Основы струнной теории
Мы привыкли думать об элементарных частицах (типа
электрона) как о точечных 0-мерных объектах. Несколько более общим является
понятие фундаментальных струн как 1-мерных объектов. Они бесконечно тонкие, а
длина их порядка 10−33 см. Но это просто ничтожно мало по сравнению с длинами, с которыми мы
обычно имеем дело, так что можно считать, что они практически точечные. Но, как
мы увидим, их струнная природа довольно важна.
Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь
в пространстве-времени, они покрывают поверхность, называемую мировым
листом.
Эти струны имеют определенные колебательные моды, которые определяют
присущие частице квантовые числа, такие, как масса, спин, и т.д.. Основная идея
состоит в том, что каждая мода несет в себе набор квантовых чисел, отвечающих
определенному типу частиц. Это и есть окончательное объединение - все частицы
могут быть описаны через один объект - струну !
В качестве примера рассмотрим замкнутую струну, которая выглядит так:
Такая струна отвечает безмассовому гравитону со спином 2 -
частице, переносящей гравитационное взаимодействие. Кстати, это одна из
особенностей струнной теории - она естественно и неизбежно включает в себя
гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.
Струны взаимодействуют путем деления и слияния. Например, аннигиляция двух
замкнутых струн в одну замкнутую выглядит следующим образом:
Отметим, что поверхность мирового листа - гладкая поверхность. Из этого
следует еще одно "хорошее" свойство струнной теории - в ней нет ряда
расходимостей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами.
Фейнмановская диаграмма для такого же процесса
содержит топологическую сингулярность в точке взаимодействия.
Если мы "склеим" два простейших струнных взаимодействия между
собой, то получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через
объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается
на две:
Этот основной вклад в процесс взаимодействия называется древесным
приближением. Для того, чтобы вычислить квантовомеханические амплитуды
процессов используя теорию возмущений, добавляют вклады от
квантовых процессов высших порядков. Теория возмущений дает хорошие результаты,
так как вклады становятся все меньше и меньше, когда мы используем все более
высшие порядки. Даже если вычислить лишь первые несколько диаграмм, то можно получить
достаточно точные результаты. В струнной теории высшие порядки отвечают
большему числу дыр (или "ручек") на мировых листах.
Хорошо в этом подходе то, что каждому порядку теории возмущения
соответствует только одна диаграмма (например, в теории поля с точечными
частицами число диаграмм растет экспоненциально в высших порядках). Плохо же
то, что точные расчеты диаграмм с более чем двумя дырами очень сложны по
причине сложности математического аппарата, используемого при работе с
подобными поверхностями. Теория возмущений очень полезна при исследовании
процессов со слабой связью, и большая часть открытий в области физики
элементарных частиц и струнной теории связана именно с ней. Однако, все это еще
далеко от завершения. Ответы на самые глубокие вопросы теории можно будет
получить лишь после того, как будет завершено точное описание этой теории.
У струн могут быть совершенно произвольные условия на
границе. Например, замкнутая струна имеет периодичные граничные условия (струна
"переходит сама в себя"). У открытых же струн могут быть два типа
граничных условий - условия Неймана и условия Дирихле. В первом случае конец струны может свободно
двигаться, правда, не унося при этом импульса. Во втором же случае конец струны
может двигаться по некоторому многообразию. Это многообразие и называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго
обозначения 'p' - целое число, характеризующее число пространственных измерений
многообразия). Пример - две струны, у которых один или оба конца закреплены на
2-мерной D-бране или D2-бране:
D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа
пространственных измерений нашего пространства-времени. Например, в теории
суперструн 10 измерений - 9 пространственных и одно временное. Таким образом, в
суперструнах максимум что может существовать, это D9-брана. Отметим, что в этом
случае концы струн фиксированы на многообразии, покрывающем все пространство,
поэтому они могут двигаться везде, так что на самом-то деле наложено условие
Неймана ! В случае p=-1 все пространственные и временные координаты
фиксированы, и такая конфигурация называется инстантоном или D-инстантоном.
Если p=0, то все пространственные координаты фиксированы, и конец струны может
существовать лишь в одной единственной точке в пространстве, так что D0-браны
зачастую называют D-частицами. Совершенно аналогично D1-браны
называют D-струнами. Кстати, само слово 'брана' произошло от слова 'мембрана',
которым называют 2-мерные браны, или 2-браны.
В действительности D-браны динамичны, они могут флуктуировать и двигаться.
Например, они взаимодействуют гравитационно. На диаграмме ниже можно видеть,
как одна замкнутая струна (в нашем случае гравитон) взаимодействует с
D2-браной. Особо стоит отметить тот факт, что при взаимодействии замкнутая
струна становится открытой с обоими концами на D-бране.
Так что, струнная теория это нечто большее, чем просто теория струн !
Все частицы в природе делятся на два типа - бозоны и
фермионы. Таким образом, любая теория, претендующая на фундаментальность,
должна включать в себя оба эти типа частиц. Когда мы начинаем рассматривать
теорию мировых листов струн с учетом бозонов и фермионов, мы автоматически
получаем новый тип симметрии - суперсимметрию - симметрию можду бозонами и
фермионами. Фермионы и бозоны сгруппированы в супермультиплеты, которые и
связаны через эту симметрию. Именно отсюда и берется 'супер' в суперструнах.
Согласованная квантовая теория суперструн существует лишь в десятимерии -
пространстве-времени с десятью пространственно-временными измерениями. Во всех
других случаях теория из-за квантовых эффектов становится несогласованной или
'аномальной'. В десятимерии же эти эффекты полностью исчезают. Правда, мы
видим, что живем в 4-х измерениях, а не в 10-и, но, переходя от 10-и к нашим
4-м можно обнаружить ряд интересных явлений.
Используя минимально-связанную теорию возмущений, можно выделить пять различных
согласованных суперструнных теорий, известных как Type I SO(32), Type
IIA, Type IIB, SO(32) Гетеротическая (Heterotic)и E8
x E8 Гетеротическая (Heterotic).
 |
 |
 |
 |
 |
|
|
Тип струн
|
Замкнутые
|
Замкнутые
|
Замкнутые
|
Замкнутые
|
Открытые
(& замкнутые) |
|
10d Суперсимметрия
|
N=2
(киральная) |
N=2
(некиральная) |
N=1
|
N=1
|
N=1
|
|
10d Калибровочные группы
|
нет
|
нет
|
E8 x E8
|
SO(32)
|
SO(32)
|
|
D-браны
|
-1,1,3,5,7
|
0,2,4,6,8
|
нет
|
нет
|
1,5,9
|
·
Type I SO(32):
Эта теория содержит открытые суперструны. В ней есть только одна (N=1) суперсимметрия в десятимерии. Открытые струны могут переносить на своих концах калибровочные степени свободы, а для того, чтобы избежать аномалий, калибровочная группа должна быть SO(32). Кроме того, в ней содержатся D-браны с 1,5 и 9 пространственными измерениями.
·
Type IIA:
Это теория замкнутых суперструн с двумя (N=2) суперсимметриями в десятимерии. Два гравитино (суперпартнеры гравитона) движутся в противоположных направлениях по мировому листу замкнутой струны и имеют противоположные киральности по отношению к 10-мерной группе Лоренца, так что это некиральная теория. Также у нее нет калибровочной группы, зато есть D-браны с 0,2,4,6 и 8 пространственными измерениями.
·
Type IIB:
Это тоже теория замкнутых суперструн с N=2 суперсимметрией. Однако, в этом случае гравитино имеют одинаковую киральность по отношению к 10-мерной группе Лоренца, так что это киральная теория. Снова нет калибровочной группы, но есть D-браны с -1, 1, 3, 5, и 7 пространственными измерениями.
·
SO(32) Гетеротическая (Heterotic):
А это струнная теория с суперсимметричными полями на мировом листе, двигающимися в одном направлении, и несуперсимметричными, двигающимися в противоположном. В результате получаем N=1 суперсимметрию в десятимерии. Несуперсимметричные поля дают вклад в спектр как безмассовые бозоны, а сам спектр не аномален только из-за SO(32) калибровочной симметрии.
·
E8 x E8 Гетеротическая (Heterotic):
Совершенно идентична SO(32) за тем исключением, что в ней вместо группы SO(32) используется группа E8xE8, что тоже устраняет аномалии в спектре.
Как можно видеть, гетеротические теории не содержат D-бран. Однако, в них есть пятьбранные (fivebrane) солитоны, не являющиеся D-бранами. Теории IIA и IIB также содержат пятьбранные солитоны в довесок к D-бранам. Пятьбраны обычно называют "пятьбранами Невье-Шварца" ("Neveu-Schwarz fivebrane") или проще NS-пятьбранами ("NS fivebrane").
Стоит отметить, что E8 x E8 Гетеротические струны исторически
рассматривались как самая перспективная теория для описания физики вне
Стандартной Модели. Она была создана в 1987 году Гроссом (Gross), Харви
(Harvey), Мартинесом (Martinec), и Ромом (Rohm) и в течении длительного времени
считалась единственной струнной теорией, имеющей хоть какое-то отношение к
реальному миру. Связано это с тем, что калибровочная группа Стандартной Модели
- SU(3)xSU(2)xU(1) - хорошо соотносится с одной из групп E8. Вторая E8 не
взаимодействует с материей кроме как через гравитацию, что может объяснить
проблемутемной материи в астрофизике. Из-за того, что мы все еще не
полностью понимаем струнную теорию, вопросы типа 'как происходило нарушение
суперсимметрии' или 'почему в Стандартной Модели именно три поколения частиц',
остаются без ответа. Большинство подобных вопросов имеют отношение ко
компактификации, которую мы сейчас обсудим. Пока же ясно то, что струнная
теория содержит все элементы, чтобы быть теорией объединенных взаимодействий, и
можно сказать, что это пока единственная настолько завершенная теория подобного
толка. Однако, мы не знаем, каким же образом эти все элементы описывают
наблюдаемые явления.
Суперструны существуют в 10-мерном
пространстве-времени, в то время как мы живем в 4-мерном. И если суперструны
описывают нашу Вселенную, нам необходимо как-то связать между собой два эти
пространства. Для этого свернем 6 измерений до очень маленького размера. Если
при этом размер компактного измерения окажется порядка размера струн (10−33см), то мы из-за малости этого измерения попросту не
сможем никак его напрямую увидеть. В конечном итоге мы получим наше
(3+1)-мерное пространство, в котором каждой точке нашей 4-мерной Вселенной
отвечает крохотное 6-мерное пространство. Очень схематично это представлено на
картинке снизу:
На самом деле это довольно старая идея, которая восходит к работам Калуцы
(Kaluza) и Клейна (Klein) 1920-х годов. При этом описанный выше механизм
называют теорией Калуцы-Клейна или компактификацией.
В самой работе Калуцы показано, что если мы возьмем теорию относительности в
5-мерном пространстве-времени, затем свернем одно измерение в окружность, то
получим 4-мерное пространство-время с теорией относительности плюс
электромагнетизм ! А так получается из-за того, что электромагнетизм это U(1)
калибровочная теория. U(1) это группа вращений вокруг точки на плоскости.
Механизм Калуцы-Клейна дает простую геометрическую интерпретацию этой
окружности - это то самое свернутое пятое измерение. Хотя свернутые измерения и
малы для прямого детектирования, тем не менее они могут иметь глубокий
физический смысл. [Совершенно случайно просочившись в прессу, работа Калуцы и
Клейна вызвала много разговоров по поводу пятого измерения.]
Как мы сможем узнать, есть ли на самом деле дополнительные измерения и как
мы сможем их "почуствовать", имея ускорители с достаточно высокими
энергиями ? Из квантовой механики известно, что если пространство периодично,
то импульс квантован: p=n/R(n=0,1,2,3,...), тогда как если пространство неограниченно, то спектр значений импульса
непрерывен. Если уменьшать радиус компактификации (размер дополнительных
измерений), то диапазон дозволенных значений импульса будет увеличиваться. Так
получают башню состояний импульса - башню Калуцы Клейна.
А если радиус окружности взять очень большим
("декомпактифицируем" измерение), то диапазон возможных значений
импульса будет довольно узким, но будет "почти-непрерывным". Такой
спектр будет похож на спектр масс мира без компактификаций. Например,
безмассовые в большем числе измерений состояния в меньшем числе измерений будут
выглядеть именно как описанная выше башня состояний. Тогда должен наблюдаться
"набор" частиц с массами, равноотстоящими друг от друга. Правда, для
того, чтобы "увидеть" самые массивные частицы, необходимы ускорители,
значительно лучшие тех, которыми мы сейчас располагаем.
У струн есть еще одно замечательное свойство - они могут
"наматываться" на компактифицированное измерение, что приводит к
появлению оборотных мод в спектре масс. Замкнутая струна может
обернуться вокруг компактифицированного измерения целое число раз. Аналогично
случаю Калуцы-Клейна они дают вклад в импульс как p=wR(w=0,1,2,...). Существенная разница состоит как раз в другой связи с радиусом
компактификации R. В этом случае для малых размеров
дополнительных измерений оборотные моды становятся очень легкими !
Теперь нам необходимо перейти к нашему 4-мерному пространству. Для этого
нам нужна 10-мерная суперструнная теория на 6-мерном компактном многообразии.
Естественно, что при этом описанная выше картина становится более сложной.
Проще всего положить, что все эти 6 измерений - 6 окружностей, таким образом
все они представляют собой 6-мерный тор. Более того, такая схема позволяет
сохранить суперсимметрию. Считается, что некоторая суперсимметрия существует и
в нашем 4-мерном пространстве на энергетических масштабах порядка 1 ТэВ (именно
на этих энергиях последнее время и ищут суперсимметрию на современных
ускорителях). Для того, чтобы сохранить минимальную суперсимметрию, N=1 в
4-мерии, компактифицировать надо на специальном 6-мерном многообразии,
именуемом многообразием Калаби-Йо (Calabi-Yau manifold).
Свойства многообразий Калаби-Йо могут иметь важные приложения к физике
низких энергий - к частицам, которые мы наблюдаем, их массам и квантовым
числам, а также к числу поколений частиц. Проблемой тут является то, что,
вообще говоря, существует огромное множество многообразий Калаби-Йо, и мы не
знаем, какое из них надо использовать. В этом смысле, имея фактически одну
10-мерную струнную теорию мы получаем, что 4-мерная теория становится совсем не
единственно возможной, по крайней мере, на нашем (еще неполном) уровне
понимания. "Струнные люди" (ученые, работающие в области струнных
теорий) возлагают надежды на то, что обладая полной непертурбативной теорией
струн (теорией, НЕ построенной на возмущениях, описанных несколько выше), мы
сможем объяснить, как Вселенная перешла от 10-мерной физики, которая, возможно,
имела место в течении высокоэнергетического периода сразу после Большого
Взрыва, к 4-мерной, с которой мы имеем дело сейчас. [Иными словами, что мы
найдем единственное многообразие Калаби-Йо.] Андрей Стромингер (Andrew
Strominger) показал, что многообразия Калаби-Йо можно непрерывно связать друг с
другом посредством конических преобразований (conifold transitions) и,
таким образом, можно двигаться между различными многообразиями Калаби-Йо, меняя
параметры теории. Но это предполагает возможность того, что различные 4-мерные
теории, возникающие от различных многообразий Калаби-Йо, являются различными
фазами одной теории.
Пять описанных выше суперструнных теорий оказываются
очень различными с точки зрения слабо-связанной пертурбативной теории (теории
возмущений, развитой выше). Но на самом деле, как выяснилось в последние
несколько лет, они все связаны между собой различными струнными дуальностями.
Назовем теориидуальными, если они описывают одну и ту же
физику.
Первый тип дуальности, которую мы тут обсудим, - Т-дуальность
(T-duality). Такой тип дуальности связывает теорию, компактифицированную на
окружности радиуса R, с теорией,
компактифицированной на оеружности радиуса 1/R. Таким образом, если в одной теории пространство свернуто в окружность
малого радиуса, то в другой оно будет свернуто в окружность большого радиуса,
но обе они будут описывать одну и ту же физику ! Суперструнные теории типа IIA
и типа IIB связаны через Т-дуальность, SO(32) и E8 x E8 гетеротические теории
также связаны через нее.
Еще одна дуальность, которую мы рассмотрим - S-дуальность.
Проще говоря, эта дуальность связывает предел сильной связи одной теории с
пределом слабой связи другой теории. (Отметим, что при этом слабо связанные
описания обоих теорий могут очень сильно различаться.) Например, SO(32)
Гетеротическая струнная теория и теория Типа I S-дуальны в 10-мерии. Это
означает, что в пределе сильной связи SO(32) Гетеротическая теория переходит в
теорию Типа I в пределе слабой связи и наоборот. Найти же свидетельства
дуальности между сильным и слабым пределами можно, сравнив спектры легких
состояний в каждой из картин и обнаружив, что они согласуются между собой.
Например, в струнной теории Типа I есть D-струна, которая тяжелая при слабой
связи и легкая при сильной. Эта D-струна переносит те же легкие поля, что и
мировой лист SO(32) Гетеротической струны, так что когда теория Типа I очень
сильно связана, D-струна становится очень легкой и мы попросту увидим, что
описание становится таким же, как и через слабо связанную Гетеротическую
струну. Другой S-дуальностью в 10-мерии является самодуальность IIB струн:
сильно связанный предел IIB струны это попросту другая IIB теория, но слабо
связанная. В IIB теории тоже есть D-струна (правда, более суперсимметричная,
нежели D-струны теории Типа I, так что и физика тут другая), которая становится
легкой при сильной связи, но эта D-струна также является другой фундаментальной
струной теории Типа IIB.
Дуальности между различными струнными теориями являются свидетельством
того, что все они попросту различные пределы одной теории. Каждый из пределов
имеет свою применимость, и различные пределы разных описаний пересекаются. Что
это за М-теория, представленная на картинке ? Читайте дальше !
При низких энергиях М-теория описывается теорией,
называемой 11-мерной супергравитацией. В этой теории есть мембрана и пятьбрана в качестве
солитонов, но нет струн. Как же нам можно тут получить уже полюбившиеся нам
струны ? Можно компактифицировать 11-мерную М-теорию на окружности малого
радиуса для получения 10-мерной теории. Тогда если наша мембрана имела
топологию тора, то сворачивая одну из этих окружностей, мы получим замкнутую
струну ! В пределе, когда радиус очень мал, мы получаем суперструну Типа IIA.
Но как мы узнаем, что М-теория на окружности даст именно суперструну Типа
IIA, а не IIB или гетеротические суперструны ? Ответ на этот вопрос можно
получить после тщательного анализа безмассовых полей, которые мы получаем в
результате компактификации 11-мерной супергравитации на окружности. Другой
простой проверкой может быть обнаружение того, что D-брана из М-теории
уникальна для IIA теории. Вспомним, что IIA теория содержит D0, D2, D4, D6,
D8-браны и NS пятьбрану. Следующая таблица обобщает все вышесказанное:
|
M-теория на окружности
|
IIA в 10-мерии
|
|
Мембрана, свернутая на окружности
|
IIA суперструна
|
|
Мембрана, уменьшенная до нулевого размера
|
D0-брана
|
|
развернутая мембрана
|
D2-брана
|
|
Свернутая на окружности пятьбрана
|
D4-брана
|
|
развернутая пятьбрана
|
NS пятьбрана
|
Тут опущены D6 и D8-браны. D6-брану можно проинтерпретировать как
"монополь Калуцы-Клейна", который представляет собой специальное
решение 11-мерной супергравитации при компактификации на окружность. D8-брана
не имеет ясной интерпретации в терминах М-теории, это все еще открытый вопрос.
Другой путь для получения согласованной 10-мерной теории - компактификация
М-теории на маленький отрезок. Это означает, что мы предполагаем, что одно из
измерений (11-е) имеет конечную длину. При этом концы отрезка определяют
границы 9 пространственных измерений. На этих границах можно построить открытую
мембрану. Так как пересечение мембраны с границей - струна, то можно видеть,
что (9+1)-мерный "мировой объем" (worldvolume) может содержать
струны, "торчащие" из мембраны. После всего этого, чтобы избежать
аномалий, необходимо, чтобы каждая из границ несла на себе E8 калибровочную
группу. Следовательно, если сделаем пространство между границами очень
маленьким, мы получим 10-мерную теорию со струнами и E8 x E8 калибровочной
группой. А это и есть E8 x E8 гетеротическая струна !
Такми образом, рассматривая разные условия и разные дуальности между
струнными теориями, мы придем к тому, что в основе всего этого лежит одна
теория - М-теория. При этом пять суперструнных теорий и 11-мерная
супергравитация являются ее классическими пределами. Первоначально мы пытались
получить соответственные квантовые теории, "расширяя" классические
пределы, используя пертурбативную теорию (теорию возмущений). Однако
пертурбативная теория имеет свои пределы применимости, так что изучаю
непертурбативные аспекты этих теорий, используя дуальности, суперсимметрию, и
т.д. мы приходим к заключению, что все они объединены одной единственной
квантовой теорией. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над
построением полной квантовой М-теории идет полным ходом.
Классическое описание гравитации - Общая Теория
Относительности (ОТО) - содержит решения, называемые "черные дыры"
(ЧД). Существует довольно много типов черных дыр, но все они показывают сходные
общие свойства. Горизонт событий это поверхность в пространстве-времени,
которая, проще говоря, отделяет область внутри ЧД от области вне ее.
Гравитационное притяжение ЧД настолько велико, что ничто, даже свет, проникнув
под горизонт, не может вырваться назад. Таким образом, классические ЧД могут
быть описаны лишь используя такие параметры как масса, заряд и угловой момент.
Черые дыры - хорошие лаборатории по изучению струнных теорий, поскольку
эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр.
Черные дыры на самом деле не "черные", поскольку они излучают !
Используя полуклассические аргументы, Стивен Хокинг показал, что ЧД излучают
тепловое излучение со своего горизонта. Так как струнная теория, помимо всего
прочего еще и теория квантовой гравитации, она в состоянии согласованно описать
ЧД. А еще есть ЧД, удовлетворяющие уравнению движения для струн. Эти уравнения
схожи с уравнениями из ОТО, но в них есть некоторые дополнительные поля,
пришедшие туда из струн. В суперструнных теориях есть специальные решения типа
ЧД, которые сами по себе еще и суперсимметричны.
Одним из самых драматичных результатов в струнной теории был вывод формулы
для энтропии Бекенштейна-Хокинга ЧД, полученный из
рассмотрения микроскопических струнных состояний, формирующих ЧД. Бекенштейн
отметил, что ЧД подчиняются "закону площадей", dM = K dA, где 'A' -
площадь горизонта а 'K' - константа пропорциональности. Так как полная масса ЧД
это ее энергия покоя, то ситуация очень похожа на термодинамику: dE = T dS, что
показал Бекенштейн. Хокинг позднее в полуклассическом приближении показал, что
температура ЧД равна T = 4k, где 'k' - константа, именуемая "поверхностной
гравитацией". Таким образом, энтропия ЧД может быть переписана как S=A/4. Более того, не так давно Стромингер (Strominger) и Вафа (Vafa) показали,
что эта формула для энтропии может быть получена микроскопически (вплоть до фактора
1/4), используя вырождение квантовых состояний струн и D-бран, соответствующих
определенным суперсимметричным ЧД в струнной теории. К слову, D-браны дают на
малых расстояниях описание как при слабой связи. Например, ЧД, рассмотренные
Стромингером и Вафой, описываются 5-бранами, 1-бранами и открытыми струнами,
"живущими" на 1-бране, все свернутые в 5-мерный тор, что эффективно
дает 1-мерный объект - ЧД.
При этом хокинговское излучение можно описать в рамках этой же структуры,
но если открытые струны могут "путешествовать" в обоих направлениях.
Открытые струны взаимодействуют между собой и излучение испускается в форме
замкнутых струн.
Точные вычисления показывают, что для одних и тех же типов ЧД струнная
теория дает те же предсказания, что и полуклассическая супергравитация, включая
нетривиальную поправку, зависящую от частоты и называемую "параметром
серости" (greybody factor).
Теория суперструн очень активно развивается в
последнее время, поскольку она может правильно описать всю нашу физику на всех
энергетических масштабах. В ней есть все - квантовая физика, фермионы и бозоны,
калибровочные группы и гравитация. В последние несколько лет произошел
настоящий прорыв в понимании сути теории, включая D-браны и дуальность.
Струнная теория очень успешно применяется к исследованию ЧД и квантовой
гравитации. Но, как выше уже говорилось, до полного понимания теории еще
далеко.
Еще несколько вещей, которые (пока еще) не нашли своего отражения в этом
Введении:
·
М(атричная) теория (M(atrix) theory)как кандидат на полное квантовое описание М-теории
·
Ф-теория (F-theory) как вариант 12-мерной теории
·
Суперсимметричные калибровочные
теории - физика взаимодействующих D-бран
·
История суперструн - от открытия кварков в 1970х до наших дней
·
Детали - феноменология, математические детали, вычисления ...
Большое космическое путешествие по «американским горкам»
Могла ли космическая инфляция быть знаком того, что наша Вселенная — лишь
малая часть Великой «Мультивселенной»? Вряд ли космологи ощущают клаустрофобию
во Вселенной, радиус которой достигает 46 млрд световых лет и которая заполнена
секстиллионами звезд.
Одна из нарождающихся тем космологии XXI столетия заключается в том, что
вся известная нам Вселенная, все то, что мы видим, может на самом деле занимать
очень (см.: Тегмарк М. Параллельные вселенные // ВМН, № 8,
2003). У нас мало шансов когда-либо увидеть другие
вселенные, и потому что они слишком далеки, и потому что они каким-то образом
отделены от нашей Вселенной. Тем не менее какие-то из параллельных вселенных,
отделенные от нашей, все еще способны взаимодействовать с нею, и тогда мы могли
бы обнаружить их прямое воздействие. Возможность существования этих миров
привлекла внимание космологов благодаря теории струн — главному кандидату на
объяснение основополагающих законов природы. Несмотря на то что сами струны в
теории струн чрезвычайно малы, принципы теории указывают на существование новых
видов макрообъектов, наподобие мембран, называемых для краткости бранами. В
частности, наша Вселенная по своим свойствам может быть трехмерной браной,
расположенной в девятимерном мире. Изменение формы многомерного пространства и
столкновения между различными типами вселенных, возможно, привело к некоторым
из тех особенностей, которые астрономы наблюдают во Вселенной сегодня.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
·
Теория струн — главный кандидат на фундаментальную
теорию природы, но ей не хва- тает решающих экспериментальных доказательств.
Теория космической инфляции — главное описание первых моментов Вселенной. Но и
здесь возникают трудности с объяснением в терминах фундаментальной физики.
Могут ли теории струн и инфля- ции стать решением проблем?
·
Поскольку параллельные вселенные, существование
которых постулируется тео- рией струн, врезаются друг в друга, или происходят
изменения в размерностях про- странства высших порядков, пространство нашей
Вселенной может расширяться в ускоренном темпе.
В последнее время теория струн подвергается нападкам со стороны печати.
Критика различна и охватывает разные темы, в том числе не затрагиваемые в
настоящей статье, но главное заключается в том, что выводы теории нуждаются в
экспериментальной проверке. Сомнения не лишены смысла. В меньшей степени это
критика самой теории струн, скорее это констатация общих трудностей проверки
постулатов, относящихся к чрезвычайно малым масштабам явлений. Все предложенные
фундаментальные теории сталкиваются с той же самой проблемой, включая
предложенную теорию петлевой квантовой гравитации (см.: Смолин Л. Атомы
пространства и времени // ВМН, № 4, 2004). Теоретики продолжают искать
способы проверить теорию струн. Один из перспективных подходов состоит в том,
чтобы исследовать, как она могла бы объяснить таинственные аспекты физики нашей
Вселенной. Из них главный — тот способ, которым темп космического расширения
изменялся во времени.
Собираясь в дорогу
В этом году исполняется 10 лет с тех пор, как было объявлено, что Вселенная
расширяется во все ускоряющемся темпе, а расширением управляет некоторый
неопознанный фактор под названием «темная энергия». Большинство космологов
считают, что еще более быстрый период ускоренного расширения, известный как
инфляция, имел место задолго до образования атомов, не говоря уже о галактиках.
Температура Вселенной сразу после этого инфляционного периода была в миллиард
раз выше, чем любые температуры, достигнутые на Земле. Космологи и физики,
изучающие элементарные частицы, тщательно исследуют фундаментальные законы
физики при столь высоких температурах. Такое взаимное оплодотворение идеями
стимулирует полный пересмотр прежних представлений о ранней Вселенной с
использованием теории струн.
Само понятие инфляции появилось, чтобы объяснить множество простых, но все
же озадачивающих наблюдений, многие из которых включают реликтовое, или
космическое микроволновое фоновое излучение, оставшееся от горячей ранней
Вселенной. Например, реликтовое излучение показывает, что она тогда была почти
совершенно однородна, что странно, поскольку ни один из обычных процессов,
которые могли бы перемешать материю, сделав ее гомогенной (наподобие потока
жидкости), не располагал для этого достаточным временем. В начале 1980-х гг.
Алан Гус (Alan H. Guth), работающий в настоящее время в Массачусетском
технологическом институте, обнаружил, что чрезвычайно быстрый период расширения
мог бы объяснить подобную однородность. Такое ускоряющееся расширение
растворяло любую существовавшую до того материю и сглаживало отклонения в
плотности.
Тем не менее
Вселенная не стала от этого полностью однородной. Плотность энергии космоса в
течение инфляционного периода флуктуировала из-за статистических по своей
природе квантовых законов, которые действуют на субатомных расстояниях. Подобно
гигантской увеличивающей фотокопирующей машине, инфляция расширила малые
квантовые флуктуации до астрономических размеров, что позже вызывало появление
предсказуемых колебаний плотности.
То, что наблюдается в реликтовом излучении, воспроизводит предсказания
инфляционной теории с поразительной точностью. Такой наблюдательный успех
сделал инфляцию главным претендентом на описание тех процессов во Вселенной,
которые происходили в очень ранние времена. Космические обсерватории ближайшего
будущего, такие как спутник «Планк» Европейского космического агентства, будут
искать подтверждающие свидетельства.
Но действительно ли благодаря законам физики появляется инфляция? Известно,
как трудно заставить Вселенную, наполненную определенными формами материи,
расширяться с ускорением, которое требует особого типа энергии с очень
необычным набором свойств: ее плотность энергии должна быть положительной и
оставаться почти постоянной в ходе гигантского расширения Вселенной. Но затем
плотность должна внезапно и резко снизиться, чтобы позволить завершиться
инфляции.
На первый взгляд, в данном случае оставаться постоянной для плотности
какой-либо энергии кажется невозможным, потому что расширение пространства
должно и ее как бы «растворять». Но особый источник энергии, называемый
скалярным полем, позволяет избежать такого растворения. Скалярное поле можно
представить себе как чрезвычайно примитивное вещество, которое заполняет
пространство. Оно скорее подобно газу (но ведет себя иначе, чем любой газ) и
напоминает хорошо известные электромагнитные и гравитационные поля, но проще
них. Термин «скалярное поле» означает, что оно описывается одним-единственным
числом, величина которого может изменяться в пространстве от места к месту.
Напротив, магнитное поле — векторное, имеющее и величину, и направление (к
северному магнитному полюсу) в каждой точке пространства. Наглядные примеры
обоих типов полей дает метеорология: температура и давление — скаляры, а
скорость ветра — вектор.
Скалярное поле, которое создавало инфляцию, поднимало уровень
«инфляционного» поля, очевидно вызывая ускорение расширения в течение
относительно длительного периода, предшествовавшего его резкому выключению.
Динамика напоминала первые мгновения поездки по «американским горкам». Вначале
кабинка медленно взбиралась на невысокий подъем. (Применительно к инфляции
слово «медленно», конечно, относительно: для человека процесс был невообразимо
быстрым.) Затем — захватывающее дух падение, во время которого потенциальная
энергия переходит в кинетическую (и, в конечном счете, рассеивается в тепло).
Процесс инфляции нелегко моделировать теоретически. За минувшие 25 лет физики
предложили много вариантов, но все же ни один из них не оказался совершенным.
Успеху препятствует наше невежество в отношении тех явлений, которые могли
происходить в условиях невероятно высоких энергий, по-видимому, действительно
имевших место.
Надежны ли браны?
В течение 1980-х гг., по мере того как теория инфляции получала признание, независимые
исследования позволили получить дополнительные сведения по названной проблеме.
Теория струн предполагает, что субатомные частицы на самом деле — это
одномерные объекты, подобные крошечным обрезкам резиновых нитей. Некоторые из
этих струн образуют петли (так называемые закрытые струны), другие — короткие
отрезки с двумя концами (открытые струны). Согласно теории, все элементарные
частицы, как когда-либо обнаруженные, так и еще многие неоткрытые, являются
различными видами вибрации этих типов струн. Выигрышная часть теории
струн — то, что она органически вбирает в себя гравитацию, которая
естественно возникает из самой теории, без принудительного включения в исходные
данные.
Если теория правильна, то пространство — это совсем не то, что нам кажется.
В частности, размерность пространства составляет точно девять измерений
(поэтому пространство-время, включая само время, имеет 10 измерений). К обычным
трем (длине, ширине и высоте) добавляются еще шесть. Для нас эти дополнительные
измерения невидимы. Возможно, они очень маленькие. Мы можем не обращать на них
внимания просто потому, что мы живем не в их мире. Например, асфальт на стоянке
автомобиля может иметь мелкие трещины, глубина которых добавляет третье
измерение к свойствам площадки, но если дефекты поверхности незначительны, вы
никогда этого не заметите. Самим авторам теории струн тоже трудно представить
себе девять измерений. Но если история физики чему-нибудь нас учит, так это
тому, что истинная природа мира может лежать за пределами наших способностей
представить ее себе зримо.
СЛОВАРЬ ТЕОРИИ СТРУН
ТЕОРИЯ СТРУН
Теория-кандидат на объединение всех теорий физических сил и частиц
Теория-кандидат на объединение всех теорий физических сил и частиц
ИНФЛЯЦИЯ
Кратковременный период ускоренного космического расширения в ранней истории Вселенной
Кратковременный период ускоренного космического расширения в ранней истории Вселенной
НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Все, что мы можем видеть во Вселенной, т.е. «Наша Вселенная»
Все, что мы можем видеть во Вселенной, т.е. «Наша Вселенная»
ДРУГАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Ненаблюдаемая область пространства-времени, которая, возможно, имеет другие свойства и законы физики
Ненаблюдаемая область пространства-времени, которая, возможно, имеет другие свойства и законы физики
КАЛАБИ-ЯУ
Шестимерная форма скрытых измерений
Шестимерная форма скрытых измерений
БРАНА
Сокращение от «мембрана». Это может быть двухмерная плоскость (подобно обычной мембране) или ее более низкоразмерный или высокоразмерный варианты
Сокращение от «мембрана». Это может быть двухмерная плоскость (подобно обычной мембране) или ее более низкоразмерный или высокоразмерный варианты
ПОЛЕ
Форма энергии, которая заполняет пространство, подобно туману
Форма энергии, которая заполняет пространство, подобно туману
СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ
Поле, описываемое в каждой точке единственным числом. Примеры: температура; инфляционное поле
Поле, описываемое в каждой точке единственным числом. Примеры: температура; инфляционное поле
МОДУЛИ
Скалярные поля, которые описывают размер и форму скрытых про- странственных измерений
Скалярные поля, которые описывают размер и форму скрытых про- странственных измерений
АННИГИЛЯЦИЯ
Полный переход массы в излучение, как это происходит, когда сталкиваются вещество и антивещество или браны и антибраны
Полный переход массы в излучение, как это происходит, когда сталкиваются вещество и антивещество или браны и антибраны
Несмотря на название, теория относится не только к струнам. Она содержит
также другой вид объектов, называемых Дирихле-бранами (Dirichlet-brans), или,
для краткости, D-бранами. D-браны — большие, массивные поверхности,
которые плавают в пространстве. Они действуют подобно липкой бумаге для
насекомых: концы открытых струн скользят по ним, но не могут от них оторваться.
Субатомные частицы, как электроны и протоны, могут быть не чем иным, как
открытыми струнами, и если это так, то они прикреплены к бране. Только
несколько гипотетических частиц, такие как гравитоны (которые переносят силы
гравитации), должны быть закрытыми струнами и, таким образом способны двигаться
совершенно свободно сквозь дополнительные измерения. Данное различие предполагает
вторую причину того, почему дополнительные измерения не видны: возможно, наши
инструменты построены из частиц, которые захвачены браной. Если это так,
будущие инструменты могли бы использовать гравитоны, чтобы перейти в
дополнительные измерения.
D-браны могут иметь любое число измерений, вплоть до девяти. Нульмерная
D-брана (D0-брана) — особый вид частиц, D1-брана — особый вид струн (но не тот
же самый, что фундаментальная струна), D2-брана — мембрана или
перегородка, D3-брана — объем с высотой, глубиной, шириной, и так далее.
Вся наша наблюдаемая Вселенная может быть захваченной и находиться на такой
бране — так называемом бран-мире. Другие бран-миры могут плавать вокруг в
пространстве, причем каждый из них — это вселенная, захваченная на «борт» браны.
Поскольку браны могут двигаться в дополнительных измерениях, они будут вести
себя подобно частицам. Они могут перемещаться, сталкиваться, уничтожатся и даже
формировать системы бран, вращающихся друг вокруг друга подобно планетам.
Пока все эти концепции можно считать абстрактными. Пробным камнем для
теории всегда становится очная ставка с экспериментом. Здесь теория струн
обескураживает, потому что возможностей проверить ее экспериментально еще не
было, несмотря на более чем 20 лет длительных исследований. Трудно оказалось
найти «дымящуюся пушку» — предсказание, что проверка решительно покажет нам,
что мир действительно сделан из струн. Даже Большой Адронный Коллайдер (LHC),
европейской лаборатории физики частиц вблизи Женевы, может оказаться
недостаточно мощным средством для получения ответа.
Наблюдение невидимых измерений
Если инфляция происходит при высоких энергиях, когда струнная природа
частиц становится заметной, это может привести нас к тому самому
экспериментальному тесту, который ищут теоретики. В прошедшие несколько лет
физики пытались понять, не может ли теория струн объяснить инфляцию. К
сожалению, такую цель легче объявить, чем достичь.
Говоря более точно, физики проверяют, предсказывает ли теория струн
существование скалярного поля с двумя свойствами. Первое: его потенциальная
энергия должна быть большой, положительной и примерно постоянной, чтобы
провести инфляцию с большой энергией. Второе: эта потенциальная энергия должна
быть способна резко конвертироваться в кинетическую в конце инфляции (волнующее
падение с «американских горок»).
Но есть и хорошие новости — теория струн не предсказывает никакой нехватки
скалярных полей. Такие поля — своего рода утешительный приз за свойства существ
вроде нас, которые привязаны к трем измерениям. Мы не можем видеть
дополнительные измерения, но косвенно ощущаем их как скалярные поля. Ситуация
аналогична той, когда при взлете самолета с плотно зашторенными окнами вы не
видите третье измерение (высоту), но можете почувствовать ее влияние, когда
ваши уши закладывает. Изменение скалярного поля (давления) — косвенный способ
воспринять невидимое измерение.
Давление воздуха представляет собой вес всего воздуха в атмосфере над вашей
головой. Что же представляют собой скалярные поля теории струн? Некоторые из
них соответствуют размеру или форме в невидимых направлениях и обозначаются
математическим термином — геометрические «модульные» поля. Другие представляют
расстояние между бран-мирами. Например, если наша D3-брана приблизилась к
другой D3-бране, расстояние между ними могло бы немного изменяться с изменением
места наблюдения из-за ряби в каждой бране. Физики в Торонто могли измерить
величину скалярного поля как 1, а физики в Кембридже как 2. Тогда они могли бы
заключить, что соседняя брана в два раза дальше от Кембриджа, чем от Торонто.
Сталкивание двух бран, или искажение дополнительных размерностей
пространства требует энергии, которая может быть описана скалярным полем. Такая
энергия могла бы заставить браны раздуваться, как впервые это предположили в
1998 г. Джорджи Двали (Georgi Dvali) из НьюЙоркского университета и Генри Тай
(S.-H. Tye) из Корнеллского университета. Плохие новости — результаты первых
вычислений для различных скалярных полей не были обнадеживающими. Плотность
энергии полей оказалась слишком низкой, чтобы шла инфляция. Профиль энергии
более соответствовал уровню земли, чем кабине, медленно взбирающейся на
«американские горки».
Появляются антибраны
Так выглядела проблема, когда в 2001 г. мы оба, Махбуб Маджумдар (Mahbub
Majumdar), а также Говиндан Раджеш (Govindan Rajesh), Жень-Цзе Чжан
(Ren-Jie Zhang) и покойный Детлеф Нолте (Detlef Nolte), работавшие тогда в
Институте передовых исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси), начали
размышлять об этом. В то же самое время Двали (Dvali), Святослав Солганик
(Sviatoslav Solganik) из Нью-Йоркского университета и Квейзар Шафи (Qaisar
Shafi) из Университета Делавэра развивали подобный подход.
Наше новшество заключалось в том, чтобы рассмотреть как браны, так и
антибраны, которые связаны с первыми, как антивещество с веществом. Они
притягивают друг друга, как электроны свои античастицы (позитроны). Внутренняя
энергия бран могла бы обеспечить положительную энергию, необходимую для начала
инфляции, а их взаимное притяжение могло стать причиной завершения процесса, когда
в столкновении брана и антибрана аннигилируют в гигантском взрыве. К счастью,
наша Вселенная не должна была быть уничтожена, что было бы положительным
результатом этого инфляционного процесса. Когда браны притягиваются и
аннигилируют, эффекты распространяются на близлежащие браны.
Когда мы рассчитали силы притяжения в этой модели, выяснилось, что они
слишком сильны, чтобы объяснить инфляцию. Но модель была доказательством
принципа и показывала, как стабильный процесс мог прерваться внезапно и заполнить
нашу Вселенную частицами. Наша гипотеза антибран также пролила свет на давний
вопрос о том, почему наша Вселенная трехмерна.
Следующим усовершенствованием стал вопрос о том, что происходит, когда
начинает двигаться само пространство, а не только браны в его пределах. В
начале нашей работы мы принимали, что сами размер и форма многомерного
пространства, в котором перемещаются браны, фиксированы. Это было серьезным
упущением, потому что пространство искривляется под действием материи, но
упущением понятным, потому что в 2001 г. никто не знал, как рассчитать данный
многомерный изгиб, используя теорию струн.
Деформации пространства
За два года ситуация изменилась радикально. В 2003 г. Шамит Качру (Shamit
Kachru), Рената Каллош (Renata Kallosh) и Андрей Линде (Andrei Linde) из
Стэнфордского университета вместе с Сандип Триведи (Sandip Trivedi) из
Института фундаментальных исследований в Мумбаи (Индия) разработали новый
теоретический подход, названный KKLT по инициалам его создателей. Их
система описывает обстоятельства, в которых геометрия дополнительных измерений
становится очень жесткой и не слишком сильно изгибается, когда в ее пределах
происходит движение. Система предсказывает огромное число возможных
конфигураций для дополнительных измерений, причем каждая из них соответствует
различным возможным вселенным. Набор таких возможностей назван ландшафтом
теории струн. Каждая из этих вероятностей может быть реализована в своей
собственной области мультиверса.
В пределах KKLT-системы инфляция может происходить по крайней мере двумя
способами. Во-первых, она может возникать из гравитационной реакции
дополнительных измерений на движение браны и антибраны. Геометрия этих
измерений может быть очень специфичной, напоминая осьминога с несколькими
удлинениями, или «горловинами». Если брана перемещается вдоль одного из них, ее
движение сквозь исковерканные измерения ослабляет взаимное притяжение браны и
антибраны. Это ослабление инициирует медленно развивающийся процесс, который и
приводит к инфляции, что, возможно, решает главную проблему в нашем исходном
предположении.
Во-вторых, инфляцию можно было бы осуществить просто изменениями в
геометрии дополнительных измерений (без потребности в движении бран). Два года
назад мы представили первый инфляционный сценарий этого типа на основе теории
струн. Этот общий процесс называют модульной инфляцией, потому что модульные
поля, которые описывают геометрию, действуют как инфляторы. Поскольку
дополнительные измерения включены в их текущую конфигурацию, три обычных
измерения расширяются в ускоренном темпе. В сущности, вселенная создает самое
себя. Таким образом, модульная инфляция связывает размеры в тех измерениях,
которые мы видим, с размерами и формой тех, которые не подвластны нашему
зрению.
Струны в небе
Модели инфляции на основе теории струн, в отличие от многих других аспектов
данной теории, могут быть в ближайшем будущем проверены экспериментальными
наблюдениями. Космологи считали, что инфляция должна создавать гравитационные
волны, своего рода рябь на ткани пространства-времени. Теория струн вмешивается
в это предсказание. Существующие модели инфляции теории струн показывают, что
гравитационные волны настолько слабы, что они не наблюдаемы. Проблема может
быть решена благодаря аппаратуре спутника «Планк», которая более чувствительна
к первичным гравитационным волнам, чем существующие инструменты. И если такие
волны удастся обнаружить, то все предложенные до сих пор модели инфляции теории
струн будут отвергнуты.
Кроме того, некоторые модели инфляции с бранами предсказывают существование
больших линейных структур, известных как космические струны, которые
естественным путем возникают после аннигиляции браны и антибраны. Эти струны
могут быть нескольких типов: D1-браны или фундаментальные струны, растянутые до
огромных размеров, или комбинации двух струн. Если они существуют, астрономы
могли бы обнаружить их по признакам искажения света от галактик.
Несмотря на прогресс в теории, остается много нерешенных проблем. Вопрос о
том, происходила ли инфляция на самом деле, полностью не решен. Если
усовершенствованные наблюдения поставят ее под сомнение, космологи должны будут
обратиться к альтернативным сценариям ранней Вселенной. Теория струн создала
несколько таких вариантов, в которых наша Вселенная существовала до Большого
взрыва, возможно, как часть бесконечного цикла создания и разрушения (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Трудность в том, чтобы точно описать переход, который отмечает момент
Большого взрыва.
В целом, чтобы получить космическую инфляцию, теория струн предлагает два
главных механизма: столкновение бран и реформацию дополнительных измерений
пространства-времени. Впервые физики смогли получить конкретные модели
космической инфляции вместо того, чтобы делать некритичные предположения ad
hoc. Теория струн, предназначавшаяся для объяснения явлений в мизерных
масштабах, может стать законом всего неба.
Перевод: Л.В. Ксанфомалити
ОБ АВТОРАХ
Клифф Берджесс (Cliff Burgess) и Фернандо
Кеведо (Fernando Quevedo) встретились в начале 1980-х гг. как
аспиранты известного физика Стивена Вайнберга. С тех пор они работают
совместно, занимаясь главным образом проблемой связи теории струн с реальной
наблюдательной физикой. Берджесс — исследователь в Канадском институте теории
физики Периметр в Уотерлу, Онтарио, и профессор в Университете МакМастер в
Гамильтоне. Кеведо — профессор в Кембридже, принимает участие в развитии науки
в его родной стране Гватемале.
Возможно,
ускорение расширения Вселенной вызвано не темной энергией, а неизбежной утечкой
гравитации. Космологи и специалисты по физике элементарных частиц никогда еще
не были столь озадачены. Почему расширение Вселенной ускоряется?
Если бросить камень вертикально вверх, то
под действием земного притяжения он будет удаляться от планеты с замедлением, а
не с ускорением. Точно так же отдаленные галактики, разбросанные Большим
взрывом в разные стороны, должны взаимно притягиваться и замедляться. Однако
они удаляются друг от друга с ускорением, виновницей которого принято считать
таинственную темную энергию. К сожалению, пока неизвестно, что она из себя
представляет. Ясно одно: на самых больших наблюдаемых расстояниях гравитация
ведет себя весьма необычно, превращаясь в отталкивающую силу.
Согласно
законам физики тяготение порождается материей и энергией. Поэтому ученые
приписывают странный вид гравитации странному виду материи или энергии. Таково
обоснование существования темной энергии. Но, возможно, следует изменить сами
законы. В истории науки уже был подобный прецедент: закон всемирного тяготения,
открытый Ньютоном в XVII в., столкнулся с рядом концептуальных и
экспериментальных ограничений и в 1915 г. уступил место общей теории
относительности Эйнштейна (ОТО). У последней тоже есть свои трудности, в частности,
связанные с ее применением при чрезвычайно малых расстояниях, с которыми мы
сталкиваемся в квантовой механике. Так же как ньютоновская физика стала частным
случаем ОТО, теория Эйнштейна со временем превратится в частный случай
квантовой теории гравитации (КТГ).
Физики
уже предложили несколько возможных подходов к КТГ, наиболее заметным из которых
является теория струн. Когда гравитация действует на микроскопических
расстояниях – например, в центре черной дыры, где огромная масса сжата в
субатомный объем, – в игру вступают причудливые квантовые свойства материи, и
теория струн описывает, как при этом изменяется закон тяготения.
ОБЗОР: УТЕЧКА
ГРАВИТАЦИИ
1. Обычно астрономы
связывают ускоренное расширение Вселенной с влиянием темной энергии. Возможно,
дело не в ней, а в законах физики, которые перестают действовать на
сверхдальних дистанциях.
2. Новый закон
тяготения можно вывести в рамках теории струн. Обычно ее рассматривают как
теорию, посвященную самым мельчайшим объектам, однако она позволяет по-новому
взглянуть и на некоторые макроскопические явления.
3. В частности, теория
струн предсказывает, что во Вселенной есть дополнительные измерения, в которые
ускользает гравитация. Утечка тяготения может искривить
пространственно-временной континуум и вызвать ускорение расширения Вселенной.
Специалисты
по теории струн обычно пренебрегают квантово-механическими эффектами, когда
речь заходит о больших расстояниях. Однако последние космологические открытия
заставили ученых пересмотреть некоторые положения. Четыре года назад мы
задались вопросом: не поможет ли теория струн описать законы тяготения не
только при микроскопических, но и при самых больших масштабах? Ключом к успеху
могли бы стать предусмотренные в теории струн дополнительные пространственные
измерения, в которых могут двигаться частицы.
Раньше
считалось, что мы не в состоянии двигаться в дополнительных измерениях и
наблюдать их из-за того, что они слишком малы. Но новейшие научные достижения
показывают, что некоторые из них (или даже все) могут быть бесконечными и
скрытыми от нас не потому, что их размеры невелики, а потому что частицы,
составляющие наши тела, не могут покинуть пределы трех измерений. Только
гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие, способны вырваться из этой
ловушки, в результате чего закон гравитации изменяется.
Квинтэссенция
из ничего
Обнаружив
космическое ускорение, астрономы поначалу решили приписать его влиянию так
называемой космологической постоянной. Этот пресловутый параметр, введенный и
затем отвергнутый Эйнштейном, выражает энергию, свойственную пространству как
таковому. Совершенно пустой объем пространства, лишенный материи, должен
содержать энергию, эквивалентную примерно 10–26 кг/м3. Хотя
космологическая постоянная удачно согласуется со всеми известными данными,
многие физики считают ее неприемлемой из-за необъяснимой малости.
Действительно, она настолько ничтожна, что просто не могла играть заметной роли
на протяжении большей части космической истории, включая ранний период
формирования Вселенной. Кроме того, космологическая постоянная слишком мала по
сравнению с энергией физических процессов, которые могли бы вызвать ее
появление (см. статью «От замедления к ускорению»).
Пытаясь
обойти эту проблему, некоторые физики предположили, что ускорение вызвано не
самим пространством, а энергетическим полем, заполняющим его, словно легкий
туман. Потенциальная энергия некоторых пространственно однородных полей ведет
себя в значительной степени как космологическая постоянная. Одно такое поле,
известное как инфлятон, вызвало, как полагают, период ускоренного расширения
(инфляции) на ранней стадии развития Вселенной. Вероятно, возникло другое
похожее поле, спровоцировавшее очередную вселенскую инфляцию. Его назвали
квинтэссенцией, т.е. пятым элементом наряду с землей, водой, воздухом и огнем.
Как и космологическая постоянная, плотность энергии квинтэссенции должна быть
очень маленькой. Впрочем, динамической величине легче достичь такого ничтожного
значения, чем статической константе.
И
космологическую постоянную, и квинтэссенцию относят к темной энергии. Других
объяснений пока нет, поэтому физики всерьез задумываются о дополнительных
измерениях, само наличие которых непременно повлияло бы на поведение
гравитации. Согласно закону всемирного тяготения и с точки зрения ОТО сила
гравитационного взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния
между объектами. Еще в XIX в. Карл Фридрих Гаусс установил, что величина
тяготения определяется плотностью линий гравитационного поля, которые при
увеличении расстояния распределяются на все большую ограничивающую поверхность.
В трехмерном пространстве граница двумерная, и ее площадь увеличивается как
квадрат расстояния.
Если
бы пространство было четырехмерным, то граница была бы трехмерной, т.е.
объемом, величина которого пропорциональна кубу расстояния. Но тогда плотность
силовых линий была бы связана с расстоянием обратной кубической зависимостью и
гравитация была бы слабее, чем в трехмерном мире. В космологических масштабах
такое ослабление тяготения может привести к ускорению расширения Вселенной.
Почему мы не
замечали, что гравитация может свободно распространяться в дополнительное
пространство? В связи с чем обычный трехмерный закон обратных квадратов так
точно объясняет движение ракет и планет? Традиционный для теории струн ответ
таков: дополнительные измерения компактны – свернуты в крошечные окружности.
Долгое время считалось, что их размер сопоставим с так называемой длиной Планка
(около 10–35м), но в последних
теоретических и экспериментальных работах показано, что он может достигать 0,2
мм. Влияние свернутых измерений на гравитацию проявляется только на малых
расстояниях, сопоставимых или меньших, чем их радиус. На больших дистанциях
действует традиционный закон тяготения.
