Diferite versiuni ale teoriei de coarde sunt considerate astăzi drept concurenții principali pentru titlul unei teorii universale cuprinzătoare care explică natura a tot. Și acesta este un fel de Sfânt Graal al fizicienilor teoretici implicați în teoria și cosmologia elementară a particulelor. Teoria universală (este și teoria tuturor) conține doar câteva ecuații care combină întregul corp de cunoștințe umane despre natura interacțiunilor și proprietățile elementelor fundamentale ale materiei din care este construit Universul.
Astăzi, teoria coardelor a fost contopită cu conceptul de supersimetrie, ca urmare a faptului că s-a născut teoria superstrelor, iar astăzi este maximul obținut în ceea ce privește combinarea teoriei tuturor celor patru interacțiuni principale (forțele care acționează în natură). Teoria supersimetriei în sine a fost deja construită pe baza unui concept modern a priori, conform căruia orice interacțiune la distanță (câmp) se datorează schimbului de particule purtătoare ale unei interacțiuni de tipul corespunzător între particulele care interacționează (vezi. Modelul standard). Pentru claritate, particulele care interacționează pot fi considerate „cărămizile” universului, iar particulele purtătoare - cimentul.
Teoria șirurilor este o ramură a fizicii matematice care studiază dinamica particulelor nu punctuale, ca majoritatea ramurilor fizicii, ci a obiectelor extinse unidimensionale, adică. siruri de caractere.
În cadrul modelului standard, quark-urile acționează ca cărămizi și bosonii de ecartament între acești quark acționează ca purtători de interacțiune. Teoria supersimetriei merge și mai departe și susține că însuși quark-urile și leptonele nu sunt fundamentale: toate constau în structuri (cărămizi) chiar mai grele și nu descoperite experimental de materie legată de un „ciment” de particule purtătoare de interacțiune cu super-energie decât quark-urile. în compoziția hadronilor și a bosonilor.
În mod firesc, în condiții de laborator, niciuna dintre predicțiile teoriei supersimetriei nu a fost încă verificată, însă componentele ascunse ipotetic ale lumii materiale au deja nume - de exemplu, electron (partener de electroni supersimetric), squark, etc. Existența acestor particule, cu toate acestea, existența acestor teorii genul este prevăzut în mod unic.
Cu toate acestea, imaginea Universului oferită de aceste teorii este destul de ușor de vizualizat. Pe o scară de ordinul 10E - 35 m, adică 20 de ordine de mărime mai mică decât diametrul aceluiași proton, care include trei quarkuri conectate, structura materiei diferă de cea obișnuită chiar și la nivelul particulelor elementare. La distanțe atât de mici (și la energii atât de mari de interacțiuni încât ar fi de neconceput), materia se transformă într-o serie de valuri de câmp în picioare, similare cu cele care sunt emoționate în șirurile instrumentelor muzicale. La fel ca o coardă de chitară, în această coardă pot fi entuziasmați, pe lângă tonul fundamental, multe tonuri sau armonici. Fiecare armonică corespunde propriei sale stări energetice. Conform principiului relativității (a se vedea. Teoria relativității), energia și masa sunt echivalente, ceea ce înseamnă că cu cât frecvența vibrației undei armonice a șirului este mai mare, cu atât este mai mare energia acesteia și cu atât este mai mare masa particulei observate.
Cu toate acestea, dacă unda în picioare din coarda chitarei este destul de simplă de vizualizat, undele permanente propuse de teoria super-coardelor sunt dificil de vizualizat - fapt este că vibrațiile super-șirurilor apar într-un spațiu care are 11 dimensiuni. Suntem obișnuiți cu spațiul în patru dimensiuni, care conține trei dimensiuni spațiale și una temporală (stânga-dreapta, sus, jos, înainte-înapoi, trecut-viitor). În spațiul superstrings, totul este mult mai complicat (vezi caseta). Fizicienii teoretici evită problema alunecoasă a dimensiunilor spațiale „suplimentare”, susținând că „se ascund” (sau, într-un limbaj științific, „se compactează”) și, prin urmare, nu sunt observate la energiile obișnuite.
Mai recent, teoria coardelor a fost dezvoltată în continuare sub forma teoriei membranelor multidimensionale - de fapt, acestea sunt aceleași șiruri, dar plate. După cum a glumit unul dintre autorii săi, membranele diferă de șiruri în același mod, deoarece tăiței diferă de vermiceli.
