Главная страница
qrcode

Теория всего


Скачать 471.44 Kb.
НазваниеТеория всего
АнкорKhoking - Teoria vsego Proiskhozhdenie i sudba Vselennoy.pdf
Дата04.11.2018
Размер471.44 Kb.
Формат файлаpdf
Имя файлаKhoking_-_Teoria_vsego_Proiskhozhdenie_i_sudba_Vselennoy.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#48064
страница4 из 8
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8
Общая теория относительности и квантовая механика
Излучение черных дыр первый пример предсказания, основанного над вух великих теориях прошлого века — общей теории относительности и квантовой механики. Поначалу оно возбудило множество возражений, потому что противоречило существующей точке зрения как черные дыры могут что-то излучать Когда я впервые огласил результаты моих расчетов на конференции в лаборатории им. Резерфорда (вблизи Оксфорда, они были встречены всеобщим недоверием. После моего выступления председатель семинара, Джон
Дж. Тейлор из лондонского Кингз-Коллед ж, назвал все изложенное ерундой. Он даже написал об этом статью.
Од нако в конечном счете большинство (включая и Джона Тейлора) вынуждено было прийти к заключению, что черные дыры должны излучать, подобно нагретым телам, если справедливы наши взгляды на общую теорию относительности и квантовую механику.
Таким образом, хотя мы пока не смогли отыскать ни одной первичной черной дыры, все согласны стем, что если таковая обнаружится, то она должна будет обладать мощным гамма- и рентгеновским излучением. Если мы ее отыщем, я получу Нобелевскую премию.
Существование излучения черных дыр, похоже, предполагает, что гравитационный коллапс не столь необратимый и конечный процесс, как мы некогда считали. Если астронавт упадет в черную дыру, ее масса увеличится. Рано или поздно энергия, эквивалентная добавочной массе, вернется во Вселенную в форме излучения. Так что астронавт будет использован в некотором смысле как оборотное сырье. Это, однако, бессмертие не лучшего свойства, потому что личное представление астронавта о времени, конечно, оборвется, когда его существование прекратится в черной дыре. Даже частицы, испущенные впоследствии черной дырой, в общем и целом окажутся иного типа, чем те, что составляли астронавта. От него сохранится только масса или энергия.
Приближения, использованные мною при выводе уравнений излучения черной д ыры,
д олжны хорошо работать, когда масса черной дыры больше доли грамма. Однако они не работают на последней стадии ее жизненного цикла, когда масса черной дыры становится очень маленькой. Наиболее вероятным исходом представляется исчезновение черной дыры, по крайней мере из нашей области Вселенной. Она прихватит с собой астронавта и все сингулярности, которые могут в ней заключаться. Это было первым указанием на то, что квантовая механика способна исключить сингулярности, предсказанные классической общей теорией относительности. При всем том методы, которые я и другие ученые использовали в 1974 г. для изучения квантовых эффектов гравитации, нед авали ответа на все вопросы, в частности на такой возникают ли сингулярности в квантовой теории гравитации?
Поэтому начиная с 1975 г. я занялся разработкой более эффективного подхода к квантовой гравитации, основанного на методе суммирования по траекториям, который был предложен Фейнманом. Ответы, предлагаемые этим подходом для происхождения и судьбы Вселенной, будут изложены в двух следующих лекциях. Вы увидите, что квантовая механика допускает иное начало Вселенной, нежели сингулярность. Это означает, что нет нужды в нарушении законов физики в момент рождения Вселенной. Состояние Вселенной и ее содержимое (включая нас) полностью определяются законами физики вплоть до предела установленного принципом неопределенности. Для свободы воли этого более чем достаточно Пятая лекция. Происхождение и судьба Вселенной На протяжении х гг. я занимался во сновном черными дырами. Однако в 1981 г. во мне вновь проснулся интерес к происхождению Вселенной, разбуженный участием в конференции по космологии в Ватикане. Католическая церковь допустила большую ошибку с
Галилеем, когда пыталась навести свои порядки в науке, провозгласив, что Солнце обращается вокруг Земли. И вот, столетия спустя, церковь почла за лучшее пригласить ряд специалистов, чтобы посоветоваться по вопросам ко смологии.
По завершении конференции ее участники были удостоены аудиенции у Папы Римского.
Он сказал нам, что приветствует исследование истории Вселенной после Большого Взрыва,
но считает, что мы нед олжны углубляться в изучение самого Большого Взрыва, поскольку это акт Творения, а значит, деяние Бога.
Я был рад , что Папане знает темы доклада, только что сделанного мной на конференции. Я совсем не жаждал разделить судьбу Галилея он мне очень симпатичен отчасти потому, что я родился ровно три столетия спустя после его смерти.
Модель горячего большого взрыва
Чтобы объяснить, о чем шла речь в моем докладе, яд олжен сначала изложить общепринятую историю Вселенной в соответствии стем, что известно под названием
«мод ель горячего Большого Взрыва. Она предполагает, что Вселенная в период от нынешнего времени до Большого Взрыва описывается моделью Фрид мана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и интенсивности излучения. Поскольку температура — это всего лишь мера средней энергии частиц,
охлажд ение Вселенной оказывает основополагающее влияние на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы движутся с такой значительной скоростью, что избегают взаимного притяжения, обусловленного ядерными или электромагнитными силами. Однако следует ожидать, что при охлаждении частицы, которые притягиваются друг к другу, начнут «слипаться».
В момент Большого Взрыва Вселенная имела нулевые размеры, а значит, была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура ее излучения должна была уменьшаться. Через одну секунду после Большого Взрыва она упала до десяти миллиардов градусов. Это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца и соответствует температуре,
возникающей при взрыве водородной бомбы. В это время Вселенная состояла во сновном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих им античастица также некоторого числа протонов и нейтронов.
По ходу расширения и остывания Вселенной скорость образования электронов и электронных пар при столкновениях частиц должна была стать ниже той скорости, с которой они разрушаются при аннигиляции. Так что большая часть электронов и антиэлектронов должна была аннигилировать, порождая все больше фотонов и оставляя совсем мало электронов.
Примерно через сто секунд после Большого Взрыва температура должна была упасть до одного миллиарда град усов,
что соответствует температуре внутри самых горячих звезд . При такой температуре протоны и нейтроны уже не обладают достаточной энергией, для того чтобы избежать взаимного притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием. Они начинают объединяться, формируя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода, состоящие из одного протона и одного нейтрона. Присоединяя другие протоны и нейтроны, ядра дейтерия становятся ядрами гелия, содержащими два протона и два нейтрона. Образуется и небольшое количество ядер более тяжелых элементов, лития и бериллия.
Можно подсчитать, что, согласно модели горячего Большого Взрыва, примерно четверть протонов и нейтронов должна превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются на протоны, представляющие собой ядра атомов обычного водорода. Эти предсказания прекрасно согласуются с наблюд ениями.
Мод ель горячего Большого Взрыва также предсказывает, что мы должны иметь возможность наблюдать излучение, сохранившееся с ранних, горячих, этапов развития
Вселенной. Однако из-за постоянного расширения Вселенной температура этого начального излучения должна была понизиться до величины, лишь на несколько градусов превышающей абсолютный нуль. Этим объясняется существование микроволнового фонового излучения,
обнаруженного Пензиасом и Уилсоном в 1965 г. Поэтому мы почти уверены, что располагаем верной картиной случившегося, по крайней мерена протяжении от нынешнего времени до момента через секунду после Большого Взрыва. Всего лишь через несколько часов после Большого Взрыва формирование ядер гелия и других элементов должно было прекратиться.
А затем на протяжении миллиона лет или около того Вселенная должна была лишь продолжать расширяться без каких-либо особенных событий. И вот, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, электроны и ядра перестали обладать энергией, необходимой для противодействия электромагнитному притяжению между ними. Они начали объединяться в атомы.
