ЕСТЬ ЛИ МЕСТО ВО ВСЕЛЕННОЙ ГДЕ ПЕРЕСЕКАЮТСЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ

Выход за рамки приближений

Каждая из ведущих дисциплин теоретической физики — таких как классическая механика, электромагнетизм, квантовая механика и общая теория относительности — определена некоторым основным уравнением или набором уравнений. Проблема в том, что кроме простейших случаев эти уравнения крайне сложно решить. Поэтому физики, следуя заведённому обычаю, пользуются упрощениями — например, не учитывают притяжение Плутона или считают Солнце шаром, — это упрощает вычисления и вселяет надежду получить приближённое решение основного уравнения.

Довольно долго исследователи в теории струн сталкивались с еще большими трудностями. Нахождение основного уравнения оказалось настолько трудным, что физики смогли написать его лишь приближенно. И даже приближенные уравнения были настолько сложными, что и их упростили. В итоге получилось приближенное исследование приближений. Однако в течение 1990-х годов струнные теоретики показали, как выйти за рамки использования приближений.

Физики используют такой метод приближенного решения задач, как теория возмущений. В вычислениях, как правило, легче осуществить первый шаг, который содержит только самые очевидные вклады. Затем делается второй шаг, включающий более тонкие детали, изменяя, или «возмущая» ответ на первом шаге.

Если интересует вероятность того, что две частицы, летящие навстречу друг другу в Большом адронном коллайдере, столкнутся друг с другом, то на первом шаге представьте, что они сталкиваются и отлетают друг от друга рикошетом.

Слово «сталкиваются» не означает, что они напрямую соприкасаются, наоборот, это означает, что единственная «пуля»-переносчик взаимодействия, такая как фотон, вылетает из одной частицы и поглощается другой частицей.

На втором шаге учитывается возможность того, что эти частицы столкнутся дважды (между ними выстрелят два фотона); на третьем шаге возникающая поправка даёт вклад в предыдущие два и учитывает возможность трёхкратного столкновения частиц; и так далее. Теория возмущений работает хорошо, если вероятность взаимодействий частиц возрастающей кратности резко падает.

Спад определяется каждым следующим столкновением с численным множителем, который называется константой связи, значение которой отражает вероятность того, что одна частица испустит «пулю»-переносчика взаимодействия, а вторая частица поглотит её. Для частиц, участвующих в электромагнитных взаимодействиях, например, электронов, экспериментально измерено, что константа связи фотонных пуль равна примерно 0,0073. Если многократно умножать 0,0073 на себя, то результат быстро станет исчезающее мал. После одной итерации примерно 0,0000533, после второй итерации примерно 0,000000389. Поэтому у теоретиков редко возникают проблемы при подсчёте числа многократных столкновений электронов. Вычисления с многократными столкновениями крайне сложны, а конечный ответ настолько мал, что можно остановиться на нескольких испущенных фотонах и всё равно получить очень точный ответ.

Похожий способ вычислений по теории возмущений долгое время являлся основой струнных исследований. В теории струн имеется некоторое число, которое называется струнной константой связи, определяющая вероятность столкновения двух струн. Так как измерения этой константы в настоящий момент совершенно гипотетичны, величина струнной константы остаётся абсолютно неизвестной. В течение последних нескольких десятилетий, не имея каких-либо указаний из эксперимента, струнные теоретики сделали ключевое допущение, что струнная константа мала. Малая струнная константа позволяет физикам с помощью теории возмущений пролить яркий свет на вычисления. Допущение малости константы связи позволило провести огромное количество математических вычислений, которые не только прояснили базовые процессы взаимодействия струн, но также дали много информации о фундаментальных уравнениях теории.

Если струнная константа действительно мала, то приближённые вычисления достаточно точно отразят физическую суть теории струн. Но что, если она не мала? В отличие от сталкивающихся электронов, большая струнная константа означает, что последовательные уточнения к приближению на первом шаге приведут к растущим вкладам, поэтому не будет никаких оснований прекратить вычисления на определённом этапе. Тысячи вычислений, проделанных на основе теории возмущений, станут бессмысленными.

Ко второй половине 1990-х учёные обнаружили новые математические методы, способные перехитрить приближения по теории возмущений, призвав на помощь то, что получило название дуальность.

Видео

Цепкие браны и гравитационные щупальца

Струны бывают двух видов: в виде петель и отрезков нитей. Для миров на бране это различие между петлями и отрезками нитей становится решающим. Могут ли струны улететь с браны? Ответ: петли могут, отрезки нитей нет.

Знаменитый струнный теоретик Джо Полчински впервые осознал, что всё определяется поведением концов струнной нити. Уравнения, убедившие физиков, что браны являются частью струнной теории, также показали, что между струнами и бранами есть особенно тесная связь. Брана — это единственное место для концов струнных отрезков. Математические выкладки показывают, что открепить концы струнных отрезков от поверхности браны попросту невозможно. С физической точки зрения, такая ситуация сродни попытке удалить северный или южный полюс магнита. Струнные нити могут свободно двигаться внутри и сквозь брану, но покинуть её они не могут.

Частицы-переносчики трех негравитационных взаимодействия тоже составлены из струнных отрезков. Самые важные среди них фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Таким образом, видимый свет может свободно распространяться внутри нашей браны, но не сможет вырваться за её пределы. Вполне возможно, что другой мир на бране находится в нескольких миллиметрах от нас, но свет не может преодолеть этот промежуток, и поэтому мы никогда не получим ни малейшего намёка на его существование.

Единственное взаимодействие, которое отличается в этом отношении — это гравитация. Особое свойство гравитона — спин, равный 2, превышающий в два раза спин частиц, составленных из струнных отрезков (как фотоны), являющихся переносчиками негравитационных взаимодействий. Тот факт, что спин гравитона в два раза превышает спин отдельного струнного отрезка, означает, что гравитон можно представить в виде двух таких отрезков, причём концы одного слипаются с концами другого и возникает петля. Поскольку у петель нет концов, они не могут быть захвачены бранами. Поэтому гравитоны могут покинуть одну брану и попасть на другую. Тогда в сценарии мира на бране только с помощью гравитации можно прощупать то, что находится за пределами нашего трёхмерного пространства.

В 1980–1990-х годах, до появления концепции бран, физики полагали, что дополнительные измерения в теории струн имеют приблизительно планковский размер, естественный масштаб для теории, описывающей гравитацию и квантовую механику. Но сценарий мира на бране заставляет думать шире. Поскольку лишь гравитация, слабейшее из всех взаимодействий, может вырваться за пределы привычного трёхмерного пространства, дополнительные измерения вполне могут иметь достаточно большой размер и всё равно оставаться невидимыми.

Когда объекты испытывают взаимное гравитационное притяжение, они обмениваются потоками гравитонов. Когда часть гравитонов утекает с поверхности нашей браны и попадает в дополнительные измерения, гравитационное притяжение между объектами ослабевает, оно оказывается разбавленным. Экспериментаторы считают, что путём точного измерения гравитационного притяжения между двумя объектами, сближенными на расстояние меньшее чем размер дополнительных измерений, можно перехватить гравитоны прежде, чем они утекут с нашей браны; если это так, то экспериментально измеренная сила гравитации должна пропорционально возрастать.

Образование чёрных мини-дыр — это ещё один побочный продукт сценария мира на бране. Вероятность возникновения чёрных мини-дыр в протон-протонных столкновениях существует только в случае, когда сила гравитационного притяжения растёт при уменьшении расстояний. Как и ранее, именно сценарий мира на бране делает это возможным.

Целью таких экспериментов является не только поиск таких экзотических структур как дополнительные измерения пространства и крошечные чёрные дыры, они также пытаются выяснить, живём мы на бране или нет. В свою очередь, помимо подтверждения сценария мира на бране в теории струн, положительный итог экспериментов станет косвенным свидетельством существования других вселенных за пределами нашей. Если удастся установить, что мы живём на бране, не останется никаких математических оснований считать, что наша Вселенная единственна.

Гипотеза математической вселенной

Космолог, профессор Массачусетского технологического института Макс Тегмарк в 1998 году выдвинул свою «теорию всего» и назвал ее гипотезой математической вселенной. Он по-своему решил проблему существования большого количества физических законов. По его мнению, каждому набору этих законов, которые непротиворечивы с точки зрения математики, соответствует независимая вселенная. Универсальность теории в том, что с ее помощью можно объяснить все разнообразие физических законов и значения физических постоянных.

Тегмарк предложил все миры по его концепции разделить на четыре группы. К первой относятся миры, находящиеся за пределами нашего космического горизонта, так называемые внеметагалактические объекты. Во вторую группу входят миры с другими физическими константами, отличными от постоянных нашей Вселенной. В третью – миры, которые появляются в результате интерпретации законов квантовой механики. Четвертая группа – это некая совокупность всех вселенных, в которых проявляются те или иные математические структуры.

Как отмечает исследователь, наша Вселенная не единственная, так как пространство безгранично. Наш мир, где мы живем, ограничен пространством, свет из которого дошел до нас за 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва. Узнать о других вселенных достоверно мы сможем еще минимум через миллиард лет, пока свет от них достигнет нас.

Квантовая механика и параллельные вселенные

В своих попытках доказать, что существование параллельных вселенных возможно, некоторые ученые прибегают к квантовой механике, согласно которой микрочастицы могут вести себя одновременно как волны и частицы. Однако при проведении наблюдений мы можем заметить только одно из этих двух состояний. Согласно так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики (принято считать, что она была создана Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в 1920-х годах), мы наблюдаем конечный результат, когда волна «сжимается» в единую область.

Однако, согласно теории параллельных вселенных, каждый раз, когда наблюдается одно состояние, существует другой мир, в котором реальностью становится другой квантовый исход. Таким образом, Вселенная, в которой мы находимся, фактически разветвляется на бесконечные альтернативные версии самой себя. Они полностью отделены друг от друга и никогда не могут пересекаться.

Говоря иначе, вполне возможно, что где-то существует ваш двойник, ведущий совершенно другую жизнь, но у вас никогда не будет возможности встретиться с ним.

Зеркальное отражение нашей Вселенной

Существует и другая, не менее экзотическая теория, согласно которой Большой взрыв не только породил нашу Вселенную, но и ознаменовал конец другой временной линии. Что это значит?

Если объяснять проще, то некоторые ученые считают, что существует альтернативная версия нашей Вселенной, которая является ее отражением, и время там течет в обратном направлении.

— С нашей точки зрения, рассматриваемая Вселенная в некотором смысле такая же, как и наша, но ее конец знаменует наше начало, — отмечает физик Нил Турок, один из создателей теории суперструн (она обедняет все частицы и фундаментальные силы в природе и представляет их как колебания микроскопических суперсимметричных струн).

В такой Вселенной, которая является зеркальным отражением нашей собственной, протоны были бы заряжены отрицательно, а электроны несли бы положительный заряд. Такое действие, как приготовление омлета, происходит в обратном порядке, т.е. яйца сначала варятся, а затем снова становятся целыми. В конце концов, эта Вселенная сожмется, возможно, до сингулярности, а затем снова расширится до нашего мира. Говоря иначе, две Вселенные были созданы в результате Большого взрыва и движутся во времени одновременно назад и вперед.

Теги

Adblock
detector