Мироздание за пределами Вселенной 2 страница
Гуще или реже мировая поверхность повсеместно покрыта мельчайшими складками, которые именуются суперструнами . Их размеры отвечают так называемой планковской длине в 1,62 × 10–33 см (по имени физика М. Планка, 1858–1947). С точки зрения квантовой механики планковская длина является минимальной размерностью, физически разрешенной в нашей Вселенной, и ничего меньше этой длины существовать не может. Суперструны отвечают элементарным частицам микромира.
Со времени своего рождения в Большом взрыве суперструны пребывают в безостановочном движении, являющемся отдачей или отголоском этого Взрыва, что обусловливает философский постулат об абсолютности движения и относительности покоя. Во‑первых, суперструны безостановочно колеблются с предельными световыми скоростями. Во‑вторых, суперструны непрерывно перемещаются в пространстве: безмассовые, вроде фотонов, – со скоростью света, а обладающие массой покоя – с околосветовыми, релятивистскими скоростями.
Колебательным движениям суперструн присущи характерные особенности, именуемые модами . По природе все суперструны тождественны, но в зависимости от моды колебания воспринимаются как разные частицы. Их можно рассматривать как элементарное начало всех физических вещей, как первоэлемент. Представляя собой вечно колеблющиеся частицы, ведущие себя и как волны, и как точечные объекты, суперструны разрешают философскую дилемму волны‑частицы, давно тревожащую мыслителей. Ее существо состояло в том, что при определенных обстоятельствах элементарные частицы подавали себя как волны: например, плавно огибая препятствия и проникая в область геометрической тени подобно волнам на воде, что называется дифракцией . В иных случаях (например при столкновении с мишенью) элементарные частицы проявляли себя как крохотные, точечные тела. Эти особенности присущи математической модели суперструн.
|
|
|
Все суперструны открыты, т. е. условно напоминают отрезки трепещущих нитей накаливания, – лишь гравитоны замкнуты в кольцо. Если макромир существует в трех пространственных измерениях (длина – ширина – высота), то мир суперструн пространственно девятимерен. Альтернативная теория супермембран [299; 313а] видит все суперструны замкнутыми и пространственно десятимерными. Принятие состоятельности данной версии микромира может навести на мысль, что суперструны бывают 10‑, 26‑, 506‑мерными [663] и вообще n‑ мерными [447, с. 36].
На наш взгляд, природа данного затруднения скорее мировоззренческая, нежели физическая. Математическая многомерность понимается пространственно (как если бы рядом с нами находились некие вместилища иных измерений), для чего нет экспериментальных оснований. Логичнее считать, что микрообъекты, помимо трех привычных (длина – ширина – высота), имеют шесть дополнительных степеней свободы движения: колеблясь «влево‑вправо», суперструна одновременно колеблется не только «вверх‑вниз» и «взад‑вперед», но еще в шести направлениях, уподобляясь в разрезе профилю противотанкового ежа. Девять подобных направлений минимальны, однако порция энергии может добавить десятое, одиннадцатое и т. д., ничем не подрывая основ теории суперструн. Математическое описание их поведения при этом останется «пространственным», хотя природа будет несколько иной.
|
|
|
На заре существования Вселенной распадающаяся сингулярность оставила следы своей многомерности в устройстве нашего макромира. Сингулярность представляла собой объект наподобие суперструны и колебалась одновременно по меньшей мере в девяти плоскостях. То же справедливо и для нынешних макрообъектов. Человек способен двигаться в трех измерениях и в то же самое время вращается вокруг центра Земли (4‑я степень свободы движения). Вместе с Землей он одновременно обращается вокруг Солнца (5‑я степень свободы), а вместе с ним – вокруг центра Галактики (6‑я степень). Вместе с Галактикой мы ежеминутно перемещаемся вокруг центра Местной Группы (наша Галактика Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака; 7‑я степень свободы). В составе Местной Группы всякий человек непрерывно движется относительно центра Галактической Империи (галактики Дракон, Малая Медведица, Лев II, Лев I, Секстант, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако, Млечный Путь, Киль, Скульптор, Печь [268]; 8‑я степень свободы). Наконец, в составе Местного Сверхскопления галактик мы вместе со Сверхскоплениями Девы, Павлина‑Индейца, Гидры‑Кентавра и другими неуклонно стремимся к Великому Аттрактору (9‑я степень свободы). Сам того не замечая, каждый человек живет во Вселенной по меньшей мере с 9‑ю степенями свободы движения, и такое положение вещей, несомненно, является наследием раннего этапа развития нашего мира. Оттуда же проистекает устройство астрофизического макромира вообще.
