Со времен Альберта Эйнштейна одной из основных задач физики стало объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля. Существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное, или ядерное, и самое универсальное - гравитационное. У каждого взаимодействия есть свои переносчики - заряды и частицы. У электромагнитных сил - это положительные и отрицательные электрические заряды (протон и электрон) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия, - фотоны. Слабое взаимодействие переносят так называемые бозоны, открытые только десять лет назад. Переносчики сильного взаимодействия - кварки и глюоны. Гравитационное взаимодействие стоит особняком - это проявление кривизны пространства-времени.
Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.
Многое в теории электрослабых взаимодействий было странным. Уравнения поля имели непривычный вид, а массы некоторых элементарных частиц оказались непостоянными величинами. Они появлялись в результате действия так называемого динамического механизма возникновения масс при фазовом переходе между различными состояниями физического вакуума. Физический вакуум - не просто "пустое место", где отсутствуют частицы, атомы или молекулы. Структура вакуума пока неизвестна, ясно только, что он представляет собой наинизшее энергетическое состояние материальных полей с чрезвычайно важными свойствами, которые проявляются в реальных физических процессах. Если, например, этим полям сообщить очень большую энергию, произойдет фазовый переход материи из ненаблюдаемого, "вакуумного", состояния в реальное. Как бы "из ничего" появятся частицы, имеющие массу. На гипотезах о возможных переходах между различными состояниями вакуума и понятиях симметрии основана идея единой теории поля.
Проверить эту теорию в лаборатории удастся, когда энергия ускорителей достигнет 10 16 ГэВ на одну частицу. Произойдет это не скоро: сегодня она пока не превышает 10 4 ГэВ, и строительство даже таких "маломощных" ускорителей - мероприятие чрезвычайно дорогостоящее даже для всего мирового научного сообщества. Однако энергии порядка 10 16 ГэВ и даже гораздо выше были в ранней Вселенной, которую физики часто называют "ускорителем бедного человека": изучение физических взаимодействий в ней позволяет проникнуть в недоступные нам области энергий.
Утверждение может показаться странным: как можно исследовать то, что происходило десятки миллиардов лет назад? И тем не менее такие "машины времени" существуют - это современные мощные телескопы, позволяющие изучать объекты на самой границе видимой части Вселенной. Свет от них идет к нам 15-20 миллиардов лет, мы сегодня видим их такими, какими они были именно в ранней Вселенной.
Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.
Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны , поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.
Создать их в лаборатории невозможно: у всего человечества не хватит энергии. Другое дело - ранняя Вселенная, где условия для рождения космических струн возникли естественным путем.
Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.
Башня аризонской обсерватории Кит-Пик растворилась в черноте мартовской ночи. Ее огромный купол медленно поворачивался - глаз телескопа искал две звездочки в созвездии Льва. Астроном из Принстона Э. Тернер предполагал, что это квазары, таинственные источники, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Они так бесконечно далеки, что едва видны в телескоп. Наблюдения закончились. Тернер ждал, когда ЭВМ расшифрует оптические спектры, даже не предполагая, что через несколько часов, рассматривая с коллегами свежие распечатки, сделает сенсационное открытие. Телескоп обнаружил космический объект, о существовании которого ученые и не догадывались, хотя размеры его настолько велики, что их трудно себе представить.
Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.
В 1979 году астрофизики, изучая радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, отождествили его с двумя слабыми звездочками. Расшифровав их оптические спектры, ученые поняли, что открыли еще одну пару неизвестных квазаров.
Вроде бы ничего особенного - искали один квазар, а нашли сразу два. Но астрономов насторожили два необъяснимых факта. Во-первых, угловое расстояние между звездами составляло всего шесть угловых секунд. И хотя в каталоге уже было больше тысячи квазаров, столь близкие пары еще не встречались. Во-вторых, спектры у источников полностью совпали. Вот это-то и оказалось главным сюрпризом.
Дело в том, что спектр каждого квазара уникален и неповторим. Порой их даже сравнивают с дактилоскопическими картами - как нет одинаковых отпечатков пальцев у разных людей, так не могут и совпадать спектры двух квазаров. И если уж продолжить сравнение, то совпадение оптических спектров у новой пары звезд было просто фантастическим - словно сошлись не только отпечатки пальцев, но даже и мельчайшие царапинки на них.
Одни астрофизики сочли "близнецов" парой разных, не связанных квазаров. Другие выдвинули смелое предположение: квазар один, а его двойное изображение - просто "космический мираж". О земных миражах, возникающих в пустынях и на морях, наслышан каждый, а вот наблюдать подобное в космосе еще никому не удавалось. Однако это редкое явление должно возникать.
