Теория квантовой гравитации

Гравитация описывает ОТО. В это теории, согласно принципу эквивалентности, гра­витационное поле – это искривление пространства-времени. В этой теории пространство­время перестает быть фоном, на котором разыгрываются физические процессы и яв­ления. Вся предыдущая физика рассматривала движения частиц, какие-то взаимодей­ствия и процессы на фоне пространства-времени, в ОТО само пространство становится динамической величиной – вот, что самое ценное и самое трудное. Оно, пространство­время может искривляться в зависимости от присутствия массы. В квантовой механике все обстоит в этом плане по старинке: частицы движутся на фоне плоского евклидово­го пространства-времени. Ничего принципиально нового квантовая механика в пони­мание пространства-времени не внесла, хотя ее основной объект – волновая функция

– вектор гильбертова пространства. Как скомбинировать квантовую механику, кото­рая в плоском пространстве-времени и на его фоне описывает все явление и ОТО, в которой само пространство и время становятся динамическими величинами. Казалось бы, чисто технический вопрос, на самом деле, оказалось, что вопрос принципиальный, который до сих пор не удалось разрешить. Не состыкуются они. Можно так сказать: ОТО не хочет квантоваться, или синтез этих двух теорий никак не получается. Тем не менее, существуют два самых перспективных варианта на построение теории кванто­вой гравитации (почему мы о ней сейчас говорим? Потому что гравитация описывает всю Вселенную. Вся Вселенная управляется гравитацией. Поэтому хорошо бы на этом квантовом уровне попытаться описать, как ведет себя гравитация, и тогда мы пой­мем, как ведет себя Вселенная, но не получается). Всего вариантов порядка десятка, но два – самые дурно обсуждаемые. Это петлевая квантовая гравитация и теория су­перструн. Первая теория имеет интересные онтологические представления. В петлевой гравитации существуют некие петли, которые предлагается рассматривать, как своего рода некие силовые линии, в итоге получается следующее: предлагается все описы­вать в виде графов. Все свелось к тому, что ребрам графа можно приписать некую площадь, которую можно связать со спином, в вершинах находятся объемы. В этой теории наблюдаемыми величинами являются только площади и объемы, а все осталь­ное интерпретируется через них. Получается чисто геометрическая физическая теория. Какой в этом смысл? Обратите внимание, что сторонники этой теории считают, что ни­каких новых принципов, понятий или представлений не нужно, чтобы создать теорию квантовой гравитации – достаточно квантовой механики и ОТО.

Теория струн

И суперструны. Некая теория, которая говорит, что элементарным физическим объ­ектом является одномерный объект – струна. Эта струна может колебаться, и разные моды ее колебаний дают все элементарные частицы. Эта теория так же достигает план­ковского масштаба, говорит, что все должно быть основано на этом масштабе. Что же из себя представляют струны планковского масштаба? Вроде бы, все нормально – стру­на имеет размер планковской дины, вроде все гладко. Но это квантованный объект, у него есть длина волны и т.д. Как себе его представлять? Все струны упакованы друг в друга, причем любопытной особенностью струны является следующее: они имеют размерность, но не имеют толщины, что уже физически нехорошо. Конечно, это интер­претация. Причем, Вайнберг в своей книжке интерпретировал струны так: «это некие надрезы на гладкой ткани пространства» и все, как хотите, так и понимайте. Лауреат Нобелевской премии, крупнейший теоретик современности. Так вот, эта теория так же выходит на планковский масштаб и предлагает свои космологические модели.

Один из авторов теории суперструн, итальянец Венециано, который в ЦЕРНе зани­мался ядерными взаимодействиями и случайно угадал формулу. Формула что-то кра­сиво описывала, все заинтересовались, стали исследовать, а потом выяснилось, что особой роли в ядерных взаимодействиях она не играет. Но потом выяснилось, что в этой формуле каким-то чудесным образом присутствуют частицы со спином 2. Как это так? В теории ядерных взаимодействий нет таких частиц. Все, конечно вспомнили, что есть гравитон. Каким образом в ядерных взаимодействиях появился гравитон? И тут кого-то осенило: «Коллеги! Мы с вами присутствуем при зарождении новой фундамен­тальной теории!» Естественным образом возникает частица, которая как-то связана с ядерными взаимодействиями. Значит, надо еще поискать, и тогда мы для всех четырех взаимодействий найдем соответствующие частицы, уравнения и т.д. Все бросились в эту работу. Новая большая радость – оказалось, что этот подход позволяет исключить бесконечности: бесконечные энергии и прочее. Это был бич квантовой теории поля, от которого с большим трудом искусственными приемами удавалось отходить, или, как говорил Фейнман «заметать под ковер», но тем не менее, как-то обходились. А тут естественным образом похоже, эта теория исключает бесконечные величины. И еще сотни теоретиков бросились к этим исследованиям, приобщился к ним и Вене­циано. И даже стал развивать некие космологические представления. Он с коллегами создал весьма обсуждаемую сейчас модель, которая называется «предвзрывной сце­нарий». В классическом варианте сингулярности и на планковском масштабе встают многочисленные вопросы: существовала ли Вселенная до сингулярности (до планков­ского состояния) или все началось именно на этом уровне. До него и вопрос ставить бессмысленно, например, космологическая стрела времени утверждает, что само время стало течь только с возникновением Вселенной и после того, как она стала расширять­ся, до этого момента спрашивать о времени просто бессмысленно. Конечно, теоретикам и космологам было бы очень интересно: что было до этого состояния? До сингуляр­ности, до планковского состояния? А более корректно: что было до Большого Взрыва? Можно ли так вообще вопрос ставить? Оказывается, можно. Согласно предвзрывному сценарию, Вселенная всегда была практически бесконечно большой, очень холодной и почти пустой. Считается, что наиболее правильной космологической теорией, подтвер­жденной наблюдениями, является теория раздувающейся Вселенной, так называемая, теория инфляционной Вселенной. Сейчас уже известно, что было в первую 1/43 долю секунды, первую 1/35 долю секунды, первую минуту. Считается, что период от 10-43 о 10-35 происходили своеобразные процессы. Произошел фазовый переход, и от еди­ного очень симметричного состояния отделилась гравитация. Все остальные: сильные, слабые ядерные и т.д. представляли некое единое взаимодействие: теория Великого объединения. На этом уровне можно сказать, и гравитация включена в некое единое взаимодействие. Некоторые оценки позволяют считать, что на некотором масштабе, чуть побольше, чем 10-43, гравитация выделилась в самостоятельное. Поэтому, если исследовать гравитационные волны, мы сможем понять, увидеть, что было в самый момент рождения Вселенной. А дальше происходило следующее: где-то между 10-35 (оценки, конечно же, требуют уточнения) до 10-32, Вселенная раздулась до совершенно немыслимых размеров. По современным оценкам, в миллион раз больше наблюдаемого размера Вселенной. Как вы считаете, это физический процесс? Сравните со скоростью света. В модели Большого взрыва непонятно было, как объяснять однородность Все­ленной, почему Вселенная плоская. Странный момент – Вселенная, как показывают наблюдения, плоская. Монополи должны присутствовать. Если вы распилите магнит пополам, вы получите два магнитика, однако современные теории утверждают, что есть отдельно Северный полюс, и есть частица, которая несет отдельно Южный полюс ее не открыли, но все же. Как объяснить все это онтологически? Что это за реальность, изменяющаяся во столько раз за такое время? Когда космологам задают такой вопрос, они хитрым образом отвечают следующее: это нефизический процесс – это расши­ряется само пространство, здесь могут быть любые скорости. Сверхсветовые и какие угодно. Удовлетворительный ли это ответ? В примере с шариком, который надувают – тоже поверхность, она расширяется, но если считать, что все имеет субстанциальную природу, состоит из чего-то, то расширяется поверхность некой сферы. Если в космо­логии это тоже некая система, то она тоже должна расширяться с какой-то скоростью. А здесь любые, пустое пространство расширяется. Тем не менее, эта гипотеза пока до­статочна многим для объяснения этого уникального процесса. Он позволяет объяснять, почему Вселенная плоская – она так быстро расширилась, а начальное состояние было такое, что допускало, что при таком быстром расширении все станет с одной стороны однородным, а с другой стороны плоским. то есть, решает ряд вопросов, которые были неразрешимы в классической модели Большого Взрыва. Существует Метавселенная, в которой возникают, как пузыри в кипящей воде, Минивселенные. Одна из таких Ми­нивселенных – наша наблюдаемая Вселенная, ничего такого особенного мы из себя не представляем. Такое коперниканское движение.

