Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Теория инфляции. Стрела времени
Горшков В.К., Мансуров Г.Н., 2012
С позиций инфляционной космологии рассмотрена современная теория космической эволюции для ранней Вселенной от первых мгновений до начала большого взрыва. Показано , что инфляция характеризует стадию стремительного экспоненциального расширения Вселенной , заканчивающуюся Большим взрывом.
Дана краткая характеристика теории струн как существенного этапа в решении вопроса о создании единой теории четырех видов взаимодействия ( гравитационного , сильного , слабого и электромагнитного ).
Ставится вопрос о фундаментальности понятий про — странства и времени и о природе стрелы времени .
Большой взрыв
До недавнего времени стандартная космологическая модель рассматривалась как основная теория происхождения Вселенной .
Современная теория сотворения мира воз — никла примерно через пятнадцать лет после создания Эйнштейном общей теории отно — сительности .
Хотя сам Эйнштейн отказался посмотреть правде в глаза и признать , что из его теории следует невозможность существования вечной и статической Вселенной , за него это сделал Александр Фридман .
Он нашел так называемое решение большого взрыва для уравнений , т . е . решение , в котором Вселенная развивается из начального состояния бесконечного сжатия и в настоящий момент находится в стадии расширения после этого исходного взрыва .
Эйнштейн был так уверен в невозможности подобных меняющихся во времени решений его уравнений , что даже опубликовал короткую ста — тью о якобы найденной им грубой ошибке в работе Фридмана .
однако примерно через восемь месяцев Фридману все же удалось убедить Эйнштейна в том , что в действитель — ности никакой ошибки не было ;
Эйнштейн публично , но кратко , снял свои возражения .
очевидно , однако , что Эйнштейн не считал результаты Фридмана имеющими какое — либо ХИМИЯ Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 140 2012/1/Химия отношение к нашей Вселенной .
однако пять лет спустя кропотливые наблюдения Хаббла за несколькими десятками галактик , проводившиеся с помощью стодюймового телеско — па в обсерватории Маунт Вильсон , показали , что Вселенная действительно расширяется .
Работа Фридмана до сих пор является основой современной космологии .
Подробнее современная теория космической эволюции выглядит так .
Около 14 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного сингулярного взрыва , разметавшего в стороны все пространство и материю .
Вычисления температуры , которая была у Вселенной лишь спустя 10 — 43 с после Большого взрыва ( так называемое планковское время ), приводят к значению порядка 10 32 К , что примерно в 10 25 раз выше температуры в недрах Солнца .
С течением времени Вселенная расширялась и охлаждалась , и в ходе это — го процесса в первоначально однородной и горячей первичной космической плазме стали возникать вихри и скопления .
Через 10 — 5 с после Большого взрыва Вселенная достаточно охладилась ( примерно до 10 13 К , что в миллион раз больше температуры внутри Солнца ) для того , чтобы из групп трех кварков стало возможно образование протонов и нейтро — нов .
Примерно через сотую долю секунды условия стали такими , что в охлаждающейся плазме элементарных частиц уже могли формироваться ядра некоторых легких элемен — тов периодической таблицы .
В течение следующих трех минут , пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до 10 9 К , основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия (« тяжелого » водорода ) и ли — тия .
Этот интервал времени получил название периода первичного нуклеосинтеза .
затем в течение нескольких сотен тысяч лет было мало событий , кроме дальнейшего расширения и охлаждения .
Но в конце этого этапа , когда температура упала до нескольких тысяч градусов , летавшие до этого с бешеной скоростью электроны замедлились до скоро — сти , позволяющей атомным ядрам ( в основном , ядрам водорода и гелия ) захватывать их , об — разуя электрически нейтральные атомы .
Это явилось поворотным моментом : начиная с него Вселенная , в общем и целом , становится прозрачной .
До эры захвата электронов она была заполнена плотной плазмой электрически заряженных частиц , одни из которых ( например , ядра ) несли положительный заряд , а другие ( например , электроны ) — отрицательный .
Фо — тоны , взаимодействующие лишь с заряженными частицами , испытывали постоянные пинки и толчки со стороны кишащих заряженных частиц и не могли пролететь достаточно далеко , не будучи отклоненными или поглощенными этими частицами .
