Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
161
161
но п оэтом у, как отм ечает С ти вен В айн берг в своей зам ечательной книге «М ечты об
окон чательной теории», при п остроен и и ф и зи чески х теори й (м одели) н а
соврем ен н ом уровне ф и зи ки элем ентарн ы х частиц важ ны н е вещ и, а сим м етри я
закон ов природы , которы е, являясь отраж ени ем внутренн его структурн ого еди н ства
эти х неп реры вн о изм ен яю щ и хся вещ ей , остаю тся и н вариан тны м и при всех
преобразован и ях их: важ ны не вещ и, а сим м етри я их законов.
С и м м етри я законов природы — п ри н ц и п и н вари ан тности . В ф и зи ке
элем ентарн ы х частиц важ н ы два ви да сим м етри и п ри п остроен и и кван товой
хром одинам и ки (К Х Д ) и электрослабой теори и :
1) внутрен н и е сим м етри и (сим м етри я цветового заряда SU
(3)
и электрослабая
си м м етри я );
2) локальны е калибровочны е си м м етри и , зави сящ ие от точек пространства и
м ом ентов врем ени .
П оэтом у стандартная м одель элем ен тарн ы х частиц как Б ольш ое объединен и е
трех си л взаи м одей стви й осн овы вается на син тезе произведения сим м етри и
цветового заряда — SU
(3)
— и электрослабой си м м етри и —
И все ж е стандартн ую м одель элем ентарн ы х части ц н ельзя рассм атри вать как
теори ю , заверш ен н ую с логическую п олнотой: в н ей есть свои безусловны е
достои н ства и есть «больш и е н едоделки -недостатки»:
В н е стандартн ой м одели элем ентарн ы х части ц находи тся в стороне одна и з
четы рех ф ун дам ен тальн ы х сил взаи м одей ствий — сила грави тац и он н ого
взаи м одействия, т. е. та си ла взаим одей стви я, которая является главн ы м
дей ствую щ и м ли ц ом во В селенн ой (вещ ествен н ой с тяготени ем ), уп равляю щ и м
поведени ем вещ ественн ой круп н ом асш табной структуры . (П осле откры тия в сам ом
кон ц е Х Х в., в 1998-1999 гг., двум я груп п ам и ам ериканских астрон о м ов, как м ы
писали в наш ей работе, наш а В селен н ая п редставляет собой единство вещ ественной
и вакуум ной косм ической сф ер, т. е. сф еру вещ ественн ого тяготени я и сф еру
вакуум ного анти тяготени я.)
И так, стандартная м одель элем ен тарны х части ц — не
вклю чает гравитац и он н ую си лу взаим одей ствия: она оставляет в сторон е тяготение
как главн ую силу вещ ествен ной сф еры В селенной. С тан дартная м одель — м одель
элем ентарн ы х части ц , п оэтом у она н е м ож ет и н е и м еет права вклю чить гравитаци ю
общ ей теории отн осительн ости Э й н ш тей н а, которая является м акрогравитац и ей:
стандартн ая м одель — это м одель м икрочасти ц и си л их взаи м одействий, осн ован н ая
на при н ц и п ах вн утренн ей си м м етри и и локальной калибровочн ой си м м етри и .
И м енн о поэтом у м акрограви таци я, зам ечательно оп и сы ваем ая теори ей тя готен и я
Э йнш тей н а как класси ческой , а н е кван товой , долж на бы ть превращ ена в
м и крогравитац и ю . А это возм ож но в том случае только, если будет создан а
квантовая теори я гравитац и и , т. е. теория кван товой м икрограви таци и на осн ове
квантовой теори и п оля как си н теза п ри н ц и п ов кван товой м еханики и требовани й
сп еци альной теории относи тельности .
Во-первы х, и дея неи збеж н ости и н еобходи м ости создан и я кван товой теори и
грави тации — это н е новая и дея, а зародивш аяся уж е давн о, в 30 -е гг. Х Х столети я,
когда советски й ф и зи к-теорети к М . П . Б ронш тейн вы дви н ул гипотезу гравитон а как
кванта гравитаци он н ого поля, и с тех пор он а никогда не угасала. Н аоборот, в
настоящ ее врем я идея грави тон а стала одной и з сам ы х главн ы х и перспекти вн ы х
(если н е сам ой главн ой ) у ф изиков, астроф и зи ков и косм ологов. П ока гравитон ы как
кванты грави та-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
162
162
ционного п оля в эксп ери м енте н е обн аруж ены , хотя ни кто из учены х -ф и зи ков н е
сом н евается в реальн ом сущ ествован и и гравитон а в м ире.
