Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.

Казалось бы, мы действовали последовательно, используя в процессе познания теорию, описывающую наблюдаемый мир и предполагающую разделение познаваемого объекта на классическую и квантовую подсистемы. Такое расщепление единой системы составляло неотъемлемую часть процедуры ее исследования. Выяснилось, однако, что при экстраполяции на планковские масштабы квантовой теории, апробированной в локально воспроизводимых экспериментах и построенной для их интерпретации, такое разделение уже невозможно, и мы вынуждены рассматривать познаваемую структуру как единую, существенно целостную систему. Формально мы используем известные правила квантового описания объектов, перенося их на масштабы, где нет уверенности в выполнении условий применимости теории. Эти действия оправдываются тем, что других инструментов познания мы просто не имеем. Однако, применяя этот инструмент познания, мы приходим к парадоксальному выводу об исчезновении времени. Но ведь сам процесс познания объекта изучения, «вещи-для-нас», развертывается во времени! Да и существование этого объекта вне процесса его познания, как «вещи-для-себя», также мыслится нами во времени. Сложившаяся ситуация требует осмысления и, прежде всего, с точки зрения возможности осуществления самого процесса познания.

Человек, как субъект познания, непосредственно связан с такими базисными понятиями существующей квантовой физики, как прибор-приготовитель и прибор-регистратор. Напомним, что само представление о квантовой динамике возникает при рассмотрении временной эволюции квантового объекта от прибора-приготовителя к прибору-регистратору. Теперь, столкнувшись с парадоксом квантовой космологии, в первую очередь мы должны обратить внимание на следующее обстоятельство: когда речь идет о Вселенной в целом, то этим приборам не просто придать конкретный смысл, поскольку они находятся не вне, а внутри изучаемого объекта, внутри Вселенной, и эволюционируют вместе с ней. Это принципиально иная ситуация, чем в обычной квантовой теории. Тем не менее, мы совершили формальную экстраполяцию, которая однозначно привела к выводу об отсутствии временной эволюции волновой функции Вселенной. Можно либо поставить под сомнение возможность самой экстраполяции, либо попытаться придать этому результату какой-то смысл с учетом специфического статуса наблюдателя внутри Вселенной, ведь отказаться от процедуры экстраполяции никогда не поздно. Экстраполяция теории за пределы ее применимости должна в этом случае пониматься не как инструмент поиска научной истины, а только как метод обнаружения новых элементов реальности, исходно не представленных в имеющейся базе знаний. Применение этого метода оправдано, если он дает результаты, принципиально не объяснимые в пределах экстраполированной теории. Именно тогда мы сталкиваемся с необходимостью поиска в природе структур, проявление которых в локальных экспериментах либо отсутствует, либо не регистрируется нашими приборами. Нужно сказать, что хотя бы убедиться в существовании таких элементов целостной структуры Мира уже не мало. После этого можно целенаправленно искать во Вселенной, или в самих себе, объяснение причин существования и природы функционирования физических структур, недоступных современной локальной квантовой теории.

Не исключено также, что поиск объяснения этих причин может пойти по другому, не научному пути познания. Похоже, что сегодня именно (и только?) метод локального воспроизводимого эксперимента соответствует возможностям человека, как познающего субъекта. Информация, получаемая в ходе эксперимента, селектируется таким образом, чтобы отобрать некоторую, достаточно небольшую, ее часть, воспринимаемую мозгом. В этом смысле локальный эксперимент есть метод отбора информации, доступной мозгу. Но на самом деле пределы возможностей Человека-исследователя нам неизвестны. Логично предположить, что с расширением этих возможностей уменьшится или вообще станет ненужной селекция информации и то, что воспринимается сейчас как хаотический «белый шум», в будущем станет доступно интеллектуальному восприятию и осмыслению. Сейчас трудно сказать, не вернется ли на новом витке эволюции человека этап познания Мира путем его созерцания как целостного объекта.

Мы уже не раз говорили о сложности мира и о том, что фундаментальная физика бросает своеобразный вызов человеческому интеллекту. Имелась в виду невообразимая сложность изучаемой системы, тот факт, что количество вакуумных структур и число выполняемых ими функций так велико и многообразно, что с трудом поддаются человеческому восприятию. Но с точки зрения общей теории систем сохраняется определенное родство между человеком, как сложной биосистемой, и физическим вакуумом. В обоих случаях речь идет о целостных иерархических структурах, определенных на детерминированном фоне. При обсуждении же проблемы космологической сингулярности мы сталкиваемся с принципиально иной ситуацией, ведь проблема даже не в том, что система сложна и обладает большим количеством элементов с взаимообусловленными свойствами. Теперь мы встречаемся с ситуацией, когда принципиально невозможно выделить отдельные элементы системы и придать им самостоятельный смысл. Это проблема другого типа.

Любопытно, однако, следующее обстоятельство: несмотря на принципиально различный характер проблем, у них есть общая черта — обе они упираются в проблему квантовой целостности. Это весьма нетривиальный элемент с точки зрения методологии науки. Природа (или Бог?) как бы подсказывают нам — разберитесь сначала в рамках лабораторного эксперимента с природой квантовой целостности, найдите способы динамического описания непертурбативного вакуума и, возможно, после этого у вас в руках будет инструмент, с помощью которого вы сможете проанализировать процесс рождения Вселенной. С учетом всех этих соображений о родственности проблем на столь разных масштабах, прокомментируем известное высказывание Альберта Эйнштейна: «Бог изощрен, но не злонамерен». В ней под словом Бог Эйнштейн имел в виду некоторую систему фундаментальных принципов, которыми определяется функционирование нашего мира. Хотя, конечно, современная фундаментальная физика позволяет весьма широко трактовать понятие Бога, но в настоящий момент нам вполне достаточно и такого понимания. Изощренность Бога проявляется в том, что он создал мир с очень сложной иерархической и взаимообусловленной структурой. Возможно, настолько сложной, что описание этой сверхструктуры набором достаточно простых динамических законов с использованием представлений о локальном взаимодействии объектов квантовой природы кажется, по меньшей мере, наивным и, в высшей степени, приближенным. Однако Бог не злонамерен и подсказывает нам подход к изучению созданного им Мира. Первое указание на это можно усмотреть, например, в единой квантово-топологической природе вакуумных структур, сформированных в ходе эволюции Вселенной на существенно различных масштабах.

Как отмечалось выше, на одном из концов энергетической шкалы мы встречаемся с квантово-топологическими флуктуациями в КХД расслоениях (характерный масштаб которых 0.1 ГэВ), а на другом конце находятся флуктуации типа «кротовых нор» (их характерный масштаб порядка 10¹⁹ ГэВ). Различие в энергиях флуктуаций огромно — 20 порядков, но их природа одна и та же. Явления на нижней границе энергетической шкалы доступны эксперименту, а эффекты, имеющие место на верхнем конце шкалы энергий, необходимы для понимания рождения Вселенной. Помимо квантово-топологического единства этих эффектов, Бог намекает и на методологическое родство соответствующих динамических задач. Для понимания динамической эволюции КХД вакуума в реальном времени нужны новые принципы квантовой динамики, но новые принципы так же нужны и для анализа явлений на другом конце шкалы энергий. Так Бог дает шанс для познания мира, используя доступный нам метод локально воспроизводимого эксперимента. Сегодня этот метод — единственный из доступных человеку для научного познания Мира. Оказывается, что этот метод позволяет нам продолжить процесс познания, Бог не создал пока ситуацию, которая остановила бы процесс познания — он не злонамерен!

Итак, сегодня мы можем только экстраполировать известные на сегодня математические и логические схемы на окрестность сингулярности. Предметом дальнейшего рассмотрения становятся конкретные вопросы, возникающие при такой экстраполяции, и свойства математических моделей за пределами тех физических ситуаций, анализ которых был целью их исходной формулировки. Результаты, полученные путем такой экстраполяции, и представляют собой содержание современной теории Вселенной в целом или квантовой геометродинамики (КГД).

