Читать онлайн «Красота физики. Постигая устройство природы». Страница 78

Практически при любых обстоятельствах гравитация приводит к притяжению между телами. Темная энергия в этом смысле исключительна. В примечаниях в конце книги я предлагаю две ссылки на источники, в которых вы сможете найти больше информации по этой теме. Здесь я просто упомяну три следствия для настоящего, будущего и прошлого Вселенной в целом.

• В настоящее время гравитация обычного вещества вместе с темной материей преобладает над гравитационным влиянием темной энергии в нашем ближайшем окружении вплоть до масштабов нашей Галактики и немного за ее пределами. Однако на космологических масштабах обычное вещество и темная материя распределены неоднородно, в то время как темная энергия, хотя и имеет гораздо меньшую плотность в нашем ближайшем окружении, вездесуща, и ее влияние накапливается. В результате гравитация темной энергии, которая по существу является гравитацией отталкивания, играет преобладающую роль в эволюции Вселенной в целом. Расширение Вселенной, которое должно было бы замедляться гравитационным притяжением, на деле ускоряется.

• Прямая экстраполяция современной космологии на далекое будущее предполагает, что через сотни миллиардов лет наша Галактика, слившись с галактикой Андромеды и, возможно, с несколькими другими близлежащими карликовыми галактиками, образует изолированный остров, а всё остальное обычное вещество с темной материей во Вселенной удалится настолько далеко и настолько быстро, что будут недоступны для наблюдения из-за ограниченной скорости света.

Конечно, это очень грубая экстраполяция, учитывая то, насколько сильно менялись взгляды ученых на космологию на гораздо меньших временных масштабах. Ведь прошло меньше ста лет с тех пор, как было открыто расширение Вселенной!

• На протяжении большей части из 13 миллиардов лет (или около того) после Большого взрыва гравитация обычной и темной материи доминировала над влиянием темной энергии даже на космологических масштабах. Однако эти виды материи «разбавлялись» расширением Вселенной, а плотность темной энергии оставалась постоянной, и (примерно) в последние два миллиарда лет последняя начала доминировать. Однако существуют веские причины подозревать, что в очень ранней истории Вселенной все было по-другому, и темная энергия играла главную роль, так что ее гравитация отталкивания привела к периоду быстрой космологической инфляции.

Ньютоновская теория гравитации была эпохальным событием в истории человеческой мысли. Предоставив точное объяснение многим аспектам движения небесных тел и основываясь на нескольких четко сформулированных математических принципах, она установила новые стандарты научной точности и амбициозности. Однако в начале XX в. теория Ньютона была вытеснена общей теорией относительности Эйнштейна, которая остается основополагающей по сей день.

Гравитоны – это наименьшие единицы, или кванты, возмущений в гравитационном флюиде, также называемом метрическим флюидом. Таким образом, гравитоны для гравитации – то же самое, что фотоны для электромагнетизма. Предсказывается, что отдельные гравитоны должны крайне слабо взаимодействовать с обычным веществом, и шансы наблюдать их непосредственно как индивидуальные объекты очень малы. Гравитационные волны, которые потенциально возможно зарегистрировать, состоят из огромного количества гравитонов.

Эти числа удовлетворяют антисимметричному правилу умножения

Грассмановы числа выступают в суперсимметрии в качестве координат квантовых измерений.

Графен – это химическое вещество, состоящее целиком из углерода. В графене атомы углерода формируют двумерный лист из ядер, расположенных по образцу медовых сот. Графен имеет выдающиеся механические и электрические свойства.

Часто бывает полезно рассматривать преобразования, в результате которых некоторая структура остается в целом неизменной, или инвариантной, тогда как ее части обычно перемещаются – другими словами, преобразования симметрии или просто симметрии этой структуры – не только по отдельности, но и все вместе. Такие совокупности преобразований симметрии называются группами преобразований.

Группы преобразований бывают очень разнообразны. К примеру, некоторые позволяют плавное изменение, некоторые дискретны. (См. Непрерывная симметрия.) Но все группы объединяет несколько важных свойств:

• Мы можем комбинировать два преобразования симметрии, производя сначала одно, а затем другое. В результате такого объединенного преобразования структура также останется инвариантной, следовательно, оно тоже задает преобразование симметрии.

• Для каждого преобразования симметрии существует противоположное ему, или (как обычно говорят) обратное, преобразование. Если исходное преобразование превращает x в x', то обратное ему преобразование превращает x' в x.

• Если мы скомбинируем некоторое преобразование с обратным ему преобразованием (в любом порядке), следуя нашему первому правилу, то результатом будет тривиальное тождественное преобразование, которое «превращает» любой x в себя же.

Норвежский математик Софус Ли начиная с конца XIX в. глубоко изучал группы преобразований, которые позволяют плавное изменение и могут быть исследованы методами дифференциального и интегрального исчисления. В его честь эти группы симметрий называют группами Ли. Группы симметрий для кругов, сфер и их обобщений на случай большего числа измерений, состоящие из всех преобразований, которые мы можем получить путем комбинации вращений вокруг всех возможных осей и на все возможные углы, называются группами Ли.

Эти группы вращений, так же как и другие группы Ли, находят большое применение в современной квантовой физике. Прежде всего группы симметрий пространств свойств, основанных на различных видах зарядов, которые являются краеугольными для наших Главных теорий сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, являются группами Ли – так же как и более обширные группы симметрии, на которые мы рассчитываем в нашей попытке объединить эти теории. См. также Локальная симметрия.

Это понятие возникает, когда мы обсуждаем силы применительно к непрерывным средам (в противоположность частицам). Каждая часть сплошной среды прилагает силы к ее соседним частям, действуя на разделяющих их поверхностях. (Эти поверхности вводятся как воображаемые объекты и не обязаны быть реальными границами.) Давление определяется в таких случаях как сила, действующая на единичную площадь.

Дальнодействие – это особенность ньютоновской теории гравитации: тела гравитационно воздействуют на другие, даже сильно удаленные тела, мгновенно через пустое пространство. Самому Ньютону не нравилась эта особенность его теории, но математические выкладки привели его именно к этому. Успех теории Ньютона, основанной на принципе дальнодействия, был столь абсолютным, что эта идея была молчаливо принята и первыми исследователями электричества и магнетизма.

Фарадей разработал альтернативный взгляд, согласно которому электрические и магнитные силы передаются как давление посредством заполняющих пространство флюидов. Максвелл развил интуитивные догадки Фарадея математически и таким образом пришел к флюидной или, иначе, полевой теории электромагнетизма, которой мы пользуемся по сей день.

Астрология постулирует мощное дальнодействие, но, мягко выражаясь, нет никаких достоверных свидетельств ее правомерности.

На интуитивном уровне действительные числа – это числа, которые допускают непрерывное изменение. Подобно тому, как натуральные числа естественно возникают в процессе счета предметов, действительные числа действительно возникают в процессе измерения длины.