Теории большого объединения и суперобъединения

Заветная мечта всех физиков - выявить универсальность всех фундамен-тальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало обнадё-живающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, сла-бого и сильного взаимодействий). Ещё более грандиозна идея объединения всех четырёх фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением.

Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились Майкл Грин (Великобритания) и Джордж Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверх-высоких энергиях.

Эта новая теория описывает некие протяжённые объекты - струны. Это - пространственно одномерные отрезки с характерным размером планковской длины 10^{-33 см. Предполагается, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений, которые, в отличие от обычных четырёх измерений компактифицированы, то есть завёр-нуты в точки, замкнуты, ограничены в определённых областях и не распро-страняются в область макромира.}

Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с об-щей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем и, может быть, откроем в будущем, представля-ют собой определённое возбуждённое состояние струны. Такие возбуждён-ные состояния струн можно сравнить с набором звуков, вызываемых колеба-нием струны, например, скрипки. Более высокие звуки можно сопоставить с новыми частицами, с массой, большей массы предыдущих частиц. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и по сути эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

Струны же в свою очередь порождают элементарные частицы.

Теория суперструн ведёт к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порождённых струнами элементарных частиц должны быть, по расчётам, гипотетические частицы – тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света. Как следствие этой теории возникает и представле-ние о “теневом” мире - объяснение открытого астрономами факта, что галак-тики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.

Теория суперструн возвращает нас к предсказаниям Альфреда Эйнштейна 1930 года: “Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казать-ся, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть полу-чена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда рассмат-ривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образ-но говоря, берёт сейчас реванш и “съедает” материю”.

Возможно, существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие, мы сможем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если её существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из существования кванта пространства также следует существование кванта времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных материалов.

РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Вопрос о возникновении Вселенной для многих поколений учёных был предметом их научного поиска. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва.

Примерно 15 миллиардов лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчётам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а её плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объём с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нём информацией. Однако такие неинформативные модели Вселенной не представляют интереса для нас. Лучше, пожалуй, воспользовавшись принципом "экономии", который называется принципом "бритвы Оккама", взять и вырезать все положения теории, которые не поддаются наблюдению ^х.

Если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределённости Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определённую форму и размеры. По некоторым подсчётам, если всё вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности 10⁹⁴ г/м³, оно заняло бы объём около 10^-33 см³. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед “началом” не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачко-образный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нём было нарушено всё, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной. В этом состоянии вещества в нём могут

возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - большой взрыв. Это и было первотолчком, “началом”.

С началом стремительного расширения Вселенной возникают время и пространство. По разным оценкам период “раздувания” занимает не-вообразимо малый промежуток времени - до 10^-33 с после “начала”. Он на-зывается инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского “пузыря”, радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это ещё не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключёнными в “ложном” вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно

^х Суть этого принципа, выдвинутого английским философ У. Оккамом (1285-1349), заключается в том, что понятия, не поддающиеся проверке в опыте, должны быть удалены из науки.

нагрело Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась со-гласно стандартной теории горячего Большого взрыва.