Космические объекты с большой массой создают вокруг себя сильное гравитационное поле, которое изгибает идущие от звезды лучи света. Если поле неоднородно, лучи изогнутся под разными углами, и вместо одного изображения наблюдатель увидит несколько. Понятно, что чем сильнее искривлен луч, тем больше и масса гравитационной линзы. Гипотеза нуждалась в проверке. Долго ждать не пришлось, линзу нашли осенью того же года. Эллиптическую галактику, вызывающую двойное изображение квазара, сфотографировали почти одновременно в двух обсерваториях. А вскоре астрофизики обнаружили еще четыре гравитационные линзы. Позднее удалось обнаружить даже эффект "микролинзирования" - отклонение световых лучей очень маленькими (по космическим меркам) темными объектами масштаба нашей Земли или планеты Юпитер (см. "Наука и жизнь" № 2, 1994 г.).
И вот Э. Тернер, получив похожие друг на друга, как две капли воды, спектры, открывает шестую линзу. Казалось бы, событие заурядное, какая уж тут сенсация. Но на этот раз двойные лучи света образовали угол в 157 секунд дуги - в десятки раз больший, чем раньше. Такое отклонение могла создать лишь гравитационная линза с массой в тысячу раз большей, чем любая доселе известная во Вселенной. Вот почему астрофизики поначалу и предположили, что обнаружен космический объект невиданных размеров - что-то вроде сверхскопления галактик.
Эту работу по важности, пожалуй, можно сравнить с такими фундаментальными результатами, как обнаружение пульсаров, квазаров, установление сетчатой структуры Вселенной. "Линза" Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века.
Разумеется, интересна не сама находка - еще в 40-х годах А. Эйнштейн и советский астроном Г. Тихов почти одновременно предсказали существование гравитационной фокусировки лучей. Непостижимо другое - размер линзы. Оказывается, в космосе бесследно скрываются огромные массы, в тысячу раз превосходящие все известные, и на их поиск ушло сорок лет.
Работа Тернера пока чем-то напоминает открытие планеты Нептун французским астрономом Леверье: новая линза существует тоже лишь на кончике пера. Она вычислена, но не обнаружена.
Конечно, пока не появятся достоверные факты, скажем, фотоснимки, можно делать самые различные предположения и допущения. Сам Тернер, например, считает, что линзой может оказаться "черная дыра" размером в тысячу раз больше нашей Галактики - Млечного Пути. Но если такая дыра существует, она должна вызывать двойное изображение и у других квазаров. Ничего подобного астрофизики пока не увидели.
И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.
внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. ...космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.
Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.
Эволюция замкнутой космической струны может быть очень сложной. Ее простое самопересечение приводит к образованию пары колец, а более сложные сцепления создают весьма причудливые топологические структуры. Поведение этого невообразимо огромного объекта описывает математическая теория узлов, начало которой положил немецкий математик Карл Гаусс.
Согласно общей теории относительности масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить себе трехмерное пространство, свернутое в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии.
Возьмем плоский лист бумаги - двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки - вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.
Нечто подобное возникает и в нашем трехмерном пространстве в непосредственной близости от струны. Вершина каждого конуса лежит на струне, только "вырезанный" ею сектор мал - несколько угловых минут. Именно на такой угол струна своей чудовищной массой искривляет пространство, и на этом угловом расстоянии видна парная звезда - "космический мираж". И отклонение, которое создает "линза" Тернера, - около 2,5 угловых минут - очень хорошо соответствует теоретическим оценкам. На всех остальных известных нам линзах угловое расстояние между изображениями не превышает угловых секунд или даже долей секунд.
Из чего же состоит космическая струна? Это не материя, не цепочка каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей - тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия.
Плотность их энергии колоссальна (10 16 ГэВ) 2 , а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc 2 , струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10 -24 г, весит 10 -10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 10 38 кгс. Масса нашего Солнца - около 2x10 30 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.
Будет ли струна взаимодействовать с веществом? Вообще говоря, будет, но довольно странным образом. Диаметр струны - 10 -37 см, а, скажем, электрона - несравненно больше: 10 -13 см. Любая элементарная частица одновременно и волна, которая по порядку величины равна ее размерам. Волна не замечает препятствия, если длина волны значительно больше его размеров: длинные радиоволны огибают дома, а световые лучи дают тень даже от очень маленьких предметов. Сравнивать струну с электроном - все равно, что исследовать взаимодействие веревки диаметром 1 сантиметр с галактикой размером 100 килопарсек. Исходя из здравого смысла, галактика вроде бы просто не должна веревку заметить. Но веревка-то эта весит больше всей галактики. Поэтому взаимодействие все-таки произойдет, но оно будет похоже на взаимодействие электрона с магнитным полем. Поле закручивает траекторию электрона, у него появляется ускорение, и электрон начинает излучать фотоны. При взаимодействии элементарных частиц со струной тоже возникнет электромагнитное излучение, но его интенсивность будет настолько мала, что струну по нему обнаружить не удастся.
