Вещи не то, чем кажутся. 100 фреймов УНИВЕРСУМА

Гравитация как деформация пространства

Что больше всего на свете? Такую загадку задавал своим ученикам древнегреческий философ Фалес. Ответить на этот вопрос удавалось далеко не всем. Тем не менее, даже в сложном есть простое. Больше всего на свете пространство, ибо оно объемлет всё. Всё существующее во Вселенной имеет пространственные измерения, и ориентация в пространстве играет огромную роль в деятельности людей.

Представления о сущности пространства кардинально менялись в ходе развития человеческого познания. Так, Аристотель понимал под пространством сумму мест, занимаемых объектами, но рождение классической физики перевернуло представления здравого смысла: физика Галилея, Ньютона начала представлять пространство как протяжённую пустоту, которую в обыденном земном мире никто не видел, поскольку мы живём в газовом пузыре планеты.

Современная физика в лице Эйнштейна пошла ещё дальше, выворачивая наизнанку здравый смысл обыденного человеческого сознания. Теперь под пространством начали понимать жёсткую и упругую среду, которая в 100 тыс. раз прочнее стали и гораздо более упругую, чем резина. Само понятие кривизны или деформации пространства ввёл в науку немецкий математик Гаусс, он 15 лет не публиковал своих научных трудов, опасаясь непонимания среди коллег. Его работы привели к созданию новой науки – топологии, а геометрия Евклида (которую все мы изучали в школе) оказалась лишь частным случаем обширного разнообразия типов геометрий.

Следовательно, при существовании в пространстве кривизны оно неевклидово. В реальном физическом мире поля тяготения и массы вызывают кривизну или деформацию пространства, что проявляется в форме гравитационного взаимодействия. У Исаака Ньютона гравитация – это сила (достаточно вспомнить закон всемирного тяготения), а у Альберта Эйнштейна – уже кривизна пространства.

Чтобы описать кривизну пространства в каждой его точке, необходимы значения двадцати функций координат. Десять из них относятся к части кривизны, распространяющейся в виде гравитационной волны, т. е. «ряби»; другие десять определяют распределения энергий, масс, импульса, углового момента, значение универсальной гравитационной постоянной G. По причине крайне малой величины последней необходимы колоссальные энергии для того чтобы изогнуть континуум. По мнению академика А.Д. Сахарова, обратная величина G и является критерием жёсткости пространства. С точки зрения нашего обыденного опыта, пространство является крайне жёстким. К примеру, общая масса планеты Земля составляет лишь 1/1 000 000 000 (!) кривизны своей собственной поверхности. Представим подброшенный на 5 м в воздух мяч, весь полёт которого будет длиться 2 секунды. За эти 2 секунды свет пройдёт расстояние в 600 000 км. Соответственно, отклонение от прямой за счёт гравитации и будет составлять 5 м на 600 000 км.

Между тем в космосе имеются огромные массы, которые приводят к замыканию пространства, получившие название чёрных дыр. Такие массивные объекты, как правило, находятся в центрах галактик [39]. Они поглощают близлежащие звёзды и накапливают свою массу. По мнению отечественного физика Н.С. Кардашёва, эти объекты могут быть использованы как машины времени. Если войти в чёрную дыру по расчётной траектории, тогда градиент кривизны не окажет разрушительного воздействия на объект, и из-за изменения пространственно-временных проекций можно «прыгнуть» в будущее на сколь угодно далеко.

Тахионы – сверхсветовые частицы, изменяющие порядок времени

Тахионы относятся к загадочным объектам микромира, чьё экспериментальное обнаружение не подтвердилось вплоть до настоящего времени. Тем не менее они органично возникают в суперсовременных теориях физики элементарных частиц, включая и теорию суперструн. Что же такого необычного в свойствах тахионов вызывает их странное поведение?

Одна из уникальных характеристик тахионов – движение со сверхсветовыми скоростями. Кажется, что это противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, рассматривающей скорость света как предельную для объектов, имеющих массу покоя, в виду того, что при приближении к скорости 300 000 км/сек, у них резко возрастает масса, и это требует огромного увеличения энергии. При достижении светового барьера масса объекта становится бесконечной. Для того чтобы он достиг световой скорости необходима, соответственно, бесконечная энергия, что невозможно, поскольку бесконечных источников энергии в природе не существует. Данное ограничение можно обойти, если допустить скачкообразное рождение частиц, которые в момент своего возникновения сразу имеют скорость, превышающую световой барьер. Это возможно только в том случае, если тахионы имеют мнимую массу, которая и будет определять их во многом фантастические свойства. Некоторая аналогия указывает на фотоны и, возможно, нейтрино, движущиеся со световой скоростью, сразу в момент своего возникновения, поскольку не обладают массой покоя.

Для тахионов характерно обратное отношение между скоростью движения и энергией, которой они обладают. Если для обычных частиц имеется закономерность, проявляющаяся в том, что чем быстрее движется частица, тем большей энергией она обладает, то для высоко энергетичных тахионов скорость света является нижним барьером, медленнее которой они двигаться не могут. И, наоборот, для тахионов, энергия которых близка к нулю, скорость стремится к бесконечности, хотя импульс остаётся конечной величиной. По сути, для тахионов пространство вообще не существует как некая протяжённость, поскольку они мгновенно преодолевают (пронзают) его. Остаётся предположить, что с этим и связаны трудности их экспериментального обнаружения. Ситуация усугубляется ещё и тем, что скорость движения тахиона будет различной в зависимости от скорости движения наблюдателей, находящихся в различных системах отсчёта. Это расширяет интерпретацию открытия Эйнштейна, связанную с понятием одновременности событий в различных точках пространства, имеющих лишь относительный, а не абсолютный смысл. Так, если тахион движется с бесконечной скоростью относительно одного наблюдателя, то скорость, измеренная другим наблюдателем, движущимся относительно первого, должна быть конечной величиной между скоростью света и бесконечностью. При этом, если при переходе от одной системы отсчёта к другой, связанных с нахождением наблюдателей, энергия обычных частиц остаётся положительной, то для тахионов для другого наблюдателя, движущегося относительно первого, она может принимать отрицательные значения.

Изменение знака энергии тахиона способно приводить к инверсии причинно-следственных отношений. Если для обычных частиц наблюдатель увидит процесс испускания, например, атомом какой-либо частицы, то другой наблюдатель, находящийся в движении относительно первого, увидит данный процесс в том же хронологическом порядке, хотя временной интервал между событиями будет меняться от наблюдателя к наблюдателю [40]. Тахионы же движутся быстрее скорости света, поэтому при преодолении пространственно-временных интервалов возможно изменение хронологического порядка во времени. Так, если один наблюдатель увидит в определённый момент времени тахион, испущенный атомом и ушедший в пространство, то другой наблюдатель, двигающийся относительно первого, увидит этот процесс в обратном порядке (тахион прилетел из пространства и поглотился атомом). Данное описание согласуется с принципом теории относительности, утверждающим, что событие, наблюдаемое одним наблюдателем, должно быть наблюдаемо и для других наблюдателей, но не требует одинаковую интерпретацию происходящих событий.

В настоящее время не существует достаточно проработанной теории тахионных взаимодействий. Предпринятые в XX веке попытки по их экспериментальному обнаружению не увенчались успехом. Вероятно, требуется другой подход, заключающийся в исследовании волновых тахионных реализаций. И здесь напрашивается аналогия с гравитацией. Квантовая теория гравитации находится в стадии разработки, и пока никому не удалось зафиксировать гравитоны как частицы, в то время как гравитационные волны обнаружены не были. От гравитационной астрономии ожидают ранее неизвестные знания о Вселенной. Разработка теории и открытие волновых свойств тахионов создаст новые возможности в познании не только нашей Вселенной, но и других миров.

Гравитоны – частицы гравитационного излучения, сжигающие вещество

Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию пространства, в отличие от представлений Ньютона, рассматривающего гравитацию как силу взаимодействия объектов в протяжённом пустом пространстве. В понимании Эйнштейна пространство – это не протяжённая пустота, а жёсткая среда, в сотни тысяч раз прочнее стали, и более упругая, чем резина. Большие массы искривляют пространство и тела, совершают своё движение по градиенту кривизны. Мера жёсткости пространства определяется величиной обратной гравитационной постоянной равной 6,67∙10^-8 Дн∙см²∙г^-2. Обратная величина гравитационной постоянной приблизительно равна 0,15∙10⁸ с той же размерностью. Следовательно, нужна чудовищная сила или энергия, чтобы вызвать минимальную деформацию пространства.

Квантовая теория исходит из того, что гравитация представлена частицами-переносчиками данного взаимодействия, которые получили название гравитонов. Гравитон является гипотетической безмассовой частицей-переносчиком гравитационного излучения. Так как поля тяготения обладают энергией, соответствующей определённой массе, то все объекты излучают гравитоны и теряют массу. По сути, всё вещество аннигилируется в пламени гравитационного излучения, «сгорая», т. е. теряя массу, которая уносится гравитонным излучением.

Располагая значениями масс элементарных частиц, можно установить период полураспада вещества в нашей Вселенной. Существуют оценки массы гравитона, точнее её верхнего предела, определяемые как 10^-62 г. Большинство физиков отмечает, как наиболее соответствующую теоретическим оценкам, величину в 10^-64 г. Поскольку масса протона равна приблизительно 2∙10^-27, то его период полураспада составит десятки миллиардов лет [41].

Если оценить размеры гравитона, то он крайне мал по сравнению с протоном, соответственно, приблизительно 2∙10^-27 см и 1,5∙10^-13 см. Из наблюдений GW170817, представляющей первый зарегистрированный волновой гравитационный всплеск, произошедший от слияния двух нейтронных звёзд, была получена нижняя оценка времени существования гравитона в 4,5∙10⁸ лет. Скорость распространения гравитационных волн, а, судя по всему, и гравитационного взаимодействия, как и утверждалось в теории относительности, соответствовала скорости света.

И всё же существуют серьёзные концептуальные трудности, связанные с объединением теории относительности и квантовой теории поля. Дело в том, что из-за соотношения неопределённости Гейзенберга на уровне планковских масштабов, составляющих 10^-33 см, флюктуации энергии достигают огромных величин, а энергии соответствуют массам, которые вызывают чудовищные деформации пространства. Поэтому на микромасштабах пространство оказывается буквально вспученным. Некоторые учёные используют аллегорию пены, характеризующую состояние пространства-времени. В этих условиях математический аппарат квантовой механики не работает, поскольку он описывает эффекты квантовых явлений лишь в плоском неискривлённом пространстве.

Даже простые оценки гравитационного взаимодействия, исходя из принципа неопределённости, дают нам странные совпадения в пространственно-временных характеристиках нашей Вселенной. Если из соотношения неопределённости вычислить положение гравитона в пространстве, а по сути, его радиус действия, то он окажется равным приблизительно 10²⁸ см, что почти в точности соответствует размерам нашей Вселенной в настоящее время. Временная неопределённость гравитона, исходя из принципа неопределённости Гейзенберга, составляет 10¹⁷ сек., что опять же почти точно соответствует времени существования нашей Вселенной. Возможно, это такие критические параметры нашего мира, совпадающие с оценками, произведёнными другими методами.

В настоящее время надежды возлагаются на теорию суперструн, рассматривающую частицы как спектр колебаний микрообъектов, напоминающих струны музыкальных инструментов, совершающих колебания в девяти- или одиннадцатимерном пространстве и взаимодействующих с ним. При этом трёхмерное пространство соответствует макромиру, на уровне микромира оно имеет как минимум шесть дополнительных измерений и представляет своего рода свёрнутый топологический конструкт. Исходя из девятимерной теории суперструн, гравитоны можно обнаружить при энергиях не менее 100 ТэВ, которые в принципе достижимы на современных ускорителях. Исследование и обнаружение тёмной материи, проявляющей себя в основном в гравитационном взаимодействии, позволит лучше понять природу гравитации, что будет способствовать разработке новых технических средств для преодоления межзвёздного пространства.

Магнитные монополи – загадочные частицы, пожирающие материю

В свете последних данных теоретической физики, магнитные монополи могут вызывать распад протонов и нейтронов, образующих ядра атомов, из которых состоит вещество во Вселенной. Достаточно получить пучок таких частиц, и, в принципе, можно уничтожить вообще все атомы нашего мира. При этом сами монополи остаются интактными и действуют как катализаторы в химических реакциях, по сути, обладая бесконечной стабильностью или вечным существованием. Не исключено, что на их основе будет изобретено и супероружие, так как, создав генератор в виде импульсной монопольной пушки или лазера, не составит труда уничтожить абсолютно любого противника. Однако, что произойдёт с тем, кто применит такое оружие, ведь в этом случае он и сам будет уничтожен? Современная физика даёт ключ к управлению и защите от воздействий магнитных монополей.

Для понимания такого рода физических процессов необходимо вернуться к истории этой проблемы. Принцип симметрии является краеугольным камнем в здании физики. На нарушение этого положения в электромагнитных взаимодействиях впервые в 40-х годах прошлого века обратил внимание знаменитый физик-теоретик Поль Дирак. Он предположил, что наряду с квантами электричества должны существовать и кванты магнитных явлений. Данная частица по аналогии с электроном и позитроном обладала бы магнитным зарядом, и этот заряд был бы либо «северным», либо «южным». Вот эти гипотетические частицы и получили название магнитных монополей.

С точки зрения физики, магнетизм является производным от электричества и возникает в результате движения электрических зарядов. Исходя из принципа симметрии, должны существовать «магнитные» частицы, служившие источником магнитных полей, которые при движении создавали бы электрические поля по аналогии, как движение электрических частиц порождает поля магнитные. При этом монополи должны были индуцировать электромагнитное излучение, и, наоборот, высокоэнергетичные фотоны подобно тому как они могут порождать электроны и позитроны, вызывали бы рождение пары магнитных монополей.

Математический анализ, выполненный Дираком, позволил получить конкретные физические величины, касающиеся соотношения электрического и магнитного зарядов. Оказалось, что магнитный заряд в 68,5 раза больше электрического. Соответственно, сила взаимодействия магнитных зарядов в 4692 раза превышает силу взаимодействия электрических зарядов. Из чего следует, что монополи имеют огромную массу, которая превосходит все известные частицы [42].

Эти оценки позволяют предположить некоторые свойства монополей, одно из которых касается их возникновения и уничтожения. Из законов сохранения вытекало, что рождённый монополь не может сам по себе исчезнуть, если только не столкнётся с другим монополем противоположного магнитного заряда. Такое столкновение должно привести к их аннигиляции, которая по аналогии происходит при столкновении электрона со своей античастицей позитроном. Предполагалось, что монополи, как и другие частицы, рождаются парами, но для их обнаружения требуются огромные ускорители энергии, которых долгое время не существовало.

С возникновением теории Великого объединения, единообразно описывающей виды физических взаимодействий, вновь возрос интерес к проблеме существования монополей. В работах Г. Хоофта и А. Полякова было показано, что в рамках этой теории должны существовать магнитные монополи, которые рассматривались как топологические дефекты Хиггсова поля. В моделях Великого объединения монополи представляют собой слоистую структуру, в которой зафиксированы ранние фазы возникновения нашей Вселенной. Предсказываемые в рамках этих концепций монополи получили название GUT – монополей (Grand Unification Theory), где во внутренних частях собственно и существует суперполе, объединяющее виды физических взаимодействий, которые в нашем мире расщепляются на электромагнитное, слабое и сильное ядерное. Температура, при которой эти взаимодействия становятся неразличимыми, т. е. проявляют единую природу, составляет 10²⁷ К. И когда-то на ранних фазах возникновения нашей Вселенной это суперсимметричное состояние физических взаимодействий действительно наблюдалось [43].

Ядро GUT-монополя, где сохранилось это состояние, оказывается крайне опасной для протона. И хотя оно очень мало по сравнению с этой частицей, тем не менее вызывает распад протона на позитрон и π-мезон. При этом сам монополь не расходуется как катализатор химических реакций, а продолжая взаимодействие с другими протонами и нейтронами, интенсивно уничтожает их. При распаде протона выделяется энергия, соизмеримая с распадом пяти атомов урана. Если монополи действительно существуют, и откроются возможности управления подобным процессом, это станет огромным потенциальным источником энергии для человечества в будущем. В рамках теории Великого объединения предполагается, что монополи в 1016 раз массивнее протона, и потребуются огромные энергии для их экспериментального получения. Тем не менее такие энергии существовали на ранних фазах развития Вселенной, следовательно, монополи могли возникать, и, в принципе, их должно было быть много. Возможно, инфляция, стремительное расширение, своего рода раздувание пространства, и последующее в связи с этим охлаждение материи каким-то образом резко уменьшило их количество. В настоящее время предложено много методов по обнаружению монополей, в том числе и в космических лучах, которые исследуются в подземных лабораториях. К надёжным свидетельствам их наличия эти работы не привели. И всё же надежда остаётся, ведь если нет запрета на их существование в теоретической физике, то такие объекты должны быть.

Если удастся доказать эмпирическое существование монополей, будут разработаны механизмы их генерации и управления, и человечество получит колоссальный источник энергии, но в тоже время и оружие, как это произошло с атомной энергией (только несоизмеримый по мощности). Защита и управление такими процессами, как подсказывает физика, заключается в том, что необходимо создать экран из антимонополей, который приведёт к аннигиляции и прекратит уничтожение вещества. Наука несёт не только блага, но и опасности. Остаётся надеяться, что развитие научного познания сможет справиться с возникающими угрозами.

Тёмная материя – скрытая субстанция Вселенной

Наука XX века установила состав звёзд, выяснила их эволюцию, благодаря мощным телескопам был открыт огромный мир галактик, который насчитывает 100 млрд таких объектов. Установлено расширение Вселенной, смоделирована её эволюция. Казалось, это и есть мир, где существует человеческая цивилизация. И вдруг выяснилось, что барионная материя, из которой состоит видимая Вселенная, составляет всего 4,9 % от общей массы материи. При этом 26,8 % приходится на тёмную материю, не участвующую в электромагнитном взаимодействии и обнаруживающую себя через гравитацию, а 68,3 % составляет тёмная энергия, ответственная за расширение Вселенной. Таким образом, оказалось, что наш мир состоит на 95,1 % из тёмной материи и тёмной энергии.

Представим, что мы живём на острове и считаем его всей реальностью, окружающей нас. Неожиданно, выйдя на берег, мы обнаружили огромный океан, находящийся рядом с нами, о существовании которого никто и не подозревал. Отчасти такая же мировоззренческая революция произошла в науке, столкнувшейся на рубеже XXI века с новой формой материи, перевернувшей физические традиционные представления.

Следует отметить, что ещё в 30-х годах прошлого века, наблюдая за галактическими скоплениями, астрономы пришли к выводу о существовании некой силы, связывающей галактики в единое целое и, не давая им разлететься. Так возникла проблема «скрытой массы». В 1970-х годах при изучении вращения галактик были обнаружены те же самые явления. Вскоре возникло понимание того, что тёмная материя состоит не из обычного вещества и излучения. Скорее всего, 90 % вещества собирается вместе из-за наличия некоего экзотического материала, оставшегося после Большого взрыва, положившего начало развитию Вселенной.

В течение долгого времени кандидатом на роль тёмной материи выдвигалась гипотетическая частица, обладающая большой массой и слабо взаимодействующая с веществом, получившая название WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Примечательно, что она вписывалась в теорию суперсимметрии, являющейся популярной среди теоретиков. Тем не менее чувствительные наземные детекторы, несмотря на десятилетия наблюдений, не обнаружили никаких признаков существования этих частиц.

Другим кандидатом является аксион, теоретический объект, возникающий в теории суперструн. Эта частица имела бы очень малую массу и в изобилии находилась бы в пространстве. Десятки или даже сотни триллионов аксионов могли присутствовать в одном кубическом сантиметре [44]. Единственное их воздействие на остальную материю осуществлялось бы через гравитацию. Накопленная масса аксионов могла влиять на орбиты звёзд и галактик в галактических скоплениях. В 1980-х годах возникло мнение, что Большой взрыв мог породить достаточное количество аксионов, чтобы объяснить наличие тёмной материи. Между тем теория ничего не говорит, какова вероятность их взаимодействия с веществом, насколько они инертны. Скорее всего, их масса должна быть крайне мала, поскольку в экспериментах на коллайдерах они обнаружены не были. В 1987 году вспышка сверхновой в Большом Магеллановом облаке показала, что если бы масса аксиона составляла одну миллиардную часть электрона, то в этом случае должны были возникнуть искажения нейтринного потока, пришедшего к Земле. Однако такие явления обнаружены не были. Не исключено, что аксионы имеют ещё меньшую массу, чем предполагали теоретики.

Учёные выдвинули несколько претендентов на роль тёмной материи. Они считают, что это нечто совсем иное, чем известные частицы, она слабо взаимодействует с веществом и если вообще взаимодействует, то только лишь через гравитацию. Различают горячую и холодную тёмную материю. Наблюдения показывают, что основная часть объектов, её составляющих, имеет скорость гораздо меньше скорости света. Напротив, горячая тёмная материя обладает субсветовыми скоростями. Аксионы относятся к холодной тёмной материи, и учёные не оставляют попыток обнаружить их экспериментально или в наблюдениях за дальним космосом.

Ещё одним кандидатом являются необычные нейтрино, выходящие за рамки трёх известных разновидностей, которые бы ещё меньше взаимодействовали с веществом [45]. Определённую лепту могли бы внести и микрочёрные дыры, возникшие на ранних этапах формирования Вселенной. Между тем до сих пор обнаружить их не удалось и высказывается мнение, что они уже исчезли за время существования Вселенной. Теоретики выдвигают множество предположений о природе тёмной материи. Среди них встречаются довольно экзотические. К таковым относятся топологические дефекты пространства и материя из параллельных вселенных. Так, тёмная материя может явиться дефектами пространства, возникшими в момент Большого взрыва, содержащими в себе энергию и вызывающими гравитацию. Эта гипотеза может быть проверена экспериментально с помощью орбитальных космических зондов, находящихся на орбите Земли и в пределах Солнечной системы, снабжённых высокоточными атомными часами, потому что при прохождении топологического пространственного дефекта возможно рассогласование хода времени.

С точки зрения гипотезы параллельных Вселенных, гравитация рассматривается как уникальный вид взаимодействия, через который осуществляется связь между мирами. Из этого вытекает, что эффекты тёмной материи могут быть объяснены взаимодействием барионного вещества нашей Вселенной через гравитацию с массивной материей из других измерений. Материя в других измерениях, а, по сути, в параллельных вселенных, вероятно, формирует похожие структуры, как и в нашем мире, а может, создаёт иные формы другим необычным способом, которые проявляются в нашей Вселенной в виде гравитационных галло вокруг галактик и других эффектах, ещё не открытых современной наукой.

Исследование открытых новых реальностей в виде тёмной материи и тёмной энергии не является теоретической игрушкой для мозга астрофизиков. Это может привести и обязательно приведёт к кардинальному изменению нашего знания об окружающем мире, и будет способствовать возникновению принципиально новой техники и новых технологий.