Из — за таких препятствий свободному движению фотонов Вселенная предстала бы перед наблюдателем совершенно непрозрачной , подобной густому утреннему туману или снежной буре .
Но когда отрица — тельно заряженные электроны были рассажены по орбитам вокруг положительно заряжен — ных ядер и образовались электрически нейтральные атомы , препятствия исчезли и густой туман рассеялся .
С этого момента фотоны от большого взрыва стали свободно путешество — вать по Вселенной , и постепенно она стала полностью доступной взору .
примерно миллиард лет спустя , когда Вселенная достаточно успокоилась после неистового начала , из сжатых гравитацией комков первичных элементов стали форми — роваться галактики , звезды , а затем и планеты .
Однако теория Большого взрыва не со — держит самого взрыва , определяющего физику формирования Вселенной .
Его возникно — вение объясняет теория инфляции [4].
После объединения электронов и ядер в атомы фотоны могут беспрепятственно путешествовать во Вселенной .
Это означает , что Вселенная заполнена « газом » фотонов , движущихся во всевозможных направлениях и равномерно распределенных в космиче — ском пространстве .
Когда Вселенная расширяется , газ свободно летящих фотоноврас — ширяется вместе с ней , так как Вселенная , по существу , является резервуаром для этого газа .
Подобно тому , как температуры более привычных для нас газов понижаются при расширении , температура этого фотонного газа тоже падает при расширении Вселенной .
электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 141 2012/1/Химия Уже давно , после работ Георгия Гамова в 1950-х гг . [2], физики поняли , что современная Вселенная должна быть наполнена почти однородным составом из первичных фотонов , охладившихся до нескольких градусов выше абсолютного нуля за 14 миллиардов лет космического расширения .
В 1965 г . Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лаборатории им . Белла в штате Нью — Джерси случайно сделали одно из важнейших открытий нашей эпохи .
Работая с антенной , предназначенной для спутниковой связи , они зарегистриро — вали послесвечение большого взрыва !
Позднее и теория , и эксперимент были усовер — шенствованы , и эти исследования завершились измерениями , полученными с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer, « зонда космического фона ») агентства NASA в 1990-е гг .
На основе полученных данных физики и астрономы точно установи — ли , что Вселенная действительно заполнена микроволновым излучением с температурой примерно на 2, 7 К выше абсолютного нуля , что в точности совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва .
Более точно , в каждом кубическом метре Вселенной находится около 400 миллионов фотонов , образующих огромное космическое море микроволново — го излучения — эхо сотворения .
Все данные , которыми мы располагаем , подтверждают космологическую теорию , описывающую эволюцию Вселенной от сотых долей секунды после Большого взрыва до настоящего времени .
Однако не следует забывать о том , что новорожденная Вселенная развивалась с феноменальной скоростью .
мельчайшие доли секунды , гораздо меньшие сотых долей , суть космические эпохи , в течение которых формировались кажущиеся нам неизменными свойства окружающего мира . Квантовая теория поля точечных частиц справедлива лишь тогда , когда средние энергии частиц не превышают планковскую энер — гию .
С точки зрения космологии , этот предел соответствует моменту , когда вся окружа — ющая нас Вселенная была сжата до размера мельчайшего зерна планковских размеров , а плотность была так высока , что сложно подыскать подходящую метафору , которая про — иллюстрировала бы эту ситуацию : плотность Вселенной в эти моменты времени была просто колоссальной .
При таких энергиях и плотностях гравитация и квантовая теория уже не могут рассматриваться как две различные сущности , каковыми они являлись в квантовой теории поля точечных частиц .
именно теория струн дает основание для устранения противоречия между общей теорией относительности и квантовой механи — кой и создания квантовой гравитации .
На временн о й шкале такие энергии и плотности соответствуют точкам , удаленным от большого взрыва менее чем на планковское время 10 — 43 с , следовательно , эта сверхранняя эпоха является космологической ареной теории струн .
В раскаленной среде ранней Вселенной три негравитационных взаимодействия оказываются связанными воедино .
Расчеты зависимости силы этих взаимодействий от энергии и температуры показывают , что до моментов примерно через 10 — 35 с после Боль — шого взрыва сильные , слабые и электромагнитные взаимодействия были одним « вели — ким объединенным » взаимодействием [1].
Процессы в сверхранней Вселенной , связанные с возникновением пространства и времени , рассматриваются в теории инфляции .