Asta, poate, este tot ce se poate spune pe scurt despre una dintre teoriile care, fără motiv, susțin astăzi titlul teoriei universale a Marii Uniri a tuturor interacțiunilor de forță. Din păcate, această teorie nu este fără păcat. În primul rând, nu a fost încă redusă la o formă strictă matematică din cauza inadecvării aparatului matematic pentru aducerea lui în corespondență internă strictă. Au trecut 20 de ani de la nașterea acestei teorii și nimeni nu a reușit să coordoneze în mod constant unele dintre aspectele și versiunile sale cu altele. Și mai neplăcut este faptul că niciunul dintre teoreticienii care propun teoria șirurilor (și mai ales superstrings) nu a propus încă un singur experiment în care aceste teorii ar putea fi testate într-un laborator. Din păcate, mă tem că până când vor face acest lucru, toată munca lor va rămâne un joc de fantezie bizar și exerciții de înțelegere a cunoștințelor ezoterice în afara curentului științelor naturale.
Studierea proprietăților găurilor negre
În 1996, teoreticienii de coadă Andrew Strominger și Kumrun Wafa, bazându-se pe rezultatele anterioare ale lui Susskind și Sen, au publicat lucrarea „Natura microscopică a entropiei Beckenstein și Hawking”. În această lucrare, Strominger și Wafe au reușit să utilizeze teoria șirurilor pentru a găsi componentele microscopice ale unei anumite clase de găuri negre, precum și pentru a calcula cu exactitate contribuțiile acestor componente la entropie. Lucrarea s-a bazat pe aplicarea unei noi metode, parțial dincolo de cadrul teoriei perturbațiilor, care a fost folosită în anii 1980 și începutul anilor 1990. Rezultatul lucrării a coincis exact cu previziunile făcute de Beckenstein și Hawking cu mai mult de douăzeci de ani înainte.
Strominger și Wafa s-au opus proceselor reale de formare a găurilor negre cu o abordare constructivă. Și-au schimbat punctul de vedere asupra formării găurilor negre, arătând că pot fi construite prin asamblarea cu atenție într-un singur mecanism a setului exact de ramuri descoperite în timpul celei de-a doua revoluții de superstring.
Cu toate pârghiile în mână pentru a controla construcția microscopică a găurii negre, Strominger și Wafa au fost capabili să calculeze numărul de permutări ale componentelor microscopice ale găurii negre, în care caracteristicile observate în general, cum ar fi masa și încărcarea, rămân neschimbate. După aceea, au comparat numărul rezultat cu zona orizontului evenimentului cu gaura neagră - entropia prevăzută de Beckenstein și Hawking - și au obținut un acord perfect. Cel puțin pentru clasa găurilor negre extreme, Strominger și Wafe au reușit să găsească o aplicație a teoriei șirurilor pentru a analiza componentele microscopice și a calcula cu exactitate entropia corespunzătoare. Problema cu care s-au confruntat fizicienii timp de un sfert de secol a fost rezolvată.
Pentru mulți teoreticieni, această descoperire a fost un argument important și convingător în sprijinul teoriei șirurilor. Dezvoltarea teoriei șirurilor este încă prea brută pentru compararea directă și precisă a rezultatelor experimentale, de exemplu, cu rezultatele măsurătorilor în masă ale unui quark sau electron. Teoria șirurilor oferă, însă, prima justificare fundamentală pentru proprietatea descoperită de mult timp de găurile negre, imposibilitatea de a explica care timp de mai mulți ani a împiedicat studiile fizicienilor care lucrează cu teorii tradiționale. Chiar și Sheldon Glashow, laureat Nobel în fizică și un adversar neclintit al teoriei corzilor din anii 1980, a recunoscut într-un interviu din 1997 că „când teoreticienii de coarde vorbesc despre găuri negre, este aproape despre fenomene observabile, iar acest lucru este impresionant “.
Cosmologie cu coarde
Există trei puncte principale în care teoria șirurilor modifică modelul cosmologic standard. În primul rând, în spiritul cercetării moderne, care clarifică din ce în ce mai mult situația, din teoria șirurilor rezultă că Universul ar trebui să aibă o dimensiune minimă acceptabilă. Această concluzie schimbă ideea structurii Universului direct în momentul Big Bang-ului, pentru care în modelul standard mărimea Universului este zero. În al doilea rând, conceptul de dualitate T, adică dualitatea radiilor mici și mari (în strânsă legătură cu existența unei dimensiuni minime) în teoria șirurilor, este important și în cosmologie. În al treilea rând, numărul dimensiunilor spațio-temporale în teoria șirurilor este mai mult de patru, de aceea cosmologia ar trebui să descrie evoluția tuturor acestor dimensiuni.
