Нереальная реальность-2

Большинство людей воспринимают вакуум как полную пустоту. На самом деле, эта кажущаяся «пустота» насыщена огромным количеством постоянных квантовых событий.

Вакуум полон так называемых виртуальных частиц. В нём всё время возникают пары электрон-позитрон. Родившись на мгновение, они аннигилируют, снова растворяясь в вакууме.

В 1933 году Хендрик Казимир[15 - Казимир Хендрик Бругт Герхард – голландский физик, автор феноменологической теории сверхпроводимости.] высказал предположение, что две вышеописанные металлические пластины способны притягиваться друг к другу, как по волшебству, исходя из законов квантовой теории.

Поскольку вакуумное пространство между ними не совсем пустое, то некоторое количество виртуальных частиц неизбежно оказывает на пластины определённое внутреннее давление. Пусть оно невелико, но всё же суммарно выше нуля.

С другой стороны, снаружи пластин виртуальных частиц неизмеримо больше, чем в области микроскопического расстояния между ними. Следовательно, внешнее давление на металл значительно выше. Поэтому возникает сила, толкающая пластины друг к другу.

Мы не видим этого эффекта, потому что физически не способны наблюдать взаимодействие объектов на планковском масштабе. Но это не отменяет того факта, что в квантовом мире под давлением виртуальных частиц вакуума, пластины сближаются. Эффект Казимира проявляется на пограничных областях пластин в виде поляризации вакуума. Это экспериментально подтверждённый факт.

И вот здесь начинаются интригующие события. Сближаясь, два любых физических объекта притягиваются. В этом случае из них можно извлечь некоторое количество энергии. Известно, что при уменьшении потенциальной энергии тел, их взаимное притяжение при сближении проявляется в полном объёме. Но раз мы отняли у металлических пластин кинетическую энергию, вывод прост – их собственная энергия становится меньше, чем нуль. То есть, отрицательной.

Конечно, сложно себе представить, как столь знакомая нам энергия, воспринимаемая исключительно со знаком «плюс», может быть со знаком «минус». Однако, это научный факт.

Во Вселенной есть отрицательная энергия. И, как вы увидите в дальнейшем, её роль в структуре Мироздания может быть ключевой.

Глава 13. Вакуум

Последние научные достижения позволяют смело утверждать, что вакуум – самый загадочный физический объект в космосе. Возможно, именно в нём скрыта большая часть массы и энергии всей Вселенной.

В классическом понимании космического пространства вакуум действительно является безжизненной пустотой. Но в квантовом мире это необычайно активная среда, особое состояние, в котором нет привычных материальных частиц.

Частицы в вакууме рождаются и почти мгновенно гибнут, аннигилируя друг с другом. У них нет реальной жизни, вроде они есть, а вроде их нет. Поэтому их называют виртуальными, не предназначенными для получения и передачи сигналов. Энергия для образования виртуальных частиц берётся «взаймы» из самого вакуума и очень быстро возвращается назад после их аннигиляции.

Вакуум перенасыщен флуктуациями конденсированных квантовых полей, которые наделяют пустое пространство отрицательной энергией. Такая субстанция, содержащая огромное разнообразие частиц в скрытом виде, явно не является примитивной. Это сложная среда, которая может находиться в различных энергетических состояниях. Свойства и типы элементарных частиц в них различаются.

Вакуум доминирует в наблюдаемой Вселенной. Он равномерно заполняет весь космос и присутствует везде. По плотности энергии вакуум превосходит все остальные формы космической материи вместе взятые. Поскольку вакуум главенствует, то именно он в конечном итоге определяет геометрию пространства-времени, а также свойства материальных объектов. Однако, на сам вакуум никакое воздействие невозможно.

Вакуум всегда действует, но никогда не испытывает на себе противодействия.

Главной особенностью вакуума является отрицательное давление. Он упругий и может растягиваться, словно резина. Обладая огромным отрицательным давлением, вакуум отталкивает. Результатом воздействия энергии вакуума является расширение Вселенной.

Квантовое состояние, соответствующее локальному минимуму энергии, называется «ложным» вакуумом. Это максимально возможное метастабильное положение в течение определённого периода времени. Но, одновременно, оно потенциально внутренне неустойчиво и может мгновенно распасться.

«Ложный» вакуум подобен плотине на реке, которая кажется находящейся в стабильном состоянии, но на самом деле испытывает огромное давление воды, которое способно разрушить сооружение в одночасье.

Аналогтично внутри «ложного» вакуума сосредоточена огромная энергия. Исходя из теории относительности, он должен иметь огромное натяжение, которое создаёт отталкивающий гравитационный эффект.

Согласно теории инфляции, именно распад «ложного» вакуума вызвал Большой Взрыв.

Глава 14. Дополнительные измерения

Мы живем в трёхмерном мире. Для оценки пространственного положения объекта необходимо получить три вида информации: ширину, длину и высоту. Чтобы определиться, когда вы находитесь в том или ином месте, следует ввести четвёртую координату – время. Для правильной ориентации, важно понимать, не только «где», но и «когда». Именно поэтому наше Мироздание описывается как пространственно-временной континуум.

В 1920-х годах в работах Теодора Калуцы[16 - Калуца Теодор Франц Эдуард – немецкий физик и математик.] и Оскара Клейна[17 - Клейн Оскар – шведский физик и математик.] впервые была сформулирована идея о существовании компактных измерений. Они предположили, что кроме обычных, в структуру реальности встроены микроскопические, скрученные измерения.

