Перспективы развития теории пространства-времени

В экспериментах, выполненных с использованием современной техники, до сих пор не было получено отклонений от предсказаний общей теории относительности. Только время может показать, позволит ли возрастающая точность эксперимента выявить какие-либо отклонения. Большие надежды связаны с возможностью регистрации гравитационных волн.

Гравитационные волны представляют собой колебания пространственно-временной структуры, которые распространяются со скоростью света. Интенсивность гравитационных волн в 10⁴⁰ раз меньше интенсивности электромагнитных волн, поэтому их очень трудно обнаружить.

Звезды могут испускать гравитационные волны двумя способами: при несимметричных пульсациях и при обращении двух звезд вокруг общего центра тяготения. Мощными источниками гравитационных волн могут быть двойные или одиночные быстровращающиеся нейтронные звезды, у которых вещество плотнее атомного ядра и двойные черные дыры. Короткие, но сильные всплески гравитационных волн, вероятно, возникают при взрывах сверхновых, которые тоже происходят несимметрично. Наибольший интерес вызывают реликтовые гравитационные волны, возникшие сразу после рождения Вселенной, когда плотность и температура вещества были фантастически велики, а двигалось оно со скоростью, близкой к скорости света.

Уверенность в существовании гравитационных волн подкрепляется очень весомыми косвенными аргументами. Например, более 30 лет непрерывных наблюдений двойного пульсара J1913+16 позволили проверить предсказания общей теории относительности с точностью до 0,1 %. Среди наблюдаемых эффектов есть и постоянное уменьшение орбиты системы в точном соответствии с тем, сколько энергии уносят излучаемые ею гравитационные волны.

Обсерватории в США, Японии, Германии, Италии заняты поиском свидетельств существования гравитационных волн. Для этого используются резонансные, лазерные и сферические детекторы. Рождается новая отрасль науки – гравитационно-волновая астрономия. Тот, кто первым зарегистрирует гравитационные волны, получит Нобелевскую премию. Если гравитационные волны не обнаружат – это будет тяжелый удар по всей современной физике, в первую очередь по общей теории относительности.

Однако общая теория относительности появилась не потому, что обнаружились эмпирические факты, противоречащие классической теории гравитации Ньютона, а в результате противоречия с постулатами другой теории – специальной теории относительности. Конфликт теорий также может выступать движущей силой прогресса в науке.

За последние полвека выяснилось, что на фундаментальном уровне общая теория относительности несовместима с другой тщательно проверенной теорией – квантовой механикой. Это противоречие составляет центральную проблему современной теоретической физики. Огромные усилия направлены на то, чтобы согласовать общую теорию относительности с квантовой теорией и получить квантовую теорию гравитации.

Квантовая теория гравитации даст ответ на вопрос о том, что происходит с пространством, временем и материей, когда они находятся в сверхплотном состоянии, подобном состоянию в момент Большого взрыва, или в центре черной дыры. Черные дыры обычно представляют собой сжимающиеся ядра больших звезд, переживших взрыв в виде сверхновой. У них такая огромная плотность, что даже свет не в состоянии покинуть их недра. Ввиду огромного внутреннего сжатия черных дыр к ним неприменимы обычные законы физики. А поскольку ничто не может покинуть черных дыр, недоступно и проведение каких-либо опытов для проверки тех или иных теорий.

Квантовая теория гравитации прояснит вопрос о возможности разрыва пространства-времени и о числе измерений.

Искривленное пространство-время описывается римановой геометрией, позволяющей анализировать искажения свойств расстояний ds² между соседними точками пространства. Формулы для расстояний имеют смысл лишь при условии гладкости пространства. В математическом понимании, как и в обыденном, гладкий – значит без складок и без разрывов. В масштабах космологии неразрывность пространства выполняется. Однако когда мы рассматриваем явления на ультрамикроскопическом уровне, начинают проявляться новые свойства материи. По законам квантовой физики на малых расстояниях происходят сильные флуктуации, что позволяет предположить, что проколы и разрывы могут быть обычными явлениями в структуре пространства. Появился термин пространственно-временная пена – нерегулярная структура ткани пространства-времени в ультрамикроскопических масштабах с точки зрения теории точечных частиц (рис. 7.9). Рассматривая область пространства при все большем увеличении, можно исследовать свойства пространства на ультрамикроскопическом уровне. Попытки объединить общую теорию относительности и квантовую механику наталкиваются на кипящую квантовую пену. Эта пена

Рис. 7.9. Квантовая пена

являлась главной причиной несовместимости квантовой механики с теорией относительности до появления новой гипотезы под названием теория струн. Здесь в качестве фундаментальной структурной единицы материи выступает не частица, а некий одномерный объект – струна (рис. 7.10). Частицы же представляются как различные виды волн, распространяющихся по струнам. Вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из кварков и электронов. Согласно теории струн все такие частицы представляют собой крошечные петли вибрирующих струн. Оказалось, что теория струн совместима только с пространством-временем, имеющим либо десять, либо двадцать шесть

Рис. 7.10. Струны

измерений вместо четырех. Дополнительные измерения недоступны нашему восприятию, так как они не похожи на те измерения, к которым мы привыкли. Они свернуты до размера 10^–30 см в многомерные образования, называемые пространствами, или многообразиями Калаби–Яу. Пример пространства Калаби–Яу показан на рис. 7.11, а. Эти многообразия могут преобразовываться друг в друга. Процедура преобразования состоит в следующем: центральная сферическая часть пространства Калаби–Яу стягивается в точку, слегка надрывается, раскрывается и перестраивается в другую сферу. Согласно теории струн Вселенная имеет дополнительные измерения, свернутые в пространства Калаби–Яу (рис. 7.11, б). Неужели, вопреки предсказаниям Эйнштейна, структура пространства способна рваться и затем перестраиваться? (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Пространства Калаби–Яу

В последнее время вопрос о возможности путешествия во времени обсуждается авторитетными учеными, например Стивеном Хокингом. Идея Герберта Уэллса, изложенная в романе «Машина времени», имеет серьезное теоретическое воплощение. В 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен написали работу, в которой доказывали, что общая теория относительности допускает образование того, что они назвали мостами, и что теперь известно как кротовые норы (рис. 7.12). Кротовые норы – это топологические туннели, которые могут связывать как отдельные, сколь угодно отдаленные области пространства нашей Вселенной, так и области с различными моментами начала ее раздувания.

Теоретически, чтобы реализовать путешествие во времени, нужно научиться держать кротовую нору открытой либо научиться сворачивать пространство-время другим способом. В любом случае нужно деформировать пространство и создать область с отрицательной кривизной, а для этого понадобится материя с отрицательной плотностью энергии. Обычная материя, обладающая положительной плотностью энергии, придает пространству-времени положительную кривизну, напоминающую поверхность сферы.

На рис. 7.12, а изображена U-образная вселенная, в которой достичь одного конца с другого можно лишь после длительного космического путешествия. Однако теоретически возможна ситуация, когда ткань пространства рвется (рис. 7.12, б) и два конца червоточины начинают вытягиваться, образуя новый мост (рис. 7.12, в), укорачивая путь между двумя концами вселенной.

Рис. 7.12. U-образная вселенная

Квантовая теория, основанная на принципе неопределенности, допускает отрицательную плотность энергии в некоторых областях пространства при условии, что она компенсируется положительной плотностью энергии в других областях, так чтобы энергия в целом оставалась положительной. Своего рода путешествия в прошлое происходят в масштабах элементарных частиц. На диаграммах Фейнмана частица, движущаяся вперед во времени, эквивалентна античастице, перемещающейся назад во времени.

Техническая реализация путешествия во времени недоступна при современном уровне развития нашей цивилизации.

Смелость и оригинальность новых идей свидетельствуют о том, что наша вселенная не только более необычна, чем мы себе воображаем, она более необычна, чем мы можем вообразить.

Литература

Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. – М.: Высшая школа, 1989.

Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: пер. с англ. – М.: Изд-во УРСС, 2005.

Иродов И.Е. Основные законы механики. – М.: Высшая школа, 1985.

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982.

Свиридов В.В. Концепции современного естествознания. – СПб.: Питер, 2005.

Томпсон М. Философия науки: пер. с англ. – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2003.

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки: пер. с англ. – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005.

Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени: пер. с англ. – СПб.: Амфора, 2007.