- •Планковская физика. Является ли точка основным элементом физической геометрии?
- •Глава 3. Вселенная
- •1. Краткая история современной космологии
- •2. Некоторые замечания о терминологии
- •3. Эволюция Метагалактики как отражение ее геометрии
- •22Подчеркнем, что это утверждение также включает допущение: силы, действующие между частицами, являются силами притяжения.
- •4. Проблемы фридмановской космологии
- •5. Физический вакуум
Планковская физика. Является ли точка основным элементом физической геометрии?
Сейчас, по всеобщему убеждению специалистов, при планковских параметрах 1~1Р, t~tp, М~МР формируется «истинная» физика в том смысле, что понимание происходящих процессов в этой области приведет к построению единой теории поля, квантовой теории гравитации, созданию теории происхождения Метагалактики (а может быть, и Вселенной) и количественному представлению физической геометрии. Меньше внимания (и, по мнению автора, незаслуженно) уделяется перспективам понимания природы фундаментальных физических констант.
Возникает видимое противоречие между нашими стремлениями завершить стройную конструкцию физики и наблюдательными возможностями, весьма скромными сравнительно с планковскими параметрами.
До сих пор физический эксперимент и теория дополняли друг друга. Однако идея об определяющем значении планковских параметров (которую мы назовем планковской физикой) обрекает нас, по крайней мере в настоящее время, на разрыв с этим принципом, на котором базировалась физика как эмпирическая наука.
Сейчас можно наметить лишь некоторые косвенные эмпирические подходы к планковским параметрам. Прежде всего следует отметить гипотетический распад протона. Если нам повезет и распад будет обнаружен, то мы приоткроем окно в мир энергий ~1015 ГэВ и расстояний ~10_29см, что «всего» на три-четыре порядка отличается от планковских параметров. Если нам повезет вдвойне и окажется, что на характеристики распада протона влияет гравитация, то это может послужить эмпирическим базисом для изучения планковской физики.
Второй подход связан с уникальностью значений фундаментальных постоянных, в том числе и размерности пространства. Если вся физика формируется при планковских параметрах, то и хорошо изученные на опыте фундаментальные постоянные также должны быть связаны с этими параметрами.
Многие теоретики возлагают большие надежды на третий подход к «экспериментальному» исследованию фундаментальной физики при планковских параметрах. Крайне вероятно, что Метагалактика в процессе своей эволюции прошла через область, принадлежащую компетенции планковской физики. Изучение реликтовых следов этого процесса должно способствовать проверке планковской физики. Частично этот подход рассматривается в гл. 3 нашей книги.
К сожалению, все отмеченные подходы к проверке планковской физики имеют более или менее косвенный характер. Самая прямолинейная проверка — эмпирическое воспроизведение акта рождения Метагалактики — выше человеческих возможностей.
Однако на путях создания объединенной теории моля и подступах к планковской физике возник в некотором смысле не физический, а математический подход. Его нельзя назвать совершенно новым, поскольку и иной модификации он появился вместе с рождением к пантовой теории поля много десятилетий тому назад. Кратко его можно сформулировать в одной фразе: «Правильная теория не должна содержать бесконечностей». Этот тезис появился на заре создания квантовой электродинамики. Частично решение проблемы устранения бесконечности было найдено в конце сороковых годов Р. Фейнманом, Ю. Швингером и С. Томонагой (так называемый метод перенормировок). Однако предложенный метод не устранял полностью все бесконечности, да и сами логические его основы оставляли желать лучшего. По меткому замечанию одного из создателей новой электродинамики — Р. Фейнмана, метод перенормировок — это способ «убирания мусора под ковер». За истекшие десятилетия продвижение в устранении бесконечностей в рамках квантовой электродинамики как изолированной теории было сравнительно невелико. Однако известный прогресс наметился в процессе создания единой теории взаимодействий, когда суммирование бесконечностей от разных взаимодействий привело к конечным результатам. Этот факт вселил надежду, что объединенная теория не должна содержать бесконечностей. Конечность всех результатов — критерий истинности объединенной теории. Математическая форма этого критерии, с одной стороны, и относительно малый эмпирический фундамент планковской физики — с другой, стимулировали огромный поток работ, содержащих новые гипотезы и развитие новых методов математической физики. Выживаемость этих подходов может проверить только время. Здесь мы упомянем лишь некоторые из них, руководствуясь в первую очередь их доступностью и популярностью.
Дж. Уилер полагал, что на малых расстояниях должна существенно усложниться геометрия (топология) физического пространства. В общем виде такая гипотеза кажется весьма правдоподобной, однако конкретное ее воплощение, предложенное Уилером, по-видимому, неверно, поскольку оно не учитывает квантовых свойств элементарных частиц (в частности, их спинов) и разнообразие типов взаимодействий.
М. А. Марков предложил модифицировать уравнения ОТО таким образом, чтобы при М<.МР модифицированные уравнения и уравнения ОТО совпадали, а при М^Мр гравитационное взаимодействие исчезало и взаимодействие в уравнениях ОТО описывалось бы исключительно Я-членом, что соответствует вакуумному состоянию (см. разд. 5 гл. 3).
Б. де Витт и С. Хокинг предлагают сложную процедуру квантования с учетом различных возможных топологий в планковской области.
Но, пожалуй, наиболее популярной в настоящее время является гипотеза о том, что элементарным физикогеометрическим объектом является не точка, а струна. Реально сейчас говорят о так называемых суперструнах, однако, чтобы чрезмерно не усложнять изложение введением новых и весьма непривычных понятий, мы будем использовать образ обычной струны. Одной из главных причин, вызвавших появление этого образа, является известный экспериментальный факт — ненаблюдаемость кварков. В соответствии с кварковой гипотезой адроны состоят из кварков (см. Дополнение), которые обречены на пленение в пределах адронов. Рассмотрим для простоты бозон-систему, состоящую из двух кварков. Тогда, полагая, что силы, связывающие оба кварка, подобны натяжению струны, нетрудно объяснить невылетание кварков, допуская, что натяжение пропорционально расстоянию между кварками. В этом случае, чтобы раздвинуть кварки на расстояние L, затрачивается энергии, пропорциональная L. Следовательно, чтобы вынудить кварк покинуть адрон (что соответствует расстоянию L, равному бесконечности), нужно затратить бесконечную энергию, что и определяет невылетание кварков.
Весьма популярный в настоящее время образ суперструн аналогичен струнам, возникшим при описании сильного взаимодействия, с одним существенным различием. Суперструны — объекты с протяженностью порядка планковской длины, и они соответствуют объединению всех взаимодействий, включая гравитацию.
В рамках теории суперструн наметился известный прогресс в устранении бесконечностей в теории поля, были получены характеристики некоторых фундаментальных частиц и т. д.
Эти достижения вселяют надежду на то, что элементарным блоком в физической геометрии является не точка, а одномерное образование — струна.
В струнной геометродинамике существует один примечательный факт. На начальном этапе развития струнной теории умели квантовать лишь в том случае, если струна вложена в пространство с размерностью N=26.
Сейчас, после разработки более совершенных методов и перехода к планковским масштабам, эту операцию научились производить при критической размерности N=10. Такое значение почти совпадает с размерностью N=11 пространства Калуца — Клейна (см. разд. 7 гл. 3), соответствующего геометрической интерпретации объединения всех четырех взаимодействий.
Естествен вопрос: не являются ли струнная геометродинамика и геометрическая интерпретация объединенного взаимодействия а 1а Калуца—Клейна разными проявлениями одной и той же субстанции?
Струна, свернутая в замкнутую окружность, образует сферу S1. Из множества таких окружностей можно получить сферу любой размерности или другие геометрические фигуры.
Возможность объединения обоих направлений (струнной геометрии и геометрии Калуца—Клейна) является весьма соблазнительной. И хотя оба направления развиваются почти параллельно, кажется, что их слияние будет весьма серьезным шагом на пути решения проблемы планковской физики. Сейчас предпринимаются первые попытки в этом направлении.