Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Ответ на эти вопросы: да. Имеется несколько недавних экспериментальных результатов, которые указывают на новые явления, непредвиденные для большинства струнных теоретиков и физиков, занимающихся частицами. Ни один полностью не установлен. В нескольких случаях результаты достоверны, но интерпретации спорны; в других случаях результаты слишком новы и удивительны, чтобы быть широко принятыми. Но их стоит описать здесь, поскольку, если любая из этих подсказок выльется в настоящее открытие, тогда имеются важные свойства фундаментальной физики, которые не предсказываются ни одной из версий теории струн, и будет тяжело согласоваться с ними. Другие подходы тогда станут основными, а не факультативными.

Начнем с космологической константы с целью представить темную энергию, ускоряющую расширение вселенной. Как обсуждалось в главе 10, эта энергия не была предугадана ни теорией струн, ни большинством других теорий, и у нас нет идеи, как установить ее величину. Многие люди тяжело думали над этим на протяжении лет, и мы более или менее нигде. Я тоже не имею ответа, но у меня есть предложение, как мы могли бы найти его. Надо прекратить попытки оценить величину космологической константы в терминах известной физики. Если нет способа оценить явление на основе того, что мы знаем, тогда, может быть, это знак, что нам нужно поискать что-то новое. Возможно, космологическая константа является симптомом чего-то другого, в таком случае она может иметь и другие проявления. Как нам поискать их или опознать их?

Ответ будет простым, поскольку универсальные явления, в конечном счете, просты. Силы в физике характеризуются только несколькими числами – например, расстоянием, на которое распространяется сила, и зарядом, который говорит, насколько сила велика. Что характеризует космологическую константу, так это масштаб, который является масштабом расстояний, выше которых она искривляет вселенную. Мы можем назвать этот масштаб R. Он порядка 10 миллиардов световых лет или 10²⁷ сантиметров. Что является странным в космологической константе, так это что ее масштаб гигантский по сравнению с другими масштабами физики. Масштаб R в 10⁴⁰ раз больше размера атомных ядер и в 10⁶⁰ раз больше планковского масштаба (который составляет примерно 10–20 от размера протона). Так что логично поинтересоваться, может ли масштаб R отражать некоторую совершенно новую физику. Хорошим подходом мог бы стать поиск явлений, которые происходят на том же самом громадном масштабе.

Происходит ли что-нибудь другое на масштабе космологической константы? Начнем с самой космологии. Самыми точными космологическими наблюдениями, которые мы имеем, являются измерения космического микроволнового фона. Это излучение, оставшееся от Большого Взрыва, которое приходит к нам со всех направлений в небе. Излучение чисто тепловое – то есть, хаотическое. Оно остывало, пока вселенная расширялась, и сегодня находится при температуре 2,7 Кельвинов. Температура однородна по небу с высокой степенью точности, но на уровне нескольких частей на 100 000 в ней имеются флуктуации (см. Рис. 13, вверху). Картина этих флуктуаций дает нам важную путеводную нить к физике очень ранней вселенной.

За последние десятилетия температурные флуктуации микроволнового фона были картографированы спутниками, детекторами на аэростатах и детекторами, расположенными на грунте. Один из способов понять, что именно измерили эти эксперименты, это подумать о флуктуациях, как если бы они были звуковыми волнами в ранней вселенной. Тогда полезно спросить, насколько громки флуктуации на различных длинах волн. Результаты дают нам картину, такую как на Рис.13, внизу, которая говорит нам, сколько энергии имеется при различных длинах волн.

В картине доминирует большой пик, за которым следуют несколько пиков поменьше. Открытие этих пиков является одним из триумфов современной науки. Они интерпретируются космологами, чтобы отметить, что заполнявшая раннюю вселенную материя звучала почти похоже на корпус барабана или на тело флейты. Длина волны, на которой вибрирует музыкальный инструмент, пропорциональна его размеру, и то же самое верно для вселенной. Длины волн резонансных мод говорят нам, насколько велика была вселенная, когда она впервые стала прозрачной: то есть, когда начальная горячая плазма перешла или "распалась" на отдельные царства вещества и энергии примерно через триста тысяч лет после Большого Взрыва; в это время микроволновое излучение и стало видимым. Эти наблюдения экстремально полезны в привязке параметров нашей космологической модели.

