будущее, а по направлению в прошлое обязательно убывает)[33], и поэтому каждый предыдущий цикл был короче. Проведя соответствующие математические вычисления, Занстра показал, что в достаточно удалённом прошлом циклы настолько укорачивались, что должны были прекратиться. Иными словами, у последовательности циклов должно было быть начало.

Стейнхард и компания утверждают, что их новая версия циклической космологии избегает этой ловушки. В рамках их подхода циклы возникают не из-за того, что Вселенная расширяется, сжимается и снова расширяется, а потому что пространство, разделяющее миры на бранах, расширяется, сжимается и вновь расширяется. Сами по себе браны постоянно расширяются — этот процесс происходит во всех циклах. Как того требует второй закон термодинамики, энтропия возрастает от одного цикла к другому, но из-за расширения бран энтропия распределяется по постоянно растущему пространственному объёму. Полная энтропия возрастает, но её плотность уменьшается. К концу каждого цикла энтропия настолько разбавляется, что её плотность практически обнуляется, то есть происходит полный возврат к начальному состоянию. И поэтому, в отличие от теории Толмана и Занстры, циклы могут продолжаться бесконечно в направлении как будущего, так и прошлого. У бранной циклической мультивселенной нет необходимости иметь начало во времени.[34]

Такое обхождение со старой головоломкой о начале всех начал, безусловно является большим успехом циклической мультивселенной. Однако, как подчёркивают сторонники теории, циклическая мультивселенная не только решает космологические головоломки — она даёт особое предсказание, которое сможет отличить её от широко признанной инфляционной модели. В инфляционной космологии взрывоподобное расширение ранней Вселенной настолько сильно воздействует на пространственную структуру, что возникают сильные гравитационные волны. Такие волны должны были оставить след в реликтовом излучении и сейчас ведётся их поиск на высокочувствительном астрономическом оборудовании. Столкновение же бран сопровождается сильной кратковременной бурей, но без эффектного инфляционного расширения пространства, поэтому любые возникшие гравитационные волны скорее всего будут слишком слабы и быстро затухнут. Поэтому обнаружение гравитационных волн станет серьёзным свидетельством против циклической мультивселенной. С другой стороны, отсутствие любых наблюдательных данных о существовании таких гравитационных волн создаст серьёзные трудности большинству инфляционных моделей, и сделает циклический подход более привлекательным.

Идея циклической вселенной широко известна в физическом сообществе, но принимается с большим скептицизмом. Наблюдения могут изменить эту ситуацию. Если на Большом адронном коллайдере удастся получить доказательства существования миров на бране и если не будут обнаружены гравитационные волны, идущие из эпохи ранней Вселенной, то популярность циклической мультивселенной может значительно возрасти.

Внутри потока

Математическое осознание того, что в теории струн есть не только струны, но также и браны, оказало огромное влияние на исследования в этой области. Бранный сценарий и сопутствующие ему мультивселенные составляют направление исследований, которое потенциально может привести к значительному пересмотру наших представлений о реальности. Без точных математических методов, разработанных за последние полтора десятка лет, значительная часть этих открытий осталась бы за пределами наших возможностей. Однако основная проблема, которую физики надеялись решить с помощью точных методов, — выбор единственной формы пространства дополнительных измерений из многих кандидатов, выявленных теоретическими исследованиями, — пока остаётся нерешённой. Мы по-прежнему далеки от её решения. На самом деле, новые методы только усугубили проблему. Было открыто огромное количество новых видов пространств дополнительных измерений, что привело к невероятному увеличению числа возможных кандидатов, а понимание того, как выбрать одно единственное пространство, не продвинулось ни на йоту.

Ключевым для этих исследований явилось наличие у бран важной характеристики — потока. Подобно электрону, порождающему электрическое поле — электрический «туман», заполняющий пространство вокруг него, или подобно магниту, порождающему магнитное поле — магнитный «туман», заполняющий пространство вокруг него, брана порождает бранное поле — бранный «туман», заполняющий пространство вокруг неё (рис. 5.5). Когда в 1800-х годах Фарадей проводил первые эксперименты с электрическими и магнитными полями, для измерения напряжённости поля он использовал плотность силовых линий поля, расположенных на заданном расстоянии от источника, и эту величину он назвал потоком поля. С тех пор этот термин прочно вошёл в обиход. Напряжённость поля браны тоже измеряется порождаемым ей потоком.

Струнные теоретики, среди которых Рафаэль Буссо, Польчински, Стивен Гиддингс, Шамит Качру и многие другие, осознали, что для полного описания дополнительных измерений теории струн требуется не только определить их форму и размер — то, чем исследователи в этой области, включая меня, занимались в 1980–1990-х годах, — но также определить пронизывающие их потоки созданных бранами полей. Позвольте мне чуть более подробно остановиться на этом.

Со времён появления первых математических работ по дополнительным измерениям теории струн исследователям было известно, что пространства Калаби — Яу, как правило, содержат много пустых полостей, подобно пространству внутри мяча, внутри бублика или внутри фигурки из дутого стекла. Так продолжалось до тех пор, пока в самом начале нового тысячелетия теоретики не осознали, что пустые полости могут чем-нибудь заполняться. Они могут быть обёрнуты теми или иными бранами и пронизаны создаваемыми ими потоками полей (рис. 5.6). В более ранних исследованиях (кратко сформулированных, например, в «Элегантной Вселенной») по большей части рассматривались только «голые» пространства Калаби — Яу, для которых подобного рода украшения отсутствуют. Когда учёные осознали, что на пространства Калаби — Яу могут быть «навешены» дополнительные свойства, они обнаружили гигантский набор модифицированных пространств дополнительных измерений.