Вселенная же в целом продолжала расширяться и остывать. Однако в областях с плотностью немного выше средней расширение замедлялось повышенным гравитационным притяжением. Это должно было в конце концов остановить расширение в некоторых областях и вызвать там сжатие. По мере сжатия гравитационная тяга материи за пределами этих областей могла привести к тому, что они начали медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась (так фигуристы увеличивают частоту своего вращения, прижимая руки к телу. Наконец, когда область сделалась достаточно малой, частота вращения стала достаточной, чтобы уравновесить гравитационное притяжение. Таким образом возникли вращающиеся д исковид ные галактики.
С течением времени газ в галактиках распался на облака, которые сжимаются под воздействием собственного притяжения. При сжатии газа он нагревается до температур,
запускающих ядерные реакции. Водород превращается в гелий, и выделяющееся тепло повышает давление, чем останавливает дальнейшее сжатие облаков. В таком состоянии они могут оставаться долгое время, как звезды, подобные нашему Солнцу, сжигая водород который превращается в гелий, и излучая энергию в виде тепла и света.
Чем массивнее звезды, тем горячее они должны быть, чтобы сопротивляться своему мощному гравитационному притяжению. А это настолько сильно ускоряет термоядерные реакции, что такие звезды сжигают весь свой водород за сравнительно короткое время примерно за сто миллионов лет. Затем они слегка сжимаются и, разогреваясь д альше,
начинают преобразовывать гелий в более тяжелые химические элементы, такие как углерод и кислород . Это, однако, высвобождает ненамного больше энергии, так что наступает кризис,
который я описал в лекции о черных д ырах.
Что происходит дальше, не совсем ясно, но представляется вероятным, что центральные области звезды должны сжаться до сверхплотного состояния, характерного для нейтронных звезд или черных дыр. Внешнюю оболочку может разметать так называемая вспышка
сверхновой — чудовищный взрыв, сияние которого превосходит яркость всех остальных звезд в галактике. Некоторые из более тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизненного цикла звезды, будут выброшены назад в галактический газ. Они станут сырьем для следующего поколения звезд Наше Солнце содержит примерно 2% таких более тяжелых элементов, так как это звезда второго или третьего поколения. Оно сформировалось около пяти миллиардов лет назад из облака вращающегося газа, которое содержало остатки более ранних сверхновых. Большая часть газа в этом облаке пошла на образование Солнца или была выброшена вовне. Однако небольшое количество более тяжелых элементов объединилось в небесные тела — планеты,
под обные Земле, — которые обращаются теперь вокруг Солнца.
Открытые вопросы
Картина Вселенной, вначале своего развития очень горячей и остывавшей по мере расширения, хорошо согласуется сданными наблюдений, которые мы имеем сегодня. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов. Во-первых, почему новорожденная Вселенная была такой горячей Во-вторых, почему Вселенная столь однородна в больших масштабах, почему она выглядит одинаково из всех точек пространства и во всех направлениях?
В-третьих, почему в самом начале скорость расширения Вселенной была столь близка к критической, что едва позволяла избежать немедленного обратного сжатия Если бы через секунду после Большого Взрыва эта скорость была меньше всего на миллиардную часть от миллиардной доли, Вселенная тут же пережила бы коллапс, нед о стигнув наблюдаемых ныне размеров. С другой стороны, будь скорость расширения в ту секунду на столь же ничтожную долю больше требуемой, Вселенная расширилась бы настолько, что сейчас была бы практически пустой.
В-четвертых, несмотря на однородность Вселенной в больших масштабах, она содержит локальные скопления материи в виде звезд и галактик. Предполагается, что они возникли за счет небольших различий плотности вещества в разных областях Вселенной на ранних стадиях ее развития. Но из-за чего возникли эти различия плотности Общая теория относительности сама по себе не может объяснить эти особенности и ответить на эти вопросы. А всё потому, что она предсказывает Вселенная началась с бесконечной плотности, с сингулярности Большого Взрыва. В сингулярности, в этой особой точке, общая теория относительности и все известные нам физические законы нед ействуют.