Пожизненное
заключение
Идея
о существовании свернутых измерений не лишена недостатков. Почему некоторые
измерения (дополнительные) туго свернуты, тогда как другие (обычные)
простираются в бесконечность? Другими словами, под влиянием материи и энергии
свернутые измерения должны были бы распрямляться, если что-то не стабилизирует
их. Не исключено, что стягиванию или расширению измерений препятствуют
предсказываемые теорией струн поля, похожие на магнитные. Другое объяснение
появилось в 1999 г.: возможно, все измерения, в том числе дополнительные,
бесконечны. Наблюдаемая Вселенная – трехмерная поверхность, или мембрана, в
мире с большим числом измерений. Обычная материя может существовать только в
пределах мембраны, но некоторые силы, такие как тяготение, могут ускользать из
нее.
ОТ ФЛАТЛАНДИИ ДО
ЧЕТЫРЕХ ИЗМЕРЕНИЙ
ИЗВЕСТНЫЙ ПЛАКАТ художника Джерри Муни (Gerry Moony)
гласит: «Гравитация – не просто хорошая идея, а закон». Но все же этот закон
довольно гибок. Например, он зависит от числа пространственных измерений.
Гравитация ослабевает с расстоянием, потому что по мере удаления от своего
источника она распределяется по все большей границе (на диаграммах показана
красным).
ДВА ИЗМЕРЕНИЯ: Граница – одномерная линия, которая
увеличивается прямо пропорционально расстоянию. В результате сила тяготения
убывает обратно пропорционально расстоянию.
ТРИ ИЗМЕРЕНИЯ: Граница становится двумерной, и
гравитация ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния. Объекты на
заданном расстоянии легче, чем в двух измерениях.
ЧЕТЫРЕ ИЗМЕРЕНИЯ: Этот случай трудно изобразить, но к
нему применимы те же основные правила. Граница оказывается трехмерной, а
тяготение убывает пропорционально кубу расстояния. Объекты еще легче, чем в
трех измерениях.
Гравитация
обладает такой способностью, достойной Гудини, потому что фундаментально
отличается от других сил. Согласно квантовой теории поля, силу тяготения
переносят особые частицы – гравитоны. Гравитационное притяжение обусловлено их
потоком между двумя телами, так же как сила электрического или магнитного
взаимодействия обусловлена потоком фотонов между двумя заряженными частицами.
Когда тяготение статично, гравитоны виртуальны: хотя обусловленную ими силу
можно измерить, их нельзя наблюдать как независимые частицы. Солнце удерживает
Землю на орбите, потому что испускает виртуальные гравитоны, которые наша
планета поглощает. Реальные или непосредственно наблюдаемые гравитоны
соответствуют гравитационным волнам, испускаемым при определенных
обстоятельствах.
Согласно
теории струн, гравитоны, как и все частицы, представляют собой колебания
крошечных струн. Однако электрон, протон и фотон рассматриваются как колебания
струн с открытыми концами, подобных струнам скрипки, а гравитон – как колебания
замкнутой петли, подобной резиновому кольцу. Йозеф Полчински (Joseph
Polchinski) из Института теоретической физики в Санта-Барбаре показал, что
концы открытых струн должны быть зафиксированы в мембране. Если попробовать
вытянуть открытую струну из мембраны, она станет длиннее, но ее концы останутся
закрепленными. Напротив, замкнутые струны типа гравитонов ни к чему не
привязаны и перемещаются во всем 10-мерном пространстве.
Безусловно,
гравитоны не обладают абсолютной свободой, иначе классический закон тяготения
был бы другим. Авторы гипотезы бесконечных измерений Лайза Рэндалл (Lisa
Randall) из Гарвардского университета и Рэман Сандрам (Raman Sundrum) из
Университета Джонса Гопкинса предположили, что гравитоны ограничены в
перемещениях потому, что дополнительные измерения, в отличие от трех обычных,
сильно искривлены и обра-зуют впадину с крутыми стенками, из которой гравитонам
трудно ускользнуть.
Дело
в том, что дополнительные измерения так сильно изогнуты, что их эффективный
объем конечен, несмотря на их безграничную протяженность. Как же бесконечное
пространство может иметь конечный объем? Вообразите, что вы наливаете воду в
бездонный стакан, радиус которого уменьшается обратно пропорционально глубине.
Чтобы наполнить его, достаточно конечного количества жидкости. Из-за кривизны
стенок объем стакана сконцентрирован в его верхней части. Нечто похожее
происходит в сценарии Рэндалл–Сандрама: объем дополнительного пространства
концентрируется вблизи от нашей мембраны. Поэтому гравитоны вынуждены проводить
большую часть времени около мембраны. Вероятность обнаружения гравитона быстро
убывает с увеличением расстояния. Иными словами, его волновая функция достигает
максимума на мембране – эффект, который называют локализацией гравитации.
Сценарий
Рэндалл–Сандрама концептуально отличается от идеи компактных (свернутых)
измерений, но дает почти тот же самый результат. Обе модели изменяют закон
тяготения для малых расстояний, но не затрагивают его в случае больших, так что
ни одна из них не имеет отношения к проблеме космического ускорения.
Физика
на мембране
Существует
третий подход, подразумевающий нарушение стандартных законов гравитации в
космологических масштабах и объясняющий ускорение без привлечения темной
энергии. В 2000 г. мы вместе с Григорием Габададзе (Gregory Gabadadze) и Массимо
Поррати (Massimo Por-rati) из Нью-Йоркского университета предположили, что
дополнительные измерения ничем не отличаются от обычных, наблюдаемых нами трех
измерений. Они не являются ни свернутыми, ни сильно изогнутыми.
Даже
в таком случае гравитоны не всегда могут двигаться, куда им заблагорассудится.
Испущенные звездами и другими объектами, расположенными на мембране, они могут
уходить в дополнительные измерения только после того, как пройдут некоторое
критическое расстояние. Гравитоны ведут себя как звук в металлическом листе,
удар по которому создает звуковую волну, распространяющуюся вдоль его
поверхности. Но звук распространяется не только в плоскости: часть энергии
уходит в окружающий воздух. Вблизи от места удара потеря энергии незначительна,
однако по мере удаления от него она становится заметной.
В
случае гравитонов такое рассеяние оказывает глубокое влияние на силу тяготения
между объектами, удаленными на расстояние больше критического. Утечка открывает
виртуальным гравитонам множество многомерных обходных маршрутов, что приводит к
изменению закона гравитации. Просачивающиеся наружу реальные гравитоны теряются
навсегда: для нас, привязанных к мембране, они просто исчезают.
ТРИ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА и его современников, в особенности
Теодора Калуцу (Theodor Kaluza) и Оскара Клейна (Oscar Klein), привела в
восхищение идея о существовании скрытых измерений, которая нашла свое
воплощение в теории струн. Для ясности представьте себе нашу трехмерную
Вселенную как плоскую сетку. Через каждую ее точку проходит линия,
представляющая одно из дополнительных измерений.
ТРАДИЦИОННАЯ ТЕОРИЯ СТРУН: Долгое время
считалось, что дополнительные измерения конечны и имеют вид окружностей
суб-субатомного размера. Перемещаясь по такому измерению, крошечное существо в
конечном счете возвратилось бы к отправной точке.
МОДЕЛЬ БЕСКОНЕЧНОГО ОБЪЕМА: Автор статьи и его
коллеги предположили, что дополнительные измерения ничем не отличаются от трех
обычных: они бесконечны и линейны.
МОДЕЛЬ РЭНДАЛЛ-САНДРАМА: Недавно
специалисты по теории струн предположили, что дополнительные измерения
бесконечны по длине, но сильно искривлены, так что их объем сконцентрирован
вокруг нашей Вселенной.
В
условиях маленьких масштабов дополнительные измерения проявляются так же, как в
гипотезе свертывания и сценарии Рэндалл–Сандрама. На средних дистанциях,
больших, чем размер струн, но меньших, чем расстояние утечки, гравитоны ведут
себя как трехмерные и полностью подчиняются классическому закону тяготения.
Главным
действующим лицом является мембрана – полноценный материальный объект, в
котором гравитация распространяется не так, как в окружающем пространстве.
Обычные частицы, такие как электроны и протоны, могут существовать только на
мембране. Даже на вид пустая, она содержит бурлящую массу виртуальных
электронов, протонов и других частиц, непрерывно создаваемых и разрушаемых
квантовыми флуктуациями. Эти частицы создают гравитацию и реагируют на нее.
Окружающее пространство, напротив, действительно пусто, и гравитоны свободно
пролетают через него, взаимодействуя только друг с другом.
Хорошая
аналогия – диэлектрические материалы, такие как пластмасса, керамика или вода.
Материал, в отличие от вакуума, содержит электрически заряженные частицы и
может реагировать на электрическое поле. Хотя заряженные частицы не могут течь
через диэлектрик как через проводник, они все же способны перераспределяться в
его пределах. Если к такому материалу прикладывается электрическое поле, он
становится электрически поляризованным. В воде, например, молекулы
поворачиваются так, чтобы их положительные концы (пары атомов водорода) были
направлены в одну сторону, а отрицательные (атомы кислорода) – в другую. В
хлориде натрия положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора немного
смещаются в разные стороны.
Перераспределенные
заряды создают собственное электрическое поле, которое частично компенсирует
внешнее. Диэлектрик может таким образом влиять на распространение фотонов,
представляющих собой колебания электрического и магнитного полей. Фотоны,
проникающие в диэлектрик, поляризуют его и, в свою очередь, частично
нейтрализуются. Такой эффект наблюдается в том случае, когда длина волны
фотонов лежит в определенном диапазоне: длинноволновые фотоны слишком слабы,
чтобы поляризовать диэлектрик, а коротковолновые колеблются чересчур быстро, и
заряженные частицы не успевают отреагировать. Поэтому вода прозрачна для
радиоволн (имеющих большую длину волны) и для видимого света (малая длина
волны), но непрозрачна для микроволн (промежуточная длина волны). На этом
основана работа микроволновых печей.
Подобным
образом квантовые флуктуации превращают мембрану в гравитационный эквивалент
диэлектрика. Все происходит так, как если бы мембрана была заполнена
виртуальными частицами с положительной и отрицательной энергией. Если к
мембране прикладывается внешнее гравитационное поле, она становится
гравитационно поляризованной. Частицы с положительной и отрицательной энергией
слегка смещаются друг относительно друга. Гравитон, воплощающий осциллирующее
гравитационное поле, может поляризовать мембрану и нейтрализоваться в ней, если
его длина волны оказывается в нужном диапазоне, который, по нашим расчетам,
лежит между 0,1 мм (или меньше, в зависимости от числа дополнительных
измерений) и приблизительно 10 млрд. световых лет.
ЖЕСТКИЕ СВЯЗИ
МЕМБРАН
К СОЖАЛЕНИЮ, даже если дополнительные измерения
существуют, люди никогда не смогут попасть в них. Частицы в наших телах –
электроны, протоны, нейтроны – следует рассматривать как колебания струн с
открытыми концами, которые закреплены в мембране, образующей нашу Вселенную.
Гравитоны (кванты тяготения) не имеют концов и поэтому не привязаны к ней.
Исчезновение
угрожает только гравитонам, перемещающимся в мембрану или из нее. Частицы
гравитации, подобно фотонам, являются поперечными волнами и колеблются
перпендикулярно к направлению распространения. Гравитон, входящий в мембрану
или выходящий из нее, толкает частицы вдоль мембраны, т.е. в направлении, в
котором они могут двигаться. Поэтому такие гравитоны могут поляризовать
мембрану и, в свою очередь, нейтрализоваться в ней. А гравитоны, перемещающиеся
вдоль мембраны, пытаются вытолкнуть из нее частицы в запрещенном для них
направлении. Такие гравитоны не поляризуют мембрану и двигаются по ней, не
встречая сопротивления. На самом деле большинство гравитонов оказываются между
двумя крайностями: они проносятся через пространство под косым углом к мембране
и покрывают миллиарды световых лет, прежде чем исчезнуть в ней.
Искривление
мембраны
Таким
образом, мембрана сама экранирует себя от дополнительных измерений. Если
гравитон промежуточной длины волны пытается ускользнуть из мембраны или
проникнуть в нее, частицы в ней перераспределяются и препятствуют этому. В
результате гравитоны движутся вдоль мембраны, и тяготение следует закону
обратных квадратов. Вместе с тем через дополнительные измерения могут свободно
проходить длинноволновые гравитоны, роль которых несущественна на малых
расстояниях. Однако на дистанциях, сопоставимых с их длиной волны, они
доминируют и ослабляют способность мембраны изолировать себя от дополнительных
измерений. Поэтому сила тяготения начинает ослабляться пропорционально третьей
(если только одно из дополнительных измерений бесконечно), четвертой (если два
измерения бесконечны) или еще большей степени расстояния.
Отказавшись
от предположения о существовании темной энергии, мы вместе с Габададзе и
Седриком Дефейе (Cedric Deffayet) из Парижского института астрофизики пришли к
выводу, что дополнительные измерения не только ослабляют тяготение, но и заставляют
космическое расширение ускоряться. В шутку можно сказать, что, ослабляя
гравитационный «клей», препятствующий расширению, рассеяние гравитонов
уменьшает замедление настолько, что оно становится отрицательным и превращается
в ускорение. Разумеется, все не так просто, ведь приходится учитывать, как
утечка изменяет общую теорию относительности.
Основная
идея теории Эйнштейна состоит в том, что тяготение представляет собой результат
искривления пространства-времени, связанного с плотностью материи и энергии в
нем. Солнце притягивает Землю, изгибая вокруг себя пространство-время.
Отсутствие какой-либо материи или энергии означает отсутствие деформации и,
соответственно, гравитации. Однако в многомерной теории соотношение между
искривлением и плотностью изменяется. Дополнительные измерения обусловливают
появление в уравнениях поправочного члена, который придает кривизну даже пустой
мембране. В результате утечка гравитонов создает в мембране напряжение, вводит
в нее неустранимую деформацию, которая не зависит от плотности материи и
энергии в пределах мембраны.
ТРИ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
ГРАВИТОНЫ не могут свободно скитаться по дополнительным
измерениям. Наша трехмерная Вселенная (мембрана, показанная здесь как плоский
лист) заполнена «виртуальными» частицами, которые непрерывно возникают и
исчезают. Они появляются парами: одна частица с положительной энергией (синяя),
другая – с отрицательной (красная). Такие пары могут препятствовать входу или
выходу гравитонов из мембраны.
Со
временем материя и энергия становятся более разреженными, искривление, которое
они вызывают, уменьшается, и неустранимая деформация начинает играть все
большую роль. Кривизна Вселенной приближается к постоянной величине. Тот же
самый эффект наблюдался бы, если Вселенная была бы заполнена субстанцией,
которая не становится более разреженной с течением времени. Поэтому
неустранимое искривление мембраны действует так же, как темная энергия, которая
ускоряет космическое расширение.
Нарушители
законов
В
2002 г. Тибо Дамур (Thibault Damour) и Антониос Папазоглу (Antonios Papazoglou)
из Института фундаментальных научных исследований во Франции вместе с Айеном
Коганом (Ian Kogan) из Оксфордского университета предположили, что существует
особый вид гравитонов, которые, в отличие от обычных, обладают небольшой
массой. Давно известно, что гравитоны с массой не подчиняются
обратноквадратической зависимости. Они нестабильны и постепенно распадаются,
вызывая те же эффекты, что и при утечке гравитации: гравитоны, проходя огромные
расстояния, постепенно исчезают, тяготение ослабляется, и космическое
расширение ускоряется. Шон Кэррол (Sean Carroll), Вайкрам Дуввури (Vikram
Duvvuri), Майкл Тернер (Michael Turner) из Чикагского университета и Марк
Троден (Mark Trodden) из Сиракьюзского университета модифицировали теорию
Эйнштейна для трех измерений, введя в уравнения поправочные члены, обратно
пропорциональные кривизне пространства-времени. Они были бы пренебрежимо малы
на ранней стадии развития Вселенной, но могли бы ускорить ее расширение в
дальнейшем. Другие группы исследователей также пытались изменить закон
тяготения, но их предложения не исключают потребности в темной энергии для
объяснения ускорения.
Поскольку
в сценариях с утечкой гравитации и с темной энергией переход от замедления к
ускорению происходит совершенно по-разному, выбрать одну из предложенных
моделей помогут наблюдения. В частности, большие надежды возлагаются на более
точное и детальное исследование сверхновых.
ГРАВИТАЦИЯ ДАЛЕКАЯ И
БЛИЗКАЯ
ЧАСТИЦЫ В НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ стремятся блокировать те
гравитоны, импульс которых достаточно велик, чтобы вызвать ответную реакцию.
Гравитоны с малым импульсом (длинноволновые) беспрепятственно входят и выходят
из мембраны.
Солнце притягивает Землю, испуская виртуальные
гравитоны. Их длина волны относительно невелика (большой импульс), поэтому они
не могут покинуть мембрану и ведут себя так, будто дополнительные измерения не
существуют.
Две отдаленные галактики испускают длинноволновые
гравитоны (низкий импульс), которые могут уходить в дополнительные измерения.
Закон тяготения изменяется так, что сила взаимодействия между галактиками
ослабевает.
Возможны
и другие эмпирические проверки. Гравитационная волна, как и электромагнитная,
может иметь преимущественное направление колебаний. ОТО допускает существование
только двух таких направлений, но в альтернативных теориях их может быть и
больше, что должно сказываться на движении планет. Вместе с Андреем Грузиновым
(Andrei Gruzinov) и Матиасом Залдариагой (Matias Zaldarriaga) из Нью-Йоркского
университета мы вычислили, что утечка гравитонов могла бы вызвать медленную
прецессию орбиты Луны. Пока Луна делает один оборот вокруг Земли, точка ее
наибольшего сближения с нашей планетой должна сдвигаться примерно на одну
триллионную градуса, т.е. приблизительно на полмиллиметра. Такое смещение
вскоре можно будет зарегистрировать в экспериментах по измерению расстояния до
Луны, которое определяется с помощью лазерных лучей, отраженных от зеркал,
оставленных на лунной поверхности американскими астронавтами. Сейчас
погрешность лазерного дальномера составляет 1 см. Эрик Адельбергер (Eric
Adelberger) и его коллеги из Вашингтонского университета предлагают
использовать более мощные лазеры, позволяющие повысить точность измерений в 10
раз. Наблюдения с космического аппарата помогли бы выявить такую же прецессию
орбиты Марса.
Долгое
время считалось, что теория струн касается только чрезвычайно малых объектов, и
никакой эксперимент не сможет подтвердить или опровергнуть ее. Возможно,
космическое ускорение поможет ученым проникнуть в дополнительные измерения,
пока недоступные для нас, и связать наимельчайшее со сверхбольшим. Не
исключено, что судьба Вселенной «висит на струне».
ОБ
АВТОРЕ:
Георгий Двали (Georgi Dvali) вырос в Грузии и защитил кандидатскую диссертацию в Тбилисском институте физики им. Э.Л. Андроникашвили. Поработав в Пизанском университете в Италии, в институте CERN вблизи Женевы и в Международном центре теоретической физики в Триесте, он стал сотрудником физического факультета в Нью-Йоркском университете. Двали любит преодолевать тяготение, занимаясь пешим горным туризмом, и извлекать пользу из этой таинственной силы во время скоростных спусков на лыжах.
Георгий Двали (Georgi Dvali) вырос в Грузии и защитил кандидатскую диссертацию в Тбилисском институте физики им. Э.Л. Андроникашвили. Поработав в Пизанском университете в Италии, в институте CERN вблизи Женевы и в Международном центре теоретической физики в Триесте, он стал сотрудником физического факультета в Нью-Йоркском университете. Двали любит преодолевать тяготение, занимаясь пешим горным туризмом, и извлекать пользу из этой таинственной силы во время скоростных спусков на лыжах.
Гравитонные теории
гравитации
Официальной
наукой всего мира правильной теорией гравитации сейчас признаётся только Общая
теория относительности (ОТО). Это геометрическая теория тяготения,
опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах. ОТО строится
математическими методами исходя из 10 постулатов, каждый из которых
является математическим уравнением. В плюсы ОТО зачисляют предсказания
искривления луча света вблизи масс и смещение перигея планет. Но эти явления
предсказываются также многими другими теориями тяготения. К плюсам ОТО
причисляют также предсказания существования "чёрных дыр". Однако достоверно
существование черных дыр наблюдениями не доказано. Чтобы убедиться в этом,
достаточно поискать в Интернете "чёрные дыры, наблюдения".
Астрономических наблюдений, достоверно подтверждающих существование чёрных дыр,
нет. А есть только предположительныепретенденты на
чёрные дыры. Зато в качестве минусов ОТО можно указать гораздо больше следствий
теории ОТО, ставящих под сомнение эту теорию. Перечислим только некоторые из
них:
1) теория не поддаётся
физическому осмыслению; 2) в ОТО не выполняются законы сохранения энергии,
импульса и момента импульса; 3) в ОТО, переходя к другим системам координат,
можно получать для массы любые значения, даже нуль и отрицательные; 4) в
космологии ОТО предсказывает Большой Взрыв, но по мере накопления
астрономических наблюдений и здесь появляется всё больше несоответствий (см.,
например, http://www.astrogalaxy.ru/785.html).
Как
следствие, на почве неудовлетворенности и критического подхода к ОТО ежегодно
возникают 2-3 новых математических теории, якобы исправляющих и улучшающих ее.
Приведём примеры двух таких теорий.
1.
В 1989 в издательстве Наука А. А. Логуновым с соавторами была опубликована
"Релятивистская теория гравитации" (РТГ). Теория содержит 14
уравнений 10 из ОТО плюс 4 для соблюдения законов сохранения. Все
гравитационные эффекты в слабых полях у РТГ совпадают с ОТО (для справки - поле
на поверхности Солнца слабое). В сильных гравитационных полях имеется
существенное различие теорий - в РТГ отсутствуют сингулярности, т.е. нет черных
дыр и нет Большого Взрыва, начинающегося в точке.
2.
В 2005 г. Бурланковым Д. Е. издана монография "Динамика пространства"
(ДП). В теории девять уравнений - те же, что в ОТО, но нет уравнения для
времени. Согласно этой теории сингулярностей тоже нет, т.е. нет черных дыр и
нет Большого Взрыва.
Возникает
вопрос: какая же из этих трёх теорий (ОТО, РТГ, и ДП) соответствует
действительности? Физику, для которого первичной является природа, а не
математика, очевидно, что все три теории действительности не соответствуют. То,
как были получены эти теории, это не физика, а более или менее удачное создание
феноменологической теории (феноменологическая теория объясняет, как нужно
рассчитать, но не объясняет, почему нужно рассчитывать именно так). Некоторые
приверженцы квантовой механики считают, что вообще "прошли те времена,
когда теории поддаются пониманию с помощью здравого смысла". Но физик,
привыкший спрашивать природу, а не математику, всегда будет стараться все феноменологические
теории заменить физическими теориями, доступными для понимания с помощью
обыкновенного здравого смысла. Один известный физик в аналогичной ситуации
сказал так: что я не понимаю без математики, то я не пойму и с математикой.
Сейчас
существует много различных теорий гравитации, альтернативных ОТО. Но здесь мы
рассмотрим только примеры тех теорий, которые привлекают для объяснения
гравитации эфир, или как теперь его называют физический вакуум. Начиная с
неудачного результата опыта Майкельсона в конце 19-го века, официальная наука
отрицает существование эфира. Но "Физика идет вперед на плечах
скептиков" (Эд Джейнс, 1966 г, конференция по когерентности и квантовой
оптике в Рочестере, штат Нью-Йорк). Поэтому начиная с 1970-го года физики
настойчиво проводят опыты, для подтверждения существование эфира (см.http://www.astrogalaxy.ru/835.html). Благодаря этим
опытам существование составляющей эфира, влияющей на электромагнитные явления,
в настоящее время доказано. Однако вряд ли можно предполагать, что тяготение
возможно будет объяснить электромагнитной составляющей эфира. Многочисленные
попытки объединить в единую систему электромагнитное и гравитационное поля до
сих пор не удавались. Между этими полями есть принципиальное различие: любое
электромагнитное поле можно экранировать, гравитационное поле экранировать
нельзя. Видимо это чувствовали даже представители официальной науки. Потому что
в 2004 году в журнале Scientific American № 5 была введена новая частица гравитон, ответственная за
силы тяготения: "Согласно квантовой теории поля, силу тяготения
переносят особые частицы - гравитоны. …Солнце удерживает Землю на орбите,
потому что испускает виртуальные гравитоны, которые наша планета поглощает"
(Георгий Двали). Однако, как можно увидеть из этого отрывка, испускаемые
Солнцем гравитоны, материальные частицы, имеющие в отличие от фотона массу
покоя, не давят на Землю, апритягивают.
Очевидно, автор высказывания чувствовал, что в этом месте что-то неладно с
логикой, потому "подстелил соломки", назвав частицы виртуальными и
совершенно фантастически приписав им отрицательную массу. Но виртуальные
частицы обладают теми же свойствами, что и не виртуальные. Отрицательную массу
математика конечно же стерпит, ей всё равно. А природа? Этот момент подробно и
очень остроумно рассмотрен в статье Л. Е. Федулаева "Посчитаем
скорость гравитации - на пальцах" (http://www.globalistika.ru/biblio/velosity_gravitation.htm). И вот что
интересно, статья написана остроумно и вроде бы даже легко, а читать её
трудновато. Потому что вложено в этот текст много нетрадиционных и глубоких
мыслей. Я очень настоятельно рекомендую тем, кто ещё не читал эту статью, прочесть
её. Очень поучительно. И правильно мыслить учит эта статья.
Все
рассуждения относительно скорости гравитонов просты и оригинальны. Хотя и на
пальцах, но убедительно показано, что скорость гравитона не есть скорость
света, как утверждал Эйнштейн, а на много порядков больше этой скорости.
Возможно не на 13 порядков, как получено у Л. Е. Федулаева, потому что часть
этих порядков может быть обеспечена превосходящей численностью гравитонов над
численностью фотонов. Но всё равно из дальнейших сведений, приведенных в
статье, следует, что скорость гравитонов на много порядков должна превышать
скорость света. Если совсем кратко, то вот они эти сведения: отсутствие аберрациии точность науки небесная механика.
Аберрация - изменение видимого
положения светила на небесной сфере, вызванного конечным значением скорости
света и движением наблюдателя вместе с Землей при ее обращении вокруг Солнца.
Другое название этого явления боковой снос. Американский физик Ван Фландерн
провёл эксперимент, в котором, на некотором интервале времени, принимались
последовательности импульсов от пульсаров, расположенных в различных местах
небесной сферы - и все эти данные обрабатывались совместно. Оказалось, что свет
испытывает боковой снос (аберрацию), а тяготение - нет! По результатам этого
эксперимента, скорость действия тяготения превышает скорость света в вакууме на
11 порядков (http://newfiz.narod.ru/gra-opus.htm). Официальная наука
не простила Тому Ван Фландерну этой работы. Его собратья по науке дружно его
игнорируют и фактически исключили его из своей среды (http://belufo.narod.ru/stat_index.htm).
Небесная
механика - раздел астрономии,
применяющий законы механики для изучения движения небесных тел. "Вся
небесная механика, точнейшая из наук, опирается в своих расчетах на статические
формулы. Эти формулы совпадают с динамическими только в том случае, если
скорость распространения взаимодействия равна бесконечности. Таким образом, и
весь опыт небесной механики подтверждает тот факт, что скорость распространения
гравитации много выше скорости света" (В. Ацюковскийhttp://www.atsuk.dart.ru/online/from_where_ether_wind_blows/index.shtml).
Гравитоны
являются нейтральными частицами и в совокупности образуют гравитонный газ.
Частицы гравитонного газа, как и всякого газа, будут иметь самые различные
скорости. Если на оси абсцисс откладывать скорости гравитонов v, а на оси
ординат откладывать величины n, пропорциональные количеству гравитонов с данной
скоростью v, то получим график, подобный изображённому на рис 1. Этот график
называется законом распределения гравитонов по скоростям. Скорость vo это наиболее
вероятная скорость гравитонов. Наибольшее количество гравитонов имеет скорость
vo, или скорость близкую к vo. Именно об этой скорости и
идёт речь, когда говорят, что скорость распространения гравитации много выше
скорости света (vo>>c).
Рис. 1
Итак,
что же мы имеем в конечном счёте и что нужно иметь в виду при построении теории
тяготения? Как представляется, нужно иметь в виду следующие два факта.
1.
Физический вакуум (эфир) имеет во-первых электромагнитную составляющую и
во-вторых гравитонную составляющую.
Возмущения электромагнитной составляющей распространяются со скоростью света.
Возмущения гравитонной составляющей распространяются со скоростью намного
превышающей скорость света. Согласно всем наблюдениям электромагнитная
составляющая не оказывает влияния на тяготение, гравитонная составляющая не
оказывает влияния на электромагнитные явления.
2.
При построении гравитонной теории тяготения автоматически отвергается ОТО,
потому что ОТО отрицает существование эфира, а гравитонные теории исходят из
существования эфира. Соответственно отвергаются порождения ОТО - чёрная дыра и
Большой Взрыв. Тем самым отвергается акт творения Вселенной 13,7 млрд. лет тому
назад или около того, ибо это следует только из теории Большого Взрыва. И тем
самым Вселенная признаётся вечной. Но из признания вечности Вселенной
немедленно следуют два табу. Во-первых нельзя постулировать, что гравитоны необратимо преобразуются в
какой-либо иной вид материи или энергии и во-вторых нельзя постулировать, что
какой-либо иной вид материи необратимо преобразуется в
гравитоны. В первом случае за бесконечно большое время исчезнут все гравитоны,
а во втором случае исчезнет вся материя и останутся одни гравитоны. А раз
Вселенная вечна, то она существует уже бесконечно большое время.
Ну
вот теперь, когда сформулированы некоторые правила и запреты при построении
гравитонной теории тяготения, можно рассмотреть примеры некоторых теорий, где
эти правила и запреты нарушаются и где они выполняются.
Практически
все гравитонные теории гравитации основываются на гипотезе Лесажа. В 1756 г.
Лесаж предложили простую кинетическую теорию гравитации, которая дала
объяснение уравнению силы Ньютона. Из гипотезы Лесажа вытекал закон тяготения в
формулировке Ньютона. Кроме того, из гипотезы Лесажа следует конечность радиуса
действия сил гравитации, так как на расстоянии, большем длины свободного
пробега гравитона, тяготение практически исчезает. В основе гипотезы Лесажа
лежит предположение о существовании в природе хаотично движущихся с большими
скоростями частиц, которые очень редко сталкиваются между собой, легко проходят
через тела, изредка поглощаясь ими, или теряя часть энергии при столкновениях с
частицей тела. В дальнейшем такие частицы стали называть гравитонами.
Однако,
неупругость столкновений гравитонов (т.е. поглощение их телами) должна была
приводить к ослаблению тяготения со временем и быстрому повышению температуры
тел. Кроме того должно было происходить торможение небесных тел из-за трения о
гравитонный газ. Лесаж считал, что ослабление тяготения и повышение температуры
тел остается незамеченным по причине его малости. По поводу торможения небесных
тел Лесаж отмечал, что оно будет тем меньше, чем больше скорость гравитонов.
Гипотезу
Лесажа вскоре забыли и вспомнили о ней более чем через 100 лет в 1869 году. С
тех пор учёные возвращались к этой гипотезе более 200 раз, пытаясь избавиться
от её недостатков - ослабления тяготения со временем, и торможения небесных тел
гравитонами.
В
1875 г. Максвелл показал, что если скорость гравитонов превышает скорость
света, то торможением тел можно пренебречь. Поэтому все исследователи вопрос с
торможением считали решённым (просто следует полагать скорость гравитонов
больше скорости света). Но от неупругости избавиться никак не удавалось, потому
что при упругих соударениях сила тяготения не возникает.
С
созданием Специальной Теории Относительности (СТО) был наложен запрет на
движение со скоростью большей скорости света. Это окончательно похоронило
гипотезу Лесажа. Однако в последнее время появились свидетельства того, что
скорость гравитонов на много порядков превышает скорость света. Тем самым
вопрос о торможении движения небесных тел отпал. Остаётся избавиться от
неупругости столкновений гравитонов, но так, чтобы сила тяготения всё же
осталась. Это и пытаются сделать все авторы гравитонных теорий тяготения.
Рассмотрим две таких теории - теорию А. Вильшанского (http://www.astrogalaxy.ru/606.html) и теорию В.
Антонова (http://red-shift.info, Глава 3).
Теория Александра Вильшанского
Приведём
выдержки из статьи А. Вильшанского.
1. Гравитоны обладают
исключительно высокой проникающей способностью и слабо взаимодействуют с
веществом, то есть отдают частицам вещества очень небольшую часть своего
импульса.
Замечание. Из выдержки 1
видно, что принята гипотеза Лесажа.
2. Поместим на
некотором расстоянии от пробного тела… массивное тело (шар). Если гравитоны
частично задерживаются шаром, то он экранирует пробное тело от воздействия
частиц. Результирующее воздействие всех частиц на пробное тело уже не будет
равным нулю, и возникнет сила, направленная точно к центру массивного шара.
Величина силы, действующей на пробное тело, будет зависеть от степени
поглощения гравитонов массивным телом.
Замечание. Из выдержки 2
следует неупругость столкновений гравитонов.
Далее
приводятся выдержки 3, 4 и 5, в которых автор пытается устранить неупругость
столкновений гравитонов.
3. Если масса тела,
через которое проходит гравитон, меньше некоторой величины (хотя и очень
большой), то гравитон чаще всего встречается лишь с одним атомом (ядром атома),
и претерпевает рассеивание на нем, отдавая атому небольшую часть своего момента
движения в направлении своего движения до соударения. Этот случай показан
на рис.2 (движение "а").
Рис. 2
В
этом случае никакого поглощения гравитонов (с переходом их энергии в тепловую),
о котором говорил Пуанкаре, не происходит.
Замечание.
Но в этом случае не возникает и притяжение.
4. В случае же прохождения гравитона
через значительно бОльшую массу, траектория его движения становится более
сложной. Наталкиваясь на некоторое множество атомов, гравитон также отдает
каждому из них часть своего количества движения, но эта отдача происходит в
случайном направлении. В результате атомы как бы раскачиваются случайным
образом, что можно интерпретировать как тепловое движение. Этот случай показан
на рис.7 (движение "b"), и именно вследствие такого движения и
происходит разогрев тела. Но при этом понятно, что гравитационный эффект вызывается
лишь самым первым столкновением гравитона с атомом.
Замечание.
Автор почему-то считает, что фразой "при этом понятно, что
гравитационный эффект вызывается лишь самым первым столкновением гравитона с
атомом" разогрев устраняется. Но в данном рассуждении утверждается,
что притяжение может возникнуть, но возникает и разогрев.
5. И, наконец, когда в
результате целого ряда соударений гравитон теряет значительную часть своей
энергии, его скорость снижается настолько, что он в определенной ситуации может
быть захвачен ядром атома, "поглощен" им. На этом его путешествие
внутри массы заканчивается (рис.2, движение "с"). Однако и это
поглощение также не связано с повышением температуры вещества; попадая внутрь
ядра, гравитон отдает свою энергию на его раскрутку, и является по-существу,
причиной существования и источником внутренней энергии атома вообще.
Замечание.
Во-первых, из поглощения гравитона ядром атома следует ослабление тяготения со
временем вплоть до полного его исчезновения. Во-вторых, каким это образом, и за
счёт какого механизма ядро должно раскручиваться? И почему вообще ядро атома
должно раскручиваться? Это самое таинственное место в теории А. Вильшанского.
Хотелось
бы ещё отметить подробно рассмотренный в работе вопрос о существовании явления
"космическая метла": "…планеты в своем движении должны были
бы тормозиться "гравитонным газом", чего также не наблюдается. Одним
из таких следствий является существование "космической метлы",
благодаря действию которой преодолевается торможение планет "гравитонным
газом", и осуществляется их вечное вращение".
Ожидание
автором "космической метлы" связано с вращением космических тел.
Предполагается, что будет происходить нечто вроде бокового сноса (аберрации),
только не солнечного луча, а гравитонов. Автор очень много внимания уделил
детальному рассмотрению процесса возникновения "космической метлы" и
проявлениям влияния "космической метлы" в пределах Солнечной системы.
В принципе это явление может иметь место. Беда только в том, что все рассмотрения
качественные, без расчётов, хотя бы прикидочных. Но при попытке посчитать
обнаруживается, что ожидаемый эффект слишком мал. Например, линейная скорость
вращения земли на экваторе 0.5 км/с. Скорость гравитонов на 11 порядков больше
скорости света, т.е. 3*1016 км/с. Отношение этих
величин порядка 10-17. Вызывает сомнение, что столь малой величиной
можно объяснить вековое ускорение Луны. Астрономами предложены другие
объяснения: ((http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/105064/%D0%A3%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5).
Заканчивая
анализ теории гравитации А. Вильшанского можно констатировать, что проблема
торможения космических тел решается автоматически без привлечения понятия
"космической метлы" благодаря открытой недавно сверхсветовой скорости
гравитонов. А проблемы ослабления тяготения со временем и быстрого повышения
температуры тел остались нерешёнными.
Теория Виктора Антонова
Разработка
теории завершена в 1990 году, авторство подтверждается депонированием.
Теория
В. Антонова также основывается на гипотезе Лесажа. Как и во всех теориях
подобного рода предпринята попытка избавиться от неупругости столкновений
гравитонов. Для этого автор ввёл следующие постулаты:
1.
Известно о наличии внутренней структуры нуклонов. По аналогии высказано
предположение, что все элементарные частицы обладают внутренней структурой,
независимо от того, обнаружена экспериментально их структура, или еще не
обнаружена. Именно внутренние составляющие элементарной частицы являются мишенями для гравитонов.
2.
Гравитоны взаимодействуют между собой и с мишенями только по
классическому закону абсолютно упругих соударений при их непосредственном
контакте, т.е. без промежуточных силовых полей.
3.
Энергия поступательного движения гравитона при столкновении с мишенью превращается в
энергию внутреннего движения элементарной частицы. Избыточная энергия
внутреннего движения элементарной частицы затем вновь возвращается к гравитонам
при последующих столкновениях мишеней с гравитонами. Таким
образом, каждое соударение гравитона является абсолютно упругим не по отношению
к элементарной частице в целом, а только по отношению к мишеням, её составляющим.
По отношению к элементарной частице соударения становятся абсолютно упругими
только в среднем.
При
такой постановке вопроса вовсе не очевидно, что возникнет сила тяготения.
Поэтому было рассмотрено влияние столкновений гравитонов с мишенями на распределение
скоростей гравитонов. Исследование показало, что при взаимодействии гравитонов
с элементарными частицами распределение гравитонов по скоростям
"расползается" (рис.3). Это значит, что увеличивается число
гравитонов, обладающих высокими скоростями, и число гравитонов, обладающих
низкими скоростями, за счет числа гравитонов, обладающих средними скоростями
(рис. 3, пунктирная линия).
Рис. 3
Но
такое "расползание", ещё не гарантирует, что возникнет сила тяготения
между двумя массами. Поэтому процесс столкновений был рассмотрен детально. Был
вычислен импульс, который за 1 секунду передают телу М1 n гравитонов, летящих
со стороны тела М2. Тем самым была вычислена сила F1, действующая на тело М1 со
стороны тела М2. Аналогично была вычислена сила F, действующая на тело М1 с
противоположной стороны где массы отсутствуют. Было установлено, что F > F1.
Это означает, что на тело М1 действует сила, направленная в сторону тела М2.
Тем самым было доказано, что между массами М1 и М2 возникает сила тяготения.
Так как гравитоны телом М2 не поглощаются, то причиной возникновения силы
тяготения является изменение закона распределения гравитонов по скоростям, а не
экранирование тела М1 телом М2.
Задача
по вычислению сил F и F1 решалась В. Антоновым аналитически. При этом для
облегчения математических выкладок были сделаны некоторые упрощения. Хотя
сделанные автором упрощения были не принципиальными, но всё же это может
вызвать сомнения в достоверности полученного результата. Поэтому через 10 лет
после опубликования теории В. Антонова мной было принято решение вернуться к
вычислению сил F и F1, но не допуская уже никаких упрощающих предположений. В
частности было исследовано, как отразится движение мишеней вокруг центра масс
той элементарной частицы, в состав которой они входят. Подробно был рассмотрен
случай с двумя мишенями. Предполагалось, что для устойчивости элементарной
частицы необходимо, чтобы суммарный импульс мишеней был равен нулю. Попросту
это означает следующее: если одна мишень движется вправо, то другая в это же
время с такой же скоростью движется влево, либо обе мишени неподвижны. Был
получен результат, показывающий, что вид деформированной кривой распределения
зависит от скорости движения мишеней (рис. 4). Смысл подписи под первым
рисунком такой: v0 - наиболее вероятная
скорость гравитонов, мишени движутся в противоположных направлениях со
скоростями
.
Остальные подписи имеют аналогичный смысл.
.
Остальные подписи имеют аналогичный смысл.
Рис. 4
Замечательно,
что сила притяжения оказалась не зависящей от скорости движения мишеней, см.
табл. 1. Из таблицы видно, что (F-F1)/F*100≈2%, независимо от скорости мишеней
(то есть сила слева на 2% превышает силу справа).
Числовые расчёты были
произведены при условии, что масса гравитона в сто раз меньше массы мишени.
По
поводу последнего утверждения (2%) нужно дать пояснение. Гравитоны легко
проходят через тела, изредка сталкиваясь с мишенями и отражаясь от них.
Отразившиеся от мишеней тела М2 (рис. 5), гравитоны имеют деформированное
распределение. В число отразившихся гравитонов входят как гравитоны, свободно
прошедшие через тело М1, так и гравитоны, пришедшие к телу М2 со стороны
(считаем для простоты, что расстояние между телами М1 и М2 много больше
размеров самих тел).
Рис. 5
Так
вот, в утверждении (F-F1)/ F*100≈2% имеются в виду только отразившиеся
гравитоны и аналогичное им множество гравитонов со стороны, где массы
отсутствуют. По отношению ко всем гравитонам, передающим импульс телу М1 с
одной и с другой стороны, величина (F-F1)/ F*100% будет значительно меньше. Но
это всё равно это будет ненулевая величина.
В.Антонов
дал простое объяснение возникновению силы тяготения при упругом столкновении
гравитонов: общее число гравитонов и их суммарная энергия при деформации кривой
распределения не изменяются. Причина возникновения силы при деформации
распределения скоростей гравитонов без изменения их суммарной энергии, в
сущности, очень проста - это уменьшение числа гравитонов со средними энергиями
и увеличение числа гравитонов с малыми и большими энергиями (см. рис.4).
Энергичный гравитон при столкновении с мишенью отдает ей меньшую долю энергии.
Мало энергичные гравитоны отдают при столкновении бОльшую долю энергии, но их
энергия мала, так что передача энергии в абсолютном смысле оказывается
незначительной.
Всеобщим свойством материи является не
"притяжение", а отталкивание
Этот
подзаголовок взят из текста статьи Л.Е Федулаева "Физическая форма
гравитации" (http://leofed.narod.ru/books/fisicheskaya_forma_gravitacii.htm), к рассмотрению
которой мы приступаем. Имеется в виду именно отталкивание микрообъектов друг от
друга, а не хаотические толчки гравитонов. Наверное, каждый любознательный
подросток, впервые познакомившись с кристаллической структурой вещества,
заинтересовался, почему атомы как замороженные держатся вдалеке друг от друга и
что мешает им сблизиться. Потом, повзрослев и сузив специальными знаниями свой
кругозор до разумных пределов, человек перестаёт задавать такие
"детские" вопросы. Но проблема от этого не исчезает, её просто
перестают видеть. К счастью не все. Приведём цитату из работы Л. Федулаева:
"Вот
"кристаллическая решетка" графита. Увеличим … нуклоны до апельсина и
пропорционально увеличим все расстояния. Это на сегодняшний день, - наглядная
модель кристалла графита… Парят в пространстве "сетки" с апельсинами
размером в футбольный мяч, и расстояния между ними измеряются километрами!
Находясь друг от друга на гигантских (в сравнении с собственными размерами)
расстояниях, атомы, тем не менее, образуют в пространстве устойчивую
геометрическую конструкцию. Что связывает атомы в таком случае в систему столь
необычной пространственной конфигурации, и столь же при этом необъяснимой
устойчивости? Что не дает атомам изменить положение в этой конструкции,
приблизиться, например, друг к другу, когда они испытывают гигантские давления
в земных глубинах?
"Как обнаружили американские физики, графит, сжатый при
комнатной температуре под давлением 170 тысяч атмосфер, временно превращается в
алмаз: приобретает алмазную твердость и прозрачность. После снятия давления он
опять становится графитом".Журнал "Наука и жизнь" № - 3/2004, с. 63.
Плотность графита ≈ 2,2 г/см3, алмаза ≈ 3,5 г/см3. Чтобы превратить графит в алмаз надо его плотность увеличить в 1,6 раза, т. е. в 1,6 раза в том же объеме увеличить количество атомов.
Такое можно сделать, только приблизив атомы друг к другу, а соответственно, и преодолев существующие между ними силы отталкивания, - вот та пружина, которая сжимается под давлением в "170 тысяч атмосфер", и которая возвращает сжатый кристалл в первоначальное состояние "после снятия давления".
Что это за силы? Какова их природа? Какая энергия противостоит здесь энергии гравитационной?
Парили бы над физико-математическим Лицеем две модели, - кристаллы графита и алмаза! Две оригинальные конструкции из ярких, разливающих свет (излучение атомов) точек. И между этими струящимися точками - метров по двести. Одна из конструкций на треть меньше. И дано, - думайте выпускники! - чтобы первую уменьшить до второй надо приложить "давление в 170 тысяч атмосфер"... А откуда берется энергия для поддержания целостности атома, целостности молекулы от "слипания" атомов в единое целое, в то время как гравитация сдавливает тела? Откуда эта энергия приходит?
Если
силы отталкивания останавливают молекулы (нуклоны в атомах) от сближения на
расстоянии в сотни (и даже - тысячи!) раз превышающие их диаметр, значит, в
данных условиях совокупные "силы отталкивания" нуклонов не уступают
по величине силам гравитационного "притяжения"".
Всё
берётся из эфира (физического вакуума) - и сила притяжения, и сила
отталкивания. Эфир человечество едва-едва начинает постигать. И естественно,
строит его модели. Одна модель, можно сказать, статическая. Вот она: эфир имеет
много компонентов подобно атмосфере Земли; в атмосфере Земли есть кислород,
аргон, азот и т.д., каждый сам по себе, не претерпевая взаимных превращений.
Этого же следует ожидать от электромагнитной и гравитонной составляющих эфира.
Каждая из них существует сама по себе. Электромагнитная составляющая не
оказывает влияния на тяготение, гравитонная составляющая не оказывает влияния
на электромагнитные явления. Такой модели эфира вполне достаточно для
построения теории гравитации, как это сделано А. Вильшанским или В. Антоновым.
Но с помощью такой модели эфира не объяснить возникновения сил отталкивания,
которые останавливают от сближения молекулы (атомы, нуклоны в атомах и т.д.) на
расстоянии в сотни и тысячи раз превышающие диаметр этих объектов.
Для
объяснения одновременного возникновения и сил притяжения, и сил отталкивания Л.
Федулаевым предложена динамическая модель эфира - "Круговорот энергии в
природе". Пересказывать здесь предложенную автором модель нет смысла. Есть
адрес статьи, повторю его ещё раз - http://leofed.narod.ru/books/fisicheskaya_forma_gravitacii.htm, статья всегда
доступна. Кто хочет и по милости к нему Природы может, тот прочтёт. А кто не
хочет или не может, тому и подробный пересказ не на пользу. Для тех же, кто
прочтёт, могу сказать, что мне не всё нравится в предложенной Л. Федулаевым
модели круговорота энергии в природе. Не нравится, что в модель включены чёрные
дыры. Не нравятся аналогии со сверхзвуковым движением в аэродинамике. Но с
чего-то же надо было начинать. Обозначена проблема. Нынешнему поколению учёных
её уже не решить. Следует ожидать, что потребуются дорогостоящие эксперименты.
Но следующее поколение физиков, пожалуй, успеет с этой проблемой справиться.
Так что эта задача для вас, молодые читатели.
Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 05-09 февраля 2011 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'
Гравито́н — гипотетическая безмассовая элементарная частица — переносчикгравитационного взаимодействия без электрического заряда. Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации.
Термин «гравитон» был предложен в
1930-х годах, часто приписывается работе 1934 годаД. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[3][4].
Гипотеза о
существовании гравитонов появилась благодаря успеху квантовой теории поля(особенно Стандартной модели) в моделировании поведения
остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии,глюоны в сильном взаимодействии, W± и
Z-бозоны в слабом взаимодействии. Следуя этой аналогии — за гравитационное взаимодействие также может отвечать некая элементарная
частица.
Ряд физиков отвергает саму
гипотезу о гравитоне как несостоятельную[5].
Например, если гравитоны существуют, то они должны излучаться чёрными дырами, что, вероятно, противоречит Общей теории относительности.[источник не указан 521 день]
Возможно также, что гравитоны
являются квазичастицами, удобными для описания слабых
гравитационных полей в масштабах длины и времени, существенно больших планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания
сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским.[источник не указан 384 дня]
Содержание
В различных теориях[править | править исходный текст]
Краткий
обзор различных семейств элементарных и
составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы слева, Бозоны справа. (пункты на картинке кликабельны)
Попытки расширить Стандартную модель гравитонами
сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий
(равных или превышающих планковскую энергию) из-за расходимостей квантовых
эффектов (гравитация неренормализуется). Решение этого вопроса было
мотивом построения нескольких предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, одной из попыток является теория струн). Несмотря на отсутствие в настоящее время
полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых
возмущений заданного гравитационного поля в первом порядке по теории возмущений. В
рамках такой линеаризованной теории
элементарным возбуждением и является гравитон[6].
Предполагаемый спин гравитона
равен 
по той причине, что плоская гравитационная волна носитквадрупольный характер,
переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению
распространения.
по той причине, что плоская гравитационная волна носитквадрупольный характер,
переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению
распространения.
Также это следует из числа
независимых компонент волновых функций гравитационного поля, которые являются
гравитационными потенциалами. Из десяти компонент тензора гравитационного
потенциала вследствие равенства нулю следа и четырёх дополнительных условий
калибровки (аналогичных калибровке Лоренца в
электродинамике) остается 
независимых компонент. Вследствие формулы 
,[7] связывающей значение спина 
с числом компонент волновых функций поля 
,
получаем значение спина гравитона 
.[8]
независимых компонент. Вследствие формулы ,[7] связывающей значение спина с числом компонент волновых функций поля ,
получаем значение спина гравитона .[8]
В струнной теории гравитоны,
также как и другие частицы — это состояния струн, а не точечные частицы, и
в этом случае бесконечности не появляются. В то же время при низких энергиях
эти возбуждения можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон, как
и прочие элементарные частицы — это некоторое приближение к реальности,
которое можно использовать в области низких энергий.
Экспериментальное наблюдение[править | править исходный текст]
Из-за чрезвычайной слабости
гравитационных взаимодействий, экспериментальное подтверждение —
обнаружение отдельныхгравитонов —
в теории струн и других
предсказывающих существование гравитонов теорий, в настоящее время не
представляется возможным.
Гравитон в массовой культуре[править | править исходный текст]
·
Звездолёты из телесериала «Звёздный путь» снабжены технологиями на основе
гравитонов (искусственная гравитация, навигационный дефлектор, низкоуровневые
силовые поля и т. д.)
·
В серии игр Dead Space упоминается,
что после того, как люди научились управлять гравитонами, подобно фотонам или
другим элементарным частицам, люди смогли подчинить себе гравитацию. С помощью
этой технологии люди стали перерабатывать целые планеты, с целью получения
ресурсов, что, вследствие и повлекло катастрофу, описанную в игре.
·
В 1 сезоне аниме «Некий научный Рейлган» в сериях 6 и 7 сюжет был связан
с эспером, чья способность
заключалась в том, что, использую алюминий как основу, он ускорял гравитоны,
вследствии чего возникал взрывной эффект.
·
В 26 эпизоде 6 сезона мультсериала «Футурама» профессор Фарнсворт создает из алмазной
пыли линзу для микроскопа, с помощью которого помимо прочих частиц стандартной
модели рассматривает гравитон. После гравитона находит частицу, которая лежит в
основе всего...
См. также[править | править исходный текст]
Источники[править | править исходный текст]
1. ↑ Rovelli, C. (2001), "Notes for a brief history of quantum
gravity", arΧiv:gr-qc/0006061 [gr-qc]
2.
↑ (1934) «Gipoteza neitrino i zakon sokhraneniya
energii». Pod Znamenem Marxisma 6: 147–157. (рус.)
3.
↑ Блохинцев
Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем
марксизма», 6 (1934) 147—157.
4.
↑ Горелик Г.
Е. Матвей Бронштейн и квантовая
гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы. «Успехи физических наук», том 175, выпуск 6, 2005.
6.
↑ DeWitt B. Quantum theory of gravity I // Physical
Review 160, 1113—1148 (1967).
DeWitt B. Quantum theory of gravity II: the manifestly covariant theory // Physical Review 162, 1195—1239 (1967).
DeWitt B. Quantum theory of gravity III: application of the covariant theory // Physical Review 162, 1239—1256 (1967).
Систематическое изложение: Девитт Б. С. Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС, 2000. ISBN 5-11-480064-7.
DeWitt B. Quantum theory of gravity II: the manifestly covariant theory // Physical Review 162, 1195—1239 (1967).
DeWitt B. Quantum theory of gravity III: application of the covariant theory // Physical Review 162, 1239—1256 (1967).
Систематическое изложение: Девитт Б. С. Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС, 2000. ISBN 5-11-480064-7.
Аннотация:
Предложен новый вариант давно известного и давно отвергнутого объяснения
причины гравитации как результата воздействия на тела очень маленьких частиц -
гравитонов, суммарное действие которых приводит к
"приталкиванию"" одного тела к другому. Это позволяет объяснить
механизм наблюдаемого "притяжения" одних тел к другим без привлечения
теории относительности и понятия об искривлении пространства. Расчет по
полученным здесь формулам полностью соответствует результатам расчета по
эмпирической формуле закона всемирного тяготения Ньютона (ЗВТ). Показано, что
при определенных условиях внутри массивных небесных тел могут находиться
области, в которых сосредоточенная там масса поглощает все проходящие через нее
гравитоны, и таким образом является для них «непрозрачной» даже частично.
Вследствие этого орбиты ближайших к небесному телу спутников (естественных и
искусственных) не подчиняются законам Кеплера. Таким образом в природе возможно
существование «негравитирующей массы». В рамках этой гипотезы находит свое
объяснение явление существования крупных колец у планеты Сатурн. Модель
объясняет многие (в том числе и необъяснимые современными теориями) явления как
в макромире, так и в микромире.
Гравитация? Это очень просто! (гравитонная гипотеза)
Проблема. Круговое движение спутников вокруг Земли (а также естественных
спутников планет и самих планет вокруг Солнца) обычно объясняется с помощью
схемы, приведенной на рис.1. Сила тяготения F, направленная к центру Земли,
вызывает ускорение, с которым тело на рисунке ДВИГАЕТСЯ в радиальном
направлении. Однако, когда мы задумываемся о величине РАБОТЫ, которую
производит эта сила, мы натыкаемся на парадокс. Сила - есть, масса - есть,
ускорение - есть. Но в результате сложения двух скоростей движения оказывается,
что суммарное расстояние до планеты не изменилось! Значит нет ни пройденного
пути, ни работы? Это какая-то очень странная сила, и какая-то странная
ситуация. Аналогии с вращением груза на нити здесь не годятся. В случае
использования нити расстояние не меняется. Связь тела с центром вращения
ЖЕСТКАЯ. В этой вращающейся системе координат в точке крепления груза к нити
центростремительная сила уравновешивается силой реакции опоры. То есть имеются
ДВЕ силы, сумма которых равна нулю. Естественно, что и результат их действия
равен нулю. В случае же спутника воздействующая сила только одна, и она не
уравновешивается никакой другой силой. Но по Второму закону Ньютона любая сила,
воздействующая на свободное тело, должна вызывать ускорение и производить
работу! Более того, если траектория будет иной (скажем, эллиптической), и
расстояние тела от центра Земли будет изменяться, то, согласно классической
теории, сила притяжения также не будет производить никакой работы! В данном
случае не только сила и ускорение в наличии, но также и путь. Но работа все
равно не производится! Это странно, по меньшей мере.
Усилим парадокс. Представим себе космический корабль, имеющий на
борту двигатель, всегда ориентированный по радиусу, но в обратную сторону от
Земли (рис.2). Двигатель показан на рисунке в виде вытянутого треугольника.
Представим себе далее, что космический корабль должен совершить облет вокруг
Земли по круговой орбите, но тяготение отсутствует. Иначе говоря, уберем Землю
и рассмотрим простой маневр корабля в пространстве - движение по окружности.
Очевидно, что для выполнения этого маневра при отсутствии тяготения космический
корабль должен использовать свой реактивный двигатель. Сопло этого двигателя
должно быть постоянно направлено в обратную сторону от центра окружности. Таким
образом, силу земного притяжения мы заменяем силой тяги двигателя. Ясно, что в
данном случае энергия будет расходоваться. Если бы взлетающая с Земли ракета
просто зависла над землей на старте примерно на время полного оборота спутника
на орбите (то есть около 100 минут), то она израсходовала бы приблизительно
такую энергию. Причем понятно, что эта энергия прямо зависит от массы корабля.
Любому человеку ясно, что эта энергия очень велика. Налицо парадокс. Но можно
ли преодолеть противоречие? Модель. Поместим пробное тело А в центр сферы, через которую в самых
разных случайных направлениях пролетают очень маленькие и легкие частицы
(рис.3). Назовем эти частицы "гравитонами". Предположим, что
гравитоны обладают исключительно высокой проникающей способностью и слабо
взаимодействуют с веществом, то есть отдают частицам вещества очень небольшую
часть своего импульса. Аналог такого рода в природе известен - это нейтрино.
Однако гравитоны в нашей модели по своим размерам существенно меньше нейтрино,
и двигаются со скоростями, значительно превышающими их скорость.
Гравитоны равномерно распределены в пространстве. Большинство их
пролетает мимо пробного тела А, и нас не интересует. Их траектории обозначены
на рис.3 пунктирными стрелками (изобр. слева). Те гравитоны, которые попадают в
пробное тело, передают ему часть своего импульса. Плотность потока гравитонов
через сферу постоянна. Так как все гравитоны одинаковы, то вектор суммарного
импульса, переданного ими пробному телу, будет равен нулю, и оно будет находиться
в покое. Поместим на некотором расстоянии от пробного тела A массивное тело
(шар на рис.4). Очевидно, что если гравитоны частично задерживаются шаром, то
он экранирует пробное тело от воздействия частиц, приходящих к нему из
пространственного угла с образующими АU и АV. В то же время гравитоны,
прилетающие из пространственного угла c образующими AU' и AV', воздействуют на
пробное тело с прежней интенсивностью. Результирующее воздействие всех частиц
на пробное тело уже не будет равным нулю, и возникнет сила FA, направленная
точно к центру массивного шара. Величина силы, действующей на пробное тело,
будет зависеть от степени поглощения гравитонов массивным телом. Эта сила прямо
пропорциональна величине пространственного угла UAV, который в свою очередь обратно
пропорционален квадрату расстояния. В этой модели имеет место не «притягивание»
двух тел друг к другу, а «приталкивание». Но, если наблюдатель ничего не знает
о летящих частичках, а видит лишь взаимодействие тел, то это выглядит для него
как «притяжение» одних тел к другим.
Таким образом, воздействие гравитонов на пробное тело А
рассчитывается как разность двух потоков гравитонов, приходящих из
пространственного угла U'AV' и из пространственного угла UAV, определяемого
поглощающим гравитоны телом. Гравитоны поглощаются на любом участке b этого
тела (рис.5). В статье [1] приведен вывод формулы отношения силы приталкивания
на определенном расстоянии к силе, действующей на расстоянии двух радиусов от
центра массивного шара:
где: k=1+h/R - угол, указанный стрелкой на рис.5,
под которым виден отрезок взаимодействия "b" - максимально возможное
значение угла h - расстояние пробного тела от поверхности поглощающего тела
(шара) R – радиус поглощающего шара b - длина пути взаимодействия на рис.5 -
плотность поглощающего тела в произвольной точке k=2 для случая нахождения
пробного тела на расстоянии от поверхности шара, равном радиусу Численное
интегрирование выражения (1) приводит к результатам, полностью совпадающим с
результатами расчета по классической формуле закона всемирного тяготения
Ньютона. В общем случае тело (шар), поглощающее гравитоны, может иметь
переменную вдоль радиуса плотность (рис.6). Как известно, Земля имеет более
плотное ядро с диаметром, примерно равным половине диаметра самой Земли. Расчет
показал, что сила воздействия на пробное тело будет одной и той же для любого
распределения плотности по радиусу при условии постоянства средней плотности.
О критике модели "пушинга"
(приталкивания). О возможности существования механизма "приталкивания"
космических тел (как альтернативного их "притяжению") говорили многие
ученые, в том числе и Лессаж. Он рассматривал "гравитоны" как
частички, глубоко проникающие в планету, и создающие разность давлений на нее
вследствие образования "гравитонной тени" от Солнца. Эту модель
подверг критике Пуанкаре, показав, что сопутствующее приталкиванию поглощение
этих микрочастиц в небесном теле должно сопровождаться их нагревом до
температур, не наблюдающихся на практике. Кроме того, планеты в своем движении
должны были бы тормозиться "гравитонным газом", чего также не
наблюдается. О таком торможении говорил и Р.Фейнман в своих лекциях. Эти
возражения обоснованы лишь при определенных предположениях о свойствах
гравитонов, которых не предполагали эти исследователи, и без учета следствий из
этих свойств. Одним из таких следствий является существование "космической
метлы" (см. ниже), благодаря действию которой преодолевается торможение
планет "гравитонным газом", и осуществляется их вечное вращение.
Возражение Пуанкаре также исчезает, если рассмотреть взаимодействие гравитона с
элементом массы (атомом) более внимательно. В нашей гипотезе если масса тела,
через которое проходит гравитон, меньше некоторой величины (хотя и очень
большой), то гравитон чаще всего встречается лишь с одним атомом (ядром атома),
и претерпевает рассеивание на нем, отдавая атому небольшую часть своего момента
движения в направлении своего движения до соударения. Этот случай показан на
рис.7 (движение "а").
В этом случае никакого поглощения гравитонов (с переходом их
энергии в тепловую), о котором говорил Пуанкаре, не происходит. В случае же
прохождения гравитона через значительно бОльшую массу, траектория его движения
становится более сложной. Наталкиваясь на некоторое множество атомов, гравитон
также отдает каждому из них часть своего количества движения, но эта отдача
происходит в случайном направлении. В результате атомы как бы раскачиваются
случайным образом, что можно интерпретировать как тепловое движение. Этот
случай показан на рис.7 (движение "b"), и именно вследствие такого
движения и происходит разогрев тела. Но при этом понятно, что гравитационный
эффект вызывается лишь самым первым столкновением гравитона с атомом. И,
наконец, когда в результате целого ряда соударений гравитон теряет значительную
часть своей энергии, его скорость снижается настолько, что он в определенной
ситуации может быть захвачен ядром атома, "поглощен" им. На этом его
путешествие внутри массы заканчивается (рис.7, движение "с"). Однако
и это поглощение также не связано с повышением температуры вещества; попадая
внутрь ядра, гравитон отдает свою энергию на его раскрутку, и является
по-существу, причиной существования и источником внутренней энергии атома
вообще. Проверка адекватности предложенной модели Соответствует ли
действительности предложенная здесь модель? Это можно было бы проверить во
время полного солнечного затмения. Согласно теории Ньютона сила притяжения
любого тела Землей на ее поверхности должна уменьшаться во время солнечного
затмения. В этот момент Луна и Солнце находятся на одной прямой по отношению к
наблюдателю в зоне затмения. При этом их сила притяжения должна увеличиться,
уменьшая результирующую силу притяжения на поверхности Земли.
Но, согласно предложенной здесь модели все должно обстоять
наоборот. При достаточно большой массе вещества, через которую проходят
гравитоны, они должны в этой массе поглощаться полностью. Именно такая ситуация
возникает в звездах. В результате возникает ситуация, изображенная на рис.8.
Для наглядности и простоты предположим, что Солнце поглощает гравитоны
полностью почти по всему диаметру.
До тех пор, пока Солнце и Луна находятся в разных частях
небосвода, каждое из этих небесных тел поглощает свою часть гравитонов.
Величина гравитационной постоянной у поверхности Земли зависит от воздействия
Земли, Луны и Солнца. Однако, во время затмения ситуация меняется (рис. Луна
входит в полную «гравитонную тень» Солнца. До затмения она несколько ослабляла
поток гравитонов. Теперь она уже не может его ослабить дополнительно, так как
он уже полностью перед этим был поглощен Солнцем. Для земного наблюдателя
гравитонного потока Луна в этот момент как бы «исчезает» с небосклона. В
результате суммарная сила притяжения в момент солнечного затмения должна
увеличиваться. Интересно, что явление увеличения веса во время солнечного
затмения было открыто еще в конце 19 века русским инженером Ярковским с помощью
модифицированных лабораторных весов, а с 50-х годов ХХ века были многократно
повторены опыты Мориса Алле (Allois), обнаружившего изменение периода колебаний
маятника во время затмения. Повторенные нами опыты показали, что точности и
чувствительности применявшихся этими исследователями приборов было совершенно
недостаточно для обнаружения хоть какого-нибудь влияния Луны, и они, скорее
всего, измеряли некий артефакт - сопутствующее затмению явление более крупного
порядка. Более точные измерения планируется реализовать в ближайшее время.
Следствия из предложенной гипотезы
Описанный выше «механизм гравитации» является на данный момент
единственным, способным объяснить явление увеличения силы тяжести вблизи
поверхности Земли при солнечном затмении. И это дает основание рассмотреть
некоторые следствия из этой гипотезы, как если бы она была адекватной
реальности.
"Невсемирность" Закона всемирного тяготения Ньютона
Представления о силе неизвестной природы, заставляющей объекты
притягиваться друг к другу, позволили в свое время Ньютону найти лишь
эмпирическую формулу закона всемирного тяготения. Эта формула, по Ньютону,
справедлива для любых расстояний, в чем у него не было причин сомневаться.
Изложенное здесь представление о "приталкивании" тел друг к другу
частицами со слабым взаимодействием с веществом (гравитонами) позволяет дать
непротиворечивое физическое описание этого явления. Полученные при этом формулы
дают результаты, в точности совпадающие с результатом расчета по эмпирической
формуле Ньютона, но… Одновременно должно быть ясно, что эта модель адекватна
только на длине свободного пробега частиц (гравитонов). Это означает, что так
называемый закон «всемирного» тяготения не является на самом деле всемирным, а
справедлив лишь на расстояниях, примерно равных размерам нашей Солнечной
системы. На больших расстояниях действуют, повидимому, законы вихревой газовой
динамики применительно к «гравитонному газу».
Движение
планет по орбитам. Вечное и постоянное движение планет по их околосолнечным орбитам
представляется до некоторой степени загадочным. Трудно предположить, что
движению Земли по орбите со скоростью 30 км\сек совершенно ничего не
препятствует. Даже в предположении об отсутствии эфира существует достаточное
количество более или менее крупной космической пыли и мелких метеоритов, через
которые проходит планета. И если для больших планет этот фактор достаточно мал,
то с уменьшением размеров тела (до астероида) его масса уменьшается гораздо
быстрее, чем поперечное сечение, которое определяет динамическое сопротивление
движению. Тем не менее и большинство астероидов вращается по орбитам с
постоянной скоростью, без признаков торможения. Представляется, что одного лишь
ньютоновского «притяжения» недостаточно, чтобы удержать систему в вечном
вращении. В рамках же гравитонной гипотезы такое объяснение может быть
предложено. "Космическая метла" На рис.11 (изобр. справа) изображены
траектории гравитонов, принимающих участие в создании «пушинга» (приталкивающей
силы) в случае, если они проходят через большую массу, которая не вращается. В
этом случае картина сил, создающих давление на меньшую массу, полностью
симметрична, и суммарный вектор всех сил Z направлен точно на центр большой
массы.
Если же большая масса вращается, то картина выглядит несколько
иначе (Рис.12 ) Можно видеть, что сектор, из которого приходят гравитоны,
формирующие верхнюю (относительно половины) часть поглощенного потока,
оказывается несколько большим, чем сектор, в котором гравитоны приходят из
нижней полусферы. Поэтому векторная сумма Х=X1+X2 несколько больше векторной
суммы Y=Y1+Y2, что создает отклонение результирующего вектора Z. Этот вектор в
свою очередь можно разложить на два вектора. Один из них направлен точно к
центру притяжения О, а другой перепендикулярен ему, и направлен вдоль
касательной к орбите. Именно эта составляющая силы приталкивания и вызывает
движение планеты по орбите при вращении массивного тела S. Таким образом вокруг
вращающегося массивного тела возникает как бы "метелка"
"вертушка", подгоняющая каждую элементарную массу планеты по
касательной к орбите в направлении вращения основной массы. Поскольку
воздействие производится на каждую элементарную часть планеты, то действие
"метелки" пропорционально массе увлекаемого ею тела на орбите. Но
если бы дело этим и ограничивалось, то скорости планет непрерывно увеличивались
бы, и круговые орбиты не могли бы быть устойчивыми. Очевидно, существует и
тормозящий фактор, причем он также должен быть пропорционален массе. Таким
фактором, скорее всего, является сам гравитонный газ, то есть сами гравитоны,
пронизывающие тело со всех сторон. Как бы ни была велика скорость гравитонов,
но, если они оказывают воздействие на элементарные массы, как было объяснено
ранее, то и сами элементарные массы будут испытывать определенное сопротивление
при своем движении сквозь гравитонный газ. Таким образом, не имеет никакого
значения, какая именно масса находится на данной орбите. Увеличивая массу, мы
увеличиваем подгоняющую силу, и одновременно увеличиваем тормозящую силу. Из
всего этого вытекает важное следствие - планета может иметь спутники только в
том случае, если сама она обладает не только определенной массой, но еще и
определенной скоростью вращения вокруг своей оси, создавая эффект
"космической метлы". Если планета вращается медленно, то она и
спутников иметь не может, метелка «не работает». Именно поэтому Венера и
Меркурий не имеют спутников. Не имеют спутников и сами спутники Юпитера,
которые хотя и сравнимы с Землей по размеру, но вращаются очень медленно.
Именно поэтому Фобос, спутник Марса, постепенно приближается к Марсу. Скорее
всего, параметры Фобоса являются критическими. «Метла», образуемая небольшим
Марсом с его скоростью вращения 24 часа и массой 0,107 земной, создает для
полуоси 10 000 км как раз критическую силу. Возможно, что все тела, имеющие
произведение относительной массы на относительную скорость вращения менее 0.1
(как у Марса), не могут иметь спутников. В связи с таким поведением Фобоса
высказывается мнение, что он в конце концов упадет на Марс. Однако наиболее
вероятным является предположение, что этого все же не произойдет. По мере
приближения Фобоса к Марсу сила воздействия "метлы" на него может
несколько увеличиться, и его орбита может стать устойчивой. С другой стороны,
поскольку Луна понемногу удаляется от Земли, можно предположить, что энергия
«Метлы» у Земли избыточная, и она ускоряет Луну.
Наличие этого "механизма" в длействительности легче
всего демонстрируется на примере всем известных комет. Сегодня уже практически
установлено, что кометы приходят к нам из очень удаленных от Солнца областей
(но в пределах Солнечной системы) - поясов Койпера, Оорта. В этих областях
(точка 1 рис.13) кометы (сгустки льда и пыли) вращаются вокруг Солнца с крайне
малой скоростью (почти нулевой). Время от времени в результате взаимных
столкновений, некоторые из них сходят со своих орбит, и начинают свое сближение
с Солнцем. Поскольку исходные орбитальные скорости у них крайне малы, они
должны были бы просто падать на Солнце по линии, близкой к прямой (пунктир на
рис.13). На деле же они постепенно отклоняются от прямой в сторону вращения
Солнца (точка 2 на рис.13), и при максимальном с ним сближении (точка 3) уже
имеют довольно большую боковую скорость. По параметрам траектории комет (а эти
параметры довольно сходные) можно рассчитать силу воздействия "космической
метлы".
"Критическая масса"
Если гравитоны существуют, и действительно поглощаются веществом
(атомами и, возможно, элементарными частицами), то при достаточно большом
количестве вещества (обычно называемом «массой» вещества), весь поток
гравитонов может быть поглощен веществом. Именно это соображение и было
положено в основу объяснения поведения маятника Allois’a и прибора Ярковского
во время солнечного затмения. Но если тяготеющая масса поглощает ВЕСЬ поток
гравитонов, то она становится уже «непрозрачной» для этого потока, и ее следует
рассматривать не как «полупрозрачный шар», а как непрозрачный диск (нижний
рис.14)
Понятно, что в этом случае зависимость гравитационной силы от
расстояния для достаточно малых углов (меньших 0,1 рад, под которыми обычно
тяготеющая масса видна «с точки зрения» планет), попрежнему с высокой точностью
обратно пропорциональна квадрату расстояния (пропорциональна величине телесного
угла, под которым виден диск непрозрачной массы. (Что именно происходит при
бОльших углах и меньших расстояниях будет рассмотрено впоследствии). Но пока мы
приходим к неожиданному выводу. Оказывается, если плотность массы тяготеющего
тела больше некоторой критической, и она начинает поглощать практически весь
гравитонный поток, то при одной и той же гравитационной силе плотность тела (а,
значит, и его масса) может быть сколь угодно больше этой критической.
Увеличение массы выше определенного предела не влияет более на силу
гравитационного воздействия этой массы, создаваемую разностью гравитонных
потоков. Экранировка гравитонного потока определяется полным поглощением его
частью небесной сферы, которую закрывает непрозрачная для гравитонов масса
вещества. Из этого следует, что масса Солнца, которая, естественно,
определяется по силе воздействия на планеты (и, прежде всего, на Землю с ее
известной массой, через которую и была вычислена масса Солнца в свое время), на
самом деле может быть значительно бОльшей, если принять во внимание результаты
измерений при солнечном затмении, и возможность наличия в центре Солнца большой
зоны с полным поглощением гравитонов.
В относительно разреженной внешней части звезды (рис.15) гравитоны
поглощаются частично. В более плотной части они поглощаются полностью, и именно
в этой части происходит основной разогрев звезды. А вот во внутреннюю область
гравитоны уже проникнуть не могут, и масса этого ядра может быть очень большой,
но она никак не влияет на суммарное поглощение гравитонов (они уже поглощены
внешней зоной), а стало быть и на силу гравитации, создаваемую звездой. Может
ли аналогичная зона поглощения быть у планет? Как следует из изложенного, если
такая зона есть, то она может проявить себя не всегда. Если наблюдатель
находится на расстоянии, большем, чем критический угол (0,1 радиана), сила
гравитации никак не зависит от наличия этой массы. Но если это расстояние
меньше, и угол, под которым видна предельная (критическая) масса, больше, чем
0.1 рад, то ее влияние может быть обнаружено, когда тангенс угла визирования
становится заметно отличным от самого угла, и зависимость гравитационной силы
от расстояния перестает соответствовать закону обратного квадрата. При этом
должны наблюдаться отклонения от законов КЕПЛЕРА, третий из которых утверждает
постоянство отношения куба расстояния от тяготеющей массы к квадрату периода
обращения вокруг этой массы пробного тела (планеты вокруг звезды, спутника вокруг
планеты) при “ньютоновских” допущениях о “точечной массе”. Согласно третьему
закону Кеплера (упрощенно) для круговых орбит планет имеет место соотношение:
R3/T2 =Const, где R – радиус орбиты (в млн. км) и Т – период обращения (в
земных сутках). Для Международной космической станции (МКС), находящейся на
высоте около 400 км, расчетный период обращения по формуле Кеплера составляет
около 89,5 минут. Реальный же период обращения МКС равен 95 минутам. По
заданной орбите спутник движется медленнее, чем он должен двигаться. Он делает
оборот почти на 6 минут дольше, чем должен! Еще один спутник «Техсат»
(Израиль), находящийся на орбите с высотой 800 км, имеет период обращения,
равный 101 минуте, в то время как его расчетный период несколько меньше 100
минут. Для них уже очевидно не выполняется закон Кеплера! Дело выглядит так,
как будто для этих спутников величина С уменьшается, действующая на спутник
сила гравитации становится несколько меньше рассчитанной по формуле Ньютона для
закона всемирного тяготения, и необходимая скорость для поддержания его на
данной орбите несколько уменьшается. Это явление может быть объяснено наличием
в центре Земли непрозрачного для гравитонов ядра, угловые размеры которого с
высоты орбит указанных спутников несколько превышают величину, за которой уже
нельзя пренебрегать разницей между величиной угла в радианах и его тангенсом.
Если принять эту величину близкой к 0,1 рад (то есть около 6 градусов), то
размеры непрозрачного (для гравитонов) ядра Земли не могут превышать 600-650
км. Параметры орбит указанных спутников позволяют рассчитать размеры этого
непрозрачного ядра с достаточно большой точностью. (Не следует путать
непрозрачное для гравитонов ядро Земли с ее физическим ядром, диаметр которого
примерно равен 6000 км, и плотность которого превышает примерно вдвое плотность
внешней части Земного шара. Это ядро для гравитонов может быть еще достаточно
"прозрачным"). Для других планет также можно наблюдать отклонение
параметров орбит их собственных спутников от закона Кеплера, хотя и в небольшой
степени, так как ближайшие к ним спутники все же находятся не настолько близко
к планете, как искусственные спутники Земли. А вот для элементов колец Сатурна
ситуация кардинально меняется. Кольца Сатурна необычайно тонки: хотя их диаметр
- 250,000 км или чуть больше, их толщина составляет 1,5 км. Все кольца состоят
из отдельных кусков льда разных размеров: от пылинок до нескольких метров в
поперечнике. Эти частицы двигаются с практически одинаковыми скоростями (около
10 км/с). Внутренние части колец вращаются несколько быстрее внешних.
Для Сатурна коэффициент Кеплера Const =R3/T2 = 0,0717. Ближайший к
планете спутник Сатурна Атлас находится в пределах кольца "А" на его
дальнем краю на расстоянии примерно 140 000 км от центра планеты, и имеет скорость
18 км в сек. Если бы закон Кеплера выполнялся и для самого внутреннего края
внутреннего кольца “С” (радиус 75 000 км), то период обращения элементов этого
участка кольца должен быть равен примерно Т=0,05857 суток. Но реально скорости
частей колец приблизительно равны 10 км/сек. Радиус внутренней орбиты колец
вдвое меньше, окружность орбиты вдвое меньше, а период должен быть меньше в
2,49 раз. То есть скорость любого тела в пределах кольца должна быть ВЫШЕ, чем
у Атласа, больше 18 км/сек. Ведь все кольца БЛИЖЕ к планете, чем Атлас. А
реально она в два (или более чем в два) раза ниже! Таким образом для колец мы
видим АНОМАЛИЮ! Причиной возникновения таких явлений как распределенные
«кольца» вокруг планет может быть изменение зависимости гравитационной силы на
относительно близких расстояниях от «непрозрачного» для гравитонов ядра.
Внешняя граница кольца Сатурна находится на расстоянии почти 150 тыс. км. от
его центра, при радиусе планеты около 60 тыс км. Это означает, что непрозрачное
ядро планеты может иметь размеры не менее 15 тыс. км. Для более близких
расстояний оно «видно» с орбиты под углом, бОльшим 6 градусов. И так до 75 тыс.
км – внутренней границы колец. Атмосфера же у Сатурна довольно разреженная,
общая его плотность довольно мала. Но размеры его при этой плотности столь
велики, что он, возможно, начинает задерживать гравитоны полностью уже при
радиусе ядра 15 тысяч км. Если предположить, что большое (но неплотное) ядро
Сатурна размером в 15 тыс.км (!) является непрозрачным для гравитонов, то сила
тяжести на поверхности может быть очень большой, и поэтому атмосфера может быть
плотной, но не слишком протяженной в высоту. Это тем более вероятно, что Сатурн
разогревается изнутри меньше, чем Юпитер, и температура атмосферы у него
довольно низкая. Тогда возникает ситуация, благоприятная для возникновения
колец. Начиная с “шестиградусной зоны” постепенно перестают «работать» законы
Ньютона и Кеплера.
Поскольку значительная часть планеты непрозрачна для гравитонов,
то сила гравитации на ее поверхности - максимально возможная, и поэтому
атмосфера не слишком толстая, зато достаточно плотная.. А при низкой
температуре газообразный газ не слишком отдаляется от планеты. Поэтому условия
для существования колец – довольно широкие. То же и на Уране и Нептуне, у
которых кольца обнаружены сравнительно недавно. Из вышеизложенного следует, что
гравитационное “поле” вовсе не обязательно и всегда описывается законом
обратного квадрата. Если мы попадаем в “шестиградусную” зону, то при изменении
расстояния сила уже не увеличивается обратно пропорционально уменьшению
расстояния, увеличение идет несколько медленнее. Таким образом, исходя из
представлений гравитонной гипотезы и на основании реальных параметров орбит
спутников планет и их колец, мы приходим к выводу, что у звезд и больших планет
может существовать НЕГРАВИТИРУЮЩАЯ МАССА. Эта масса окружена со всех сторон
“экраном”, не пропускающим к ней гравитоны.
Заключение
Предположение о причине возникновения гравитационной силы как
результата существования и действия гравитонов не противоречат наблюдающимся
явлениям, но способно объяснить физический «механизм» этих явлений. Из этого
предположения следует невсемирность закона тяготения Ньютона, а также
возможность существования больших масс вещества, не проявляющих гравитационных
(а, возможно, и инерционных) свойств. Объясняется также явление разогрева
планет и источник энергии звезд. В свою очередь, если верно, что закон
всемирного тяготения вовсе не всемирен, а сфера его действия ограничивается
длиной свободного пробега гравитонов (примерно размерами нашей Солнечной
системы), то из этого следует неадекватность недавно возникших представлений о
некоей "темной материи-энергии". Большие космические образования
удерживаются вовсе не силами гравитации, а обычными механизмами газовой
динамики - движением в пространстве "гравитонного газа". А понятие о
"закритической" массе вещества, не проявляющей гравитационных свойств
в силу недоступности ее для гравитонов из пространства, приводит к выводу о
невозможности существования в космосе так называемых "черных дыр" в
виде сверхбольших масс вещества со сверхгравитационными свойствами. Конечно,
реально "черные дыры" наблюдаются, но они могут представлять собой и
образования другого типа, не пропускающие сквозь себя фотоны.
Авторство, права
и публикация:
1. Автор д-р Александр Вильшанский.
Обратная связь с автором материала осуществляется через админа проекта
2. Материал
(включая текстовую и графическую информацию) публикуется с официального
разрешения автора.
3. Подготовка
и публикация проект 'Астрогалактика' 18.06.2006
Тёмная эне́ргия (англ. dark energy) в космологии — феномен, объясняющий факт, чтоВселенная расширяется с ускорением.[1]
Существует два варианта
объяснения сущности тёмной энергии:
·
тёмная энергия есть космологическая константа —
неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими
словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума)[2];
·
тёмная энергия есть некая квинтэссенция —
динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
К настоящему времени (2013 год)
все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе,
так что она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор
между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения
Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы
расширения Вселенной описываются космологическим уравнением
состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной
из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.
Тёмная энергия также должна
составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.[3] Согласно опубликованным в марте 2013 года
данным наблюденийкосмической обсерватории
«Планк», общая масса-энергия наблюдаемой
Вселенной на 95.1% состоит из тёмной энергии (68.3%) и тёмной материи (26.8%). [4][5] [6]
Содержание
Открытие тёмной энергии[править | править исходный текст]
На основании проведённых в конце
1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia
был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти
наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениямиреликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтезаБольшого Взрыва. Все полученные данные хорошо
вписываются в лямбда-CDM модель.
Сверхновые звёзды и
ускоряющаяся Вселенная[править | править исходный текст]
Расстояния до других галактик определяются
измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения
света удалённыхгалактик прямо
пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и
величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не
совсем точно, постоянной Хаббла).
Однако само значение параметра
Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно
измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже
вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные
свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной
свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они
обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой
звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с
высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia,
находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую
яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной
звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно
определить расстояния до этих галактик.
В конце 1990-х годов было
обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено
по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им
полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу
«стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния,
вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был
сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с
ускорением.
Ранее существовавшие
космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они
исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет
материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений,
свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование
неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её
назвали «тёмной энергией».
Тёмная энергия и скрытая
масса[править | править исходный текст]
Гипотеза о существовании тёмной
энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему невидимой массы». Теориянуклеосинтеза Большого Взрыва объясняет
формирование в молодой Вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий,дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры
Вселенной объясняет
формирование структуры Вселенной: образование звёзд,квазаров, галактик и
галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность
барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической
плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности,
необходимой, чтобы форма Вселенной была
плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, недавно проведённые
спутником WMAP,
показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской.
Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать
отсутствующие 70 % плотности Вселенной.
Природа тёмной энергии[править | править исходный текст]
Сущность тёмной энергии является
предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую
плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей
посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за
исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии
невелика (порядка 10−29 г/см³),
её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может
оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей
энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях)
пространство.
Космологическая постоянная[править | править исходный текст]
Самое простое объяснение
заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость
существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет некую
фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией
вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая постоянная, иногда
называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её
обозначения в уравнениях общей теории относительности).
Введение космологической константы в стандартную космологическую модель,
основанную на метрике
Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело
к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует
имеющимся космологическим наблюдениям.
Многие физические теории элементарных частиц предсказывают
существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно
таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке
10−29 г/см³,
или около 1.03 кэВ/см³
(около 10−123 в Планковских единицах).
Космологическая константа имеет
отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым
космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из
классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с
вакуумом» объёма V,
равняется ρV, где ρ — энергетическая плотность
космологической константы. Увеличение объёма «коробки» (dV положительно) приводит к возрастанию её
внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как
работа, выполняемая изменением объёма dV,
равняется pdV, где p — давление, то p отрицательно и, фактически, p = −ρ (коэффициент с², связывающий массу и энергию,
приравнен 1).[2]
Согласно общей теории относительности, гравитация зависит
не только от массы (плотности), но и от давления, причем давление имеет бо́льший коэффициент,
чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение
расширения Вселенной.[7]
Важнейшая нерешённая проблема
современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии
квантового вакуума, предсказывают громадное значение
космологической константы — на многие порядки превосходящее допустимое по
космологическим представлениям. Обычная формула квантовой теории поля для суммирования вакуумных нулевых колебаний
поля (с обрезанием по волновому числу колебательных мод, соответствующему планковской длине), даёт огромную плотность
энергии вакуума.[8][9] Это значение, следовательно, должно быть
скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю,
но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH)
требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также
не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической
константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не
найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно
малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые
физики, включая Стивена Вайнберга, считают т. н. «антропный принцип» наилучшим объяснением
наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.
Несмотря на эти проблемы,
космологическая константа — это во многих отношениях самое экономное решение
проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет
множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую
константу как существенный элемент.
Квинтэссенция[править | править исходный текст]
Альтернативный подход был
предложен в 1987
году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом[10][11].
Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода
частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией[12]. Отличие
от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может
варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла
«собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной
материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь
большую комптоновскую длину волны.
Никаких свидетельств
существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое
существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное
ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы.
Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции
явились бы нарушения принципа эквивалентностиЭйнштейна и вариации
фундаментальных констант в
пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказываетсястандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема,
аналогичная варианту с космологической константой: теорияренормализации предсказывает,
что скалярные поля должны приобретать значительную массу.
Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной
началось именно в определённый момент времени. Если бы ускорение во Вселенной
началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться,
и у жизнине было
бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме.
Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим
аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции
предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту
проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая
подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития
Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После
этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и
в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом
устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.
Уравнение состояния (зависимость давления от плотности энергии)
для квинтэссенции: 
где 
(для вакуума 
).
где (для вакуума ).
Были предложены и другие
возможные виды тёмной энергии: фантомная энергия, для
которой энергетическая плотность возрастает со временем (в уравнении состояния
этого типа тёмной энергии 
), и так
называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства:
например, фантомная энергия может привести кБольшому Разрыву[13] Вселенной.
), и так
называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства:
например, фантомная энергия может привести кБольшому Разрыву[13] Вселенной.
Последствия для судьбы Вселенной[править | править исходный текст]
По имеющимся оценкам,
ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет
назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря
гравитационному действию тёмной материи и барионной материи.
Плотностьбарионной материи в
расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В
конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём
Вселенной удваивается, плотность барионной материи
уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или
точно неизменной — в варианте с космологической константой).
Если ускоряющееся расширение
Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за
пределами нашегоСверхскопления галактик
рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут
для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории
относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную
скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет
смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на
достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого
пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий
становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут
видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время
как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление
придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий,
предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием
материи.
Существуют и более экзотические
гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия
приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что
расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться,
пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная
энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной,
затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий,
разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.
С другой стороны, тёмная энергия
может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на
притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Сжатию». Некоторые сценарии
предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не
подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в
установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения
темпа ускорения.
Ускоренное расширение Вселенной
было открыто в 1998
году при
наблюдениях за сверхновыми типа Ia[14][15]. За это
открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.
Комментариев нет:
Отправить комментарий