Люси Хокинг - Джордж и Большой взрыв
«Кротовые норы» (они же «червоточины») и путешествия во времени
Представьте, что вы муравей, обитающий на поверхности яблока. Яблоко свисает с потолка на ниточке. Ниточка такая тонкая, что опускаться и взбираться по ней вы не можете, так что поверхность яблока — это вся ваша вселенная. Вам с неё никуда не деться.
А теперь представьте, что червяк прогрыз в вашем яблоке сквозную дыру. Вы можете попасть с одной половины яблока на другую любым из двух способов: по поверхности яблока (вашей вселенной) либо через червоточину, сократив путь.
Что, если наша Вселенная подобна этому яблоку? Что, если в ней существуют такие «червоточины» (их ещё называют «кротовыми норами»), связывающие одно место во Вселенной с другим? И если это так, то какими они нам видятся?
У такой червоточины должно быть два входа, по одному на каждом конце. Один вход может располагаться, например, в Лондоне, в Букингемском дворце, где живёт королева, а другой — на пляже в Калифорнии, на Западном побережье США. Допустим, что эти входы круглые. Заглянув в тот из них, что в Лондоне, можно увидеть — словно в хрустальном шаре! — как плещутся океанские волны, набегая на песок, и колышутся на ветру пальмовые листья. А ваш калифорнийский друг, заглянув в круглое отверстие на своей стороне, увидит вас в Лондоне на фоне королевского дворца, а рядом с вами часовых в медвежьих шапках. Но только это не хрустальный шар: в эти отверстия можно войти! Находясь в Лондоне, вы делаете шаг в эту круглую дыру, вас несёт по диковинному тоннелю — и вот вы уже на калифорнийском пляже, где друг поджидает вас с доской для сёрфинга! Неплохо было бы иметь такую червоточинку, правда?
Внутренность яблока трёхмерна (восток-запад, север-юг и верх-низ), а поверхность двумерна. Червоточина в яблоке соединяет две точки на двумерной поверхности, проходя сквозь трёхмерную сердцевину яблока. Аналогичным образом наша с вами червоточина соединяет Лондон и Калифорнию в нашей трёхмерной Вселенной, проходя сквозь четырёхмерное гиперпространство (а может, в нём и не четыре измерения, а больше!), не являющееся частью нашей Вселенной.
Нашей Вселенной управляют законы физики. Именно они диктуют, что может в ней произойти, а что не может. Допускают ли эти законы существование кротовых нор? Поразительно, но ответ — «да»!
К сожалению, согласно этим же законам большинство кротовых нор схлопнутся (потому что рухнут стены тоннелей) так быстро, что никто и ничто не успеет пройти сквозь них невредимым. Чтобы избежать схлопывания, нужно заполнить кротовую нору особой формой материи — материей с отрицательной плотностью энергии, такая энергия породит силу «антигравитации», благодаря которой кротовая нора будет оставаться открытой.
Но возможно ли существование материи с отрицательной плотностью энергии? Как ни странно, ответ на этот вопрос снова положительный! Такая материя ежедневно создаётся в физических лабораториях, но лишь в крошечных количествах и на очень краткое время. Создаётся она путём заимствования энергии у областей пространства, в которых никакой энергии нет, — то есть заимствованием энергии из так называемого «вакуума». Однако, когда занимаешь что-то у вакуума, надо очень быстро отдавать, если только не позаимствовал чрезвычайно мало. Как мы это узнали? Рассматривая законы физики с помощью математики.
Допустим, вы — гениальный инженер и хотите удержать кротовую нору открытой, чтобы она не схлопнулась. Возможно ли собрать в норе достаточно энергии с отрицательной плотностью и удерживать её там так долго, чтобы ваши друзья успели пройти сквозь нору? Насколько мне позволяют судить мои знания — нет, невозможно. Однако никто на Земле не знает этого наверняка — пока не знает. Мы пока ещё не столь умны, чтобы это выяснить.
Если законы физики действительно позволяют удерживать кротовые норы открытыми, может ли такое происходить в нашей Вселенной естественным путём? Весьма вероятно, что нет. Скорее всего, создавать такие норы и держать их открытыми можно будет только благодаря труду инженеров.
Насколько далеки современные инженеры от того, чтобы этому научиться? Очень, очень далеки. Если технология кротовых нор вообще возможна, то не исключено, что нам до неё осталось пройти примерно столько же, сколько пещерным людям до космических полётов. Однако для высокоразвитой цивилизации, которая овладеет этой технологией, кротовые норы могли бы стать превосходным, идеальным способом межзвёздных путешествий.
Вообразите, что вы — инженер и при этом представитель именно такой «продвинутой» цивилизации. Вы берёте один из входов кротовой норы (тот самый, круглый, похожий на хрустальный шар), помещаете его в космический корабль, на огромной скорости отправляете этот корабль во Вселенную, а затем точно так же возвращаете его на родную планету. Законы физики говорят нам, что с точки зрения наблюдателя на космическом корабле это путешествие займёт несколько дней, а с точки зрения наблюдателя на планете — несколько лет. Результат получится странным: войдя в тоннелеобразную кротовую нору через один вход и выйдя через другой, вы выйдете на несколько лет раньше, чем вошли, то есть окажетесь в прошлом. Тем самым кротовая нора превращается в машину времени.
А с такой машиной можно было бы попытаться изменить историю! Вернуться в прошлое, встретиться с самим собой, только моложе, и велеть этому молодому себе сидеть дома — потому что, когда вы в то утро пошли на работу, вас сбил грузовик.
Стивен Хокинг предположил, что законы физики не позволяют создать машину времени и тем самым защищают историю от изменений. Эта гипотеза называется «гипотезой о защите хронологии» (хронология — это последовательность событий в том порядке, в каком они происходили). Мы не знаем точно, верна ли эта гипотеза Стивена, но нам известны два способа, какими законы физики действительно могли бы воспрепятствовать созданию машины времени и тем самым защитить хронологию.
Во-первых, согласно этим законам, даже самый гениальный инженер не смог бы накопить достаточное количество отрицательной энергии для того, чтобы кротовая нора оставалась открытой и позволяла сквозь себя пройти. Причём Стивен, применяя законы физики, доказал, что любая машина времени потребовала бы отрицательной энергии; это значит, что невозможно создать не только такую машину времени, которая задействовала бы кротовые норы, но и вообще никакую.
Во-вторых, мы с коллегами-физиками показали, что любая машина времени уничтожила бы себя — возможно, путём гигантского взрыва — в момент, как только кто-то попытался бы её включить. Законы физики довольно явно намекают, что дело обстояло бы именно так; однако мы ещё не настолько хорошо изучили эти законы и вытекающие из них прогнозы, чтобы утверждать это наверняка.
Так что окончательный вывод пока не сделан. Мы не знаем доподлинно, позволят ли законы физики высокоразвитым цивилизациям создавать кротовые норы для межзвёздных странствий или машины времени для путешествий в прошлое. Чтобы судить об этом с уверенностью, требуется более глубокое понимание законов физики. Такого уровня понимания ни Стивен, ни я, ни наши коллеги пока не достигли.
Надеюсь, что это удастся вам — новому поколению учёных.
Кип
М-теория: 11 измерений!
Как объединить классическую общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую форму Вселенной и гравитационное взаимодействие, с квантовой теорией, объясняющей остальные фундаментальные взаимодействия и поведение элементарных частиц?
Наиболее удачные попытки такого рода объединения включают в себя дополнительные пространственные измерения и суперсимметрию.
Эти дополнительные измерения так туго свёрнуты, что крупные объекты их просто не замечают!
Суперсимметрия подразумевает, что у известных частиц есть частицы-суперпартнёры: например, у фотона — фотино, у кварка — скварк! Учёные надеются, что эксперименты на Большом адронном коллайдере позволят обнаружить эти частицы, а может быть, и дополнительные измерения!
Теория суперструн (суперсимметричных струн) заменяет частицы (точки) крошечными струнами (линиями). Вибрируя по-разному — как при игре на гитаре, — эти струны ведут себя как элементарные частицы разного вида. И, как бы странно это ни звучало, струны могут объяснить гравитацию!
Суперструны должны существовать в десяти измерениях — значит, шесть из них пока остаются скрытыми. Как это происходит? В этом мы ещё не разобрались до конца.
В 1995 году американский физик Эдвард Виттен обобщил все разнообразные варианты теории суперструн, сведя их в единую — уже одиннадцатимерную — М-теорию.