Н еим оверн ая трудность эксп ери м ен тального обн аруж ени я грави тон ов к ак
квантов гравитационн ого поля объясн яется, как м ы отм етили, прен ебреж и м о м алой
си лой гравитаци и на уровне м икром и ра — 10
-49
по сравнени ю с силой сильны х
ядерн ы х взаим одействи й . В этой связи одни учены е считаю т, что п оскольку си ла
грави тационного взаи м одей ствия стан ови тся сравн и м ой с силой сильн ы х ядерны х
взаи м одействий только при п лан ковском м асш табе эн ергии — 10
19
Г эВ , в бли ж ай ш ие
500 лет дости ж ени е человечеством такого уровня вы соких эн ергий исклю чается. А
другие учены е ф и зики -спец и али сты категорически возраж аю т против скеп тиц и зм а в
дости ж ен и и п ланковского м асш таба эн ерги и — 10
19
Г эВ : в этой связи С тивен
В айн берг (Н обелевский лауреат) в своей кн и ге «М ечты об окончательн ой теори и »
пиш ет, что «п лан ковская эн ерги я равн а эн ерги и хи м и ческой реакц и и сгорани я
полного бака бен зи н а в автом обиле». Н о, продолж ает С . В ай н берг, вся суть
проблем ы заклю чается в том , как эту эн ерги ю сконц ентри ровать в п ротоне и ли
электрон е. О дн ако эта п роблем а коллапсировани я план ковской эн ергии в п ротоне
или электроне — это н е чи сто техн и ческая п роблем а, а п редставляет собой
чрезвы чайн о слож н ую и трудн ую научн о -ф и зическую п роблем у — н айти силу,
сп особн ую ф изически коллап сировать эту п ланковскую эн ергию 10
19
Г эВ в м алом
объем е протон а и ли электрон а.
К ром е проблем ы экспери м ен тальн ого обн аруж ен и я гравитон а сущ ествует
м атем атическая трудность сокращ ени я бесконечн остей, возн и каю щ и х при
соударени ях грави тон ов друг с другом : эта м атем ати ческая трудность сокращ ени я
бесконечн остей такж е ещ е не реш ена, хотя над реш ен и ем ее работаю т лучш ие ум ы
ф и зи ков-теоретиков и ф изиков-м атем ати ков.
Т аки м образом , стандартн ая м одель как Б ольш ое объеди нен и е трех
ф ун дам ен тальн ы х сил — К Х Д и электрослабой теори и — зам ечательное достиж ени е
во все более глубоком позн ани и м и ра элем ентарны х части ц и си л, связы ваю щ их и х в
их еди н стве. О днако стандартн ая м одель оставляет в сторон е от столбовой дороги
ф ун дам ен тальн ого и всеобщ его объеди н ени я грави таци ю , играю щ ую не п оследню ю
роль в ходе Б ольш ого взры ва си н гулярн ости как бескон ечн ой плотн ости м атери и и
искривленн ого простран ства-врем ен и . В едь соверш енно очевидн о, что «распутать»
весь этот «сингулярн ы й клубок» сп особн а только и только одн а грави тационн ая
си ла, а и м енн о анти грави тац и он н ая сила косм и ческого вакуум а, которая, как м ы
писали , бы ла откры та эксп ери м ен тальн о в сам ом конц е прош лого (Х Х ) века.
И м енн о поэтом у известн ы й м атем ати к и ф и зи к-теорети к Р одж ер П ен роуз (друг
и сотрудн и к С ти вена Х окин га по Л укасовской каф едре м атем ати ки в К ем бри дж ском
уни верси тете) назы вает соврем ен ное состояние соотнош ения м еж ду общ ей теори ей
отн оси тельности как классической теори ей м акрограви таци и и стан дартной м оделью
ф и зи ки элем ен тарны х части ц , н е вклю чаю щ ей и н е способной вклю чать в себя
квантовую м и крогравитаци ю , «лоскутн ы м одеялом », п отом у что ш вы их сш иты
плохо (см .: П енроуз Р . Б ольш ое, м алое и человеческий разум ).
Н е только ш вы м еж ду О Т О и кван товой м ехани кой плохо сш иты , н о и такж е в
сам ой стандартн ой м одели ф и зики элем ентарн ы х частиц ш вы м еж ду ее
структурны м и ком понен там и сш иты н е всегда сам осогласованн о. В стандартн ой
м одели как Б ольш ом объеди н ени и объеди н ены две сам осогласованн ы е теори и —
К Х Д и электрослабая теори я, которы е обладаю т сам и п о себе и основы ваю тся н а
точны х законах сохран ени я си м м етри и ц ветового заряда SU
(3)
и электрослабой
си м м етри и . О днако эти
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
163
163
две теори и — К Х Д и электрослабая — н е п редставляю т собой, как отм ечает С .
В айн берг в своей кни ге «М ечты об окон чательной теори и », един ую теори ю ,
поскольку К Х Д стои т в Б ольш ом объедин ени и особн яком от электрослабой теории:
для си м м етри зац и и К Х Д с электрослабой теори ей н еобходим ы вы соки е энерги и
10
15
Г эВ , т. е. на четы ре порядка м ен ьш е эн ергии план ковского м асш таба — 10
19
Г эВ ,
что н едости ж и м о н е только в соврем енны х сущ ествую щ их ускори телях, но и в
ближ ай ш ие 300-500 лет.
У точни м более конкретн о, о чем идет речь. Д ля си м м етри и электром агни тны х
си л и слабы х ядерн ы х сил, п оскольку последние си лы в 1 000 раз слабее
электром агн и тн ы х си л, требуется сп он танн ое н аруш ение си м м етри и и дей стви я
м ехани зм а Х иггса, в результате чего части ц ы (как ф ерм ион ы е и
и бозон ы W
±
и
Z
0
) приобретаю т м ассы и стан овятся м асси вны м и , си ла слабы х взаи м одействий
которы х стан ови тся сравни м ой с силой электром агни тного взаи м одей ствия п ри
энерги ях 100 Г эВ .