|
|
|
В самом деле, чем объяснить то обстоятельство, что Вселенная под влиянием сил гравитации не выглядит как общий бесформенный ком, разбухающий в силу вселенского расширения, а представляет собой виртуозное образование из девяти (или более) центров вращения и притяжения, движущихся относительно друг друга? Почему она выглядит как матрешка взаимовложенных вращающихся сфер, о чем интуитивно догадывался Пифагор (2‑я половина VI в. – начало V в. до н.э.) [104, с. 149, № 5]? Астрономическая наука привыкла к подобному положению вещей, общественность – тоже, однако философия требует разъяснения и здесь. Если многоэтажно закрученная вокруг различных центров Вселенная отражает своим обликом древнюю многомерность (девять степеней свободы) первичной сингулярности, тогда ясность наступает.
|
|
|
В свете вышесказанного основной объект теорий суперструн и супермембран видится особым образом. В принципе это может быть точечный отпечаток сингулярности, суперточка . Родившись как зеркальное отражение распадающейся сингулярности, суперточка пришла в колебательное движение со световой скоростью и тут же приняла облик сплошного протяженного объекта, т. е. суперструны. Далее она развивала релятивистские колебания в 9 или 10 плоскостях, представая как классическая суперструна или супермембрана с 9‑ю или 10‑ю измерениями, оставаясь в основе одним и тем же образованием, суперточкой, адекватно отвечающей гибкости суперструнных‑супермембранных теорий по части многомерности.
Распад сингулярности можно представить в виде расходящейся во все стороны ряби от трепещущей первичной суперточки. Вероятно, истинное число ее степеней свободы составляло примерное количество суперструн нынешней Вселенной, помноженное на 9 или 10 степеней свободы. Сингулярность теряла свои исходные количественно астрономические степени свободы, сбрасывая их в виде 9– или 10‑мерных суперструн. Это могло бы выражать действующий во Вселенной закон сохранения суммарного количества степеней свободы суперструн – закон, исходный для законов сохранения квантовых чисел (спина, электрического заряда и других свойств, заданных степенями свободы суперструн).
Передвигаясь по мировой поверхности как по среде с определенной степенью вязкости [552, с. 31–32; 803], суперструны испытывают ее сопротивление. Это происходит следующим образом. Вероятность встречи с короткоживущими виртуальными частицами мала. Однако для суперструн, перемещающихся с релятивистскими скоростями, она заметна. Причем чем выше частота их колебаний, тем она ощутимей. «Цепляясь» за встречные виртуальные частицы, суперструны претерпевают деформации, выражающиеся в уплотнении суперструны, т. е. в сокращении ее объема, падении амплитуды и соответствующем подъеме частоты колебаний.
Поэтому, как следует из теории относительности [120; 377], микрообъекты, ускоряясь на релятивистских скоростях, сокращаются в линейных размерах, прибавляют в массе и тормозятся во времени. Последнее обусловлено тем, что физическое время представляет собой дистанцию между событиями. Подскакивая при ускорении в частоте, суперструны сокращают эту дистанцию между своими колебаниями и, следовательно, замедляют свое время (при скорости света – вообще останавливают). Указанные релятивистские эффекты сродни эффекту Доплера в макромире (т. е. зависимости частоты колебания и длины волны от скорости движения источника звука или света). Масса покоя и масса движения у безмассовых частиц зависят от частоты колебания суперструны, что объясняет физическую природу формулы E = mc 2 : чем энергичнее колебания суперструн, тем значительнее их массы (что подробно разъяснялось выше). У частиц с массой покоя имеется нижний предел частот, ответственных за эту массу. У безмассовых частиц он не фиксирован – поэтому масса «плавает» и не расценивается как масса покоя.
Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица «зависает» на отметке скорости света.
Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что‑либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам‑суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.
Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн‑бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W‑бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).
Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам «демиурга» – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.
Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.
