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.

1. Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
2. Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
3. Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
4. Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
5. 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:

1. Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
2. 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».

Онтологический анализ фундаментальных космологообразующих объектов (струны, браны и др.)

Для построения квантовой космологии необходимо создать квантовую теорию гравитации. Считается, что квантовая теория гравитации может быть построена именно на планковском масштабе. Но в космологическом плане (момент начала расширения Вселенной) на этом масштабе возможно унифицируются все 4 фундаментальные взаимодействия, следовательно, единая теория должна обрести силу на планковском уровне. Отсюда следует, что в определенном смысле квантовая теория гравитации, единая теория, а также планковская космология тождественны.

Работы по созданию квантовой теории гравитации ведутся уже более полстолетия, и вариантов такой теории было предложено достаточно. В настоящее время наиболее перспективными на роль такой теории считаются две теории: теория суперструн (ТСС) и теория петлевой квантовой гравитации (ТПКГ). Существует обширная литература, посвященная этим теориям. Нас же в данном разделе будет интересовать вопрос об онтологии фундаментальных, космологообразующих объектов этих теорий. Актуальность онтологического анализа в квантовой космологии определяется необходимостью выяснения природы экстремальных состояний материи, прежде всего планковского состояния, а также в связи с глубокой опосредованностью современного физического познания.

На планковском уровне мы имеем дело с принципиально новым видом материального существования, аналогов чему не существует в современной физике. Это обстоятельство в решающей степени затрудняет построение теории квантовой космологии. Поэтому прежде чем обсуждать сами космологические модели, на наш взгляд, необходимо проанализировать ту объектность, которая будет представлять содержательную основу этих моделей. И действительно, фундаментальный объект ТСС – струна будет формировать одну космологию, а петля или планковская ячейка пространства в ТПКГ – другую. Причем, как отмечает К. Ровелли, обе теории призваны описать планковский масштаб, причем именно на этом уровне они существенно различаются по отношению, например, к проблеме природы пространства-времени.

Рассмотрим фундаментальные космологообразующие объекты теории струн.

Суперструна как фундаментальный объект квантовой космологии .

В ТСС основным объектом является струна . Кратко опишем основные особенности этого объекта, необходимые нам в дальнейшем. Струна представляет собой одномерный физический объект планковского масштаба длины (lPl = 10-33 см), однако исследования показывают возможность существования струн космологических размеров. Исследования показали, что струны обладают суперсимметрией, поэтому называются суперструнами, а теория соответственно – ТСС. В дальнейшем под струной всегда будет пониматься именно суперструна. Согласно теории различные моды колебаний струн представляют собой элементарные частицы и дают не только весь их набор, но и много других частиц. Последнее является одной из трудностей теории. ТСС – теория с фоновой зависимостью. Это означает, что струны находятся в независимо существующем пространстве-времени, в котором могут передвигаться. Поскольку в отличие от ТСС общая теория относительности является фоново-независимой, в которой пространство и время являются динамическими характеристиками, то одной из важнейших задач является построение ТСС как фоново-независимой теории, если строить квантовую теорию гравитации путем квантования ОТО. Подобная стратегия еще больше обостряет проблему выяснения природы пространства и времени и их роли в физической теории.

Онтологически фундаментальным является поиск ответов на следующие три вопроса: 1) материальны ли струны, 2) представляют ли они только лишь геометрическую структуру, онтологию которой еще следует определить, 3) или же они – лишь некое абстрактное математическое средство, математическая конструкция, введенная для теоретически более эффективного (а может быть и чисто прагматического) решения некоторых физических проблем? Среди исследователей мнения по поводу ответов на эти вопросы разделились.

Материальны ли струны? Одним из аргументов сторонников положительного ответа на первый вопрос (в частности, случайного первооткрывателя теории струн Г. Венециано) является, например, то, что различные моды колебаний струн дают физически реальные элементарные частицы. И действительно, логично предположить, что реальные частицы могут порождаться реальными физическими объектами. При этом несомненно, что физическая природа струны отличается от природы элементарной частицы, поскольку природа последней, согласно ТСС, содержится в колебательном процессе. Отсюда следует, что природа известных элементарных частиц чисто феноменологическая. Говоря языком метафизики, их сущность – колебания, которая (сущность) для наблюдателя проявляется в виде феномена «элементарной» материальной объектности. Но в рамках того же метафизического языка, все это означает, что элементарные частицы (электроны, кварки, фотоны) не обладают некоторой первичной субстанциональностью, они – только лишь феномены.

В то же время возникает вопрос о том, обладают ли субстанциональностью сами струны? И какой? Представляется естественным в случае положительного ответа связать с ними принципиально новый вид материи. Причем, возможно, это должен быть вид материальности не меньшей фундаментальности и радикальности, чем фундаментальность электромагнитного поля, введенного в период доминирования механистической картины мира, или открытие искривленного 4-мерного пространства-времени. По-видимому, он должен быть даже еще более высокой степени фундаментальности. Поиск физической онтологии подобного масштаба является, на наш взгляд, актуальнейшей проблемой планковской космологии и всей физики.

Геометрическая природа струн . Этот и ряд других аргументов представляют позицию сторонников положительного ответа на второй вопрос. Нетривиальный образ в этом плане предложил С. Вайнберг. С его точки зрения «Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства». Перед сторонниками чисто геометрической интерпретации струн стоит задача онтологизации своего подхода. Можно ли придать еще какой-то физический смысл такой геометрической конструкции как суперструна? Можно ли добавить какую-то новую физическую интерпретацию в уже существующее содержание глобальной программы, которая парадоксально формулируется в следующих словах: «Физика есть геометрия»?

Отметим, что в рамках положительного ответа на этот вопрос фундаментальной и глобальной физической субстанцией становится пространство и время. Как вариант, следует говорить о субстанциональности структуры пространства и времени, что выражает большую определенность и локализованность такого характера субстанциональности: геометрической, топологической, топосной и т. д.

В рамках геометрического подхода к природе струн, последние также могут проявлять себя как известные материальные объекты в виде, например, элементарных частиц только феноменологически. Дело в том, что в рамках программы геометризации физики предпринимались и предпринимаются попытки представить все элементарные частицы в виде чистых структур геометрии пространства-времени (не обязательно 4-мерного), например, в виде локальных микроскопических областей сильно искривленного пространства-времени. Эти геометрические структуры воспринимаются как реальные феноменологические физические объекты, в частности, частицы, только по отношению к макроскопическому наблюдателю антропоморфной природы.

Струны как абстрактное вспомогательное средство физического описания? Является ли струна формальным вспомогательным математическим конструктом типа волновой функции, лагранжиана, траекторий в фазовом пространстве и т. д.? Этот вариант вряд ли адекватен в буквальном смысле, поскольку моды колебаний струны дают все реальные элементарные частицы. В связи с последним струна, по-видимому, должна быть принципиально новым элементарным объектом физики и природы.

О физической элементарности струн. В рамках ТСС струна является элементарным, первичным физическим объектом. Но - протяженным! Последнее, как считается, дает возможность обойти труднейшую проблему квантовой теории поля – проблему бесконечных значений физических величин, возникающую из-за постулирования точечного характера элементарных частиц. Однако сочетание элементарности и протяженности приводит к некоторым концептуальным трудностям.

С одной стороны, в концептуальном и метафизическом плане здесь можно усматривать возврат к декартовской субстанциальности протяженности. Вряд ли в современной физике метрическое свойство протяженности можно рассматривать в качестве субстанции или даже особой субстанции. В рамках программы полной геометризации физики гораздо легче представить в качестве субстанции геометрию как более богатую сущность. Но, возможно, протяженность можно было бы рассматривать в качестве атрибута (материи)? И, возможно, это было бы неплохо на новом уже современном витке эволюции познания, однако, насколько философски корректно сегодня считать протяженность атрибутом? Атрибутом в плане всеобщего свойства, по крайней мере, природы? Квантовая механика приучила как раз к противоположному – к атрибутивности дискретности, квантованности физического мира. И именно эта атрибутивность радикализуется на планковском космологическом уровне, на уровне слияния минимально (предельно) дискретного и максимально большого (всей Вселенной). По-видимому, справедливы принцип дополнительности и те философские концепции, которые предлагают рассматривать единство бинара непрерывное-дискретное. Но сводится ли непрерывность к дискретности? Видимо, вопрос в отношении элементарности протяженной струны стоит примерно так: как можно онтологически понимать элементарность (неделимость) протяженности? Каким образом понимать подобную протяженную элементарность в том случае, если протяженность достигает космических масштабов, т. е. в случае возможного существования космических (космологических) струн?

Наше дострунно-парадигмальное сознание очень хочет задать вопрос: а не состоит ли протяженная струна из частей? Так же как линия состоит из точек. Но линия состоит из точек и не состоит из них. Такое понимание линии недоопределено, поскольку здесь в теоретическую игру вмешивается теория континуумов, которая, для примера (геометрической неопределенности или недоопределенности), утверждает, что прямая и квадрат обладают одинаковой мощностью континуума. Другими словами, количество точек на (одномерной) прямой равно количеству точек в (2-мерном) квадрате. Так что же представляет собой элементарность струны в физическом и геометрическом планах?

О концептуальном статусе бран в ТСС. Недавно выяснилось, что в теории струн наряду с одномерными струнами могут существовать и объекты других размерностей - браны: двумерные (2-браны или мембраны), 3-браны, играющие важную роль в космологии, и вообще р-браны (где р – любая размерность). Существуют и 0-браны, аналог точки. Они также играют определенную роль в теории, поскольку концы открытых (незамкнутых) струн являются как раз 0-бранами. Струны, например, могут прикрепляться своими концами к бранам и таким образом по ней перемещаться, что имеет важный физический смысл.

Так может струна состоит из 0-браны, и именно они играют первичную фундаментальную роль? Казалось бы, это наиболее простой и очевидный подход. Однако в ТСС не спешат с таким выводом. Струнные теоретики пока предпочитают вариант, согласно которому все браны фундаментальны. Очевидно, что и этот взгляд требует дальнейших пояснений и уточнений.

В концептуальном плане, возможно, худшее состоит в том, что в данном подходе от существования первоэлемента физического бытия – струны – вновь возвращаются к многообразию «первичности». Но многоэлементность бытия с трудом согласуется с единством физического бытия, если, конечно, не рассматривать его в духе В. С Соловьева, или одного из вариантов трактовки диалектического материализма как единства многообразия. Похоже, что концептуально и методологически современная фундаментальная физика настроена все же на поиск некоторой первичной объектности, будь то геометрия пустого пространства-времени, суперструна, кванты пространства и времени в ТПКГ и т. д.

Пространство из струн. Одной из интереснейших, но одновременно и труднейших в концептуальном плане моделей в теории струн является модель пространства как тотального когерентного ансамбля струн. Суть этой идеи состоит в следующем. В самом общем случае струны могут быть направлены в различные стороны, они могут вибрировать совершенно произвольно, хаотически. Но при определенных условиях они могут синхронизироваться, начать вибрировать в одной фазе, становясь когерентным множеством. Для внешнего наблюдателя они будут восприниматься как непрерывное многообразие. Нередко подобную картину сравнивают с полотном ткани, в которой отдельные нити переплетены в строго геометрическом порядке.

Согласно такому подходу никакого пространства как некой реальности не существует. Пространство становится не только реляционным, но и феноменологическим по своей природе. Однако здесь возникает трудность с трактовкой природы пространства и ТСС как фоново-зависимой теории. И действительно, если сами струны в когерентном состоянии образуют пространство, то как быть с независимостью существования самого пространства (на фоне которого движутся струны)?

Далее, в рамках такого подхода пространство теряет свою атрибутивность, всеобщность, ведь пространство может возникнуть только там, где есть когерентный набор струн. Вполне логично предположить, что струны могут быть когерентны локально. Отсюда следует далеко идущий вывод: в этом случае можно говорить о существовании локальных пространств в более широкой «области реальности», в которой пространства нет! Это должно порождать новую космологическую онтологию локального существования в пространстве.

Наконец, космические струны , становясь когерентными, также должны создавать новый вид (тип) пространства! В этом случае феноменологическая струнная ткань пространства, «сшита» космологическими «нитями»-струнами. Можно выдвинуть предположение о том, что различные типы когерентности, которые могут проявлять струны, могут порождать различные типы пространств. Закономерен вопрос о том, чем именно, и прежде всего, чем именно концептуально отличаются все эти возможные типы пространств? Вполне вероятно, что могут существовать пространства различной природы, причем различной не только в геометрическом плане, но и в онтологическом. Фактически это означает, что объектность порождает пространство . Еще раз подчеркнем, что это - далеко идущий не только физико-теоретический, но и философский вывод. С одной стороны он тесно коррелирует с реляционной концепцией пространства, с другой – имеет существенную специфику, поскольку пространство образуют не все объекты реальности (как в реляционном подходе), а только объекты планковского масштаба или, может быть, первичные элементы реальности, которые в данном случае представлены струнами. Несколько конкретизируя принцип онтологического плюрализма, можно предложить еще и принцип онтологического пространственного плюрализма . Кроме того, важный философский вывод состоит в том, что пространства (и, по-видимому, время) создаются ! Создаются в больших количествах и разной природы. Правда, хорошо, что пока все еще естественным образом…

О природе когерентности струн. Важно также ответить на непростой вопрос о том, что заставляет огромное количество струн начать колебаться в одной фазе и стать когерентными? С одной стороны эта сила (или причина) должна быть тотальной, чтобы действовать во всем пространстве существующей сегодня Вселенной, с другой – она должна быть локальна (квантована), чтобы воздействовать на каждую струну. По существу, это должна быть либо некая метасила (метапричина), определяющая (по существу, создающая) все пространство всего мироздания и в этом случае вряд ли имеет силу принцип близкодействия.

В качестве гипотезы можно предположить, что здесь могут функционировать квантовые корреляции, которые были обнаружены при анализе ЭПР-парадокса и многочисленных белловских экспериментов. В качестве такой силы или причины можно также рассматривать, например, существующее в ТСС дилатонное поле, которое «определяет общую силу всех взаимодействий» (Г. Венециано). Приведенные слова Г. Венециано, если их понимать буквально, должны требовать существования многих взаимодействий, что, в свою очередь, должно означать ситуацию далекую от единой теории. С другой стороны, если дилатонное поле определяет силу всех взаимодействий, то у этого поля просматривается определенная функция, связанная с единством всех сил. А это означает, что на планковском масштабе, где и происходит объединение всех сил, это поле должно играть центральную, фундаментальную роль. По-видимому, наличие такого поля на планковском масштабе, а также его природу еще требуется выяснять. Дело в том, что любое квантованное поле состоит из квантов этого поля, которые являются элементарным частицами. Но элементарные частицы (кванты соответствующих полей) являются модами колебаний струн. Отсюда следует, что любое поле, в том числе дилатонное, не является фундаментальным физическим объектом. Им в рамках ТСС остаются только струны.

Интересно, что «Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения - 11-го по счету» (Г. Венециано). Это – несомненно, интересный результат теории. Если вывод теоретиков верен, то еще предстоит выяснить более глубокую природу такого физического отождествления: поля и одного из измерений пространства. Этот результат можно выразить в виде нового принципа эквивалентности: величина физического поля эквивалентна измерению пространства . Но, как нетрудно видеть, и здесь остается много вопросов. Любое поле эквивалентно любому измерению? Если нет, то какова более конкретная формулировка эквивалентности? Имеет ли какую-то физическую содержательную выделенность именно 11-е измерение пространства? Не скрыто ли за такой эквивалентностью чего-то большего, какого-то нового физического содержания? И т. д.

Онтология свернутых размерностей. В теории струн продолжается развитие идеи Калуцы о многомерности пространства и свернутом (компактифицированном) характере дополнительных измерений, которые, тем не менее, приводят к наблюдаемым физическим эффектам. Но обязательно ли все дополнительные измерения должны быть свернуты? Выбор свернутого характера измерений объясняет их ненаблюдаемость и дает возможность математического описания. Но является ли компактификация единственной возможностью? Дополнительные измерения или даже параллельные миры в принципе могли бы существовать и в несвернутом виде. Весь вопрос в том, как объяснить их ненаблюдаемость и научиться эффективно описывать.

В частности, причина 3-мерности пространства может заключаться в том, что трехмерен сам наблюдатель. Если бы он был другой пространственно-геометрической природы, например, был бы пространственно 4-мерным, то, возможно, он бы воспринимал окружающее его пространство также 4-мерным. Эту гипотезу можно рассматривать как своеобразное расширение антропного принципа: пространство таково (а именно 3-мерно) именно потому, что 3-мерен существующий в нем человек.

О поиске новых принципов . Философа науки не может не радовать тот факт, что крупные физики при работе над созданием теории, не забывают о концептуальных вещах. Так, Б. Грин в своих книгах неоднократно и настойчиво призывает искать некий фундаментальный принцип в теории струн: «… является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более широкого принципа, – возможно, но необязательно, принципа симметрии, – в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания данной книги ответ на этот вопрос никому не известен». Он выражает надежду, что подобный принцип существует: «… центральный организующий принцип, который охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного универсального и систематического подхода, который делает существование каждого ингредиента абсолютно неизбежным, все еще не найден. Открытие этого принципа было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно, раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно, нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция физики в течение последнего столетия дает теоретикам основания надеяться, что он все-таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории струн, нахождение ее «принципа безальтернативности» – той базовой идеи, из которой вся теория появится с необходимостью, – имеет высший приоритет». Подобная точка зрения в своеобразной форме поддерживаются и С. Вайнбергом. С его точки зрения, «Хотя и нетрудно представить окончательную теорию, которая не имеет объяснений с помощью более глубоких принципов, очень трудно вообразить окончательную теорию, которая не нуждается в таком объяснении».

Материал является частью статьи:

Эрекаев квантовой космологии // Современная космология: философские горизонты. - М

Среди них: теория суперструн, петлевая теория квантовой гравитации, модели динамической триангуляции, модели исчислений Редже, модели причинных множеств, теория твисторов, некоммутативная геометрия, модели, инспирированные физикой конденсированного состояния, индуцированная гравитация и др.

Обширные списки литературы по этим вопросам можно посмотреть, например, в уже упоминавшихся книгах Б. Грина.

См. уже цитированные выше слова С. Хокинга, а также: Фортов состояния вещества на Земле и в космосе. – Успехи физических наук. – 2009. - Т. 179, № 6. – с. 653-687.

Описание создания теории струн и ее особенности можно прочитать в книгах, вышедших у нас:

1) Вайнберг С. Мечты об окончательной теории (краткое изложение)

2) Грин Б. Элегантная Вселенная

3) Грин Б. Ткань космоса

Сегодня уже можно говорить о том, что это утверждение не является общепринятым, поскольку струна является частным случаем р-бран , т. е. 1-браной.

Achucarro A., Martins C. J.A. P. Cosmic strings – arXiv: 0811.1277. – Vol.1. – 8 Nov, 2008; Мейерович свойства космических струн. – Успехи физических наук. – Т.171., №10. – 2001. – С..

Последнее представляет собой одну из проблем теории. Критический анализ теории струн можно посмотреть, например, в: Смолин Л. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует. - Penguin Book, London, 2007. – Перевод и в других работах.

С. Вайнберг: «Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния…» (Мечты об окончательной теории. – с.166).

«Струны представляют собой материальные объекты …». Венециано Г. Миф о начале времен – В мире науки. – 2www. *****/article/2296).

Правда, теперь уже предикат элементарности переходит к самим струнам.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. – М., 2004. – с. 167 .

Эти слова принадлежат А. Уилеру.

Эта программа ведет свое начало с программной статьи В. Клиффорда и имеет богатую историю.

Современная фундаментальная физика, по-видимому, должна уже все более определеннее подчеркивать антропоморфную природу своего наблюдателя, который является ее же источником. К этому, в том числе, подталкивает одна из достаточно фундаментальных исследовательских дисциплин – поиск новых форм жизни во Вселенной, в частности, в рамках продолжающегося проекта SETI.

Polchinski J. Dirichlet Branes and Ramond-Ramond Charges - Phys. Rev . Lett. , 75(26): 4724

Грин Б. Элегантная Вселенная – М., 2005. - с.242

В данном случае не важно, каковы масштабы этой локальности.

Этот вариант возможен только в указанном выше случае возможной тотальной квантовой природы Вселенной, включая современное крупномасштабное ее состояние.

А в инфляционном сценарии она должна быть еще глобальнее (масштабнее) и действовать в пределах всего инфляционно раздутого метапространства.

Так обстоит дело, по крайней мере, в рамках квантовой теории поля.

И браны в последних версиях ТСС.

Калуца предложил рассматривать 5-е свернутое измерение как источник электрического заряда.

Не исключено, что он таковым и является, а может быть даже и большего числа измерений.

Грин Б. Элегантная Вселенная – М., 2005. – с.241.

Там же. – С.242.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории – М., 2004. - с.184.

Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна? Как между собой соотносятся струны и геометрия пространства-времени?

Струны и гравитоны

Проще всего представить себе струну, путешествующую в плоском d-мерном пространстве-времени это представить себе, что она путешествует в пространстве в течении некоторого времени. Струна представляет собой одномерный объект, так что если вы решите попутешествовать вдоль струны, вы сможете путешествовать только вперед или назад вдоль струны, для нее не существует других направлений типа верха или низа. Однако в пространстве сама струна вполне может двигаться как угодно, хоть и вверх или вниз, и в своем движении в пространстве-времени струна покрывает поверхность, именуемую мировым листом струны (прим. перев. название образовано по аналогии с мировой линией частицы, частица - 0-мерный объект), представляющую собой двумерную поверхность у которой одно измерение пространственно а второе - временное.

Мировой лист струны является ключевым понятием ко всей физике струны. Путешествуя в d-мерном пространстве-времени, струна осциллирует. С точки зрения самого двумерного мирового листа струны эти осцилляции можно представить как колебания в двумерной квантово-гравитационной теории. Для того, чтобы сделать эти квантованные осцилляции согласованными с квантовой механикой и специальной теорией относительности, число пространственно-временных измерений должно быть равно 26 для теории, содержащей только силы (бозоны) и 10 для теории, содержащей как силы, так и материю (бозоны и фермионы).
Так откуда же берется гравитация?

Если струна, путешествующая через пространство-время замкнута, то среди других осцилляций в ее спектре будет частица со спином, равным 2 и нулевой массой, это и будет гравитон , частица, являющаяся переносчиком гравитационного взаимодействия.
А там, где гравитоны, должна быть и гравитация . Так где же гравитация в струнной теории?

Струны и геометрия пространства-времени

Классическая теория геометрии пространства-времени которую мы называем гравитацией, базируется на уравнении Эйнштейна, которое связывает между собой кривизну пространства-времени с распределением вещества и энергии в пространстве-времени. Но как уравнения Эйнштейна появляются в теории струн?
Если замкнутая струна путешествует в искривленном пространстве-времени, то ее координаты в пространстве-времени "чувствуют" эту кривизну при движении струны. И опять же, ответ лежит на мировом листе струны. Для того, чтобы быть согласованной с квантовой теорией, искривленное пространство-время в этом случае должно быть решением уравнений Эйнштейна.

И еще кое-что, что стало очень убедительным результатом для струнщиков. Струнная теория предсказывает не только существование гравитона в плоском пространстве-времени, но и то, что уравнения Эйнштейна должны выполняться в искривленном пространстве-времени, в котором распространяется струна.

Что по поводу струн и черных дыр?

Черные дыры являются решениями уравнения Эйнштейна, так что струнные теории, содержащие гравитацию также предсказывают существование черных дыр. Но в отличие от обычной Эйнштейновской теории относительности в теории струн значительно больше всяких интересных симметрий и типов материи. Это приводит к тому, что в контексте струнных теорий черные дыры сильно интересней, поскольку там их значительно больше и они более разнообразны.

Пространство-время фундаментально?

Однако не все так просто в соотношениях между струнами и пространством-временем. Струнная теория не предсказывает, что уравнения Эйнштейна выполняются абсолютно точно . Связано это с тем, что струнная теория добавляет бесконечный ряд поправок к теории гравитации. При "нормальных условиях", когда мы работаем с расстояниями много больше размеров струны, большая часть этих поправок пренебрежимо мала. Но с уменьшением масштабов величины поправок начинают быстро расти до тех пор, пока уравнения Эйнштейна не перестают адекватно описывать результат .
Вообще говоря, когда эти поправочные члены становятся большими, уже нет и геометрии пространства-времени, которая бы гарантировала описание результата. Уравнения для определения геометрии пространства-времени становится невозможным решить за исключением нескольких частных случаев с очень строгими условиями на симметрии, типа ненарушенной симметрии, при которой большие поправочные члены можно либо сократить друг с другом или, на худой конец, уменьшить.
Это некоторая особенность теории струн, что в ней, возможно, геометрия пространства-времени не есть нечто фундаментальное, а есть нечто, что появляется в теории на больших масштабах или при слабой связи. Однако это больше философский вопрос.

Ответ из теории струн

Что такое энтропия черной дыры?

Двумя важнейшими термодинамическими величинами являются температура и энтропия . С температурой каждый знаком по болезням, прогнозам погоды, горячей пище и т.д. А вот понятие энтропии довольно далеко от повседневной жизни большинства людей.

Рассмотрим сосуд, заполненный газом некой молекулы М. Температура газа в сосуде является показателем средней кинетической энергии молекул газа в сосуде. Каждая молекула как квантовая частица обладает квантованным набором энергетических состояний, и если мы понимаем квантовую теорию этих молекул, то теоретики могут посчитать количество возможных квантовых микросостояний этих молекул и получить некое число в ответ. Энтропией называют логарифм этого числа .

Можно предположить, что между теорией гравитации внутри черной дыры и калибровочной теорией имеется только частичное соответствие. В этом случае черная дыра может захватывать информацию навсегда – или даже переправлять информацию в новую вселенную, рождающуюся из сингулярности в центре черной дыры (Джон Арчибальд Уилер и Брюс Де Витт). Так что информация, в конце концов, не теряется с точки зрения ее жизни в новой вселенной, но информация теряется навсегда для наблюдателя на границе черной дыры. Эта потеря возможна, если калибровочная теория на границе содержит только частичную информацию про внутренности дыры. Однако можно предположить, что соответствие между двумя теориями точное. Калибровочная теория не содержит ни горизонта, ни сингулярности, и нет места, в котором информация могла бы потеряться. Если это точно соответствует пространству-времени с черной дырой, информация не может потеряться и там тоже. В первом случае наблюдатель теряет информацию, во втором – он сохраняет ее. Эти научные предположения требуют дальнейшего исследования.

Когда стало ясно, что черные дыры испаряются квантовым образом , также выяснилось, что черные дыры обладают термодинамическими свойствами, схожими с температурой и энтропией. Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, так что в процессе испарения черная дыра становится все горячее и горячее.

Энтропия черной дыры равна одной четвертой от площади ее горизонта событий, так что энтропия становится все меньше и меньше при испарении черной дыры, так как горизонт становится меньше и меньше в процессе испарения. Однако в струнной теории пока что нет ясного соотношения между квантовыми микросостояниям квантовой теории и энтропией черной дыры.

Существует обоснованная надежда о том, что такие представления претендуют на полное описание и объяснение явлений, протекающих в черных дырах, так как для их описания используется теория суперсимметрии, которая играет в теории струн фундаментальную роль. Струнные теории, построенные вне суперсимметрии, содержат нестабильности, которые будут неадекватны, эмитируя все больше и больше тахионов в процессе, который не имеет конца, пока теория не разрушится. Суперсимметрия ликвидирует такое поведение и стабилизирует теории. Однако суперсимметрия подразумевает, что имеется симметрия во времени, значит, суперсимметричная теория не может быть построена на пространстве-времени, которое эволюционирует во времени. Таким образом, аспект теории, требуемый для ее стабилизации, также делает ее трудной для изучения вопросов, связанных с проблемами квантовой теории гравитации (например, что происходило во вселенной сразу после Большого Взрыва или, что происходит глубоко внутри горизонта черной дыры). В том и другом случае «геометрия» быстро эволюционирует во времени. Эти научные проблемы требуют своего дальнейшего исследования и разрешения.

Черные дыры и браны в струнной теории

Черная дыра это объект, который описывается геометрией пространства-времени и представляющий собой решение уравнения Эйнштейна. В струнной теории на больших масштабах решения уравнения Эйнштейна модифицируются очень небольшими поправками. Но, как мы выяснили выше, геометрия пространства-времени не является фундаментальным понятием в рамках струнной теории , кроме того, соотношения дуальностей предлагают альтернативное описание на малых масштабах или при сильной связи той же самой системы, только выглядеть оно будет совсем по-другому.

В рамках теории суперструн существует возможность изучения черных дыр благодаря бранам. Под браной понимают фундаментальный физический объект (протяжённая p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). Виттен, Таунсенд и др. физики добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений. Двумерные объекты называются мембранами, или 2-бранами, трехмерные – 3-бранами, структуры с размерностью p – p-бранами. Именно браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории суперструн. Если установить струнную константу связи на нуле, то можно теоретически «выключить» гравитационную силу. Это позволяет рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Браны переносят электрические и магнитные заряды (имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны). Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными (они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления). Экстремальными черными дырами называются такие дыры, в которых имеется максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной. Изучая термодинамику экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Специальным типом черных дыр, которые очень важны в струнной теории, являются так называемые BPS черные дыры . BPS черная дыра обладает как зарядом (электрическим и/или магнитным) и массой, и при этом масса и заряд связаны соотношением, выполнение которого приводит к ненарушенной суперсимметрии в пространстве-времени вблизи черной дыры. Эта суперсимметрия очень важна, поскольку она приводит к исчезновению кучи расходящихся квантовых поправок, что позволяет получить точный ответ о физике вблизи горизонта черной дыры простыми вычислениями.

В предыдущих главах мы выяснили, что в струнной теории есть объекты, называемые p-браны и D-браны . Так как точку можно считать нуль-браной , то естественным обобщением черной дыры будет черная p-брана . Кроме того, полезным объектом является BPS черная p-брана .

Кроме того, существует соотношение между черными p-бранами и D-бранами. При больших величинах заряда геометрия пространства-времени хорошо описывается черными p-бранами. Но если заряд мал, то система может быть описана набором слабовзаимодействующих D-бран .

В этом пределе слабо-связанных D-бран, при выполнении BPS-условий, можно вычислить число возможных квантовых состояний. Этот ответ зависит от зарядов D-бран в системе.

Если вернуться назад к геометрическому пределу эквивалентности черной дыры системе p-бран с такими же зарядами и массами, можно обнаружить, что энтропия системы D-бран соответствует вычисленной энтропии черной дыры или p-браны как площадь горизонта событий .

>

Для струнной теории это был просто фантастический результат. Но означает ли это, что именно D-браны ответственны за фундаментальные квантовые микросостояния черной дыры, лежащие в основе термодинамики черных дыр? Вычисления с помощью D-бран просто выполнять лишь для случая суперсимметричных BPS черных объектов. Большая часть черных дыр во Вселенной несут очень маленький электрический или магнитный заряды (если вообще несут), и, вообще говоря, довольно далеки от BPS-объектов. И до сих пор это не разрешенная задача - вычислить энтропию черной дыры для таких объектов, используя формализм D-бран.

Что было до Большого Взрыва?

Все факты говорят о том, что Большой Взрыв был-таки. Единственное, что можно спросить для уточнения или для определения более четких границ между физикой и метафизикой, так это что же было до Большого Взрыва?

Физики определяют границы физики описывая их теоретически и потом сравнивая результаты своих предположений с наблюдательными данными. Наша Вселенная, которую мы наблюдаем, очень хорошо описывается как плоское пространство с плотностью, равной критической, темной материей и космологической постоянной, добавленным к наблюдаемому веществу, которая будет расширяться вечно.

