"Возможно ли образование Вселенной «из ничего»?"
Шрифт:
В квантовой теории движение вдоль Х4 или локализация частицы пр координате Х4 требуют гигантских энергии. Поэтому во всех опытах вплоть до самых больших энергий, 1017 или даже 1019 ГэВ (сравните с 103 ГэВ на ускорителях 80-х годов), нет движения по особой координате Х4 (или от Х4 до Х9). Теоретики говорят, что внизкоэнергетическом пределе пространство-время остается эффективно четырехмерным. Если к тому же ограничиваться размерами, малыми по сравнению с астрономическими, то пространство и время описываются старой доброй метрикой Минковского.
Схематичное
И тем не менее, введение в рассмотрение дополнительных измерений - Х4 в простейшем примере - не проходит бесследно. Можно рассмотреть малые изменения метрики, при которых координатная ось дополнительного измерения Х4 предполагается не перпендикулярной координатной сетке основных (макроскопических) измерений. Оказывается, что эффективно такое предположение эквивалентно появлению электромагнитного поля в обычном пространстве.
Увеличение числа компактифицированных ("свернутых") переменных с 1 до 6 или 7 (переход к 10-мерному исходному пространству-времени) дает возможность ввести не только электромагнитное поле, но и те поля (W±, Z°), которые описывают слабое взаимодействие, и поля (глюонные), которые описывают сильное взаимодействие. К тому же, теория суперсимметрии, объединяющая бозонные поля (такие, в частности, как электромагнитное) и фермионные поля (такие, как электрон-позитронное), тоже "геометрична", она вводит новые - удивительные, но геометрические переменные. Мечта А. Эйнштейна о геометризации всей физики сегодня представляется гораздо более реальной, чем это казалось всего 5 или 10 лет назад.
Но почему я пишу обо всем этом в космологической статье?
Первая (не самая главная) причина состоит в том, что мы, наконец, присутствуем при рождении теорий, для которых скалярные поля являются необходимым следствием. О значении скалярных полей уже говорилось - без них не было бы инфляционной Вселенной. Поляризация вакуума как источник энергии и отрицательного давления для инфляции (раздувания) Вселенной, есть тоже разновидность скалярного поля.
Однако более существен и более специфичен второй аспект влияния теорий с "лишними" измерениями на космологию. В момент рождения в замкнутом мире пространственные переменные X1, Х2, Х3 меняются в очень узких пределах порядка 0 < 2pа(t), где а(t) стремтся к 0 при t, стремящемся к 0. Естественно предположить в таком случае, что в действительности Вселенная рождается симметричной по всем пространственным переменным (размерность Д = 5 или выше). Разделение геометрических переменных на "внутренние", т. е. компактифицированные, Д = 4 переменные и на обычные геометрические три переменные и время происходит лишь позже. Это разделение представляет собой типичное спонтанное (самопроизвольное) нарушение симметрии! Первоначально мы имеем, например, 9-мерный "шар", все направления в котором эквивалентны, а позже 6 измерений застывают с а4– а9 (их характерные размеры порядка 10– 33 см) *, а три измерения растут экспоненциально и, в конце концов, становятся больше 5000 Мпк = 1028 см, т. е. больше всей наблюдаемой области Вселенной. Намерения у нас остались те же, что и раньше,- описать рождение Вселенной "из ничего". Однако конкретная реализация этого намерения становится совсем другой по сравнению с первыми вариантами.
* Размер 10– 33 см соответствует энергии 1019 ГэВ, при которой квантовые свойства гравитации становятся существенными. (Прим. ред.) *
Рождение симметричного мира с координатами X4 и X1, Х2, Х3
Итак, дальнейшее продвижение космологии требует коренного развития физики микромира. Не только "Великое объединение" разных взаимодействий, но и предстоящее "Самое великое объединение" микромира и космологии - такова наиболее фундаментальная и амбициозная программа конца XX века.
ПОСЛЕСЛОВИЕ
2 декабря 1987 г. скоропостижно скончался выдающийся советский физик академик Я.Б. Зельдович. Его 56-летняя необыкновенно плодотворная научная деятельность охватывает такие разнородные области, как химическая физика, теория элементарных частиц, работы по реактивному, ядерному и термоядерному оружию и - в последние 25 лет - по астрофизике и космологии. Очень велики заслуги Зельдовича как учителя молодых ученых, автора монографий, популярных статей и обзоров.
Об одном из них * особенно уместно здесь вспомнить, так как его тема недавно обсуждалась на страницах журнала **. Речь идет о так называемой "релятивистской теории гравитации" (РТГ), авторы которой пытаются противопоставить ее общей теории относительности Эйнштейна (ОТО). Зельдович и Грищук убедительно показали, что фактически речь идет об эквивалентной формулировке уравнений теории Эйнштейна, а не о новой теории. В РТГ вводится, наряду с искривленным пространством Римана, вспомогательное плоское пространство. Однако неправомерно интерпретировать величины, определенные в терминах этого пространства, в качестве наблюдаемых. Неправильно утверждение авторов РТГ о неоднозначности выводов ОТО. Необоснован и отказ от рассмотрения иных, чем у мира Минковского, топологических структур пространства-времени, в частности от рассмотрения космологической модели замкнутой Вселенной. Именно эта модель представляется наиболее правдоподобной. Она обсуждается в данной статье Зельдовича.
* Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, ОТО и альтернативные теории // Усп. физ. наук. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 695- 707.
** Логунов А. А. Релятивистская теория гравитации // Природа. 1987. № 1. С. 36-47.
Работы Зельдовича в значительной степени способствовали возникновению нового научного направления, лежащего на стыке теории элементарных частиц, астрофизики и космологии. Вся Вселенная при этом выступает в качестве гигантской лаборатории (или полигона) для проверки следствий современных теорий и гипотез о природе элементарных частиц и пространства, в том числе в той области энергий и масштабов, которые пока недоступны ускорителям.
Зельдович ставит задачу построения полной космологической теории ранней Вселенной, описывающей самую первую, "квантово-гравитационную" стадию расширяющейся Вселенной и отвечающей на вопрос - как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Полная космологическая теория глубочайшим образом связана с построением единой теории всех существующих взаимодействий элементарных частиц, т. е. электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных взаимодействий; как предполагается, такая теория должна включать глубокий пересмотр представлений о структуре пространства на так называемом квантово-гравитационном масштабе (это масштаб порядка 10– 33 см в пространстве и порядка 10– 44 с для возраста Вселенной), для которого необходимо рассматривать квантово-гравитационные эффекты. Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть, бесконечный...
Последняя статья Зельдовича, написанная, как всегда, очень живо, ясно и доходчиво, вводит читателя в эту волнующую, головокружительную проблематику.
Аргументация Зельдовича в статье сильна и убедительна. Все же само состояние нашего знания сегодня таково, что некоторые утверждения являются гипотетическими, и не исключено, что в действительности все обстоит иначе. Зельдович неоднократно повторяет это. Позволю себе со своей стороны добавить еще несколько замечаний в том же направлении.