Зато струна может взаимодействовать сама с собой и с другими струнами. Пересечение или самопересечение струн приводит к значительному выделению энергии в виде стабильных элементарных частиц - нейтрино, фотонов, гравитонов. Источником этой энергии служат замкнутые кольца, которые возникают при самопересечениях струн.
Кольцевые струны - интереснейший объект. Они нестабильны и распадаются за некоторое характерное время, которое зависит от их размеров и конфигурации. При этом кольцо теряет энергию, которая берется из вещества струны и уносится потоком частиц. Кольцо уменьшается, стягивается, и, когда его диаметр доходит до размера элементарной частицы, струна распадается взрывным образом за 10 -23 секунды с выделением энергии, эквивалентной взрыву 10 Гигатонн (10 10 т) тротила.
Около сорока миллиардов лет (общепринятая оценка 13,8 млрд лет - моё прим.) назад произошел Большой взрыв, положивший начало нашей Вселенной (1).
Началась стадия инфляции - раздувания Вселенной, происходившего со сверхсветовой скоростью. За ничтожное время 10 -36 секунды ее размеры увеличились от 10 -43 сантиметра до 1 сантиметра (2).
После стадии инфляции температура Вселенной упала, возникли обычная материя и различные экзотические объекты, среди которых было около миллиона удивительных образований - космических струн (3).
Струны имеют диаметр около 10 -37 сантиметра, длину порядка размеров Вселенной и своими концами "упираются" в ее границы. Проследим за эволюцией отдельной струны (4).
В момент своего зарождения она обладала внутренними напряжениями, заставляющими ее скручиваться (5).
На струне образуются "перехлест" и петля (6), которая отделяется и начинает самостоятельное существование (7).
Напряжение самой струны при этом уменьшается, она выпрямляется и становится устойчивее. Эволюция замкнутой струны достаточно сложна. На ней могут возникнуть свои "перехлесты", узлы, перетяжки, "восьмерки" (8).
Струна рвется на более простые объекты типа колец (9).
Их размеры зависят от начальных условий и могут достигать диаметра Вселенной. Эти кольца неустойчивы; они стягиваются в точку и схлопываются, выделяя громадное количество энергии, сравнимое с энергией целой галактики (10).
Длительность всех этих процессов зависит от размеров первоначальной петли и может колебаться от миллионов до десятков миллиардов лет. В конце концов во Вселенной "выживают" и остаются только те струны, которые замыкаются на ее границах (11).
Физика кольцевых струн очень хорошо вписалась в одну любопытную теорию - так называемую теорию зеркального мира. Эта теория утверждает, что у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону - зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная. Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент - обычная звезда нашего мира, а другой - звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180о, их зеркальному отражению. Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.
Звездолет проходит сквозь кольцевую струну. Со стороны кажется, что он постепенно растворяется в абсолютно пустом пространстве. На самом же деле звездолет уходит из нашего мира в "зазеркалье". Все частицы, из которых он состоит, превращаются в своих зеркальных партнеров и перестают быть видны в нашем мире.
Отзвуки этих идей мы, как это ни удивительно, находим в многочисленных сказках и легендах. Их герои попадают в другие миры, спускаясь в колодец, проходя через зеркало или через таинственную дверь. Кэрроловская Алиса, пройдя сквозь зеркало, попадает в мир, населенный шахматными и карточными фигурами, а упав в колодец, встречает разумных зверюшек (или тех, кого она приняла за них). Интересно, что математик Доджсон заведомо не мог знать о теории зеркального мира - она была создана в 80-х годах российскими физиками.
Искать струны можно разными методами. Во-первых, по эффекту гравитационного линзирования, как это сделал Э. Тернер. Во-вторых, можно измерять температуру реликтового излучения перед струной и за нею - она будет различной. Эта разница невелика, но вполне доступна современной аппаратуре: она сравнима с уже измеренной анизотропией реликтового излучения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.).
Есть и третий способ обнаруживать струны - по их гравитационному излучению. Силы натяжения в струнах очень велики, они значительно больше сил давления в недрах нейтронных звезд - источниках гравитационных волн. Наблюдатели собираются регистрировать гравитационные волны на приборах типа детекторов LIGO (США), VIRGO (Европейский детектор) и AIGO (Австралия), которые начнут работать уже в начале следущего века. Одна из задач, поставленных перед этими приборами, - детектирование гравитационного излучения от космических струн.
И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.
Сегодня многие обсерватории мира ведут поиски гравитационных линз: изучая их, можно приблизиться к разгадке главной тайны Вселенной - понять, как она устроена.
Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.
Мое резюме:
Все, что связано с космическими струнами, этими гипотетическими астрономическими объектами, безусловно, интересно. И статья мне понравилась. Но это пока всего лишь теоретические (математические) построения, не подтвержденные достоверными экспериментальными данными. И, как мне представляется, эти построения на сегодняшний день больше соответствуют жанру научной фантастики, будучи только предположениями и гипотезами.
Так в приведенной выше статье сказано, цитирую:
Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.
Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца.
В материале на аналогичную тему в том же журнале (Наука и жизнь, 6 июня 2016 г. Гравитационные волны играют на струнах Вселенной написано следующее, цитирую:
Родившись в самом начале возникновения Вселенной, когда еще не разделились четыре фундаментальных взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), некоторые струны в ходе расширения Вселенной могли превратиться в удивительные образования – так называемые космические струны. Они представляют собой чрезвычайно тонкие и длинные «веревки», диаметр которых в миллиарды миллиардов раз меньше атомного ядра (порядка 10 -28 см), а длина составляет десятки, сотни и более килопарсек (1 парсек = 3,26 светового года). Очень велика и плотность такой струны. Один ее сантиметр должен иметь массу порядка 10 20 грамм, другими словами, тысяча километров струны будет весить столько же, сколько Земля.
Сравним характеристики космических струн (КС) из указанных публикаций:
Примечание : масса Солнца превышает массу Земли в 333 тысячи раз.
О чем может говорить такое расхождение в оценках? Выводы можете делать сами.
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.
480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья
Булатов, Николай Владимирович. Космологические модели, связанные с полевой теорией струн: диссертация... кандидата физико-математических наук: 01.04.02 / Булатов Николай Владимирович; [Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. Физ. фак.].- Москва, 2011.- 115 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-1/468
Введение к работе
Актуальность
Благодаря чрезвычайно высоким энергиям, достигаемым в эпоху ранней Вселенной, а также, огромным расстояниям, на которых происходит космологическая эволюция, космология может стать инструментом для изучения физики на масштабах, недоступных для прямых экспериментов. Более того, многочисленные высокоточные астрофизические наблюдения, проведённые за последнее десятилетие, превратили космологию в достаточно точную науку, а Вселенную - в мощную лабораторию для изучения фундаментальной физики.
Комбинированный анализ данных эксперимента WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а также, результатов наблюдений за сверхновыми типа 1а убедительно указывают на ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Космологическое ускорение говорит о том, что в настоящее время во Вселенной доминирует приблизительно равномерно распределённое вещество с отрицательным давлением, называемое тёмной энергией.
Для спецификации различных типов космического вещества обычно используется феноменологическое соотношение между давлением р и полностью энергии д : записываемое для каждой из компонент этого вещества
Р = WQ,
где w - параметр уравнения состояния, или, для краткости, параметр состояния. Для тёмной энергии w 0. По современным экспериментальным данным, параметр состояния тёмной энергии близок к -1. В частности, из результатов современных экспериментов следует, что значение параметра состояния тёмной энергии наиболее вероятно принадлежит интервалу
= -і-обі8:оі-
С теоретической точки зрения указанный интервал затрагивает три существенно различных случая: w > - 1, w = - 1 и w 1.
Первый случай, w > - 1, реализуется в моделях квинтэссенции, представляющих собой космологические модели со скалярным полем. Такой тип моделей является достаточно приемлемым, за исключением того, что в них возникает вопрос о происхождении этого скалярного поля. Для того, чтобы удовлетворить экспериментальные данные, это скалярное поле должно быть чрезвычайно лёгким и, следовательно, не принадлежать набору полей Стандартной Модели.
Второй случай, w = - 1, реализуется с помощью введения космологической постоянной. Этот сценарий возможен с общей точки зрения, но в нём возникает проблема малости космологической постоянной. Она должна быть в 10 раз меньше, чем даёт естественное теоретическое предсказание.
Третий случай, w 1, называется фантомным и может быть реализован с помощью скалярного поля с гостовским (фантомным) кинетическим членом. В этом случае все естественные энергетические условия нарушены, и возникают проблемы неустойчивости на классическом и квантовом уровнях. Поскольку экспериментальные данные не исключают возможности w 1 и, более того, была предложена стратегия прямой проверки неравенства w - 1, в современной литературе активно предлагаются и обсуждаются различные модели с w - 1.
Напомним, что в моделях с постоянным параметром состояния w : меньшим -1, и пространственно плоской метрикой Фридмана-Робертсона-Уокера масштабный фактор стремится к бесконечности и, следовательно, Вселенная растягивается до бесконечных размеров в конечный момент времени. Простейший способ избежать этой проблемы в моделях с w 1 заключается в том, чтобы рассмотреть скалярное поле ф с отрицательной временной компонентой в кинетическом члене. В такой модели будет нарушено Нулевое Энергетическое Условие, что приведёт к проблеме неустойчивости.
