Мир множества миров. Физики в поисках иных вселенных

А. Х. Гут, Инфляционная Вселенная, Addison-Wesley, Reading, 1997, p. 2. Глава 2. Взлет и падение отталкивающей гравитации

К примеру, время можно измерять в годах, а расстояние – в световых годах. (Световой год – это расстояние, проходимое светом за год.) Тогда скорость света c = 1.

Письмо Эйнштейна Эренфесту. Цит. по: A. Pais. Subtle is the Lord (Oxford University Press, Oxford, 1982).

Письмо Эйнштейна Зоммерфельду, 8 февраля 1916 г.

Фактически Эйнштейн не дал никакого физического объяснения новому члену. Его современная интерпретация как энергии вакуума и давления была предложена позднее бельгийским физиком Жоржем Леметром.

Позднее стало понятно, что эйнштейновская статическая космологическая модель неприемлема даже чисто теоретически, поскольку равновесие притягивающей и отталкивающей гравитации в этой модели является неустойчивым. Если по какой-то причине размеры вселенной Эйнштейна немного увеличатся, плотность вещества уменьшится (поскольку вырастут расстояния между галактиками), тогда как плотность энергии вакуума останется неизменной, будучи зафиксированной космологической постоянной. Следовательно, отталкивающая гравитация вакуума станет теперь сильнее притягивающей гравитации вещества и заставит вселенную расширяться. Это приведет к дальнейшему увеличению объема и еще большей разбалансировке притягивающих и отталкивающих сил. Вселенная, таким образом, войдет в режим ускоряющегося расширения. Аналогично, если размеры статической вселенной немного уменьшатся, притягивающая гравитация вещества победит отталкивание вакуума, и вселенная сколлапсирует в точку. Согласно квантовой теории, небольшие флуктуации размеров вселенной неизбежны, и поэтому вселенная Эйнштейна не может оставаться в равновесии бесконечно долго.

Цит. по: Э. А. Тропп, В. Я. Френкель, А. Д. Чернин. Александр Александрович Фридман. М.: “Наука”. – 1988. – с. 133.

Фридман не рассматривал случай плоской вселенной. Он был изучен Эйнштейном и де Ситтером в 1932 году.

Простая связь между геометрией и судьбой Вселенной сохраняется, только если считать нулевой плотность энергии вакуума (космологическую постоянную). Подробнее об этом в главе 18.

Достойным внимания исключением была реакция Эйнштейна на работу Фридмана. Сначала Эйнштейн думал, что Фридман ошибся, и написал короткую заметку в журнал о том, что он считал ошибкой. Однако менее чем через год, после беседы с другом Фридмана Юрием Крутковым, он отказался от своих возражений. Крутков сообщил домой, что он победил в споре с Эйнштейном и что “честь Петрограда спасена!”. Но хотя Эйнштейн и согласился с математическими выкладками Фридмана, он по-прежнему верил, что Вселенная статична, а работа Фридмана представляет лишь чисто формальный интерес. В своей второй заметке в журнале он писал, что “убедился в том, что результаты г-на Фридмана корректны и ясны”. В первоначальном черновике он добавил, что эти результаты вряд ли могут иметь какое-то значение для физики, но потом зачеркнул данную фразу, видимо, поняв, что она основана в большей мере на его философских предубеждениях, чем на каких-то известных фактах.

Модель расширяющейся Вселенной была переоткрыта в 1927 году Жоржем Леметром. Как и работа Фридмана, статья Леметра оставалась совершенно неизвестной вплоть до открытия Хаббла.

Источник энергии звезд не был известен во времена Гельмгольца, но теперь мы знаем, что они сжигают ядерное топливо, превращая водород в гелий, а затем и в более тяжелые ядра. Это необратимый процесс, сопровождаемый повышением энтропии, и в конце концов звезды исчерпывают свое ядерное топливо. Некоторые звезды выключают свои ядерные двигатели без большой помпы и потом постепенно остывают, другие взрываются, распыляя газ по межзвездному пространству и оставляя после себя компактный остаток (нейтронную звезду или черную дыру). Выброшенный газ может повторно послужить для формирования нового поколения звезд, но раньше или позже поступления газа иссякнут, поскольку все большая его часть будет заканчивать свой путь в компактных звездных остатках. Спустя триллион лет галактики, вероятно, значительно потускнеют. Процесс постепенного угасания огней может порядком затянуться, но одно ясно: Вселенная, какой мы ее знаем, не может существовать вечно.

Больцман установил связь между энтропией и беспорядком, прояснив тем самым смысл второго начала термодинамики.

Идея Больцмана о флуктуациях – это, возможно, первый пример того, что позже стали называть антропной аргументацией (см. главу 13).

Первое убедительное свидетельство галактической эволюции было представлено в 1950-х годах кембриджским астрономом Мартином Райлом (Martin Ryle). Он обнаружил, что несколько миллиардов лет назад мощное радиоизлучение встречалось у галактик гораздо чаще, чем ныне.

Артур Конан Дойл, “Знак четырех”, пер. М. Литвиновой. Глава 4. Современная история сотворения мира

Цит. по статье Р. Г. Стьюера (R.H. Stuewer) в сб. “Калейдоскоп науки” (The Kaleidoscope of Science, ed. By E. Ullmann-Margalit, Reidel, Dordrecht, 1986, p. 147).

Описание жизни Гамова в этой главе основано по большей части на его неоконченной автобиографии “Моя мировая линия” (My World Line, Viking Press, New York, 1970).

В шкале Кельвина, часто применяемой физиками, температуры измеряются в единицах стоградусной шкалы начиная от абсолютного нуля (–273 градуса Цельсия). Для очень высоких температур, о которых здесь идет речь, разница между шкалами Цельсия и Кельвина несущественна.

Атомы состоят из маленьких положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, “обращающихся” вокруг них. (Я помещаю слово “обращающихся” в кавычки, поскольку в атомах существенна квантовая неопределенность, так что вместо картины электронов, упорядоченно движущихся вдоль своих орбит, подобно планетам вокруг Солнца, более точным было бы рисовать их “размазанными” вокруг этих орбит.) Ядра состоят из двух типов субатомных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, которые электрически нейтральны. Химические свойства атома определяются исключительно числом электронов (которое равно числу протонов, так что атомы электрически нейтральны).

Происхождение этого дисбаланса между веществом и антивеществом – один из активно исследуемых вопросов в современной космологии. Его обсуждение см. в книге A.H. Guth, The Inflationary Universe (Addison-Wesley, Reading, 1997).

Присутствуют также очень легкие слабо взаимодействующие частицы – нейтрино. Я их здесь не рассматриваю, поскольку они не важны для нашей истории.

Важное исключение составляют радиоактивные элементы, подобные урану, которые самопроизвольно распадаются на более легкие. Атом урана превращается в свинец в среднем за 4,5 миллиарда лет, из-за чего количество урана постепенно уменьшается. В действительности наши лучшие оценки возраста Земли получены путем измерения относительных количеств урана и свинца.

Более подробное обсуждение горячего огненного шара и образования элементов можно найти в классическом бестселлере Стивена Вайнберга “Первые три минуты” (РХД, 2000) (Steven Weinberg, The First Three Minutes, Bantam, New York, 1977).

M.J. Rees, Before the Beginning (“До начала”), Addison-Wesley, Reading, 1997, p. 17).

S. Weinberg, там же, с. 123. Глава 5. Инфляционная Вселенная

Световой год – это расстояние, проходимое светом за год. Оно составляет около 10 триллионов километров.

Мы говорим, что электромагнитная волна рассеивается, когда она поглощается и переизлучается заряженной частицей. Поэтому поверхность последнего рассеяния можно также описать как поверхность, с которой было испущено космическое излучение.

Зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – зонд им. Уилкинсона для изучения анизотропии микроволнового фона) получил название в честь Дэвида Уилкинсона из Принстонского университета, который выдвинул идею эксперимента и был главным его вдохновителем. К сожалению, он умер незадолго до запуска спутника.

Все подробности пути Алана Гута к открытию инфляции описаны в его блестящей книге “Инфляционная Вселенная: в поисках новой теории происхождения космоса” (The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins, Addison-Wesley, Reading, 1997).

Вполне возможно, что наш вакуум не является самым низкоэнергетическим. Теория струн, которая сегодня считается основным кандидатом на роль фундаментальной физической теории, предполагает существование вакуумов с отрицательной энергией. Если они действительно существуют, то наш вакуум спонтанно распадется с катастрофическими последствиями для всех содержащихся в нем материальных объектов. Мы обсудим теорию струн в главе 15, а возможность распада вакуума – в главе 18. А пока будем предполагать, что обитаем в истинном вакууме.

Этот вывод легко понять из простых энергетических соображений. Сила всегда действует на физический объект в направлении уменьшения его энергии. (Точнее, потенциальной энергии, которая представляет собой составляющую энергии, не связанную с движением.) Например, сила гравитации тянет объекты вниз, в направлении убывания их энергии. (Гравитационная энергия растет с высотой над землей.) Для ложного вакуума энергия пропорциональна объему, который он занимает, и может быть уменьшена только сокращением объема. Поэтому должна существовать сила, вызывающая сжатие вакуума. Эта сила и есть натяжение. Глава 6. Слишком хорошо, чтобы быть ошибкой

A.H. Guth, The inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems (“Инфляционная Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоской геометрии”), Physical Review, vol. D23, p. 347 (1981).