Макромир
Вселенная родилась в Большом Взрыве и с тех пор непрерывно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла, обозначаемой символом Н 0 . Две трети обратной ей величины (1/H 0) отвечают возрасту Вселенной при условии, что средняя плотность масс во Вселенной делает ее гравитационно замкнутой. При этом средняя плотность масс принимается за единицу (Ω = 1). Если средняя плотность масс меньше единицы (Ω < 1), Вселенная не замкнута и будет расширяться вечно. Если средняя плотность масс равна или больше единицы (Ω > 1), Вселенная замкнута, и ее расширение должно смениться сжатием (коллапсом). Эмпирические оценки средней плотности Вселенной разноречивы: Ω = 0,3–1,3 [255; 270; 609; 832]. Однако средняя плотность Вселенной, в принципе, не может быть «отрицательной», т. е. иметь Ω < 1 (так принято выражаться в астрофизике, хотя «омега» не может быть меньше «нуля» – она всего лишь меньше «единицы»).
Как отмечалось выше (см. разд. 1.1), Вселенная – это сплошная мировая поверхность, которая по квантово‑механическим причинам не мыслится «тоньше» планковской длины. Допустим, Вселенная «попробует» расширяться вечно. Тогда, предельно растянувшись в расширении и достигнув «по толщине» планковской размерности, Вселенная непременно прекратит рост и под влиянием собственной внутренней гравитации обязательно начнет сжиматься. Поэтому ее вероятная средняя плотность больше или равна единице (Ω ≥ 1).
Между тем реальное положение вещей намного сложнее. Теоретическая оценка «омеги» – в том случае, когда она больше или равна единице, приложима лишь к изотропной модели Вселенной, т. е. ко Вселенной, повсеместно однородной. Однако современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию (о чем речь пойдет ниже). В неоднородной же (анизотропной) Вселенной средняя плотность вещества, по‑видимому, составляет приблизительно ΩUniv = ~ 0,245 (см. приложение 7). И все‑таки данное обстоятельство не делает Вселенную открытой (вечно расширяющейся), поскольку в ее центральных областях местная плотность существенно превосходит критическую (т. е. Ωloc > 1). Это превращает Вселенную в образование, склонное к поэтапному схлопыванию на манер «гармошки», и пока периферические области Вселенной продолжают вяло расширяться, центральные области уже властно сжимаются и шаг за шагом втягивают в себя беспомощную периферию. Подобная современная картина мира куда сложнее традиционной, однако лучше отвечает новым фактам (см. далее).
Наблюдательные астрономические оценки постоянной Хаббла колеблются в пределах 39–105 ±11 км/с на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 млн световых лет) [151; 174; 186; 243; 269; 331; 336; 341; 355; 404; 420; 428; 435; 527; 531; 624; 748; 792]. Для определения возраста Вселенной такие данные непригодны, поскольку дают колоссальный разброс величин и не учитывают неоднородность Вселенной (споры по поводу оценки постоянной Хаббла даже получили хлесткое наименование «войны Хаббловой константы» [269] – участники ее были беспощадны друг к другу). Имеется, правда, и другая теоретическая возможность.
Представления о расширяющейся Вселенной, родившейся в Большом Взрыве, носят наименование моделей «горячей Вселенной». При расчетах моделей горячей Вселенной используется теоретическая величина постоянной Хаббла H 0 = 50 км/с на мегапарсек [611; 673; 705], которой отвечает возраст Вселенной в 13,(3) млрд лет [336]. Эта оценка оптимальна, поскольку независимые от нее определения возраста нашего мира по старым белым карликам в Галактике [550; 792], по тяжелым радиоактивным элементам на звездах [233; 409; 717] и по шаровым скоплениям звезд [235; 404; 475; 792] предусматривают вселенский возраст от 10,3 до13 млрд лет. Поясним, что белые карлики – это крохотные, сверхплотные звезды класса светимости VII, некоторые из которых вдвое старше нашего Солнца. Добавим, что тяжелые радиоактивные элементы имеют тенденцию распадаться. По их остаткам можно определить возраст древних звезд, которые также вдвое старше Солнца. Напомним также, что шаровые скопления – это гало, своего рода шаровидные облака звезд вокруг галактик, и эти звезды населения II также вдвое старше Солнца, т. е. звезды населения I, распространенного не в гало, а в дисках галактик.
Как можно видеть, возраст Вселенной по белым карликам, тяжелым элементам и шаровым скоплениям (13 млрд лет) на 300 млн лет уступает возрасту Вселенной по теоретической постоянной Хаббла (13,(3) млрд лет). Это лишний раз свидетельствует в пользу оптимальности последней величины, ибо 300 млн лет как раз потребовались юной Вселенной для того, чтобы сформировать древнейшие галактики и звезды с будущими белыми карликами и шаровыми скоплениями. Ниже возраст первых сверхскоплений галактик оценен в 200 млн лет после Большого Взрыва, однако они древнее первых звезд, а потому результаты вполне удовлетворительны. Дело в том, что ранние сверхскопления будущих галактик поначалу формировались как крупномасштабные возмущения вселенского вещества ок. 200 млн лет после Большого Взрыва, и лишь затем, ок. 300 млн лет после Большого Взрыва, в них сложились конкретные галактики с древнейшими звездами.
