Теория инфляции. Стрела времени

Горшков В. К., Мансуров Г. Н., 2012

С позиций инфляционной космологии рассмотрена современная теория космической эволюции для ранней Вселенной от первых мгновений до начала Большого взрыва. Показано, что инфляция характеризует стадию стремительного экспоненциального расширения Вселенной, заканчивающуюся Большим взрывом.

Дана краткая характеристика теории струн как существенного этапа в решении вопроса о создании единой теории четырех видов взаимодействия ( гравитационного, сильного, слабого и электромагнитного ).

Ставится вопрос о фундаментальности понятий про – странства и времени и о природе стрелы времени.

Большой взрыв

До недавнего времени стандартная космологическая модель рассматривалась как основная теория происхождения Вселенной.

Современная теория сотворения мира воз – никла примерно через пятнадцать лет после создания Эйнштейном общей теории отно – сительности.

Хотя сам Эйнштейн отказался посмотреть правде в глаза и признать, что из его теории следует невозможность существования вечной и статической Вселенной, за него это сделал Александр Фридман.

Он нашел так называемое решение Большого взрыва для уравнений, т. е. решение, в котором Вселенная развивается из начального состояния бесконечного сжатия и в настоящий момент находится в стадии расширения после этого исходного взрыва.

Эйнштейн был так уверен в невозможности подобных меняющихся во времени решений его уравнений, что даже опубликовал короткую ста – тью о якобы найденной им грубой ошибке в работе Фридмана.

Однако примерно через восемь месяцев Фридману все же удалось убедить Эйнштейна в том, что в действитель – ности никакой ошибки не было ;

Эйнштейн публично, но кратко, снял свои возражения.

Очевидно, однако, что Эйнштейн не считал результаты Фридмана имеющими какое – либо ХИМИЯ Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 140 2012/1/Химия отношение к нашей Вселенной.

Однако пять лет спустя кропотливые наблюдения Хаббла за несколькими десятками галактик, проводившиеся с помощью стодюймового телеско – па в обсерватории Маунт Вильсон, показали, что Вселенная действительно расширяется.

Работа Фридмана до сих пор является основой современной космологии.

Подробнее современная теория космической эволюции выглядит так.

Около 14 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного сингулярного взрыва, разметавшего в стороны все пространство и материю.

Вычисления температуры, которая была у Вселенной лишь спустя 10 – 43 с после Большого взрыва ( так называемое планковское время ), приводят к значению порядка 10 32 К, что примерно в 10 25 раз выше температуры в недрах Солнца.

С течением времени Вселенная расширялась и охлаждалась, и в ходе это – го процесса в первоначально однородной и горячей первичной космической плазме стали возникать вихри и скопления.

Через 10 – 5 с после Большого взрыва Вселенная достаточно охладилась ( примерно до 10 13 К, что в миллион раз больше температуры внутри Солнца ) для того, чтобы из групп трех кварков стало возможно образование протонов и нейтро – нов.

Примерно через сотую долю секунды условия стали такими, что в охлаждающейся плазме элементарных частиц уже могли формироваться ядра некоторых легких элемен – тов периодической таблицы.

В течение следующих трех минут, пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до 10 9 К, основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия (” тяжелого ” водорода ) и ли – тия.

Этот интервал времени получил название периода первичного нуклеосинтеза.

Затем в течение нескольких сотен тысяч лет было мало событий, кроме дальнейшего расширения и охлаждения.

Но в конце этого этапа, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, летавшие до этого с бешеной скоростью электроны замедлились до скоро – сти, позволяющей атомным ядрам ( в основном, ядрам водорода и гелия ) захватывать их, об – разуя электрически нейтральные атомы.

Это явилось поворотным моментом : начиная с него Вселенная, в общем и целом, становится прозрачной.

До эры захвата электронов она была заполнена плотной плазмой электрически заряженных частиц, одни из которых ( например, ядра ) несли положительный заряд, а другие ( например, электроны ) – отрицательный.

Фо – тоны, взаимодействующие лишь с заряженными частицами, испытывали постоянные пинки и толчки со стороны кишащих заряженных частиц и не могли пролететь достаточно далеко, не будучи отклоненными или поглощенными этими частицами.

Из – за таких препятствий свободному движению фотонов Вселенная предстала бы перед наблюдателем совершенно непрозрачной, подобной густому утреннему туману или снежной буре.

Но когда отрица – тельно заряженные электроны были рассажены по орбитам вокруг положительно заряжен – ных ядер и образовались электрически нейтральные атомы, препятствия исчезли и густой туман рассеялся.

С этого момента фотоны от Большого взрыва стали свободно путешество – вать по Вселенной, и постепенно она стала полностью доступной взору.

Примерно миллиард лет спустя, когда Вселенная достаточно успокоилась после неистового начала, из сжатых гравитацией комков первичных элементов стали форми – роваться галактики, звезды, а затем и планеты.

Однако теория Большого взрыва не со – держит самого взрыва, определяющего физику формирования Вселенной.

Его возникно – вение объясняет теория инфляции [4].

После объединения электронов и ядер в атомы фотоны могут беспрепятственно путешествовать во Вселенной.

Это означает, что Вселенная заполнена ” газом ” фотонов, движущихся во всевозможных направлениях и равномерно распределенных в космиче – ском пространстве.

Когда Вселенная расширяется, газ свободно летящих фотоноврас – ширяется вместе с ней, так как Вселенная, по существу, является резервуаром для этого газа.

Подобно тому, как температуры более привычных для нас газов понижаются при расширении, температура этого фотонного газа тоже падает при расширении Вселенной.

Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 141 2012/1/Химия Уже давно, после работ Георгия Гамова в 1950-х гг. [2], физики поняли, что современная Вселенная должна быть наполнена почти однородным составом из первичных фотонов, охладившихся до нескольких градусов выше абсолютного нуля за 14 миллиардов лет космического расширения.

В 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лаборатории им. Белла в штате Нью – Джерси случайно сделали одно из важнейших открытий нашей эпохи.

Работая с антенной, предназначенной для спутниковой связи, они зарегистриро – вали послесвечение Большого взрыва!

Позднее и теория, и эксперимент были усовер – шенствованы, и эти исследования завершились измерениями, полученными с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer, ” зонда космического фона “) агентства NASA в 1990-е гг.

На основе полученных данных физики и астрономы точно установи – ли, что Вселенная действительно заполнена микроволновым излучением с температурой примерно на 2, 7 К выше абсолютного нуля, что в точности совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва.

Более точно, в каждом кубическом метре Вселенной находится около 400 миллионов фотонов, образующих огромное космическое море микроволново – го излучения – эхо сотворения.

Все данные, которыми мы располагаем, подтверждают космологическую теорию, описывающую эволюцию Вселенной от сотых долей секунды после Большого взрыва до настоящего времени.

Однако не следует забывать о том, что новорожденная Вселенная развивалась с феноменальной скоростью.

Мельчайшие доли секунды, гораздо меньшие сотых долей, суть космические эпохи, в течение которых формировались кажущиеся нам неизменными свойства окружающего мира. Квантовая теория поля точечных частиц справедлива лишь тогда, когда средние энергии частиц не превышают планковскую энер – гию.

С точки зрения космологии, этот предел соответствует моменту, когда вся окружа – ющая нас Вселенная была сжата до размера мельчайшего зерна планковских размеров, а плотность была так высока, что сложно подыскать подходящую метафору, которая про – иллюстрировала бы эту ситуацию : плотность Вселенной в эти моменты времени была просто колоссальной.

При таких энергиях и плотностях гравитация и квантовая теория уже не могут рассматриваться как две различные сущности, каковыми они являлись в квантовой теории поля точечных частиц.

Именно теория струн дает основание для устранения противоречия между общей теорией относительности и квантовой механи – кой и создания квантовой гравитации.

На временн о й шкале такие энергии и плотности соответствуют точкам, удаленным от Большого взрыва менее чем на планковское время 10 – 43 с, следовательно, эта сверхранняя эпоха является космологической ареной теории струн.

В раскаленной среде ранней Вселенной три негравитационных взаимодействия оказываются связанными воедино.

Расчеты зависимости силы этих взаимодействий от энергии и температуры показывают, что до моментов примерно через 10 – 35 с после Боль – шого взрыва сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия были одним ” вели – ким объединенным ” взаимодействием [1].

Процессы в сверхранней Вселенной, связанные с возникновением пространства и времени, рассматриваются в теории инфляции.

Теория инфляции. Стрела времени

Теория инфляции исходит из существования в бесконечной Вселенной не равной нулю вероятности флуктуации к низкой энтропии.