Продолжает ли Метавселенная раздуваться и сейчас? Существуют разные подходы. Вы, наверное, слышали, что в конце прошлого века было сделано следующее фундамен­тальное открытие: оказывается, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Что это означает? То ли наступает новая инфляционная стадия, то ли что-то еще – существует догадок много, но вопрос пока так и не решен. Итак, предвзрывной сценарий, который, согласно теории суперструн, рассматривает Вселенную, как изначально бесконечно хо­лодную и т.д., подразумевает, что в это бесконечной, холодной и пустой Вселенной тоже произошел фазовый переход – нарушение симметрии и возникла неоднородность. Эти неоднородности стали стягивать к себе то, что было в этой почти пустой Все­ленной. Еще интересная интерпретация: поскольку неоднородность, некий фазовый переход, то само искривление пространства можно рассматривать как нечто реально материальное, как физическую геометрию. Частицу, согласно программе геометриза­ции физики можно рассматривать как искривление пространства-времени и отсутствие любой субстанциальности: нет никакой частицы, есть очень закрученное пространство­время, поэтому для внешнего наблюдателя воспринимается, как что-то плотное. Луч света ведет себя странным образом, отражаясь от этого ничто. Здесь примерно то же самое: очень сильное искривление. Как говорят сами авторы: эта кривизна стала усили­ваться, увеличиваться и возникла черная дыра. После того, как она достигла некоторой критической массы, она стала внутри себя расширяться, и это явилось прообразом, или праосновой нашей Минивселенной. Таким образом, Вселенные в этой модели появля­ются из черных дыр: все, что происходит внутри черной дыры – либо ее взрыв, либо какое-то внутреннее расширение пространства и времени, это наша Вселенная. То есть, наша Вселенная образовалась из черной дыры, которая образовалась из огромной пустой Вселенной. Другой сценарий. Экпиротический, в переводе означающий, выхо­дящий из огня. Согласно теории суперструн могут существовать не только одномерные объекты – струны, но и двухмерные и трехмерные, которые стали называться бранами: мембраны, трибраны и т.д. Концептуально что плохо: был единственный объект, из которого строилось все, а теперь этих объектов может быть очень много. Как-то опять таблица Менделеева начинает размываться. Тем не менее, существуют такие браны – трибраны, которые перемещаются в некотором многомерном пространстве-времени. Су­ществует вероятность того, что эти браны могут в определенный момент столкнуться друг с другом. Одиннадцатимерное пространство, в котором четыре остаются наблю­даемыми, а семь – компактифицированные, т.е. свернутые до планковского размера. Причем, эти измерения имеют физический смысл. Так вот, браны могут соударяться. Момент соударения и называется Большим Взрывом. До Большого Взрыва что-то суще­ствовало, эволюционировало, потом произошел Большой Взрыв, браны (согласно этой модели, это Вселенные) соударялись, после этого они разлетались, соответственно, в разные стороны и начинали расширяться. Большой взрыв был источником того, что браны разлетаются в многомерном пространстве, а внутри себя начинают расширяться. Это все не просто словесные модели, не просто лирика, это решения уравнений теории суперструн. Для этой модели должно выполняться следующее условие: браны должны быть очень параллельны, ибо в противном случае после соударения, как показывает решение, в этих Вселенных не получится однородности.

Date: 2016-05-24; view: 523; Нарушение авторских прав