И так, для реального осущ ествлен и я сим м етри и си л Э М В и С Л В необходим ы
энерги и 100 Г эВ . А для сим м етрии сил электрослаб ы х взаим одей ствий и сильны х си л
кварк-глю онны х взаи м одей ствий необходи м неи м оверн о более вы сокий уровен ь
энерги й — 10
15
Г эВ , что пока остается н едости ж им ой м ечтой ф и зиков-теоретиков и
эксперим ен таторов. Э та пропасть бездн ы м еж ду уровням и энерги й К Х Д и
электрослабой теории представляет собой второй м ом ент «лоскутн ого одеяла»
стандартн ой м одели после гравитон а как кван та гравитац и он н ого п оля.
Н о сущ ествует ещ е более серьезная и ф ун дам ен тальн ая н еразреш и м ая п роблем а
в «лоскутном одеяле» стан дартной м одели элем ен тарн ы х частиц : это проблем а
иерархи и . П роблем а иерархи и — это проблем а м асс элем ен тарны х части ц и преж де
всего: в чем состои т п ри чи н а и и сточник и х п оявлен и я и и х разли чия, почем у в
одном и том ж е сем ей стве (лептон н ом или кварковом ) м еж ду член ам и -частиц ам и
сущ ествует такая больш ая и сверхбольш ая разни ц а м асс. Т ак, напри м ер, м асса тау -
леп тон а (τ-леп тон ) п ревы ш ает м ассу электрона более чем в 4 000 раз. П очем у такая
сверхразн и ц а м еж ду м ассой и - и d-кварков и м ассой t-кварка, которая превосходи т в
40 ты сяч раз м ассу вален тны х кварков u и d?
К ак м ы уж е отм етили , наш а В селенн ая в ее вещ ественной сф ере состои т
исклю чи тельн о и з легки х части ц кваркового и леп тон н ого сем ей ств:
В ещ ествен н ая В селенн ая состоит из левы х кварков — и - и d- и левы х леп тон ов –
е
-
и
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
164
164
П ока н ам н е совсем ясн о: для чего необходи м ы правы е части ц ы . П оэтом у
ф и зи ки задаю т вопрос: кто их заказал? (К ак ам ериканц ы -посети тели ки тайски х
ресторан ов обы чн о сп раш иваю т: кто заказал экзоти ческое блю до?)
И так, лоскутам и «лоскутного одеяла» стандартной м одели О Т О являю тся:
1) отсутствие ф акта эксп ери м ен тальн ого откры ти я гравитон а как кван та
грави тационного поля, что представляет н астоящ ую необходим ость разработки и
построен и я квантовой теори и гравитации;
2) то, что в стандартн ой м одели К Х Д стои т особн яком от эл ектрослабой теори и : для
си м м етри и этих двух ф ундам ен тальн ы х теори й в един ой н еобходи м ы эн ерги и 10
15
Г эВ ;
3) сам ой загадочн ой и вм есте с тем сам ой ф ундам ен тальн ой проблем ой,
настоятельно требую щ ей разгадки , является проблем а и ерархи и м асс
элем ентарн ы х части ц : поразительно н епостиж им а значи м ость эй н ш тейновского
закон а Ε = М с
2
, которы й им откры т н а кон чике пера ровн о сто лет н азад в 1905 г.
«С ам ая уди ви тельн ая н епости ж им ость в при роде — это человечески й разум и
интуити вн ое озарени е: это непостиж и м ое чудо» (А . Э йн ш тей н ).
П р огр ам м а объ еди н ен и я
20-е гг. Х Х в. ознам ен овали сь создан и ем квантовой м ехани ки, соверш енно
изм ен и вш ей н аш е представлен и е о при роде: вм есто однозн ачн ого точн ого позн ан и я
появили сь н еоп ределен н ость и вероятн ость. П еред взором человека встал н овы й м и р
случай н остей и хаоса части ц и сил, их связы ваю щ их: кван товая м ехан и ка —
дуалисти ческая ф и лософ ия части ц и их сил.
30-40-е гг. бы ли годам и син теза квантовой м ехани ки и специ альн ой теори и
отн оси тельн ости, н ачатого в конц е 20-х гг. П олем А ндри ан ом Д и раком — вели ким
ф и зи ком всех врем ен . И м енн о в 40-е гг. Х Х в. бы ла создана одна и з первы х квантово -
полевы х теори й — квантовая электродин ам ика (К Э Д ), которая бы ла и до сих п ор
остается образц ом (эталон ом , п арадигм ой) создан и я и построени я новы х квантово -
полевы х теори й — кван товой хром оди н ам ики (60 -е гг.) и электрослабой теори и (70-е
гг.).
П ереход от квантовой м ехани ки к квантовой теори и п оля бы л в ф и лософ ском
ракурсе п ери одом см ены дуали зм а части ц ы и си лы квантово -п олевы м м онизм ом :
части ц ы и их си лы стали рассм атри вать как сгустки эн ерги и поля. П ри этом
сердц евиной всех кван тово-полевы х теори й — К Э Д , К Х Д и электрослабой теори и —
является п ри н ц и п си м м етри и , которы й служ ит осн овополагаю щ им п ринципом ,
делаю щ им их краси вы м и теори ям и , осн ованн ы м и на простоте ф ун дам ен таль н ой
идеи , логи ческой п олноте ее структуры , т. е. ее н еи збеж ности, ж есткости и
заверш ен н ости . Э та красота теории означает, что и з теори и логи ческой полн оты
ничего н ельзя отн ять и н и чего н ельзя п рибавить: краси вая теори я — дорогая
хрустальная ваза, от которой нельзя отколоть какую -то часть, не разруш ив ее
целостность (по словам С . В айн берга). Т аки м и «хрустальны м и вазам и» являю тся
К Х Д , основан н ая на точном закон е сохран ени я ц ветового заряда, и электрослабая
теори я со сп он танн ы м наруш ением си м м етри и как «скры то й » сим м етри ей и
дей ствием м ехан и зм а Х иггса.
В ф илософ ском виден и и логи ка развити я ф и зи ческой м ы сли от квантовой
м ехани ки к кван товой теори и поля, а от последн ей — к ф и зике элем ен тарны х частиц
—
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
165
165
осущ ествлени е ф ун дам ен тальной програм м ы объеди н и тельного п роц есса всех
известн ы х н ам сил взаи м одействий — С В , Э М В , С Л В и Г В . К ак м ы уж е пи сали, в
сторон е от этого объеди н и тельн ого процесса находи тся грави таци я, с п роявлени ем
которой, т. е. гравитационной си лы , связан о «тем н ое вещ ество» («скры ты е м ассы »),
которое в короне галакти к и и х скоплен и й составляет 90 -95 % всей м ассы галакти к и
их скоп лен и й . А п ока нам соверш енн о н еи звестн а природа этого «тем ного
вещ ества»: является ли он а кван товой или н ет — этот воп рос остается откры ты м .
П редп олож ени е учен ы х-ф и зиков о том , что квантовы е м и крочасти ц ы «тем ного
вещ ества» им ею т м ассу, равную 1 000 m
p
(т. е. м ассы протон а), п ока
эксперим ен тально не п одтверж дается. Т ребуется врем я для дальнейш его
исследован и я, и бо без раскры ти я природы «тем ного вещ ества» и знан и я о н ей
исклю чено дальней ш ее продвиж ен и е по пути объеди н и тельн ого процесса в ф и зи ке
элем ентарн ы х части ц : сила «тем ного вещ ества» п редставляет собой осн овн ую и
главн ую силу движ ени я галакти к и их скоплен и й , а такж е их сверхскоплений, и х
столкновени й , и х тран сф орм аци й и их м етам орф оз в м етагалакти ческом
простран стве и врем ени н аш ей В селенн ой .
П оэтом у без вы ясн ен и я воп роса о том , является ли п ри рода «тем ного вещ ества»
квантовой и ли нет, не м ож ет идти речь об объединен и и всех си л взаи м одей стви й в
одной еди н ой теори и всего сущ его (и ли теори и всего, по-ан гли й ски — theory of
everything). Т ак рассуж дали и так п редставляли не только ф и зи ки -экспери м ентаторы ,
но и ф и зики -грави тационисты до недавн его врем ен и , т. е. до сам ого кон ц а уш едш его
(Х Х ) века.
О дн ако в сам ом кон ц е прош лого стол етия (1998-1999), как м ы пи сали,
произош ло по сути и п о -н астоящ ем у револю цион н ое собы тие, связан н ое с
эксперим ен тальны м откры ти ем косм и ческого вакуум а с его анти тяготени ем ,
ан ти грави тацией : при рода этого косм ического вакуум а такж е неи звестна.
Я вляется ли п ри рода косм ического вакуум а квантовой или н ет — воп рос
остается откры ты м . Н еобходим о дальней ш ее и сследован и е и и зучен и е этого
косм ического ф еном ен а, энерги я которого составляет почти 70 % всей м и ровой
энерги и (эн ергия «тем н ого вещ ества» — только 30 % , а эн ерги я «види м ого
вещ ества» (т. е. ядерн ой м атерии и электром агнети зм а) — лиш ь 3 % .
К вантовая м атерия как универсальн ая и ф ундам ен тальн ая ф изическая
реальность является:
1) вещ ественн ой , т. е. частичн ой реальностью ;
2) полевой реальностью , т. е. части ц ы и их силы — сгустки эн ергии поля;
3) виртуальны м квантовы м вакуум ом , где ки ш м я ки ш ат виртуальны е части ц ы и
ан ти части ц ы .
С тои т отм етить и подчеркнуть, что все разли чия м еж ду эти м и ви дам и кван товой
м атерии (вещ ествен н ой , полевой и виртуальной ) отн осительн ы : в
сверхэкстрем альны х услови ях коллап са все эти разли чия м ом ентальн о и счезаю т,
уни чтож аю тся абсолю тно и вещ ество, и п оле, а такж е и виртуальность. О стается
одна син гулярность как бесконечн ая п лотн ость м атерии и и скривлен н ого
простран ства-врем ен и : в результате коллап са все п ревращ ается в син гулярность, в
м и крогравитац и он н ы е волн ы , а пространство -врем я теряет свой ф и зический
(обы чны й — трехм ерн ость и одн ом ерн ость) статус. В суперструн н ой теории
простран ство обладает десятью изм ерени ям и и одн и м врем енн ы м : ш есть и з десяти
изм ерени й свернуты в области 10
-33
см .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
166
166
К осм и ч еск и й в ак уум (к ак си л а ан ти тяготен и я ,
ан ти гр ав и тац и и )
О ткры ти е косм и ческого вакуум а как си лы ан ти тяготения, анти грави таци и
представляет собой радикальн ое и зм ен ен и е н аш его п редставлени я о структуре и
эволю ц и и наш ей В селен н ой , которая по своем у строен и ю состои т из косм и ческого
вещ ества и косм и ческого вакуум а, а ее косм ическая структура оп ределяется н е
одним тяготением , силой грави таци он н ого при тяж ени я, но и ан титяготен и ем , силой
ан ти грави тационн ого отталкиван и я: эволю ци я ф ри дм ановско-хаббловского
расш ирен и я В селен н ой происходи т и будет прои сходи ть в будущ ем н еограни ченн о
ускоренн о. П ри этом сила анти тяготен и я косм и ческого вакуум а во В селенн ой
превосходи т более чем вдвое силу тяготения, гравитац и он н ого п ритяж ени я . П оэтом у
во В селенной н ет и не сущ ествует ф и зической силы , которая м огла бы
восп реп ятствовать безграни чн ом у ускорен н ом у расш и рени ю наш ей В селенн ой ,
причин ой которого является косм ический вакуум с его ан ти тяготен и ем ,
ан ти грави тацией , отталкиван и ем связан н ы х м еж ду собой си лой грави тационн ого
притяж ен и я галакти к, скоплени й галакти к и сверхскоп лени й скоп лен и й их: две
пробны е частицы (т. е. галакти ки ) связан ы м еж ду собой силой грави тационного
притяж ен и я, в п ространстве м еж ду которы м и (т. е. пробн ы м и части ц ам и) сущ ествует
и действует анти тяготени е как сила антигравитац и он н ого отталкиван и я эти х части ц
друг от друга.
Т яготени е как сила грави тац и онного п ри тяж ени я — си ла структури рован и я
косм ически х объектов (звезды , галакти ки, скоплени я галакти к и сверхскоп лени я) в
крупном асш табную структуру В селен н ой и и х удерж ани я в их связан н ом состоянии,
а ан титяготение косм и ческого вакуум а действует в проти воп олож н ом нап равлени и :
ан ти грави тация как сила отталкиван и я является силой удален и я связан н ы х м еж ду
собой си лой грави тации п робн ы х частиц (т. е. галакти к и т. д.) друг от друга, при
этом чем больш е м еж ду эти м и частиц ам и косм ическое расстоян и е, тем они с
больш ей скоростью удаляю тся, разлетаю тся и разбегаю тся друг от друга. (В
некоторы х случаях скорость разлета эти х косм и чески х объектов достигает сотн и
ты сяч км /с.)
П оэтом у так уди вительн а и п орази тельна п ознавательн ая и м етодологи ческая
значим ость эй н ш тейн овского зн ам ен и того закона Ε = М с
2
(которы й бы л и м
сф орм улирован за десять лет (1905) до общ ей теории относи тельности (1915)).
П роблем а ф и зической п рироды косм и ческого вакуум а, как и при рода «тем н ого
вещ ества» («скры ты х м асс») остается откры той : нам ещ е н еи звестн а п ри рода
косм ического вакуум а — является ли он а кван товой и ли н ет.
Н ам и звестен дираковски й ф и зи чески й квантовы й вакуу м , где «киш м я киш ат
виртуальны е части ц ы и античасти ц ы », из которы х п ри определен н ы х эн ергиях м огут
рож даться реальн ы е готовы е части ц ы и анти части ц ы (напри м ер, п ара электрон —
позитрон ). О дни м словом , ви ртуальное и реальн ое в ди раковском вакуум е
взаи м оп орож даю тся и взаи м оопределяю тся.
Н о косм и ческий вакуум — ф и зическая реальн ость, ли ш ен н ая части ц и полей , в
том чи сле ви ртуальны х. Э тот косм и ческий вакуум — реальн ость «чистой » эн ергии
без части ц и п олей : эта эн ергия вакуум а н еизм енн а во врем ен и и п остоян н а в
пространстве. О на м ож ет и действи тельно воздей ствует на все остальное другое во
В селенной, но н и что в ней н е способн о оказы вать своего воздей ствия на этот
косм ически й вакуум .
Ч то означает: косм ический вакуум — абсолю тн ая ли ш ен н ость частиц и полей?
Э то значи т, в нем нет и н е м ож ет бы ть ни «ви дим ого» («светящ егося») вещ ества, н и
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
167
167
«тем н ого вещ ества» («скры ты х м асс»). А это озн ачает, что в косм ическом вакуум е
нет и не м ож ет бы ть ни ядерной м атери и , ни си льны х ядерны х, ни слабы х ядерн ы х
си л, н и электром агни тн ы х сил (ни электрических, н и м агни тны х, н и волн , ни света),
ни частиц п оля. К «видим ом у вещ еству» отн осится такж е грави тац и онная м асса и
си ла звездного м и ра галакти ки: сум м арн ая м асса всех звезд в галакти ке составляет не
более 5-10 % всей м ассы галакти ки, а остальн ы е 90-95 % м ассы галакти ки
приходятся н а «тем ное вещ ество».
Т аки м образом , если косм и чески й вакуум — абсолю тн ая ли ш енность части ц
(как взаи м одействую щ их м еж ду собой ф ерм ион ов, так и бозон ов как кван тов полей)
и сам их полей и и х сил, то он не м ож ет бы ть оп и сан, объясн ен и п он ят в рам ках
квантовой теори и п оля и не м ож ет бы ть объедин ен в ф и зи ке элем ентарны х части ц , в
частн ости в стандартной м одели . П оэтом у так важ н а и сущ ествен н а проблем а
изучени я п ри роды косм и ческого вакуум а. Е сли , н апри м ер, эта п ри рода косм и ческого
вакуум а окаж ется кван товой , то вся наш а В селенн ая — квантовая. В этом
заклю чается суть ф и лософ ской предельн ости как научн ого, так и ф и лософ ского
м ы ш лени я.
Я вляется ли н аш а В селен н ая как структурн ое единство вещ ества и вакуум а
квантовой? К акие бы достиж ен и я ни бы ли дости гнуты в ф и зи ке частиц , астроф и зи ке
и косм ологи и , п роблем а при роды всей н аш ей В селен н ой в ц елом — центральн ая ось
и стерж ен ь науки и ф илософ и и .
М н огом ер н ость п р остр ан ств а
В последние десяти лети я Х Х в. ф и зи ка части ц , астроф и зи ка и косм ологи я, в
связи с п остроени ем теори и суп ерструн , все чащ е обращ аю тся к проблем е
дополни тельн ы х изм ерени й п ространства: п роблем а доп олни тельн ы х и зм ерени й
простран ства находится в ц ентре вн и м ани я учен ы х ф и зи ки частиц , астроф и зиков и
косм ологов, работаю щ их на сам ы х передовы х п озициях построени я суп ерструнн ы х
теори й .
К ак бы ло отм ечено, идея о четы рехм ерн ости простран ствен н ы х изм ерени й
принадлеж ит м олодом у польском у ученом у Т еодору К алуце, которы й ещ е в 1922 г.
сф орм улировал свою конц епц и ю четы рехм ерны х простран ствен н ы х и зм ерени й для
си н теза тяготения и электром агн ети зм а: грави таци он н ая си ла связана и
осущ ествляется в трех простран ственн ы х изм ерен и ях, а электром агн етизм — в
четвертом п ространствен н ом изм ерен и и . Ч етвертое и зм ерени е пространства
сущ ествен н о отличается от протяж ен н ы х трех п ространствен н ы х изм ерен и й —
сверн утое, закрученн ое, ком пактиф ицированное пространственное изм ерен и е, т. е.
неви ди м ое нам и, м алое сверн утое изм ерен и е.
В дальнейш ем , через четы ре года, в 1926 г. кон ц епц и ю четы рехм ерн ости
пространства обобщ ил О скар К лей н , которы й сф орм улировал теорию
м н ож ественн ости и зм ерени й простран ства: п ространство и м еет не только четы ре
изм ерени я, он о является м ногом ерн ы м ф ен ом еном .
К он ц еп ц и я м н огом ерн ости пространства К алуцы — К лей н а бы ла забы та, и
только через п очта п олвека сн ова учен ы й м ир ф и зиков, астроф изиков и косм ологов
всп ом ни л и начал и н тенсивн о разрабаты вать учен и е о м н огом ерн ости пространства в
связи с разработкой и построен и ем теори и суперструн . С уперструны сущ ествую т в
области п лан ковской длины 10
-33
см , где трехм ерн ость простран ства теряет свой
реальны й ф и зи чески й см ы сл. С верн утое, закручен н ое, ком п акти ф и ц и рован н ое
простран ствен н ое и зм ерени е такж е сущ ествует в м алой области план ковской дли н ы
10
-33
см .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
168
168
П ервая суп ерструн н ая револю ц и я связан а с им енам и Г ри н а и Ш варц а, которы е в
сп ектре резонансны х м од колебан и й струн обн аруж и ли м оду резонан сны х колебаний
струн ы , связанную с безм ассовой частиц ей со спи н ом 2: такой безм ассовой части ц ей
со сп и н ом 2 оказался гравитон как кван т гравитаци он н ого поля.
Т аки м образом , суп ерструн н ая теори я осущ естви ла то, чего не м огла и н е
сп особн а бы ла сделать стан дартная м одель Ф Э Ч — объедин и ть все частицы и все
четы ре силы взаи м одействий в един ой теори и : все частицы и их си лы
взаи м одействий обусловливаю тся и определяю тся строго определен н ы м и м одам и
резонан сны х колебаний струн , ф изическая реальн ость которы х разы гры вается и
связан а со скручен н ы м и , сверн уты м и и ком п актиф ицирован н ы м и
простран ствен н ы м и и зм ерени ям и в области п лан ковской длины 10
-33
см .
С уперструн н ая теория Г рин а— Ш варц а построена н а 10 пространственно-
врем енн ы х изм ерени ях: 9 и зм ерени й — п ространствен н ы х и одно — врем ен н ое
изм ерени е. И з п ространственн ы х изм ерени й — три п ротяж енн ы е, а ш есть —
сверн уты е, скрученн ы е и ком п акти ф ицирован н ы е. Ч асти ц ы не м огут и не сп особн ы
нам аты ваться на эти скрученн ы е, сверн уты е и ком пактиф и ц и рованн ы е
простран ствен н ы е изм ерен и я, а струны м огут: струн ы обладаю т н е только м одой
резонан сны х колебан и й , н о и способн ы нам аты ваться н а скрученн ы е, свернуты е и
ком п акти ф и ц и рован н ы е и зм ерения п ространства.
Ч асти ц ы , н ам и познанн ы е, разы гры ваю т свои драм ати чески е дей стви я в области
10
-16
см (т. е. кварки ) и 10
-17
см (т. е. слабы е силы ), а струны — в области 10
-33
см , т. е.
на 17 п орядков м ен ьш е, чем область бы ти я части ц и п олей , а такж е и х
взаи м одействия.
В торая суперструн н ая револю ц и я состоялась в 1995 г., когда ведущ ий
сп еци али ст ее Э двард В и ттен вы ступ и л с докладом в У н и верситете Ю ж ной
К али ф орнии н а тем у «С уп ерструны -95». В своем докладе В и ттен сф орм ули ровал
следую щ ие и деи:
1. Т еория возм ущ ен и й н еприм ен и м а к разработке суп ерструн н ой теори и .
2. И дею дуальности. К этом у врем ен и бы ли построены разли чн ы е суп ерструнн ы е
теори и : Т
1
, Т
2
А , Т
2
В , гетеротические теори и , которы е сп еци али стам и
рассм атри вали сь как сам остоятельны е теори и . В и ттен утверж дал, что эти теор ии
не являю тся разли чн ы м и теори ям и , а являю тся разли чн ы м и подходам и к пои ску
одной общ ей суп ерструнн ой теори и .
3. И дею М -теори и , которую В и ттен назы вал м исти ческой теорией , а други е
назы ваю т ее м атри чн ой , м атери н ской и т. д. М -теори я долж на объяснять
стандартную м одель ф и зи ки элем ен тарн ы х частиц, супертеори ю Я нга— М иллса,
суп ергравитац и ю , суп ерсим м етри ю , а такж е вы ш еперечи сленн ы е части чн ы е
суп ерсим м етричны е подходы .
Н аш е п ротяж ен н ое ф и зи ческое п ространство трехм ерно, а врем я одн ом ерн о: м ы
и все вещ и в окруж аю щ ем н ас п ространстве — четы рехм ерны е. Ч еты рехм ерн ость —
ф ун дам ен тальн ая особен н ость н аш его бы тия и бы ти я всех вещ ей , с которы м и
постоянно м ы сталки ваем ся во всех сф ерах н аш ей ж и зн едеятельности .
О дн ако это не озн ачает, что сам о п ространство наш ей В селен н ой такж е
трехм ерн о: трехм ерн ость п ространства наш ей В селен н ой — п ространство
протяж енное, разверн утое и расш и ряю щ ееся ускорен н о. К ром е этого разверн утого,
протяж енного простран ства, п ространства как такового, в н аш ей В селенн ой и м еется
ещ е ш есть пространственн ы х изм ерен и й , н еразвернуты х и н епротяж ен н ы х. Э ти
ш есть изм ерен и й сущ ествую т
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
169
169
как свернуты е, закрученн ы е и ком пактиф и ц и рованн ы е, т. е. н ам и ещ е «н е види м ы е».
Э ти свернуты е и закрученны е пространственн ы е изм ерения сущ ествую т в сли ш ком
м алом для нас расстояни и , сравн и м ом с план ковской дли н ой 10
-33
см , и п оэтом у они
являю тся до си х п ор ком пактиф и ц и рованн ы м и , т. е. «неви дим ы м и »
(«н еп озн анн ы м и »).
Р и с. 1.28
«М ал ое и бол ьш ое»
И так, струнны й уровен ь кван товой м атери и — более глубоки й , ни ж еследую щ ий
уровень, чем уровень квантово-полевой: н а этом струн н ом уровне кван товой м атери и
нет ни части ц , ни си л их взаи м одействи й , ни полей. Н а сам ом глубоком уровне
квантовой м атери и сущ ествую т только одн ом ерн ы е и вечно вибри рую щ и е струны в
виде петелек, п алочек, волокон, число которы х бескон ечн ое м нож ество, и м од
колебани й (вибраци й ), которы х такж е бескон ечно м н ого: бесконечн ое м нож ество
одном ерн ы х струн в виде петелек (палочек, волокон) п остоянно и н епреры вн о
вибрирую т в бесконечном числе м од колебани й . С ледствием этого являю тся
части ц ы : частиц ы вклю чаю т в себя струны , вечн о вибрирую щ ие без остановок.
П оэтом у теори я струн свободн а от бесконечн остей : бесконечн о вибрирую щ ие
струн ы в бескон ечн ом чи сле м од колебани й сам и п о себе сокращ аю т бесконечн ости .