Другое свойство, которое мы видим в данных, заключается в том, что в самой большой длине волны содержится мало энергии. Это может быть просто статистическая флуктуация, поскольку эта область содержит незначительное число точек данных. Но если это не статистическая случайность, это может быть интерпретировано как указание на отсечку, выше которой моды возбуждаются намного меньше. Интересно, что эта отсечка находится на масштабе R, связанном с космологической константой.

Существование такой отсечки загадочно с точки зрения наиболее широко принятой теории очень ранней вселенной, а именно инфляции. Согласно теории инфляции вселенная расширялась экспоненциально быстро во время одного экстремально раннего периода. Инфляция объясняет наблюдение, что космическая фоновая радиация близка к однородной. Она делает это, обеспечивая, что все части вселенной, которые мы видим сегодня, находились в причинном контакте, когда вселенная была еще плазмой.

Теория также предсказывает флуктуации космического микроволнового фона, которые гипотетически являются следом квантовых эффектов во время периода инфляции. Принцип неопределенности предполагает, что поля, представлявшие основную энергию вселенной во время инфляции, флуктуировали, и эти флуктуации отпечатались в геометрии пространства. Так как вселенная расширялась экспоненциально, они сохранились, вызвав флуктуации в температуре излучения, возникшие, когда вселенная стала прозрачной.

Инфляция уверенно производит гигантский регион вселенной с относительно однородными свойствами. Это регион мыслится на много порядков величины большим, чем наблюдаемая область, вследствие простых рассуждений о масштабах. Если бы инфляция остановилась точно в точке, где был создан регион размером с наблюдаемую нами сегодня область, должен был бы быть некоторый параметр в физике инфляции, который выбрал бы специальное время для остановки, которое точно оказалось нашей эрой. Но это кажется невероятным, поскольку инфляция имела место, когда вселенная имела температуру на десять в двадцатой степени порядков величины больше, чем центр самой горячей звезды сегодня; таким образом, управляющие ей законы должны быть особыми законами, которые доминируют в физике только в таких экстремальных условиях. Имеется много гипотез о законах, которые управляют инфляцией, но ни одна из них не говорит ничего о временном масштабе в 10 миллиардов лет. Другим способом определить это является то, что, кажется, нет способа для сегодняшней величины космологической константы как-то повлиять на физику, которая вызывала инфляцию.

Таким образом, если инфляция производит однородную вселенную на масштабе, который мы наблюдаем, она, вероятно, произведет вселенную, которая однородна при намного больших масштабах. Все это подразумевает, что картина произведенных инфляцией флуктуаций должна продолжаться и продолжаться, независимо от того, насколько далеко вы заглядываете. Если бы вы смогли заглянуть за пределы существующего размера наблюдаемой вселенной, вы должны были бы продолжать видеть малые флуктуации в космическом микроволновом фоне. Вместо этого, данные подсказывают, что флуктуации могут прекратиться на масштабе больше R.

На самом деле, когда космологи исследовали крупномасштабные моды в микроволновом фоне, они нашли много головоломок. Предметом веры среди космологов является то, что на самых больших масштабах вселенная должна быть симметрична – то есть, любое заданное направление должно выглядеть как любое другое. Это не то, что наблюдается. Излучение на этих крупномасштабных модах не симметрично; имеется предпочтительное направление. (Оно было названо "осью зла" космологами Кэт Лэнд и Жоао Магуэйджо.) Никто не имеет никакого рационального объяснения этому эффекту.

Эти наблюдения вызывают споры, поскольку они сильно не согласуются с тем, что мы ожидали бы на основании инфляции. Поскольку инфляция объясняет в космологии очень много, многие благоразумные ученые подозревают, что имеется что-то неправильное в микроволновых данных. На самом деле, всегда может быть, что данные просто ошибочны. К данным применяются многочисленные тонкие способы анализа, прежде чем они представляются публике. Одной из сделанных вещей является выделение излучения, о котором известно, что оно идет от галактики, в которой мы живем. Это могло быть сделано некорректно, но некоторые эксперты, близко знакомые с деталями того, как анализировались данные, уверены, что все правильно. Другая возможность, как отмечалось, заключается в том, что наши наблюдения являются просто статистическими аномалиями. Осцилляции на длине волны масштаба R занимают гигантскую часть неба – около 60 градусов; следовательно, мы видим только несколько длин волн, и имеются только несколько точек данных, поэтому то, что мы видим, может быть просто хаотической статистической флуктуацией. Возможность подтверждения, что преимущественное направление является статистической аномалией, оценивается меньше чем 1 часть на 1000. Но легче поверить в эту маловероятную неудачу, чем поверить, что предсказания инфляции разрушены.

