ЗАГАДКИ КОСМИЧЕСКИХ СТРУН
Доктор физико-математических наук М. САЖИН (Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга МГУ), В. ШУЛЬГА (Институт космических
Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.
Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.
Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.
Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.
В 1979 году астрофизики, изучая радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, отождествили его с двумя слабыми звездочками. Расшифровав их оптические спектры, ученые поняли, что открыли еще одну пару неизвестных квазаров.
Эту работу по важности, пожалуй, можно сравнить с такими фундаментальными результатами, как обнаружение пульсаров, квазаров, установление сетчатой структуры Вселенной. «Линза» Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века.
Работа Тернера пока чем-то напоминает открытие планеты Нептун французским астрономом Леверье: новая линза существует тоже лишь на кончике пера. Она вычислена, но не обнаружена.
Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть «замкнута» на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их «не чувствует» и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.
И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.
Что такое космические струны
Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.
Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.
Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.
Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.
В 1979 году астрофизики, изучая радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, отождествили его с двумя слабыми звездочками. Расшифровав их оптические спектры, ученые поняли, что открыли еще одну пару неизвестных квазаров.
Эту работу по важности, пожалуй, можно сравнить с такими фундаментальными результатами, как обнаружение пульсаров, квазаров, установление сетчатой структуры Вселенной. «Линза» Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века.
Работа Тернера пока чем-то напоминает открытие планеты Нептун французским астрономом Леверье: новая линза существует тоже лишь на кончике пера. Она вычислена, но не обнаружена.
Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть «замкнута» на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их «не чувствует» и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.
Эволюция замкнутой космической струны может быть очень сложной. Ее простое самопересечение приводит к образованию пары колец, а более сложные сцепления создают весьма причудливые топологические структуры. Поведение этого невообразимо огромного объекта описывает математическая теория узлов, начало которой положил немецкий математик Карл Гаусс.
Согласно общей теории относительности масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить себе трехмерное пространство, свернутое в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии.
Звездолет проходит сквозь кольцевую струну. Со стороны кажется, что он постепенно растворяется в абсолютно пустом пространстве. На самом же деле звездолет уходит из нашего мира в «зазеркалье». Все частицы, из которых он состоит, превращаются в своих зеркальных партнеров и перестают быть видны в нашем мире.
И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.
Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.
Мое резюме:
Все, что связано с космическими струнами, этими гипотетическими астрономическими объектами, безусловно, интересно. И статья мне понравилась. Но это пока всего лишь теоретические (математические) построения, не подтвержденные достоверными экспериментальными данными. И, как мне представляется, эти построения на сегодняшний день больше соответствуют жанру научной фантастики, будучи только предположениями и гипотезами.
Какие имеются основания так считать? В частности, существующая сегодня неоднозначность в оценке характеристик космических струн.
Так в приведенной выше статье сказано, цитирую:
В материале на аналогичную тему в том же журнале (Наука и жизнь, 6 июня 2016 г. Гравитационные волны играют на струнах Вселенной написано следующее, цитирую:
Сравним характеристики космических струн (КС) из указанных публикаций:
Примечание: масса Солнца превышает массу Земли в 333 тысячи раз.
О чем может говорить такое расхождение в оценках? Выводы можете делать сами.
1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>
Космические струны, кротовые норы и черные дыры: что ученые знают о путешествиях во времени и телепортации
Forbes публикует фрагмент книги «На что похоже будущее», которую в конце ноября выпустит на русском языке издательство «Альпина нон-фикшн». В книге коллектив авторов под руководством британского физика-теоретика Джима Аль-Халили пытается ответить на вопрос, что ждет человечество в будущем. Как изменится климат, каким будет транспорт и что получится, если искусственный интеллект возьмет над нами верх? Станут ли люди счастливее с помощью таблеток и здоровее благодаря лечению с учетом индивидуальной ДНК? Каких чудес техники нам ждать? Каких революций в быту? Forbes публикует последнюю главу книги, посвященную далекому будущему. В ней Аль-Халили пытается дать ответ на вопрос, возможны ли путешествия во времени и телепортация.
Телепортация
Насколько нам известно, самое первое упоминание устройства для телепортации содержится в книге Эдварда Пейджа Митчелла «Человек без тела», написанной в 1877 году: в ней рассказывается об ученом, который изобретает машину, способную разложить тело живого человека на атомы, а затем отправить их, подобно электрическому току, по проводам к некоему принимающему устройству, обеспечивающему воссоединение. Самое удивительное в том, что книга появилась не только до открытия электрона, но даже до внятного объяснения природы самих атомов.
Перенесемся на полстолетия вперед, в 1929 год, когда Артур Конан Дойль опубликовал рассказ под названием «Дезинтеграционная машина» об устройстве, способном разделять материю на части, а потом воссоздавать ее в прежнем виде. Один из персонажей рассказа задается вопросом: «В состоянии ли вы представить себе процесс, посредством которого вы, органическое существо, постепенно растворяетесь в пространстве, а затем благодаря обратному изменению условий появляетесь вновь?». Два года спустя американский писатель Чарльз Форт впервые ввел неологизм «телепортация » для объяснения случаев загадочного исчезновения людей и объектов и их предполагаемого появления где-то в другом месте. Форт относил такого рода происшествия к числу аномалий наряду с загадочными сверхъестественными и паранормальными явлениями, не находившими объяснения в рамках общепринятой научной картины мира. Благодаря интересу писателя появился целый класс «фортеанских феноменов».
Современное представление об устройстве для телепортации стало достоянием массовой культуры в 1958 году с выходом на экраны научно-фантастического фильма ужасов «Муха» (The Fly), в котором ученый по неосторожности примешивает к своему ДНК гены мухи, залетевшей в кабину для телепортации. Однако самым известным и долго живущим художественным воплощением идеи телепортации для множества людей по всему миру стал «транспортер» на борту звездолета «Энтерпрайз», а фраза, которую произносит один из героев перед телепортацией — «телепортируй меня, Скотти», — стала почти крылатой. Когда образ такого устройства возник в голове создателя сериала «Звездный путь» Джина Родденберрив середине 1960-х годов, им двигало желание сэкономить на спецэффектах: показывать, как персонажи сначала исчезают в специальном отсеке, а потом появляются сразу на поверхности планеты, было куда дешевле и проще, чем изображать спуск с «Энтерпрайз» на каких-нибудь космических челноках.
Это, конечно, все очень любопытно, но что по этому поводу может сказать серьезная наука? Идея переноса материи из одного места в другое без необходимости преодолевать расстояние между двумя точками может показаться чем-то нелепым, но на самом деле в ней нет ничего необычного при условии, конечно, что вы спуститесь на уровень квантовых взаимодействий. В ходе процесса под названием «квантовое туннелирование» такие субатомные частицы, как электроны, «прыгают» из одной точки в другую тогда, когда у них нет достаточного количества энергии.
Для наглядности можно привести пример мяча, который бросают в стену и который исчезает, а потом снова появляется на другой стороне стены без каких-либо последствий для нее. В этом совершенно точно нет ничего фантастического. Более того, сияние нашего Солнца, а значит, и поддержание жизни на Земле возможно только благодаря тому, что атомы водорода способны соединяться друг с другом за счет туннельного эффекта, несмотря на наличие, казалось бы, непреодолимого силового поля между ними.
Но еще более любопытное и парадоксальное предсказание квантовой механики, которое при этом было неоднократно подтверждено в ходе экспериментов, — идея запутанности. В данном случае мы имеем дело с ситуацией, когда две и более отдельные частицы оказываются связаны таким образом, что любое измерение или воздействие, осуществленное в отношении одной из них, приводит к аналогичному эффекту в отношении ее удаленного партнера, что, как кажется, противоречит теории относительности Эйнштейна о непреодолимости скорости света.
В квантовой механике это объясняется тем, что запутанные частицы — часть единой системы, то есть они не ведут себя как независимые объекты.
Давайте рассмотрим следующую аналогию. Представьте, что у вас есть пара перчаток, каждая из которых лежит в своем ящике. Теперь давайте перенесем один ящик в другое место, а второй оставим там, где он был изначально. Если вы откроете тот ящик, который остался у вас, вы найдете в нем левую перчатку. При этом вам станет сразу понятно, что во втором ящике находится перчатка для правой руки. Разумеется, в этом нет ничего загадочного — ведь вы просто констатируете то, что знаете: во втором ящике всегда была правая перчатка. Но в квантовом мире вместо перчаток мы имеем дело с запутанными частицами, каждая из которых способна участвовать одновременно в двух разных вращениях — и по часовой стрелке, и против часовой стрелки. Это явление называют квантовой суперпозицией.
Открывая ящик рядом с вами, вы совершаете действие, которое называют «квантовым измерением»: вы заставляете частицу «решить», в каком из вращений ей теперь участвовать. Мы же никогда не видим частицы вращающимися в обоих направлениях — ведь это же просто нелепо! Разве нет? Квантовая механика говорит нам — и эксперименты подтверждают ее правоту, — что такие квантовые суперпозиции действительно имеют место. Более того, как только вы открываете свой ящик, чтобы проверить перчатку, частица во втором ящике сразу же переходит из суперпозиции, в которой она вращалась в обоих направлениях, к вращению в одном направлении — противоположном направлению вращения первой частицы. Все происходит так, как будто в момент открытия первого ящика в другой мгновенно передается квантовый сигнал, сообщающий второй частице, как ей себя вести.
Переход от идеи суперпозиции и запутанности к понятию квантовой телепортации кажется вполне закономерным. Но может ли такой переход быть реализован на практике? Общий принцип работы квантовой телепортации состоит в следующем: две запутанные частицы помещаются на удалении друг от друга, после чего проводится сканирование подлежащего телепортации объекта таким образом, чтобы можно было перенести только информацию о нем из одной точки в другую посредством запутанной пары.
Она дополняется результатами измерения частицы, которые передаются отдельно через некоторое время. На основе собранной таким образом информации, включающей как сведения, переданные согласно принципам квантовой механики посредством запутанной пары, так и результаты сканирования, переданные отдельно на скорости света, затем на другом конце из соответствующего сырья воссоздается исходный объект.
Необходимо отметить, что суть телепортации не сводится к простому созданию копии исходной частицы. Во всяком случае, на квантовом уровне передача всей информации о частице означает передачу самой частицы: переносить исходную частицу на физическом уровне просто не нужно.
При этом важно понимать, что телепортация объекта предполагает, что он уничтожается в точке А и затем воссоздается в точке Б. Вместе с тем недавние предварительные исследования, проводимые в рамках изучения телепортации частиц, показывают возможность квантовой телепортации самого объекта.
Только нужно помнить, что от технологии, используемой персонажами «Звездного пути», нас, вероятно, отделяют столетия.
Путешествие во времени
Если научной базой идеи телепортации служит квантовая механика, то есть теория строения вещества на очень малых расстояниях, источником наших представлений о путешествиях во времени является теория, описывающая Вселенную на очень больших расстояниях, — общая теория относительности Эйнштейна (ОТО).
В настоящее время данная теория — наиболее точное описание природы пространства и времени, и тот факт, что она не исключает полностью возможность перемещения во времени, дает нам повод серьезно взяться за изучение этой темы. Согласно постулатам ОТО, под воздействием материи происходит искривление пространства и времени.
Более того, математический аппарат ОТО допускает возможность существования пространственно-временных областей весьма причудливой формы, таких, например, как черные дыры или кротовые норы. Теснее всего с нашей темой связана идея замкнутой времениподобной кривой. Она представляет собой замкнутую мировую линию, проходящую через искривленное пространство-время так, что время с неизбежностью возвращается к одним и тем же значениям. Если бы вам довелось проследовать вдоль этой линии, вам бы казалось, что время идет вперед, как обычно. Однако в конце пути вы бы оказались в точке отправления, в момент непосредственно перед отправлением. Таким образом, по сути, вы бы переместились назад во времени. Как раз такие петли и служат обоснованием большинства теоретических рассуждений на тему путешествия во времени.
В 1949 году американский математик австрийского происхождения Курт Гёдель, как и Эйнштейн, работавший в Институте перспективных исследований в Принстоне, выступил с другим гипотетическим сценарием, также не противоречащим ОТО, но при этом приводящим к появлению петель времени. Однако, как тогда, так и сейчас, большинство физиков считают, что логические парадоксы путешествия во времени, служат достаточным основанием для того, чтобы исключить его возможность, а теоретические лазейки в физических законах, допускающие путешествие во времени, в итоге будут устранены, когда мы поймем эти законы лучше. Возможно, это произойдет с появлением единой теории квантовой гравитации, которая объединит две важнейшие теории в физике: квантовую механику и ОТО. Пока что у нас нет такой «теории всего», но мы продолжаем работу над ее созданием.
К 1960–1970-х годах несколько физиков-теоретиков, занимавшихся поиском решений уравнений ОТО, обнаружили целый ряд моделей, допускавших существование петлей времени. Во всех из них фигурировали вращающиеся тела, заставлявшие деформироваться окружающее пространство-время. Наибольшую известность получила идея, предложенная Франком Типлером, который в 1974 году опубликовал статью, посвященную развитию теории вращающегося цилиндра ван Стокума. Он показал, что цилиндр должен быть 100 км в длину и 10 км в диаметре и изготовлен из какого-то очень необычного, исключительно плотного материала. Кроме того, он должен обладать фантастическими показателями прочности и жесткости, чтобы собственная гравитация вдоль оси его не сплющила, а также компенсировать громадную центробежную силу, разрывающую его при вращении внешней поверхности с линейными скоростями, близкими к половине скорости света. Несмотря на все это, Типлер вполне справедливо отметил, что все эти трудности не носят принципиального характера и могут быть преодолены при достаточном уровне развития технологий.
Осталось решить, как превратить цилиндр Типлера в машину времени. Идея в том, что если вы приблизитесь к вращающемуся цилиндру и несколько раз облетите вокруг него, то по возвращении на Землю вы, видимо, окажетесь в прошлом. Насколько далеко в прошлое вы вернетесь? Это будет зависеть от количества оборотов. Таким образом, даже если при облете цилиндра вам будет казаться, что время, как всегда, идет вперед, за пределами деформированного участка пространства-времени, в котором вы будете находиться, время обратится вспять. Например, нечто похожее случилось бы с вами, если бы вы решили подняться по спиральной лестнице, но с каждым новым пролетом вы оказывались бы на один этаж ниже.
Подозреваю, вы не верите в возможность манипулирования материей в таких масштабах с целью создания столь громадного объекта. Однако не исключено, что нерукотворные цилиндры Типлера уже существуют в пространстве. Вопрос их существования — предмет горячих споров.
Их называют «космическими струнами». По мнению некоторых исследователей космоса, они состоят из материала, оставшегося от Большого взрыва. Они могут либо существовать в форме замкнутых петель, либо тянуться вдоль всей Вселенной. Толщиной они менее атома, но при этом плотность их такова, что даже при толщине в один миллиметр они бы весили миллион миллиардов тонн.
Как бы там ни было, когда речь заходит о путешествиях во времени, самым правдоподобным — по крайней мере, наименее нелепым — способом перемещения в прошлое кажется так называемая кротовая нора. Кротовые норы — это своеобразные структуры пространства-времени, существование которых допускают уравнения ОТО, теоретически их описывающие. Кротовые норы представляют собой своего рода перемычку, соединяющую две точки пространства-времени. Они похожи на туннель, связывающий две различных области нашей Вселенной, проходя через какое-то иное измерение. А поскольку пространство и время тесно связаны друг с другом, в принципе два конца «кротовой норы» могут вести в разные промежутки времени, а значит, один из них будет находиться в прошлом относительно второго.
