- •Вакуум, элементарные частицы и вселенная.
- •Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.
- •Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.
- •Часть 3. Физика и космология на границах познания.
- •Предисловие
- •Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.
- •1. Поиски новых концепций на рубежах веков
- •2. Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий
- •3. Стандартная Модель и ее проблемы
- •4. Структура кхд вакуума
- •5. Брукхейвенский эксперимент
- •6. Суперструнная программа
- •6.1.Концепция суперсимметрии.
- •6.2.Объединение физических взаимодействий.
- •6.3.Многомерное пространство.
- •6.4.Суперструны.
- •7. Преонная альтернатива.
- •7.1.Сколько типов вакуумных конденсатов существует в природе?
- •7.2.Основные идеи теории преонов.
- •7.3.Возможные сюрпризы преонной гипотезы.
- •8. Что заставляет нас изучать структуру физического вакуума?
- •Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.
- •1. Возможно ли изучение Мира в целом? Проблемы экстраполяции.
- •2. Идеи теории Эйнштейна.
- •2.1.Структура физических законов.
- •2.2. Геометризация тяготения и общий принцип относительности.
- •3.Принципы теоретической космологии.
- •3.1.Синтез теории тяготения Эйнштейна и микрофизики.
- •3.2.Изотропные космологические модели. Проблема фиксации топологии.
- •4.Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.
- •4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.
- •4.2. Барионная асимметрия Вселенной.
- •1) В фундаментальной физической теории должен существовать элементарный процесс на уровне частиц и вакуума, в котором не сохранялся бы барионный заряд частиц;
- •5.Стандартная Космологическая Модель.
- •5.1.Синтез легких элементов.
- •5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.
- •6. Проблемы физики современной Вселенной.
- •6.1.Темная материя.
- •6.2.Вакуум как носитель энергии Вселенной.
- •7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.
- •7.1 Концептуальные проблемы космологии.
- •7.2. Неравновесность и инфляция.
- •7.3. От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?
- •8. Физика вакуума и антропный принцип.
- •Часть 3. Физика и космология на границах познания.
- •1. Возможности современной квантовой теории как инструмента познания.
- •2.Квантовая версия ото и космологии.
- •2.1. Физический аспект проблемы квантования.
- •2.2. Математическая структура теории. «Исчезновение» времени.
- •3.Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.
- •3.1. Проблемы познания.
- •3.2. Наблюдатель в квантовой Вселенной.
- •3.4. Гравитационный вакуумный конденсат.
- •4.Концепция множественности миров.
- •5. Гимн о сотворении Мира в терминологии квантовой геометродинамики.
- •Гимн о сотворении Мира. Ригведа, х, 129.
- •6.Драма идей в познании природы.
2.Квантовая версия ото и космологии.
Таким образом, несмотря на ограниченные возможности существующей квантовой теории, мы вынуждены ее экстраполировать на окрестность космологической сингулярности. Однако, прежде всего надо обсудить, как совмещаются идеи ОТО и принципы квантовой теории, не забывая о проведенном в предыдущем разделе критическом анализе этих положений. Как уже говорилось, в силу феноменологичности квантовой теории, все идеи совместить не удастся, но, остается надежда осуществить это хотя бы отчасти.
Синтез квантовой теории с ОТО представляется приоритетной задачей по двум причинам: во-первых, общая теория относительности является геометрической теорией и в процессе синтеза проявится и сможет быть изучена проблема совместимости концепций, и, во-вторых, геометрия ОТО автоматически включает в себя геометрию макроскопического мира. Внутренние, расслоенные геометрии с макромиром соотносятся только через систему дефектов в расслоениях, то есть образование и проявление вакуумных конденсатов. В ОТО же присутствует глобальная геометрическая компонента, соответствующая именно макромиру, что делает более наглядным обсуждение синтеза фундаментальных концепций геометрической и квантовой теорий. В дальнейшем анализе мы рассмотрим два различных аспекта такого синтеза.
2.1. Физический аспект проблемы квантования.
Физический аспект проблемы состоит в том, что мы должны наделить все геометрические элементы квантовыми свойствами. Более конкретно, гравитационное поле Вселенной, по крайней мере, в современную эпоху, можно представить как некий сглаженный классический фон, на котором заданы квантовые гравитационно-волновые возмущения. Таким образом, геометрия представляет собой достаточно гладкий (локально плоский) фон плюс квантованные гравитационные волны (гравитоны). Изменится ли этот образ геометрии Мира при движении к сингулярности? Чем ближе мы оказываемся к сингулярности, тем большее значение приобретают эффекты взаимодействия гравитонов друг с другом и другими частицами. Этот факт легко понять, так как даже в ньютоновской теории тяготения интенсивность гравитационного взаимодействия пропорциональна произведению масс взаимодействующих объектов. В релятивистской теории вместо масс возникает произведение полных энергий; в окрестности сингулярности энергии велики, так что интенсивность взаимодействия растет. Помимо этого, характерные пространственно-временные масштабы квантово-гравитационных флуктуаций, то есть их периоды и длины волн, уменьшаются с приближением к сингулярности. Важно, однако, то, что одновременно уменьшается и характерный временной масштаб эволюции классического фона, причем заметно быстрее. В сегодняшней Вселенной фоновый масштаб намного больше характерного масштаба квантово-гравитационных флуктуаций.
Анализ сегодняшней Вселенной, а также всех стадий ее эволюции, на которых характерные энергии частиц существенно меньше планковской энергии, не предполагает модификации идеологической структуры фундаментальной физики. По-прежнему базисная теория оперирует с классической подсистемой — геометрией Вселенной в целом — и квантовой подсистемой, образуемой комплексами псевдочастиц, различных типов вакуумных конденсатов. Новым элементом является только самосогласование динамических свойств подсистем, но, несмотря на взаимоподстройку характеристик, эволюцию одной подсистемы приходится рассматривать на классическом уровне, а другой — на квантовом. Основанием для такого подхода является резкое отличие характерных временных параметров подсистем.
Действительно, для современной Вселенной характерное время эволюции в целом порядка ее возраста — примерно 15 млрд. лет, а характерные времена любых квантовых процессов заведомо меньше 10-8 сек. Понятно, что можно пренебречь любыми эффектами квантовых флуктуаций при рассмотрении Вселенной в целом. Если типичные энергии частиц в космологической плазме имеют порядок 1 ТэВ, то характерное время квантовых микропроцессов порядка 10-26 сек, а характерное время эволюции от сингулярности 10-12 сек. Мы видим, что и в этой ситуации разделение на классическую и квантовую подсистемы может быть проведено с громадной точностью. Такое разделение возможно даже на масштабе Великого Объединения: до этого масштаба Вселенная эволюционирует за время 10-35 сек, а типичное время квантовых микропроцессов на этом масштабе порядка 10-41 сек. Сильное неравенство характерных времен показывает, что здесь разделение подсистем происходит с точностью до одной миллионной. Однако в самой окрестности сингулярности неравенство, которое, собственно, и позволяет разделять мир на классическую и квантовую подсистемы, нарушается, и нарушение это происходит на планковском масштабе. Там характерное время эволюции Вселенной в целом и характерное время квантовых микропроцессов одного порядка — 10-43 сек. В этих условиях разделение мира на две подсистемы теряет смысл.
Итак, при планковских энергиях в окрестности космологической сингулярности фоновую геометрию, характеризующую Вселенную в целом, уже нельзя рассматривать классически. В этом случае задача квантовой динамики ставится не только для гравитационных волн, но и для фоновой геометрии макромира (хотя, конечно, трудно называть макроскопическим миром совокупность объектов и полей вблизи космологической сингулярности). На планковском масштабе нужна новая физика, в которой с принципиально новых позиций будет формулироваться проблема целостного Мира. В современной физике концепция целостности предполагает существование неустранимых связей между элементами Мира; в новой физике целостность Мира должна пониматься как принципиальная невозможность разложения Мира на отдельные элементы.
Таким образом, говоря о новой физике, мы не имеем в виду модификацию и расширение наших знаний о геометрии, природе расслоений, структуре вакуума (хотя, конечно, процесс всестороннего исследования этих понятий в XXI веке будет идти очень активно; об этом мы и рассказывали в первых двух частях книги). Однако сейчас мы обсуждаем совершенно специфическую ситуацию — окрестность космологической сингулярности, в которой стандартный язык существующей физики вообще теряет смысл. Мы теряем возможность даже просто сравнивать интересующие нас структуры друг с другом и с самими собой на разных этапах эволюции, поскольку теряет смысл базис, относительно которого эти свойства фиксируются — детерминированное классическое пространство-время. Нужно признать и то, что мы отнюдь не уверены, что человек способен в принципе сформулировать теорию физических систем при планковских параметрах. Возможно, что эту задачу — познание природы целостности Мира в момент его рождения — человек не сможет решить, так как он сам и его мозг есть системы, определенные над макроскопическим детерминированным фоном. Человек является одним из элементов целостности, познающим, или пытающимся это сделать «изнутри» единой сильносвязной системы. Для человека непредставима и невозможна ситуация, когда отсутствует причинно обусловленный макромир — тот, который человек изучает и тот, который формирует человека и неотделим от него. В этой связи добавим, что проблема космологической сингулярности по существу является еще одной специфической проблемой, выводящей человеческое познание на границы возможного.