Если мы продолжим эту модель назад в прошлое, когда когда Вселенная была очень горячей и очень плотной, доминировало в ней излучение, то необходимо понять физику элементарных частиц, которая работала тогда, при тех плотностях энергии. Понимание физики элементарных частиц с точки зрения экспериментов очень плохо помогают уже при энергиях порядка масштаба электрослабого объединения, и физики-теоретики разрабатывают модели, выходящие за рамки Стандартной Модели физики элементарных частиц, такие, как Теории Большого Объединения, суперсимметричные, струнные модели, квантовая космология.

Такие расширения Стандартной модели необходимы из-за трех серьезных проблем Большого Взрыва:
1. проблема плоскостности
2. проблема горизонта
3. проблема космологических магнитных монополей

Проблема плоскостности

Судя по результатам наблюдений, в нашей Вселенной плотность энергии всего вещества, включая темную материю и космологическую постоянную, с хорошей точностью равна критической, из чего следует, что пространственная кривизна должна быть равна нулю. Из уравнений Эйнштейна следует, что любое отклонение от плоскостности в расширяющейся Вселенной, заполненной только обычным веществом и излучением, только увеличивается с расширением Вселенной. Таким образом, даже очень небольшое отклонение от плоскостности в прошлом должно быть очень большим сейчас. По результатам наблюдений сейчас отклонение от плоскостности (если оно есть) очень мало, то значит в прошлом, на первых стадиях Большого Взрыва оно было еще на много порядков меньше.

Почему Большой Взрыв начался с таким микроскопическим отклонением от плоской геометрии пространства? Эта проблема называется проблемой плоскостности космологии Большого Взрыва.

Независимо от физики, которая предшествовала Большому Взрыву, она перевела Вселенную в состояние с нулевой пространственной кривизной. Таким образом, физическое описание того, что предшествовало Большому Взрыву, должно решить проблему плоскостности.

Проблема горизонта

Космическое микроволновое излучение представляет собой охлажденные остатки излучения, которое "главенствовало" во Вселенной во время радиационно-доминированной стадии Большого Взрыва. Наблюдения космического микроволнового фонового излучения показывают, что оно удивительно одинаково во всех направлениях, или, как говорят, это очень хорошо изотропное тепловое излучение. Температура этого излучения составляет 2.73 градуса Кельвина. Анизотропия этого излучения очень мала.

Излучение может быть таким однородным только в одном случае - если фотоны очень хорошо "перемешаны", или находятся в тепловом равновесии, посредством столкновений. И это все представляет собой проблему для модели Большого Взрыва. Частицы, которые сталкиваются, не могут передавать информацию со скоростью больше, чем скорость света. Но в расширяющейся Вселенной, в которой мы живем, фотоны, движущиеся со скоростью света, не успевают долететь от одного "края" Вселенной до другого за время, необходимое для формирования наблюдаемой изотропии теплового излучения. Размер горизонта представляет собой расстояние, которое может пройти фотон; Вселенная же при этом расширяется.

Сегодняшний размер горизонта во Вселенной слишком мал для объяснения изотропии реликтового излучения, для того, чтобы она формировалась естественным образом путем перехода в тепловое равновесие. Это и есть проблема горизонта.

Проблема реликтовых магнитных монополей

Когда мы на Земле экспериментируем с магнитами, у них всегда есть два полюса, Северный и Южный. И если разрезать магнит пополам, то в результате не будет у нас магнит с только Северным и магнит с только Южным полюсами. А будут у нас два магнита у каждого из которых будет по два полюса - Северному и Южному.
Магнитным монополем был бы такой магнит, у которого был бы только один полюс. Но магнитных монополей никто никогда не видел. Почему же?
Этот случай довольно сильно отличается от случая электрического заряда, где можно легко разделить заряды на положительный и отрицательный так, что на одном краю будут только положительные, а на другом только отрицательные.

Современные теории типа теорий Большого Объединения, суперструнных теорий предсказывают существование магнитных монополей, а в совокупности с теорией относительности получается, что в процессе Большого Взрыва их должно производиться очень много , настолько, что их плотность может превысить наблюдаемую плотность в тысячу миллиардов раз.

Однако пока экспериментаторы не нашли ни одного.

Это третий мотив искать выход за пределами Большого Взрыва - нам необходимо объяснить, что же происходило во Вселенной когда та была очень маленькой и очень горячей.

Инфляционная Вселенная?

Вещество и излучение гравитационно притягиваются, так что в максимально симметричном пространстве, заполненном материей, гравитация неизбежно заставит расти и уплотняться любые неоднородности материи. Именно этим путем водород из формы газа перешел в форму звезд и галактик. Но энергия вакуума обладает очень сильным вакуумным давлением, и это давление вакуума сопротивляется гравитационному коллапсу, эффективно действуя как отталкивающая гравитационная сила, антигравитация. Давление вакуума разглаживает неоднородности, и делает пространство более плоским и однородным в процессе расширения.

Таким образом, одним из возможных решений проблемы плоскостности было бы такое, при котором наша Вселенная проходила бы через стадию, на которой доминировала бы плотность энергии вакуума (и, таким образом, его давление). Если эта стадия имела место быть до радиационно-доминированной стадии, то к началу эволюции на радиационно-доминированной стадии Вселенная уже должна была быть плоской с очень высокой степенью, настолько плоской, чтобы после роста возмущений на радиационно-доминированной стадии и стадии доминирования вещества нынешняя плоскостность Вселенной удовлетворяла наблюдательным данным.

Решение проблемы плоскостности такого типа было предложено в 1980г. космологом Аланом Гусом (Alan Guth). Модель же называется Инфляционной Вселенной . В рамках инфляционной модели наша Вселенная в самом начале своей эволюции представляет собой расширяющийся пузырь чистой энергии вакуума, безо всякого иного вещества или излучения. После быстрого периода расширения, или инфляции, и быстрого охлаждения, потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение. Вселенная опять нагревается и мы получаем начало стандартного Большого Взрыва.

Таким образом, инфляционная стадия, предшествовавшая Большому Взрыву, может объяснить, как Большой Взрыв может начаться с такой равной нулю с такой высокой точностью пространственной кривизной, такой, что Вселенная все еще остается плоской.

Инфляционные модели также решают и проблему горизонта. Давление вакуума ускоряет расширение пространства во времени, таким образом, фотон может пройти значительно большее расстояние, нежели во Вселенной, заполненной веществом. Иными словами, сила притяжения, действующая со стороны вещества на свет, в некотором смысле замедляет его, так же, как оно замедляет и расширение пространства. На инфляционной стадии, расширение пространства ускоряется вакуумным давлением космологической постоянной, что приводит к тому, что свет движется быстрее, поскольку и само пространство расширяется быстрее.

Если в истории нашей Вселенной действительно была инфляционная стадия, предшествовавшая радиационно-доминированной стадии, то к концу инфляции свет мог обойти всю Вселенную. Таким образом, изотропия реликтового излучения больше не является проблемой Большого Взрыва.

Инфляционная модель решает также и проблему магнитных монополей, поскольку в теориях, в которых они возникают, должен быть один монополь на пузырь вакуумной энергии. А это означает, что один монополь на всю Вселенную.

Вот почему теория инфляционной Вселенной наиболее популярна среди космологов как теория того, что предшествовало Большому Взрыву.

Как работает инфляция?

Энергия вакуума, которая движет быстрое расширение Вселенной во время инфляционной стадии, берется из скалярного поля, которое появляется в результате спонтанного нарушения симметрии в рамках некоторых обобщенных теорий элементарных частиц, таких, как Теория Великого Объединения или струнная теория.

Это поле иногда называют инфлатоном . Среднее значение инфлатона при температуре T это величина в минимуме его потенциала при температуре T. Положение этого минимума меняется с изменением температуры, как показано на анимации выше.

Для температуры T выше некоторой критической температуры T crit , минимумом потенциала будет его ноль. Но при уменьшении температуры потенциал начинает изменяться и появляется второй минимум с ненулевой температурой. Такое поведение называют фазовым переходом, также, как пар охлаждается и конденсируется в воду. Для воды критическая температура T crit для этого фазового перехода равна 100 градусов Цельсия что эквивалентно 373 градусам Кельвина.
Два минимума в потенциале отражают две возможные фазы состояния поля инфлатона во Вселенной при температуре, равной критической. Одной фазе отвечает минимум поля f =0, а другая фаза представлена вакуумной энергией если в основном состоянии f =f 0 .

В соответствии с инфляционной моделью, при критической температуре в пространство-время начинает переходить из одного минимума в другой под действием этого фазового перехода. Но этот процесс неравномерен, и всегда остаются регионы, в которых старый "ложный" вакуум остается еще долгое время. Это называется суперохлаждением, из аналогии с термодинамикой. Эти регионы с ложным вакуумом расширяются экспоненциально быстро и вакуумная энергия этого ложного вакуума является с хорошей точностью постоянной (космологической постоянной) во время этого расширения. Этот процесс и называется инфляцией и именно он и решает проблемы плоскостности, горизонта и монополей.

Этот регион с ложным вакуумом расширяется до тех пор, пока рождающиеся и сливающиеся пузыри новой фазы с f =f 0 заполнят всю Вселенную и таким образом не завершат инфляцию естественным образом. Потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение, и Вселенная продолжает эволюционировать согласно модели Большого Взрыва, описанной выше.

Тестируемые предсказания?

Всегда приятно, когда есть предсказания теории, которые можно непосредственно проверить, и у инфляционной теории есть предсказания по поводу возмущений плотности, которые нашли отражения в космическом микроволновом излучении. Инфляционный пузырь состоит из расширяющегося с ускорением вакуума. В этом ускоряющемся вакууме температурные возмущения скалярного поля очень малы и примерно одинаковы на всех масштабах, поэтому можно сказать, что возмущения имеют Гауссово распределение. Это предсказание удовлетворяет нынешним наблюдательным данным и будет еще более надежно проверено в будущих экспериментах, связанных с реликтовым излучением.

Таким образом, решены все проблемы?

Но несмотря на предсказания, о которых шла речь выше и их подтверждения, инфляция, описанная выше все еще далека от идеальной теории. Инфляционную стадию не так просто остановить, а проблема монополей поднимается в физике не только в связи с инфляцией. Многие предположения, используемые в теории, такие, как высокая начальная температура первичной фазы или единость инфляционного пузыря вызывают много вопросов и недоумений, так что наравне с инфляцией разрабатываются и альтернативные теории.

Нынешние инфляционные модели уже далеко ушли от изначальных предположений об одной инфляции, которая дала жизнь одной Вселенной. В нынешних инфляционных моделях от "основной" Вселенной могут "отпочковываться" новые Вселенные и уже в них будет происходить инфляция. Такой процесс называют вечной инфляцией .

При чем же тут струнная теория?

Фактором, сильно затрудняющим понимание струнной космологии, является понимание струнных теорий. Струнные теории и даже М-теория являются лишь предельными случаями некой большей, более фундаментальной теории.
Как уже было сказано, струнная космология задает несколько важных вопросов:
1. Может ли струнная теория сделать какие-либо предсказания, касающиеся физики Большого Взрыва?
2. Что происходит с дополнительными измерениями?
3. Есть ли инфляция в рамках струнной теории?
4. Что может струнная теория рассказать о квантовой гравитации и космологии?

Струнная космология низких энергий

Большая часть материи во Вселенной находится в форме неизвестной нам темной материи. Одним из основных кандидатов на роль темной материи являются так называемые вимпы , слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP - W eakly I nteracting M assive P article). Основным же кандидатом на роль вимпа является кандидат от суперсимметрии. Минимальная Суперсимметричная Стандартная Модель (МССМ, или в англ. транскрипции MSSM - M inimal S upersymmetric S tandard M odel) предсказывает существование частицы со спином 1/2 (фермиона) называемого нейтралино , являющегося фермионным суперпартнером электрически нейтральных калибровочных бозонов и Хиггсовских скаляров. Нейтралино должны иметь большую массу, но при этом очень слабо взаимодействовать с другими частицами. Они могут составить значительную часть плотности во Вселенной и при этом не излучать свет, что делает их хорошим кандидатом на роль темной материи во Вселенной

Струнные теории требуют суперсимметрию, так что в принципе, если нейтралино будут открыты и окажется, что именно из них и состоит темная материя, это было бы неплохо. Но если суперсимметрия не нарушена, то фермионы и бозоны тождественно равны друг другу, а это не так в нашем мире. Действительно сложной частью всех суперсимметричных теорий является то, как нарушить суперсиметрию, но при этом не потерять все те преимущества, которые она дает.

Одной из причин, почему физики-струнщики и физики-элементарщики любят суперсимметричные теории, является то, что в рамках суперсимметричных теорий получается нулевая полная энергия вакуума, поскольку фермионный и бозонный вакуумы взаимосокращают друг друга. А если суперсимметрия нарушена, то бозоны и фермионы уже не тождественны друг другу, и такого взаимосокращения уже не происходит.

Из наблюдений далеких сверхновых с хорошей точностью следует, что расширение нашей Вселенной (по крайнем мере сейчас) ускоренно из-за присутствия чего-либо типа энергии вакуума или космологической постоянной. Так что независимо от того, как суперсимметрия была нарушена в струнной теории, необходимо, чтобы в итоге получалось "правильное" количество энергии вакуума для описания нынешнего ускоренного расширения. И это вызов теоретикам, поскольку пока все способы нарушения суперсимметрии дают слишком много вакуумной энергии.

Космология и дополнительные измерения

Струнная космология очень запутана и сложна в основном из-за присутствия шести (или даже семи в случае М-теории) дополнительных пространственных измерений, которые требуются для квантовой согласованности теории. Дополнительные измерения представляют собой вызов уже и в рамках самой струнной теории, а с точки зрения космологии эти дополнительные измерения эволюционируют в соответствии с физикой Большого Взрыва и того, что было до него. Тогда что же удерживает дополнительные измерения от того, чтобы расшириться и стать такими же большими, как три наши пространственных измерения?

Однако есть поправочный фактор к поправочному фактору: суперструнная дуальная симметрия известная как T-дуальность. Если пространственное измерение свернуто до окружности радиуса R, результирующая струнная теория окажется эквивалентной другой другой струнной теории с пространственным измерением, свернутым до окружности радиуса L st 2 /R, где L st это струнный масштаб длин. Для многих из этих теорий, когда радиус дополнительного измерения удовлетворяет условию R = L st , струнная теория получает дополнительную симметрию с некоторыми массивными частицами, которые становятся безмассовыми. Это называется самодуальной точкой и она важна по многим другим причинам.

Эта дуальная симметрия приводит к очень интересному предположению относительно Вселенной до Большого Взрыва - такая струнная Вселенная начинается с плоского, холодного и очень маленького состояния вместо того, чтобы быть искривленной, горячей и очень маленькой . Эта ранняя Вселенная очень неустойчива и начинает коллапсировать и сжиматься, пока не достигает самодуальной точки, после чего она нагревается и начинает расширяться и в результате расширения приводит к нынешней наблюдаемой Вселенной. Преимуществом этой теории является то, что она включает описанное выше струнное поведение Т-дуальности и самодуальной точки, так что эта теория вполне является теорией струнной космологии.

Инфляция или столкновение гигантских бран?

Что струнная теория предсказывает по поводу источника вакуумной энергии и давления, необходимых для осуществления ускоренного расширения во время инфляционного периода? Скалярные поля, которые могли бы вызвать инфляционное расширение Вселенной, на масштабах Теории Большого Объединения могут оказаться вовлеченными в процесс нарушения симметрии на масштабах немного выше электрослабого, определения констант связи калибровочных полей, а может даже посредством них получается энергия вакуума для космологической постоянной. В струнных теориях есть составные части для построения моделей с нарушением суперсимметрии и инфляцией, но необходимо собрать все эти составные части так, чтобы они работали вместе, а это все еще, как говорят, в разработке.

Сейчас одной из альтернативных инфляции моделей является модель со столкновением гигантских бран , известная еще как Экпиротическая Вселенная или же Большой Хлопок . В рамках это модели все начинается с холодного, статичного пятимерного пространства-времени которое очень близко к тому, чтобы быть полностью суперсимметричным. Четыре пространственных измерения ограничены трехмерными стенами или три-бранами , и одна из этих стен и является пространством, в котором мы живем. Вторая брана сокрыта от нашего восприятия.

В соответствии с этой теорией, есть еще одна три-брана, "потерянная" где-то между двумя граничными бранами в четырехмерном объемлющем пространстве, и когда эта брана соударяется с браной, на которой мы живем, то выделяющаяся от этого столкновения энергия разогревает нашу брану и в нашей Вселенной начинается Большой Взрыв по правилам, описанным выше.

Это предположение достаточно ново, так что посмотрим, выдержит ли оно более точные проверки.

Проблема с ускорением

Проблема с ускоренным расширением Вселенной это фундаментальная проблема не только в рамках струнной теории, но даже и в рамках традиционной физики элементарных частиц. В моделях вечной инфляции ускоренное расширение Вселенной неограниченно. Это неограниченное расширение ведет к ситуации, когда гипотетический наблюдатель, вечно путешествующий по Вселенной, никогда не сможет увидеть части событий во Вселенной.

Граница между регионом, который наблюдатель сможет увидеть и тем, который он увидеть не сможет, называется горизонтом событий наблюдателя. В космологии горизонт событий подобен горизонту частиц, но за тем исключением, что он в будущем, а не в прошлом.

С точки зрения человеческой философии или внутренней согласованности Эйнштейновской теории относительности, проблемы космологического горизонта событий попросту нет. Ну и что что мы не сможем никогда увидеть некоторые уголки нашей Вселенной, даже если мы и будем жить вечно?

Но проблема космологического горизонта событий является основной технической проблемой в физике высоких энергий из-за определения релятивистской квантовой теории в терминах набора амплитуд рассеяния, называемого S-матрицей . Одним из фундаментальных предположений квантовых релятивистских теорий и теорий струн является то, что приходящие и уходящие состояния бесконечно разделены во времени, и что они, таким образом, ведут себя как свободные невзаимодействующие состояния.

Присутствие же горизонта событий предполагает конечную хокинговскую температуру, таким образом, условия для определения S-матрицы уже не могут быть выполнены. Отсутствие S-матрицы и есть та формальная математическая проблема, при этом она возникает не только в струнной теории, но так же и в теориях элементарных частиц.

Некоторые недавние попытки разрешить эту проблему привлекали квантовую геометрию и изменение скорости света. Но эти теории все еще в разработке. Однако большинство экспертов сходятся на том, что все можно разрешить без привлечения таких радикальных мер.

1

Рассматриваются 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»

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это - своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная.

Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители - цементом.

Теория струн - направление математической физики, изучающее динамику не точечных частиц, как большинство разделов физики, а одномерных протяжённых объектов, т.е. струн.
В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия - калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов.

Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия - например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10Е–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом - дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран - по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

Изучение свойств чёрных дыр

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.

Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.

Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры - энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, - и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.

Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».

Струнная космология

Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.

Модель Бранденберга и Вафы

В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.

В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.

Модель Венециано и Гасперини

После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований - Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический «эмбрион» планковских размеров.

Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны.

Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную.

Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано (в интервью 1998 г.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».

Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран. Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.