Геометрия, динамика, вселенная - Иосиф Розенталь

Трудности этого направления связаны со структурой константы ALPHA|. Эта гравитационная безразмерная константа

g пропорциональна m**2 (m — масса, передаваемая во время взаимодействия). В этом отличие константы ALPHA| от ALPHA|,

g e которая практически не зависит от m. Поэтому расходимости, бесконечности сопровождают почти все теории гравитации, трактуемой как изолированное явление. Сторонники первого направления не заботятся чрезмерно об устранении бесконечностей, возлагая надежды на то, что удачный выбор пространства в планковской области и взаимовлияние различных взаимодействий приведут в конечном счете к устранению бесконечностей. Лидер этого направления, замечательный физик С.Хокинг, сформулировал свое кредо в виде аналогии с поиском ключей под фонарем, «потому что там светло»[23]

Другое направление в квантовой теории гравитации с самого начала основывается на объединении всех взаимодействий (и даже всех частиц) в надежде, что такое суперобъединение приведет к компенсации бесконечностей. Пока удалось выполнить эту программу лишь в первых приближениях.

Таким образом, квантовая гравитация — теория гравитации в планковской области — далека от завершения, хотя в этом направлении и имеется значительный прогресс.

В теории физического вакуума основной проблемой является его чрезвычайно малая плотность энергии: ρ| ~< 10**-29 г*см**-3. Эта цифра — следствие основного v космологического параметра — времени жизни Метагалактики и естественного допущения, что вакуум, как и любая другая форма материи, испытывает гравитационное притяжение. Эта цифра на десятки порядков меньше любой оценки, сделанной на основе теории размерности. Нельзя исключить, что ρ| = 0.

v Такое предположение привлекательно в том смысле, что именно такое тождество появляется в теориях, где бозоны и фермионы являются симметричными частицами (суперсимметрия, тождество всех свойств, кроме спина). Энергии бозонного и фермионного вакуумов имеют разные знаки, и поэтому их сумма обращается в нуль. Однако, как отмечалось ранее, в мире наблюдаемых частиц при массах m < 100 m| симметрия между фермионами и

p бозонами отсутствует. Уже упоминалось, что современная теория практически бессильна предсказать или интерпретировать наблюдаемые фундаментальные константы, и в особенности спектр масс частиц и его иерархическую структуру.

В ряде работ (в частности, в упомянутой статье Вайнберга-Канделаса) константа объединенного взаимодействия ALPHA| связывается с размерами r| компактного пространства

u c (планковскими) по формуле

ALPHA| = a * HP / (M| * c * r|), (71)

u p c

где a — множитель порядка единицы — определяется числом сортов частиц. Формула типа (71) — простейшее и поэтому естественное безразмерное отношение основных параметров планковской физики — квантовых размеров частицы с планковскими параметрами. В число этих параметров входит и масса M| = (HP * c / G)**(1/2) ~ 10**-5 г ~ 10**19 m|.

p p

Весьма активно разрабатываются модели компактификации размерностей пространства. Хотя процесс компактификации рассматривается как на квантовом, так и на классическом уровне, тем не менее практически во всех моделях заложено основное допущение — резкая анизотропия в начальных условиях, а взаимодействие соответствует закону всемирного тяготения или его обобщениям (например, ОТО). Чтобы понять физику компактификации, рассмотрим эволюцию гравитирующего эллипсоида (рис. 11) с неизменной массой или энергией.

Точки A и B, находящиеся вначале существенно ближе друг к другу, чем точки C и D, будут притягиваться значительно сильнее, чем точки C и D (закон 1/r**2). Поэтому с течением времени точки A и B будут сближаться, а точки C и D удаляться. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока расстояния между точками A и B достигнут планковских размеров, что и означает компактификацию одной из координат. Подобную процедуру нетрудно обобщить на пространство любой целочисленной размерности N=D+d. D координат, расположенных вначале далеко друг от друга, будут удаляться, образуя пространство Евклида (Римана), а в d направлениях, в которых первоначальное возмущение было сжато, произойдет компактификация координат до планковских размеров.

≡=РИС. 11

Из этого экскурса ясно, что мы далеки от законченной теории в планковской области. Однако мы знаем вполне достаточно, чтобы попытаться моделировать образование метагалактик. При подобной процедуре следует учесть следующие факторы:

1. Существование деситтеровской и фридмановской фаз эволюции метагалактик.

2. Фазовый переход между обеими стадиями.

3. «Истинную» структуру физического пространства.

4. Принцип целесообразности и антропный принцип.

5. Флюктуативность фундаментальных констант в ряду себе подобных.

Сделаем два предположения.

1. В пространстве N измерений (N≥11) всегда существует физический вакуум. Для простоты можно базовое пространство представить как многомерное пространство Минковского. Разумеется, такое допущение простейшее, но не обязательное.

2. Плотность энергии вакуума как функция поля FI представляется кривыми на рис. 7.

Из этих предположений и сформулированных выше пяти постулатов можно нарисовать следующую картину образования Метагалактики. В метастабильном вакууме непрерывно возникают возмущения, нестабильности. Вследствие наличия потенциального барьера эти возмущения не успевают развиться. По образному выражению Дж. Уилера и С.Хокинга, вакуум пенится. Обычно возникают микровселенные с планковскими размерами. Однако иногда происходит раздувание области, в которой возникло возмущение, и последующая перестройка вакуума.

В процессе развития анизотропных возмущений в вакууме происходит компактификация размерности. Огромная энергия вакуума расходуется на расширение метагалактик, образование новых частиц большой энергии и нагрев Метагалактики. Эта стадия представлена на температурной зависимости рис. 8. Перестройка вакуума сопровождается переходом от деситтеровского расширения к фридмановскому режиму (рис. 8). Такой переход можно объяснить следующим образом. На деситтеровской стадии плотность вакуума ρ| >> ρ|

v м плотности вещества и излучения. При фазовом переходе плотность вакуума ρ| резко уменьшается (ρ| << ρ|), и

v v м возникают условия, необходимые для осуществления фридмановской стадии.

Фундаментальные постоянные и физическое пространство формируются на этих самых первых мгновениях эволюции Вселенной и Метагалактики. Численные значения фундаментальных постоянных в Метагалактике соответствуют существованию в ней основных устойчивых связанных состояний.

Так на сегодня вырисовываются основные черты грандиозного акта — рождения Метагалактики.

О Т Р Е Д А К Т О Р А

В начале 80-х годов в физике элементарных частиц произошла подлинная революция, связанная с созданием единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий Глешоу-Вайнберга-Салама. Дальнейшие события не заставили себя ждать. В 1974 г. была предложена единая теория слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий. В 1976 г. была предложена новая теория, названная супергравитацией, в рамках которой впервые возникла реальная надежда на построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитационные. В начале 80-х годов особую популярность приобрели теории типа Калуцы-Клейна, согласно которым размерность нашего пространства больше четырех, но часть измерений «скомпактифицировано», так что мы не можем двигаться в соответствующих направлениях. С конца 1984 г. внимание всех физиков-теоретиков привлечено к теории суперструн, согласно которой основным объектом теории являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные образования очень малого размера.

Бурное развитие этой области знаний сопровождалось возникновением принципиально новых понятий (суперсимметрия, спонтанная компактификация и т. д.) и обогащением лексикона физиков-теоретиков целым рядом сложных математических терминов. Полученные при этом результаты позволили с новой точки зрения взглянуть на целый ряд проблем, давно стоявших перед теоретической физикой.

В предложенной вниманию читателя книге сделана попытка осмыслить и изложить на достаточно простом языке те основные изменения, которые произошли в физике элементарных частиц и космологии за последние годы. Можно надеяться, что эта книга для многих окажется полезной и интересной.

В книге, как и в ряде предшествующих работ, автор обсуждает еще один круг вопросов. Речь идет о проблеме единственности Вселенной и о проблеме формирования «фундаментальных постоянных».

Несомненные успехи теории горячей Вселенной, основанной на однородной модели Вселенной Фридмана, постепенно привели к убеждению, что Вселенная всюду устроена примерно так же, как и в окрестностях Солнечной системы (хотя небольшие вариации все-таки допускались). Это убеждение находилось в полном соответствии с наблюдательными данными, согласно которым относительные неоднородности плотности в масштабах порядка размеров наблюдаемой части Вселенной весьма малы (∂ ρ / ρ ~ 10**-4). (((ЗДЕСЬ ∂ КАКОЕ-ТО ОЧЕНЬ СТРАННОЕ, ЗАГНУТОЕ ХВОСТИКОМ В ДРУГУЮ СТОРОНУ, В НЕМ ЕСТЬ ЧТО-ТО ОТ СИГМЫ))) Изредка высказывавшиеся гипотезы о сильной неоднородности Вселенной в сверхбольших масштабах не имели под собой никаких оснований. Это обстоятельство в совокупности с не вызывавшим сомнений «фактом» единственности вакуумного состояния приводило к убеждению, что в подлинной теории элементарных частиц и свойства вакуума, и свойства Вселенной должны быть о_д_н_о_з_н_а_ч_н_о в_ы_ч_и_с_л_и_м_ы.