Теория бесконечной Вселенной не равной нулю вероятности флуктуации к низкой энтропии .
Малая флуктуация — вполне орди — нарный скачок к подходящим условиям в крошечном клочке пространства — сразу и неизбежно дает гигантскую и упорядоченную Вселенную , которую мы знаем .
Скачок к более низкой энтропии внутри ультрамикроскопического кусочка пространства был ис — пользован для инфляционного расширения в широчайшие просторы космоса .
Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 142 2012/1/Химия кусочку пространства необходимо быть исключительно маленьким — порядка 10 –26 см в поперечнике — чтобы инициировать космологическое расширение , которое растянет этот кусочек до величины больше , чем Вселенная , которую мы видим .
Возмож — ны разные виды флуктуаций поля инфлатона .
Поле инфлатона — это особое поле Хиггса , характерное для Вселенной в начальный момент существования до Большого взрыва , когда Вселенная была чудовищно плотной и носителем ее энергии было поле Хиггса в состоянии , далеком от минимума потенциальной энергии . ( Поле Хиггса — это поле , ко — торое заполняет все пространство , даже самое « пустое »!).
Отрицательное давление поля инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание , которое разносило каждую область пространства прочь от любой другой .
Это и принято называть инфляци — ей , которая продолжалась ~10 — 35 с .
За это время объем Вселенной мог возрасти до 10 90 раз , что вполне можно назвать инфляционным взрывом .
В большинстве случаев флуктуации не будут пригодны для начала инфляции .
Но имеет пространство инфляционному взрыву , ставшему первым звеном в низкоэнтропийной цепочке , ведущей к нашему космосу [3].
Инфляционная космология задает направление стреле времени , исходя из предпо — ложения возможности возникновения состояния в прошлом с чрезвычайно низкой гра — витационной энтропией ; будущее является направлением , в котором эта энтропия воз — растает .
результат инфляции — однородное расширение пространства , заполненного почти однородно распределенной материей .
Это та низкоэнтропийная конфигурация , которая нужна для объяснения стрелы времени , направленной в сторону возрастания энтропии .
В начале много энергии , поскольку огромное расширение , порожденное инфлатоном , гигантски увеличит заключенную в нем энергию .
Крохотный кусочек (10 –26 см ) пространства , заложенный однородным по — лем инфлатона , в ходе инфляционного расширения приобретает такое количество энер — гии , которого хватит на всю нашу Вселенную .
Инфляционное расширение растягивает мелкую неоднородную квантовую рябь и делает ее ясно видимой на небе в виде галактик :
« Согласно инфляционной теории более чем 100 млрд . галактик , сияющих в пространстве как небесные бриллианты , являются не чем иным , как росписью квантовой механики .
По моему мнению , осознание этого является одним из величайших чудес современной научной эпохи » [3].
Расчеты , проделанные сегодня на основании инфляционной схемы , способны объ — яснить картину ничтожных температурных вариаций — вариаций , возникших около 14 млрд . лет назад , — и ключом к этому объяснению является дрожь , возникающая из кван — товой неопределенности .
Этот успех убеждает многих физиков в правильности инфля — ционной теории .
Тот факт , что астрономические наблюдения , которые стали возможными совсем недав — но , позволили космологии перейти из области спекуляций и предположений в область , ос — нованную на наблюдениях , дает основание назвать наше время золотым веком космологии .
Инфляционная теория утверждает , что своей чаши потенциальной энергии .
Может ли теория существованием инфлатона в тот момент , когда инфляция подо — шла к концу , объяснить столь громадное количество материи / энергии , содержащееся в современной Вселенной ?
Оказывается , И может легко это сделать .
Дело в том , что поле инфлатона является гравитационным паразитом — оно питается гравитацией , — так что полная энергия поля инфлатона возрастает по мере того как пространстворас — ширяется .
Математика показывает , что плотность энергии поля инфлатона остается по — электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 143 2012/1/Химия стоянной в течение фазы быстрого инфляционного расширения , поскольку заключенная в нем полная энергия растет прямо пропорционально объему пространства .
Размер Вселенной в ходе значит энергия , заключенная в поле инфлатона , возрастает также в 10 90 раз к концу инфляционной фазы примерно через 10 — 35 с после ее начала .
Это значит , что в начале инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии , поскольку гигантское расширение , порожденное инфлатоном , увеличит , соответственно , заключенную в нем энергию .
Расчет показывает , что крохотный кусочек пространства ~10 — 26 см в поперечни — ке , заполненный однородным полем инфлатона весом ~10 кг , в ходе последующего ин — фляционного расширения приобретает такое количество энергии , которого хватает на всю нашу Вселенную .
Остается объяснить , почему имелся инфлатон и само простран — ство , которое он занимал !
В полной противоположности с теорией большого взрыва , в которой вся материя / энергия была в ранний момент огромная , инфляционная космология путем разработки залежей гравитации может произвести всю обыкновенную материю и излучение Вселен — ной из крохотного кусочка заполненного инфлатоном пространства .
Особая важность инфляционной космологии связана не только с пониманием про — странства и времени , но и с решением вопроса о стреле времени .
Для этого особенно важна история ранней Вселенной .
Для объяснения стрелы времени единственным убе — дительным основанием может быть то , что ранняя Вселенная была чрезвычайно упоря — доченной , т . е . имела экстремально низкую энтропию , что сделало возможным будущее , в котором энтропия всегда увеличивается .
Остается открытым вопрос : как могла возник — нуть эта высоко упорядоченная низкоэнтропийная субстанция в стартовой точке .
Инфляционная космология дает основание для прорыва в этом вопросе .
Чтобы это уви — деть , надо помнить , что каждая избыточная концентрация вещества продолжает расти дальше благодаря гравитационному притяжению .
То же происходит и с любой неоднородностью про — странства .
Но это относится исключительно к обычной притягивающей гравитации .
В тече — ние короткой инфляционной фазы гравитация была отталкивающей .
Это все меняет .
Инфляционная космология задает направление стреле времени путем создания прошлого с чрезвычайно низкой гравитационной энтропией .
Тогда будущее является направлением , в котором энтропия возрастает !
Результат , который достигнут теорией инфляции — гладкое , однородное расшире — ние пространства , заполненного почти однородно распределенной материей , — это та низкоэнтропийная конфигурация , которая дает объяснение для стрелы времени !
Инфляция представляет собой механизм , который создает большую Вселенную с относительно низкой гравитационной энтропией и , таким образом , создает основу для последующих миллиардов лет гравитационного скручивания материи , которое приводит к тому , результатом и свидетелями чего мы являемся .
Поскольку с трела времени задана инфляционной космологией через создание прошлого с чрезвычайно низкой гравитаци — онной энтропией , возрастание энтропии определяет направление стрелы времени наше — го будущего .
Этап инфляционного расширения — более ранний этап истории Вселенной — объясняет гладкие и однородные условия после взрыва .
Но что такое инфлатон ?
По — чему возникли условия для инфляционного взрыва ?
Это остается большим вопросом .
Идея Больцмана объяснить возникновение Вселенной через особую флуктуацию не могла объяснить , почему эта флуктуация оказалась так далека от хаоса и произвела Вселенную с упорядоченностью гораздо большей , чем это было нужно для возникно — вения жизни .
Инфляционная теория основывается на малой флуктуации , которая представляет вполне ординарный скачок к подходящим условиям в крошечном клочке пространства , Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 144 2012/1/Химия а это дает сразу и неизбежно гигантскую и упорядоченную Вселенную .
И если инфля — ционное расширение началось , то крошечный клочок будет неумолимо растянут до мас — штабов , по меньшей мере , нашей Вселенной , а поэтому нет загадки в том , что Вселенная , которую мы видим , не является крошечным уголком , а так обширна и населена огром — ным числом галактик . « И упаковывает все богатство объяснительной и предска — зательной силы в единственную флуктуацию к низкой энтропии »
[3].
И определила для крошечной крупинки гигантское расширение так , что 14 млрд . лет последующего раскручивания , последующей концентрации вещества в галак — тики , звезды , планеты , в целом не представляют загадки .
Существует отличная от нуля вероятность возникновения в бесконечной Вселен — ной необходимых условий для инфляционного расширения в изначальном состоянии вы — сокой энтропии и полного хаоса , причем не обязательно в отдельно взятом кусочке про — странства .
таких кусочков , разбросанных в разных местах , может быть множество [6].
Наша Вселенная может быть одной из многих , когда случайные флуктуации создавали условия , подходящие для инфляционного взрыва .
Низкоэнтропийная , высокоупорядоченная , однородно гладкая строением и выполняемыми функциями»>ткань пространства , созданная инфляционным расширением — это то самое раннее состояние высокого по — рядка , которое дает начало Вселенной с ее последующей эволюцией к более высокой энтропии .
В этом и состоит природа стрелы времени !
Инфляция предлагает объяснительные рамки для проблем , которые кажутся несопо — ставимыми — проблема горизонта Вселенной , проблема плоскостности , проблема проис — хождения структур ( галактики , неоднородности температуры фонового излучения ), про — блема низкой энтропии ранней Вселенной — для всех этих проблем И дает единое решение .
Но для этого нужна теория , которая может справиться с экстремальными услови — ями в ранние моменты космоса .
Такой теорией может быть теория , способная преодолеть величайшую проблему теоретической физики — фундаментальную несовместимость об — щей теории относительности и квантовой механики .
такой теорией является теория супер — струн , которая привлекает наибольшее внимание физиков в решение этих проблем .
Теория струн
Единая теория — это главный вопрос , который стоял перед Эйнштейном до конца его жизни [6].
В этой работе Эйнштейн оставался в одиночестве .
однако за последние три десятилетия произошли радикальные изменения в поисках единой теории .
Главная цель современной задачи унификации заключается в объединении общей теории относи — тельности и квантовой механики .
понятие пустого пространства , как пространства , которое ничего не содержит , не — совместимо с квантовым принципом неопределенности .
реальность колебаний квантового поля даже в пустом пространстве была показа — на экспериментально .
понятие абсолютного пространства — времени , экспериментальные результаты , доказывающие нелокальность квантовой механики , ускоренное расширение Вселенной — эти результаты диктуют постановку конкретных вопросов о природе про — странства и времени .
Квантовые флуктуации существуют как для полей внутри пространства , так и для самого пространства , ибо форма пространства и гравитационное поле — это одно и то же .
На привычных масштабах квантовые возмущения пространства не наблюдаемы , но на масштабах порядка планковской длины пространство бурлит бешеными флуктуация — ми .
На масштабах меньше планковской длины и планковского времени обычные понятия пространства и времени оказываются неприменимыми .
электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 145 2012/1/Химия Изменение формы пространства и времени общей теории относительности Эйн — штейна сталкивается с принципом неопределенности квантовой механики , который определяет квантовые флуктуации гравитационного поля .
На мельчайших масштабах пространство и время превращаются в среду буйных флуктуаций .
Общая теория относительности применима для больших и массивных объектов , квантовая механика — для мелких и легких , но для единой схемы они несовместимы .
Такое разделение Вселенной на две обособленные реальности представляется проти — воестественным .
Должна существовать единая теория , которая применимако всему .
действительно , большинство объектов можно делить на большие и маленькие , первые могут быть описаны с помощью общей теории относительности , вторые — с помощью квантовой механики .
Но есть объекты , для которых необходимы оба подхода — это черные дыры .
Для них необходима общая теория относительности , так как большая масса создает мощное гравитационное поле , но , в то же время , надо использовать квантовую механику , так как вся масса втиснута в микроскопический размер .
Подобная проблема тесно свя — зана с решением вопроса о происхождении Вселенной .
Ранняя Вселенная — это гигант — ская плотность при крохотных размерах .
Чтобы понять истоки Вселенной , необходимо преодолеть конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой .
поскольку Вселенная у нас одна , то и для решения вопроса о происхождении Все — ленной должна быть создана единая теория .
По мнению многих физиков , именно теория суперструн имеет основания для успешного объединения общей теории относительно — сти и квантовой механики и создания квантовой теории гравитации .
Кроме того , теория суперструн может оказаться полностью унифицированной теорией всех сил и всей мате — рии , а именно единой теорией , которая приведет нас к самым глубоким законам Вселен — ной .
Теория струн была создана при изучении сильного ядерного взаимодействия .
Для рассмотрения этого взаимодействия были предложены маленькие эластичные нити , их назвали струнами .
Из квантово — механических уравнений теории струн следовало , что при высокоэнергетических столкновениях в ускорителях должны в изобилии рождать — ся частицы с нулевой массой и спином 2.
Ранее эти частицы не наблюдались .
Однако в дальнейших работах по объединению общей теории относительности и квантовой ме — ханики было получено , что гравитационные силы должны переноситься частицами по — добно электромагнитным силам , которые переносятся фотонами .
Теоретический анализ убедительно показал , что гравитационные силы должны переноситься частицами с ну — левой массой и спином 2, а это — гравитон , который был получен в теории струн .
Было показано , что теория струн с необходимостью включает квантово — механическое описа — ние гравитации .
кроме того , в теории струн была решена проблема аномалий , это дости — жение доказало математическую состоятельность теории и ее квантово — механическую жизнеспособность .
Теория струн показала возможность успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики .
Для создания унифицированной теории стояла задача — дать еди — ное описание всей материи и всех взаимодействий .
обычная теория , использовавшаяся в современных экспериментах , рассматривала элементарные частицы как точки без про — странственной протяженности , как конец процедуры деления .
вместо модели точечно — подобной частицы теория струн предлагает представление каждой частицы в виде крохотной вибрирующей нити энергии .
Эти нити не имеют тол — щины , только длину , т . е . струны являются одномерными сущностями .
Все многообразие элементарных частиц в теории струн заменяет один фундаментальный ингредиент — струна .
А все богатство разновидностей частиц представляют различные типы колебания этой струны .
Так же , как виолончельная струна может колебаться множеством различ — Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 146 2012/1/Химияных способов , так и струны в теории струн могут вибрировать различными способами .
Разным модам колебаний струны соответствуют разные частицы .
Так , было установлено , что один вид колебаний струны обладает свойствами , характерными для гравитона .
По — мимо успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики , теория струн дает возможность единого описания для всей материи и всех взаимодействий .
главное новое свойство теории струн в том , что ее основной ингредиент — не точечная частица , а объект , который имеет пространственную протяженность .
Это свойство имеетклю — чевое
Ненулевой размер гравитонов устанавливает предел на уровне планковской длины (10 — 33 см ) с точностью , до которого может быть разрешено гравитационное поле . В любой теории , основанной на точечных частицах нулевого размера , квантовая неопределенность дает дикие флуктуации , которые исключают гладкое пространство об — щей теории относительности Эйнштейна . Однако теория , основанная на струнах , вклю — чает встроенную защиту от отказов , ибо струны являются самыми мелкими составными частями . Таким образом , теория струн ограничивает величину флуктуаций гравитаци — онного поля , этот предел дает основание , чтобы избежать конфликта между квантовой механикой и общей теорией относительности . Еще до теории струн физики высказывались за существование симметрии между частицами с целым и с полуцелым спином . Эта симметрия была названа суперсимметри — ей , однако в стандартной теории , основанной на точечной модели частиц , суперсимме — трия не получила доказательства . В теории струн было показано , что способы вибрации возникают парами . Для каж — дого способа колебаний со спином ½ имеется ассоциированный способ колебаний со спином 0, а для каждого способа колебаний со спином 1 имеется ассоциированный спо — соб колебаний со спином ½ и т . д . Теория струн доказала , что она является суперсимметричной теорией струн , или теорией суперструн . Именно с этим связан результат взаимного уничтожения аномалий , который был получен позднее . Кроме того , теория струн начала доказывать свою жиз — неспособность путем установления , что ее моды колебаний объясняют существование частиц стандартной модели . Число различных способов колебаний струны практически бесконечно . однако число известных частиц в таблицах вполне конечно . Причем массы частиц , полученные экспериментально , не похожи на массы допустимых мод колебаний струны . Это глубо — кое несоответствие между теорией струн и реальным миром представляет серьезную проблему , которая ставит под сомнение теорию струн . однако в теории струн получен результат , который ставит проблему еще большей важности , но вместе с тем и определяет стратегию для объяснения свойств наблюдаемых частиц . Было установлено , что уравнения теории струн математически состоятельны , только если Вселенная имеет девять пространственных измерений . Теория струн требу — ет существования шести измерений , которых никто никогда не видел . Это представляет серьезную