Так стоит ли нам доверять этим идеям? Сможем ли мы когда-нибудь создать кротовые норы? Могут ли они служить в качестве машин времени? Могут ли в нашей Вселенной формироваться замкнутые временные петли, и сможем ли мы использовать их, чтобы отправиться в прошлое?
Правда в том, что мы пока не можем дать однозначный ответ ни на один из этих вопросов. Но, чтобы не заканчивать на столь пессимистичной ноте, предлагаю вспомнить слова Франка Типлера, физика, который опубликовал первую серьезную работу на тему создания машины времени и который сам процитировал астронома Саймона Ньюкома, прославившегося на рубеже столетий благодаря ряду статей с доказательствами невозможности существования летающих машин тяжелее воздуха: «Доказательства того, что среди всех возможных комбинаций известных нам веществ, видов техники и сил нет такой, которая бы позволила создать пригодную для практического использования машину, с помощью которой люди могли бы [отправиться назад в прошлое], кажутся автору настолько полными и убедительными, насколько это только возможно для любого физического явления».
Как мы знаем, вскоре братья Райт доказали, что Ньюком был неправ в своих суждениях относительно летающих машин тяжелее воздуха. Кто знает, может быть, придет день, когда то же самое произойдет и с путешествиями во времени. Наверное, я бы не решился биться об заклад, что машина времени вообще когда-нибудь будет построена, но при этом я стараюсь придерживаться следующего подхода: раз современные научные теории не исключают такую возможность полностью, у нас достаточно причин, включая простое любопытство, поразмышлять над тем, что она может из себя представлять.
Я бы хотел закончить эту главу занимательной идеей, над которой сейчас всерьез размышляют некоторые физики-теоретики. Не исключено, что телепортация и перемещение во времени тесно связаны друг с другом. Согласно новой идее, получившей среди физиков обозначение «ER=EPR», между квантовой запутанностью (теоретическая основа телепортации) и кротовыми норами (теоретическая база путешествий во времени) имеется глубинная связь. Может оказаться, что в двух статьях, опубликованных Эйнштейноми его соавторами в 1935 году, которые до сих пор считались абсолютно не связанными, описывается один и тот же концепт. В так называемой статье EPR (название образовано из инициалов трех ее авторов —Эйнштейна, Подольски и Розена) впервые квантовая запутанность описывается как мгновенная взаимосвязь двух удаленных частиц. Сам Эйнштейн считал, что это невозможно, тем самым намекая на отсутствие у нас полного понимания квантовой теории. Вторая статья ER (за сочетанием букв скрываются все те же — Эйнштейн и Розен) стала первой работой, в которой излагалась идея кротовой норы, получившей тогда название «мост Эйнштейна — Розена».
И вот теперь, более 80 лет спустя после публикации двух статей, пришло время задаться смелым вопросом: а что, если пары запутанных частиц на самом деле способны взаимодействовать друг с другом благодаря тому, что они связаны кротовой норой? Чем больше я читаю и думаю об этой безумной идее, тем больше она мне нравится. В ней столько изящества! Получается, что кротовые норы, если, конечно, допустить возможность их существования в физическом мире, могли бы выступать в качестве и машин для телепортации, и машин времени. Разве можно придумать что-нибудь более грандиозное?
Пока же, конечно, предмету данной главы самое место в мире научной фантастики — ну и разумеется, в математических уравнениях смельчаков из стана физиков-теоретиков.
Каким бы ни был результат, я абсолютно убежден, что в ближайшие десятилетия — и столетия — наука преподнесет нам немало сюрпризов. Так давайте же мудро использовать новые знания.