Возможным способом обойти проблему неустойчивости в моделях с w 1 является рассмотрение фантомной модели как эффективной, возникающей из более фундаментальной теории без отрицательного кинетического члена. В частности, если мы рассмотрим модель с высшими производными, такую как фе ф, то в простейшем приближении фе~ и ф ~ ф 2 - 0П0, то есть такая модель действительно даёт кинетический член с гостовским знаком. Оказывается, что такая возможность появляется в рамках струнной теории поля, что было показано в работе И.Я. Арефьевой (2004 г.). Поскольку рассмотренная модель является приближением струнной теории поля, в которой отсутствуют госты, в этой модели не возникает проблем, связанных с гостовской неустойчивостью.
Эта работа стимулировала стимулировала активное изучение нелокальных моделей, инспирированных струнной теорией поля, в аспекте их применения в космологии и, в частности, для описания тёмной энергии. Этот вопрос активно изучается в многочисленных работах И.Я. Арефьевой, СЮ. Вернова, Л.В. Жуковской, А.С.Кошелева, Г. Калкагни, Н. Барнаби, Д. Мулрина, Н. Нунеса, М. Монтобио и других. В частности, были получены решения в различных моделях, инспирированных струнной теорией поля, и исследованы некоторые их свойства.
В настоящей работе изучаются свойства космологических моделей, инспирированных струнной теорией поля, применимых как для описания современной эволюции Вселенной, так и для описания эпохи ранней Вселенной.
Во второй главе проводится изучение устойчивости классических решений в космологических моделях с нарушением Нулевого Энергетического Условия по отношению к анизотропным возмущениям. Как было указано, такие модели могут являться кандидатами на описание тёмной энергии с параметром состояния w 1. Сначала рассматривается случай однополевых моделей с фантомным скалярным полем. Модели с нарушением Нулевого Энергетического Условия могут иметь классически устойчивые решения в космологии Фридмана-
Робертсона-Уокера. В частности, существуют классически устойчивые решения для моделей с самодействием, содержащих гостовские поля, минимальным образом взаимодействующие с гравитацией. Более того, имеет место аттракторное поведение (аттракторное поведение решений в случае неоднородных космологических моделей описано в работе А.А. Старобинского) в классе фантомных космологических моделей, описанное в работах И.Я. Арефьевой, СЮ. Вернова, А.С. Кошелева и Р. Ласкос с соавторами. Можно изучать устойчивость метрики Фридмана-Робертсона-Уокера, специфицируя форму возмущений. Интересно узнать, являются ли эти решения устойчивыми по отношению к деформации метрики Фридмана-Робертсона-Уокера в анизотропную, в частности, метрику Бьянки I. Модели Бьянки являются пространственно однородными анизотропными космологическими моделями. Существуют строгие ограничения на анизотропные модели, следующие из астрофизических наблюдений. Из этих ограничений следует, что модели, развивающие большую анизотропию, не могут являться моделями, описывающими эволюцию Вселенной. Таким образом, нахождение условий устойчивости изотропных космологических решений относительно анизотропных возмущений представляет интерес с точки зрения отбора моделей, способных описывать тёмную энергию.
Устойчивость изотропных решений в моделях Бьянки была рассмотрена в инфляционных моделях (работы С. Джермани с соавторами и Т. Коивисто с соавторами и ссылки в них). В работе Р. М. Уолда (1983 г.), предполагая, что энергетические условия выполнены, было показано, что все изначально расширяющиеся модели Бьянки, за исключением типа IX, становятся пространством-временем де Ситтера. Теорема Уолда показывает, что для пространства-времени Бьянки типов I-VIII с положительной космологической постоянной и материей, удовлетворяющей Основному и Сильному Энергетическим Условиям, решения, существующие в будущем, имеют определённые асимптотические свойства при t -> оо. Интересно рассмотреть аналогичный вопрос в случае фантомной космологии и моделей, инспирированных
струнной теорией поля. В настоящей работе мы получаем условия, выполнение которых является достаточным в случае моделей с фантомными скалярными полями для того, чтобы изотропные космологические решения были устойчивыми, и тем самым, рассматриваемые модели могли быть адекватными для описания тёмной энергии.
В третьей главе рассматривается космологическая эволюция в моделях с неположительно определёнными потенциалами, инспирированных струнной теорией поля. Такие модели оказываются интересными с точки зрения применения их к описанию космологической эволюции в ранней Вселенной.
Большое внимание в качестве модели инфляции привлекает хигг-совская инфляция. Её исследование представляет собой предмет работ М. Шапошникова, Ф.Л. Безрукова, А.А. Старобинского, Х.Л.Ф. Барбона, X. Эспинозы, X. Гарсиа-Бейидо и других, выполненных в 2007-2011 годах.
