Мир в ореховой скорлупке (илл. книга-журнал)
Шрифт:
Черная дыра в нашем мире на бране должна иметь продолжение в дополнительных измерениях. Если черная дыра маленькая, она будет почти круглой, но большая черная дыра на бране будет в дополнительных измерениях напоминать по форме блин.
Как объяснялось в главе 4, квантовая теория утверждает, что черные дыры не совсем черные: они, как любое нагретое тело, испускают излучение и частицы всех видов, которые будут распространяться по бране, поскольку к ней привязаны вещество и негравитационные силы, такие как электричество. Однако черные дыры испускают также и гравитационные волны. Они не будут привязаны к бране и могут распространяться также и в дополнительные измерения. В случае большой блиноподобной черной дыры гравитационные волны останутся вблизи браны. Это означает, что скорость потери черной дырой энергии (а значит, и массы —
Это означает, что финальная вспышка излучения от испаряющейся черной дыры покажется менее мощной, чем она в действительности была. Вот почему, возможно, мы не наблюдаем всплесков гамма-излучения, которые можно было бы связать со смертью черных дыр, хотя есть и другое, более прозаичное объяснение: может быть, просто черных дыр с массой, достаточно малой, чтобы они успели испариться за время существования Вселенной, не слишком много.
Излучение от черных дыр в мире на бране возникает из-за квантовых флуктуаций частиц на бране и вне ее. Но браны, как и все остальное во Вселенной, сами подвержены квантовым флуктуациям. Они могут вызвать спонтанное появление и исчезновение бран. Квантовое рождение браны чем-то похоже на образование пузырька пара в кипящей воде. Жидкая вода состоит из миллиардов и миллиардов молекул Н2О, связанных между собой благодаря взаимодействию между ближайшими соседями. По мере нагревания воды молекулы движутся все быстрее и, сталкиваясь, отскакивают друг от друга. Изредка эти столкновения придают такие большие скорости группе молекул, что связи между ними разрываются и образуется крошечный пузырек пара, окруженный водой. Затем пузырек будет расти или уменьшаться случайным образом в зависимости от того, каких молекул больше: тех, что переходят из связанного жидкого состояния в пар или наоборот. Большинство маленьких пузырьков пара схлопывается, вновь возвращаясь в жидкое состояние, но есть такие, что вырастают до определенного критического размера, за которым они почти наверняка продолжат расти. Именно эти большие расширяющиеся пузыри мы видим, когда вода кипит (рис. 7.17).
Аналогично ведут себя миры на бранах. Принцип неопределенности позволяет им появляться из ничего, как пузырькам, причем брана образует поверхность пузырька, а его внутренность находится в пространстве более высокой размерности. Очень маленькие пузырьки имеют тенденцию схлопываться и возвращаться в небытие, но пузырь, который благодаря квантовым флуктуациям вырос крупнее определенного критического размера, скорее всего, продолжит расти. Люди (такие, как мы), живущие на бране, то есть на поверхности пузыря, будут думать, что Вселенная расширяется. Как будто галактики нарисовали на поверхности воздушного шара и стали его надувать. Галактики будут разбегаться, но ни одну галактику нельзя считать центром расширения. Будем надеяться, что никто не проткнет наш пузырь космической булавкой.
Согласно предположению об отсутствии границ, которое мы рассматривали в главе 3, спонтанно созданный мир на бране должен иметь историю в мнимом времени, которая похожа на скорлупу ореха — четырехмерную сферу, подобную поверхности Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Важное отличие состоит в том, что описанная в главе 3 ореховая скорлупка была, по сути, пустой: четырехмерная сфера не имела никаких границ, а шесть или семь других измерений, которые предсказывает М-теория, должны быть свернуты до размеров куда меньше скорлупки. Однако в новой картине мира на бране скорлупка должна быть наполнена: история в мнимом времени для браны, на которой мы живем, будет четырехмерной сферой, которая ограничивает пятимерный пузырь, а оставшиеся пять или шесть измерений свернуты до очень малых размеров (рис. 7.18).
Картина происхождения Вселенной в случае мира на бране отличается от той, что обсуждалась в главе 3, поскольку слегка приплюснутая четырехмерная сфера — наша ореховая скорлупка — больше не является пустой, а заполнена пятым измерением.
