Единая теория, космология и тому подобное

В ХХ в. необычайно расширились границы научного познания в физике. Наши представления о пространстве, времени и тяготении полностью изменились благодаря специальной и общей теориям относительности Эйнштейна. Совершив еще более радикальный разрыв с прошлым, квантовая механика изменила сам язык, который мы используем для описания природы: вместо того, чтобы говорить о частицах, имеющих определенные положение и скорость, мы научились говорить о волновых функциях и вероятностях. Слияние теории относительности с квантовой механикой привело к новому видению мира, в котором вещество перестало играть главенствующую роль. Эта роль перешла к принципам симметрии, причем на данном этапе развития Вселенной некоторые из них скрыты от взгляда наблюдателя. На такой основе нам удалось построить удовлетворительную теорию электромагнетизма, а также слабых и сильных ядерных взаимодействий элементарных частиц.

Стандартные метаморфозы

Обычная квантовая механика описывает движение элементарных частиц с малыми по сравнению со скоростью света скоростями. При приближении скорости к световой энергия любой частицы становится столь значительной, что начинают массово появляться новые частицы и испускаться кванты света. Особенно сильно это заметно при столкновении двух релятивистских частиц, когда рождается множество новых, гораздо более тяжелых, чем сталкивающиеся.

Увы, но квантовая механика не рассматривает процессы рождения и уничтожения и применима лишь для систем с неизменным числом частиц. В результате даже переходы атома из одного состояния в другое, сопровождаемые испусканием и поглощением фотонов, корректно описать в рамках квантовой механики невозможно. Она дает лишь приближенное описание, справедливое в той мере, в какой можно пренебречь испусканием и поглощением частиц. Однако круг стоявших проблем не исчерпывался описанием взаимных превращений частиц, задача ученых заключалась в том, чтобы научиться квантовать классические поля, то есть изучить системы с бесконечным числом степеней свободы. Обе эти задачи были успешно решены еще в первой половине ХХ века, без каких-либо кардинальных пересмотров геометрии нашего мира.

 

 

Метод квантования систем с переменным числом частиц, называемый методом вторичного квантования, был впервые предложен английским физиком Полем Дираком в 1927 году и развит советским физиком Владимиром Фоком в работе 1932 года. А описание частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, сегодня успешно происходит в рамках релятивистской квантовой механики. 

Парадоксы вакуума

Одним из важнейших объектов квантовой теории поля является вакуум. Физический вакуум — это не совсем пустое место. Для элементарных частиц это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля. Классический пример такого рода процесса — рождение электрон-позитронной пары под воздействием гамма-кванта. Не менее замечателен и обратный процесс — аннигиляция позитрона и электрона, сопровождающаяся рождением гамма-квантов.

Однако существует возможность экспериментально наблюдать и более тонкое влияние физического вакуума на поведение элементарных частиц и макроскопических предметов. Например, поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода, экспериментально открытому в 1947 году У. Лэмбом и Р. Ризерфордом. Теоретический расчет этого сдвига, называемого лэмбовским, был произведен Г. Бете в 1947 году. Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет и их магнитный момент. Первая квантовая поправка такого рода была вычислена Ю. Швингером в 1948 году.

Другое широко известное квантовое явление, обусловленное взаимодействием с вакуумом, — это эффект Казимира, предсказанный нидерландским физиком в 1948 году и экспериментально подтвержденный спустя 10 лет Э. Спаарнеем. Эффект Казимира проявляется в том, что между двумя незаряженными проводящими параллельными пластинами в вакууме возникает небольшая и зависящая от расстояния сила притяжения. Силы, возникающие благодаря эффекту Казимира, уникальны, так как они не зависят ни от масс, ни от зарядов, ни от иных характеристик пластин. Данный эффект является единственным макроскопическим проявлением физики вакуума квантованных полей.

 

Преимущество единой теории

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 1016 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели при энергиях порядка 1019 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики — квантовой теории и общей теории относительности — в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях — от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему природа на своем самом глубоком и фундаментальном уровне должна требовать двух различных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и двух наборов физических законов? В идеале хотелось иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить две эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн.

О пользе старых книг

История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М. Судзуки. Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бетта-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту бетта-функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970—1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, то есть некий микроскопический объект, отдаленно напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных или больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. В течение 10 лет идея влачила жалкое существование, поскольку никто не мог поверить, что 10- или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике в 4-мерном пространстве-времени. Когда в 1974 году Шерк и Шварц сделали предположение, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьез. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М. Грина и Д. Шварца. В этой работе было показано, что возникающие при квантовомеханических расчетах бесконечности могут в точности сокращаться благодаря симметриям, присущим суперструнам. После этой работы теория суперструн стала рассматриваться как основной кандидат на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, и ее начали активно разрабатывать, пытаясь свести все разнообразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометрическим явлениям. В чем же заключается смысл этой «универсальной» теории?

Секрет взаимодействия

Мы привыкли думать об элементарных частицах (типа электрона) как о точечных объектах. Однако, возможно, первичным является не понятие частицы, а представление о некоей струне — протяженном, неточечном объекте. В этом случае все наблюдаемые частицы — просто колебания этих самых микроскопических струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10-35 м. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером атомного ядра, так что для многих задач можно считать, что частицы точечные. Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц довольно-таки важна.

Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространствевремени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа — гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории — в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами.

Струны имеют определенные устойчивые формы колебаний — моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение — все частицы могут быть описаны через один объект — струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех музыкальных тонов — зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.

Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии — обычных штанов, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в районе верхней части штанов. Взаимодействие струн имеет очень естественный геометрический образ — оно связано с процессами разрыва и слияния струн. Соединим два простейших струнных взаимодействия между собой (склеим двое штанов в районе пояса). В результате получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие струны.

В струнной теории, в частности, существует замкнутая струна, соответствующая безмассовому гравитону — частице, переносящей гравитационное взаимодействие. Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.

Все выглядит достаточно просто и заманчиво, однако математические проблемы, с которыми столкнулись физики-теоретики при разработке новой теории, оказались крайне велики. Струны колеблются, двигаются, сливаются и разделяются в своеобразном 10-мерном пространстве, имеющем очень причудливую структуру, и на сегодня ученые не знают точно не только геометрию этого пространства, но и не имеют точных решений уравнений, описывающих поведение струн.

Уменьшить пространство

У струн могут быть совершенно произвольные условия на границах. Например, замкнутая струна должна иметь периодичные граничные условия (струна «переходит сама в себя»). У открытых струн бывает два типа граничных условий — первый, когда концы струны могут свободно перемещаться в любую точку пространства, и второй, когда ее концы могут двигаться только по некоторому множеству точек внутри пространства. Это множество точек — многообразие — называется D-браной. Часто после буквы D пишут некоторое целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия.

Струнная теория — это нечто большее, чем просто теория взаимодействия элементарных частиц. Совсем недавно обнаружилась самая тесная связь между разрывами пространства, D3-бранами и черными дырами. И такие сугубо термодинамические характеристики, как температура и энтропия сколлапсировавшей звезды, нашли свое описание на языке суперструн.

Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время как мы живем в 4-мерном, то есть воспринимаем различными органами чувств только три пространственные и одну временную координаты. И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо связать между собой эти два пространства. Для этого обычно сворачивают 6 дополнительных измерений до очень маленького размера (порядка 10-35 м). Из-за малости этого расстояния оно становится абсолютно незаметным не только для глаза, но и всех современных ускорителей элементарных частиц. В конечном итоге мы получим привычное 4-мерное пространство, каждой точке которого отвечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу.

Идея сворачивания лишних координат восходит к работе 1921 года Теодора Калуцы и статье 1926 года Оскара Клейна. Описанный выше механизм называют теорией Калуцы–Клейна, или компактификацией. В самой работе Калуцы показано, что если взять общую теорию относительности в 5-мерном пространстве-времени, а затем свернуть одно измерение в окружность, то получится 4-мерное пространство-время с общей теорией относительности плюс электромагнетизм. Хотя свернутые измерения и малы для прямого обнаружения, тем не менее они имеют глубокий физический смысл.

У струн есть еще одно замечательное свойство — они могут «наматываться» на компактное измерение. Это приводит к появлению так называемых оборотных мод в спектре масс. Замкнутая струна может обернуться вокруг компактного измерения целое число раз. В теории струн для малых размеров дополнительных измерений оборотные моды становятся очень легкими. Это позволяет интерпретировать эти моды как наблюдаемые нами элементарные частицы.


Пространство Калаби — Яу (Многообразие Калаби — Яу) — компактное комплексное многообразие с кэлеровой метрикой, для которой тензор Риччи обращается в ноль.

Свойства многообразия Калаби-Яу имеют важные приложения к физике низких энергий — к элементарным частицам, которые мы наблюдаем, их массам и квантовым числам, а также к числу поколений частиц. Проблемой является то, что существует огромное множество многообразий Калаби-Яу, и пока неясно, какое из них надо использовать для описания мира, в котором мы живем. В этом плане из одной 10-мерной струнной теории можно получить много четырехмерных теорий, просто меняя вид пространства Калаби-Яу.

Физики возлагают надежды на то, что полная теория струн сможет найти это единственное многообразие Калаби-Яу и объяснить, как Вселенная перешла от 10-мерного пространства, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва, к современному — 4-мерному. 

Проблема космологической постоянной 

Первоначально космологическая постоянная возникла в физической теории при первой попытке Эйнштейна применить только что созданную общую теорию относительности ко Вселенной в целом. В этой работе Эйнштейн предположил, как это было в те годы принято, что Вселенная статична, но вскоре обнаружил, что уравнения тяготения в первоначальной форме, примененные для описания Вселенной в целом, не имеют статических решений. (Этот вывод, на самом деле, не является спецификой для общей теории относительности. В ньютоновской теории тяготения мы также можем получить решения, описывающие галактики, налетающие друг на друга под влиянием взаимного притяжения. Мы можем найти и решения, описывающие разлет галактик в результате какого-то начального взрыва. Однако вряд ли мы будем ожидать, что некая усредненная галактика будет просто неподвижно висеть в пространстве.)

Чтобы получить решения, описывающие статическую Вселенную, Эйнштейн решил изменить теорию. Он ввел в свои уравнения слагаемое, которое было подобно силам отталкивания на больших расстояниях и могло скомпенсировать гравитационную силу притяжения. Введенное слагаемое содержало одну свободную постоянную, определявшую в статической космологии Эйнштейна размер Вселенной и получившую название космологической постоянной. 

 Все это происходило в 1917 г. Из-за войны Эйнштейн не знал, что американский астроном Весто Слайфер уже обнаружил свидетельства того, что галактики (как мы их сейчас называем) разлетаются в разные стороны, так что Вселенная на самом деле не статична, а расширяется. После войны Эдвин Хаббл, пользуясь новым 100-дюймовым телескопом на горе Маунт-Вильсон, подтвердил это расширение и измерил его скорость. Эйнштейн глубоко сожалел, что испортил свои уравнения введением космологической постоянной. Однако возможность существования такой постоянной так просто не исчезла. 

С одной стороны, нет оснований не включать космологическую постоянную в уравнения Эйнштейна. Теория Эйнштейна была основана на принципе симметрии, утверждавшем, что законы природы не должны зависеть от той системы отсчета в пространстве и во времени, которую мы используем для изучения этих законов. Но первоначальная теория Эйнштейна не была самой общей теорией, удовлетворяющей такому принципу симметрии. Существует громадное количество возможных разрешенных слагаемых, которые можно добавить в уравнения поля тяготения, причем влияние этих слагаемых на астрономических расстояниях будет пренебрежимо мало. 

Но кроме этих слагаемых есть одно-единственное слагаемое, которое можно добавить в уравнения поля общей теории относительности без нарушения фундаментальных принципов симметрии этой теории и которое будет важно в космологических масштабах, – это слагаемое, включающее космологическую постоянную. В 1915 г. Эйнштейн опирался на предположение, что уравнения поля тяготения должны быть простейшими из возможных. Опыт последних трех четвертей ХХ в. научил нас не доверять такому предположению. Мы обнаружили, что всякое усложнение наших теорий, не запрещенное какой-то симметрией или другим фундаментальным принципом, происходит на самом деле. Поэтому недостаточно сказать, что космологическая постоянная это ненужное усложнение. Простота, как и все остальное, требует объяснения.

В квантовой механике проблема еще сложнее. Разные поля, заполняющие нашу Вселенную, испытывают непрерывные квантовые флуктуации, в результате которых пустое пространство обретает энергию. Эта энергия наблюдаема только благодаря оказываемому гравитационному действию. Дело в том, что энергия любого сорта порождает гравитационное поле и, в свою очередь, испытывает воздействие других гравитационных полей, так что энергия, заполняющая пространство, может оказывать существенное влияние на расширение Вселенной. Мы не можем вычислить энергию в единице объема, порождаемую такими квантовыми флуктуациями, – если пользоваться при расчете простейшими приближениями, энергия оказывается бесконечной. Но если сделать несколько разумных предположений о том, как отбросить высокочастотные флуктуации, ответственные за эту бесконечность, то вакуумная энергия в единице объема оказывается все равно чудовищно большой, в $10^{120}$ раз большей, чем это допускается наблюдаемой скоростью расширения Вселенной. Пожалуй, это самый худший провал оценки по порядку величины во всей истории науки. 

Если энергия пустого пространства положительна, то она порождает гравитационное отталкивание между частицами материи на очень больших расстояниях, в точности как то слагаемое с космологической постоянной, которое Эйнштейн добавил к своим уравнениям в 1917 г. Поэтому мы можем рассматривать энергию, возникающую вследствие квантовых флуктуаций, как дающую вклад в «полную» космологическую константу.

Расширение Вселенной определяется только этой полной космологической константой, а не отдельно той космологической константой, которая входит в полевые уравнения общей теории относительности, или константой, связанной с квантовой энергией вакуума. Возникает возможность, что проблема космологической постоянной может как бы скомпенсировать проблему энергии пустого пространства. Иными словами, возможно, что отрицательная космологическая постоянная в эйнштейновских полевых уравнениях в точности сокращает действие чудовищной вакуумной энергии, возникающей за счет вакуумных флуктуаций.

Но чтобы не войти в противоречие с тем, что мы знаем о расширении Вселенной, полная космологическая постоянная должна быть столь мала, что два слагаемых, из которых она состоит, обязаны сократиться вплоть до 120 первых значащих цифр. Это не пустяк, который можно оставить без объяснений. 

 В течение многих лет физики-теоретики пытаются понять механизм сокращения полной космологической постоянной, пока что без особого успеха. Если принять теорию струн, то ситуация становится еще хуже. Разные теории струн приводят к разным значениям полной космологической постоянной (включающей эффекты вакуума гравитационного поля), но все они оказываются чудовищно большими. При такой большой полной космологической постоянной пространство было бы так скручено, что ни в малейшей степени не было бы похоже на обычное трехмерное пространство с евклидовой геометрией, в котором мы живем. 

 

И в то время как наши взоры обращены в будущее в предвкушении грядущих чудес, мы можем оглянуться назад и изумиться проделанному пути. Поиск фундаментальных законов Вселенной — это определенно человеческая драма, которая укрепила разум и обогатила дух людей. Вот яркое описание Эйнштейна его собственного поиска смысла гравитации: «Годы беспокойного поиска во тьме с огромной жаждой результата, чередованием уверенности и опустошения, и, наконец, прорывом к свету». Без сомнения, эта фраза — свидетельство человеческой борьбы.

Мы все, каждый по-своему, искатели истины, и мы все жаждем ответа на вопрос, зачем мы в этом мире. Взбираясь вместе на гору познания, физики следующих поколений крепко стоят на плечах предыдущих, смело устремляясь к вершине. Удастся ли кому-нибудь из наших потомков получить полную картину и увидеть обширную и элегантную Вселенную во всей ее ослепительной красе? Мы не можем этого предсказать.

По мере того как каждое новое поколение взбирается немного выше, мы понимаем изречение Якоба Броновски: «В каждом веке есть поворотный момент, новый способ видения и признания согласованности мира». И так как наше поколение уже восхищается новым видением Вселенной — нашим новым способом признания согласованности мира, мы выполнили часть задачи, построив свою ступеньку на лестнице, ведущей человека к звездам.

26 Февраля 2011, 2:59    Den    5052    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.