Эти проблемы в настоящее время не решены. На данный момент достаточно сказать, что мы искали странную физику на масштабе R и нашли ее.

Имеются ли какие-нибудь другие явления, связанные с этим масштабом? Мы можем объединить R с другими константами природы, чтобы посмотреть, что происходит на масштабах, определяемых получившимся в итоге числом. Позвольте мне предложить пример. Рассмотрим R, деленное на скорость света: R/c. Это дает нам время, а время грубо дает нам существующий возраст нашей вселенной. Обратная величина, c/R, дает нам частоту – очень низкий тон, одно колебание за время жизни вселенной.

Следующая простейшая вещь для попыток есть c2/R. Она оказывается ускорением. Фактически, это ускорение, с которым возрастает темп расширения вселенной – то есть, ускорение, производимое космологической константой. Однако, по сравнению с обычными масштабами, это очень малое ускорение: 10–8 сантиметров в секунду за секунду. Представим себе жука, ползущего по полу. Ему удастся проделать, возможно, 10 сантиметров в секунду. Если жук удвоит свою скорость за время жизни собаки, он будет ускоряться примерно с темпом c2/R, на самом деле очень маленькое ускорение.

Но предположим, что имеется новое универсальное явление, которое объясняет величину космологической константы. Только из того факта, что масштаб велик, это новое явление должно будет также влиять на любой другой вид движения с ускорением такой же малости. Так что всегда, когда мы можем наблюдать нечто, двигающееся с таким малым ускорением, мы должны ожидать увидеть что-то новое. Теперь игра начинает быть интересной. Мы знаем вещи, которые ускоряются с указанной медленностью. Одним из примеров является типичная звезда, вращающаяся в типичной галактике. Галактики, вращающиеся вокруг других галактик, ускоряются даже еще медленнее. Итак, видим ли мы какое-нибудь отличие в орбитах звезд с ускорением этой малости по сравнению с орбитами звезд с большими ускорениями? Ответ: да, мы видим, и отличие разительное. Это проблема темной материи.

Как мы обсуждали в главе 1, астрономы открыли проблему темной материи путем измерения ускорений звезд на орбитах вокруг центра их галактик. Проблема возникла потому, что, получив измеренные ускорения, астрономы смогли вывести распределения галактической материи. В большинстве галактик этот результат оказался не согласующимся с непосредственно наблюдаемой материей.

Теперь я могу сказать немного больше о том, как возникает такое рассогласование. (С целью упрощения я ограничиваю обсуждение спиральными галактиками, в которых большинство звезд двигаются по круговым орбитам в диске.) В каждой галактике, где была найдена проблема, она оказывала влияние только на звезды, двигающиеся снаружи определенной орбиты. Внутри этой орбиты проблем нет – ускорения таковы, какие и должны быть, если они вызываются видимой материей. Так что кажется, что имеется область внутри галактики, в пределах которой работают законы Ньютона и где не нужна темная материя. Вне этой области вещи приобретают беспорядок.

Ключевой вопрос таков: где располагается специальная орбита, разделяющая две области? Мы можем предположить, что она появляется на особом расстоянии от центра галактики. Это естественная гипотеза, но она не верна: не проходит ли разделяющая линия по определенной плотности звезд или их излучения? Ответ опять: нет. Что кажется определяющим разделительную линию, это, что удивительно, темп самого ускорения. Когда что-то удаляется от центра галактики, ускорения уменьшаются, и тут оказывается критический темп, который отмечает нарушение ньютоновского закона гравитации. Как только ускорение звезды превысит эту критическую величину, ньютоновский закон кажется работающим, и наблюдается предсказанное ускорение. В этих случаях не нужно постулировать никакой темной материи. Но когда наблюдаемое ускорение меньше, чем критическая величина, оно больше не согласуется с предсказанием закона Ньютона.

Что это за специальное ускорение? Оно измерено и равно 1,2 х 10–8 сантиметров в секунду за секунду. Это близко к c2/R, величине ускорения, произведенного космологической константой!

Этот выдающийся поворот в истории темной материи был открыт в начале 1980х израильским физиком по имени Мордехай Милгром. Он опубликовал свои изыскания в 1983, но долгие годы они почти совершенно игнорировались. Однако, когда были получены более точные данные, стало ясно, что его наблюдение было правильным. Масштаб c2/R характеризует ускорения, где закон Ньютона нарушается для галактик. Это сейчас называется астрономами законом Милгрома.