На наш взгляд, существует еще один путь расчета возраста Вселенной. Со времен Большого Взрыва ее внешние границы расширялись со скоростью света. Поделив скорость света на местную скорость вселенского расширения и взяв 2/3 от результата, мы получим нынешний радиус Вселенной в мегапарсеках (и световых годах), а значит и время, затраченное на достижение этого радиуса. При H 0 = 50 км/с на мегапарсек радиус Вселенной составляет 13,031 млрд светолет и отличается от предыдущей оценки на 302,4 млн световых лет. Это расхождение означает, что Земля расположена к краю Вселенной на 302,4 млн светолет ближе, нежели ее центр, который отстоит от нас на ту же дистанцию.
Поиск такого центра отталкивается от наблюдения, что Южное полушарие звездного неба ощутимо глубже Северного [546; 695]. Это означает, что на Севере звездной сферы к нам ближе край Вселенной, а на Юге – ее центр. В Южном полушарии звездного неба по направлению к сверхскоплению галактик Гидра‑Кентавр на расстоянии ок. 300 млн светолет от нас лежит Великий Аттрактор. Этот объект соответствует 5,4 × 1016 солнечных масс, имеет поперечник в 0,6–6 млн светолет и вдвое превосходит среднюю плотность Вселенной [524; 134; 296; 372, с. 62; 473; 704; 785; 830]; cp. [254].
Сверхмассивный Великий Аттрактор притягивает окружающие скопления галактик, в том числе наше Местное Сверхскопление, которое вместе с соседними сверхскоплениями стремится к Великому Аттрактору («Великому Притяжателю») в составе сверхпотока Персей – Рыбы протяженностью в 423,8 млн светолет [808; 548; 514; 605]. Это означает, что гравитоны Великого Аттрактора успели охватить область Вселенной с диаметром ок. 1 млрд светолет, а стягивающая Вселенную деятельность Великого Аттрактора началась ок. 500 млн лет назад.
Великий Аттрактор отождествляется с рентгеновским галактическим скоплением Абелль 3627, обладающим массой в 5,1 × 1015 солнечных масс и поперечником в 1,956 млн светолет, укладывающимся в поперечник Великого Аттрактора. Абелль 3627 является источником самого яркого рентгеновского потока среди всех известных скоплений (0,1–2,4 кэВ). Его отделяют от нас 303,18 млн светолет [473; 830]. Сравнивая наше расстояние от центра Вселенной (302,375 млн светолет) с расстояниями от Великого Аттрактора (ок. 300 млн светолет) и Абелля 3627 (303,18 млн светолет), мы заключаем, что речь идет об одном и том же образовании, три ипостаси которого выявлены совершенно различными, независимыми методами.
Абелль 3627 в 10 раз уступает расчетной массе Великого Аттрактора, которая определялась гравиметрически (по силе тяжести, т. е. однозначно), в то время как масса Абелля 3627 оценивалась оптически (по внешнему виду, т. е. далеко не однозначно). Расхождение объясняется тем, что 0,9 реальной массы Абелля 3627 состоят из невидимого «темного вещества».
«Холодное темное вещество» не испускает ни тепла, ни света и взаимодействует с обычным «горячим светлым веществом» лишь гравитационно, сильно влияя на движение галактик и их скоплений, но оставаясь невидимым во всех областях спектра. Оно было открыто благодаря одному астрофизическому парадоксу. Наша и другие галактики вращаются столь интенсивно, что центробежная сила могла бы их разметать. Видимой «светлой» массы им совершенно недостаточно, чтобы сцементировать их силой тяжести. Значит, существует некая невидимая «темная» масса, которая восполняет недостачу вещества, необходимого для консолидации галактик силой тяжести. Гравитационные оценки свидетельствуют, что по массе «темное вещество» образует не менее 90% состава Вселенной [333; 431; 581; 617; 629; 664; 739; 760; 783; 785; 795]; cp. [176]. Состав «темного вещества» – проблематичен.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 130; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!