Краткая оценка
При их существующих уровнях разработки как инфляционная, так и циклическая модели обеспечивают содержательные космологические схемы, но ни одна из них не предлагает завершенной теории. Незнание превалирующих условий во время самых ранних моментов вселенной заставляет поборников инфляционной космологии просто предполагать, без теоретического обоснования, что условия, требующиеся для инициации инфляции, возникли. Если это так, теория решает большое количество космологических головоломок и запускает стрелу времени. Но такие успехи, во-первых, зависят от того, происходит ли инфляция. Что еще больше, инфляционная космология не встраивается прямо в теорию струн, а раз так, она пока что не является частью непротиворечивого слияния квантовой механики и ОТО.
Циклическая модель имеет свою собственную долю дефектов. Как и в модели Толмена, рассмотрение возрастания энтропии (а также квантовой механики[12]) гарантирует, что циклы циклической модели не могут происходить всегда. Напротив, циклы начинаются в некоторое определенное время в прошлом, так что, как и с инфляцией, мы нуждаемся в объяснении того, как стартовал первый цикл. Если это сделано, тогда теория, также подобно инфляционной, разрешает ключевые космологические проблемы и задает направление стреле времени из низкоэнтропийного шлепка в направлении через ряд последовательных этапов, как на Рис. 13.8. Но, как полагают в настоящее время, циклическая модель не предлагает объяснения, как или почему вселенная находится в необходимой конфигурации Рис. 13.8. Почему, например, шесть измерений свернулись в особую форму Калаби-Яу, тогда как одно из дополнительных измерений послушно приняло форму пространственного сегмента, разделяющего две 3-браны? Как так получилось, что две 3-браны конца мира выстроились настолько совершенно и притягиваются друг к другу с точно правильной силой, чтобы этапы на Рис. 13.8 происходили так, как мы описали? И критическую важность имеет вопрос, что на самом деле происходит, когда две 3-браны сталкиваются в циклической модели Взрыва?
С этим последним вопросом есть надежда, что шлепок циклической модели менее проблематичен, чем сингулярность, с которой мы сталкиваемся в момент времени нуль в инфляционной космологии. Вместо того, чтобы все пространство было бесконечно сжато, в циклическом подходе только одно измерение между бранами сдавливается; сами браны испытывают общее расширение во время каждого цикла, а не сжатие. А это, как утверждают Стейнхардт, Турок и их соратники, подразумевает конечные температуры и конечные плотности на самих бранах. Но это очень шаткое заключение, поскольку до сих пор никто не был в состоянии предложить лучшие уравнения и обрисовать, что должно будет происходить, когда браны схлопываются вместе. Фактически, до сих пор завершенный анализ, направленный к шлепку бран, имеет ту же проблему, которая беспокоит инфляционную теорию в момент нуль: математика терпит неудачу. Таким образом, космология все еще нуждается в строгом разрешении ее сингулярного старта – будь это на самом деле старт вселенной или старт нашего текущего цикла.
Самое убедительное свойство циклической модели заключается в способе, которым она присоединяет темную энергию и наблюдаемое ускоренное расширение. В 1998, когда было открыто, что вселенная повержена ускоренному расширению, это было совершенным сюрпризом для большинства физиков и астрономов. Хотя это могло быть инкорпорировано в инфляционную космологическую картину путем предположения, что вселенная содержит точно правильное количество темной энергии, ускоренное расширение казалось подобным нескладному дополнению. Напротив, в циклической модели роль темной энергии естественная и стержневая. Триллионолетний период постепенного, но постоянно ускоряющегося расширения является решающим для вытирания грифельной доски начисто, для растворения наблюдаемой вселенной почти до полной пустоты, и для восстановления условий для подготовки нового цикла. С этой точки зрения как инфляционная модель, так и циклическая модель зависят от ускоренного расширения – инфляционная модель вблизи ее начала, а циклическая модель в конце каждого своего цикла, – но только последняя имеет прямое наблюдательное подтверждение. (Вспомним, что циклический подход построен так, что мы просто ввели триллионолетнюю фазу ускоренного расширения, а такое расширение было недавно обнаружено). Это лишь мгновение в башне циклической модели, но это также означает, что если вдруг прекращение ускоренного расширения подтвердиться будущими наблюдениями, инфляционная модель сможет это пережить (хотя загадка исчезновения 70 процентов энергетического бюджета вселенной вновь всплывет), а циклическая модель не сможет.
