Иосиф Розенталь - Геометрия, динамика, вселенная

• Название: Геометрия, динамика, вселенная
• Автор: Иосиф Розенталь
• Жанр: Математика

Книга посвящена проблемам современной физики и космологии. Рассматривается современная геометрия и ее связь с динамикой, новейшие модели эволюции Метагалактики, обсуждается проблема структуры физического пространства и его размерность. Все эти проблемы теоретической физики и космологии автор излагает для читателей, знакомых с общей физикой в объеме курсов, читаемых в вузах. Книга рассчитана на читателей, интересующихся современными достижениями космологии и физики.

---

Вместе с тем изучение таблиц элементарных частиц и анализ свойств наблюдаемой части Вселенной вовсе не оставляют ощущения безусловной гармонии. Почему электрон в 2000 раз легче протона? Почему планковская масса M| ≈ 10**-5 г, являющаяся единственным параметром размерности массы в теории тяготения, в 10**19 раз больше массы протона? Почему e**2 / (HP*c) ≈ 1 / 137? Почему Вселенная почти однородна и в то же время в ней есть такие немаловажные неоднородности, как планеты, звезды, галактики? Все это вызвало в памяти известный вопрос Эйнштейна о том, мог ли наш мир быть создан по-другому.

≡=РИС. 12

Долгое время этот вопрос представлялся абсолютно схоластическим, и поднимать его в серьезных научных работах казалось неуместным. В последние годы ситуация резко изменилась. Это изменение произошло в связи с созданием единых теорий элементарных частиц и с развитием сценария раздувающейся Вселенной. Согласно единым теориям свойства наблюдаемого мира связаны с тем, каким именно образом нарушается симметрия между разными типами взаимодействий и какой из многих возможных вариантов компактификации исходного многомерного пространства осуществляется в окружающей нас части Вселенной. При этом сначала подразумевалось, что и выбор типа нарушения симметрии, и выбор способа компактификации должна происходить одинаково во всей Вселенной. Однако дальнейшее изучение этого вопроса показало, что в рамках сценария раздувающейся Вселенной гипотеза о таком единообразии Вселенной является не только ненужной, но и скорее всего несправедливой.

Наиболее простым и естественным вариантом сценария раздувающейся Вселенной сейчас представляется так называемый сценарий хаотического раздувания`. В отличие от сценария, описанного в настоящей книге, сценарий хаотического раздувания не основан на теории фазовых переходов и расширения Вселенной в переохлажденном квазивакуумном состоянии FI=0. Оказалось, что раздувание может осуществляться, например, в обычной теории массивного скалярного поля FI, характеризуемого массой m, и в целом ряде других теорий, в которых потенциальная энергия V(FI) поля FI при больших FI растет как любая степень поля: V(FI) ~ FI**n.[24]

Поведение Вселенной зависит от начального распределения классического поля FI, и в простейшей теории массивного скалярного поля FI с V(FI) = m**2 FI**2 / 2 оно может быть описано при помощи кривой на рис. 12.

Область начальных значений FI >~ M|**2 / m является

p запрещенной. Дело в том, что при V(FI) = m**2 FI**2 / 2 >~ M|**4 квантовые флюктуации метрики

p столь велики, что говорить о классическом пространстве-времени нельзя.

В областях пространства, в которых поле FI изначально находилось в интервале M| ~< FI ~< M|**2 / m, процесс

p p уменьшения поля FI идет очень медленно. Вселенная в это время расширяется приблизительно экспоненциально: a(t) ~ e**(H(FI)*t), где a(t) — масштабный фактор («радиус»)

_ /----,

2* \/ π*m*FI Вселенной, H(FI) = —--------. Эта стадия и

_ /---,

\ / 3*M|

\/ p называется стадией раздувания. В простейших моделях за время раздувания размер Вселенной вырастает в 10**(10**5) — 10**(10**10) раз (!).

Когда поле FI уменьшается до FI ~ M|, оно начинает быстро колебаться вблизи минимума V(FI), и при наличии взаимодействия этого поля с другими физическими полями накопившаяся в нем энергия переходит в тепло, т. е. Вселенная становится горячей.

Более детально изучение этого сценария[25], проведенное недавно, показало, что в области

- /----, M| * \ / M| / m ~< FI ~< M|**2 / m за счет квантовых p \/ p p эффектов генерируются неоднородности поля FI с очень большой длиной волны, причем амплитуда этих неоднородностей, возникающих за характерное время ^t ~ H**-1, больше, чем общее уменьшение поля FI за это же время из-за «скатывания» поля FI к минимуму V(FI). В результате за время ^t ~ H**-1 общий объем Вселенной увеличивается в e**3 раз (из-за раздувания), и почти в половине этого объема поле FI не уменьшается, а растет, причем скорость раздувания Вселенной в областях с увеличившимся полем FI тоже увеличивается.

Это приводит в конечном счете к тому, что бо́льшая часть объема Вселенной, в которой изначально была хотя бы одна — /----, область с FI >~ M| * \ / M| / m находится сейчас в p \/ p состоянии с максимально возможным полем FI (т. е. с FI ~ M|**2 / m) и продолжает раздуваться. В этих областях p расширение Вселенной никогда не кончается, т. е. Вселенная существует вечно. С другой стороны, те области Вселенной, в которых поле FI становится меньше, чем — /----, FI ~ M| * \ / M| / m, через некоторое время перестают p \/ p раздуваться, приобретая размер l >~ 10**(10**5) см. В одной из таких областей мы и живем.

Важной особенностью этого сценария являются сильные флюктуации метрики и всех других физических полей в большей части объема Вселенной, в которой сейчас FI ~ M|**2 / m.

p Эти флюктуации приводят к разбиению нашей Вселенной на экспоненциально большие области со всеми возможными типами вакуумных состояний (соответствующих локальным минимумам V(Ф, FI), где Ф — все остальные типы скалярных полей, присутствующих в теории) со всеми возможными типами компактификации «лишних» измерений. В каждой из таких областей свойства пространства-времени и низкоэнергетическая физика элементарных частиц будут различными.

В некоторых из этих областей размерность пространства-времени может быть отлична от четырех, вместо слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий могут существовать взаимодействия совершенно других типов с другими константами связи, и т. д. Таким образом, согласно этому сценарию, глобальная геометрия нашего мира кардинально отличается от геометрии мира Фридмана. Вселенная оказывается состоящей как бы из отдельных фридмановских мини-вселенных с разными свойствами (рис. 13), и жизнь нашего типа может возникнуть лишь в части мини-вселенных, условия в которых достаточно хороши для этого (антропный принцип).

≡=РИС. 13

Сейчас еще трудно полностью оценить возможное значение обсуждаемых результатов. Новая картина мира приводит к иной постановке вопроса о том, возникла ли Вселенная из сингулярного состояния (или «из ничего»), или она существовала вечно, нескончаемо порождая все новые и новые области экспоненциально большого размера. Как бы там ни было, сейчас уже кажется все более правдоподобным, что наш мир в целом гораздо более многообразен, чем это можно было ожидать еще несколько лет назад. В основе этого многообразия лежит единство всех типов фундаментальных взаимодействий, высочайшая степень симметрии единых теорий, а также тот факт, что чем выше исходная симметрия, тем большим количеством разных способов она может быть нарушена. Что же касается раздувания Вселенной, то оно, с одной стороны, стимулирует переходы между состояниями с различными типами нарушения симметрии, а с другой стороны, экспоненциально увеличивает размеры возникающих областей с разными типами нарушения симметрии, т. е. с разными свойствами пространства и времени и разными свойствами элементарных частиц.

Подчеркнем, что в данном сценарии речь идет не о возникновении разных Вселенных, а о возникновении экспоненциально больших областей одной Вселенной с разными свойствами пространства-времени и элементарных частиц внутри каждой из них.

Д О П О Л Н Е Н И Е

К настоящему времени обнаружены и хорошо изучены четыре типа взаимодействий:

Э_л_е_к_т_р_о_м_а_г_н_и_т_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_йс_т_в_и_е отвечает за взаимодействие заряженных частиц. Электромагнитное взаимодействие дальнодействующее в том смысле, что в статическом случае оно представляется законом Кулона: F ~ 1 / r**2 (r — расстояние между частями системы). Безразмерная константа этого взаимодействия ALPHA| = e**2 / (HP*c) ~ 1 / 137, где e ≈ 10**-19 Кл

e заряд электрона (протона).

Г_р_а_в_и_т_а_ц_и_о_н_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е является дальнодействующим, пропорциональным массам m|, m|

1 2 частиц системы. Сила соответствующего гравитационного взаимодействия F = G * m| * m| / r**2. Безразмерная

1 2 константа гравитационного взаимодействия ALPHA| = G * m**2 / (HP * c); G = 6.7 * 10**-8

g г**-1 * см**-3 * с**-2 — константа Ньютона. Характеристической массой в выражении для константы ALPGA|

p обычно полагают массу протона m| ≈ 10**-24 г. В этом случае

p ALPHA| ≈ 10**-38 /

g

С_л_а_б_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е отвечает за большинство распадов ядер и за взаимодействие нейтрино. Это короткодействующее взаимодействие: радиус его действия ~10**-16 см. Оно характеризуется безразмерной константой ALPHA| = g| * m**2 * c / HP**3, где g| = 10**-49 эрг*см**3

w F F — постоянная Ферми. При m=m| ALPHA| ≈ 10**-5.

p w

С_и_л_ь_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е ранее отождествлялось с ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Начиная с 70-х годов доминирует концепция, что сильное (ядерное) взаимодействие обусловлено взаимодействием кварков, составляющих протоны и нейтроны и другие адроны (см. далее о классификации элементарных частиц). В соответствии с современными представлениями сильное элементарное взаимодействие — взаимодействие между кварками. Взаимодействие между протоном и нейтроном отождествляется с взаимодействием двух систем кварков, составляющих нуклоны. Сильное взаимодействие между двумя кварками короткодействующее. Его константа ALPHA| имеет сложную