Онтологический анализ фундаментальных космологообразующих объектов (струны, браны и др.). Космологические модели, связанные с полевой теорией струн булатов, николай владимирович Космологические модели связанные с полевой теорией струн
Фактором, сильно затрудняющим понимание струнной космологии, является понимание струнных теорий. Струнные теории и даже М-теория являются
лишь предельными случаями некой большей, более фундаментальной теории.
Как уже было сказано, струнная космология задает несколько важных вопросов:
1. Может ли струнная теория сделать какие-либо предсказания, касающиеся физики Большого Взрыва?
2. Что происходит с дополнительными измерениями?
3. Есть ли инфляция в рамках струнной теории?
4. Что может струнная теория рассказать о квантовой гравитации и космологии?
Струнная космология низких энергий
Большая часть материи во Вселенной находится в форме неизвестной нам темной материи. Одним из основных кандидатов на роль темной материи являются так называемые вимпы , слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP - W eakly I nteracting M assive P article). Основным же кандидатом на роль вимпа является кандидат от суперсимметрии . Минимальная Суперсимметричная Стандартная Модель (МССМ, или в англ. транскрипции MSSM - M inimal S upersymmetric S tandard M odel) предсказывает существование частицы со спином 1/2 (фермиона) называемого нейтралино , являющегося фермионным суперпартнером электрически нейтральных калибровочных бозонов и Хиггсовских скаляров. Нейтралино должны иметь большую массу, но при этом очень слабо взаимодействовать с другими частицами. Они могут составить значительную часть плотности во Вселенной и при этом не излучать свет, что делает их хорошим кандидатом на роль темной материи во ВселеннойСтрунные теории требуют суперсимметрию, так что в принципе, если нейтралино будут открыты и окажется, что именно из них и состоит темная материя, это было бы неплохо. Но если суперсимметрия не нарушена, то фермионы и бозоны тождественно равны друг другу, а это не так в нашем мире. Действительно сложной частью всех суперсимметричных теорий является то, как нарушить суперсиметрию, но при этом не потерять все те преимущества, которые она дает.
Одной из причин, почему физики-струнщики и физики-элементарщики любят суперсимметричные теории, является то, что в рамках суперсимметричных теорий получается нулевая полная энергия вакуума, поскольку фермионный и бозонный вакуумы взаимосокращают друг друга. А если суперсимметрия нарушена, то бозоны и фермионы уже не тождественны друг другу, и такого взаимосокращения уже не происходит.
Из наблюдений далеких сверхновых с хорошей точностью следует, что расширение нашей Вселенной (по крайнем мере сейчас) ускоренно из-за присутствия чего-либо типа энергии вакуума или космологической постоянной. Так что независимо от того, как суперсимметрия была нарушена в струнной теории, необходимо, чтобы в итоге получалось "правильное" количество энергии вакуума для описания нынешнего ускоренного расширения. И это вызов теоретикам, поскольку пока все способы нарушения суперсимметрии дают слишком много вакуумной энергии.
Космология и дополнительные измерения
Струнная космология очень запутана и сложна в основном из-за присутствия шести (или даже семи в случае М-теории) дополнительных пространственных измерений, которые требуются для квантовой согласованности теории. представляют собой вызов уже и в рамках самой струнной теории, а с точки зрения космологии эти дополнительные измерения эволюционируют в соответствии с физикой Большого Взрыва и того, что было до него. Тогда что же удерживает дополнительные измерения от того, чтобы расшириться и стать такими же большими, как три наши пространственных измерения?Однако есть поправочный фактор к поправочному фактору: суперструнная дуальная симметрия известная как T-дуальность. Если пространственное измерение свернуто до окружности радиуса R, результирующая струнная теория окажется эквивалентной другой другой струнной теории с пространственным измерением, свернутым до окружности радиуса L st 2 /R, где L st это струнный масштаб длин. Для многих из этих теорий, когда радиус дополнительного измерения удовлетворяет условию R = L st , струнная теория получает дополнительную симметрию с некоторыми массивными частицами, которые становятся безмассовыми. Это называется самодуальной точкой и она важна по многим другим причинам.
Эта дуальная симметрия приводит к очень интересному предположению относительно Вселенной до Большого Взрыва - такая струнная Вселенная начинается с плоского, холодного и очень маленького состояния вместо того, чтобы быть искривленной, горячей и очень маленькой . Эта ранняя Вселенная очень неустойчива и начинает коллапсировать и сжиматься, пока не достигает самодуальной точки, после чего она нагревается и начинает расширяться и в результате расширения приводит к нынешней наблюдаемой Вселенной. Преимуществом этой теории является то, что она включает описанное выше струнное поведение Т-дуальности и самодуальной точки, так что эта теория вполне является теорией струнной космологии.
Инфляция или столкновение гигантских бран?
Что струнная теория предсказывает по поводу источника вакуумной энергии и давления, необходимых для осуществления ускоренного расширения во время инфляционного периода? Скалярные поля, которые могли бы вызвать инфляционное расширение Вселенной, на масштабах Теории Большого Объединения могут оказаться вовлеченными в процесс нарушения симметрии на масштабах немного выше электрослабого, определения констант связи калибровочных полей, а может даже посредством них получается энергия вакуума для космологической постоянной. В струнных теориях есть составные части для построения моделей с нарушением суперсимметрии и инфляцией, но необходимо собрать все эти составные части так, чтобы они работали вместе, а это все еще, как говорят, в разработке.Сейчас одной из альтернативных инфляции моделей является модель со столкновением гигантских бран , известная еще как Экпиротическая Вселенная или же Большой Хлопок . В рамках это модели все начинается с холодного, статичного пятимерного пространства-времени которое очень близко к тому, чтобы быть полностью суперсимметричным. Четыре пространственных измерения ограничены трехмерными стенами или три-бранами , и одна из этих стен и является пространством, в котором мы живем. Вторая брана сокрыта от нашего восприятия.
В соответствии с этой теорией, есть еще одна три-брана, "потерянная" где-то между двумя граничными бранами в четырехмерном объемлющем пространстве, и когда эта брана соударяется с браной, на которой мы живем, то выделяющаяся от этого столкновения энергия разогревает нашу брану и в нашей Вселенной начинается Большой Взрыв по правилам, описанным выше.
Это предположение достаточно ново, так что посмотрим, выдержит ли оно более точные проверки.
Проблема с ускорением
Проблема с ускоренным расширением Вселенной это фундаментальная проблема не только в рамках струнной теории, но даже и в рамках традиционной физики элементарных частиц. В моделях вечной инфляции ускоренное расширение Вселенной неограниченно. Это неограниченное расширение ведет к ситуации, когда гипотетический наблюдатель, вечно путешествующий по Вселенной, никогда не сможет увидеть части событий во Вселенной.Граница между регионом, который наблюдатель сможет увидеть и тем, который он увидеть не сможет, называется горизонтом событий наблюдателя. В космологии горизонт событий подобен горизонту частиц , но за тем исключением, что он в будущем, а не в прошлом.
С точки зрения человеческой философии или внутренней согласованности Эйнштейновской теории относительности, проблемы космологического горизонта событий попросту нет. Ну и что что мы не сможем никогда увидеть некоторые уголки нашей Вселенной, даже если мы и будем жить вечно?
Но проблема космологического горизонта событий является основной технической проблемой в физике высоких энергий из-за определения релятивистской квантовой теории в терминах набора амплитуд рассеяния, называемого S-матрицей . Одним из фундаментальных предположений квантовых релятивистских теорий и теорий струн является то, что приходящие и уходящие состояния бесконечно разделены во времени, и что они, таким образом, ведут себя как свободные невзаимодействующие состояния.
Присутствие же горизонта событий предполагает конечную хокинговскую температуру, таким образом, условия для определения S-матрицы уже не могут быть выполнены. Отсутствие S-матрицы и есть та формальная математическая проблема, при этом она возникает не только в струнной теории, но так же и в теориях элементарных частиц.
Некоторые недавние попытки разрешить эту проблему привлекали квантовую геометрию и изменение скорости света. Но эти теории все еще в разработке. Однако большинство экспертов сходятся на том, что все можно разрешить без привлечения таких радикальных мер.
Миф о начале време Габриель Венециано
Согласно теор ии струн, Большой взрыв был не началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния.
Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлени ях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысл а, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теор етической физики и, в частности, появление теор ии струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
Вопрос о начале начал занимал философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена "D"ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?" ("Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?"). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть - происхождение, идентифи кация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и протожизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энерги и, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?
| ОБЗОР: СТРУННАЯ
КОСМОЛОГИЯ
|
Еще древние греки ожесточенно спорили о происхождении времени. Аристотель отвергал идею о наличии некоего начала, объясняя это тем, что из ничего ничто не возникает. А поскольку Вселенная не могла возникнуть из небытия, значит, она существовала всегда. Таким образом, время должно бесконечно простираться в прошлое и в будущее. Христианские богословы отстаивали противоположную точку зрения. Так, Блаженный Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени и может создавать их точно так же, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос "Что Бог делал прежде, чем создал мир?" знаменитый теолог отвечал: "Время само является частью божьего творения, просто не было никакого прежде!"
Современные космологи пришли к похожему заключению на основании общей теор ии относительности Эйнштейна, согласно которой пространство и время - мягкие, податливые сущности. Во вселенских масштабах пространство по своей природе динамично: со временем оно расширяется или сокращается, увлекая за собой материю. В 1920-х гг. астрономы подтвердили, что наша Вселенная в настоящее время расширяется: галактики удаляются друг от друга. Из этого следует, что время не может бесконечно простираться в прошлое - еще в 1960-х гг. это доказали Стивен Хокинг (Steven Hawking) и Роджер Пенроуз (Roger Penrose). Если мы будем просматривать космическую историю в обратном порядке, то увидим, как все галактики будто проваливаются в черную дыру и сжимаются в единственную бесконечно малую точку - сингулярность. При этом плотность материи, ее температура и кривизна пространства-времени обращаются в бесконечность. На сингулярности наша космическая родословная обрывается и дальше в прошлое простираться не может.
Странное совпадение
Неизбежная сингулярность представляет собой серьезную космологическую проблему. В частности, она плохо согласуется с высокой степенью однородности и изотропности, которой характеризуется Вселенная в глобальном масштабе. Раз уж космос в широком смысл е слова стал всюду одинаковым, значит, между отдаленными областями пространства существовала какая-то связь, координировавшая его свойства. Однако это противоречит старой космологической парадигме.
Давайте рассмотрим, что произошло за 13,7 млрд. лет, прошедших с момента возникновения реликтового излучения. Из-за расширения Вселенной расстояние между галактиками выросло в 10 тыс. раз, тогда как радиус наблюдаемой Вселенной увеличился значительно больше - приблизительно в 1 млн раз (потому что скорость света превышает скорость расширения). Сегодня мы наблюдаем те области Вселенной, которые не могли бы видеть 13,7 млрд. лет назад. Впервые в космической истории свет от наиболее отдаленных галактик достиг Млечного пути.
Тем не менее свойства Млечного пути в основном такие же, как у отдаленных галактик. Если на вечеринке вы встретите двух одинаково одетых людей, то это можно объяснить простым совпадением. Однако если в похожих нарядах будут десять человек - значит, они заранее договорились о форме одежды. Сегодня мы наблюдаем десятки тысяч независимых участков небесной сферы со статистически идентичными характеристиками реликтового фона. Возможно, такие области пространства уже при рождении были одинаковыми, т.е. однородность Вселенной - простое совпадение. Однако физики придумали два более правдоподобных объяснения: на начальной стадии развития Вселенная была либо намного меньше, либо намного старше, чем считалось раньше.
Чаще всего предпочтение отдается первой альтернативе. Считается, что молодая Вселенная прошла период инфляции, т.е. ускоряющегося расширения. До него галактики (точнее, их прародители) были очень плотно упакованы и поэтому стали похожи друг на друга. Во время инфляции они потеряли контакт, ибо свет не успевал за неистовым расширением. Когда инфляция закончилась, расширение начало замедляться и галактики снова оказались в поле зрения друг друга.
Виновницей стремительного инфляционного всплеска физики считают потенциал ьную энерги ю, накопленную спустя 10-35 с после Большого взрыва в особом квантовом поле - инфлатоне. Потенциальная энерги я, в отличие от массы покоя и кинетической энерги и, приводит к гравитационному отталкиванию. Тяготение обычной материи замедляло бы расширение, а инфлатон, напротив, ускорял его. Появившаяся в 1981 г. теор ия инфляции точно объясняет результаты целого ряда наблюдений (см. специальный репортаж "Четыре ключа к космологии", "В мире науки", №5, 2004 г.). Однако до сих пор не ясно, что представлял собой инфлатон и откуда у него взялось столько потенциал ьной энерги и.
Вторая альтернатива подразумевает отказ от сингулярности. Если время началось не в момент Большого взрыва, а Вселенная возникла задолго до начала нынешнего космического расширения, то у материи было достаточно времени, чтобы плавно самоорганизоваться. Поэтому ученые решили пересмотреть рассуждения, приводящие к мысли о сингулярности.
| ДВЕ ВЕРСИИ НАЧАЛА |
| В нашей расширяющейся Вселенной галактики разбегаются, словно рассеивающаяся толпа. Они удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними: галактики, разделенные 500 млн. световых лет, разбегаются вдвое быстрее, чем галактики, разнесенные на 250 млн. световых лет. Таким образом, все наблюдаемые нами галактики должны были в момент Большого взрыва одновременно стартовать из одного и того же места. Это справедливо даже в том случае, если космическое расширение проходит периоды ускорения и замедления. На диаграммах пространства и времени (см. ниже) галактики перемещаются по извилистым путям в наблюдаемую часть пространства и из нее (желтый клин). Однако пока точно неизвестно, что же происходило в тот момент, когда галактики (или их предшественники) начали разлетаться. |
Весьма сомнительным представляется предположение о том, что теор ия относительности справедлива всегда. Ведь в ней не учитываются квантовые эффекты, которые должны были доминировать вблизи сингулярности. Чтобы окончательно во всем разобраться, нужно включить общую теор ию относительности в квантовую теор ию гравитации. Над этой задачей теор етики бились со времен Эйнштейна, но лишь в середине 1980-х гг. дело сдвинулось с мертвой точки.
Эволюция революции
Сегодня рассматриваются два подхода. В теор ии петлевой квантовой гравитации теор ия относительности сохраняется по существу нетронутой, изменяется только процедура ее применения в квантовой механике (см. статью Ли Смолина "Атомы пространства и времени", "В мире науки", №4, 2004 г.). В последние годы сторонники петлевой квантовой гравитации добились больших успехов и достигли глубокого понимания, однако их подход недостаточно кардинален для решения фундаментальных проблем квантования тяготения. С похожей проблемой столкнулись специалисты по теор ии элементарных частиц. В 1934 г. Энрико Ферми (Enrico Fermi) предложил эффективную теор ию слабого ядерного взаимодействия, но попытки построить ее квантовый вариант поначалу потерпели фиаско. Требовалась не новая методика, а концептуальные изменения, которые были воплощены в теор ии электрослабого взаимодействия, предложенной Шелдоном Глэшоу (Sheldon Glashow), Стивеном Вейнбергом (Steven Weinberg) и Абдусом Саламом (Abdus Salam) в конце 1960-х гг.
Более обещающим мне представляется второй подход - теор ия струн, действительно революционная модификация теор ии Эйнштейна. Она выросла из модели, предложенной мною в 1968 г. для описания ядерных частиц (протонов и нейтронов) и их взаимодействий. К сожалению, модель оказалась не совсем удачной, и через несколько лет от нее отказались, предпочтя квантовую хромодинамику, согласно которой протоны и нейтроны состоят из кварков. Последние ведут себя так, словно связаны между собой упругими струнами. Изначально теор ия струн была посвящена описанию струнных свойств ядерного мира. Однако вскоре ее стали рассматривать как возможный вариант объединения общей теор ии относительности и квантовой механики.
Основная идея состоит в том, что элементарные частицы - не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты, называемые струнами. Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Как же столь бесхитростная теор ия описывает сложный мир частиц и их взаимодействий? Секрет в так называемой маги и квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне, вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.
Во-первых, квантовые струны имеют конечный размер. Обычную (неквантовую) скрипичную струну можно было бы разрезать пополам, затем одну из половинок снова порвать на две части и так далее, пока не получилась бы точечная частица с нулевой массой. Однако принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет нам разделить струну на части длиной меньше, чем приблизительно 10-34 м. Мельчайший квант длины обозначается ls и представляет собой природную константу, которая в теор ии струн стоит в одном ряду со скоростью света c и постоянной Планка h.
Во-вторых, даже безмассовые квантовые струны могут иметь угловой момент. В классической физике тело с нулевой массой не может обладать угловым моментом, поскольку он определяется как произведение скорости, массы и расстояния до оси. Но квантовые флуктуации изменяют ситуацию. Угловой момент крошечной струны может достигать 2h, даже если ее масса равняется нулю, что в точности соответствует свойствам переносчиков всех известных фундаментальных сил, таких как фотон и гравитон. Исторически именно эта особенность углового момента привлекла внимание к теор ии струн, как к кандидату на звание теор ии квантовой гравитации.
В-третьих, квантовые струны требуют существования дополнительных пространственных измерений. Классическая скрипичная струна будет колебаться независимо от того, каковы свойства пространства и времени. Квантовая струна более привередлива: уравнения, описывающие ее колебания, остаются непротиворечивыми только в том случае, если пространство-время сильно искривлено (что противоречит наблюдениям) или содержит шесть дополнительных измерений.
В-четвертых, физические постоянные, которые определяют свойства природы и входят в уравнения, отражающие закон Кулона и закон всемирного тяготения, перестают быть независимыми, фиксированными константами. В теор ии струн их значения динамически задаются полями, похожими на электромагнитное. Возможно, напряженность полей была неодинакова на протяжении различных космологических эпох или в отдаленных областях пространства. Теория струн получит серьезное экспериментальное подтверждение, если ученым удастся зарегистрировать хотя бы незначительное изменение физических констант.
Центральное место в теор ии струн занимает одно из таких полей - дилатон. Оно определяет общую силу всех взаимодействий. Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения - 11-го по счету.
| ТЕОРИЯ СТРУН |
| Теория струн - самая многообещающая (хотя и не
единственная) теор
ия, пытающаяся описать, что происходило в момент
Большого взрыва. Струны представляют собой материальные объекты,
очень похожие на струны скрипки. Когда скрипач перемещает пальцы по
деке инструмента, он уменьшает длину струн и вызывает повышение
частоты колебаний и, следовательно, их энерги
и. Если укоротить
струну до субсубатомных размеров, начнут действовать квантовые
эффекты, препятствующие дальнейшему уменьшению длины.
Субатомная струна может не только перемещаться целиком или колебаться, но и завиваться, как пружина. Предположим, что пространство имеет цилиндрическую форму. Если длина окружности больше, чем минимальная допустимая длина струны, увеличение скорости перемещения требует малого приращения энерги и, а каждый виток - большого. Однако если окружность короче минимальной длины, на дополнительный виток затрачивается меньше энерги и, чем на приращение скорости. Следовательно, полная эффективная энерги я остается неизменной. Струна не может быть короче кванта длины, поэтому вещество в принципе не может быть бесконечно плотным.
|
Связывание свободных концов
Наконец квантовые струны помогли физикам открыть новый вид природной симметрии - дуализм, который изменяет наше интуитивное представление о том, что происходит, когда объекты становятся чрезвычайно малыми. Я уже ссылался на одну из форм дуализма: обычно длинная струна тяжелее, чем короткая, но если мы попытаемся сделать ее короче фундаментальной длины ls, то она снова начнет тяжелеть.
Поскольку струны могут двигаться более сложными способами, чем точечные частицы, существует и другая форма симметрии - T-дуализм, который выражается в том, что маленькие и большие дополнительные измерения эквивалентны. Рассмотрим замкнутую струну (петлю), расположенную в цилиндрическом пространстве, круговое сечение которого представляет собой одно конечное дополнительное измерение. Струна может не только колебаться, но и вращаться вокруг цилиндра или наматываться на него (см. рис. выше).
Энергетическая стоимость обоих состояний струны зависит от размеров дополнительного измерения. Энергия наматывания прямо пропорциональна его радиусу: чем больше цилиндр, тем сильнее растягивается струна и тем больше энерги и она запасает. С другой стороны, энерги я, связанная с вращением, обратно пропорциональна радиусу: цилиндрам большего радиуса соответствуют более длинные волны, а значит, более низкие частоты и меньшие значения энерги и. Если большой цилиндр заменить малым, два состояния движения могут поменяться ролями: энерги я, связанная с вращением, может быть обеспечена наматыванием и наоборот. Внешний наблюдатель замечает только величину энерги и, а не ее происхождение, поэтому для него большой и малый радиусы физически эквивалентны.
Хотя T-дуализм обычно описывается на примере цилиндрических пространств, в которых одно из измерений (окружность) конечно, один из его вариантов применяется к обычным трем измерениям, которые, похоже, простираются безгранично. О расширении бесконечного пространства нужно говорить с осторожностью. Его полный размер не может измениться и остается бесконечным. Но все же оно способно расширяться в том смысл е, что расположенные в нем тела (например, галактики) могут удаляться друг от друга. В данном случае значение имеет не размер пространства в целом, а его масштабный коэффициент, в соответствии с которым происходит изменение расстояний между галактиками и их скоплениями, заметное по красному смещению. Согласно принципу T-дуализма, вселенные и с малыми, и с большими масштабными коэффициентами эквивалентны. В уравнениях Эйнштейна такой симметрии нет; она является следствием унификации, заключенной в теор ии струн, причем центральную роль здесь играет дилатон.
Когда-то бытовало мнение, что T-дуализм присущ только замкнутым струнам, поскольку открытые струны не могут наматываться, так как их концы свободны. В 1995 г. Йозеф Полчински (Joseph Polchinski) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показал, что принцип T-дуализма применим к открытым струнам в том случае, когда переход от больших радиусов к малым сопровождается изменением условий на концах струны. До этого физики считали, что на концы струн не действуют никакие силы и они абсолютно свободны. Вместе с тем T-дуализм обеспечивается так называемыми граничными условиями Дирихле, при которых концы струн оказываются зафиксированными.
Условия на границе струны могут быть смешанными. Например, электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных, образующих подпространство, известное как мембрана Дирихле, или D-мембрана. В 1996 г. Петр Хорава (Petr Horava) из Калифорнийского университета и Эдвард Уиттен (Edward Witten) из Института специальных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, предположили, что наша Вселенная расположена как раз на такой мембране (см. статьи "Информация в голографической Вселенной", "В мире науки", №11, 2003 г. и "Кто нарушил закон тяготения?", "В мире науки", №5, 2004 г). Наша неспособность воспринимать все 10-мерное великолепие пространства объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц.
| ПРЕДВЗРЫВНОЙ СЦЕНАРИЙ | ||||||||||||
 Первой попыткой применить теор ию струн к космологии стала разработка так называемого предвзрывного сценария, в соответствии с которым Большой взрыв был не моментом возникновения Вселенной, а просто переходной стадией. До него расширение ускорялось, а после него - замедлялось (по крайней мере, в начале). Путь галактики в пространстве-времени (справа) имеет форму бокала.
|
||||||||||||
Приручение бесконечности
Все волшебные свойства квантовых струн указывают на то, что они ненавидят бесконечность. Струны не могут стянуться в бесконечно малую точку, и поэтому им несвойственны парадоксы, связанные с коллапсом. Отличие их размера от нуля и новые виды симметрии задают верхние границы для возрастающих физических величин и нижние - для убывающих. Специалисты по теор ии струн полагают, что, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности Большого взрыва: в некоторый момент ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. До появления теор ии струн физики отчаянно пытались придумать механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность.
 |
|
| Притягиваясь друг к другу, две почти пустые мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном направлению движения. | Мембраны соударяются, и их кинетическая энерги я преобразуется в материю и излучение. Это соударение и есть Большой взрыв. |
 |
|
Условия вблизи нулевого момента времени, соответствующего началу Большого взрыва, настолько экстремальны, что никто пока не знает, как решать соответствующие уравнения. Тем не менее специалисты по теор ии струн берут на себя смелость высказывать догадки о том, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва. Сейчас в ходу две модели.
Первую из них, известную как пред-взрывной сценарий, мы начали разрабатывать в 1991 г. В ней принцип Т-дуализма объединяется с более известной симметрией обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. Такая комбинация позволяет говорить о новых возможных вариантах космологии, в которых Вселенная, скажем, за 5 с до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через 5 с после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним - ускорялось. Короче говоря, Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.
Прелесть такой картины состоит в том, что она автоматически подразумевает более глубокое понимание теор ии инфляции: Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать настолько однородной и изотропной. В стандартной теор ии ускорение после Большого взрыва происходит под действием введенного специально для этой цели инфлатона. В пред-взрывном сценарии оно происходит перед взрывом как естественное следствие новых видов симметрии в теор ии струн.
В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него (см. рис.выше). Если Вселенная безгранично устремляется в будущее, в котором ее содержимое разжижается до скудной кашицы, то она также бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный, хаотический газ из излучения и вещества. Силы природы, управляемые дилатоном, были настолько слабы, что частицы этого газа практически не взаимодействовали друг с другом.
Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться черные дыры. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т.е. Вселенная разбивалась на обособленные части.
Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр - не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теор ией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной.
Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, Андрей Линде (Andrei Linde) из Стэнфордского университета утверждает, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теор ии струн. Но ведь наши уравнения не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр. Просто случилось так, что Вселенная сформировалась внутри достаточно большой дыры.
Более серьезное возражение приводят Тибо Дамур (Thibault Damour) из Института высших научных исследований в Бур-сюр-Ив во Франции и Марк Анно (Marc Henneaux) из Брюссельского свободного университета: материя и пространство-время вблизи момента Большого взрыва должны были вести себя хаотически, что наверняка противоречит наблюдаемой регулярности ранней Вселенной. Недавно я предположил, что в таком хаосе мог возникнуть плотный газ из миниатюрных "струнных дыр" - чрезвычайно малых и массивных струн, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблемы, описанной Дамуром и Анно. Аналогичное предположение было высказано Томасом Бэнксом (Thomas Banks) из Рютгерса и Вилли Фишлером (Willy Fischler) из Техасского университета в Остине. Существуют и другие критические соображения, но нам еще предстоит выяснить, выявляют ли они какие-либо принципиальные недостатки описанной модели.
| НАБЛЮДЕНИЯ | ||
 |
Соударение мембран
Другая популярная модель, подразумевающая существование Вселенной до Большого взрыва, - экпиротический сценарий (от греч. ekpyrotic - "пришедший из огня"), разработанный три года назад Джастином Каури (Justin Khoury) из Колумбийского университета, Полом Штейнхардтом (Paul Steinhardt) из Принстонского университета, Бартом Оврутом (Burt A. Ovrut) из Пенсильванского университета, Натаном Зейбергом (Nathan Seiberg) из Института углубленных исследований и Нейлом Тьюроком (Neil Turok) из Кембриджского университета. Он основан на предположении, что наша Вселенная - одна из многих D-мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. Мембраны притягиваются друг к другу, а когда они сталкиваются, в них может произойти то, что мы называем Большим взрывом (см. рис. выше).
Не исключено, что коллизии происходят циклически. Две мембраны могут сталкиваться, отскакивать друг от друга, расходиться, притягиваться одна к другой, снова соударяться и так далее. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной может указывать на предстоящее столкновение.
У пред-взрывного и экпиротического сценариев есть общие особенности. Оба они начинаются с большой, холодной, почти пустой Вселенной, и обоим свойственна трудная (и пока нерешенная) проблема перехода от состояния перед Большим взрывом к стадии после него. Математически главное различие между двумя моделями заключается в поведении дилатона. В пред-взрывном сценарии это поле и, соответственно, все силы природы изначально очень слабы и постепенно усиливаются, достигая максимума в момент Большого взрыва. Для экпиротической модели справедливо обратное: столкновение происходит тогда, когда значения сил минимальны.
Разработчики экпиротической схемы вначале надеялись, что слабость сил облегчит процедуру анализа столкновения, однако им приходится иметь дело с высокой кривизной пространства-времени, поэтому пока нельзя однозначно решить, удастся ли избежать сингулярности. Кроме того, этот сценарий должен протекать при весьма специфичных обстоятельствах. Например, перед самым столкновением мембраны должны быть почти идеально параллельны друг другу, иначе вызванный им Большой взрыв будет недостаточно однородным. В циклической версии эта проблема стоит не так остро: последовательные соударения позволили бы мембранам выровняться.
Оставив пока в стороне трудности полного математического обоснования обеих моделей, ученые должны разобраться, удастся ли когда-нибудь проверить их экспериментально. На первый взгляд, описанные сценарии очень похожи на упражнения не в физике, а в метафизике: масса интересных идей, которые никогда не удастся подтвердить или опровергнуть результатами наблюдений. Такой взгляд слишком пессимист ичен. Как стадия инфляции, так и довзрывная эпоха должны были оставить после себя артефакты, которые можно заметить и сегодня, например, в небольших вариациях температуры реликтового излучения.
Во-первых, наблюдения показывают, что температурные отклонения были сформированы акустическими волнами за несколько сотен тысяч лет. Регулярность флуктуаций свидетельствует о когерентности звуковых волн. Космологи уже отвергли целый ряд космологических моделей, не способных объяснить волновой синхронизм. Сценарии с инфляцией, эпохой до Большого взрыва и столкновением мембран успешно проходят это первое испытание. В них синфазные волны создаются квантовыми процессами, усилившимися в ходе ускоряющегося космического расширения.
Во-вторых, каждая модель предсказывает разное распределение температурных флуктуаций в зависимости от их углового размера. Оказалось, что большие и малые флуктуации имеют одинаковую амплитуду. (Отступления от этого правила наблюдаются только при очень малых масштабах, в которых изначальные отклонения изменились под действием более поздних процессов.) В инфляционных моделях это распределение воспроизводится с высокой точностью. Во время инфляции кривизна пространства изменялась относительно медленно, так что флуктуации различных размеров возникали в почти одинаковых условиях. Согласно обеим струнным моделям, кривизна менялась быстро. В результате амплитуда мелкомасштабных флуктуаций увеличивалась, однако другие процессы усиливали крупномасштабные отклонения температуры, выравнивая общее распределение. В экпиротическом сценарии этому способствует дополнительное пространственное измерение, разделяющее сталкивающиеся мембраны. В пред-взрывной схеме за выравнивание распределения флуктуации отвечает аксион - квантовое поле, связанное с дилатоном. Короче говоря, все три модели согласуются с результатами наблюдений.
В-третьих, в ранней Вселенной температурные вариации могли возникать из-за флуктуаций плотности вещества и из-за слабых колебаний, вызванных гравитационными волнами. При инфляции обе причины имеют одинаковое значение, а в сценариях со струнами основную роль играют вариации плотности. Гравитационные волны должны были оставить свой отпечаток в поляризации реликтового излучения. Возможно, в будущем его удастся обнаружить с помощью космических обсерваторий, таких как спутник "Планк" Европейского космического агентства.
Четвертая проверка связана с распределением флуктуаций. В инфляционном и экпиротическом сценариях оно описывается законом Гаусса. Вместе с тем предвзрывная модель допускает значительные отклонения от нормального распределения.
Анализ реликтового излучения - не единственный способ проверить рассмотренные теор ии. Сценарий с эпохой до Большого взрыва подразумевает возникновение случайного фона гравитационных волн в некотором диапазоне частот, который в будущем можно будет обнаружить с помощью гравитационных обсерваторий. Кроме того, поскольку в струнных моделях изменяется дилатон, тесно связанный с электромагнитным полем, им обеим должны быть свойственны крупномасштабные флуктуации магнитного поля. Не исключено, что их остатки можно обнаружить в галактических и межгалактических магнитных полях.
Так когда же началось время? Наука пока не дает окончательного ответа. И все же согласно двум потенциал ьно проверяемым теор иям Вселенная - а значит, и время - существовала задолго до Большого взрыва. Если один из этих сценариев соответствует истине, то космос существовал всегда. Возможно, однажды он снова коллапсирует, но не исчезнет никогда.
ОБ АВТОРЕ:
Габриель Венециано
(Gabriele Veneziano), физик-теор
етик из CERN, создал теор
ию струн в конце
1960-х гг. Однако вскоре она была признана ошибочной, так как не объясняла
всех свойств атомного ядра. Поэтому Венециано занялся квантовой
хромодинамикой, в которую внес крупный вклад. Когда в 1980-х гг. о теор
ии
струн заговорили как о теор
ии квантовой гравитации, Венециано впервые
применил ее к черным дырам и космологии.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Возможно, ученые приблизились к разгадке самой интригующей тайны мироздания: существуют ли, кроме нашей, другие вселенные?
Альберт Эйнштейн в течение всей жизни пытался создать «теорию всего», которая описала бы все законы мироздания. Не успел.
Сегодня астрофизики предполагают, что наилучшим кандидатом на эту теорию является теория суперструн. Она не только объясняет процессы расширения нашей Вселенной, но и подтверждает существование других вселенных, находящихся рядом с нами. «Космические струны» представляют собой искажения пространства и времени. Они могут быть больше, чем сама Вселенная, хотя толщина их не превышает размеров атомного ядра.
Тем не менее, несмотря на удивительную математическую красоту и целостность, теория струн пока не нашла экспериментального подтверждения. Вся надежда на Большой адронный коллайдер. Ученые ждут от него не только открытия частицы Хиггса, но и некоторых суперсимметричных частиц. Это будет серьезной поддержкой теории струн, а значит, и других миров. Пока же физики строят теоретические модели иных миров.
Первым о параллельных мирах в 1895 году землянам сообщил писатель-фантаст Герберт Уэллс в рассказе «Дверь в стене». Спустя 62 года выпускник Принстонского университета Хью Эверетт поразил коллег темой своей докторской диссертации о расщеплении миров.
Вот ее суть: каждый миг каждая вселенная расщепляется на не-
представимое количество себе подобных, а уже в следующий миг каждая из этих новорожденных расщепляется точно таким же образом. И в этом огромном множестве есть множество миров, в которых существуете вы. В одном мире вы, читая эту статью, едете в метро, в другом — летите в самолете. В одном — вы царь, в другом — раб.
Толчком к размножению миров служат наши поступки, объяснял Эверетт. Стоит нам сделать какой-нибудь выбор — «быть или не быть», например, — как в мгновение ока из одной вселенной получилось две. В одной мы живем, а вторая — сама по себе, хотя мы присутствуем и там.
Интересно, но… Даже отец квантовой механики Нильс Бор остался тогда к этой сумасшедшей идее равнодушным.
1980-е годы. Миры Линде
Теория многомирья могла бы и забыться. Но вновь на помощь ученым пришел писатель-фантаст. Майкл Муркок по какому-то наитию поселил всех жителей своего сказочного города Танелорн в Мультивселенную. Термин Multiverse тотчас замелькал в трудах серьезных ученых.
Дело в том, что в 1980-е у многих физиков уже созрело убеждение, что идея параллельных вселенных может стать одним из краеугольных камней новой парадигмы науки о структуре мироздания. Главным поборником этой красивой идеи стал Андрей Линде — бывший сотрудник Физического института им. Лебедева Академии наук, а ныне профессор физики Стэнфордского университета.
Линде строит свои рассуждения на базе модели Большого взрыва, в результате которого возник молниеносно расширяющийся пузырек — зародыш нашей Вселенной. Но если какое-то космическое яйцо оказалось способным породить Вселенную, то почему нельзя предположить возможность существования других подобных яиц? Задавшись этим вопросом, Линде построил модель, в которой инфляционные (inflation — раздувание) вселенные возникают непрерывно, отпочковываясь от своих родительниц.
Для иллюстрации можно представить себе некий резервуар, заполненный водой во всех возможных агрегатных состояниях. Там будут жидкие зоны, глыбы изо льда и пузыри пара — их и можно считать аналогами параллельных вселенных инфляционной модели. Она представляет мир как огромный фрактал, состоящий из однородных кусков с разными свойствами. Передвигаясь по этому миру, вы сможете плавно переходить из одной вселенной в другую. Правда, ваше путешествие продлится долго — десятки миллионов лет.
1990-е годы. Миры Риса
Логика рассуждений профессора космологии и астрофизики Кембриджского университета Мартина Риса примерно такова.
Вероятность зарождения жизни во Вселенной априори настолько мала, что смахивает на чудо, рассуждал профессор Рис. И если не исходить из гипотезы Создателя, то почему бы не предположить, что Природа случайным образом рождает множество параллельных миров, которые служат для нее полем для экспериментов по созданию жизни.
По мнению ученого, жизнь возникла на небольшой планете, обращающейся вокруг рядовой звезды одной из рядовых галактик именно нашего мира по той простой причине, что этому благоприятствовало его физическое устройство. Другие миры Мультивселенной, скорее всего, пусты.
2000-е годы. Миры Тегмарка
Профессор физики и астрономии Пенсильванского университета Макс Тегмарк убежден, что вселенные могут различаться не только местоположением, космологическими свойствами, но и законами физики. Они существуют вне времени и пространства, и их почти невозможно изобразить.
Рассмотрим простую вселенную, состоящую из Солнца, Земли и Луны, предлагает физик. Для объективного наблюдателя такая вселенная представляется кольцом: орбита Земли, «размазанная» во времени, как будто обернута оплеткой — ее создает траектория движения Луны вокруг Земли. А другие формы олицетворяют иные физические законы.
Свою теорию ученый любит иллюстрировать на примере игры в «русскую рулетку». По его мнению, каждый раз, когда человек нажимает на курок, его вселенная расщепляется на две: где выстрел произошел, и где его не было. Но сам Тегмарк не рискует проводить такой опыт в реальности — по крайней мере, в нашей Вселенной.
Андрей Линде — физик, создатель теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Окончил Московский государственный университет. Работал в Физическом институте им. Лебедева Академии наук (ФИАН). С 1990 года — профессор физики Стэнфордского университета. Автор более 220 трудов в области физики элементарных частиц и космологии.
Булькающий космос
— Андрей Дмитриевич, в какой части многоликой Вселенной «прописаны» мы, земляне?
— В зависимости оттого, куда мы попали. Вселенная может быть разбитой на большие области, каждая из которых по всем своим свойствам выглядит локально, как огромная Вселенная. Каждая из них имеет огромные размеры. Если мы живем в одной из них, то мы не будем знать, что другие части Вселенной существуют.
— Законы физики везде одинаковые?
— Я думаю, разные. То есть в действительности закон физики может быть один и тот же. Это так же как вода, которая может быть жидкой, газообразной и твердой. Тем не менее рыба может жить только в жидкой воде. Мы — в другой среде. Но не потому, что других частей Вселенной нет, а потому, что мы можем жить только в
удобном нам сегменте «многоликой Вселенной».
— На что похож этот наш сегмент?
— На пузырь.
— Получается, что люди, по вашему представлению, когда появились, сидели все в одном пузырьке?
— Никто еще не сидел. Люди родились потом, после завершения инфляции. Тогда энергия, которая была ответственна за быстрое расширение Вселенной, перешла в энергию обычных элементарных частиц. Это произошло за счет того, что Вселенная вскипела, возникли пузырьки, как в кипящем чайнике. Стенки пузырьков ударили друг по другу, выделили свою энергию, и за счет выделения энергии родились нормальные частицы. Вселенная стала горячей. И уже после этого возникли люди. Они посмотрели вокруг и сказали: «О, какая большая Вселенная!»
Мы можем попасть из одной вселенной-пузыря в другую?
— Теоретически да. Но по дороге мы наткнемся на барьер. Это будет доменная стенка, энергетически очень большой величины. Чтобы долететь до стенки, надо быть долгожителем, потому что расстояние до нее — порядка 10 в миллионной степени световых лет. А для того чтобы пересечь границу, нам надо иметь очень много энергии, чтобы хорошенько разогнаться, и перескочить через нее. Хотя вероятно, что мы тут же и умрем, потому что частицы нашего, земного типа могут в другой вселенной распасться. Или изменить свои свойства.
— Возникновение пузырей-вселенных происходит постоянно?
— Это вечный процесс. У Вселенной никогда не будет конца. В разных ее частях возникают разные куски Вселенной, разного типа. Происходит это так. Возникают два пузыря, например. Каждый из них расширяется очень быстро, но Вселенная между ними продолжает раздуваться, поэтому расстояние между пузырями остается очень большим, и они почти никогда не сталкиваются. Возникают еще пузыри — и Вселенная еще больше расширяется. В части из этих пузырей нет никакой структуры — не образовалось. А в другой части из этих пузырей возникли галактики, в одной из которых мы и живем. И таких разных типов Вселенной — где-то 10 в тысячной степени или 10 в сотой. Ученые еще продолжают считать.
— Что происходит в этих многих копиях одной и той же Вселенной?
— Вселенная сейчас вышла на новую стадию раздувания, но очень медленную. Нашу Галактику это пока не тронет. Потому что материя внутри нашей Галактики гравитационно очень сильно друг к другу притянута. А другие галактики будут от нас улетать, и мы их больше не увидим.
— Куда они улетят?
— К так называемому горизонту мира, который от нас находится на расстоянии 13,7 млрд. световых лет. Все эти галактики прилипнут к горизонту и истают для нас, станут плоскими. Сигнал от них не будет больше приходить, и останется одна наша Галактика. Но и это ненадолго. Со временем энергетические ресурсы в нашей Галактике потихонечку иссякнут, и нас постигнет печальная судьба.
— Когда это произойдет?
— К счастью, распадемся мы не скоро. Через 20 млрд. лет, а то и больше. Но благодаря тому, что Вселенная является самовосстанавливающейся, благодаря тому, что она производит все новые и новые части во всех ее возможных комбинациях, Вселенная в целом и жизнь в целом никогда не исчезнет.
Онтологический анализ фундаментальных космологообразующих объектов (струны, браны и др.)
Для построения квантовой космологии необходимо создать квантовую теорию гравитации. Считается, что квантовая теория гравитации может быть построена именно на планковском масштабе. Но в космологическом плане (момент начала расширения Вселенной) на этом масштабе возможно унифицируются все 4 фундаментальные взаимодействия, следовательно, единая теория должна обрести силу на планковском уровне. Отсюда следует, что в определенном смысле квантовая теория гравитации, единая теория, а также планковская космология тождественны.
Работы по созданию квантовой теории гравитации ведутся уже более полстолетия, и вариантов такой теории было предложено достаточно. В настоящее время наиболее перспективными на роль такой теории считаются две теории: теория суперструн (ТСС) и теория петлевой квантовой гравитации (ТПКГ). Существует обширная литература, посвященная этим теориям. Нас же в данном разделе будет интересовать вопрос об онтологии фундаментальных, космологообразующих объектов этих теорий. Актуальность онтологического анализа в квантовой космологии определяется необходимостью выяснения природы экстремальных состояний материи, прежде всего планковского состояния, а также в связи с глубокой опосредованностью современного физического познания.
На планковском уровне мы имеем дело с принципиально новым видом материального существования, аналогов чему не существует в современной физике. Это обстоятельство в решающей степени затрудняет построение теории квантовой космологии. Поэтому прежде чем обсуждать сами космологические модели, на наш взгляд, необходимо проанализировать ту объектность, которая будет представлять содержательную основу этих моделей. И действительно, фундаментальный объект ТСС – струна будет формировать одну космологию, а петля или планковская ячейка пространства в ТПКГ – другую. Причем, как отмечает К. Ровелли, обе теории призваны описать планковский масштаб, причем именно на этом уровне они существенно различаются по отношению, например, к проблеме природы пространства-времени.
Рассмотрим фундаментальные космологообразующие объекты теории струн.
Суперструна как фундаментальный объект квантовой космологии .
В ТСС основным объектом является струна . Кратко опишем основные особенности этого объекта, необходимые нам в дальнейшем. Струна представляет собой одномерный физический объект планковского масштаба длины (lPl = 10-33 см), однако исследования показывают возможность существования струн космологических размеров. Исследования показали, что струны обладают суперсимметрией, поэтому называются суперструнами, а теория соответственно – ТСС. В дальнейшем под струной всегда будет пониматься именно суперструна. Согласно теории различные моды колебаний струн представляют собой элементарные частицы и дают не только весь их набор, но и много других частиц. Последнее является одной из трудностей теории. ТСС – теория с фоновой зависимостью. Это означает, что струны находятся в независимо существующем пространстве-времени, в котором могут передвигаться. Поскольку в отличие от ТСС общая теория относительности является фоново-независимой, в которой пространство и время являются динамическими характеристиками, то одной из важнейших задач является построение ТСС как фоново-независимой теории, если строить квантовую теорию гравитации путем квантования ОТО. Подобная стратегия еще больше обостряет проблему выяснения природы пространства и времени и их роли в физической теории.
Онтологически фундаментальным является поиск ответов на следующие три вопроса: 1) материальны ли струны, 2) представляют ли они только лишь геометрическую структуру, онтологию которой еще следует определить, 3) или же они – лишь некое абстрактное математическое средство, математическая конструкция, введенная для теоретически более эффективного (а может быть и чисто прагматического) решения некоторых физических проблем? Среди исследователей мнения по поводу ответов на эти вопросы разделились.
Материальны ли струны? Одним из аргументов сторонников положительного ответа на первый вопрос (в частности, случайного первооткрывателя теории струн Г. Венециано) является, например, то, что различные моды колебаний струн дают физически реальные элементарные частицы. И действительно, логично предположить, что реальные частицы могут порождаться реальными физическими объектами. При этом несомненно, что физическая природа струны отличается от природы элементарной частицы, поскольку природа последней, согласно ТСС, содержится в колебательном процессе. Отсюда следует, что природа известных элементарных частиц чисто феноменологическая. Говоря языком метафизики, их сущность – колебания, которая (сущность) для наблюдателя проявляется в виде феномена «элементарной» материальной объектности. Но в рамках того же метафизического языка, все это означает, что элементарные частицы (электроны, кварки, фотоны) не обладают некоторой первичной субстанциональностью, они – только лишь феномены.
В то же время возникает вопрос о том, обладают ли субстанциональностью сами струны? И какой? Представляется естественным в случае положительного ответа связать с ними принципиально новый вид материи. Причем, возможно, это должен быть вид материальности не меньшей фундаментальности и радикальности, чем фундаментальность электромагнитного поля, введенного в период доминирования механистической картины мира, или открытие искривленного 4-мерного пространства-времени. По-видимому, он должен быть даже еще более высокой степени фундаментальности. Поиск физической онтологии подобного масштаба является, на наш взгляд, актуальнейшей проблемой планковской космологии и всей физики.
Геометрическая природа струн . Этот и ряд других аргументов представляют позицию сторонников положительного ответа на второй вопрос. Нетривиальный образ в этом плане предложил С. Вайнберг. С его точки зрения «Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства». Перед сторонниками чисто геометрической интерпретации струн стоит задача онтологизации своего подхода. Можно ли придать еще какой-то физический смысл такой геометрической конструкции как суперструна? Можно ли добавить какую-то новую физическую интерпретацию в уже существующее содержание глобальной программы, которая парадоксально формулируется в следующих словах: «Физика есть геометрия»?
Отметим, что в рамках положительного ответа на этот вопрос фундаментальной и глобальной физической субстанцией становится пространство и время. Как вариант, следует говорить о субстанциональности структуры пространства и времени, что выражает большую определенность и локализованность такого характера субстанциональности: геометрической, топологической, топосной и т. д.
В рамках геометрического подхода к природе струн, последние также могут проявлять себя как известные материальные объекты в виде, например, элементарных частиц только феноменологически. Дело в том, что в рамках программы геометризации физики предпринимались и предпринимаются попытки представить все элементарные частицы в виде чистых структур геометрии пространства-времени (не обязательно 4-мерного), например, в виде локальных микроскопических областей сильно искривленного пространства-времени. Эти геометрические структуры воспринимаются как реальные феноменологические физические объекты, в частности, частицы, только по отношению к макроскопическому наблюдателю антропоморфной природы.
Струны как абстрактное вспомогательное средство физического описания? Является ли струна формальным вспомогательным математическим конструктом типа волновой функции, лагранжиана, траекторий в фазовом пространстве и т. д.? Этот вариант вряд ли адекватен в буквальном смысле, поскольку моды колебаний струны дают все реальные элементарные частицы. В связи с последним струна, по-видимому, должна быть принципиально новым элементарным объектом физики и природы.
О физической элементарности струн. В рамках ТСС струна является элементарным, первичным физическим объектом. Но - протяженным! Последнее, как считается, дает возможность обойти труднейшую проблему квантовой теории поля – проблему бесконечных значений физических величин, возникающую из-за постулирования точечного характера элементарных частиц. Однако сочетание элементарности и протяженности приводит к некоторым концептуальным трудностям.
С одной стороны, в концептуальном и метафизическом плане здесь можно усматривать возврат к декартовской субстанциальности протяженности. Вряд ли в современной физике метрическое свойство протяженности можно рассматривать в качестве субстанции или даже особой субстанции. В рамках программы полной геометризации физики гораздо легче представить в качестве субстанции геометрию как более богатую сущность. Но, возможно, протяженность можно было бы рассматривать в качестве атрибута (материи)? И, возможно, это было бы неплохо на новом уже современном витке эволюции познания, однако, насколько философски корректно сегодня считать протяженность атрибутом? Атрибутом в плане всеобщего свойства, по крайней мере, природы? Квантовая механика приучила как раз к противоположному – к атрибутивности дискретности, квантованности физического мира. И именно эта атрибутивность радикализуется на планковском космологическом уровне, на уровне слияния минимально (предельно) дискретного и максимально большого (всей Вселенной). По-видимому, справедливы принцип дополнительности и те философские концепции, которые предлагают рассматривать единство бинара непрерывное-дискретное. Но сводится ли непрерывность к дискретности? Видимо, вопрос в отношении элементарности протяженной струны стоит примерно так: как можно онтологически понимать элементарность (неделимость) протяженности? Каким образом понимать подобную протяженную элементарность в том случае, если протяженность достигает космических масштабов, т. е. в случае возможного существования космических (космологических) струн?
Наше дострунно-парадигмальное сознание очень хочет задать вопрос: а не состоит ли протяженная струна из частей? Так же как линия состоит из точек. Но линия состоит из точек и не состоит из них. Такое понимание линии недоопределено, поскольку здесь в теоретическую игру вмешивается теория континуумов, которая, для примера (геометрической неопределенности или недоопределенности), утверждает, что прямая и квадрат обладают одинаковой мощностью континуума. Другими словами, количество точек на (одномерной) прямой равно количеству точек в (2-мерном) квадрате. Так что же представляет собой элементарность струны в физическом и геометрическом планах?
О концептуальном статусе бран в ТСС. Недавно выяснилось, что в теории струн наряду с одномерными струнами могут существовать и объекты других размерностей - браны: двумерные (2-браны или мембраны), 3-браны, играющие важную роль в космологии, и вообще р-браны (где р – любая размерность). Существуют и 0-браны, аналог точки. Они также играют определенную роль в теории, поскольку концы открытых (незамкнутых) струн являются как раз 0-бранами. Струны, например, могут прикрепляться своими концами к бранам и таким образом по ней перемещаться, что имеет важный физический смысл.
Так может струна состоит из 0-браны, и именно они играют первичную фундаментальную роль? Казалось бы, это наиболее простой и очевидный подход. Однако в ТСС не спешат с таким выводом. Струнные теоретики пока предпочитают вариант, согласно которому все браны фундаментальны. Очевидно, что и этот взгляд требует дальнейших пояснений и уточнений.
В концептуальном плане, возможно, худшее состоит в том, что в данном подходе от существования первоэлемента физического бытия – струны – вновь возвращаются к многообразию «первичности». Но многоэлементность бытия с трудом согласуется с единством физического бытия, если, конечно, не рассматривать его в духе В. С Соловьева, или одного из вариантов трактовки диалектического материализма как единства многообразия. Похоже, что концептуально и методологически современная фундаментальная физика настроена все же на поиск некоторой первичной объектности, будь то геометрия пустого пространства-времени, суперструна, кванты пространства и времени в ТПКГ и т. д.
Пространство из струн. Одной из интереснейших, но одновременно и труднейших в концептуальном плане моделей в теории струн является модель пространства как тотального когерентного ансамбля струн. Суть этой идеи состоит в следующем. В самом общем случае струны могут быть направлены в различные стороны, они могут вибрировать совершенно произвольно, хаотически. Но при определенных условиях они могут синхронизироваться, начать вибрировать в одной фазе, становясь когерентным множеством. Для внешнего наблюдателя они будут восприниматься как непрерывное многообразие. Нередко подобную картину сравнивают с полотном ткани, в которой отдельные нити переплетены в строго геометрическом порядке.
Согласно такому подходу никакого пространства как некой реальности не существует. Пространство становится не только реляционным, но и феноменологическим по своей природе. Однако здесь возникает трудность с трактовкой природы пространства и ТСС как фоново-зависимой теории. И действительно, если сами струны в когерентном состоянии образуют пространство, то как быть с независимостью существования самого пространства (на фоне которого движутся струны)?
Далее, в рамках такого подхода пространство теряет свою атрибутивность, всеобщность, ведь пространство может возникнуть только там, где есть когерентный набор струн. Вполне логично предположить, что струны могут быть когерентны локально. Отсюда следует далеко идущий вывод: в этом случае можно говорить о существовании локальных пространств в более широкой «области реальности», в которой пространства нет! Это должно порождать новую космологическую онтологию локального существования в пространстве.
Наконец, космические струны , становясь когерентными, также должны создавать новый вид (тип) пространства! В этом случае феноменологическая струнная ткань пространства, «сшита» космологическими «нитями»-струнами. Можно выдвинуть предположение о том, что различные типы когерентности, которые могут проявлять струны, могут порождать различные типы пространств. Закономерен вопрос о том, чем именно, и прежде всего, чем именно концептуально отличаются все эти возможные типы пространств? Вполне вероятно, что могут существовать пространства различной природы, причем различной не только в геометрическом плане, но и в онтологическом. Фактически это означает, что объектность порождает пространство . Еще раз подчеркнем, что это - далеко идущий не только физико-теоретический, но и философский вывод. С одной стороны он тесно коррелирует с реляционной концепцией пространства, с другой – имеет существенную специфику, поскольку пространство образуют не все объекты реальности (как в реляционном подходе), а только объекты планковского масштаба или, может быть, первичные элементы реальности, которые в данном случае представлены струнами. Несколько конкретизируя принцип онтологического плюрализма, можно предложить еще и принцип онтологического пространственного плюрализма . Кроме того, важный философский вывод состоит в том, что пространства (и, по-видимому, время) создаются ! Создаются в больших количествах и разной природы. Правда, хорошо, что пока все еще естественным образом…
О природе когерентности струн. Важно также ответить на непростой вопрос о том, что заставляет огромное количество струн начать колебаться в одной фазе и стать когерентными? С одной стороны эта сила (или причина) должна быть тотальной, чтобы действовать во всем пространстве существующей сегодня Вселенной, с другой – она должна быть локальна (квантована), чтобы воздействовать на каждую струну. По существу, это должна быть либо некая метасила (метапричина), определяющая (по существу, создающая) все пространство всего мироздания и в этом случае вряд ли имеет силу принцип близкодействия.
В качестве гипотезы можно предположить, что здесь могут функционировать квантовые корреляции, которые были обнаружены при анализе ЭПР-парадокса и многочисленных белловских экспериментов. В качестве такой силы или причины можно также рассматривать, например, существующее в ТСС дилатонное поле, которое «определяет общую силу всех взаимодействий» (Г. Венециано). Приведенные слова Г. Венециано, если их понимать буквально, должны требовать существования многих взаимодействий, что, в свою очередь, должно означать ситуацию далекую от единой теории. С другой стороны, если дилатонное поле определяет силу всех взаимодействий, то у этого поля просматривается определенная функция, связанная с единством всех сил. А это означает, что на планковском масштабе, где и происходит объединение всех сил, это поле должно играть центральную, фундаментальную роль. По-видимому, наличие такого поля на планковском масштабе, а также его природу еще требуется выяснять. Дело в том, что любое квантованное поле состоит из квантов этого поля, которые являются элементарным частицами. Но элементарные частицы (кванты соответствующих полей) являются модами колебаний струн. Отсюда следует, что любое поле, в том числе дилатонное, не является фундаментальным физическим объектом. Им в рамках ТСС остаются только струны.
Интересно, что «Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения - 11-го по счету» (Г. Венециано). Это – несомненно, интересный результат теории. Если вывод теоретиков верен, то еще предстоит выяснить более глубокую природу такого физического отождествления: поля и одного из измерений пространства. Этот результат можно выразить в виде нового принципа эквивалентности: величина физического поля эквивалентна измерению пространства . Но, как нетрудно видеть, и здесь остается много вопросов. Любое поле эквивалентно любому измерению? Если нет, то какова более конкретная формулировка эквивалентности? Имеет ли какую-то физическую содержательную выделенность именно 11-е измерение пространства? Не скрыто ли за такой эквивалентностью чего-то большего, какого-то нового физического содержания? И т. д.
Онтология свернутых размерностей. В теории струн продолжается развитие идеи Калуцы о многомерности пространства и свернутом (компактифицированном) характере дополнительных измерений, которые, тем не менее, приводят к наблюдаемым физическим эффектам. Но обязательно ли все дополнительные измерения должны быть свернуты? Выбор свернутого характера измерений объясняет их ненаблюдаемость и дает возможность математического описания. Но является ли компактификация единственной возможностью? Дополнительные измерения или даже параллельные миры в принципе могли бы существовать и в несвернутом виде. Весь вопрос в том, как объяснить их ненаблюдаемость и научиться эффективно описывать.
В частности, причина 3-мерности пространства может заключаться в том, что трехмерен сам наблюдатель. Если бы он был другой пространственно-геометрической природы, например, был бы пространственно 4-мерным, то, возможно, он бы воспринимал окружающее его пространство также 4-мерным. Эту гипотезу можно рассматривать как своеобразное расширение антропного принципа: пространство таково (а именно 3-мерно) именно потому, что 3-мерен существующий в нем человек.
О поиске новых принципов . Философа науки не может не радовать тот факт, что крупные физики при работе над созданием теории, не забывают о концептуальных вещах. Так, Б. Грин в своих книгах неоднократно и настойчиво призывает искать некий фундаментальный принцип в теории струн: «… является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более широкого принципа, – возможно, но необязательно, принципа симметрии, – в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания данной книги ответ на этот вопрос никому не известен». Он выражает надежду, что подобный принцип существует: «… центральный организующий принцип, который охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного универсального и систематического подхода, который делает существование каждого ингредиента абсолютно неизбежным, все еще не найден. Открытие этого принципа было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно, раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно, нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция физики в течение последнего столетия дает теоретикам основания надеяться, что он все-таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории струн, нахождение ее «принципа безальтернативности» – той базовой идеи, из которой вся теория появится с необходимостью, – имеет высший приоритет». Подобная точка зрения в своеобразной форме поддерживаются и С. Вайнбергом. С его точки зрения, «Хотя и нетрудно представить окончательную теорию, которая не имеет объяснений с помощью более глубоких принципов, очень трудно вообразить окончательную теорию, которая не нуждается в таком объяснении».
Материал является частью статьи:
Эрекаев квантовой космологии // Современная космология: философские горизонты. - М
Среди них: теория суперструн, петлевая теория квантовой гравитации, модели динамической триангуляции, модели исчислений Редже, модели причинных множеств, теория твисторов, некоммутативная геометрия, модели, инспирированные физикой конденсированного состояния, индуцированная гравитация и др.
Обширные списки литературы по этим вопросам можно посмотреть, например, в уже упоминавшихся книгах Б. Грина.
См. уже цитированные выше слова С. Хокинга, а также: Фортов состояния вещества на Земле и в космосе. – Успехи физических наук. – 2009. - Т. 179, № 6. – с. 653-687.
Описание создания теории струн и ее особенности можно прочитать в книгах, вышедших у нас:
1) Вайнберг С. Мечты об окончательной теории (краткое изложение)
2) Грин Б. Элегантная Вселенная
3) Грин Б. Ткань космоса
Сегодня уже можно говорить о том, что это утверждение не является общепринятым, поскольку струна является частным случаем р-бран , т. е. 1-браной.
Achucarro A., Martins C. J.A. P. Cosmic strings – arXiv: 0811.1277. – Vol.1. – 8 Nov, 2008; Мейерович свойства космических струн. – Успехи физических наук. – Т.171., №10. – 2001. – С..
Последнее представляет собой одну из проблем теории. Критический анализ теории струн можно посмотреть, например, в: Смолин Л. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует. - Penguin Book, London, 2007. – Перевод и в других работах.
С. Вайнберг: «Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния…» (Мечты об окончательной теории. – с.166).
«Струны представляют собой материальные объекты …». Венециано Г. Миф о начале времен – В мире науки. – 2www. *****/article/2296).
Правда, теперь уже предикат элементарности переходит к самим струнам.
Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. – М., 2004. – с. 167 .
Эти слова принадлежат А. Уилеру.
Эта программа ведет свое начало с программной статьи В. Клиффорда и имеет богатую историю.
Современная фундаментальная физика, по-видимому, должна уже все более определеннее подчеркивать антропоморфную природу своего наблюдателя, который является ее же источником. К этому, в том числе, подталкивает одна из достаточно фундаментальных исследовательских дисциплин – поиск новых форм жизни во Вселенной, в частности, в рамках продолжающегося проекта SETI.
Polchinski J. Dirichlet Branes and Ramond-Ramond Charges - Phys. Rev . Lett. , 75(26): 4724
Грин Б. Элегантная Вселенная – М., 2005. - с.242
В данном случае не важно, каковы масштабы этой локальности.
Этот вариант возможен только в указанном выше случае возможной тотальной квантовой природы Вселенной, включая современное крупномасштабное ее состояние.
А в инфляционном сценарии она должна быть еще глобальнее (масштабнее) и действовать в пределах всего инфляционно раздутого метапространства.
Так обстоит дело, по крайней мере, в рамках квантовой теории поля.
И браны в последних версиях ТСС.
Калуца предложил рассматривать 5-е свернутое измерение как источник электрического заряда.
Не исключено, что он таковым и является, а может быть даже и большего числа измерений.
Грин Б. Элегантная Вселенная – М., 2005. – с.241.
Там же. – С.242.
Вайнберг С. Мечты об окончательной теории – М., 2004. - с.184.
