Вакуум как носитель энергии Вселенной.

Физический вакуум можно представить себе как определенную материальную среду, обладающую, впрочем, некоторыми совершенно специфическими свойствами. Сравнивая вакуумную «материю» с обычной материальной средой, следует отметить ряд сходств и различий. К сходствам нужно отнести, во-первых, то, что физический вакуум, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением, во-вторых, вакуум, так же как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроскопическую структуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют также возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются, как и возбуждения обычной распределенной материи – волнового и солитонного типа. Волновые возбуждения вакуума понимаются и описываются в теории как частицы. В то же время имеются и важные отличия, и в первую очередь, невозможность связать с вакуумом определенную систему отсчета (СО) – в противном случае мы бы просто вернулись к концепции эфира. Недеформированный вакуум выглядит одинаково при взгляде на него из любой СО, в том числе и из неинерциальной. Исследование объекта с такими инвариантными свойствами требует совершенно определенной методологии, отличной от методологии изучения эфира. Вакуум можно изучать либо через свойства его возбуждений, либо путем его структурной перестройки в макроскопических масштабах, как это планируется в Брукхейвене. Еще одно отличие физического вакуума от обычной среды – специфическое уравнение состояния p = -e, автоматически обеспечивающее постоянство плотности энергии и давления вакуума во всех процессах типа сжатия или нагрева. Только перестройка внутренней структуры вакуума приводит к изменению этих констант. Иначе говоря, в процессе непрерывной деформации эти глобальные характеристики вакуума не меняются, их изменение может происходить лишь скачкообразно при смене одной вакуумной субструктуры другой. Постоянная плотность энергии вакуума должна фигурировать в уравнениях Эйнштейна, и она там присутствует в виде L-члена. Сам Эйнштейн не утверждал, что эта характеристика относится к физическому вакууму, он полагал, что самому пространству-времени присущи постоянные плотность энергии и давление. Дальнейшее развитие физики показало, что эти понятия – пространство-время и вакуум – тесно связаны, так что идея Эйнштейна была интерпретирована в терминах физического вакуума и физики элементарных частиц.

Чему же равна плотность энергии вакуума в современной Вселенной? Этот вопрос, вообще говоря, должен решаться в эксперименте. Долгое время считалось, что значение L-члена точно равно нулю и только в последние годы астрономические наблюдения позволили установить, что его величина отлична от нуля и плотность энергии вакуума примерно в 10-20 раз превышает плотность энергии барионной материи. Именно такие представления о величине L-члена приняты сегодня. Каким же образом были экспериментально получены данные о величине L-члена? В связи с этим вопросом напомним, что левая часть уравнений Эйнштейна содержит постоянную Хаббла (характеристику геометрии пространства-времени по представлениям Эйнштейна), а правая часть – плотность энергии материи и вакуума. Так как скорость расширения Вселенной постепенно замедляется в случае ее заполнения обычным веществом, то нужно проанализировать скорость расширения в различные эпохи эволюции Вселенной, т.е. следует изучать далекие галактики, испустившие световые сигналы очень давно. По свойствам регистрируемого сигнала (его движение сопровождается расширением Вселенной), по степени его искажения теория позволяет сделать конкретные выводы о характере распространения сигнала – электромагнитной волны. Такими хорошо известными источниками сигналов являются вспыхивающие сверхновые, то есть, нам точно известно, какое излучение они генерируют. Исследование вспышек сверхновых – это целая большая и активно развивающаяся область современной астрономии. Актуальность этой области науки в немалой степени обусловлена тем, что, изучая эти вспышки, можно получить информацию о L- члене. Имеется, впрочем, еще один, чисто теоретический, способ определения величины L- члена, а именно, оказывается, что значение L- члена тесно связано с процессами формирования крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку темп гравитационной неустойчивости определяется составом Вселенной и скоростью ее расширения. Теоретически установлено, что наиболее разумная картина образования крупномасштабной структуры имеет место тогда, когда формирование этой структуры сопровождается расширением пространства-времени Вселенной такого типа, когда вполне определенную роль играет и плотность энергии вакуума. Анализируя такой тип расширения, можно получить оценки величины L- члена. Полученные количественные результаты согласуются с наблюдательными астрономическими данными по вспышкам сверхновых, что и позволяет уверенно сделать вывод о неравенстве L- члена нулю.

На первый взгляд может показаться, что численное значение L- члена не очень велико, однако это не так, поскольку Вселенная очень разрежена и средняя плотность вещества в ней примерно 10^-29 г/см³, а плотность энергии 10^-8 эрг/см³. Для сравнения приведем плотность энергии воды: 10²¹ эрг/см³. Но воды во Вселенной очень немного, так что невелика и ее полная энергия. Очень мала на самом деле и плотность энергии вакуума.

Как же сформировалась эта физическая величина – плотность энергии вакуума? Для прояснения этого вопроса нужно вспомнить, что вакуум есть совокупность большого числа взаимосвязанных подсистем. Одна из них нам хорошо известна – это КГК, о существовании другой подсистемы – ХК – известно почти наверняка. Причем, поскольку эти подсистемы активно экспериментально исследуются, плотности энергии КГК и ХК можно указать. Так плотность энергии для КГК составляет 10³⁶ эрг/см³ (по абсолютной величине) и имеет знак, противоположный знаку плотности энергии вакуума, измеряемой путем астрономических наблюдений. Для плотности энергии ХК имеем 10⁵⁵ эрг/см³ и тоже со знаком минус! Сопоставляя эти наблюдательные данные с предсказаниями существующей теории элементарных частиц, мы начинаем понимать, насколько наши знания о природе и устройстве вакуума еще далеки от истины, ведь сегодняшняя теория предсказывает громадные плотности энергии вакуумных подсистем, да еще и с другим знаком! Решение проблемы возможно лишь при расширении наших сегодняшних представлений о структуре вакуума, введении дополнительных, помимо уже изученных, его подсистем и, кроме того, среди этих вакуумных подсистем необходимо найти такие, которые имели бы положительную плотность энергии. При этом обязательно нужно установить и природу тех процессов, в результате которых происходит точное согласование состояний различных вакуумных подсистем с положительной и отрицательной энергиями. Согласование – тонкая подстройка, как это часто называют, – происходит так, что огромные положительные и отрицательные вклады в плотность энергии вакуума взаимно компенсируются, и в результате L- член приобретает значение, близкое к нулю.

Решение этой сложнейшей задачи имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц, поэтому его нужно обсуждать вначале с точки зрения суперструнного и преонного сценариев. Отметим сразу, что все вакуумные подсистемы в рамках преонного сценария имеют отрицательные плотности энергии, так как по своей природе они аналогичны КГК, т.е. являются сильно связными дионными структурами, а такие структуры всегда имеют отрицательную плотность энергии. В другом сценарии, предполагающем суперсимметричное обобщение теории элементарных частиц и дальнейший переход к суперструнной картине, присутствуют в основном конденсаты типа хиггсовского. Таких вакуумных конденсатов в суперсимметричной схеме много, причем «стандартный» ХК из СМ имеет наименьшую по модулю энергию из всех этих подсистем. Казалось бы, в суперсимметричных теориях удастся добиться точной компенсации вкладов в энергию вакуума от различных вакуумных подсистем, правда, не удалось найти СУСИ - модель, которая содержала бы и механизм компенсации, и в низкоэнергетической области сводилась бы к известной теории элементарных частиц. Но дело даже не в этом, можно предположить, что такая модель будет построена. Проблема в том, что и в этом случае не находит ответа вопрос о включении экспериментально зафиксированного кварк-глюонного конденсата в схему компенсации вкладов вакуумных подсистем. Так что на этом пути проблема L- члена также не решается. Ключ же к решению проблемы лежит в квантовой теории гравитации.

Гравитационный вакуум, как и вакуум КХД, имеет сложную квантово-топологическую структуру. Но если вакуум КХД представляет собой совокупность структур в расслоениях пространства-времени, то гравитационный вакуум есть набор топологических структур в искривлениях пространства-времени. Проиллюстрируем возможные топологические структуры на простом 2-мерном примере. Рассмотрим для этого обычную плоскость или, в более общем случае, некую слабо искривленную 2-мерную поверхность. Такая поверхность представляет собой 2-мерную модель реального искривленного пространства-времени без учета внутренних топологических дефектов. Создадим на поверхности топологический дефект – начертим в различных местах две одинаковые непересекающиеся окружности и вырежем соответствующие внутренние круги, тем самым мы устраняем из пространства некоторое подмножество точек. Получается поверхность с дырками, и, чтобы вернуть пространству его непрерывность, возьмем трубку такого же диаметра, как и диаметр дыр, и соединим дырки трубкой. Она тоже является 2-мерным, но более искривленным пространством, соединяющим две дефектные области. Отметим, что границы дефектных областей являются 1-мерными линиями. Описанная конструкция называется «кротовой норой», происхождение термина вполне наглядно и понятно. Вернемся теперь в 4-мерное пространство-время. В нем так же можно создать дефект, ограничив 3-мерными гиперповерхностями некоторые области 4-мерного пространства-времени. Соединяя различные дефектные области 3-мерными искривленными гиперповерхностями, получим дефект в виде 4-мерной «кротовой норы». По представлениям квантовой теории гравитации оказывается, что наше реальное пространство-время заполнено такими микроскопическими «кротовыми норами», размеры которых чрезвычайно малы – характерный их размер 10^-33 см, то есть планковская длина. При макроскопических перемещениях мы их не замечаем, ведь наличие «кротовых нор» скажется на движении частиц только при взаимодействии частиц на этих сверхмалых расстояниях. Самое же важное – заполненное «кротовыми норами» пространство-время является носителем положительной энергии! То есть энергия гравитационного вакуума положительна – в отличие от энергии квантовохромодинамических и хиггсовских конденсатов. Именно наличие такой вакуумной подсистемы, как «кротовые норы», и обеспечивает принципиальную возможность взаимного сокращения различных вкладов в полную энергию вакуума.

Нужно отметить, что проблема объяснения численного значения и эволюции L- члена порождает в физике ХХI века совершенно специфическую ситуацию. Особенность ее в том, что, с одной стороны, суть решаемой проблемы совершенно ясна, поскольку известен ряд экспериментальных фактов, согласованных с проверенной Стандартной Моделью элементарных частиц и свидетельствующих о существовании вакуумных подсистем с громадной отрицательной энергией. Однако, с другой стороны, имеются данные наблюдательной астрономии, однозначно утверждающие, что огромный отрицательный вклад известных вакуумных подсистем компенсируется примерно таким же по величине положительным вкладом неизвестной природы с фантастической точностью. Анализ всех существующих на сегодняшний день концепций фундаментальной физики показывает, что такое сокращение вкладов возможно только на планковских масштабах с включением подсистемы «кротовых нор». Однако это утверждение экспериментально не проверяемо! Для осуществления такого эксперимента требуется достижение невообразимо больших энергий – 10¹⁹ ГэВ, однако в окружающей Вселенной не обнаруживается никаких признаков процессов, происходящих при таких энергиях. В спектре космических лучей максимальная зарегистрированная энергия на 7 порядков ниже – 10¹² ГэВ, что даже не дотягивает на 4 порядка до характерного энергетического масштаба Великого Объединения. У нас нет никакой уверенности, что в природе вообще существуют объекты с такими энергиями. В рамках принятой в науке методологии познания нам понадобилось бы провести при таких энергиях воспроизводимый локальный эксперимент. Возникает, однако, впечатление, что энергетики всей Вселенной будет недостаточно для проведения такого эксперимента. Кроме того, похоже, что энергетический запрет на экспериментальную проверку структуры вакуума на планковском масштабе не случаен: при столь высоких энергиях результатом эксперимента могло бы стать катастрофическое разрушение пространства-времени всей Вселенной и даже, может быть, не одной (конечно, это тоже гипотеза). Возможно, в эксперименте произошло бы и рождение так называемых дочерних вселенных.

Нетривиальность складывающейся физической ситуации определяется не только тем фактом, что процесс человеческого познания по сути дела отвергает сам себя, поскольку точно формулируемая проблема диктует необходимость проведения исследований на планковских масштабах, что абсолютно невозможно. Внутренняя противоречивость пути поиска истины фактически бросает вызов человеку, ясно демонстрируя его скромное место на этом пути и в Мире. Осмысление этого факта уже сегодня ставит перед человечеством новую философскую проблему.

Еще одной специфической чертой изучаемых в современной Вселенной явлений с достаточно малыми характерными энергиями является то, что для их понимания оказывается необходимым учет всех микроструктур вакуума с характерными масштабами и энергиями, заполняющими всю шкалу – от самых малых энергий частиц макромира до фантастически огромных планковских энергий (судя по всему, недоступных для эксперимента), включая и все промежуточные масштабы. Наглядным проявлением этого факта является и то, что все вакуумные структуры вносят свой вклад в величину L- члена. Таким образом, перед нами яркая демонстрация целостности Мира, который невозможно изучать, вычленяя из его целостной, сильно связной структуры какую-либо часть по неким пространственным или энергетическим критериям. Современная наука установила, что для познания Мира необходимо учитывать все его элементы на всех пространственно-временных или энергетических масштабах. Целостный единый Мир требует для своего исследования формулировки совершенно новой методологии познания, и этот вывод обозначает новую философскую проблему ХХI века, не только абстрактно научную, но и непосредственно затрагивающую самого Человека. Совершенно так же, как и в фундаментальной физике, проблема формулируется совершенно ясно, но подходы к ее решению трудно даже представить. Нужно добавить, что подобные проблемы в большом количестве возникают не только при анализе космологической сингулярности в процессе рождения Вселенной, но и при изучении всех стадий космологической эволюции, а именно, в окрестностях каждого фазового перехода. Причем о неизбежности, по меньшей мере, двух фазовых переходов нам известно точно. Дело в том, что вакуумные конденсаты, носители громадной энергии, существуют не с самого начала Вселенной, а, как было показано ранее, они возникают при определенных характерных температурах. Так, кварк-глюонный конденсат отсутствовал при температурах, больших 500 МэВ, при Т=500 МэВ КГК возникает, как подсистема с громадной энергией. Так что и почти нулевой L- член в современной Вселенной сформировался уже с участием КГК.

Как же происходило формирование L- члена? Для объяснения этого процесса есть два подхода. В первом, «наивном», подходе предполагается, что до фазового перехода вакуум во Вселенной характеризовался большим положительным L- членом, а частично выпавший при 500 МэВ кварк-глюонный конденсат своей отрицательной энергией точно скомпенсировал положительное затравочное значение L- члена. В этом подходе речь идет о точной подгонке параметров вакуумных подсистем в масштабах Вселенной с точностью до 44 знака после запятой! Процесс такой подстройки трудно считать возможным. Но история на этом не заканчивается, так как до энергий в 100 ГэВ не было и хиггсовского конденсата. Выходит, теперь нужно предполагать, что затравочный L- член имел энергию порядка ХК, и, родившись, ХК скомпенсировал его уже с точностью до 55 знака? А далее точность компенсации должна еще возрастать, и на планковских масштабах точность подгонки должна быть уже около 100 знаков? Видимо, путь к решению проблемы должен быть иным. Надо признать, что нам неизвестен физический закон, придающий нулевому значению L- члена некий особый смысл. Компенсация вкладов в L- член должна управляться физическим законом, а не подгонкой параметров теории! Именно поисками этого нового закона природы и нужно будет заниматься ученым в ближайшее время.

Предположим, что этот закон действительно существует, и он управляет формированием вакуумного состояния. Тогда из него следует, что после каждого фазового перехода, когда образуется новая вакуумная подсистема, все остальные подсистемы начинают перестраиваться. В частности, после образования КГК для компенсации его энергетического вклада плотность энергии ХК по модулю должна уменьшиться всего на одну миллиардную процента. Таким образом, ХК реагирует на КГК без процедуры подгонки, а в результате действия некоторого закона. Затем наступит очередь реагировать конденсату, ближайшему по энергии к ХК и далее по цепочке. В рамках такой картины после каждого фазового перехода, все остальные подсистемы динамически реагируют на образование новой вакуумной подсистемы, по-видимому, в конце концов, отреагирует и подсистема «кротовых нор». Эта последовательность реакций управляется новым физическим законом, который обеспечивает формирование почти нулевой плотности энергии вакуума в результате динамического согласования всех его подсистем. Заметим, что мы говорим о некоем новом физическом законе, управляющем динамикой вакуума, но не представляем, каким он должен быть. Уже на уровне КГК мы сталкиваемся с проблемой описания квантово-динамической эволюции вакуума в реальном времени – и не знаем, каковы уравнения эволюции. Но теперь, в уравнениях динамической эволюции вакуумных структур должна содержаться одновременно и цель этой эволюции – конечная нулевая величина L- члена. В этом проявляется один из аспектов самоорганизации вакуума, который уже частично обсуждался выше. Добавим, что в процесс самоорганизации вакуумных структур также вовлекаются все энергетические и пространственно-временные масштабы, включая и планковский. С философской же точки зрения проблема описания самоорганизующегося эволюционирующего вакуума ставится также вполне четко, однако, как и ранее, нам неизвестны пути ее решения.

Представления о динамической эволюции вакуума после каждого фазового перехода получают поддержку и в наблюдательной космологии. Мы уже упоминали, что данные о L- члене, влияющем на расширение Вселенной в целом, можно получить из данных о вспышках сверхновых. Анализ таких данных приводит к выводу, что L- член не просто отличен от нуля, но и не является константой, он испытывает медленную космологическую эволюцию. На языке уравнений состояния это означает, что уравнение «смягчается» и становится p = -2/3e. Для плотности энергии вакуума, медленно спадающей к нулю по закону e_вак~1/ a, где а – характерный размер наблюдаемой Вселенной, предложено удачное название – квинтэссенция. В свете ранее обсуждавшихся идей этот термин можно трактовать так: наблюдаемый медленный спад энергии вакуума есть главнейший (квинтэссенция!) суммарный результат сложных процессов самосогласования всевозможных вакуумных подсистем, происходящих на различных пространственно-временных масштабах. Возникающая в связи с таким, наблюдаемым в природе, поведением e_вак теоретическая проблема состоит в том, чтобы понять, почему эволюция вакуума после последнего кварк-адронного перехода сопровождается такой медленной согласованной перестройкой всех вакуумных подсистем, то есть медленной взаимной подстройкой состояний всех вакуумных субструктур.

Таким образом, астрономия и космология предоставляют экспериментальные факты, явно свидетельствующие о неполноте сегодняшней теории элементарных частиц.

7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.

В этом разделе мы будем обсуждать физические процессы во Вселенной, протекающие при характерных энергиях частиц около планковского масштаба и несколько ниже. Из этого обсуждения мы исключим непосредственно момент рождения Вселенной, который будет рассмотрен ниже в третьей части книги. Отметим сразу важное методологическое обстоятельство: проблемареконструкции прошлого, получения информации о физических процессах, имевших место в некоторой окрестности Большого Взрыва, приводит также к необходимости расширения наших знаний об элементарных частицах и физическом вакууме в современной Вселенной. Это показывает глубокую связь между гипотетической космологией ранней и сверхранней Вселенной и экспериментальными данными физики элементарных частиц.

Принято считать, что процессы в сверхранней Вселенной протекают на энергетических масштабах от 10¹⁹ до 10¹⁶ ГэВ. В этом же интервале энергий реализуются и те этапы космологической эволюции, которые лежат вне рамок Стандартной Модели. Даже интуитивно понятно, что физические процессы в околопланковской области имеют особую важность, поскольку предопределяют макроскопические свойства Вселенной. Что же наиболее характерно для этих процессов? Для ответа на этот вопрос нам будет необходимо проанализировать основные космологические проблемы.

7.1 Концептуальные проблемы космологии.

До сих пор мы предполагали, что глобальные свойства Вселенной могут быть извлечены из астрономических наблюдений, иначе говоря, данные наблюдений дают возможность сформулировать определенную глобальную модель Вселенной. На основе такой модели можно проводить изучение различных физических процессов во Вселенной. Теперь настало время поставить вопрос: почему глобальные свойства Вселенной именно такие, а не какие-либо другие? Могла бы наша Вселенная быть глобально иной, или существуют определенные физические закономерности, с неизбежностью приводящие к известным глобальным характеристикам?

Первым глобальным свойством Вселенной является наличие у нее однородности и изотропии. Нужно сказать, что однородные и изотропные космологические модели представляют собой очень частный случай решений уравнений Эйнштейна. Даже в рамках классической теории гравитации можно обнаружить, что общее решений уравнений Эйнштейна описывает совершенно другую Вселенную, а именно, неоднородную (с различной плотностью плазмы в различных ее точках) и анизотропную (расширяющуюся с различными скоростями в разных направлениях). Более того, благодаря Белинскому, Лифшицу и Халатникову нам даже известен явный математический вид общего классического решения в окрестности космологической сингулярности. Формально, проблема ставится так: какие физические процессы обеспечили однородность и изотропию Вселенной? Причем обеспечили ее довольно рано по космологической шкале времени, ведь заведомо известно, что в эпоху нуклеосинтеза, то есть через минуту после сингулярности, Вселенная уже была в высочайшей степени однородна и изотропна.

Вторую проблему обычно формулируют коротко, как проблему плоскостности 3-мерной Вселенной, но ее полная формулировка такова: это проблема происхождения во Вселенной большого числа частиц, обеспечивающих близость 3-мерной геометрии к геометрии Евклида. Поясним эту формулировку. При обсуждении современной Вселенной мы уже говорили, что имеется нерешенный вопрос о фиксации топологии 3-мерного пространства: Вселенная может быть открытой, закрытой или плоской. Плоское 3-мерное пространство Вселенной реализуется в случае точной пропорциональности квадрата постоянной Хаббла плотности энергии всех видов материи во Вселенной. В этом случае соответствующая плотность энергии называется критической, r _крит. Наблюдательные данные говорят о том, что плотность энергии Вселенной реально несколько меньше и точной пропорциональности на самом деле нет, что свидетельствует в пользу топологии открытой Вселенной. Отметим, однако, что даже в современной Вселенной отличие плотности от ее критического значения невелико и характеризуется численным мультипликативным множителем k: r = k×r _крит. Параметр k лежит в интервале, приблизительно, от 0.5 до 1.5, то есть не слишком далеко от единицы. Но это сегодняшние данные. А что было в прошлом? Оказывается, чем ближе мы подходим к космологической сингулярности, тем ближе к единице значение параметра k. Конечно, если топология Вселенной закрыта (открыта), то k всегда больше (меньше) 1, но с приближением к сингулярности k стремится к единице. В эпоху нуклеосинтеза плотность энергии могла отличаться от r_крит только в 10-м знаке после запятой (!?), в эпоху кварк-адронного и электрослабого переходов она еще ближе к r_крит, а в окрестности сингулярности отличие появляется, грубо говоря, уже только в 100-м знаке после запятой. Все это означает, что Вселенная выходит из сингулярности с плотностью, очень близкой к критической, и 3-мерной геометрией, очень близкой к евклидовой, независимо от ее точной топологии. В этом и состоит проблема плоскостности. В начале обсуждения этой проблемы мы упоминали о соотношении между квадратом постоянной Хаббла и плотностью энергии материи. Наличие такой связи означает, что большая близость свойств 3-мерного пространства Вселенной к свойствам евклидова пространства возможна только при достаточно большом числе частиц во Вселенной. Заметим, что в наблюдаемой части Вселенной, которая охватывается радиоастрономическими приборами, число частиц всех типов примерно 10⁹⁴, так что вопрос о близости геометрии к евклидовой неотделим от вопроса о громадном числе частиц во Вселенной. Сама постановка вопроса вызвана следующим формальным обстоятельством: существует множество простых теоретических моделей, в которых частиц мало и на всех стадиях эволюции топология неевклидова, есть также космологические модели, где частиц нет вообще. Поскольку само наличие сингулярности приводит к проблеме рождения Вселенной как физического объекта, естественно и логично предположить, что она рождается с минимальным числом частиц или совсем пустой, без частиц. Наверное, такой Вселенной проще родиться, потому и возникает вопрос о физических процессах, обеспечивающих одновременно и наличие большого числа частиц и, как следствие, формирование геометрии Вселенной, близкой к евклидовой.

Еще одной, третьей, проблемой является многократно упоминаемая выше проблема горизонта событий. Попробуем объяснить, что она тесно связана с предыдущими проблемами. Проблема горизонта состоит в установлении причинно-следственных отношений между всеми точками Вселенной, и нужно сказать, что сейчас мы не видим никаких областей Вселенной, которые могли бы быть причинно не связаны. Этот вывод можно сделать, поскольку сохраняются глобальные однородность и изотропия. Добавим, что эта проблема имеет место лишь в том случае, когда число частиц велико. Решение уравнений Эйнштейна показывает, что размер, например, замкнутой Вселенной, на всех этапах ее эволюции больше горизонта событий: а > ct. При уменьшении числа частиц неравенство будет смягчаться и во Вселенной с малым числом частиц размер горизонта уже порядка размера Вселенной. В этом случае проблемы горизонта нет, так как в такой Вселенной нет препятствий для установления причинно-следственных связей. Это демонстрирует взаимосвязь второй и третьей проблем, то есть проблема формирования причинно-следственных отношений во Вселенной является основным аргументом в пользу постановки вопроса о рождении в ней большого числа частиц. В начале эволюции, возможно, число частиц было невелико, что и позволило установить связи причин и следствий между физическими явлениями в различных пространственно-временных точках. Затем число частиц выросло до громадной величины, но с сохранением возникших раньше причинно-следственных связей. Сейчас нас вполне устраивает такой уровень понимания ситуации.

Четвертая космологическая проблема представляет собой вопрос о происхождении реликтовых неоднородностей, развитие которых привело к образованию крупномасштабной структуры Вселенной. При обсуждении этого вопроса доминирует следующая точка зрения: реликтовые неоднородности – одно из фундаментальных свойств Вселенной и генезис этого свойства тесно связан с происхождением других вышеназванных характеристик, в частности, изотропии. Иначе говоря, рождение большого числа частиц, формирование свойств 3-мерной геометрии, установление причинно-следственных отношений сопровождается генерацией малых неоднородностей, которые доживают до момента рекомбинации, а затем развиваются, образуя крупномасштабную структуру. Отметим, что изложенные представления о происхождении и роли реликтовых неоднородностей одновременно увязывают различные фундаментальные и глобальные свойства Вселенной в единую систему космологических проблем. Такой подход элегантен и красив, но формально могут существовать и другие теоретические схемы, где эта проблема – реликтовых неоднородностей – стоит особняком. Например, всевозможные неоднородности могут генерироваться при фазовых переходах и, если причинно-следственные связи между характеристиками космологической плазмы во всех пространственных точках существуют, то нет оснований исключать из числа флуктуаций крупномасштабные флуктуации с размерами, большими формального размера горизонта событий.

7.2. Неравновесность и инфляция.

Все вышеописанные космологические проблемы должны рассматриваться или хотя бы принципиально взаимоувязываться в рамках некоторой общей теоретической парадигмы. Представляется, что должна существовать единая, ключевая идея, дающая основу для качественного и, возможно, количественного рассмотрения механизма физических процессов, решающего одновременно все четыре проблемы. Конечно, есть аргументы как «за», так и «против» такого методологического обобщения, приведения к «единому знаменателю», возможно, совершенно не связанных между собой явлений. В философском плане мы, по-видимому, вновь, вслед за античными учеными и их последователями, включая основоположников современной физики, приходим к идее исходной абстракции – некоторой сущности, потенциально содержащей в себе громадное количество проявлений. Исходно эта «сама-в-себе-сущность» неструктурирована, пути и формы структуризации содержатся в ней не реально, а потенциально. Для изучения космологических проблем применим и другой методологический подход: можно рассматривать происходящее, как результат взаимодействия нескольких факторов, или, в пределе, даже бесконечного их числа, хотя эти факторы, конечно, тоже должны быть как-то унифицированы. Можно ли вообще обойтись без исходной абстракции или, в физическом смысле, без ключевой идеи? Представляется, что на каком-либо из этапов познания неизбежно появляется необходимость введения некоего обобщающего понятия. Остается лишь не вполне ясным, отражает ли эта необходимость непосредственно саму природу и объективные фундаментальные закономерности в ней, или же только наш характер мышления, хотя, возможно, характер мышления человека в значительной степени, или даже полностью, определяется именно фундаментальными физическими явлениями природы.

Фактически суперструнная или преонная программы в теории элементарных частиц тоже представляют собой попытки унификации, но в этих случаях речь идет о формулировке единой унифицирующей идейной основы для внутренних понятий теории. В теории же сверхранней Вселенной нам нужно говорить о реальном мире, о решении проблем, в существовании которых мы убеждены экспериментально. Сегодня, после эпохи «бури и натиска» в теоретической космологии последних десятилетий, представляется, что решение всех вышеперечисленных концептуальных (глобальных) космологических проблем может быть найдено в рамках гипотезы о существовании резко неравновесной стадии эволюции Вселенной. Свойства этой стадии невозможно описать в равновесной или локально равновесной термодинамике. Поясним, что речь, конечно, идет именно о неравновесном состоянии вакуума. Однако эта первая и важнейшая идея окажется работоспособной только в том случае, если она предложит естественное решение проблемы горизонта событий во Вселенной. Разумеется, теория неравновесного вакуума предполагает замкнутость Вселенной, когда ее объем конечен, хотя и очень велик (нашими наблюдениями, скорее всего, охватывается только ее малая часть). Решение глобальных проблем в бесконечной Вселенной, по-видимому, вообще невозможно силами и разумом человека, так как бесконечность можно ввести в теорию формально, как данность, но ее нельзя осмыслить операционально.

Проблема горизонта событий в замкнутой Вселенной решается следующим образом: в начале эволюции замкнутая Вселенная была почти пуста и размер ее был мал, ее радиус был порядка планковского размера, «кванта пространства» L_Pl = 10^-33 см. В такой Вселенной причинно-следственные отношения устанавливаются за «квант времени» t_Pl = L_Pl/c, то есть, с классической точки зрения, сразу после момента ее образования. Далее предполагается, что в результате сильно неравновесного процесса на уровне вакуума Вселенная, оставаясь практически пустой, резко расширяется. Такой процесс быстрого расширения Вселенной, ее «раздувания», принято называть инфляцией (inflatio по латыни – вздутие, раздувание). Именно вакуум в резко неравновесном состоянии обеспечивает столь быстрое расширение. Вспомним, что вакуум есть система со специфическим уравнением состояния и его плотность энергии почти постоянна. Эти сведения относятся к равновесному вакууму, но, как было установлено в теоретических исследованиях последних десятилетий, такими же импульсно-энергетическими свойствами обладает и неравновесный вакуум. Оказалось, что в этом состоянии вакуум имеет громадную положительную энергию. В теории Эйнштейна это соответствует и громадной величине постоянной Хаббла, что и означает быстрое расширение Вселенной в стадии резко неравновесного вакуума. Вместе с тем, необходимо учитывать, что, поскольку плотность энергии вакуума постоянна, многократное возрастание объема Вселенной приводит и к росту полной энергии вакуума. Как же в данном случае должен выглядеть закон сохранения энергии, не нарушается ли он? Нет, здесь все в порядке, нужно только не забывать, что и само гравитационное поле есть носитель энергии. Теория Эйнштейна обладает удивительным свойством: полная энергия замкнутой Вселенной с учетом энергии вакуума в любом его состоянии, энергии частиц и энергии глобального гравитационного поля точно равна нулю, какие бы процессы ни происходили в системе. Подчеркнем: энергия частиц материи всегда положительна, но энергия вакуума может иметь любой знак, так, если он находится в одном из равновесных состояний, как правило, его подсистемы типа КГК и ХК имеют отрицательную энергию, система же «кротовых нор» –– положительную. Впрочем, в неравновесном состоянии это может быть не так. Ясно лишь, что, если подсистема типа ХК имеет положитель

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: