Онтологический анализ фундаментальных космологообразующих объектов (струны, браны и др.). Космологические модели, связанные с полевой теорией струн булатов, николай владимирович Объяснение материи и массы

Доктор физико-математических наук М. САЖИН (Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга МГУ), В. ШУЛЬГА (Институт космических

Теоретическая физика предлагает нам в очередной раз круто изменить представления о мире. Элементарные частицы оказались колебаниями неких микроскопических суперструн, вибрирующих в шестимерном пространстве (см. "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 1997 г.). А в нашей Вселенной, кроме звезд, планет, пылевых и газовых туманностей, обнаружились другие, тоже совершенно невероятные объекты - космические струны. Они тянутся через всю Вселенную от одного ее горизонта до другого, скручиваются, рвутся и сворачиваются в кольца, выделяя громадное количество энергии.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Академик Яков Борисович Зельдович работал во многих областях теоретической физики. С 60-х годов он стал заниматься проблемами астрофизики и космологии. Именно в этот период Я. Б. Зельдович создал теорию космических струн.

Эволюция замкнутой космической струны может быть очень сложной.

Плоский лист бумаги представляет собой двумерное евклидово пространство.

Волна (любая!) "не замечает" препятствия, размеры которого значительно меньше длины волны.

Световые лучи, проходящие через слой неравномерно нагретого воздуха, изгибаются. Так возникает мираж: человек принимает изображение неба с облаками за водную гладь.

"Миражи" возникают и в космосе. Там лучи света от далекого объекта изгибает поле тяготения массивной галактики - "гравитационная линза", и наблюдателю кажется, что изображение двоится.

Звездолет проходит сквозь кольцевую струну.

Так, по представлению теоретиков, происходит эволюция космических струн от момента зарождения Вселенной до наших дней.

Cо времен Альберта Эйнштейна одной из основных задач физики стало объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля. Существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное, или ядерное, и самое универсальное - гравитационное. У каждого взаимодействия есть свои переносчики - заряды и частицы. У электромагнитных сил - это положительные и отрицательные электрические заряды (протон и электрон) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия, - фотоны. Слабое взаимодействие переносят так называемые бозоны, открытые только десять лет назад. Переносчики сильного взаимодействия - кварки и глюоны. Гравитационное взаимодействие стоит особняком - это проявление кривизны пространства-времени.

Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.

Многое в теории электрослабых взаимодействий было странным. Уравнения поля имели непривычный вид, а массы некоторых элементарных частиц оказались непостоянными величинами. Они появлялись в результате действия так называемого динамического механизма возникновения масс при фазовом переходе между различными состояниями физического вакуума. Физический вакуум - не просто "пустое место", где отсутствуют частицы, атомы или молекулы. Структура вакуума пока неизвестна, ясно только, что он представляет собой наинизшее энергетическое состояние материальных полей с чрезвычайно важными свойствами, которые проявляются в реальных физических процессах. Если, например, этим полям сообщить очень большую энергию, произойдет фазовый переход материи из ненаблюдаемого, "вакуумного", состояния в реальное. Как бы "из ничего" появятся частицы, имеющие массу. На гипотезах о возможных переходах между различными состояниями вакуума и понятиях симметрии основана идея единой теории поля.

Проверить эту теорию в лаборатории удастся, когда энергия ускорителей достигнет 10 16 ГэВ на одну частицу. Произойдет это не скоро: сегодня она пока не превышает 10 4 ГэВ, и строительство даже таких "маломощных" ускорителей - мероприятие чрезвычайно дорогостоящее даже для всего мирового научного сообщества. Однако энергии порядка 10 16 ГэВ и даже гораздо выше были в ранней Вселенной, которую физики часто называют "ускорителем бедного человека": изучение физических взаимодействий в ней позволяет проникнуть в недоступные нам области энергий.

Утверждение может показаться странным: как можно исследовать то, что происходило десятки миллиардов лет назад? И тем не менее такие "машины времени" существуют - это современные мощные телескопы, позволяющие изучать объекты на самой границе видимой части Вселенной. Свет от них идет к нам 15-20 миллиардов лет, мы сегодня видим их такими, какими они были именно в ранней Вселенной.

Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.

Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.

Создать их в лаборатории невозможно: у всего человечества не хватит энергии. Другое дело - ранняя Вселенная, где условия для рождения космических струн возникли естественным путем.

Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.

Башня аризонской обсерватории Кит-Пик растворилась в черноте мартовской ночи. Ее огромный купол медленно поворачивался - глаз телескопа искал две звездочки в созвездии Льва. Астроном из Принстона Э. Тернер предполагал, что это квазары, таинственные источники, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Они так бесконечно далеки, что едва видны в телескоп. Наблюдения закончились. Тернер ждал, когда ЭВМ расшифрует оптические спектры, даже не предполагая, что через несколько часов, рассматривая с коллегами свежие распечатки, сделает сенсационное открытие. Телескоп обнаружил космический объект, о существовании которого ученые и не догадывались, хотя размеры его настолько велики, что их трудно себе представить.

Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.

В 1979 году астрофизики, изучая радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, отождествили его с двумя слабыми звездочками. Расшифровав их оптические спектры, ученые поняли, что открыли еще одну пару неизвестных квазаров.

Вроде бы ничего особенного - искали один квазар, а нашли сразу два. Но астрономов насторожили два необъяснимых факта. Во-первых, угловое расстояние между звездами составляло всего шесть угловых секунд. И хотя в каталоге уже было больше тысячи квазаров, столь близкие пары еще не встречались. Во-вторых, спектры у источников полностью совпали. Вот это-то и оказалось главным сюрпризом.

Дело в том, что спектр каждого квазара уникален и неповторим. Порой их даже сравнивают с дактилоскопическими картами - как нет одинаковых отпечатков пальцев у разных людей, так не могут и совпадать спектры двух квазаров. И если уж продолжить сравнение, то совпадение оптических спектров у новой пары звезд было просто фантастическим - словно сошлись не только отпечатки пальцев, но даже и мельчайшие царапинки на них.

Одни астрофизики сочли "близнецов" парой разных, не связанных квазаров. Другие выдвинули смелое предположение: квазар один, а его двойное изображение - просто "космический мираж". О земных миражах, возникающих в пустынях и на морях, наслышан каждый, а вот наблюдать подобное в космосе еще никому не удавалось. Однако это редкое явление должно возникать.

Космические объекты с большой массой создают вокруг себя сильное гравитационное поле, которое изгибает идущие от звезды лучи света. Если поле неоднородно, лучи изогнутся под разными углами, и вместо одного изображения наблюдатель увидит несколько. Понятно, что чем сильнее искривлен луч, тем больше и масса гравитационной линзы. Гипотеза нуждалась в проверке. Долго ждать не пришлось, линзу нашли осенью того же года. Эллиптическую галактику, вызывающую двойное изображение квазара, сфотографировали почти одновременно в двух обсерваториях. А вскоре астрофизики обнаружили еще четыре гравитационные линзы. Позднее удалось обнаружить даже эффект "микролинзирования" - отклонение световых лучей очень маленькими (по космическим меркам) темными объектами масштаба нашей Земли или планеты Юпитер (см. "Наука и жизнь" № 2, 1994 г.).

И вот Э. Тернер, получив похожие друг на друга, как две капли воды, спектры, открывает шестую линзу. Казалось бы, событие заурядное, какая уж тут сенсация. Но на этот раз двойные лучи света образовали угол в 157 секунд дуги - в десятки раз больший, чем раньше. Такое отклонение могла создать лишь гравитационная линза с массой в тысячу раз большей, чем любая доселе известная во Вселенной. Вот почему астрофизики поначалу и предположили, что обнаружен космический объект невиданных размеров - что-то вроде сверхскопления галактик.

Эту работу по важности, пожалуй, можно сравнить с такими фундаментальными результатами, как обнаружение пульсаров, квазаров, установление сетчатой структуры Вселенной. "Линза" Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века.

Разумеется, интересна не сама находка - еще в 40-х годах А. Эйнштейн и советский астроном Г. Тихов почти одновременно предсказали существование гравитационной фокусировки лучей. Непостижимо другое - размер линзы. Оказывается, в космосе бесследно скрываются огромные массы, в тысячу раз превосходящие все известные, и на их поиск ушло сорок лет.

Работа Тернера пока чем-то напоминает открытие планеты Нептун французским астрономом Леверье: новая линза существует тоже лишь на кончике пера. Она вычислена, но не обнаружена.

Конечно, пока не появятся достоверные факты, скажем, фотоснимки, можно делать самые различные предположения и допущения. Сам Тернер, например, считает, что линзой может оказаться "черная дыра" размером в тысячу раз больше нашей Галактики - Млечного Пути. Но если такая дыра существует, она должна вызывать двойное изображение и у других квазаров. Ничего подобного астрофизики пока не увидели.

И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.

Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

Согласно общей теории относительности масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить себе трехмерное пространство, свернутое в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии. Возьмем плоский лист бумаги - двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки - вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.

Нечто подобное возникает и в нашем трехмерном пространстве в непосредственной близости от струны. Вершина каждого конуса лежит на струне, только "вырезанный" ею сектор мал - несколько угловых минут. Именно на такой угол струна своей чудовищной массой искривляет пространство, и на этом угловом расстоянии видна парная звезда - "космический мираж". И отклонение, которое создает "линза" Тернера, - около 2,5 угловых минут - очень хорошо соответствует теоретическим оценкам. На всех остальных известных нам линзах угловое расстояние между изображениями не превышает угловых секунд или даже долей секунд. Самое интересное, что эффект гравитационной линзы на струне можно увидеть и без телескопа: разрешающая способность человеческого глаза - примерно половина угловой минуты. Нужно только знать, где искать, и отличать "миражи" от реальных объектов.

Из чего же состоит космическая струна? Это не материя, не цепочка каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей - тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия. Плотность их энергии колоссальна (10 16 ГэВ) 2 , а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc 2 , струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10 -24 г, весит 10 -10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 10 38 кгс. Масса нашего Солнца - около 2 . 10 30 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.

Будет ли струна взаимодействовать с веществом? Вообще говоря, будет, но довольно странным образом. Диаметр струны - 10 -37 см, а, скажем, электрона - несравненно больше: 10 -13 см. Любая элементарная частица одновременно и волна, которая по порядку величины равна ее размерам. Волна не замечает препятствия, если длина волны значительно больше его размеров: длинные радиоволны огибают дома, а световые лучи дают тень даже от очень маленьких предметов. Сравнивать струну с электроном - все равно, что исследовать взаимодействие веревки диаметром 1 сантиметр с галактикой размером 100 килопарсек. Исходя из здравого смысла, галактика вроде бы просто не должна веревку заметить. Но веревка-то эта весит больше всей галактики. Поэтому взаимодействие все-таки произойдет, но оно будет похоже на взаимодействие электрона с магнитным полем. Поле закручивает траекторию электрона, у него появляется ускорение, и электрон начинает излучать фотоны. При взаимодействии элементарных частиц со струной тоже возникнет электромагнитное излучение, но его интенсивность будет настолько мала, что струну по нему обнаружить не удастся.

Зато струна может взаимодействовать сама с собой и с другими струнами. Пересечение или самопересечение струн приводит к значительному выделению энергии в виде стабильных элементарных частиц - нейтрино, фотонов, гравитонов. Источником этой энергии служат замкнутые кольца, которые возникают при самопересечениях струн.

Кольцевые струны - интереснейший объект. Они нестабильны и распадаются за некоторое характерное время, которое зависит от их размеров и конфигурации. При этом кольцо теряет энергию, которая берется из вещества струны и уносится потоком частиц. Кольцо уменьшается, стягивается, и, когда его диаметр доходит до размера элементарной частицы, струна распадается взрывным образом за 10 -23 секунды с выделением энергии, эквивалентной взрыву 10 Гигатонн (10 10 т) тротила.

Физика кольцевых струн очень хорошо вписалась в одну любопытную теорию - так называемую теорию зеркального мира. Эта теория утверждает, что у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону - зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная. Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент - обычная звезда нашего мира, а другой - звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180 о, их зеркальному отражению. Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.

Отзвуки этих идей мы, как это ни удивительно, находим в многочисленных сказках и легендах. Их герои попадают в другие миры, спускаясь в колодец, проходя через зеркало или через таинственную дверь. Кэрроловская Алиса, пройдя сквозь зеркало, попадает в мир, населенный шахматными и карточными фигурами, а упав в колодец, встречает разумных зверюшек (или тех, кого она приняла за них). Интересно, что математик Доджсон заведомо не мог знать о теории зеркального мира - она была создана в 80-х годах российскими физиками.

Искать струны можно разными методами. Во-первых, по эффекту гравитационного линзирования, как это сделал Э. Тернер. Во-вторых, можно измерять температуру реликтового излучения перед струной и за нею - она будет различной. Эта разница невелика, но вполне доступна современной аппаратуре: она сравнима с уже измеренной анизотропией реликтового излучения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.).

Есть и третий способ обнаруживать струны - по их гравитационному излучению. Силы натяжения в струнах очень велики, они значительно больше сил давления в недрах нейтронных звезд - источниках гравитационных волн. Наблюдатели собираются регистрировать гравитационные волны на приборах типа детекторов LIGO (США), VIRGO (Европейский детектор) и AIGO (Австралия), которые начнут работать уже в начале следущего века. Одна из задач, поставленных перед этими приборами, - детектирование гравитационного излучения от космических струн.

И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.

Сегодня многие обсерватории мира ведут поиски гравитационных линз: изучая их, можно приблизиться к разгадке главной тайны Вселенной - понять, как она устроена. Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.

Со времен Альберта Эйнштейна одной из основных задач физики стало объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля. Существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное, или ядерное, и самое универсальное - гравитационное. У каждого взаимодействия есть свои переносчики - заряды и частицы. У электромагнитных сил - это положительные и отрицательные электрические заряды (протон и электрон) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия, - фотоны. Слабое взаимодействие переносят так называемые бозоны, открытые только десять лет назад. Переносчики сильного взаимодействия - кварки и глюоны. Гравитационное взаимодействие стоит особняком - это проявление кривизны пространства-времени.

Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны , поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.

Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.

Впрочем, рассказ об этой истории лучше начать с другой мартовской ночи, вернувшись на много лет назад.

внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. ...космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.

Эволюция замкнутой космической струны может быть очень сложной. Ее простое самопересечение приводит к образованию пары колец, а более сложные сцепления создают весьма причудливые топологические структуры. Поведение этого невообразимо огромного объекта описывает математическая теория узлов, начало которой положил немецкий математик Карл Гаусс.

Возьмем плоский лист бумаги - двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки - вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.

Из чего же состоит космическая струна? Это не материя, не цепочка каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей - тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия.

Плотность их энергии колоссальна (10 16 ГэВ) 2 , а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc 2 , струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10 -24 г, весит 10 -10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 10 38 кгс. Масса нашего Солнца - около 2x10 30 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.

Около сорока миллиардов лет (общепринятая оценка 13,8 млрд лет - моё прим.) назад произошел Большой взрыв, положивший начало нашей Вселенной (1).
Началась стадия инфляции - раздувания Вселенной, происходившего со сверхсветовой скоростью. За ничтожное время 10 -36 секунды ее размеры увеличились от 10 -43 сантиметра до 1 сантиметра (2).
После стадии инфляции температура Вселенной упала, возникли обычная материя и различные экзотические объекты, среди которых было около миллиона удивительных образований - космических струн (3).
Струны имеют диаметр около 10 -37 сантиметра, длину порядка размеров Вселенной и своими концами "упираются" в ее границы. Проследим за эволюцией отдельной струны (4).
В момент своего зарождения она обладала внутренними напряжениями, заставляющими ее скручиваться (5).
На струне образуются "перехлест" и петля (6), которая отделяется и начинает самостоятельное существование (7).
Напряжение самой струны при этом уменьшается, она выпрямляется и становится устойчивее. Эволюция замкнутой струны достаточно сложна. На ней могут возникнуть свои "перехлесты", узлы, перетяжки, "восьмерки" (8).
Струна рвется на более простые объекты типа колец (9).
Их размеры зависят от начальных условий и могут достигать диаметра Вселенной. Эти кольца неустойчивы; они стягиваются в точку и схлопываются, выделяя громадное количество энергии, сравнимое с энергией целой галактики (10).
Длительность всех этих процессов зависит от размеров первоначальной петли и может колебаться от миллионов до десятков миллиардов лет. В конце концов во Вселенной "выживают" и остаются только те струны, которые замыкаются на ее границах (11).

Физика кольцевых струн очень хорошо вписалась в одну любопытную теорию - так называемую теорию зеркального мира. Эта теория утверждает, что у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону - зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная. Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент - обычная звезда нашего мира, а другой - звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180о, их зеркальному отражению. Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.

Звездолет проходит сквозь кольцевую струну. Со стороны кажется, что он постепенно растворяется в абсолютно пустом пространстве. На самом же деле звездолет уходит из нашего мира в "зазеркалье". Все частицы, из которых он состоит, превращаются в своих зеркальных партнеров и перестают быть видны в нашем мире.

Сегодня многие обсерватории мира ведут поиски гравитационных линз: изучая их, можно приблизиться к разгадке главной тайны Вселенной - понять, как она устроена.

Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.

Мое резюме:

Все, что связано с космическими струнами, этими гипотетическими астрономическими объектами, безусловно, интересно. И статья мне понравилась. Но это пока всего лишь теоретические (математические) построения, не подтвержденные достоверными экспериментальными данными. И, как мне представляется, эти построения на сегодняшний день больше соответствуют жанру научной фантастики, будучи только предположениями и гипотезами.

Так в приведенной выше статье сказано, цитирую:

Это одномерные объекты с поперечным размером около 10 -37 см (значительно меньше атомного ядра - 10 -13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (10 28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.
Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца.

В материале на аналогичную тему в том же журнале (Наука и жизнь, 6 июня 2016 г. Гравитационные волны играют на струнах Вселенной написано следующее, цитирую:

Родившись в самом начале возникновения Вселенной, когда еще не разделились четыре фундаментальных взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), некоторые струны в ходе расширения Вселенной могли превратиться в удивительные образования – так называемые космические струны. Они представляют собой чрезвычайно тонкие и длинные «веревки», диаметр которых в миллиарды миллиардов раз меньше атомного ядра (порядка 10 -28 см), а длина составляет десятки, сотни и более килопарсек (1 парсек = 3,26 светового года). Очень велика и плотность такой струны. Один ее сантиметр должен иметь массу порядка 10 20 грамм, другими словами, тысяча километров струны будет весить столько же, сколько Земля.

Сравним характеристики космических струн (КС) из указанных публикаций:

Примечание : масса Солнца превышает массу Земли в 333 тысячи раз.

О чем может говорить такое расхождение в оценках? Выводы можете делать сами.

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это - своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная.

Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители - цементом.

Теория струн - направление математической физики, изучающее динамику не точечных частиц, как большинство разделов физики, а одномерных протяжённых объектов, т.е. струн.
В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия - калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов.

Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия - например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10Е–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом - дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран - по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

Изучение свойств чёрных дыр

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.

Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.

Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры - энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, - и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.

Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».

Струнная космология

Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.

Модель Бранденберга и Вафы

В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.

В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.

Модель Венециано и Гасперини

После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований - Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический «эмбрион» планковских размеров.

Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны.

Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную.

Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано (в интервью 1998 г.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».

Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран. Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.

Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна? Как между собой соотносятся струны и геометрия пространства-времени?

Струны и гравитоны

Проще всего представить себе струну, путешествующую в плоском d-мерном пространстве-времени это представить себе, что она путешествует в пространстве в течении некоторого времени. Струна представляет собой одномерный объект, так что если вы решите попутешествовать вдоль струны, вы сможете путешествовать только вперед или назад вдоль струны, для нее не существует других направлений типа верха или низа. Однако в пространстве сама струна вполне может двигаться как угодно, хоть и вверх или вниз, и в своем движении в пространстве-времени струна покрывает поверхность, именуемую мировым листом струны (прим. перев. название образовано по аналогии с мировой линией частицы, частица - 0-мерный объект), представляющую собой двумерную поверхность у которой одно измерение пространственно а второе - временное.

Мировой лист струны является ключевым понятием ко всей физике струны. Путешествуя в d-мерном пространстве-времени, струна осциллирует. С точки зрения самого двумерного мирового листа струны эти осцилляции можно представить как колебания в двумерной квантово-гравитационной теории. Для того, чтобы сделать эти квантованные осцилляции согласованными с квантовой механикой и специальной теорией относительности, число пространственно-временных измерений должно быть равно 26 для теории, содержащей только силы (бозоны) и 10 для теории, содержащей как силы, так и материю (бозоны и фермионы).
Так откуда же берется гравитация?

Если струна, путешествующая через пространство-время замкнута, то среди других осцилляций в ее спектре будет частица со спином, равным 2 и нулевой массой, это и будет гравитон , частица, являющаяся переносчиком гравитационного взаимодействия.
А там, где гравитоны, должна быть и гравитация . Так где же гравитация в струнной теории?

Струны и геометрия пространства-времени

Классическая теория геометрии пространства-времени которую мы называем гравитацией, базируется на уравнении Эйнштейна, которое связывает между собой кривизну пространства-времени с распределением вещества и энергии в пространстве-времени. Но как уравнения Эйнштейна появляются в теории струн?
Если замкнутая струна путешествует в искривленном пространстве-времени, то ее координаты в пространстве-времени "чувствуют" эту кривизну при движении струны. И опять же, ответ лежит на мировом листе струны. Для того, чтобы быть согласованной с квантовой теорией, искривленное пространство-время в этом случае должно быть решением уравнений Эйнштейна.

И еще кое-что, что стало очень убедительным результатом для струнщиков. Струнная теория предсказывает не только существование гравитона в плоском пространстве-времени, но и то, что уравнения Эйнштейна должны выполняться в искривленном пространстве-времени, в котором распространяется струна.

Что по поводу струн и черных дыр?

Черные дыры являются решениями уравнения Эйнштейна, так что струнные теории, содержащие гравитацию также предсказывают существование черных дыр. Но в отличие от обычной Эйнштейновской теории относительности в теории струн значительно больше всяких интересных симметрий и типов материи. Это приводит к тому, что в контексте струнных теорий черные дыры сильно интересней, поскольку там их значительно больше и они более разнообразны.

Пространство-время фундаментально?

Однако не все так просто в соотношениях между струнами и пространством-временем. Струнная теория не предсказывает, что уравнения Эйнштейна выполняются абсолютно точно . Связано это с тем, что струнная теория добавляет бесконечный ряд поправок к теории гравитации. При "нормальных условиях", когда мы работаем с расстояниями много больше размеров струны, большая часть этих поправок пренебрежимо мала. Но с уменьшением масштабов величины поправок начинают быстро расти до тех пор, пока уравнения Эйнштейна не перестают адекватно описывать результат .
Вообще говоря, когда эти поправочные члены становятся большими, уже нет и геометрии пространства-времени, которая бы гарантировала описание результата. Уравнения для определения геометрии пространства-времени становится невозможным решить за исключением нескольких частных случаев с очень строгими условиями на симметрии, типа ненарушенной симметрии, при которой большие поправочные члены можно либо сократить друг с другом или, на худой конец, уменьшить.
Это некоторая особенность теории струн, что в ней, возможно, геометрия пространства-времени не есть нечто фундаментальное, а есть нечто, что появляется в теории на больших масштабах или при слабой связи. Однако это больше философский вопрос.

Ответ из теории струн

Что такое энтропия черной дыры?

Двумя важнейшими термодинамическими величинами являются температура и энтропия . С температурой каждый знаком по болезням, прогнозам погоды, горячей пище и т.д. А вот понятие энтропии довольно далеко от повседневной жизни большинства людей.

Рассмотрим сосуд, заполненный газом некой молекулы М. Температура газа в сосуде является показателем средней кинетической энергии молекул газа в сосуде. Каждая молекула как квантовая частица обладает квантованным набором энергетических состояний, и если мы понимаем квантовую теорию этих молекул, то теоретики могут посчитать количество возможных квантовых микросостояний этих молекул и получить некое число в ответ. Энтропией называют логарифм этого числа .

Можно предположить, что между теорией гравитации внутри черной дыры и калибровочной теорией имеется только частичное соответствие. В этом случае черная дыра может захватывать информацию навсегда – или даже переправлять информацию в новую вселенную, рождающуюся из сингулярности в центре черной дыры (Джон Арчибальд Уилер и Брюс Де Витт). Так что информация, в конце концов, не теряется с точки зрения ее жизни в новой вселенной, но информация теряется навсегда для наблюдателя на границе черной дыры. Эта потеря возможна, если калибровочная теория на границе содержит только частичную информацию про внутренности дыры. Однако можно предположить, что соответствие между двумя теориями точное. Калибровочная теория не содержит ни горизонта, ни сингулярности, и нет места, в котором информация могла бы потеряться. Если это точно соответствует пространству-времени с черной дырой, информация не может потеряться и там тоже. В первом случае наблюдатель теряет информацию, во втором – он сохраняет ее. Эти научные предположения требуют дальнейшего исследования.

Когда стало ясно, что черные дыры испаряются квантовым образом , также выяснилось, что черные дыры обладают термодинамическими свойствами, схожими с температурой и энтропией. Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, так что в процессе испарения черная дыра становится все горячее и горячее.

Энтропия черной дыры равна одной четвертой от площади ее горизонта событий, так что энтропия становится все меньше и меньше при испарении черной дыры, так как горизонт становится меньше и меньше в процессе испарения. Однако в струнной теории пока что нет ясного соотношения между квантовыми микросостояниям квантовой теории и энтропией черной дыры.

Существует обоснованная надежда о том, что такие представления претендуют на полное описание и объяснение явлений, протекающих в черных дырах, так как для их описания используется теория суперсимметрии, которая играет в теории струн фундаментальную роль. Струнные теории, построенные вне суперсимметрии, содержат нестабильности, которые будут неадекватны, эмитируя все больше и больше тахионов в процессе, который не имеет конца, пока теория не разрушится. Суперсимметрия ликвидирует такое поведение и стабилизирует теории. Однако суперсимметрия подразумевает, что имеется симметрия во времени, значит, суперсимметричная теория не может быть построена на пространстве-времени, которое эволюционирует во времени. Таким образом, аспект теории, требуемый для ее стабилизации, также делает ее трудной для изучения вопросов, связанных с проблемами квантовой теории гравитации (например, что происходило во вселенной сразу после Большого Взрыва или, что происходит глубоко внутри горизонта черной дыры). В том и другом случае «геометрия» быстро эволюционирует во времени. Эти научные проблемы требуют своего дальнейшего исследования и разрешения.

Черные дыры и браны в струнной теории

Черная дыра это объект, который описывается геометрией пространства-времени и представляющий собой решение уравнения Эйнштейна. В струнной теории на больших масштабах решения уравнения Эйнштейна модифицируются очень небольшими поправками. Но, как мы выяснили выше, геометрия пространства-времени не является фундаментальным понятием в рамках струнной теории , кроме того, соотношения дуальностей предлагают альтернативное описание на малых масштабах или при сильной связи той же самой системы, только выглядеть оно будет совсем по-другому.

В рамках теории суперструн существует возможность изучения черных дыр благодаря бранам. Под браной понимают фундаментальный физический объект (протяжённая p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). Виттен, Таунсенд и др. физики добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений. Двумерные объекты называются мембранами, или 2-бранами, трехмерные – 3-бранами, структуры с размерностью p – p-бранами. Именно браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории суперструн. Если установить струнную константу связи на нуле, то можно теоретически «выключить» гравитационную силу. Это позволяет рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Браны переносят электрические и магнитные заряды (имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны). Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными (они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления). Экстремальными черными дырами называются такие дыры, в которых имеется максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной. Изучая термодинамику экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Специальным типом черных дыр, которые очень важны в струнной теории, являются так называемые BPS черные дыры . BPS черная дыра обладает как зарядом (электрическим и/или магнитным) и массой, и при этом масса и заряд связаны соотношением, выполнение которого приводит к ненарушенной суперсимметрии в пространстве-времени вблизи черной дыры. Эта суперсимметрия очень важна, поскольку она приводит к исчезновению кучи расходящихся квантовых поправок, что позволяет получить точный ответ о физике вблизи горизонта черной дыры простыми вычислениями.

В предыдущих главах мы выяснили, что в струнной теории есть объекты, называемые p-браны и D-браны . Так как точку можно считать нуль-браной , то естественным обобщением черной дыры будет черная p-брана . Кроме того, полезным объектом является BPS черная p-брана .

Кроме того, существует соотношение между черными p-бранами и D-бранами. При больших величинах заряда геометрия пространства-времени хорошо описывается черными p-бранами. Но если заряд мал, то система может быть описана набором слабовзаимодействующих D-бран .

В этом пределе слабо-связанных D-бран, при выполнении BPS-условий, можно вычислить число возможных квантовых состояний. Этот ответ зависит от зарядов D-бран в системе.

Если вернуться назад к геометрическому пределу эквивалентности черной дыры системе p-бран с такими же зарядами и массами, можно обнаружить, что энтропия системы D-бран соответствует вычисленной энтропии черной дыры или p-браны как площадь горизонта событий .

Для струнной теории это был просто фантастический результат. Но означает ли это, что именно D-браны ответственны за фундаментальные квантовые микросостояния черной дыры, лежащие в основе термодинамики черных дыр? Вычисления с помощью D-бран просто выполнять лишь для случая суперсимметричных BPS черных объектов. Большая часть черных дыр во Вселенной несут очень маленький электрический или магнитный заряды (если вообще несут), и, вообще говоря, довольно далеки от BPS-объектов. И до сих пор это не разрешенная задача - вычислить энтропию черной дыры для таких объектов, используя формализм D-бран.

Что было до Большого Взрыва?

Все факты говорят о том, что Большой Взрыв был-таки. Единственное, что можно спросить для уточнения или для определения более четких границ между физикой и метафизикой, так это что же было до Большого Взрыва?

Физики определяют границы физики описывая их теоретически и потом сравнивая результаты своих предположений с наблюдательными данными. Наша Вселенная, которую мы наблюдаем, очень хорошо описывается как плоское пространство с плотностью, равной критической, темной материей и космологической постоянной, добавленным к наблюдаемому веществу, которая будет расширяться вечно.

Если мы продолжим эту модель назад в прошлое, когда когда Вселенная была очень горячей и очень плотной, доминировало в ней излучение, то необходимо понять физику элементарных частиц, которая работала тогда, при тех плотностях энергии. Понимание физики элементарных частиц с точки зрения экспериментов очень плохо помогают уже при энергиях порядка масштаба электрослабого объединения, и физики-теоретики разрабатывают модели, выходящие за рамки Стандартной Модели физики элементарных частиц, такие, как Теории Большого Объединения, суперсимметричные, струнные модели, квантовая космология.

Такие расширения Стандартной модели необходимы из-за трех серьезных проблем Большого Взрыва:
1. проблема плоскостности
2. проблема горизонта
3. проблема космологических магнитных монополей

Проблема плоскостности

Судя по результатам наблюдений, в нашей Вселенной плотность энергии всего вещества, включая темную материю и космологическую постоянную, с хорошей точностью равна критической, из чего следует, что пространственная кривизна должна быть равна нулю. Из уравнений Эйнштейна следует, что любое отклонение от плоскостности в расширяющейся Вселенной, заполненной только обычным веществом и излучением, только увеличивается с расширением Вселенной. Таким образом, даже очень небольшое отклонение от плоскостности в прошлом должно быть очень большим сейчас. По результатам наблюдений сейчас отклонение от плоскостности (если оно есть) очень мало, то значит в прошлом, на первых стадиях Большого Взрыва оно было еще на много порядков меньше.

Почему Большой Взрыв начался с таким микроскопическим отклонением от плоской геометрии пространства? Эта проблема называется проблемой плоскостности космологии Большого Взрыва.

Независимо от физики, которая предшествовала Большому Взрыву, она перевела Вселенную в состояние с нулевой пространственной кривизной. Таким образом, физическое описание того, что предшествовало Большому Взрыву, должно решить проблему плоскостности.

Проблема горизонта

Космическое микроволновое излучение представляет собой охлажденные остатки излучения, которое "главенствовало" во Вселенной во время радиационно-доминированной стадии Большого Взрыва. Наблюдения космического микроволнового фонового излучения показывают, что оно удивительно одинаково во всех направлениях, или, как говорят, это очень хорошо изотропное тепловое излучение. Температура этого излучения составляет 2.73 градуса Кельвина. Анизотропия этого излучения очень мала.

Излучение может быть таким однородным только в одном случае - если фотоны очень хорошо "перемешаны", или находятся в тепловом равновесии, посредством столкновений. И это все представляет собой проблему для модели Большого Взрыва. Частицы, которые сталкиваются, не могут передавать информацию со скоростью больше, чем скорость света. Но в расширяющейся Вселенной, в которой мы живем, фотоны, движущиеся со скоростью света, не успевают долететь от одного "края" Вселенной до другого за время, необходимое для формирования наблюдаемой изотропии теплового излучения. Размер горизонта представляет собой расстояние, которое может пройти фотон; Вселенная же при этом расширяется.

Сегодняшний размер горизонта во Вселенной слишком мал для объяснения изотропии реликтового излучения, для того, чтобы она формировалась естественным образом путем перехода в тепловое равновесие. Это и есть проблема горизонта.

Проблема реликтовых магнитных монополей

Когда мы на Земле экспериментируем с магнитами, у них всегда есть два полюса, Северный и Южный. И если разрезать магнит пополам, то в результате не будет у нас магнит с только Северным и магнит с только Южным полюсами. А будут у нас два магнита у каждого из которых будет по два полюса - Северному и Южному.
Магнитным монополем был бы такой магнит, у которого был бы только один полюс. Но магнитных монополей никто никогда не видел. Почему же?
Этот случай довольно сильно отличается от случая электрического заряда, где можно легко разделить заряды на положительный и отрицательный так, что на одном краю будут только положительные, а на другом только отрицательные.

Современные теории типа теорий Большого Объединения, суперструнных теорий предсказывают существование магнитных монополей, а в совокупности с теорией относительности получается, что в процессе Большого Взрыва их должно производиться очень много , настолько, что их плотность может превысить наблюдаемую плотность в тысячу миллиардов раз.

Однако пока экспериментаторы не нашли ни одного.

Это третий мотив искать выход за пределами Большого Взрыва - нам необходимо объяснить, что же происходило во Вселенной когда та была очень маленькой и очень горячей.

Инфляционная Вселенная?

Вещество и излучение гравитационно притягиваются, так что в максимально симметричном пространстве, заполненном материей, гравитация неизбежно заставит расти и уплотняться любые неоднородности материи. Именно этим путем водород из формы газа перешел в форму звезд и галактик. Но энергия вакуума обладает очень сильным вакуумным давлением, и это давление вакуума сопротивляется гравитационному коллапсу, эффективно действуя как отталкивающая гравитационная сила, антигравитация. Давление вакуума разглаживает неоднородности, и делает пространство более плоским и однородным в процессе расширения.

Таким образом, одним из возможных решений проблемы плоскостности было бы такое, при котором наша Вселенная проходила бы через стадию, на которой доминировала бы плотность энергии вакуума (и, таким образом, его давление). Если эта стадия имела место быть до радиационно-доминированной стадии, то к началу эволюции на радиационно-доминированной стадии Вселенная уже должна была быть плоской с очень высокой степенью, настолько плоской, чтобы после роста возмущений на радиационно-доминированной стадии и стадии доминирования вещества нынешняя плоскостность Вселенной удовлетворяла наблюдательным данным.

Решение проблемы плоскостности такого типа было предложено в 1980г. космологом Аланом Гусом (Alan Guth). Модель же называется Инфляционной Вселенной . В рамках инфляционной модели наша Вселенная в самом начале своей эволюции представляет собой расширяющийся пузырь чистой энергии вакуума, безо всякого иного вещества или излучения. После быстрого периода расширения, или инфляции, и быстрого охлаждения, потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение. Вселенная опять нагревается и мы получаем начало стандартного Большого Взрыва.

Таким образом, инфляционная стадия, предшествовавшая Большому Взрыву, может объяснить, как Большой Взрыв может начаться с такой равной нулю с такой высокой точностью пространственной кривизной, такой, что Вселенная все еще остается плоской.

Инфляционные модели также решают и проблему горизонта. Давление вакуума ускоряет расширение пространства во времени, таким образом, фотон может пройти значительно большее расстояние, нежели во Вселенной, заполненной веществом. Иными словами, сила притяжения, действующая со стороны вещества на свет, в некотором смысле замедляет его, так же, как оно замедляет и расширение пространства. На инфляционной стадии, расширение пространства ускоряется вакуумным давлением космологической постоянной, что приводит к тому, что свет движется быстрее, поскольку и само пространство расширяется быстрее.

Если в истории нашей Вселенной действительно была инфляционная стадия, предшествовавшая радиационно-доминированной стадии, то к концу инфляции свет мог обойти всю Вселенную. Таким образом, изотропия реликтового излучения больше не является проблемой Большого Взрыва.

Инфляционная модель решает также и проблему магнитных монополей, поскольку в теориях, в которых они возникают, должен быть один монополь на пузырь вакуумной энергии. А это означает, что один монополь на всю Вселенную.

Вот почему теория инфляционной Вселенной наиболее популярна среди космологов как теория того, что предшествовало Большому Взрыву.

Как работает инфляция?

Энергия вакуума, которая движет быстрое расширение Вселенной во время инфляционной стадии, берется из скалярного поля, которое появляется в результате спонтанного нарушения симметрии в рамках некоторых обобщенных теорий элементарных частиц, таких, как Теория Великого Объединения или струнная теория.

Это поле иногда называют инфлатоном . Среднее значение инфлатона при температуре T это величина в минимуме его потенциала при температуре T. Положение этого минимума меняется с изменением температуры, как показано на анимации выше.

Для температуры T выше некоторой критической температуры T crit , минимумом потенциала будет его ноль. Но при уменьшении температуры потенциал начинает изменяться и появляется второй минимум с ненулевой температурой. Такое поведение называют фазовым переходом, также, как пар охлаждается и конденсируется в воду. Для воды критическая температура T crit для этого фазового перехода равна 100 градусов Цельсия что эквивалентно 373 градусам Кельвина.
Два минимума в потенциале отражают две возможные фазы состояния поля инфлатона во Вселенной при температуре, равной критической. Одной фазе отвечает минимум поля f =0, а другая фаза представлена вакуумной энергией если в основном состоянии f =f 0 .

В соответствии с инфляционной моделью, при критической температуре в пространство-время начинает переходить из одного минимума в другой под действием этого фазового перехода. Но этот процесс неравномерен, и всегда остаются регионы, в которых старый "ложный" вакуум остается еще долгое время. Это называется суперохлаждением, из аналогии с термодинамикой. Эти регионы с ложным вакуумом расширяются экспоненциально быстро и вакуумная энергия этого ложного вакуума является с хорошей точностью постоянной (космологической постоянной) во время этого расширения. Этот процесс и называется инфляцией и именно он и решает проблемы плоскостности, горизонта и монополей.

Этот регион с ложным вакуумом расширяется до тех пор, пока рождающиеся и сливающиеся пузыри новой фазы с f =f 0 заполнят всю Вселенную и таким образом не завершат инфляцию естественным образом. Потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение, и Вселенная продолжает эволюционировать согласно модели Большого Взрыва, описанной выше.

Тестируемые предсказания?

Всегда приятно, когда есть предсказания теории, которые можно непосредственно проверить, и у инфляционной теории есть предсказания по поводу возмущений плотности, которые нашли отражения в космическом микроволновом излучении. Инфляционный пузырь состоит из расширяющегося с ускорением вакуума. В этом ускоряющемся вакууме температурные возмущения скалярного поля очень малы и примерно одинаковы на всех масштабах, поэтому можно сказать, что возмущения имеют Гауссово распределение. Это предсказание удовлетворяет нынешним наблюдательным данным и будет еще более надежно проверено в будущих экспериментах, связанных с реликтовым излучением.

Таким образом, решены все проблемы?

Но несмотря на предсказания, о которых шла речь выше и их подтверждения, инфляция, описанная выше все еще далека от идеальной теории. Инфляционную стадию не так просто остановить, а проблема монополей поднимается в физике не только в связи с инфляцией. Многие предположения, используемые в теории, такие, как высокая начальная температура первичной фазы или единость инфляционного пузыря вызывают много вопросов и недоумений, так что наравне с инфляцией разрабатываются и альтернативные теории.

Нынешние инфляционные модели уже далеко ушли от изначальных предположений об одной инфляции, которая дала жизнь одной Вселенной. В нынешних инфляционных моделях от "основной" Вселенной могут "отпочковываться" новые Вселенные и уже в них будет происходить инфляция. Такой процесс называют вечной инфляцией .

При чем же тут струнная теория?

Фактором, сильно затрудняющим понимание струнной космологии, является понимание струнных теорий. Струнные теории и даже М-теория являются лишь предельными случаями некой большей, более фундаментальной теории.
Как уже было сказано, струнная космология задает несколько важных вопросов:
1. Может ли струнная теория сделать какие-либо предсказания, касающиеся физики Большого Взрыва?
2. Что происходит с дополнительными измерениями?
3. Есть ли инфляция в рамках струнной теории?
4. Что может струнная теория рассказать о квантовой гравитации и космологии?

Струнная космология низких энергий

Большая часть материи во Вселенной находится в форме неизвестной нам темной материи. Одним из основных кандидатов на роль темной материи являются так называемые вимпы , слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP - W eakly I nteracting M assive P article). Основным же кандидатом на роль вимпа является кандидат от суперсимметрии. Минимальная Суперсимметричная Стандартная Модель (МССМ, или в англ. транскрипции MSSM - M inimal S upersymmetric S tandard M odel) предсказывает существование частицы со спином 1/2 (фермиона) называемого нейтралино , являющегося фермионным суперпартнером электрически нейтральных калибровочных бозонов и Хиггсовских скаляров. Нейтралино должны иметь большую массу, но при этом очень слабо взаимодействовать с другими частицами. Они могут составить значительную часть плотности во Вселенной и при этом не излучать свет, что делает их хорошим кандидатом на роль темной материи во Вселенной

Струнные теории требуют суперсимметрию, так что в принципе, если нейтралино будут открыты и окажется, что именно из них и состоит темная материя, это было бы неплохо. Но если суперсимметрия не нарушена, то фермионы и бозоны тождественно равны друг другу, а это не так в нашем мире. Действительно сложной частью всех суперсимметричных теорий является то, как нарушить суперсиметрию, но при этом не потерять все те преимущества, которые она дает.

Одной из причин, почему физики-струнщики и физики-элементарщики любят суперсимметричные теории, является то, что в рамках суперсимметричных теорий получается нулевая полная энергия вакуума, поскольку фермионный и бозонный вакуумы взаимосокращают друг друга. А если суперсимметрия нарушена, то бозоны и фермионы уже не тождественны друг другу, и такого взаимосокращения уже не происходит.

Из наблюдений далеких сверхновых с хорошей точностью следует, что расширение нашей Вселенной (по крайнем мере сейчас) ускоренно из-за присутствия чего-либо типа энергии вакуума или космологической постоянной. Так что независимо от того, как суперсимметрия была нарушена в струнной теории, необходимо, чтобы в итоге получалось "правильное" количество энергии вакуума для описания нынешнего ускоренного расширения. И это вызов теоретикам, поскольку пока все способы нарушения суперсимметрии дают слишком много вакуумной энергии.

Космология и дополнительные измерения

Струнная космология очень запутана и сложна в основном из-за присутствия шести (или даже семи в случае М-теории) дополнительных пространственных измерений, которые требуются для квантовой согласованности теории. Дополнительные измерения представляют собой вызов уже и в рамках самой струнной теории, а с точки зрения космологии эти дополнительные измерения эволюционируют в соответствии с физикой Большого Взрыва и того, что было до него. Тогда что же удерживает дополнительные измерения от того, чтобы расшириться и стать такими же большими, как три наши пространственных измерения?

Однако есть поправочный фактор к поправочному фактору: суперструнная дуальная симметрия известная как T-дуальность. Если пространственное измерение свернуто до окружности радиуса R, результирующая струнная теория окажется эквивалентной другой другой струнной теории с пространственным измерением, свернутым до окружности радиуса L st 2 /R, где L st это струнный масштаб длин. Для многих из этих теорий, когда радиус дополнительного измерения удовлетворяет условию R = L st , струнная теория получает дополнительную симметрию с некоторыми массивными частицами, которые становятся безмассовыми. Это называется самодуальной точкой и она важна по многим другим причинам.

Эта дуальная симметрия приводит к очень интересному предположению относительно Вселенной до Большого Взрыва - такая струнная Вселенная начинается с плоского, холодного и очень маленького состояния вместо того, чтобы быть искривленной, горячей и очень маленькой . Эта ранняя Вселенная очень неустойчива и начинает коллапсировать и сжиматься, пока не достигает самодуальной точки, после чего она нагревается и начинает расширяться и в результате расширения приводит к нынешней наблюдаемой Вселенной. Преимуществом этой теории является то, что она включает описанное выше струнное поведение Т-дуальности и самодуальной точки, так что эта теория вполне является теорией струнной космологии.

Инфляция или столкновение гигантских бран?

Что струнная теория предсказывает по поводу источника вакуумной энергии и давления, необходимых для осуществления ускоренного расширения во время инфляционного периода? Скалярные поля, которые могли бы вызвать инфляционное расширение Вселенной, на масштабах Теории Большого Объединения могут оказаться вовлеченными в процесс нарушения симметрии на масштабах немного выше электрослабого, определения констант связи калибровочных полей, а может даже посредством них получается энергия вакуума для космологической постоянной. В струнных теориях есть составные части для построения моделей с нарушением суперсимметрии и инфляцией, но необходимо собрать все эти составные части так, чтобы они работали вместе, а это все еще, как говорят, в разработке.

Сейчас одной из альтернативных инфляции моделей является модель со столкновением гигантских бран , известная еще как Экпиротическая Вселенная или же Большой Хлопок . В рамках это модели все начинается с холодного, статичного пятимерного пространства-времени которое очень близко к тому, чтобы быть полностью суперсимметричным. Четыре пространственных измерения ограничены трехмерными стенами или три-бранами , и одна из этих стен и является пространством, в котором мы живем. Вторая брана сокрыта от нашего восприятия.

В соответствии с этой теорией, есть еще одна три-брана, "потерянная" где-то между двумя граничными бранами в четырехмерном объемлющем пространстве, и когда эта брана соударяется с браной, на которой мы живем, то выделяющаяся от этого столкновения энергия разогревает нашу брану и в нашей Вселенной начинается Большой Взрыв по правилам, описанным выше.

Это предположение достаточно ново, так что посмотрим, выдержит ли оно более точные проверки.

Проблема с ускорением

Проблема с ускоренным расширением Вселенной это фундаментальная проблема не только в рамках струнной теории, но даже и в рамках традиционной физики элементарных частиц. В моделях вечной инфляции ускоренное расширение Вселенной неограниченно. Это неограниченное расширение ведет к ситуации, когда гипотетический наблюдатель, вечно путешествующий по Вселенной, никогда не сможет увидеть части событий во Вселенной.

Граница между регионом, который наблюдатель сможет увидеть и тем, который он увидеть не сможет, называется горизонтом событий наблюдателя. В космологии горизонт событий подобен горизонту частиц, но за тем исключением, что он в будущем, а не в прошлом.

С точки зрения человеческой философии или внутренней согласованности Эйнштейновской теории относительности, проблемы космологического горизонта событий попросту нет. Ну и что что мы не сможем никогда увидеть некоторые уголки нашей Вселенной, даже если мы и будем жить вечно?

Но проблема космологического горизонта событий является основной технической проблемой в физике высоких энергий из-за определения релятивистской квантовой теории в терминах набора амплитуд рассеяния, называемого S-матрицей . Одним из фундаментальных предположений квантовых релятивистских теорий и теорий струн является то, что приходящие и уходящие состояния бесконечно разделены во времени, и что они, таким образом, ведут себя как свободные невзаимодействующие состояния.

Присутствие же горизонта событий предполагает конечную хокинговскую температуру, таким образом, условия для определения S-матрицы уже не могут быть выполнены. Отсутствие S-матрицы и есть та формальная математическая проблема, при этом она возникает не только в струнной теории, но так же и в теориях элементарных частиц.

Некоторые недавние попытки разрешить эту проблему привлекали квантовую геометрию и изменение скорости света. Но эти теории все еще в разработке. Однако большинство экспертов сходятся на том, что все можно разрешить без привлечения таких радикальных мер.