Эта история браны в мнимом времени должна задавать ее историю в действительном времени, в котором она будет расширяться в ускоряющемся инфляционном режиме, как это было описано в главе 3. Идеально гладкая и круглая скорлупа будет самой вероятной историей пузыря в мнимом времени. Однако она соответствует бране, которая в действительном времени вечно расширяется в инфляционном режиме. На такой бране не образуются галактики и потому не сможет развиться разумная жизнь. С другой стороны, хотя вероятность не идеально гладких и круглых историй в мнимом времени несколько меньше, зато они могут соответствовать поведению в действительном времени, при котором брана вначале проходит фазу ускоряющегося инфляционного
расширения, но потом расширение начинает замедляться. Во время этого замедления могут образоваться галактики и развиться разумная жизнь. Так что согласно описанному в главе 3 антропному принципу разумные существа, которые задаются вопросом, почему происхождение Вселенной было не идеально гладким, могут наблюдать только немного «волосатые» скорлупки.По мере расширения браны объем пространства высокой размерности внутри нее будет увеличиваться. В конце концов образуется колоссальный пузырь, окруженный браной, на которой живем мы. Но действительно ли мы живем на бране? Согласно голографической идее, описанной в главе 2, информация о том, что происходит внутри области пространства-времени, может быть закодирована на ее границе. Так что, быть может, мы думаем, что живем в четырехмерном мире, потому что представляем собой лишь тени, отбрасываемые на брану тем, что происходит внутри пузыря. Однако, придерживаясь позитивистской точки зрения, нельзя спросить: «Что есть реальность: брана или пузырь?» И то и другое — математические модели, которые описывают наблюдения. Каждый свободен использовать ту модель, которая ему наиболее удобна. Что находится снаружи браны? Тут есть несколько возможностей (рис. 7.19).
1. Снаружи может не быть ничего. Хотя пузырь пара окружен водой, это лишь аналогия, помогающая нам визуализировать происхождение Вселенной. Можно представить себе математическую модель, которая будет просто браной с многомерным пространством внутри, за пределами которой нет абсолютно ничего, даже пустого пространства. Предсказания такой математической модели можно рассчитать без всяких ссылок на то, что снаружи.
2. Можно построить математическую модель, в которой внешняя сторона пузыря будет приклеена к внешней стороне другого пузыря. В действительности эта модель математически эквивалентна описанной выше возможности, что за пределами пузыря ничего нет, но с позиций психологии она имеет отличие: люди чувствуют себя комфортнее, находясь в центре пространства-времени, а не на его краю. Однако для позитивиста возможности 1 и 2 идентичны.
3. Пузырь может расширяться в пространство, которое не является полной копией того, что внутри пузыря. Эта возможность отличается от двух рассмотренных выше и больше похожа на случай кипящей воды. Могут образовываться и расширяться другие пузыри. Их столкновения и слияния с пузырем, на котором живем мы, чревато катастрофическими последствиями. Есть даже предположение, что сам Большой взрыв мог случиться из-за столкновения между бранами.
Подобные этим модели миров на бране — горячая тема научных исследований. Все эти построения в высшей степени гипотетические, но они предполагают новые типы эффектов, которые можно проверить наблюдениями. Они могут объяснить, почему гравитация выглядит столь слабой. В фундаментальной теории она может быть очень сильной, но растекание гравитационного взаимодействия по дополнительным измерениям будет означать его ослабление на больших расстояниях на бране, которую мы населяем.
Голография сохраняет информацию об области пространства на поверхности, размерность которой на единицу меньше. И это, по-видимому, является свойством гравитации, о чем говорит тот факт, что площадь горизонта событий служит мерой числа внутренних состояний черной дыры. В модели мира на бране голография — это однозначное соответствие между состояниями нашего четырехмерного мира и состояниями более высокой размерности. С позитивистской точки зрения нельзя определить, какое из описаний является более фундаментальным.
Следствием этого будет то, что планковская длина — наименьшее расстояние, которое мы можем изучать, не создавая черных дыр, — окажется намного больше, чем соответствует слабой гравитации на нашей четырехмерной бране. Самая маленькая матрешка может оказаться не такой уж крошечной и быть в пределах досягаемости для будущих ускорителей элементарных частиц. Фактически мы могли бы уже открыть наименьшую матрешку, фундаментальную планковскую длину, если бы США из-за финансового кризиса в 1994 г. не прекратили сооружение сверхпроводящего суперколлайдера SSC (Superconducting Super Collider), который уже был наполовину построен. Сейчас строится другой такой ускоритель — Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadron Collider) в Женеве (рис. 7.20).
Схема размещения в туннеле Большого электрон-позитронного коллайдера LEP существующей инфраструктуры и установок будущего Большого адронного коллайдера LHC. Женева, Швейцария.
Эксперименты на нем и другие наблюдения, такие как измерения фона космического микроволнового излучения, возможно, позволят определить, живем ли мы на бране или нет. Если да, то, предположительно, потому, что антропный принцип выбрал модель бран из огромного паноптикума вселенных, допускаемых М-теорией. Переиначив слова Миранды из шекспировской «Бури», воскликнем: