Всего за 149 руб. Купить полную версию
Поэтому, как следует из теории относительности [120; 377], микрообъекты, ускоряясь на релятивистских скоростях, сокращаются в линейных размерах, прибавляют в массе и тормозятся во времени. Последнее обусловлено тем, что физическое время представляет собой дистанцию между событиями. Подскакивая при ускорении в частоте, суперструны сокращают эту дистанцию между своими колебаниями и, следовательно, замедляют свое время (при скорости света – вообще останавливают). Указанные релятивистские эффекты сродни эффекту Доплера в макромире (т. е. зависимости частоты колебания и длины волны от скорости движения источника звука или света). Масса покоя и масса движения у безмассовых частиц зависят от частоты колебания суперструны, что объясняет физическую природу формулы E = mc : чем энергичнее колебания суперструн, тем значительнее их массы (что подробно разъяснялось выше). У частиц с массой покоя имеется нижний предел частот, ответственных за эту массу. У безмассовых частиц он не фиксирован – поэтому масса "плавает" и не расценивается как масса покоя.
Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица "зависает" на отметке скорости света.
Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что-либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам-суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.
Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн-бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W-бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).
Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам "демиурга" – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.
Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.
1.2. Макромир
Вселенная родилась в Большом Взрыве и с тех пор непрерывно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла, обозначаемой символом Н0. Две трети обратной ей величины (1/H0) отвечают возрасту Вселенной при условии, что средняя плотность масс во Вселенной делает ее гравитационно замкнутой. При этом средняя плотность масс принимается за единицу (Ω = 1). Если средняя плотность масс меньше единицы (Ω < 1), Вселенная не замкнута и будет расширяться вечно. Если средняя плотность масс равна или больше единицы (Ω > 1), Вселенная замкнута, и ее расширение должно смениться сжатием (коллапсом). Эмпирические оценки средней плотности Вселенной разноречивы: Ω = 0,3–1,3 [255; 270; 609; 832]. Однако средняя плотность Вселенной, в принципе, не может быть "отрицательной", т. е. иметь Ω < 1 (так принято выражаться в астрофизике, хотя "омега" не может быть меньше "нуля" – она всего лишь меньше "единицы").
Как отмечалось выше (см. разд. 1.1), Вселенная – это сплошная мировая поверхность, которая по квантово-механическим причинам не мыслится "тоньше" планковской длины. Допустим, Вселенная "попробует" расширяться вечно. Тогда, предельно растянувшись в расширении и достигнув "по толщине" планковской размерности, Вселенная непременно прекратит рост и под влиянием собственной внутренней гравитации обязательно начнет сжиматься. Поэтому ее вероятная средняя плотность больше или равна единице (Ω ≥ 1).
Между тем реальное положение вещей намного сложнее. Теоретическая оценка "омеги" – в том случае, когда она больше или равна единице, приложима лишь к изотропной модели Вселенной, т. е. ко Вселенной, повсеместно однородной. Однако современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию (о чем речь пойдет ниже). В неоднородной же (анизотропной) Вселенной средняя плотность вещества, по-видимому, составляет приблизительно ΩUniv = ~ 0,245 (см. приложение 7). И все-таки данное обстоятельство не делает Вселенную открытой (вечно расширяющейся), поскольку в ее центральных областях местная плотность существенно превосходит критическую (т. е. Ωloc > 1). Это превращает Вселенную в образование, склонное к поэтапному схлопыванию на манер "гармошки", и пока периферические области Вселенной продолжают вяло расширяться, центральные области уже властно сжимаются и шаг за шагом втягивают в себя беспомощную периферию. Подобная современная картина мира куда сложнее традиционной, однако лучше отвечает новым фактам (см. далее).
Наблюдательные астрономические оценки постоянной Хаббла колеблются в пределах 39–105 ±11 км/с на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 млн световых лет) [151; 174; 186; 243; 269; 331; 336; 341; 355; 404; 420; 428; 435; 527; 531; 624; 748; 792]. Для определения возраста Вселенной такие данные непригодны, поскольку дают колоссальный разброс величин и не учитывают неоднородность Вселенной (споры по поводу оценки постоянной Хаббла даже получили хлесткое наименование "войны Хаббловой константы" [269] – участники ее были беспощадны друг к другу). Имеется, правда, и другая теоретическая возможность.
Представления о расширяющейся Вселенной, родившейся в Большом Взрыве, носят наименование моделей "горячей Вселенной". При расчетах моделей горячей Вселенной используется теоретическая величина постоянной Хаббла H0 = 50 км/с на мегапарсек [611; 673; 705], которой отвечает возраст Вселенной в 13,(3) млрд лет [336]. Эта оценка оптимальна, поскольку независимые от нее определения возраста нашего мира по старым белым карликам в Галактике [550; 792], по тяжелым радиоактивным элементам на звездах [233; 409; 717] и по шаровым скоплениям звезд [235; 404; 475; 792] предусматривают вселенский возраст от 10,3 до13 млрд лет. Поясним, что белые карлики – это крохотные, сверхплотные звезды класса светимости VII, некоторые из которых вдвое старше нашего Солнца. Добавим, что тяжелые радиоактивные элементы имеют тенденцию распадаться. По их остаткам можно определить возраст древних звезд, которые также вдвое старше Солнца. Напомним также, что шаровые скопления – это гало, своего рода шаровидные облака звезд вокруг галактик, и эти звезды населения II также вдвое старше Солнца, т. е. звезды населения I, распространенного не в гало, а в дисках галактик.
Как можно видеть, возраст Вселенной по белым карликам, тяжелым элементам и шаровым скоплениям (13 млрд лет) на 300 млн лет уступает возрасту Вселенной по теоретической постоянной Хаббла (13,(3) млрд лет). Это лишний раз свидетельствует в пользу оптимальности последней величины, ибо 300 млн лет как раз потребовались юной Вселенной для того, чтобы сформировать древнейшие галактики и звезды с будущими белыми карликами и шаровыми скоплениями. Ниже возраст первых сверхскоплений галактик оценен в 200 млн лет после Большого Взрыва, однако они древнее первых звезд, а потому результаты вполне удовлетворительны. Дело в том, что ранние сверхскопления будущих галактик поначалу формировались как крупномасштабные возмущения вселенского вещества ок. 200 млн лет после Большого Взрыва, и лишь затем, ок. 300 млн лет после Большого Взрыва, в них сложились конкретные галактики с древнейшими звездами.
На наш взгляд, существует еще один путь расчета возраста Вселенной. Со времен Большого Взрыва ее внешние границы расширялись со скоростью света. Поделив скорость света на местную скорость вселенского расширения и взяв 2/3 от результата, мы получим нынешний радиус Вселенной в мегапарсеках (и световых годах), а значит и время, затраченное на достижение этого радиуса. При H0 = 50 км/с на мегапарсек радиус Вселенной составляет 13,031 млрд светолет и отличается от предыдущей оценки на 302,4 млн световых лет. Это расхождение означает, что Земля расположена к краю Вселенной на 302,4 млн светолет ближе, нежели ее центр, который отстоит от нас на ту же дистанцию.