Geum.ru

Ю. В. Александров вселенная и человек

Вид материалаЗакон

Содержание


Космология ранней Вселенной и создание единой теории поля
Подобный материал:
1   2   3

Космология ранней Вселенной и создание единой теории поля


Перед тем как перейти к последним событиям в развитии космологии, следует остановиться на структуре современного физического знания вот с какой точки зрения. Мы знаем сейчас три независимых мировых постоянных – гравитационную постоянную G, скорость света в вакууме с и постоянную Планка h. Поэтому возможны восемь принципиально различных физических теорий. Одна, не содержащая ни одной из этих постоянных. Три теории содержат по одной постоянной. Три включают по две постоянных. И, наконец, возможна одна теория, содержащая все три фундаментальные постоянные. Логическая связь между этими теориями показана на рис. 2. Шесть из этих теорий – ньютоновская механика, ньютоновская теория тяготения (G), специальная (с) и общая (с, G) теории относительности, квантовая механика (h) и релятивистская квантовая теория поля (с, h) с той или иной степенью завершенности уже построены. Интересна судьба теории (G, h), которая должна быть квантовой нерелятивистской теорией гравитации. Для нее просто нет предметной области в нашем мире вследствие малости постоянной тяготения (нужны достаточно большие массы) и чрезвычайной малости постоянной Планка (необходимы очень малые массы и относительно малые скорости).

Последняя теория (G, с, h) должна действовать при настолько больших энергиях элементарных частиц, что наряду с электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиями необходимо учитывать и гравитационное. Иными словами, это должна быть квантовая релятивистская теория гравитации. Она должна иметь дело одновременно со всеми четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Построение такой теории – это одна из самых “горячих точек” в современном естествознании. И находится эта “горячая точка” как раз на стыке физики элементарных частиц и космологии ранней Вселенной. Ее построение будет означать достижение определенной завершенности в развитии физики10).

В основе построения теории (G, с, h) лежит идея зависимости безразмерных констант фундаментальных взаимодействий от энергии взаимодействующих частиц (точнее говоря, от передаваемого при взаимодействии импульса). Указанная зависимость имеет такой характер, что с ростом энергий эти бегущие константы двух взаимодействий сравниваются и исчезает различие между этими взаимодействиями – происходит их объединение. Схематически это показано на рис. 3. Перспективность этой идеи доказана созданием теории электрослабого взаимодействия. Но при этом физикам повезло в том смысле, что энергия, при которой происходит объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, имеет значение около 100 ГэВ. А такая энергия достигается в современных ускорителях на встречных пучках, и, тем самым, эту теорию удалось проверить экспериментально. Однако самые предварительные оценки того, когда происходит так называемое великое объединение (электрослабого и сильного взаимодействий – GU), дают величину примерно в 1015 ГэВ. А суперобъединения (объединение электрослабого+сильного взаимодействия с гравитационным SU) можно ожидать при энергиях частиц порядка планковской массы – 1019 ГэВ. Эти энергии лежат далеко за пределами технических возможностей человечества не только сегодня, но и в отдаленном будущем. Это обстоятельство и приводит к тесному единству проблем физики сверхвысоких энергий и космологии ранней Вселенной. В этом единстве есть объективный онтологический аспект – то, что энергии, необходимые для великого и суперобъединения, реализуются только на начальных стадиях эволюции нашей Вселенной – в соответствующие моменты времени t(GU)=10-35c и t(SU)=10-43с. Субъективный гносеологический аспект состоит в том, что единственным путем, хотя и весьма опосредованным, проверки теорий великого и суперобъединений является анализ процессов на этих ранних этапах эволюции Вселенной и наблюдение их последствий в нынешней Вселенной. Как говорил академик Я. Б. Зельдович, “ранняя Вселенная – это природный ускоритель для бедного человечества”.

С давних времен важной формой поиска закономерностей и гармонии в окружающем нас мире было выявление в нем тех или иных симметрий. Наиболее известны геометрические симметрии (например, между правым и левым, верхом и низом). На этом пути поиска симметрий удалось подойти к пониманию существенных свойств физических явлений в мире элементарных частиц. Если идти от самых больших значений энергии к меньшим, т.е. как раз в направлении, в котором эволюционирует наша Вселенная, то вырисовывается следующая картина. При энергиях, не меньших энергии суперобъединения, реализуется самая высокая степень симметрии. Она проявляется в том, что все частицы подчиняются одному универсальному взаимодействию и находятся в состоянии непрерывного превращения друг в друга. Они существуют только виртуально, т.е. только то время, которое определяется соотношением неопределенностей Гейзенберга. А так как энергии частиц очень велики, то это время чрезвычайно мало. Смесь таких виртуальных частиц образует среду, получившую название физического вакуума. При уменьшении средней энергии частиц эта высокая степень симметрии нарушается – единое до этого взаимодействие расщепляется на два различных. А элементарные частицы подразделяются на классы по их отношению к этим взаимодействиям. Происходит разделение на частицы, принимающие или не принимающие участие в данном взаимодействии (фермионы), или являющиеся его носителями (т.е. квантами соответствующего физического поля – бозонами). Так в ходе последовательных нарушений симметрии возникли кварки и глюны11), адроны и лептоны, электрозаряженные и электронейтральные частицы, фотоны. Таким образом, на пути, проложенном Г. А. Гамовым, всматриваясь во все более далекое прошлое нашей Вселенной, удалось приблизиться к восстановлению единой физической картины мира.

Оказалось, что физический вакуум описывается весьма странным на первый взгляд уравнением состояния –p = –. Отрицательное давление в нем и стало той причиной, которая вызвала расширение Вселенной, причем по экспоненциальному закону. Эта инфляционная стадия развития Вселенной12) закончилась тогда, когда фазовый переход в физическом вакууме привел к нарушению симметрии великого объединения и образованию адронов из кварков. А чрезвычайно большое увеличение размеров Вселенной за время инфляционной стадии позволяет снять парадокс горизонта и ряд других парадоксов последующих фридмановских стадий ее эволюции.

В последнее время удалось подойти к решению и такого сложного вопроса, как поведение Вселенной при планковских масштабах13) ее возраста и размеров, когда Вселенная в целом была объектом гравитирующим и одновременно квантовым. Здесь как раз и нужна квантовая теория гравитации (G, c, h). Удалось подойти к преодолению основных трудностей в создании такой теории, связанных с разными основаниями квантовой физики и ОТО (природа тяготения в ОТО имеет геометрический характер, а квантовая теория имеет дело с физическими полями). Оба этих подхода удается объединить в рамках следующей схемы. Рассматривается многомерная планковская Вселенная, в которой происходят квантовые флуктуации ее не только метрических, но и топологических свойств, в частности, числа размерностей пространства. В ходе эволюции Вселенной эти флуктуации отделяются и начинают расширяться, и то состояние, в котором они пребывали в это время, фиксируется. При этом часть размерностей проявляет себя как размерности пространства-времени, расширение которого и составляет метрическую эволюцию той мини-Вселенной, в которую превращается данная флуктуация. А другая часть размерностей пространства остается в свернутом (компактифицированном) состоянии и проявляет себя как физические взаимодействия, порождая соответствующие физические поля.