Новые взгляды на пространство-время
Сценарий мира на бране и циклическая космологическая модель, им порожденная, оба в высшей степени умозрительны. Я обсуждал их здесь не столько потому, что я определенно чувствую, что они корректны, сколько потому, что я хотел проиллюстрировать поразительные новые пути для размышления о пространстве, в котором мы обитаем, и испытываемой им эволюции, которые были инспирированы теорией струн/М-теорией. Если мы живем внутри 3-браны, столетней давности вопрос относительно материальности трехмерного пространства получит самый определенный ответ: пространство будет браной, а потому определенно будет чем-то. Это может также не быть чем-то особенно специальным, так как могут быть многие другие браны, разных размерностей, плавающие внутри многомерных просторов теории струн/М-теории. И если космологическая эволюция на нашей 3-бране подвергается повторяющимся столкновениям с соседней браной, время, как мы его знаем, будет отмерять только один из многих циклов вселенной, с одним Большим взрывом, следующим за другим, а затем следующим.
Для меня это взгляд, как возбуждает, так и приводит к смирению. Может иметься намного больше пространства и времени, чем мы предчувствовали; если они есть, то, что мы рассматриваем как "все сущее", может быть только малой составляющей намного более богатой реальности.
V Реальность и воображение
14 Вверх в небеса и вниз на Землю
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПРОСТРАНСТВОМ И ВРЕМЕНЕМ
Мы прошли долгий путь со времен Эмпедокла из Агригенто, объяснявшего вселенную с использованием земли, воздуха, огня и воды. И большая часть прогресса, которого мы достигли от Ньютона через революционные открытия двадцатого столетия, была впечатляюще подтверждена экспериментальной проверкой детальных и точных теоретических предсказаний. Но с середины 1980х мы стали жертвой своего собственного успеха. С непрекращающимся побуждением отодвинуть пределы понимания все дальше наши теории вошли в области вне достижимости нашей сегодняшней технологии.
Тем не менее, с использованием старания и удачи многие идеи переднего фронта будут проверены в течение нескольких следующих десятилетий. Как мы будем обсуждать в этой главе, планируемые или идущие полным ходом эксперименты имеют потенциал больше прояснить вопросы о существовании дополнительных измерений, составе темной материи и темной энергии, происхождении массы и Хиггсовом океане, аспектах космологии ранней вселенной, существенности суперсимметрии и, возможно, достоверности самой теории струн. Итак, со значительной долей удачи некоторые умозрительные и инновационные идеи относительно объединения, природы пространства и времени и нашего космического происхождения могут в конце концов быть проверены.
Эйнштейн в захвате
В десятилетних попытках сформулировать ОТО Эйнштейн черпал вдохновение из многих источников. Самыми важными из всех были достижения в математике искривленных поверхностей, разработанные в девятнадцатом веке математическими светилами, включая Карла Фридриха Гаусса, Яноша Больяи, Николая Лобачевского и Георга Бернхарда Римана. Как мы обсуждали в Главе 3, Эйнштейн также был вдохновлен идеями Эрнста Маха. Вспомним, что Мах защищал реляционистскую концепцию пространства: в соответствии с ней пространство обеспечивает язык для определения положения объекта относительно других, но само оно не является независимой сущностью. Сначала Эйнштейн был чемпионом энтузиазма относительно точки зрения Маха, поскольку она была самой относительной, насколько может быть теория, поддерживающая относительность. Но когда Эйнштейн понял ОТО глубже, он осознал, что она не может полностью включить в себя идеи Маха. В соответствии с ОТО вода в Ньютоновском ведре, вращающемся в пустой во всех других отношениях вселенной, будет принимать искривленную форму, и это противоречит чистой реляционистской точке зрения Маха, поскольку она подразумевает абсолютное понятие ускорения. Даже в этих условиях ОТО включила в себя некоторые аспекты точки зрения Маха, и в течение следующих нескольких лет обсуждаемый ниже эксперимент более чем на 500 миллионов долларов, который был в разработке около сорока лет, будет проверять одну из самых известных особенностей идей Маха.