Нельзя предсказать, что выйдет из сингулярности. Как я уже объяснял, это означает, что мы вправе исключить из теории все события, которые происходили до Большого Взрыва, потому что они не возымеют влияния на то, что доступно нашему наблюдению. Про странство-время имеет границу — начало в момент Большого Взрыва. Почему Вселенная должна была начаться с Большого Взрыва именно тем образом, который привел ее к со стоянию,
наблюд аемому нами сегодня Почему она столь однородна и расширяется именно с критической скоростью, позволяющей избежать коллапса Нам стало бы легче, если бы мы смогли показать, что небольшой набор различных начальных конфигураций Вселенной мог привести ее к современному со стоянию.
Если дело обстоит именно так, Вселенная, которая развилась из некоторых случайных начальных условий, должна содержать ряд областей, сходных с теми, что мы наблюд аем.
Кроме того, могли существовать совершенно иные области. Однако они, вероятно, не подходят для формирования галактики звезд . Это весьма существенное обстоятельство для развития разумной жизни, по крайней мере такой, какая известна нам. Так что в этих областях
не может быть существ, способных увидеть, что они, эти области, иные.
Говоря око смологии, следует учитывать принцип отбора, состоящий в том, что мы населяем область Вселенной, пригодную для развития разумной жизни. Это весьма простое и очевидное соображение иногда называют антропным принципом. С другой стороны,
пред ставьте, что начальное состояние Вселенной должно быть выбрано с большой тщательностью, чтобы привести к тому, что мы видим вокруг себя. Тогда во Вселенной вряд ли сыскалось бы место, где могла возникнуть жизнь.
В описанной выше модели горячего Большого Взрыва на ранних стадиях развития
Вселенной не имеется периода времени, достаточного для передачи тепла от одной области к другой. Это означает, что различные области Вселенной должны были иметь абсолютно одинаковую начальную температуру, чтобы это согласовалось стем фактом, что температура фонового микроволнового излучения одинакова во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели. Кроме того, начальная скорость расширения должна была выбираться с большой точностью, чтобы Вселенная не схлопнулась к настоящему моменту.
След овательно, начальное состояние Вселенной в самом деле должно быть выбрано крайне тщательно, если модель горячего
Большого Взрыва справедлива на отрезке от нынешнего момента и вплоть до самого начала времени. Почему Вселенная зародилась именно так, очень трудно объяснить чем-либо иным,
кроме воли Бога, который намеревался сотворить существ, подобных нам.
Инфляционная модель
Для того чтобы избежать описанных трудностей, связанных с самыми ранними стадиями в модели горячего Большого Взрыва, Алан Гут из Массачусетского технологического института предложил новую модель. В модели Гута множество различных начальных конфигураций могут эволюционировать в некое подобие нынешней Вселенной. Гут предположил, что новорожденная Вселенная могла пережить период очень быстрого,
экспоненциального, расширения. Такое расширение называют инфляционным — по аналогии со стремительным ростом цен, в большей или меньшей степени происходящим в каждой стране. Мировой рекорд инфляции цен, вероятно, был поставлен в Германии после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба за несколько месяцев подскочила от одной марки до нескольких миллионов. Инфляция, которая, как мы думаем, могла происходить в масштабе
Вселенной, была гораздо значительней размеры Вселенной за ничтожную долю секунды выросли в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Гут допустил, что
Вселенная после Большого Взрыва была очень горячей. Правомерно ожидать, что при крайне высоких температурах сильные и слабые ядерные силы должны объединиться с электромагнитной силой в некую единую силу. Расширяясь, Вселенная остывала, и энергия частиц уменьшалась. Рано или поздно должно было произойти то, что называют фазовым переходом, и симметрия сил была нарушена. Сильное ядерное взаимодействие отделилось от слабого и электромагнитного. Типичным примером фазового перехода может служить превращение воды в лед при охлаждении. Жидкая вода симметрична, обладает одинаковыми свойствами во всех точках и во всех направлениях. Однако образующиеся при замерзании кристаллы льда характеризуются выделенной направленностью и заметной пространственной упорядоченностью. Это нарушает симметрию вод ы.
При известном старании воду можно переохладить добиться того, чтобы ее температура опустилась ниже точки замерзания (С, но лед не образовался. Гут предположил, что нечто подобное происходило со Вселенной температура стала ниже критического значения, но симметрия физических взаимодействий не была нарушена. Если
произошло нечто подобное, Вселенная должна была прийти в нестабильное со стояние,
энергия которого выше, чему состояния с нарушенной симметрией. Можно показать, что эта особая избыточная энергия обладала антигравитационным эффектом. Она должна была действовать как космологическая по стоянная.
Эйнштейн ввел космологическую постоянную в общую теорию относительности, когда пытался построить стационарную модель Вселенной. Однако в рассматриваемом нами случае
Вселенная уже расширяется. Отталкивающий эффект космологической постоянной заставил бы Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где содержание частиц выше среднего, гравитационное притяжение материи уступает отталкиванию, обусловленному эффективной космологической постоянной. Так что и такие области будут расширяться в ускоренном, инфляционном, режиме.
По мере расширения Вселенной расстояние между частицами увеличивается. А значит,
мы можем получить Вселенную, где едва ли найдется хоть одна частица. Она все еще будет оставаться в переохлажденном состоянии, при котором сохраняется симметрия между взаимодействиями. Любые неоднородности будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки натуго надутом воздушном шарике. Таким образом, современное гладкое и однородное состояние Вселенной могло возникнуть из множества различных неоднородных начальных состояний. Скорость расширения также стремится к критической,
позволяющей избежать коллапса.
Более того, инфляционная модель позволяет объяснить, почему во Вселенной так много материи. В наблюдаемой нами области Вселенной насчитывается около 1080 элементарных частиц. Откуда они могли появиться Ответ таков согласно квантовой теории, частицы могут возникать из энергии в виде пар частица/античастица. Но откуда берется необходимая для этого энергия Объяснение состоит в том, что полная энергия Вселенной в точности равна нулю.
Вещество во Вселенной возникло из положительной энергии. Однако материя притягивает самое себя под действием гравитации. Два куска материи, которые находятся близко друг к другу, обладают меньшей энергией, чем те, которые разделены большим расстоянием. Это происходит потому, что для их разделения необходимо затратить энергию.
Вы должны преодолеть действующие между ними гравитационные силы. Так что в каком-то смысле можно утверждать, что гравитационное поле обладает отрицательной энергией. При рассмотрении Вселенной в целом можно показать, что отрицательная гравитационная энергия погашает всю положительную энергию материи.
А следовательно, полная энергия Вселенной равна нулю.
Итак, удвоение нуля дает нуль. Поэтому Вселенная может удвоить количество положительной энергии материи иуд воить количество отрицательной гравитационной энергии, не нарушив закона сохранения энергии. Этого не случается при обычном расширении Вселенной, когда плотность энергии вещества уменьшается с увеличением
Вселенной. Но это происходит при инфляционном расширении, потому что плотность энергии в переохлажденном состоянии остается постоянной, в то время как Вселенная расширяется. Когда Вселенная удваивается в размерах, позитивная энергия материи и отрицательная гравитационная энергия удваиваются тоже, так что полная энергия остается равной нулю. Вовремя инфляционной фазы размеры Вселенной увеличиваются очень сильно.
И общее количество энергии, из которой могут образовываться частицы, становится очень велико. Гут заметил поэтому поводу Говорят, бесплатных завтраков не бывает. Но
Вселенная — самый большой бесплатный завтрак
Конец инфляции
В настоящее время расширение Вселенной уже не носит инфляционного характера. Так что должен существовать некий механизм, исключающий очень большую эффективную космологическую константу. Это заменило бы скорость расширения с возрастающей на замедленную гравитацией, какую мы наблюдаем сейчас. Можно ожидать, что по мере расширения и остывания Вселенной рано или поздно симметрия физических взаимодействий будет нарушена, подобно тому как переохлажденная вода в конце концов всегда замерзает. Избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией высвободится, вновь нагрев Вселенную. Затем расширение и остывание Вселенной продолжатся в полном соответствии с моделью горячего
Большого Взрыва. Однако теперь у нас будет объяснение того, почему скорость расширения в точности равна критической и почему разные области пространства имеют одинаковую температуру.
В первоначальной модели Гута предполагалось, что фазовый переход к нарушенной симметрии происходит внезапно, как возникновение кристаллов льда в переохлажденной воде. Идея состояла в том, что пузырьки новой фазы (с нарушенной симметрией)
зарожд аются в недрах старого фазового состояния, подобно тому как пузырьки пара возникают в закипающей воде. Предполагалось, что пузырьки расширяются и постепенно сливаются друг с другом до тех пор, пока все пространство не окажется захвачено новой фазой. Но вот незадача (на это указывал я и ряд других ученых Вселенная расширялась настолько быстро, что образующиеся пузырьки просто не успевали слиться друг с другом, а разбегались в пространстве. Вселенная должна была остаться в крайне неоднородном состоянии, при котором в некоторых ее областях сохранялась бы симметрия между различными силами. Такая модель Вселенной не согласуется стем, что мы наблюд аем.
В октябре 1981 г. я отправился в Москву на конференцию по квантовой гравитации. А
по сле нее провел семинар по инфляционной модели в Астрономическом институте им.
Штернберга. В семинаре участвовал молодой советский исследователь Андрей Линд е. Он сказал, что сложности, связанной стем, что пузырьки не сливаются, можно избежать, если предположить, что пузырьки были очень большими.
В этом случае наша область Вселенной может заключаться внутри одного пузырька. Для того чтобы это работало, переход от симметрии к ее нарушению должен происходить очень медленно и внутри пузырька, что вполне возможно в соответствии с великими объединенными теориями.
Ид ея Линд е о медленном нарушении симметрии была очень хороша, ноя указал, что его пузырьки могут превосходить размер Вселенной в то время. Я продемонстрировал, что симметрия одновременно нарушалась бы повсеместно, а не только внутри пузырьков. Это привело бык однородной Вселенной, какую мы наблюдаем. Модель медленного нарушения симметрии была удачной попыткой объяснить современное состояние Вселенной. Однако я и некоторые коллеги отметили, что предсказываемые ею колебания микроволнового фонового излучения намного превышают наблюдаемые. Кроме того, более поздние работы заронили сомнение в том, происходили ли правильные фазовые переходы на ранних стадиях развития
Вселенной. Более удачной оказалась хаотическая инфляционная модель, предложенная Линд е в 1983 г. Она не зависела от фазовых переходов и давала правильные значения вариаций микроволнового фона. В соответствии с ней современное состояние Вселенной могло возникнуть из очень большого числа различных исходных конфигураций. При всем том не могло быть такого, чтобы каждая из них приводила к появлению Вселенной, которую мы наблюдаем. Таким образом, даже инфляционная модель не объясняет нам, почему начальные
условия были такими, какие могут привести к формированию наблюдаемой Вселенной.
Должны ли мы вернуться для объяснения к антропному принципу Не было ли все это просто счастливой случайностью Решение согласиться с этим выглядело бы шагом отчаяния,
отказом от всех наших надежд понять порядок, лежащий во снове Вселенной.
1   2   3   4   5   6   7   8

перейти в каталог файлов


связь с админом