Первый вопрос в рамках процедуры экстраполяции таков: какова размерность Вселенной, которую мы собираемся рассматривать как квантовое единое целое? Уже сегодня нам представляется разумным изучать многомерные вселенные, а процесс компактификации дополнительных измерений рассматривать как динамическое явление, а не как изначально заданную топологическую конфигурацию. Некоторые попытки такого рассмотрения — построения КГД многомерной Вселенной — уже предпринимаются, но мы их не рассматриваем по двум причинам. Во-первых, эта область науки находится сейчас только на первом этапе разработки проблемы и каких-либо надежных результатов еще нет, а, во-вторых, те новые аспекты проблемы, которые возникли из-за невозможности разделения мира на классическую и квантовую подсистемы, можно обсуждать и на примере квантовой 4-мерной Вселенной. Дополнительные измерения, конечно, сильно усложняют эти проблемы, но даже и без их учета имеется множество принципиальных моментов, требующих обсуждения. Поэтому в дальнейшем мы будем говорить о квантовой геометродинамике 4- мерной Вселенной.

В этом разделе мы выделим принципиально новые концепции, которые естественно возникают при попытке рассмотрения Вселенной, как квантового единого целого. Первой из них является концепция наблюдателя, находящегося внутри замкнутой Вселенной, и своими действиями по ее изучению оказывающего влияние на эволюцию Вселенной (концепция Эверетта-Уилера). Вторая концепция — это интерпретация Вселенной (самой большой системы, из известных современной науке) как подсистемы еще более сложной системы. Она неизбежно приводит к гипотезе о существовании многообразия более общего типа, чем «обычное» пространство-время. Это многообразие носит название суперпространства Уилера. Отметим, что термин «суперпространство» появился в нашем изложении еще раз, но теперь в совершенно другом смысле. Ранее, в разделах 7 и 8 части I, этот термин обозначал многообразие, геометрия которого задается полями сразу двух типов: тензорными полями, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна, и спинорными полями, подчиняющимися статистике Ферми-Дирака, то есть удовлетворяющими принципу Паули. Для описания такого многообразия и используются термины «супергеометрия», «суперискривления», «суперррасслоение». Это суперпространство первого типа описывает геометрию той Вселенной, в которой мы живем. Теория Вселенной, как единого квантового объекта, приводит к гипотезе о существовании суперпространства второго типа — многообразия, элементами которого являются вселенные с 3-мерным пространством, эволюция которых в квазиклассическом пределе упорядочивается в одномерном времени.

Является ли такое суперпространство некоторым видом реальности, которую уже нельзя называть и считать физической? Для ее обозначения мы будем пользоваться терминами «надфизическая», «надпространственная», «надвременная реальность», понимая всю условность и дискуссионность таких терминов. Может быть, суперпространство Уилера есть просто классификационное многообразие, объединяющее в себе не различные вселенные, а условно собирающее в единое многообразие разные состояния одной и той же Вселенной? Мы не знаем ответа на этот вопрос, а в формальных теоретических исследованиях предполагаются и та, и другая возможности. Отметим, что если мы рассматриваем первую возможность, то есть, считаем суперпространство надфизической реальностью, то естественно приходим к одному из вариантов гипотезы о множественности миров. При этом даже появляется конкретный образ — множество вселенных, взаимодействующих в суперпространстве.

Повторим еще раз: мы рассуждаем о том, чего на самом деле до конца не понимаем. Подобные идеи у нас возникают в результате формальной экстраполяции аппарата квантовой теории на Вселенную в целом. Отметим, что появление обоих концепций в каком-то смысле обусловлено свойствами этого аппарата. Действительно, обычная квантовая теория поля или квантовая механика могут быть сформулированы для пространственно-временного многообразия с детерминированной геометрией. Если мы отказываемся от образа такой геометрии, но сохраняем логическую структуру квантовой теории, то внутри аппарата естественно появляется понятие, занимающее то же место, что и пространство в обычной квантовой теории. Только теперь оно называется суперпространством, его геометрия детерминирована, а его элементами являются геометрии обычного пространства. Сохранение математической структуры автоматически приводит к сохранению и логической структуры, меняются лишь наименования элементов. Как же это понимать? Может быть, и в этом случае имеет смысл замечание «Бог изощрен, но не злонамерен»? А может быть, это всего лишь создаваемые нами иллюзии? Тем не менее, мы хотим разобраться в ситуации, и при этом вынуждены использовать те методы, которые имеются у нас на сегодняшний день. Использование экстраполяции как логической схемы познания с необходимостью расширяет исходно неполную теоретическую конструкцию путем введения в нее на завершающем этапе как обобщающих парадигм, так и совершенно новых элементов, добавление которых диктуется целостной природой изучаемой системы. Изначальная ограниченность круга знаний, естественно, преодолевается не полностью, однако наряду с ростом общей суммы знаний и расширением числа точек соприкосновения с непознанным, совокупность наших знаний обогащается появлением качественно новых элементов картины Мира. В частности, именно в результате экстраполяции в качестве такого элемента в теории появилось понятие суперпространства.

Вернемся к вопросу о статусе наблюдателя, то есть к первой концепции Эверетта-Уилера. Сама постановка вопроса об этом статусе тоже является следствием использования аппарата «ортодоксальной» квантовой теории, экстраполированной на Вселенную в целом. Даже в лабораторной квантовой физике при проведении любого эксперимента мы сталкиваемся с удивительным явлением — редукцией волнового пакета. Мы так привыкли к этому явлению и к его формальному отражению в математическом аппарате, что даже не отдаем себе отчет в непонимании его природы. В основе этого явления лежит принцип квантовой суперпозиции состояний микрообъекта. Редукция представляет собой выделение из квантовой суперпозиции одного из ее элементов в процессе измерения. При этом прибор-приготовитель приготавливает квантовую систему в состоянии, которое характеризуется большим числом потенциальных возможностей иметь то или иное значение физической величины. Когда эта квантовая система взаимодействует с прибором–регистратором, то из всех потенциальных возможностей в каждом акте измерения реализуется только одна. После этого квантовая система переходит в новое определенное квантовое состояние. В связи с этим возникает два вопроса: а куда исчезают потенциальные возможности, которые имелись до измерения? И каков реальный статус наблюдателя, осуществляющего произвольное измерение? Он, реализуя процесс редукции, фактически формирует мир в определенном состоянии. Если бы он реализовал другую потенциальную возможность, это был бы другой мир.

Конкретное состояние нашего мира формируется в последовательности редукций квантово-волновых пакетов, выбирающих определенные возможности из многих. Отсюда и вытекает концепция о наблюдателе — участнике процесса формирования мира. Эту концепцию явно сформулировал Уилер именно в связи с проблемами КГД, так как в замкнутой Вселенной наблюдатель как раз и находится внутри нее и своими действиями по проведению измерений формирует ее свойства. Ранее Эверетт анализировал вопрос об исчезновении потенциальных возможностей и выдвинул идею о том, что на самом деле различные результаты редукции волновых пакетов соответствуют различным вселенным, точнее говоря, различным ветвям эволюции Вселенной. В этом случае свойства Вселенной на различных ветвях могут быть различны. Комбинация этих двух идей в одну — в концепции Эверетта – Уилера — приводит к многомировой интерпретации волновой функции Вселенной. Суть интерпретации в том, что изначально у нас имеется бесконечное множество вариантов существования Мира, бесконечное множество ветвей эволюции, а наблюдатель-участник внутри Вселенной путем последовательной редукции квантово-волновых пакетов формирует одну из возможных ветвей эволюции Мира. Другие ветви эволюции могут сформировать другие наблюдатели, которые находятся в других вселенных, изначально подобных нашей. Некий суперприбор-приготовитель формирует ансамбль вселенных, но затем каждый член ансамбля, в зависимости от действий наблюдателей, занимает одну из возможных ветвей эволюции. Кратко можно эту ситуацию прокомментировать так — по сути, мы опять занимаемся экстраполяцией, перенося закономерности, присущие локальным квантовым измерениям, на процесс квантово-измерительной идентификации состояния Вселенной в целом. При этом нам понадобились весьма абстрактные и пока не наполненные содержанием образы наблюдателей-участников, смутное понятие о суперприборе-приготовителе, об ансамбле вселенных. Именно экстраполяция породила такие образы. Возникает два вопроса: есть ли у нас основания считать, что эти образы вообще отражают какую-либо реальность, можно ли доверять результатам формальной экстраполяции? А если они отражают некую реальность, то какое конкретное физическое содержание нужно вложить в понятие «наблюдатель–участник» в нашей Вселенной? В частности, как он будет планировать свой эксперимент и фиксировать его результаты? Эти вопросы по самой своей постановке выходят за пределы физики.

В сложившейся ситуации мы можем, во-первых, намеренно проигнорировать очень сложные вопросы о статусе наблюдателя-участника и просто описать картины квантовой эволюции Вселенной, возникающие в рамках КГД; во-вторых, посмотреть на проблему физической реализации наблюдателя-участника с позиции теории вакуума; в-третьих, попытаться придать конкретное содержание гипотезе о множественности миров.

Вначале постараемся понять, что означает отсутствие времени в основном уравнении КГД, то есть независимость волновой функции Вселенной от времени, и ответить на вопрос о том, как математически реализуется концепция Эверетта-Уилера. Проблема состоит в том, что гамильтониан Вселенной не содержит информации о наблюдателе, его действиях и намерениях. Оба вышеприведенных вопроса тесно взаимосвязаны. Ответ на первый вопрос таков: волновая функция Вселенной Y_В описывает сразу и прошлое, и настоящее, и будущее Вселенной, только так можно понимать отсутствие зависимости ее волновой функции от времени. Отметим, что это утверждение носит фаталистический характер — все события во Вселенной вроде бы предопределены. Но что именно предопределено? Мы ведь работаем не в рамках классической механики, где есть предопределенность всех механических состояний, точнее, координат и скоростей классических объектов. А что же понимать под предопределением в квантовой теории? На самом деле предопределены результаты редукции волновых пакетов, процессы же редукции осуществляются наблюдателями-участниками на протяжении всей истории Вселенной. Именно информация обо всех редукциях, которые были, есть и будут, и содержится в волновой функции Вселенной.

Как же отличить одну последовательность редукций от другой, потенциально возможной последовательности? Ответ приходит из математики – для решения уравнения Уилера-де Витта Н_ВY_В=0 необходимо задать так называемые граничные условия для волновой функции. Формально квадрат модуля функции Y_В определяет вероятность обнаружения Вселенной в состоянии с конкретной геометрией, и таких состояний, охватываемых волновой функцией, бесконечно много. Разным волновым функциям соответствуют различные решения уравнения Уилера –деВитта. Но нужно выбрать какое-либо одно из них, выделенное по каким-либо физическим причинам или характеристикам, и попытаться это решение сопоставить истории реальной Вселенной. Процедура выбора одного из множества решений в математике фиксируется заданием граничных условий для волновой функции. Форма этих условий фактически и предопределяет значения функции для всех состояний Вселенной на всех этапах ее эволюции. Иными словами, граничные условия предопределяют, в том числе, и результаты редукции, то есть действия наблюдателя. Таким образом, в концепции Эверетта-Уилера информация о намерениях и действиях наблюдателя содержится в граничных условиях для волновой функции Вселенной Y_В, удовлетворяющей уравнению Уилера-деВитта. Разным вариантам граничных условий будут соответствовать и разные действия наблюдателей-участников и, следовательно, разные варианты эволюции Вселенной. Однако что же это за физически выделенное состояние, на котором можно задавать граничные условия?

Для введения в теорию такого состояния мы используем концепцию рождения Вселенной из «Ничего». В научной литературе имеется несколько вариантов этой концепции, авторам этой книги наиболее близка трактовка Я.Б.Зельдовича и Л.П.Грищука. Под термином «Ничего» понимается пустое замкнутое 3-мерное пространство без частиц, а радиус кривизны этого пространства является минимально возможным — равным планковскому. Предположим, что по некоторым причинам, которые нуждаются в отдельном обсуждении, это замкнутое пустое пространство обрело некие индивидуальные геометрические характеристики и потому стало объектом описания КГД. Однако вакуум в этом пространстве находится в резко неравновесном состоянии (что вполне естественно, если само пространство выделилось в качестве объекта в результате некоторого катастрофического процесса), неравновесность вакуума обеспечивает неизбежность эволюции этого пустого пространства. В результате эволюции вакуум рождает частицы, но положительная энергия частиц и вакуума точно компенсируется отрицательной энергий гравитационного поля (напомним, что суммарная энергия Вселенной в целом равна нулю). Так, без нарушения закона сохранения энергии, первоначально маленькая, пустая Вселенная преобразуется в большую Вселенную, заполненную материей — частицами. Граничные условия для волновой функции Вселенной как раз разумно задавать, выделяя в качестве начального состояния пустое замкнутое пространство без частиц. Правда, и в этом случае имеется множество вариантов граничных условий, которые по существу различаются состояниями вакуума в этом пространстве.

В описанной ситуации естественен вопрос: а существуют ли выделенные граничные условия для выделенного состояния? Стивен Хокинг считает, что такие выделенные граничные условия есть. Свой вариант таких условий он сформулировал математически. Попробуем пояснить выбор граничных условий Хокинга следующим образом. В условиях Хокинга фигурируют понятия гиперповерхностных сечений 4-мерного пространства-времени. Поясним это понятие на примере пространства меньшей размерности. Рассмотрим замкнутую область 3-мерного пространства в виде шара. Через любой диаметр шара можно провести бесконечное количество плоскостей —сечений шара. Каждое из них представляет собой двумерную поверхность, а совокупность границ бесконечного числа поверхностей сечений (то есть окружностей) образует границу шара — сферу. В описанном примере шар представлял собой область 3-мерного евклидова пространства, а его сечения — области двумерного евклидова пространства. В этом пространстве автоматически возникает понятие границы областей. В неевклидовой геометрии замкнутых пространств ситуация существенно иная. Математические исследования привели к парадоксальному выводу: оказывается, большое (в пределе бесконечно большое) число гиперпространственных сечений замкнутого пространства можно отождествить друг с другом и при этом оказывается невозможным ввести понятие границы замкнутого пространства. Такое замкнутое пространство без границ представляет собой выделенный геометрический объект. Хокинг сделал следующее. Во-первых, он постулировал, что в начальном состоянии Вселенной времени как физического понятия еще не существует и временная координата ничем не отличается от пространственных. Напомним, что в реальном пространстве-времени принципиальное отличие временной координаты состоит в том, что она используется для упорядочения причинно связанных событий; однако в начальный момент существования Мира никаких событий еще не произошло, так что можно и не выделять временную координату. Гиперповерхности Хокинга относятся именно к такому замкнутому 4-мерному пространству без реального времени. Вот такая трудно представимая замкнутая Вселенная без границ и без времени предлагается в качестве начального состояния Мира, имеющего математический статус граничных условий для волновой функции Вселенной. Сам Стивен Хокинг полагает, что таким граничным условиям нужно придавать статус фундаментального закона природы. Можно восхититься остроумием этого математического утверждения, но вряд ли стоит придавать ему особое значение и искать в нем некий тайный смысл. Что в описанной схеме вызывает неудовлетворение? Во-первых, на уровне самой парадигмы игнорируется сложная структура вакуума и не учитывается, что эта структура эволюционирует.

Но что такое эволюция с точки зрения не зависящей от времени квантовой динамики? Проиллюстрируем эту идею на самой простой модели, когда 3-мерная геометрия пространства полностью определяется одной величиной – его радиусом кривизны а. Волновая функция Вселенной Y_В естественно зависит от этого радиуса. Вероятность найти Вселенную в состоянии со значениями радиуса кривизны в интервале от а до а+dа (dа — бесконечно малое изменение радиуса) равна ½ Y_В ½² dа. При значениях а, много больших планковских, что соответствует эпохе, когда уже произошел распад неравновесного вакуума и родилось достаточно много частиц, предсказания квантовой геометродинамики должны автоматически согласовываться с описанием Вселенной в классической схеме ОТО. Иными словами, должен существовать соответствующий математический предельный переход от одной теории к другой. Первое, что нужно сделать при таком переходе — это установить взаимное соответствие квантовых и классических вероятностей. С точки зрения классической эволюционной теории вероятность найти Вселенную в состоянии с радиусом между а и а+dа пропорциональна промежутку времени, необходимому для классической эволюции от а до а+dа. Отсюда получаем соотношение:

½ Y_В ½² × dа ~ dt (dt — бесконечно малый промежуток времени) и соответствующую дифференциальную зависимость между радиусом кривизны и временем. Этот пример хорошо показывает, что понятие времени есть прерогатива классической физики, для его введения необходимо существование классической подсистемы, эволюцию которой с достаточной точностью можно описать без учета квантовых флуктуаций.

Непосредственно в КГД ставятся и обсуждаются следующие проблемы:

1. Выяснение природы состояния «Ничего», придания ему некоторых физических и математических образов;

2. Описание процесса превращения «Ничего» в макроскопическую Вселенную, эволюция которой уже может рассматриваться квазиклассически;

3. Фиксация ключевых физических явлений, сопровождающих процесс превращения «Ничего» в макровселенную и выявление причинно-следственных связей между этими явлениями и процессами возникновения макроскопических структур во Вселенной.

Конечно, мы не можем сказать, что эти вопросы изучены достаточно детально, сейчас делаются лишь первые шаги в предельно упрощенных теориях. В таких теориях, которые также называют модельными, геометрия Вселенной характеризуется одной величиной — радиусом кривизны а 3-мерного пространства, а вакуумное состояние Вселенной описывается скалярными полями j хиггсовского типа. Волновая функция Вселенной в таких моделях зависит от указанных выше переменных, а квадрат ее модуля пропорционален вероятности нахождения Вселенной в геометрическом состоянии, характеризующемся величиной радиуса кривизны а, и вакуумном состоянии, задаваемом полями j. Среди всех возможных геометрических состояний есть одно с предельно малой величиной а. Это состояние и отождествляется с понятием «Ничего».

Уравнение Уилера-деВитта показывает, что состояние «Ничего» отделено от квазиклассического состояния с большим радиусом кривизны потенциальным барьером, который формируется в основном вакуумными полями. С классической точки зрения такой барьер непроницаем для Вселенной с полной энергией, равной нулю. Но в квантовой теории существует не равная нулю вероятность туннелирования — нахождения квантового объекта за барьером. Этот процесс туннелирования и сопоставляется процессу квантового рождения Вселенной из «Ничего». За барьером Вселенная входит в состояние, которое на квазиклассическом уровне может быть описано инфляционными моделями. Однако было обнаружено, что в процессе самого туннелирования должно происходить спонтанное рождение частиц из вакуума, так что Вселенная за барьером уже не пуста. Количество частиц возрастает и далее в ходе квазиклассической эволюции в результате распада неравновесного вакуума, то есть в результате трансформации стадии инфляции во фридмановскую стадию эволюции. Наконец еще одно и наиболее интересное физическое явление — возникновение и последующее усиление пространственно неоднородных квантовых флуктуаций вакуумных полей. Частицы, которые рождаются в процессе туннелирования и распада вакуума, взаимодействуют с этими флуктуациями и потому также распределены в пространстве неоднородно. Таким образом, КГД претендует на раскрытие природы начальных флуктуаций плотности, эволюция которых приводит в дальнейшем к формированию крупномасштабной структуры Вселенной.

Как видим, в самой постановке задач в КГД отражается предположение о том, что все основные свойства Вселенной, в том числе и те, которые определяют ее сегодняшний облик, сформировались в процессе ее квантового рождения. Все изложенное, однако, не стоит воспринимать, как окончательную истину. Многое может измениться в нашей трактовке сложнейших явлений природы, в частности, возможны и другие версии КГД (об одной из них будет сказано ниже), возможен также пересмотр математической реализации концепции Эверетта-Уилера (речь идет о том, что граничные условия могут и не иметь тот статус, который им придается сегодня). Конечно, необходимо и гораздо более полное описание геометрии вакуума, чем то, которое имеется в упрощенных моделях. Результаты КГД имеют модельный, приближенный и предварительный характер. Несомненно, однако, что исследования в этой области будут продолжены, и они имеют большой физический и философский смысл. Дело в том, что предположение о существенной роли квантовой стадии эволюции Вселенной в формировании ее основных макроскопических свойств достаточно строго вытекает из экстраполяции теории, принципы которой экспериментально проверены в границах ее применимости. Этот вывод вряд ли можно подвергнуть сомнению. Критическому обсуждению можно подвергать конкретные экстраполяции физических принципов за границы физических условий, при которых они были установлены. КГД есть один из вариантов такой экстраполяции и, как видим, эта теория, несмотря на ее очевидно приближенный характер, все же демонстрирует способность к содержательному обсуждению процесса рождения Вселенной. Этот факт очень обнадеживает исследователей и вселяет надежду на то, что самые фундаментальные вопросы естествознания и философии все же можно исследовать научными методами. По крайней мере, процесс исследования уже начат.

Конечно, исследования, основанные на экстраполяции, есть лишь некоторый предварительный этап поиска принципиально новых законов природы. Ведь мы не имеем даже непротиворечивой схемы локальной физики, как же можно проводить глобальную экстраполяцию? Казалось бы, в этой ситуации нужно признать, что никакие экстраполяции делать нельзя и следует, хотя бы временно, просто отказаться от изучения Вселенной в целом в квантовой теории. По-видимому, этот вывод все же неверен, экстраполяции делать надо, только изучать и осмысливать их следствия следует критически. Цель такого критического рассмотрения состоит в том, чтобы в рамках этого процесса осмысления искать новые подходы, или хотя бы убеждаться в необходимости такого поиска. С этих позиций и нужно анализировать результаты теории Уилера-деВитта.

Конкретные математические результаты квантовой геометродинамики относятся к довольно простым моделям, в которых геометрия характеризуется лишь одной величиной – радиусом кривизны изотропного пространства, а вакуум в нем моделируется скалярными полями. Можно сказать, что подобные модели имеют некое отношение к эффектам, индуцируемым ХК в нестационарной Вселенной. С некоторой долей условности можно рассматривать такие КГД - модели как квантовые теории ХК. В этих моделях получены и определенные результаты. В частности, удается выяснить условия возникновения инфляционного режима, предпринимаются попытки изучения процессов рождения частиц в результате распадов неравновесного конденсата. Но напомним, что все эти результаты в определенном смысле зависят от граничных условий. Им, в свою очередь, придается статус условий, предписывающих определенные действия наблюдателям-участникам при редукциях волнового пакета, составляющего волновую функцию Вселенной. Из всех критических замечаний, которые можно предъявить этому варианту КГД, прежде всего, выделим следующие: эта теория, во-первых, в принципе не способна дать квантово-геометродинамическое описание Вселенной с непертурбативным вакуумным конденсатом, хотя бы потому, что для непертурбативного конденсата отсутствует локальная формулировка динамики (экстраполяция которой привела бы к глобальной формулировке), во-вторых, в самих принципах КГД отсутствуют указания или ссылки на сложнейшую структуру вакуума, его эволюцию и самоорганизацию. Кроме того, кажется странным, что такой сложнейший физический и философский вопрос — о роли наблюдателя-участника в квантовой эволюции Вселенной — решается на уровне только граничных условий, и наличие наблюдателя-участника никак не отражено в уравнениях КГД. Относительно самих условий Хокинга можно, в частности, сказать, что эти условия выделены среди прочих вариантов по критерию простоты, но кажется удивительным, что математически простейшие граничные условия соответствуют действиям, порождающим очень сложные иерархические структуры.

Можно было бы поискать и другие варианты КГД с иным физическим содержанием. Так, А.Д.Сахаров считал, что волновая функция Вселенной с необходимостью должна зависеть от времени, то есть квантовая эволюция Вселенной обязана развиваться во времени, что противоречит теории Уилера-деВитта. Но нужно отметить,

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

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

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

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