проблему . Но теоретические открытия по созданию единой теории показали , что дополнительные измерения вовсе не обязаны быть проблемой . И дальнейшие работы физиков показали , что дополнительные измерения позволяют преодолеть пропасть меж — ду модами колебаний струн и элементарными частицами , открытыми экспериментально . Впервые теория предсказывает число пространственных измерений Вселенной , которое равно девяти , — не больше , не меньше . Существование гравитона , суперсимметрия и дополнительные измерения — это результат , который следует из теории струн , а не привносится извне на основании экспе — риментальных наблюдений . И что особенно важно — это то , что уравнения теории струн электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 147 2012/1/Химия определяют не только число дополнительных измерений , но и их форму , которую имеет сложный класс шестимерных форм , известных как пространства Калаби — Яу . Пространство Калаби — Яу связано с трехмерным пространством в каждой его точ — ке . Когда мы перемещаемся в пространстве , то мы перемещаемся через все девять про — странственных измерений , не замечая шесть дополнительных измерений , ибо они для нас слишком малы . Но для струн они вполне годятся . Струны столь малы , что даже когда дополнительные шесть измерений свернуты в пространство Калаби — Яу , струны могут колебаться в этих направлениях . Это чрезвычайно важно по двум причинам . Во — первых , это обеспечивает условие для колебания струны во всех девяти пространственных из — мерениях , это значит , что условие на число способов колебаний струны выполняется в точности . Во — вторых , моды колебаний струны подвергаются воздействию искривлений и поворотов в геометрии дополнительных шести измерений . Если форму и размер допол — нительных шести измерений модифицировать , то это повлияет на способы колебаний , как и в случае музыкальных инструментов . Но способ колебания струны определяет его массу и заряд , а это значит , что дополнительные измерения играют центральную роль в определении свойств частиц . Поскольку от свойств частиц зависит вся структура Все — ленной от галактик и звезд до существования жизни , то код космоса может быть записан в геометрии пространств Калаби — Яу . свойства колебательных мод струн детально определяются выбором пространства Калаби — Яу . Однако вопрос об этой связи — это задача работ на сегодняшний день — остается без ответа . Современное состояние теории таково , что уравнения неизвестны , а приближенных уравнений недостаточно для определения точного размера и формы до — полнительных измерений . однако получен ряд таких пространств Калаби — Яу , которые в точности дают как правильное число частиц , так и правильные электрические заряды известных частиц . Таким образом , теория струн позволяет , по крайней мере в принципе , определить все свойства частиц из самой теории . В этом еще одно принципиальное от — личие ее от стандартной теории , в которой свойства частиц получаются на основании экспериментальных данных , которые привносятся в теорию извне . Есть все основания надеяться , что теория струн в недалеком будущем сможет объ — яснить фундаментальные свойства частиц , а значит , ответить на вопрос , почему наша Вселенная такова , какова она есть . Решение вопроса о происхождение Вселенной требует , прежде всего , понимания изначальной Вселенной , решение вопроса о природе пространства , времени и стрелы времени . В начальный момент пространство и время еще только должны были возникнуть из более фундаментальных сущностей — что это такое ? — основной вопрос теории струн . Из общей теории относительности хорошо видно , что физика гравитации контро — лируется геометрией пространства . Дополнительные пространственные измерения , полу — ченные в теории струн , дают основание предположить , что мощь геометрии в определении физики значительно возрастает . Теория струн установила , что число измерений , образу — ющих ткань пространства , намного больше , чем мы непосредственно наблюдаем . Значит , число измерений не является фундаментальным [5]. Это дает ключ к решению самых глу — боких тайн Вселенной . Привычные понятия пространства и времени , как мы их до сих пор понимали , могут быть лишь приближениями к более фундаментальным концепциям , раз — работка которых составляет главную цель в решении вопроса о происхождении Вселенной . Предположение , исходящее из теории струн , состоит в том , что пространство — время , возможно , соткано из струн , подобно ткани для рубашки . Такая картина выглядит весьма заманчивой , однако ее несостоятельность слишком очевидна . Дело в том , что мы представ — ляем струны вибрирующими в пространстве и времени , но без самой ткани пространства — электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 148 2012/1/Химия времени , которую должны образовывать сами эти струны . Представления о пространстве и времени бессмысленны , пока неисчислимые струны их не образуют , т . е . пока нет про — странства и времени . Очевидно , требуется полностью беспространственная и безвремен — ная формулировка теории струн , в которой пространство — время возникло бы как результат коллективного поведения струн . такая беспространственная и безвременная формулиров — ка струнной теории имеет название формулировки независимой от фона . Пространство и время не возникают из теории , как это должно быть в независимой от фона концепции , а вводятся в теорию самим теоретиком . значит , разработка независимой от фона формули — ровки представляет наиболее значительную нерешенную проблему теории струн . Данные , полученные в теории черных дыр , особенно важны в решении этого во — проса . черная дыра имеет максимально возможную энтропию . Ответ на вопрос — чему она равна ? — был получен в работах Бекенштейна [10] и Хокинга [8]. Проведенный ими математический анализ показал , что энтропия черной дыры пропорциональна площа — ди ее горизонта событий . непосредственный расчет полностью подтвердил их результат [11]. черные дыры устанавливают предел количеству энтропии , которое может быть вме — щено в заданную область пространства , равную размеру черной дыры ! Количество энтропии , заключенной в черной дыре — это не только фундаменталь — ное свойство самой черной дыры , но и является чем — то фундаментальным самого про — странства : максимальное количество энтропии , которую можно вместить в заданную область пространства — любую область , где угодно , в любое время — равняется количе — ству энтропии , содержащейся в черной дыре того же размера . Существование предела энтропии указывает на то , что пространство имеет ато — мизированную структуру . Это доказывает в ультрамикроскопическом масштабе также и существование минимального размера , равного планковской длине 10 — 33 см . Согласно Бекенштейну и Хокингу , энтропия черной дыры равна числу клеток , уместившихся на горизонте событий , если размер каждой клетки — 10 — 66 см 2 . Значит , планковская клетка — это фундаментальный элемент пространства , и каждая такая клетка несет минималь — ный , единичный элемент энтропии . понятие предельной энтропии приводит нас к пред — ставлению пространственного элемента . такая постановка вопроса заставляет пересмотреть смысл волновой функции . Так же , как уравнение Ньютона определяет изменение состояния системы в классической физике , так и уравнение Шредингера определяет изменение состояния в квантовой механике . Имен — но поэтому с детерминизмом в квантовой механике все в порядке , как отмечает академик Л . Фаддеев [7]. именно понятие состояния составляет основной смысл волновой функции , а вовсе не представление о волне вероятности , о чем чаще всего упоминают . Но понятие состояния объекта может определяться через беспространственные и безвременны е ингре — диенты пространства — времени , тогда как понятие вероятности является результатом появле — ния наблюдателя и измерения , которое производится уже в готовом пространстве и времени . Установление природы пространства и времени дает возможность вплотную подойти к ре — шению вопроса о происхождении Вселенной , ее начальной стадии . Теория струн с неизбеж — ностью ставит вопрос о фундаментальности пространства и времени . Список литературы 1. Вайнберг С . Мечты об окончательной теории . — М .: Едиториал УРСС , 2004. — 256 с . 2. Гамов Г . Создание Вселенной . Viking Press, 1952. 3. Грин Б . объединённых общим происхождением космоса : пространство , время и текстура реальности . — М .: Книжный дом ЛИБРОКОМ , 2009, — 526 с . Электронный журнал «Вестник московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 149 2012/1/Химия 4. Грин Б . элегантная Вселенная . — М ., Едиториал УРСС , 2004. — 290 с . 5. Гросс Д . грядущие революции в фундаментальной физике . Проект « Элемен — ты ». вторые публичные лекции по физике (25.04.2006). HTTP://elementy.ru. 6. Линде А . Многоликая Вселенная . Всероссийский проект « Открытые публич — ные лекции ». ФИАН , 10.06.2007, HTTP://elementy.ru 7. Фаддеев Л . Природа . АН СССР , 1989, No 5, 11 с . 8. Хокинг С . черные дыры и молодые вселенные . СПб ., Амфора / Эврика , 2001. — 192 с . 9. Эйнштейн А . Собрание научных трудов . Т . 3. — М ., Наука , 1966. — 623 с . 10. Bekenstein Jacob D. (April 1973). «Black holes and entropy». Physical Review D 7 (8): 2333–2346. doi:10.1103/PhysRevD.7.2333. 11. Strominger A. and Vafa C. Microscopic Origin of the Bekenstein-Hawking Entropy. Phys. Lett. B 379, 99 (1996) [hep-th/9601029].