КОСМИЧЕСКИЙ ПУАНТИЛИЗМ

Как реликтовое излучение может проверить теорию струн.

Космический фон Если квантовые теории гравитации верны, то космический микроволновый фон (показана расчетная картина) может представлять собой мозаику пикселов.

У теории струн, разумеется, были и есть оппоненты. Ее называли тренингом по занимательной математической теологии, возвратом к средневековью, и криптофилософской «иронической наукой». Отношение к ней, как и к любой другой фундаментальной теории, противоречиво. В самом деле: «Как можно проверить теорию, которая имеет дело с объектом размером 10^-35 м, учитывая, что энергии ускорителей элементарных частиц недостаточно для исследования чего бы то ни было меньше чем 10^-19 м?»

В последние годы стало труднее оправдывать этот цинизм. Теория струн и дополнительные усилия, направленные на создание квантовой теории гравитации, привели к определенному успеху. Более того, недавно экспериментаторы придумали, как проверить эти теории с помощью микроволнового фонового излучения. «Хотя это и смелая попытка, сам факт, что можно произнести в одном предложении слова «теория струн» и «наблюдения», воодушевляет», – говорит ведущий специалист по теории струн Брайан Грин (Brain Greene) из Колумбийского университета.

Как и другие космологические измерения, новые тесты используют слабую неоднородность микроволнового фона. Предполагается, что эта неоднородность возникла в фазе инфляции, то есть быстрого расширения Вселенной в первые мгновения ее существования. Энергетическое поле, ответственное за раздувание, флуктуировало как все квантовые поля. При обычных условиях такие флуктуации очень быстро сглаживаются и поэтому незаметны, но расширение Вселенной нарушает такой порядок вещей, растягивая их, ослабляя и в конце концов «замораживая», как волны на поверхности замерзшего пруда.

Теория струн и связанные с ней парадигмы позволяют предположить, что отрезок нельзя поделить на части, меньшие чем 10^-35 м. Подобно тому как акварельный рисунок создается несколькими движениями кисти, пространство не может содержать бесконечное число деталей. Если удастся выделить объект и сильно его увеличить, то его границы будут выглядеть размытыми. К этому приводит и расширение Вселенной. Если в фазе инфляции размеры Вселенной увеличатся в 1026 раз и еще в соответствующее число раз после этой фазы, то флуктуация 10^-35 м достигнет к настоящему времени размера в десяток световых лет.

Грин и его коллеги Ричард Истер (Richard Easther) и Уильям Кинни (William H. Kinney), а также Гэри Шу (Gary Shiu) из Пенсильванского университета изучили условия, при которых этот эффект можно наблюдать. Флуктуации размером 10^-32 м могут быть сглажены. Инфляция в своем апогее «заморозит» эти флуктуации, когда они достигнут 10^-30 м. При росте в 100 раз размытость становится во столько же раз менее заметной, поэтому распределение флуктуаций будет отклоняться на 1% от стандартных предсказаний. Зонд микроволновой анизотропии или спутник «Планк» смогут это зафиксировать. Две другие группы: Ахим Кемпф (Achim Kempf) из Университета Ватерлоо и Дженс Нимейер (Jens C. Niemeyer) из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархинге и Неманья Калопер (Nemanja Kaloper), Мэтью Клебан (Matthew Kleban), Албион Лоуренс (Albion Lawrence) и Стефен Шенкер (Stephen Shenker) из Станфордского университета – утверждают, что эффект почти наверняка значительно меньше. Но все согласны с тем, что не узнаешь, пока не посмотришь. «Нельзя упускать такую возможность», – говорит Калопер.

Другая концепция, предложенная космологом Крейгом Хоганом (Craig J. Hogan) из Вашингтонского университета, базируется на одном из самых глубоких понятий теории квантовой гравитации – голографическом принципе, ограничивающем количество информации, которое может содержаться в некоторой области пространства-времени. Оно зависит не от ее объема, но, как это ни удивительно, от площади ее границы. Каждый «квант» площади (со стороной 10^-35 м) может содержать один бит информации.

Этот принцип применим к Вселенной в целом. В фазе инфляции застывшие флуктуации определяли эффективную границу пространства. На расстоянии 10-30 м площадь границы была равна 1010 квантов, что эквивалентно гигабайту данных. В этом гигабайте были закодированы все наблюдаемые ныне флуктуации. Если пристально рассматривать микроволновый фон, можно заметить пикселы или дискретные цвета, как если бы небо было одним огромным экраном компьютера. Хотя это всего лишь догадки, сильнее всего выделяющиеся пикселы (кодирующие самые крупные флуктуации) меньше всего зависят от неопределенных параметров. Хоган оценил, что они могут содержать порядка 10 килобайт – не больше самого маленького компьютерного изображения.

Даже исследователи, сомневающиеся в деталях, согласны с основным пунктом: квантовая гравитация больше не сводится к каракулям, написанным мелом на доске. Фундаментальная природа пространства-времени может быть записана на небе и все начальное состояние Вселенной может уместиться на одном диске CD-ROM.

Оригинал - www.sciam.ru