В настоящей работе изучается модель ранней космологии с потенциалом Хиггса, инспирированная струнной теорией поля. Исходная мотивация для работы с нелокальными моделями такого типа (модель И.Я. Арефьевой, 2004 г.) была связана с изучением вопросов тёмной энергии. На возможность рассмотрения моделей такого типа в контексте изучения эпохи ранней Вселенной было указано в работах Дж.Э. Лидси, Н. Барнаби и Дж.М. Кляйна (2007 г.). В этом случае скалярное поле является тахионом фермионной струны Невё-Шварца-Рамона, и модель имеет форму нелокального потенциала Хиггса. Нелокальность скалярной материи ведёт к существенным изменениям свойств соответствующих космологических моделей по сравнению с чисто локальными космологическими моделями. Эти изменения происходят вследствие эффективной перерастяжки кинетической части лагранжиана материи, на что указывается в работах Дж.Э. Лидси, Н. Барнаби и Дж.М. Кляйна (2007 г.). Подробнее вопрос о том, как происходят эти изменения, обсуждается во введении к настоящей работе.
Основное изменение свойств заключается в том, что в рассматрива-
емой эффективной локальной теории изменяется соотношение между константой связи, массовым членом и значением космологической постоянной, вследствие чего появляется дополнительный отрицательный постоянный член и нам приходится иметь дело с неположительно определённым потенциалом Хиггса. Неположительная определённость потенциала вызывает появление запрещённых областей на фазовой плоскости, что существенно меняет динамику системы по сравнению со случаем положительно определённого потенциала.
В настоящей работе изучаются классические аспекты динамики скалярных моделей с неположительно определёнными потенциалами Хиггса в космологии Фридмана-Робертсона-Уокера. Поскольку нелокальность может дать эффективную теорию с достаточно малой константой связи, некоторые стадии эволюции могут быть описаны с помощью приближения свободного тахиона. По этой причине причине мы начинаем Третью главу с рассмотрения динамики свободного тахиона в метрике Фридмана-Робертсона-Уокера. Затем мы переходим к обсуждению динамики модели с потенциалом Хиггса.
Цель работы
Изучение классической устойчивости решений в космологических моделях с нарушением Нулевого Энергетического Условия, связанных со струнной теорией поля, по отношению к анизотропным возмущениям в метрике Бьянки I. Получение условий устойчивости в одно-и двухполевых моделях, содержащих фантомные скалярные поля и холодную тёмную материю, в терминах параметров модели, а также, в терминах суперпотенциала. Изучение динамики в моделях ранней космологии, инспирированных струнной теорией поля, с неположительно определёнными потенциалами.
Научная новизна работы
В настоящей работе впервые исследовалась устойчивость решений в космологических моделях с нарушением Нулевого Энергетического Условия относительно анизотропных возмущений метрики. Получены условия устойчивости как в терминах параметров моделей, так и
в терминах суперпотенциала. Кроме того, построено следующее одно-модное приближение, описывающее динамику тахиона с положительной космологической постоянной, по сравнению с полученным ранее приближением. Также в настоящей работе впервые построена асимптотика решений в модели с тахионным потенциалом и положительной космологической постоянной вблизи границы запрещённой области.
Методы исследования
В диссертации используются методы общей теории относительности, теории дифференциальных уравнений, численный анализ.
Научная и практическая значимость работы
Настоящая диссертационная работа имеет теоретический характер. Результаты настоящей работы могут быть использованы для дальнейшего изучения космологических моделей, инспирированных струнной теорией поля. Результаты главы 2 могут быть использованы в дальнейших исследованиях свойств устойчивости решений в различных моделях тёмной энергии, более того, полученные результаты дают критерии возможности использования той или иной модели для описания космологической эволюции. Кроме того, предложенный алгоритм построения устойчивых решений с помощью метода суперпотенциала даёт возможность построения моделей, заведомо имеющих устойчивые решения. Полученные в главе 3 результаты имеют непосредственное отношение к изучению инфляционных моделей с неположительно определённым потенциалом Хиггса и могут быть использованы для дальнейшего изучения этих моделей. Результаты диссертации могут быть использованы в работах, проводимых на физическом факультете МГУ, в МИАН, ФИАН, ИЯИ, ЛТФ ОИ-ЯИ, ИТЭФ.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих международных конференциях:
1. Международная конференция «Проблема необратимости в классических и квантовых динамических системах», Москва, Россия,
6-я летняя школа и конференция по современной математической физике, Белград, Сербия, 2010.
XIX Международная конференция по физике высоких энергий и квантовой теории поля, Голицыно, Россия, 2010.
Международная конференция «Кварки-2010», Коломна, Россия, 2010.
Конкурс молодых физиков Московского Физического Общества, Москва, Россия, 2009.
Публикации
Основные приведённые результаты получены автором данной диссертации самостоятельно, являются новыми и опубликованы в работах .
Структура и объем работы
Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии - струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы - браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.
Концепция развивается
Теория единого поля, теория суперструн, - сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.
Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.
Теория суперструн для начинающих
В основе гипотезы положены пять ключевых идей.
- Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
- Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
- Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
- Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
- Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.
Струны и браны
Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами - струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту.
Эти суперструны теория делит на два вида - замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.
Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.
Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.
Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.
Квантовая гравитация
Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.
Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.
Объединение сил
Теория струн пытается объединить четыре силы - электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию - в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.
Суперсимметрия
Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.
Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.
Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые
Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого - необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.
Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.
Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.
Дополнительные измерения
Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:
- Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
- Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.
Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.
Понимание цели
Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны - «теория всего», т. е. единая физическая гипотеза, которая на фундаментальном уровне описывает всю физическую реальность. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
Объяснение материи и массы
Одна из основных задач современных исследований - поиск решения для реальных частиц.
Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.
Масса этих является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:
- короткая петля через середину тора;
- длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.
Короткая петля будет легкой частицей, а большая - тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.
Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.
Определение пространства и времени
Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.
В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.
Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.
Квантование силы тяжести
Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.
Унификация сил
В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.
Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.
Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.
Пять вариантов
После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.
Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.
М-теория
На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:
- 11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
- двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
- браны - струны, с более чем 1 измерением.
Следствия
В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.
Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.
Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.
Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.
Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.
Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.
Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.
Никто не знает, к чему может привести пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.
Подробнее об этой гипотезе можно прочесть в книге Эндрю Циммермана «Теория суперструн для чайников».
1Рассматриваются космологические решения уравнений движения для эффективных полевых мод в струнной сигма – модели Вселенной. Построены космологические решения для изотропной Вселенной на D – бране. Показано, что решение дефляционного типа в струнной метрике совпадает с решением Фридмана в метрике расширяющейся Вселенной.
теория струн
уравнения гравитационного поля
искривленное пространство – время
D – брана
расширяющаяся Вселенная
космологические решения Фридмана
1. Аshtekar А., Petkov V. (ed.). Springer Handbook of Spacetime. Springer-Verlag. Berlin – Heidelberg, 2014. – P. 1–839.
2. Гришкан Ю.С. Влияние нарушения лоренц-инвариантности на физические процессы в поздней Вселенной и жёсткое космическое гамма-излучение / А.А. Петрухин, М.Х. Хоконов // Сборник трудов 5-ой БМШ ЭТФ-2004. – М: МИФИ, 2005. – том 2. – С. 68–78.
3. Ellis J.R., Mavromatos N.E. and D.V. Nanopoulos, Physical Review Letters, – 1992. – v. B 293, p. 37–42/.
4. Antoniadis I., Bachas C., Ellis J.R., D.V. Nanopoulos. Liouville strings evidence. Physical Review Letters -1988- v. B 211 – p. 393- 397.
5. Гришкан Ю.С.// Сборник трудов 6-ой БМШ ЭТФ-2005 том 2 – 2005, – Москва, МИФИ – C. 72–86.
6. John Ellis, N.E. Mavromatos and D.V. Nanopoulos. The string coupling accelerates the expansion of universe./ . – 2005. – P. 1–6.
7. Хриплович И.Б. Общая теория относительности: учебн. для вузов-1 изд, – М: Институт компьютерных исследований, 2002. – С. 1–128.
8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля: учебн. для вузов – 4 изд. – М: Наука,1988. – С. 1–503.
Как правило, космологические решения, описывающие эволюцию Вселенной, строятся для полей (гравитационного поля и поля темной энергии), которые описывают пространство-время расширяющейся Вселенной на разных стадиях эволюции. Однако, в последнее время возникла уверенность в том, что связанные с тем, что теория поля как классическая, так и квантовая не описывает некоторых существенных свойств наблюдаемого макроскопического мира и в частности, квантовые флуктуации.
Более фундаментальной структурой, чем полевая, является струнная структура пространства-времени , . В этой теории струны занимают место полей и привлекаются для описания, как элементарных частиц, так и квантовых флуктуаций вакуума.
Уравнения движения для эффективных полевых мод в струнной сигма - модели согласно имеют вид:
где μ, ν,.. = 0,1,2,3, G μν - метрика на струне, R μν - эйнштейновская кривизна пространства-времени на бране, Ф - скалярное нелинейное дилатонное поле, H μνρ - антисимметричный тензор, описывающий псевдоскалярное поле B, α’ постоянная - наклона Редже.
Совершенно нетривиальным является вопрос построения космологических решений в этой модели. Если в полевой модели время определяется одновременно с полем, то в эффективной модели струн Лиувилля в качестве времени выступает само дилатонное поле Ф - одно из фоновых полей модели. Поэтому необходимо отождествление этого псевдовремени Ф с мировым временем t. В ряде работ , получена связь между t и Ф:
. (2)
В результате, как показано в эйнштейновское время в расширяющейся Вселенной связано со временем на мировой бране струнной сигма-модели соотношением
где c 1,0 - положительные константы.
При построении решений уравнений (1), динамическая эволюция этих решений прослеживается во времени t D - браны, для которой и справедливы уравнения (1). Любое точное космологическое решение может быть переведено из этого времени во время наблюдаемой нестационарной эйнштейновской вселенной с помощью формулы (3). Основной трудностью в построении струнной космологии является трудность, связанная с классификацией стадий динамической эволюции струнной структуры. Эта проблема связана с тем, что аппарат, привлекаемый для описания эволюции струнной структуры во времени содержит характерные черты двух разных подходов к описанию микро и макромира - теории рассеяния и динамической теории эволюции во времени .
Отражением этой дилеммы в математическом аппарате теории является отсутствие функциональной динамической связи между временем рассеяния частицы на D - бране, которое зафиксировано вструнной метрике G ik (t) (и в котором описывается динамическая эволюция мира на бране) со временем расширяющейся Вселенной.
Наша идея состоит в построении космологических решений во времени t с последующим переводом их в космологическое время наблюдаемого мира t E по формуле (3). Если при этом будут получены физически осмысленные известные космологические решения, то тем самым удастся построить последовательность во времени эволюции мира на бране, соответствующего эволюции коллективных мод струнной космологической модели с учетом флуктуаций геометрии мира.
Совершим внешне парадоксальный шаг. Построим космологические решения, описывающие стадию инфляции на бране. Для чего согласно отожествим дилатонное поле со временем по формуле:
где Q - константа, называемая «центральный заряд браны»
Для удобства положим постоянную наклона Редже α’ = 1. Тогда согласно (1) и (4) уравнения примут вид:
. (5)
Решение для поля B будем искать, как и в работе в виде:
где β = const.
Зададим метрику на D-бране в стандартном 4-м космологическом виде
Тогда детерминант метрики можно представить в виде:
Таким образом, напряженность псевдоскалярного поля можно записать в виде
где E μνρσ - 4-мерный ковариантный антисимметричный символ Леви - Чивита.
Следуя (6) и (11), получаем:
Теперерь уравнения (1), описывающие эволюцию мира во времени D-браны упрощаются:
(14)
В результате расчетов получим далее компоненты тензоров R 00 , R ij как функции масштабного фактора модели a(t) и вычислим его. Количество независимых констант модели может быть уменьшено, если предположить, что временное направление на бране не искривлено R 00 = 0 и центральный заряд на бране выражен так, чтобы решение имело инфляционный характер:
Тогда компоненты тензора кривизны Риччи примут вид :
где точкой обозначена производная по времени
Преобразуем произведение напряженностей поля:
Таким образом, можно записать на основании (17) и (18):
(19)
Будем искать решение этих космологических уравнений в виде:
где - неизвестные константы.
Подставляя эти формулы в (19), (20), получим следующие соотношения между зависимыми константами модели:
Тогда космологические решения принимают вид:
Построенное решение описывает быстрое экспоненциальное сжатие (дефляцию Вселенной на D-бране). Теперь необходимо перевести эти решения из времени на бране в эйнштейновское время расширения Вселенной. Для этого используем соотношение(3).
Расcчитаем выражение для масштабного фактора a(t E) в наблюдаемой Вселенной.
Из (3), (24) следует
Константа c 1 является тогда началом отсчёта времени t E . Само эйнштейновское космологическое время
Введём обозначения, принятые в теории космологических моделей Фридмана. Обозначим момент начала расширения Вселенной как t 0 = c 1 . Тогда
Из (27), (28) следует
Решение (29) есть космологическое решение Фридмана для физического времени t E , описывающее расширение Вселенной на этапе динамического преобладания вещества над темной материей, т.е. стадия быстрого сжатия («дефляции» D-браны) соответствует, для наблюдателя, связанного с веществом, образующим расширяющийся мир, степенному расширению Вселенной по закону Фридмана в Общей Теории Относительности Эйнштейна , .
Построенное решения (29) позволяет связать заключительную стадию эволюции расширяющегося мира с одной из стадий динамической эволюции, входящих в его состав нелокальных дефектов, описывающих квантовые флуктуации метрики. А именно, дефляционное поведение нестационарной метрики D-браны соответствует расширению включающего внешнего мира по закону Фридмана для барионной материи.
Библиографическая ссылка
Гришкан Ю.С. КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ СТРУННОЙ СИГМА – МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ НА СТАДИИ ПРЕОБЛАДАНИЯ ВЕЩЕСТВА НАД ИЗЛУЧЕНИЕМ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-1. – С. 31-33;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7809 (дата обращения: 15.06.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»