Малая флуктуация – вполне орди – нарный скачок к подходящим условиям в крошечном клочке пространства – сразу и неизбежно дает гигантскую и упорядоченную Вселенную, которую мы знаем.

Скачок к более низкой энтропии внутри ультрамикроскопического кусочка пространства был ис – пользован для инфляционного расширения в широчайшие просторы космоса.

Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 142 2012/1/Химия Кусочку пространства необходимо быть исключительно маленьким – порядка 10 -26 см в поперечнике – чтобы инициировать космологическое расширение, которое растянет этот кусочек до величины больше, чем Вселенная, которую мы видим.

Возмож – ны разные виды флуктуаций поля инфлатона.

Поле инфлатона – это особое поле Хиггса, характерное для Вселенной в начальный момент существования до Большого взрыва, когда Вселенная была чудовищно плотной и носителем ее энергии было поле Хиггса в состоянии, далеком от минимума потенциальной энергии. ( Поле Хиггса – это поле, ко – торое заполняет все пространство, даже самое ” пустое “!).

Отрицательное давление поля инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание, которое разносило каждую область пространства прочь от любой другой.

Это и принято называть инфляци – ей, которая продолжалась ~10 – 35 с.

За это время объем Вселенной мог возрасти до 10 90 раз, что вполне можно назвать инфляционным взрывом.

В большинстве случаев флуктуации не будут пригодны для начала инфляции.

Но имеет значение то, чтобы был один кусочек, который привел бы к разглаживающему пространство инфляционному взрыву, ставшему первым звеном в низкоэнтропийной цепочке, ведущей к нашему космосу [3].

Инфляционная космология задает направление стреле времени, исходя из предпо – ложения возможности возникновения состояния в прошлом с чрезвычайно низкой гра – витационной энтропией ; будущее является направлением, в котором эта энтропия воз – растает.

Результат инфляции – однородное расширение пространства, заполненного почти однородно распределенной материей.

Это та низкоэнтропийная конфигурация, которая нужна для объяснения стрелы времени, направленной в сторону возрастания энтропии.

В начале инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку огромное расширение, порожденное инфлатоном, гигантски увеличит заключенную в нем энергию.

Крохотный кусочек (10 -26 см ) пространства, заложенный однородным по – лем инфлатона, в ходе инфляционного расширения приобретает такое количество энер – гии, которого хватит на всю нашу Вселенную.

Инфляционное расширение растягивает мелкую неоднородную квантовую рябь и делает ее ясно видимой на небе в виде галактик :

” Согласно инфляционной теории более чем 100 млрд. галактик, сияющих в пространстве как небесные бриллианты, являются не чем иным, как росписью квантовой механики.

По моему мнению, осознание этого является одним из величайших чудес современной научной эпохи ” [3].

Расчеты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, способны объ – яснить картину ничтожных температурных вариаций – вариаций, возникших около 14 млрд. лет назад, – и ключом к этому объяснению является дрожь, возникающая из кван – товой неопределенности.

Этот успех убеждает многих физиков в правильности инфля – ционной теории.

Тот факт, что астрономические наблюдения, которые стали возможными совсем недав – но, позволили космологии перейти из области спекуляций и предположений в область, ос – нованную на наблюдениях, дает основание назвать наше время золотым веком космологии.

Инфляционная теория утверждает, что материя и излучение возникли в конце ин – фляционной фазы, когда поле инфлатона выделило заключающуюся в нем энергию, ска – тившись с возвышения на дно своей чаши потенциальной энергии.

Может ли теория существованием инфлатона в тот момент, когда инфляция подо – шла к концу, объяснить столь громадное количество материи / энергии, содержащееся в современной Вселенной?

Оказывается, инфляция может легко это сделать.

Дело в том, что поле инфлатона является гравитационным паразитом – оно питается гравитацией, – так что полная энергия поля инфлатона возрастает по мере того как пространстворас – ширяется.

Математика показывает, что плотность энергии поля инфлатона остается по – Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 143 2012/1/Химия стоянной в течение фазы быстрого инфляционного расширения, поскольку заключенная в нем полная энергия растет прямо пропорционально объему пространства.

Размер Вселенной в ходе инфляции возрастает как минимум в 10 30 раз, т. е. объ – ем – в 10 90 раз.

Значит энергия, заключенная в поле инфлатона, возрастает также в 10 90 раз к концу инфляционной фазы примерно через 10 – 35 с после ее начала.

Это значит, что в начале инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку гигантское расширение, порожденное инфлатоном, увеличит, соответственно, заключенную в нем энергию.

Расчет показывает, что крохотный кусочек пространства ~10 – 26 см в поперечни – ке, заполненный однородным полем инфлатона весом ~10 кг, в ходе последующего ин – фляционного расширения приобретает такое количество энергии, которого хватает на всю нашу Вселенную.

Остается объяснить, почему имелся инфлатон и само простран – ство, которое он занимал!

В полной противоположности с теорией Большого взрыва, в которой вся материя / энергия была в ранний момент огромная, инфляционная космология путем разработки залежей гравитации может произвести всю обыкновенную материю и излучение Вселен – ной из крохотного кусочка заполненного инфлатоном пространства.

Особая важность инфляционной космологии связана не только с пониманием про – странства и времени, но и с решением вопроса о стреле времени.

Для этого особенно важна история ранней Вселенной.

Для объяснения стрелы времени единственным убе – дительным основанием может быть то, что ранняя Вселенная была чрезвычайно упоря – доченной, т. е. имела экстремально низкую энтропию, что сделало возможным будущее, в котором энтропия всегда увеличивается.

Остается открытым вопрос : как могла возник – нуть эта высоко упорядоченная низкоэнтропийная субстанция в стартовой точке.

Инфляционная космология дает основание для прорыва в этом вопросе.

Чтобы это уви – деть, надо помнить, что каждая избыточная концентрация вещества продолжает расти дальше благодаря гравитационному притяжению.

То же происходит и с любой неоднородностью про – странства.

Но это относится исключительно к обычной притягивающей гравитации.

В тече – ние короткой инфляционной фазы гравитация была отталкивающей.

Это все меняет.

Инфляционная космология задает направление стреле времени путем создания прошлого с чрезвычайно низкой гравитационной энтропией.

Тогда будущее является направлением, в котором энтропия возрастает!

Результат, который достигнут теорией инфляции – гладкое, однородное расшире – ние пространства, заполненного почти однородно распределенной материей, – это та низкоэнтропийная конфигурация, которая дает объяснение для стрелы времени!

Инфляция представляет собой механизм, который создает большую Вселенную с относительно низкой гравитационной энтропией и, таким образом, создает основу для последующих миллиардов лет гравитационного скручивания материи, которое приводит к тому, результатом и свидетелями чего мы являемся.

Поскольку с трела времени задана инфляционной космологией через создание прошлого с чрезвычайно низкой гравитаци – онной энтропией, возрастание энтропии определяет направление стрелы времени наше – го будущего.

Этап инфляционного расширения – более ранний этап истории Вселенной – объясняет гладкие и однородные условия после взрыва.

Но что такое инфлатон?

По – чему возникли условия для инфляционного взрыва?

Это остается большим вопросом.

Идея Больцмана объяснить возникновение Вселенной через особую флуктуацию не могла объяснить, почему эта флуктуация оказалась так далека от хаоса и произвела Вселенную с упорядоченностью гораздо большей, чем это было нужно для возникно – вения жизни.

Инфляционная теория основывается на малой флуктуации, которая представляет вполне ординарный скачок к подходящим условиям в крошечном клочке пространства, Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 144 2012/1/Химия а это дает сразу и неизбежно гигантскую и упорядоченную Вселенную.

И если инфля – ционное расширение началось, то крошечный клочок будет неумолимо растянут до мас – штабов, по меньшей мере, нашей Вселенной, а поэтому нет загадки в том, что Вселенная, которую мы видим, не является крошечным уголком, а так обширна и населена огром – ным числом галактик. ” Инфляция упаковывает все богатство объяснительной и предска – зательной силы в единственную флуктуацию к низкой энтропии “

[3].

Инфляция определила для крошечной крупинки гигантское расширение так, что 14 млрд. лет последующего раскручивания, последующей концентрации вещества в галак – тики, звезды, планеты, в целом не представляют загадки.

Существует отличная от нуля вероятность возникновения в бесконечной Вселен – ной необходимых условий для инфляционного расширения в изначальном состоянии вы – сокой энтропии и полного хаоса, причем не обязательно в отдельно взятом кусочке про – странства.

Таких кусочков, разбросанных в разных местах, может быть множество [6].

Наша Вселенная может быть одной из многих, когда случайные флуктуации создавали условия, подходящие для инфляционного взрыва.

Низкоэнтропийная, высокоупорядоченная, однородно гладкая ткань пространства, созданная инфляционным расширением – это то самое раннее состояние высокого по – рядка, которое дает начало Вселенной с ее последующей эволюцией к более высокой энтропии.

В этом и состоит природа стрелы времени!

Инфляция предлагает объяснительные рамки для проблем, которые кажутся несопо – ставимыми – проблема горизонта Вселенной, проблема плоскостности, проблема проис – хождения структур ( галактики, неоднородности температуры фонового излучения ), про – блема низкой энтропии ранней Вселенной – для всех этих проблем инфляция дает единое решение.

Но для этого нужна теория, которая может справиться с экстремальными услови – ями в ранние моменты космоса.

Такой теорией может быть теория, способная преодолеть величайшую проблему теоретической физики – фундаментальную несовместимость об – щей теории относительности и квантовой механики.

Такой теорией является теория супер – струн, которая привлекает наибольшее внимание физиков в решение этих проблем.

Теория струн

Единая теория – это главный вопрос, который стоял перед Эйнштейном до конца его жизни [6].

В этой работе Эйнштейн оставался в одиночестве.

Однако за последние три десятилетия произошли радикальные изменения в поисках единой теории.

Главная цель современной задачи унификации заключается в объединении общей теории относи – тельности и квантовой механики.

Понятие пустого пространства, как пространства, которое ничего не содержит, не – совместимо с квантовым принципом неопределенности.

Реальность колебаний квантового поля даже в пустом пространстве была показа – на экспериментально.

Понятие абсолютного пространства – времени, экспериментальные результаты, доказывающие нелокальность квантовой механики, ускоренное расширение Вселенной – эти результаты диктуют постановку конкретных вопросов о природе про – странства и времени.

Квантовые флуктуации существуют как для полей внутри пространства, так и для самого пространства, ибо форма пространства и гравитационное поле – это одно и то же.

На привычных масштабах квантовые возмущения пространства не наблюдаемы, но на масштабах порядка планковской длины пространство бурлит бешеными флуктуация – ми.

На масштабах меньше планковской длины и планковского времени обычные понятия пространства и времени оказываются неприменимыми.

Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 145 2012/1/Химия Изменение формы пространства и времени общей теории относительности Эйн – штейна сталкивается с принципом неопределенности квантовой механики, который определяет квантовые флуктуации гравитационного поля.

На мельчайших масштабах пространство и время превращаются в среду буйных флуктуаций.

Общая теория относительности применима для больших и массивных объектов, квантовая механика – для мелких и легких, но для единой схемы они несовместимы.

Такое разделение Вселенной на две обособленные реальности представляется проти – воестественным.

Должна существовать единая теория, которая применимако всему.

Действительно, большинство объектов можно делить на большие и маленькие, первые могут быть описаны с помощью общей теории относительности, вторые – с помощью квантовой механики.

Но есть объекты, для которых необходимы оба подхода – это черные дыры.

Для них необходима общая теория относительности, так как большая масса создает мощное гравитационное поле, но, в то же время, надо использовать квантовую механику, так как вся масса втиснута в микроскопический размер.

Подобная проблема тесно свя – зана с решением вопроса о происхождении Вселенной.

Ранняя Вселенная – это гигант – ская плотность при крохотных размерах.

Чтобы понять истоки Вселенной, необходимо преодолеть конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Поскольку Вселенная у нас одна, то и для решения вопроса о происхождении Все – ленной должна быть создана единая теория.

По мнению многих физиков, именно теория суперструн имеет основания для успешного объединения общей теории относительно – сти и квантовой механики и создания квантовой теории гравитации.

Кроме того, теория суперструн может оказаться полностью унифицированной теорией всех сил и всей мате – рии, а именно единой теорией, которая приведет нас к самым глубоким законам Вселен – ной.

Теория струн была создана при изучении сильного ядерного взаимодействия.

Для рассмотрения этого взаимодействия были предложены маленькие эластичные нити, их назвали струнами.

Из квантово – механических уравнений теории струн следовало, что при высокоэнергетических столкновениях в ускорителях должны в изобилии рождать – ся частицы с нулевой массой и спином 2.

Ранее эти частицы не наблюдались.

Однако в дальнейших работах по объединению общей теории относительности и квантовой ме – ханики было получено, что гравитационные силы должны переноситься частицами по – добно электромагнитным силам, которые переносятся фотонами.

Теоретический анализ убедительно показал, что гравитационные силы должны переноситься частицами с ну – левой массой и спином 2, а это – гравитон, который был получен в теории струн.

Было показано, что теория струн с необходимостью включает квантово – механическое описа – ние гравитации.

Кроме того, в теории струн была решена проблема аномалий, это дости – жение доказало математическую состоятельность теории и ее квантово – механическую жизнеспособность.

Теория струн показала возможность успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики.

Для создания унифицированной теории стояла задача – дать еди – ное описание всей материи и всех взаимодействий.

Обычная теория, использовавшаяся в современных экспериментах, рассматривала элементарные частицы как точки без про – странственной протяженности, как конец процедуры деления.

Вместо модели точечно – подобной частицы теория струн предлагает представление каждой частицы в виде крохотной вибрирующей нити энергии.

Эти нити не имеют тол – щины, только длину, т. е. струны являются одномерными сущностями.

Все многообразие элементарных частиц в теории струн заменяет один фундаментальный ингредиент – струна.

А все богатство разновидностей частиц представляют различные типы колебания этой струны.

Так же, как виолончельная струна может колебаться множеством различ – Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 146 2012/1/Химияных способов, так и струны в теории струн могут вибрировать различными способами.

Разным модам колебаний струны соответствуют разные частицы.

Так, было установлено, что один вид колебаний струны обладает свойствами, характерными для гравитона.

По – мимо успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики, теория струн дает возможность единого описания для всей материи и всех взаимодействий.

Главное новое свойство теории струн в том, что ее основной ингредиент – не точечная частица, а объект, который имеет пространственную протяженность.

Это свойство имеетклю – чевое значение для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики.

Ненулевой размер гравитонов устанавливает предел на уровне планковской длины (10 – 33 см ) с точностью, до которого может быть разрешено гравитационное поле.

В любой теории, основанной на точечных частицах нулевого размера, квантовая неопределенность дает дикие флуктуации, которые исключают гладкое пространство об – щей теории относительности Эйнштейна.

Однако теория, основанная на струнах, вклю – чает встроенную защиту от отказов, ибо струны являются самыми мелкими составными частями.

Таким образом, теория струн ограничивает величину флуктуаций гравитаци – онного поля, этот предел дает основание, чтобы избежать конфликта между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Еще до теории струн физики высказывались за существование симметрии между частицами с целым и с полуцелым спином.

Эта симметрия была названа суперсимметри – ей, однако в стандартной теории, основанной на точечной модели частиц, суперсимме – трия не получила доказательства.

В теории струн было показано, что способы вибрации возникают парами.

Для каж – дого способа колебаний со спином ½ имеется ассоциированный способ колебаний со спином 0, а для каждого способа колебаний со спином 1 имеется ассоциированный спо – соб колебаний со спином ½ и т. д.

Теория струн доказала, что она является суперсимметричной теорией струн, или теорией суперструн.

Именно с этим связан результат взаимного уничтожения аномалий, который был получен позднее.

Кроме того, теория струн начала доказывать свою жиз – неспособность путем установления, что ее моды колебаний объясняют существование частиц стандартной модели.

Число различных способов колебаний струны практически бесконечно.

Однако число известных частиц в таблицах вполне конечно.

Причем массы частиц, полученные экспериментально, не похожи на массы допустимых мод колебаний струны.

Это глубо – кое несоответствие между теорией струн и реальным миром представляет серьезную проблему, которая ставит под сомнение теорию струн.

Однако в теории струн получен результат, который ставит проблему еще большей важности, но вместе с тем и определяет стратегию для объяснения свойств наблюдаемых частиц.

Было установлено, что уравнения теории струн математически состоятельны, только если Вселенная имеет девять пространственных измерений.

Теория струн требу – ет существования шести измерений, которых никто никогда не видел.

Это представляет серьезную проблему.

Но теоретические открытия по созданию единой теории показали, что дополнительные измерения вовсе не обязаны быть проблемой.

И дальнейшие работы физиков показали, что дополнительные измерения позволяют преодолеть пропасть меж – ду модами колебаний струн и элементарными частицами, открытыми экспериментально.

Впервые теория предсказывает число пространственных измерений Вселенной, которое равно девяти, – не больше, не меньше.

Существование гравитона, суперсимметрия и дополнительные измерения – это результат, который следует из теории струн, а не привносится извне на основании экспе – риментальных наблюдений.

И что особенно важно – это то, что уравнения теории струн Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 147 2012/1/Химия определяют не только число дополнительных измерений, но и их форму, которую имеет сложный класс шестимерных форм, известных как пространства Калаби – Яу.

Пространство Калаби – Яу связано с трехмерным пространством в каждой его точ – ке.

Когда мы перемещаемся в пространстве, то мы перемещаемся через все девять про – странственных измерений, не замечая шесть дополнительных измерений, ибо они для нас слишком малы.

Но для струн они вполне годятся.

Струны столь малы, что даже когда дополнительные шесть измерений свернуты в пространство Калаби – Яу, струны могут колебаться в этих направлениях.

Это чрезвычайно важно по двум причинам.

Во – первых, это обеспечивает условие для колебания струны во всех девяти пространственных из – мерениях, это значит, что условие на число способов колебаний струны выполняется в точности.

Во – вторых, моды колебаний струны подвергаются воздействию искривлений и поворотов в геометрии дополнительных шести измерений.

Если форму и размер допол – нительных шести измерений модифицировать, то это повлияет на способы колебаний, как и в случае музыкальных инструментов.

Но способ колебания струны определяет его массу и заряд, а это значит, что дополнительные измерения играют центральную роль в определении свойств частиц.

Поскольку от свойств частиц зависит вся структура Все – ленной от галактик и звезд до существования жизни, то код космоса может быть записан в геометрии пространств Калаби – Яу.

Свойства колебательных мод струн детально определяются выбором пространства Калаби – Яу.

Однако вопрос об этой связи – это задача работ на сегодняшний день – остается без ответа.

Современное состояние теории таково, что уравнения неизвестны, а приближенных уравнений недостаточно для определения точного размера и формы до – полнительных измерений.

Однако получен ряд таких пространств Калаби – Яу, которые в точности дают как правильное число частиц, так и правильные электрические заряды известных частиц.

Таким образом, теория струн позволяет, по крайней мере в принципе, определить все свойства частиц из самой теории.

В этом еще одно принципиальное от – личие ее от стандартной теории, в которой свойства частиц получаются на основании экспериментальных данных, которые привносятся в теорию извне.

Есть все основания надеяться, что теория струн в недалеком будущем сможет объ – яснить фундаментальные свойства частиц, а значит, ответить на вопрос, почему наша Вселенная такова, какова она есть.

Решение вопроса о происхождение Вселенной требует, прежде всего, понимания изначальной Вселенной, решение вопроса о природе пространства, времени и стрелы времени.

В начальный момент пространство и время еще только должны были возникнуть из более фундаментальных сущностей – что это такое? – основной вопрос теории струн.

Из общей теории относительности хорошо видно, что физика гравитации контро – лируется геометрией пространства.

Дополнительные пространственные измерения, полу – ченные в теории струн, дают основание предположить, что мощь геометрии в определении физики значительно возрастает.

Теория струн установила, что число измерений, образу – ющих ткань пространства, намного больше, чем мы непосредственно наблюдаем.

Значит, число измерений не является фундаментальным [5].

Это дает ключ к решению самых глу – боких тайн Вселенной.

Привычные понятия пространства и времени, как мы их до сих пор понимали, могут быть лишь приближениями к более фундаментальным концепциям, раз – работка которых составляет главную цель в решении вопроса о происхождении Вселенной.

Предположение, исходящее из теории струн, состоит в том, что пространство – время, возможно, соткано из струн, подобно ткани для рубашки.

Такая картина выглядит весьма заманчивой, однако ее несостоятельность слишком очевидна.

Дело в том, что мы представ – ляем струны вибрирующими в пространстве и времени, но без самой ткани пространства – Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 148 2012/1/Химия времени, которую должны образовывать сами эти струны.

Представления о пространстве и времени бессмысленны, пока неисчислимые струны их не образуют, т. е. пока нет про – странства и времени.

Очевидно, требуется полностью беспространственная и безвремен – ная формулировка теории струн, в которой пространство – время возникло бы как результат коллективного поведения струн.

Такая беспространственная и безвременная формулиров – ка струнной теории имеет название формулировки независимой от фона.

Пространство и время не возникают из теории, как это должно быть в независимой от фона концепции, а вводятся в теорию самим теоретиком.

Значит, разработка независимой от фона формули – ровки представляет наиболее значительную нерешенную проблему теории струн.

Данные, полученные в теории черных дыр, особенно важны в решении этого во – проса.

Черная дыра имеет максимально возможную энтропию.

Ответ на вопрос – чему она равна? – был получен в работах Бекенштейна [10] и Хокинга [8].

Проведенный ими математический анализ показал, что энтропия черной дыры пропорциональна площа – ди ее горизонта событий.

Непосредственный расчет полностью подтвердил их результат [11].

Черные дыры устанавливают предел количеству энтропии, которое может быть вме – щено в заданную область пространства, равную размеру черной дыры!

Количество энтропии, заключенной в черной дыре – это не только фундаменталь – ное свойство самой черной дыры, но и является чем – то фундаментальным самого про – странства : максимальное количество энтропии, которую можно вместить в заданную область пространства – любую область, где угодно, в любое время – равняется количе – ству энтропии, содержащейся в черной дыре того же размера.

Существование предела энтропии указывает на то, что пространство имеет ато – мизированную структуру.

Это доказывает в ультрамикроскопическом масштабе также и существование минимального размера, равного планковской длине 10 – 33 см.

Согласно Бекенштейну и Хокингу, энтропия черной дыры равна числу клеток, уместившихся на горизонте событий, если размер каждой клетки – 10 – 66 см 2 .

Значит, планковская клетка – это фундаментальный элемент пространства, и каждая такая клетка несет минималь – ный, единичный элемент энтропии.

Понятие предельной энтропии приводит нас к пред – ставлению пространственного элемента.

Такая постановка вопроса заставляет пересмотреть смысл волновой функции.

Так же, как уравнение Ньютона определяет изменение состояния системы в классической физике, так и уравнение Шредингера определяет изменение состояния в квантовой механике.

Имен – но поэтому с детерминизмом в квантовой механике все в порядке, как отмечает академик Л.

Фаддеев [7].

Именно понятие состояния составляет основной смысл волновой функции, а вовсе не представление о волне вероятности, о чем чаще всего упоминают.

Но понятие состояния объекта может определяться через беспространственные и безвременны е ингре – диенты пространства – времени, тогда как понятие вероятности является результатом появле – ния наблюдателя и измерения, которое производится уже в готовом пространстве и времени.

Установление природы пространства и времени дает возможность вплотную подойти к ре – шению вопроса о происхождении Вселенной, ее начальной стадии.

Теория струн с неизбеж – ностью ставит вопрос о фундаментальности пространства и времени.

Список литературы

1. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 256 с.

2. Гамов Г. Создание Вселенной. Viking Press, 1952.

3. Грин Б. Ткань космоса : пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2009, – 526 с.

Электронный журнал “Вестник Московского госуд арственного областного университета” www. evestnik-mgou. ru / E-mail: e-mag@mgou. ru 149 2012/1/Химия 4.

Грин Б. Элегантная Вселенная. – М., Едиториал УРСС, 2004. – 290 с.

5. Гросс Д. Грядущие революции в фундаментальной физике.

Проект ” Элемен – ты “. Вторые публичные лекции по физике (25.04.2006). http://elementy. ru.

6. Линде А. Многоликая Вселенная. Всероссийский проект ” Открытые публич – ные лекции “. ФИАН, 10.06.2007, http://elementy. ru 7.

Фаддеев Л. Природа. АН СССР, 1989, No 5, 11 с.

8. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. СПб., Амфора / Эврика, 2001. – 192 с.

9. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 3. – М., Наука, 1966. – 623 с.

10. Bekenstein Jacob D. (April 1973). “Black holes and entropy”. Physical Review D 7 (8): 2333-2346. doi:10.1103/PhysRevD.7.2333. 11. Strominger A. and Vafa C. Microscopic Origin of the Bekenstein-Hawking Entropy. Phys. Lett. B 379, 99 (1996) [hep-th/9601029].


Зараз ви читаєте: Теория инфляции. Стрела времени