Э то одно и з важ нейш их досто и н ств теории струн .
Значит, в теори и струн осущ ествляется вели кое объедин ени е всех части ц , в их
числе и гравитон как кван т грави тационн ого поля, и и х сущ ествовани е объясн яется
вечн о и неп рестанн о вибри рую щ и м и струн ам и: струны представляю т собой
внутрен н ю ю сущ н ость всех частиц . Ч астиц ы состоят из одном ерны х вибри рую щ и х
струн . Т аким образом , струны представляю т собой еди н ую сущ ность всех сам ы х
различны х части ц (как ф ундам ен тальн ы х ф ерм ион ов, так и ф ун дам ен тальны х
бозон ов). П оэтом у путь дви ж ени я от квантовой м ехан и ки к квантовой теори и п оля, а
от последней — к теори и струн —
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
170
170
переход от м н огообразия к п остиж ен и ю единства, от разнообразия — к п ости ж ен и ю
еди н ой сущ ности: струн ы — единая сущ ность, леж ащ ая в основе сам ы х различн ы х
части ц . Ч астицы — это ф ен ом ены как п роявление н оум ен ов как и х еди н ой сущ ности .
К ак м ы п и сали, стан дартная м одель элем ен тарны х части ц яви лась
зам ечательны м дости ж ен и ем на пути Б ольш ого объеди н ени я К Х Д и электрослабой
теори и : она объединила три силы взаим одей ствий части ц м еж ду собой — С В , Э М В и
С Л В . О днако она оказалась неспособн ой объедин и ть си лу грави таци и .
П оэтом у стандартн ая м одель — лиш ь кван тово-полевая теория, ни как и ни чем
не связан н ая с общ ей теорией относи тельн ости Э йнш тейн а как теори ей,
объясн яю щ ей п оведен и е движ ен и я и развити я В селенн ой в ее крупном асш табн ой
структуре. В этом состои т проблем а «лоскутного одеяла», суть которого заклю чается
в н еприм ирим ом кон ф ликте и ан тагон и зм е м еж ду кван товой м ехани кой (точн ее,
квантовой теори ей п оля) и О Т О Э й н ш тейн а.
С ледовательно, м алое хорош о опи сы вается кван товой м ехан и кой , а больш ое —
О Т О Э йнш тейн а, но они (м алое и больш ое) никак н е сты кую тся. П олучается
странн ая ф и лософ ская ситуаци я: м алое (м икром и р) сущ ествует сам о по себе и
больш ое (м акром и р) — сам о по себе, хотя нет больш ого без м алого и, наоборот, н е
сущ ествует м алого без больш ого. М ало того, как м ы рассм отри м в дальн ейш ем в
наш ей работе, м акроскоп ическое как больш ое коллапси рует в м и кроскоп и ческое
(м алое) на ф инальной стадии эволю ц и и звезд (а такж е квазары и сверхм асси вн ы е
черн ы е ды ры в ядрах активн ы х галактик). М акроскопи ческое в ходе коллап са как
катастроф ического гравитаци он н ого сж атия звезд п ревращ ается в м икроскопи ческое,
содерж ащ ее больш ое. П оэтом у м и кроскоп и ческое как м алое и м акроскоп и ческое как
больш ое н е только взаим освязан ы и взаим оп ереходи м ы , н о и п редставляю т собой
нераздели м ое единое ц елое.
Е щ е оди н н аглядны й п рим ер — Б ольш ой взры в, которы й м алое как
м и кроскопическую си н гулярность п ревращ ает в м акроскоп и ческую В селен н ую :
В селенная как больш ое (великое) рож дается и з м алого как м икроскопи ческой
си н гулярности .
И так, м и кроскоп и ческое превращ ается в м акроскоп и ческое, которое в свою
очередь превращ ается в м икроскопи ческое. В этом состои т еди н ство В селен н ой , и,
следовательно, кван товая м ехан и ка и общ ая теория относи тельн ости Э йнш тей н а
долж ны бы ть так «сш иты », чтобы «лоскутное одеяло» стало гобеленом , соткан н ы м
из ты сяч и м илли он ов н и тей , образую щ и х красивы е узоры , радую щ ие глаз человека.
П оэтом у так важ на и актуальна теори я струн как теори я си м м етри и всех части ц
и си л их взаи м одей стви й — С В , Э М В , С Л В и Г В , построенн ая н а уровн е струн н ой
квантовой м атери и и основан н ая на вибрирую щ их струнах как еди н ой сущ ности всех
части ц и и х си л взаи м одействий .
Г лавная и дея теори и струн заклю чается в идее кван товой грави тации, т. е.
кванта гравитац и он н ого поля — грави тон а: если при рода «тем н ого вещ ества» —
квантовая грави таци я, то законн ы й и справедливы й брак О Т О и квантовой м ехан и ки
будет счастливы м .
С уп ер стр ун ы к ак ф ун дам ен тал ьн ы е к ол ебан и я
В се п оп ы тки построен и я кван тово -полевой теори и грави таци и н е увен чали сь
усп ехом : общ ая теори я относи тельн ости Э й н ш тей н а как классическая теори я
м акрограви таци и оказалась в кон ф ликте с квантовой м ехани кой. С тои т отм етить ещ е
раз: