Нерешенные вопросы в физике
Физики конца XIX века были уверены, что составили о Вселенной достоверное представление. Как же они заблуждались! Физики конца XX века не делают столь смелых заявлений.
Сможет ли человек понять квантовый мир?
Там, где «пасуют» медики, биологи и психологи, в дело вступают физики. Но могут ли они ответить на все вопросы? Человеческий мозг состоит из миллиардов нейронов, которые образуют триллионы связей. Мозг человека, а возможно, и других развитых существ, стал не просто центральным процессором для тела, а инструментом, позволяющим вообразить и осознать абстрактные вещи. Некоторые шутят, что нас сделала такими квантовая механика, которую мы пытаемся постигнуть. Мы можем выходить за пределы аксиом и предположений, которые в прошлом составляли основу повседневной жизни. Отчасти это объясняет квантовый принцип неопределенности: именно по этой схеме вырастают наши оригинальные мысли. Но теория — это немного больше, чем оригинальная мысль, поскольку мысли не требуют доказательства. Возможно, для решения квантовых задач нам следовало бы создать квантовый компьютер.
Как гравитация работает на квантовом уровне?
Считается, что гравитация — это функция пространства и времени. Это положение общей теории относительности. ОТО показала, как масса искривляет пространство-время, а тяготение является результатом искривленной геометрии этого пространства. ОТО прекрасно работает на больших расстояниях, галактических и межгалактических, хотя может объяснить и падение яблока.
Но как можно соотнести гравитацию и прочие фундаментальные взаимодействия, действующие на квантовом уровне, с другой стороны шкалы масштабов? В мире субатомных частиц гравитационные эффекты будут слишком слабы и недоступны для наблюдения, и наша единственная надежда — построение Теории всего, которая объяснит гравитацию в масштабах квантового мира. Один из кандидатов — теория петлевой квантовой гравитации (ПКГ) с идеей дискретного пространства-времени на субатомном уровне и новыми кирпичиками мира — гипотетическими преонами, из которых состоят кварки и лептоны. Суть та же: материя состоит из неделимых элементарных частей. Вначале это были атомы, теперь — кварки.
Теория ПКГ утверждает, что пространство состоит из преонов, представленных в виде брэдов (переплетений волокнистого пространства-времени), причем масштаб ячеек этой спиновой сети соизмерим с планковской длиной. Сказать, что это очень малый масштаб, значит не сказать ничего: все, что меньше, попросту теряет физический смысл. В малом масштабе этой спиновой сети пространство-время больше не искажается массами, и это позволяет представлять гравитацию как на больших масштабах, так и в квантовом пределе вместе с остальными фундаментальными силами природы. С добавлением времени линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. И спиновые сети превращаются в спиновую пену.
Можем ли мы пролить свет на темный поток Вселенной?
В 2008 году при исследовании реликтового излучения заметили странное согласованное движение скоплений галактик, состоящих из многих миллиардов звезд. Они двигались в одном направлении, тогда как по стандартной космологической модели движение групп галактик должно быть хаотичным. К тому же скорость их движения оказалась выше, чем ожидалось. Это явление назвали темным потоком и предполагают, что галактики притягиваются к огромному объекту, который сейчас находится за пределами видимой части Вселенной.
Есть и квантовое объяснение: за поведение потока может отвечать параллельная Вселенная, с которой на момент Большого взрыва была спутана наша. Но в любом случае для возникновения такого потока пространство-время должно быть настолько искривлено, что материя соскальзывает в одну сторону. Масштабы искривления указывают на сосредоточенную массу порядка нашей Вселенной. Недавние исследования космической обсерватории «Планк» указывают, что темный поток — результат экспериментальной ошибки ранних наблюдений. Но вопрос остается открытым.
Всегда ли время идет в одном направлении?
Лучше всего течение времени описывает закон возрастания энтропии — меры хаоса в системе. Энтропия Вселенной с начала времен непрерывно нарастает, что следует из второго начала термодинамики. То есть материя Вселенной в целом становится все холоднее, разреженней и в конце концов будет равномерно распределена по Вселенной. Этот процесс никогда не пойдет вспять, и такая однонаправленность была названа «стрелой времени». Однако в случае радиоактивного распада частицы могут нарушать законы термодинамики, но лишь на короткое мгновение и очень локально. Входят ли эти нарушения в статистический характер законов термодинамики или здесь кроются крохотные петли на прямой стреле времени?
Не является ли темная энергия иллюзией?
С 1998 года в физике появилась новая загадочная сущность — темная энергия. Она представляется нам как загадочная сила, которая непрерывно ускоряет темпы расширения Вселенной. Но не является ли это все ускоряющееся расширение Вселенной всего лишь иллюзией? Ведь мы исходим из того, что Вселенная — это шар с равномерно распределенной материей, который равномерно расширяется во все стороны. Лишь при таких условиях мы получаем, что расширение идет с ускорением.
Но что, если Вселенная имеет более сложную форму, где все округлые выступы и пузыри расширяются с разной скоростью? Вдруг наш уголок Вселенной оказался среди улетающих наиболее быстро? В этом случае нам будет казаться, что все остальное удаляется от нас быстрее, чем есть на самом деле. Возможно, если бы нам удалось рассчитать истинную скорость расширения Вселенной, то оказалось бы, что темпы ее расширения снижаются, как и предсказывала вначале теория Большого взрыва. Если это так, то проблема растворится вместе с призраком темной энергии. Кто знает, куда нас заведет теоретическая мысль, когда мы сумеем правильно измерить динамику Вселенной?
Возможна ли Вселенная без жизни?
Законы Вселенной одинаковы для любой жизни и притом уникальны. Если бы космологические константы, например постоянная тонкой структуры, чуть сдвинулись с настоящих значений, в звездах не зажглась бы термоядерная реакция и не было бы планет, тяжелых элементов, сложных химических соединений, на основе которых на Земле зародилась жизнь. Например, электромагнитное взаимодействие ровно в 1039 раз сильнее гравитации. Следовательно, при совместном действии этих двух сил (и многих других) в недрах звезд начинается термоядерная реакция с выделением тепла и света.
В результате звезды расходуют топливо достаточно долго: чтобы рядом успела образоваться устойчивая планетарная система. Когда на молодой планете завершается поздняя тяжелая бомбардировка (гипотетическая метеоритная бомбардировка на раннем этапе формирования Земли от 4,1 до 3,8 млрд лет назад) и период активной вулканической деятельности, жидкая лава застывает и становится скальной породой, а сама планета становится частью Солнечной системы, где возможна жизнь. (По последним оценкам, планет во Вселенной больше, чем звезд!) Если бы соотношение сил было иным, звезды бы не сформировались либо сгорали так быстро, что планеты не успевали бы пройти нужные стадии эволюции. Может быть, на планетах не хватало бы металлов для формирования тяжелой скальной породы, на которой могла бы сформироваться жизнь. Остается еще один вопрос.
Неужели Вселенная, которую мы наблюдаем, чудесным образом сформировалась так, чтобы мы могли в ней появиться и изучать ее? Может ли существовать вариант Вселенной с законами физики, которые не дадут развиться жизни? С точки зрения квантовой физики — нет. Без наблюдателя такая Вселенная будет лишь пеной нереализованных вероятностных исходов. В ней не будет ничего реального и достоверного. Но когда мы на нее посмотрим …
Пространство заполнено стерильными нейтрино?
Согласно наиболее распространенной теории состава темной материи — невидимого вещества, которое составляет большую часть массы Вселенной, это вещество состоит из вимп-частиц (англ. Weakly Interacting Massive Particles — слабо взаимодействующая массивная частица). Любая масса реагирует на действие силы. Фундаментальное взаимодействие притянет или оттолкнет объект, имеющий массу.
Однако гипотетические вимп-частицы не подвержены большинству природных взаимодействий, а значит, могут незримо присутствовать рядом с нами. Основной кандидат на роль вимп-частицы – стерильное нейтрино, почти невесомая частица, подверженная только гравитации. А это самое слабое из фундаментальных взаимодействий. Сила тяготения пропорциональна массе объекта, а поскольку масса нейтрино оценивается в 1/100 000 массы электрона, то гравитационное взаимодействие будет ничтожным. То есть мы не сможем обнаружить стерильные нейтрино по гравитационному воздействию. Только новые детекторы спасут нас.