Калуца абстрактно предположил, что существует ещё одно направление, пятый блок информации о пространственном положении объекта, помимо длины, ширины, высоты и времени. И попробовал рассчитать, что при этом получится. Результат оказался удивительным.

Выведенные учёным математические формулы утверждали, что во Вселенной есть параллельные миры. Но очень миниатюрные.

В гипотетической вселенной Калуцы с дополнительным измерением гравитация и электромагнетизм становятся единой пространственно-временной рябью. А ведь именно объединение фундаментальных сил в единую теорию является самой вожделенной мечтой физиков. То есть, Калуца получил математическое решение одной из важнейших проблем всей науки, объединив уравнения гравитации Эйнштейна и уравнения электромагнетизма Максвелла[18 - Максвелл Джеймс Клерк – британский физик и математик, основоположник классической электродинамики.].

В свою очередь, Клейн рассчитал, что дополнительное измерение свёрнуто в сверхмалую окружность размером с планковскую длину, то есть 0.000000000000000000000000000000001 сантиметра. Оно присутствует везде. В каждой точке пространства есть эта крохотная окружность. Более современные расчёты показывают, что минимальный размер дополнительного измерения может быть значительно больше планковского, но все же крайне малым – 0.00000000000000001 сантиметра. Поэтому его всё равно невозможно разглядеть современными приборами.

Клейн доказал – то, что верно для отдельного объекта, может быть верно и для всей структуры Вселенной, что большие и маленькие измерения могут быть вписаны в единую ткань пространства.

Поначалу эта идея воспринималась как фантастика. Но сегодня учёные практически уверены в том, что Вселенная имеет дополнительные измерения. Они могут быть двух видов: протяжёнными, доступными для нашего восприятия, или же компактными, которые очень сложно обнаружить. Эта концепция известна как теория Калуцы-Клейна.

На самой ранней стадии эволюции Вселенной все измерения были сильно искривлены и составляли неделимое целое. Три известных нам измерения в своё время совершенно точно тоже были микроскопическими.

Из теории относительности мы знаем, что пространство эластично. Поэтому логично предположить, что со временем некоторые измерения увеличились в размере и расширяются до сих пор. При этом сохранились другие измерения, которые до настоящего момента всё ещё остаются компактными.

В каждой точке привычного нам пространства присутствуют невидимые, свёрнутые в петли самой необычной формы, дополнительные измерения.

Они вписаны в саму структуру Мироздания, они везде.

Когда вы идёте по улице, то перемещаетесь не только в трёх протяжённых измерениях, но, одновременно, и в компактных. Такой мир сложно представить, но можно очень точно описать математически.

Главная загадка заключается в том, почему три пространственных измерения развернулись, а остальные остались туго свёрнутыми в микроскопические области?

Если они не распрямились, то какая неведомая сила сдерживает их?

Ещё один стратегический вопрос – почему макроскопических измерений именно три?

Ответ на последний вопрос состоит в том, что трёхмерность предпочтительнее других вариантов размерности для физики нашей Вселенной. При меньшем числе измерений не могут существовать сложные структуры. При большем числе измерений не могут возникнуть устойчивые атомы. Поэтому наш мир таков, как есть.

Но привычная нам структура Мироздания отнюдь не означает, что в природе не могут существовать отделённые от нас параллельные миры с иной размерностью.

Как вообразить себе параллельные измерения? Есть несколько подходящих аналогий.

Представьте очень длинную и тонкую трубку, наподобие соломинки для коктейля. Её поверхность содержит два измерения. Первое – большое продольное, визуально наблюдаемое как длинное, вертикальное. Второе – короткое в виде окружности, закрученное вокруг трубки.

Хотя поперечный размер намного меньше продольного, рассматривая трубку вблизи, вы без труда оцените её объём, поймёте, что её поверхность представляет собой двумерный цилиндр. Но стоит отойти на некоторое расстояние, и трубка будет выглядеть как одномерная прямая линия. Издалека вы не видите её толщину. Поэтому можно ошибочно предположить, что поверхность подобного объекта имеет не два, а одно измерение.

Аналогично в нашем реальном мире мы видим лишь три протяжённых измерения, а скрученные не замечаем. Но это не значит, что их нет в природе.

Лист бумаги на столе для человека выглядит двухмерным, а для микроба это трёхмерный мир.

Или ещё одна аналогия. Вблизи мы чётко видим, что кожура лимона неровная, бугристая. Но издалека цитрус кажется абсолютно гладким. То же самое и с пространством. На малых расстояниях оно многомерно и сильно искривлено, а на больших кривизна и дополнительные измерения незаметны.

Переместиться из одного компактного измерения в другое чрезвычайно сложно. Движению сквозь них препятствует принцип неопределённости Гейзенберга. Чем меньше размер того, во что надо поместить частицу, тем больше энергии для этого необходимо.

Чтобы «втиснуть» частицу, а тем более человека, в микроскопически свёрнутое измерение нужна энергия, сопоставимая с массой Планка. Если когда-нибудь цивилизация овладеет такой суперсилой, то мы фактически получим власть над природой, поскольку будем способны изменить саму структуру пространства-времени.

Дополнительные измерения очень сложные по своей структуре. Впервые их особую форму рассчитали Эудженио Калаби[19 - Калаби Эудженио – американский математик итальянского происхождения.] и Шинтан Яу[20 - Шинтан Яу – американский и китайский математик.].

Измерения оказались свёрнуты очень причудливым образом, закручиваясь и переплетаясь. В науке они называются многообразиями Калаби-Яу.