Я хочу, чтобы вы поняли, насколько таинственным является это наблюдение. Масштаб R есть масштаб всей наблюдаемой вселенной, который в чудовищное количество раз больше, чем размер любой индивидуальной галактики. Ускорение c2/R возникает на космологическом масштабе; как отмечалось, это темп, с которым ускоряется расширение вселенной. Нет очевидных причин, по которым этот масштаб вообще играет какую-либо роль в динамике индивидуальной галактики. К осознанию, что это происходит, нас подтолкнули данные. Я вспоминаю свое изумление, когда я впервые узнал об этом. Я был шокирован и возбужден. Я гулял около часа в удивлении, бормоча бессвязные ругательства. Наконец-то! Возможная подсказка из эксперимента, что в мире имеется намного больше, чем мы, теоретики, представляем!

Как это должно быть объяснено? В стороне от случайного совпадения имеются три возможности. Могла бы быть темная материя, а масштаб c2/R мог бы характеризовать физику частиц темной материи. Или гало темной материи могло бы характеризоваться масштабом c2/R, поскольку это связано с плотностью темной материи во время, когда она коллапсировала, чтобы сформировать галактики. В любом случае темная энергия и темная материя являются различными явлениями, но взаимосвязанными.

Другая возможность в том, что нет темной материи и закон гравитации Ньютона нарушается, как только ускорения оказываются столь же малы, как и специальная величина c2/R. В этом случае необходим новый закон, который заменит закон Ньютона в этих условиях. В своей статье 1983 Милгром предложил такую теорию. Он назвал ее MOND, что означает сокращение от "модифицированной ньютоновской динамики". Согласно закону гравитации Ньютона ускорение тела из-за массы уменьшается особым образом, когда вы удаляетесь от этой массы – а именно, как обратный квадрат расстояния. Теория Милгрома говорит, что закон Ньютона сохраняется, но только пока ускорение не упадет до магической величины 1,2 х 10–8 см/сек2. После этой точки вместо того, чтобы уменьшаться как обратный квадрат расстояния, оно уменьшается только обратно пропорционально расстоянию. Более того, хотя обычно ньютоновская сила пропорциональна массе тела, вызывающего ускорение, умноженной на константу (которая есть гравитационная константа Ньютона), MOND говорит, что, когда ускорение очень мало, сила пропорциональна квадратному корню из массы, умноженной на константу Ньютона.

Если Милгром прав, тогда причина того, что звезды за пределами специальной орбиты ускоряются больше, чем это должно быть, в том, что они ощущают более значительную гравитационную силу, чем предсказывал Ньютон! Здесь совершенно новая физика – не на планковском масштабе, и даже не в ускорителе, а прямо перед нами, в движениях звезд, которые мы видим в небе.

MOND, как теория, не принесла для физиков много смысла. Имеются веские причины, почему гравитационные и электрические силы падают как квадрат расстояния. Это оказывается следствием относительности, объединенной с трехмерной природой пространства. Я не хочу вдаваться здесь в детали, но заключение радикальное. Теория Милгрома оказывается не совместима с базовыми физическими принципами, включая принципы СТО и ОТО.

Были попытки модифицировать ОТО, чтобы сконструировать теорию, которая включает в себя MOND или нечто близкое к ней. Одна такая теория была придумана Якобом Бекенштейном; другая Джоном Моффатом, тогда из Университета Торонто; и еще одна Филипом Маннхаймом из Университета Коннектикута. Это очень одаренные люди (Бекенштейн, как вы можете вспомнить из главы 6, открыл энтропию черных дыр, тогда как Моффат изобрел много удивительных вещей, включая космологию с переменной скоростью света). Все три теории работают до некоторого предела, но они являются, по моему мнению, в высшей степени искусственными. Они имеют некоторые дополнительные поля и требуют настройки нескольких констант до маловероятных величин, чтобы получить согласие с наблюдениями. Я также беспокоюсь о проблеме нестабильности, хотя авторы заявляют, что такие проблемы урегулированы. Хорошая новость, что люди могут изучать такие теории в рамках старого способа действий – путем сравнения своих предсказаний с большим количеством имеющихся у нас астрономических данных.

Нужно сказать, что за пределами галактик MOND работает не очень хорошо. Имеется множество данных о распределении масс и движении галактик на масштабах, больших, чем галактический масштаб. В этом режиме теория темной материи намного лучше MOND при оценке данных.