Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Рис. 12. Сверхновые звезды в далеких галактиках

В тридцатых годах прошлого века целый ряд астрономов выдвинули гипотезу о том, что вспышки сверхновых звезд представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезд. Тогда же было высказано предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.

Рис. 13. Гипотетическая сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики

В центре нашей Галактики — Млечного Пути находится таинственный кандидат в черные дыры с массой, более чем в два миллиона раз превышающей массу Солнца. Это заключение астрономы сделали, наблюдая искажения траекторий звезд, обращающихся вокруг центра Галактики. Невидимый центр сверхсильного притяжения таких звезд должен быть исключительно компактным. Все это полностью соответствует портрету гравитационного коллапсара, созданному физиками-теоретиками.

Рис. 14. Модельная схема редукции волнового пакета

Если разместить в пространстве детекторы для определения параметров пучка квантовых микрообъектов, например электронов, то в определенный момент один из данных детекторов пошлет сигнал о поимке электрона. Это означает, что вероятность нахождения отслеживаемой частицы в данный момент в месте расположения детектора тут же превращается в единицу, тогда как вероятность ее появления в любом другом месте и в иное время сразу падает до нуля. Но если бы мы решили уравнение Шрёдингера до срабатывания детектора, то оказалось бы, что волновая функция непрерывно распределена во времени и пространстве.

Рис. 15. Построение природой Мироздания

Большинство современных космологов считают, что судьба нашей Вселенной решалась в первые секунды после Большого взрыва в зависимости от соотношения плотности вещества и энергии. Был достигнут их баланс. Преобладание же энергии на ничтожные доли процента привело бы к быстрому раздуванию и охлаждению, а вещества — к скорой смене расширения на сжатие в точку и, возможно, новому взрыву. Вид нашей Вселенной также определила ядерная сила связи протонов с нейтронами. Если бы она была меньше существующей, атомные ядра просто бы не возникли, а если больше, то еще на стадии первичного синтеза атомных ядер (нуклеосинтеза) практически весь наличный водород превратился бы в гелий — и наша водородная Вселенная имела бы гелиевое лицо. Не совсем понятную, но, несомненно, очень важную роль в эволюции нашего мира играет скрытая «темная энергия» физического вакуума. По неизвестным причинам около семи миллиардов лет назад она сдвинулась от нуля к положительному значению, из-за чего Метагалактика начала ускоренно расширяться.

Рис. 16. Таким видят квантовый мир «струнные» физики-теоретики

Хотите — верьте, хотите — нет, но именно так выглядит пространство-время на самом дальнем «донышке» Мироздания. Конечно, вы увидите такую картину, только если проникнетесь идеями «теоретиков-суперструнщиков», постоянно ищущих новые подходы в теории квантовой гравитации. Поверим им хотя бы на мгновение, и тут же в квантовом масштабе наш мир раскинется необозримой сетью ячеек причудливо изогнутой сетки.

Рис. 17. Пенящееся виртуальное море в океане энергии

Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10^-35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации.

Рис. 18. Суперструнный гравитон

Гравитоны — это закольцованные струны, и потому бранные границы им не помеха. Они могут покидать нашу 3-брану и уходить в другие измерения. Но если переносчики гравитации способны на это, то сила тяготения должна убывать с увеличением расстояния не по ньютоновскому закону обратных квадратов, а гораздо быстрее! То, что мы этого не замечаем, может свидетельствовать о сворачивании (компактификации) дополнительных измерений. В этом случае отклонения от ньютоновской формулы должны проявляться лишь на очень малых дистанциях.

Рис. 19. Сверхдальние галактики, видимые сквозь гравитационные линзы

По всей Вселенной галактики настолько похожи друг на друга, будто сделаны по одному шаблону, потому что простые законы природы — всемирное тяготение и сохранение углового момента — действуют во всем мировом пространстве. Та же физика, которая в земном микрокосме определяет движение падающего тела или вираж конькобежца, создает галактики в макрокосме Вселенной.

Рис. 20. Возникновение квантового микроколлапсара