Нереальная реальность – 2. Книга вторая. Настоящее

Глава 10. Масса

Все окружающие нас объекты обладают массой. Мы воспринимаем этот факт, как само собой разумеющийся. Хотя на кажущийся простым вопрос «откуда возникает масса?», неподготовленному человеку ответить сложно.

На самом деле это очень принципиальный вопрос для физиков. До недавнего времени именно отсутствие ответа на него, не позволяло считать Стандартную модель Вселенной полной.

Действительно, почему некоторые элементарные частицы имеют массу, а другие нет? Откуда она появляется и почему так избирательно?

По какой причине масса отличается у разных частиц, причём, иногда, очень значительно? Например, верхний кварк тяжелее нейтрино в 600 млрд. раз.

Наконец, почему значение массы у каждой элементарной частицы строго определено?

В 1964 году Питер Хиггс предположил существование вездесущего квантового поля, пронизывающего весь реальный мир. Именно оно, позже названное полем Хиггса, наделяет объекты массой. 14

То есть, масса у элементарной частицы появляется вследствие её взаимодействия с полем Хиггса.

Механизм обретения массы похож на прилипание пыли к шарику, катящемуся по смазанной клеем поверхности. По мере своего перемещения по липкой плоскости, шарик становится тяжелее. Аналогично набирают вес частицы, перемещаясь в многомерном пространстве сквозь вязкое квантовое поле.

Таким образом, масса представляет собой сопротивление тела ускорению. В результате своих взаимодействий с вездесущим полем Хиггса элементарные частицы сопротивляются попыткам изменить их скорость и приобретают массу.

Почему частицы имеют различные массы?

Объяснение состоит в том, что разные виды частиц взаимодействуют с полем Хиггса по-своему. С физической точки зрения, чем труднее что-либо двигать, тем оно массивнее. Если частица слабо взаимодействует с полем Хиггса, плавно двигаясь через него, то сопротивление будет небольшим, и такая частица имеет малую массу. Наоборот, чем существеннее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большую массу она приобретает. Массы объектов очень разнообразны, потому что различные типы частиц взаимодействуют с полем Хиггса с большей или меньшей силой.

Все мы состоим из электронов, протонов и нейтронов. Когда вы перемещаетесь в пространстве, то движется не ваше тело, а электроны и кварки. Поле Хиггса, взаимодействуя с ними, препятствует их ускорению. И это «торможение» элементарных частиц вы ощущаете, как массу объекта, то есть вес вашего тела. Прилагаемые вами любые усилия ежесекундно борются с сопротивлением поля Хиггса.

Частица массы называется бозоном Хиггса. Он электрически нейтрален, поэтому при нормальных условиях обнаружить его очень сложно. Для этого надо на световой скорости «ударить» частицей с очень высокой энергией по полю Хиггса. Это вызовет его колебание и появление бозона – переносчика массы, который можно зарегистрировать.

Словно масса к элементарной частице, к бозону Хиггса «прилипло» название «частица Бога». На самом деле ничего сверхъестественного в нём нет. Это один из рядовых элементов Стандартной модели. Но – сверхважный. И, пожалуй, самый неуловимый во всей истории науки. В первую очередь, именно для подтверждения существования бозона был сконструирован самый масштабный и дорогостоящий прибор, когда-либо созданный человечеством – Большой адронный коллайдер.

Усилия тысяч учёных были сконцентрированы на поиске бозона Хиггса в течение многих лет. Это, пожалуй, была главная цель всей современной науки. Наконец, «частицу Бога» удалось «поймать».

О величайшем открытии было объявлено 4 июля 2012 года, то есть точно в день моего сорокалетия. И как после этого не поверить в мистику?

Глава 11. Космологический горизонт

Космическое пространство кажется очень однородным. На самом деле, в нём, как на Земле, есть отдельные области и регионы. Их границы называются горизонтами.

Хотя Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, в ней каждое мгновение происходят качественные изменения. С каждой секундой Вселенная расширяется со скоростью 71 километр на мегапарсек и становится немного старше. Эти два факта означают, что постоянно увеличивается область пространства, которую может достичь свет, испущенный из определённой точки.

Этот вывод очень важен, поскольку выясняется, что в космосе есть регионы, в которые в принципе, как ни старайся, не смогут проникнуть не только материальные объекты, но даже лучи света с Земли.

Представьте, что вы хотите поразить неприятеля лазером, но ничего не выходит, вопреки классическим законам физики. Световой луч не может достичь цели, либо не успевая за темпом расширения пространства, либо попадая не в то время.

Скорость света является максимально возможной для связи каких-либо событий между собой. Вы можете через минуту серьёзно повлиять на что-то важное, происходящее в вашем городе, используя радиоволны.

Видимо, какое-то ваше экстраординарное действие способно оказать мгновенное и существенное влияние на ход истории в целом на Земле. Однако, чтобы бы вы не предпринимали, какие бы силы не прикладывали, это никаким образом не скажется на том, что произойдёт через 60 секунд на Марсе.

Расстояние от Земли до Марса превышает одну световую минуту, а никакое воздействие, прямое, либо информационное не способно превысить скорость света. Вы физически не способны предупредить друга на красной планете, что через минуту ему грозит беда.

Между прочим, авторы фантастических фильмов всегда ошибаются, когда показывают переговоры экипажа звездолёта с базой на Земле в «прямом эфире». На самом деле, если космический корабль находится в другой галактике, для установления связи понадобятся миллионы лет. Правда, есть обходные маневры, но об этом поговорим в третьей части книги.

Я уже писал, что когда мы смотрим на звёзды, то в действительности видим прошлое. Сейчас мы наблюдаем Туманность Андромеды такой, какой она была 2.5 млн. лет назад. И если за это время с галактикой что-то произошло, мы никак не способны не только повлиять на событие, но даже узнать о случившемся.

Дальние регионы Вселенной, способные вступить в причинную связь, постоянно удаляются от нас. Максимально доступное нам прошлое распространяется на время, когда Вселенной было 300 000 лет. Мы фиксируем эту эпоху, наблюдая фотоны реликтового излучения. То есть, диаметр сферы причинной связи в тот период составлял триста тысяч световых лет. Поскольку Вселенная с того времени существенно расширилась, соответственно значительно возрос и объём областей, взаимодействие между которыми принципиально возможно.

На сегодня видимая Вселенная имеет в поперечнике 1 000 000 000 000 000 000 000 000 километров.

В космологии часто используется термин «горизонт событий». Так называется граница области пространства-времени, события внутри которой не могут оказать никакого влияния на внешнего или внутреннего наблюдателя.

Горизонт событий прошлого разделяет события, на которые можно повлиять от тех, на которые нельзя.

Горизонт событий будущего отделяет события, о которых хоть что-либо можно узнать пусть и в очень далёкой перспективе, от событий, о которых что-либо узнать невозможно в принципе. Такие потенциальные взаимосвязи ограничиваются скоростью света, поскольку никакая информация не способна распространяться быстрее.

Предел возможной наблюдаемости обозначается как космологический горизонт. Это не физическая граница, а фактор восприятия. Эту область обычно называют наблюдаемой Вселенной. Какова она сегодня?

Если бы пространство не расширялось, то максимально удалённый от нас объект находился в четырнадцати миллиардах световых годах. Именно такое расстояние свет преодолел со времени Большого Взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, то область пространства, пересекаемого лучом света, также расширилась за время его пути в межзвёздном пространстве.

Расчёты показывают, что текущее расстояние до самых удалённых из наблюдаемых сейчас объектов составляет порядка 46-и млрд. световых лет. Однако, горизонт событий Вселенной отстоит от Солнечной системы примерно на 16 млрд. световых лет. Свет галактик, находящихся сейчас дальше этой области не сможет достичь Земли никогда, потому что пространство на расстоянии, которое сейчас соответствует 16-и млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы можем наблюдать галактики лишь до момента пересечения ими космологического горизонта. О последующих событиях в них мы никогда ничего не узнаем.

Глава 12. Отрицательная энергия

Согласно законам Ньютона, минимально возможная энергия – это состояние абсолютного покоя. Однако, квантовая механика утверждает, что никакая система никогда не находится в состоянии абсолютного покоя.

Если представить себе две параллельные незаряженные металлические пластины, расположенные на микроскопическом расстоянии друг от друга, а между ними только вакуум, то с классической точки зрения, они никак не могут влиять друг на друга. У них нет суммарного заряда, нет ни электромагнитного, ни гравитационного, ни любого другого взаимодействия.

Большинство людей воспринимают вакуум как полную пустоту. На самом деле, эта кажущаяся «пустота» насыщена огромным количеством постоянных квантовых событий.

Вакуум полон так называемых виртуальных частиц. В нём всё время возникают пары электрон-позитрон. Родившись на мгновение, они аннигилируют, снова растворяясь в вакууме.

В 1933 году Хендрик Казимир высказал предположение, что две вышеописанные металлические пластины способны притягиваться друг к другу, как по волшебству, исходя из законов квантовой теории. 15

Поскольку вакуумное пространство между ними не совсем пустое, то некоторое количество виртуальных частиц неизбежно оказывает на пластины определённое внутреннее давление. Пусть оно невелико, но всё же суммарно выше нуля.

С другой стороны, снаружи пластин виртуальных частиц неизмеримо больше, чем в области микроскопического расстояния между ними. Следовательно, внешнее давление на металл значительно выше. Поэтому возникает сила, толкающая пластины друг к другу.

Мы не видим этого эффекта, потому что физически не способны наблюдать взаимодействие объектов на планковском масштабе. Но это не отменяет того факта, что в квантовом мире под давлением виртуальных частиц вакуума, пластины сближаются. Эффект Казимира проявляется на пограничных областях пластин в виде поляризации вакуума. Это экспериментально подтверждённый факт.

И вот здесь начинаются интригующие события. Сближаясь, два любых физических объекта притягиваются. В этом случае из них можно извлечь некоторое количество энергии. Известно, что при уменьшении потенциальной энергии тел, их взаимное притяжение при сближении проявляется в полном объёме. Но раз мы отняли у металлических пластин кинетическую энергию, вывод прост – их собственная энергия становится меньше, чем нуль. То есть, отрицательной.

Конечно, сложно себе представить, как столь знакомая нам энергия, воспринимаемая исключительно со знаком «плюс», может быть со знаком «минус». Однако, это научный факт.

Во Вселенной есть отрицательная энергия. И, как вы увидите в дальнейшем, её роль в структуре Мироздания может быть ключевой.

Глава 13. Вакуум

Последние научные достижения позволяют смело утверждать, что вакуум – самый загадочный физический объект в космосе. Возможно, именно в нём скрыта бльшая часть массы и энергии всей Вселенной. о

В классическом понимании космического пространства вакуум действительно является безжизненной пустотой. Но в квантовом мире это необычайно активная среда, особое состояние, в котором нет привычных материальных частиц.

Частицы в вакууме рождаются и почти мгновенно гибнут, аннигилируя друг с другом. У них нет реальной жизни, вроде они есть, а вроде их нет. Поэтому их называют виртуальными, не предназначенными для получения и передачи сигналов. Энергия для образования виртуальных частиц берётся «взаймы» из самого вакуума и очень быстро возвращается назад после их аннигиляции.

Вакуум перенасыщен флуктуациями конденсированных квантовых полей, которые наделяют пустое пространство отрицательной энергией. Такая субстанция, содержащая огромное разнообразие частиц в скрытом виде, явно не является примитивной. Это сложная среда, которая может находиться в различных энергетических состояниях. Свойства и типы элементарных частиц в них различаются.

Вакуум доминирует в наблюдаемой Вселенной. Он равномерно заполняет весь космос и присутствует везде. По плотности энергии вакуум превосходит все остальные формы космической материи вместе взятые. Поскольку вакуум главенствует, то именно он в конечном итоге определяет геометрию пространства-времени, а также свойства материальных объектов. Однако, на сам вакуум никакое воздействие невозможно.

Вакуум всегда действует, но никогда не испытывает на себе противодействия.

Главной особенностью вакуума является отрицательное давление. Он упругий и может растягиваться, словно резина. Обладая огромным отрицательным давлением, вакуум отталкивает. Результатом воздействия энергии вакуума является расширение Вселенной.

Квантовое состояние, соответствующее локальному минимуму энергии, называется «ложным» вакуумом. Это максимально возможное метастабильное положение в течение определённого периода времени. Но, одновременно, оно потенциально внутренне неустойчиво и может мгновенно распасться.

«Ложный» вакуум подобен плотине на реке, которая кажется находящейся в стабильном состоянии, но на самом деле испытывает огромное давление воды, которое способно разрушить сооружение в одночасье.

Аналогтично внутри «ложного» вакуума сосредоточена огромная энергия. Исходя из теории относительности, он должен иметь огромное натяжение, которое создаёт отталкивающий гравитационный эффект.

Согласно теории инфляции, именно распад «ложного» вакуума вызвал Большой Взрыв.

Глава 14. Дополнительные измерения

Мы живем в трёхмерном мире. Для оценки пространственного положения объекта необходимо получить три вида информации: ширину, длину и высоту. Чтобы определиться, когда вы находитесь в том или ином месте, следует ввести четвёртую координату – время. Для правильной ориентации, важно понимать, не только «где», но и «когда». Именно поэтому наше Мироздание описывается как пространственно-временной континуум.

В 1920-х годах в работах Теодора Калуцы и Оскара Клейна впервые была сформулирована идея о существовании компактных измерений. Они предположили, что кроме обычных, в структуру реальности встроены микроскопические, скрученные измерения. 16 17

Калуца абстрактно предположил, что существует ещё одно направление, пятый блок информации о пространственном положении объекта, помимо длины, ширины, высоты и времени. И попробовал рассчитать, что при этом получится. Результат оказался удивительным.

Выведенные учёным математические формулы утверждали, что во Вселенной есть параллельные миры. Но очень миниатюрные.

В гипотетической вселенной Калуцы с дополнительным измерением гравитация и электромагнетизм становятся единой пространственно-временной рябью. А ведь именно объединение фундаментальных сил в единую теорию является самой вожделенной мечтой физиков. То есть, Калуца получил математическое решение одной из важнейших проблем всей науки, объединив уравнения гравитации Эйнштейна и уравнения электромагнетизма Максвелла. 18

В свою очередь, Клейн рассчитал, что дополнительное измерение свёрнуто в сверхмалую окружность размером с планковскую длину, то есть 0.000000000000000000000000000000001 сантиметра. Оно присутствует везде. В каждой точке пространства есть эта крохотная окружность. Более современные расчёты показывают, что минимальный размер дополнительного измерения может быть значительно больше планковского, но все же крайне малым – 0.00000000000000001 сантиметра. Поэтому его всё равно невозможно разглядеть современными приборами.

Клейн доказал – то, что верно для отдельного объекта, может быть верно и для всей структуры Вселенной, что большие и маленькие измерения могут быть вписаны в единую ткань пространства.

Поначалу эта идея воспринималась как фантастика. Но сегодня учёные практически уверены в том, что Вселенная имеет дополнительные измерения. Они могут быть двух видов: протяжёнными, доступными для нашего восприятия, или же компактными, которые очень сложно обнаружить. Эта концепция известна как теория Калуцы-Клейна.

На самой ранней стадии эволюции Вселенной все измерения были сильно искривлены и составляли неделимое целое. Три известных нам измерения в своё время совершенно точно тоже были микроскопическими.

Из теории относительности мы знаем, что пространство эластично. Поэтому логично предположить, что со временем некоторые измерения увеличились в размере и расширяются до сих пор. При этом сохранились другие измерения, которые до настоящего момента всё ещё остаются компактными.

В каждой точке привычного нам пространства присутствуют невидимые, свёрнутые в петли самой необычной формы, дополнительные измерения.

Они вписаны в саму структуру Мироздания, они везде.

Когда вы идёте по улице, то перемещаетесь не только в трёх протяжённых измерениях, но, одновременно, и в компактных. Такой мир сложно представить, но можно очень точно описать математически.

Главная загадка заключается в том, почему три пространственных измерения развернулись, а остальные остались туго свёрнутыми в микроскопические области?

Если они не распрямились, то какая неведомая сила сдерживает их?

Ещё один стратегический вопрос – почему макроскопических измерений именно три?

Ответ на последний вопрос состоит в том, что трёхмерность предпочтительнее других вариантов размерности для физики нашей Вселенной. При меньшем числе измерений не могут существовать сложные структуры. При бльшем числе измерений не могут возникнуть устойчивые атомы. Поэтому наш мир таков, как есть. о

Но привычная нам структура Мироздания отнюдь не означает, что в природе не могут существовать отделённые от нас параллельные миры с иной размерностью.

Как вообразить себе параллельные измерения? Есть несколько подходящих аналогий.

Представьте очень длинную и тонкую трубку, наподобие соломинки для коктейля. Её поверхность содержит два измерения. Первое – большое продольное, визуально наблюдаемое как длинное, вертикальное. Второе – короткое в виде окружности, закрученное вокруг трубки.

Хотя поперечный размер намного меньше продольного, рассматривая трубку вблизи, вы без труда оцените её объём, поймёте, что её поверхность представляет собой двумерный цилиндр. Но стоит отойти на некоторое расстояние, и трубка будет выглядеть как одномерная прямая линия. Издалека вы не видите её толщину. Поэтому можно ошибочно предположить, что поверхность подобного объекта имеет не два, а одно измерение.

Аналогично в нашем реальном мире мы видим лишь три протяжённых измерения, а скрученные не замечаем. Но это не значит, что их нет в природе.

Лист бумаги на столе для человека выглядит двухмерным, а для микроба это трёхмерный мир.

Или ещё одна аналогия. Вблизи мы чётко видим, что кожура лимона неровная, бугристая. Но издалека цитрус кажется абсолютно гладким. То же самое и с пространством. На малых расстояниях оно многомерно и сильно искривлено, а на больших кривизна и дополнительные измерения незаметны.

Переместиться из одного компактного измерения в другое чрезвычайно сложно. Движению сквозь них препятствует принцип неопределённости Гейзенберга. Чем меньше размер того, во что надо поместить частицу, тем больше энергии для этого необходимо.

Чтобы «втиснуть» частицу, а тем более человека, в микроскопически свёрнутое измерение нужна энергия, сопоставимая с массой Планка. Если когда-нибудь цивилизация овладеет такой суперсилой, то мы фактически получим власть над природой, поскольку будем способны изменить саму структуру пространства-времени.

Дополнительные измерения очень сложные по своей структуре. Впервые их особую форму рассчитали Эудженио Калаби и Шинтан Яу. 19 20

Измерения оказались свёрнуты очень причудливым образом, закручиваясь и переплетаясь. В науке они называются многообразиями Калаби-Яу.

В каждой точке пространства имеется сложная многомерная геометрия, представляющая собой необычные шестимерные формы, которые принимают дополнительные размерности. Они прилагаются к каждой точке нашего трёхмерного пространства. Весь мир наполнен этими формами, вы буквально погружены в многообразия Калаби-Яу. Микроскопическая ткань Вселенной украшена необычными и богатейшими узорами.

Как может выглядеть многомерная Вселенная?

Наиболее правдоподобной является гипотеза, что наша реальность представляет собой немного сжатую семимерную сферу плюс четыре обычных измерения. Дело в том, что подобная конфигурация обладает рядом уникальных геометрических свойств и является очень симметричной. Именно в такую замкнутую структуру идеально математически вписываются известные нам фундаментальные взаимодействия, а также все материальные объекты окружающего мира, от атомов до галактик. То есть, Вселенная с одиннадцатью измерениями может быть оптимальным выбором самой Природы.

Почему пространство-время расщеплено на четыре и семь размерностей, а не, допустим, на пять и шесть? Почему свернулись именно семь измерений?

Есть очень интересное предположение, основанное на известном факте, что любая физическая система всегда стремится к состоянию с наименьшей энергией. Расчёты показывают, что этому условию как раз соответствует слегка сжатая семимерная сфера.

Одно дополнительное измерение можно свернуть только в окружность. Однако, уже двумерную поверхность можно соединить так, чтобы она образовала либо сферу, либо тор. Хотя обе фигуры замкнуты, они очень отличаются, поскольку тор имеет форму бублика, то есть содержит дырку посредине. Более многомерные пространства можно свернуть ещё интереснее, придав им самые причудливые формы. При семи измерениях набор возможностей становится огромным.

В многомерной Вселенной совсем по-другому проявляет себя гравитация. Ещё Ньютон, формулируя закон всемирного тяготения, обратил внимание, что гравитационное притяжение уменьшается с увеличением расстояния между двумя объектами с обратной квадратичной зависимостью. При удвоении расстояния, гравитационное притяжение снижается в четыре раза, при утроении – в девять раз, при учетверении – в шестнадцать раз и так далее. Интересно узнать, почему сила гравитации определяется именно квадратичной зависимостью?

Возможно, это напрямую связано с числом измерений. Все научные данные убедительно доказывают, что закон обратных квадратов прекрасно работает в обычных для нас масштабах. Но мы не знаем, подчиняется ли этому закону гравитация на микроскопическом уровне. Если экспериментально удастся установить отклонение от закона обратных квадратов на микромасштабах, это станет прямым доказательством существования дополнительных измерений.

В трёхмерном пространстве закону обратной квадратичной зависимости подчиняется как раз сфера. Представьте себе подобную огромную геометрическую фигуру с центром на Солнце и границей на орбите Земли. Она имеет площадь, пропорциональную квадрату расстояния между звездой и планетой. Общая плотность линий гравитационного поля, проходящего через сферу, с увеличением расстояния между Солнцем и Землёй уменьшается строго по закону обратных квадратов. Получается, что гравитация в нашем мире равномерно распределяется именно по сфере. Это важный аргумент в пользу многомерности Мироздания.

В двухмерном мире линии гравитационного поля звезды распределялись бы по окружности. Поэтому в нём сила гравитации была бы обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния. В одномерном мире для гравитации вообще не было бы пространства, её сила никогда не изменялась бы.

Логично предположить, что указанные закономерности должны распространяться на пространства с бльшим числом измерений. о

Средой для гравитации является само пространство. Поэтому включение в его структуру дополнительных измерений, расширяет сферу действия гравитации.

Кстати, такое предположение является хорошим обоснованием странного факта, почему в нашем мире эта фундаментальная сила настолько слабая. Если гравитация «растворена» по многим измерениям, то она не может быть сильной в каждом из них.

Чем больше измерений, тем больше пространства для расхождения линий гравитационного поля, и тем ощутимее падает сила гравитации. Она как бы «разжижается» в многомерном пространстве. А, например, электромагнитная сила кажется нам сильной просто потому, что передающий её фотон физически не способен «выпрыгнуть» из традиционного трёхмерного мира.