Modelul Brandenberg și Wafa
La sfârșitul anilor '80. Robert Brandenberger și Kumrun Wafa au făcut primii pași importanți pentru a înțelege ce schimbări în consecințele modelului cosmologic standard vor duce la utilizarea teoriei șirurilor. Au ajuns la două concluzii importante. În primul rând, pe măsură ce vă întoarceți la vremea Big Bang-ului, temperatura continuă să crească până în momentul în care dimensiunile Universului în toate direcțiile devin egale cu lungimea Planck. În acest moment, temperatura va crește și va începe să scadă. La nivel intuitiv, nu este dificil să înțelegem cauza acestui fenomen. Să presupunem pentru simplitate (urmând Brandenberger și Wafa) că toate dimensiunile spațiale ale universului sunt ciclice. Când vă deplasați înapoi în timp, raza fiecărui cerc scade, iar temperatura Universului crește. Din teoria șirurilor, știm că reducerea razelor întâi la și apoi sub lungimea Planck este echivalentă fizic cu scăderea razelor la lungimea Planck, apoi înlocuirea lor cu o creștere ulterioară. Deoarece temperatura scade în timpul extinderii Universului, încercările nereușite de a comprima Universul la dimensiuni mai mici decât lungimea Planck vor duce la încetarea creșterii temperaturii și la scăderea ulterioară a acestuia.
Drept urmare, Brandenberger și Wafa au ajuns la următoarea imagine cosmologică: mai întâi, toate dimensiunile spațiale din teoria șirurilor sunt strâns pliate la o dimensiune minimă de ordinul lungimii Planck. Temperatura și energia sunt ridicate, dar nu la infinit: se rezolvă paradoxurile unui punct de plecare zero în teoria șirurilor. În momentul inițial al existenței Universului, toate dimensiunile spațiale ale teoriei șirurilor sunt complet egale și complet simetrice: toate sunt pliate într-o grămadă multidimensională a dimensiunilor Planck. Mai departe, în conformitate cu Brandenberger și Wafe, Universul trece prin prima etapă de coborâre a simetriei, când în momentul Planck sunt selectate trei dimensiuni spațiale pentru extinderea ulterioară, iar restul păstrează dimensiunea inițială Planck. Apoi, aceste trei dimensiuni sunt identificate cu dimensiunile din scenariul cosmologiei inflaționiste și în procesul de evoluție ia forma observată acum.
Model de Veneția și Gasperini
După activitatea lui Brandenberger și Wafa, fizicienii avansează continuu spre înțelegerea cosmologiei cu coarde. Printre cei care conduc aceste studii se numără Gabriele Veneziano și colegul său Maurizio Gasperini de la Universitatea din Torino. Acești oameni de știință au prezentat versiunea lor de cosmologie cu coarde, care în unele locuri este în contact cu scenariul descris mai sus, dar în alte locuri diferă fundamental de acesta. Ca și Brandenberger și Wafa, pentru a exclude temperatura infinită și densitatea energetică care apar în modelele standard și inflaționiste, s-au bazat pe existența unei lungimi minime în teoria corzilor. Cu toate acestea, în loc să ajungă la concluzia că, din cauza acestei proprietăți, Universul se naște dintr-o grămadă de dimensiuni Planck, Gasperini și Venetiano au sugerat că există un univers preistoric care a apărut cu mult înainte de momentul numit punctul zero și a dat naștere acestui „embrion” cosmic de dimensiuni Planck.
Starea inițială a Universului într-un astfel de scenariu și în modelul Big Bang este foarte diferită. Potrivit lui Gasperini și Venetiano, Universul nu era o bilă de măsurat roșu-fierbinte și răsucită, dar era rece și avea o întindere infinită. Apoi, așa cum rezultă din ecuațiile teoriei șirurilor, instabilitatea a invadat Universul și toate punctele sale au început, ca în epoca inflației Gut, să se împrăștie rapid în părți.
Gasperini și Venetiano au arătat că, din această cauză, spațiul a devenit din ce în ce mai curbat și, în consecință, s-a înregistrat o creștere bruscă a temperaturii și a densității energetice. A trecut puțin timp, iar regiunea tridimensională a dimensiunilor milimetrice din aceste vaste întinse a fost transformată într-o pată roșie-caldă și densă, identică cu cea care se formează în timpul expansiunii inflaționiste de-a lungul Gutului. Apoi, totul a decurs conform scenariului standard al cosmologiei Big Bang, iar locul în expansiune s-a transformat într-un Univers observabil.
Întrucât expansiunea inflaționistă a avut loc în era anterioară Big Bang-ului, soluția la paradoxul orizontului propus de Guth se dovedește a fi integrat automat în acest scenariu cosmologic. Potrivit lui Veneziano (într-un interviu din 1998), „teoria coardelor ne prezintă ca o farfurie cu o variantă a cosmologiei inflaționiste”.
Studiul cosmologiei cu coarde devine rapid o zonă de cercetare activă și productivă. De exemplu, scenariul evoluției anterioare Big Bang-ului a fost în repetate rânduri cauza dezbaterilor aprinse, iar locul său în viitoarea formulare cosmologică este departe de a fi evident. Cu toate acestea, nu există nici o îndoială că această formulare cosmologică se va baza pe înțelegerea de către fizicieni a rezultatelor descoperite în timpul celei de-a doua revoluții de superstring. De exemplu, consecințele cosmologice ale existenței membranelor multidimensionale nu sunt încă clare. Cu alte cuvinte, cum se va schimba conceptul primelor momente ale existenței Universului ca urmare a analizei teoriei M finalizate? Această întrebare este cercetată intens.
Doctor în științe fizice și matematice M. SAZHIN (P.K.Sternberg State Astronomical Institute, Moscow State University), V. SHULGA (Institutul Spațial
Fizica teoretică ne oferă încă o dată să ne schimbăm drastic ideile despre lume. Particulele elementare s-au dovedit a fi vibrații ale anumitor superstrings microscopice care vibrează în spațiul șase dimensional (vezi Știința și viața nr. 2, 3, 1997). Și în Universul nostru, pe lângă stele, planete, praf și nebuloase de gaz, au fost descoperite și alte obiecte, de asemenea absolut incredibile - șiruri cosmice. Ele se întind pe întregul Univers de la un orizont la altul, se răsucesc, se sfâșie și se prăbușesc în inele, eliberând o cantitate imensă de energie.
Știință și viață // Ilustrații
Academicianul Yakov Borisovici Zeldovici a lucrat în multe domenii ale fizicii teoretice. Începând cu anii 60, a început să se ocupe de problemele astrofizicii și cosmologiei. În această perioadă, Ya. B. Zeldovich a creat teoria șirurilor cosmice.
Evoluția unui șir cosmic închis poate fi foarte complexă.
O foaie de hârtie plană este un spațiu euclidian în două dimensiuni.
Un val (orice!) „Nu observă” un obstacol ale cărui dimensiuni sunt mult mai mici decât lungimea de undă.
Razele de lumină care trec printr-un strat de aer încălzit neuniform sunt îndoite. Așadar, există un miraj: o persoană ia imaginea cerului cu nori pentru suprafața apei.
Mirajurile apar și în spațiu. Acolo, raze de lumină dintr-un obiect îndepărtat îndoaie câmpul gravitațional al unei galaxii masive - „lentila gravitațională” și pare observatorului că imaginea este dublată.
O navă spațială trece printr-un șir inelar.
Deci, potrivit teoreticienilor, evoluția șirurilor cosmice din momentul nașterii Universului până în zilele noastre.
De pe vremea lui Albert Einstein, una dintre principalele sarcini ale fizicii a fost unificarea tuturor interacțiunilor fizice, căutarea unei teorii de câmp unificate. Există patru interacțiuni principale: electromagnetice, slabe, puternice sau nucleare, iar cea mai universală este gravitațională. Fiecare interacțiune are propriii purtători - sarcini și particule. Pentru forțele electromagnetice, acestea sunt sarcini electrice pozitive și negative (proton și electron) și particulele care poartă interacțiuni electromagnetice sunt fotoni. Așa-numiții bosoni, descoperiți în urmă cu doar zece ani, poartă o interacțiune slabă. Purtătorii unei interacțiuni puternice sunt quarkurile și gluonii. Interacțiunea gravitațională este separată - aceasta este o manifestare a curburii spațiului-timp.
Einstein a lucrat la unificarea tuturor interacțiunilor fizice mai mult de treizeci de ani, dar nu a obținut un rezultat pozitiv. Abia în anii 70 ai secolului nostru, după acumularea unei cantități mari de date experimentale, după ce au realizat rolul ideilor de simetrie în fizica modernă, S. Weinberg și A. Salam au reușit să combine interacțiunile electromagnetice și slabe, creând teoria interacțiunilor electroweak. Pentru această lucrare, cercetătorii împreună cu S. Glashow (care a extins teoria) au primit premiul Nobel pentru fizică din 1979.
O mare parte din teoria interacțiunilor electroweak a fost ciudată. Ecuațiile de câmp au avut o formă neobișnuită, iar masele unor particule elementare s-au dovedit a fi valori variabile. Au apărut ca urmare a acțiunii așa-numitului mecanism dinamic de apariție a maselor în timpul unei tranziții de fază între diferite stări de vid fizic. Vacuumul fizic nu este doar un „loc gol” în care nu există particule, atomi sau molecule. Structura vidului este încă necunoscută, este clar doar că reprezintă cea mai mică stare energetică a câmpurilor materiale cu proprietăți extrem de importante care se manifestă în procese fizice reale. Dacă, de exemplu, la aceste câmpuri este raportată energie foarte mare, va avea loc o tranziție în fază a materiei de la o stare neobservabilă, „vid” la cea reală. De parcă din nimic, vor apărea particule cu masă. Ideea unei teorii de câmp unificate se bazează pe ipoteze despre tranzițiile posibile între diferite stări de vid și concepte de simetrie.
Va fi posibilă verificarea acestei teorii în laborator atunci când energia acceleratorului atinge 10 16 GeV per particulă. Acest lucru nu se va întâmpla curând: astăzi nu depășește 10 4 GeV, iar construcția chiar și a unor astfel de acceleratoare „cu putere mică” este un eveniment extrem de scump chiar și pentru întreaga comunitate științifică mondială. Cu toate acestea, energiile de ordinul 10 16 GeV și chiar mult mai mari au fost în Universul timpuriu, ceea ce fizicienii numesc adesea „acceleratorul săracului”: studiul interacțiunilor fizice din acesta permite penetrarea regiunilor energetice inaccesibile pentru noi.
Afirmația poate părea ciudată: cum se poate investiga ce s-a întâmplat cu zeci de miliarde de ani în urmă? Cu toate acestea, există astfel de "mașini de timp" - acestea sunt niște telescoape puternice moderne care vă permit să studiați obiecte chiar la marginea părții vizibile a Universului. Lumina de la ei ne ajunge la 15-20 de miliarde de ani, astăzi îi vedem așa cum erau în Universul timpuriu.
Teoria combinației de interacțiuni electromagnetice, slabe și puternice a prezis că în natură există un număr mare de particule care nu au fost niciodată observate experimental. Acest lucru nu este surprinzător atunci când aveți în vedere ce energii de neimaginat sunt necesare pentru nașterea lor în interacțiunile particulelor cunoscute pentru noi. Cu alte cuvinte, pentru a observa manifestările lor este din nou necesar să privim Universul timpuriu.
Unele dintre aceste particule nu pot fi chiar numite particule în sensul obișnuit al cuvântului. Este vorba despre obiecte unidimensionale, cu o dimensiune transversală de aproximativ 10 -37 cm (semnificativ mai mică decât nucleul atomic - 10 -13 cm) și o lungime de ordinul diametrului Universului nostru - 40 miliarde de ani lumină (10 28 cm). Academicianul Ya. B. Zeldovich, care a prezis existența unor astfel de obiecte, le-a dat un nume frumos - șiruri cosmice, întrucât ar trebui să semene cu adevărat cu coarde de chitară.
Este imposibil să le creăm în laborator: toată umanitatea nu va avea suficientă energie. Un alt lucru este Universul timpuriu, în care condițiile pentru nașterea șirurilor cosmice au apărut în mod natural.
Deci, șirurile din univers pot fi. Iar astronomii vor trebui să-i găsească.
Turnul Vârfului Observatorului Arizona a dispărut în neagra nopții de martie. Cupola sa uriașă se întoarse încet - ochiul telescopului căuta două stele în constelația Leo. Astronomul prințului Turner, E. Turner, a sugerat că acestea sunt cvasi, surse misterioase, care emit zeci de ori mai multă energie decât cele mai puternice galaxii. Sunt atât de îndepărtate la distanță încât abia sunt vizibile printr-un telescop. Observațiile s-au încheiat. Turner a așteptat ca computerul să descifreze spectrele optice, nici măcar să presupună că, după câteva ore, având în vedere amprente noi cu colegii, va face o descoperire senzațională. Telescopul a descoperit un obiect spațial, existența căruia oamenii de știință nu aveau idee, deși dimensiunile sale sunt atât de mari încât este dificil de imaginat.
Cu toate acestea, este mai bine să începeți povestea despre această poveste dintr-o altă noapte de martie, revenind cu mulți ani în urmă.
În 1979, astrofizicienii, studiind o sursă radio în constelația Ursa Major, au identificat-o cu două stele slabe. Descifrându-și spectrele optice, oamenii de știință și-au dat seama că au descoperit o altă pereche de cvasari necunoscuți.
Se pare că nu este nimic special - căutau un singur quasar, dar au găsit două simultan. Astronomii au fost însă avertizați de două fapte inexplicabile. În primul rând, distanța unghiulară între stele a fost de doar șase secunde de arc. Și deși deja existau mai mult de o mie de cvasari în catalog, astfel de cupluri apropiate nu se întâlniseră încă. În al doilea rând, spectrele de la sursele au coincis complet. Aceasta a fost principala surpriză.
Cert este că spectrul fiecărui cvasar este unic și inimitabil. Uneori, sunt chiar comparate cu cărți de amprentă - la fel cum oameni diferiți nu au aceleași amprente, spectrele a două cvasari nu pot coincide. Și dacă continuăm comparația, coincidența spectrelor optice ale noii perechi de stele a fost doar fantastică - ca și cum nu numai amprentele digitale, dar chiar și cele mai mici zgârieturi de pe ele s-au reunit.
Unii astrofizici considerau „gemenii” o pereche de cvasari diferiți, neconectați. Alții prezintă o presupunere îndrăzneață: cvasarul este unul, iar imaginea sa dublă este pur și simplu un „miraj cosmic”. Toată lumea a auzit despre mirajele terestre care apar în deșerturi și mări, dar nimeni nu a putut încă să observe astfel de lucruri în spațiu. Cu toate acestea, această apariție rară ar trebui să apară.
Obiectele spațiale cu o masă mare creează un câmp gravitațional puternic în jurul lor, care îndoaie razele de lumină care vin de la stea. Dacă câmpul nu este uniform, razele se vor îndoi în unghiuri diferite, iar în loc de o imagine, observatorul va vedea mai multe. Este clar că, cu cât fasciculul este mai puternic, este mai mare cu cât obiectivul gravitațional este mai mare. Ipoteza trebuia verificată. Nu a trebuit să aștept mult, obiectivul a fost găsit în toamna acelui an. O galaxie eliptică, care provoacă o imagine dublă a unui quasar, a fost fotografiată aproape simultan în două observatorii. Și în curând astrofizicienii au descoperit încă patru lentile gravitaționale. Mai târziu, chiar și efectul „microlensing” a fost descoperit - devierea razelor de lumină prin obiecte întunecate foarte mici (prin standarde cosmice) ale scării Pământului nostru sau a planetei Jupiter (vezi Știința și Viața nr. 2, 1994).
Și apoi E. Turner, primindu-se unul cu celălalt, ca două picături de apă, spectre, deschide a șasea lentilă. S-ar părea că evenimentul este obișnuit, ce senzație. Dar de data aceasta, razele duble de lumină au format un unghi de 157 secunde de arc - de zeci de ori mai mare decât înainte. O astfel de abatere ar putea crea doar o lentilă gravitațională, cu o masă de o mie de ori mai mare decât orice cunoscută până acum în Univers. Acesta este motivul pentru care astrofizicienii au sugerat inițial că a fost descoperit un obiect cosmic de dimensiuni fără precedent - ceva ca un superclusor de galaxii.
Poate că această lucrare de importanță poate fi comparată cu rezultate atât de fundamentale precum detectarea pulsarelor, a cvasarelor, stabilirea structurii ochiurilor din Univers. „Lentila” lui Turner este cu siguranță una dintre descoperirile marcante din a doua jumătate a secolului nostru.
Desigur, descoperirea în sine nu este interesantă - încă din anii 40, A. Einstein și astronomul sovietic G. Tikhov au prezis aproape simultan existența focalizării razei gravitaționale. Lucrul de neînțeles este dimensiunea obiectivului. Se dovedește că în spațiu se ascund mase enorme, fără urmă, de o mie de ori superioare tuturor celor cunoscute și a fost nevoie de patruzeci de ani pentru a le găsi.
Lucrările lui Turner de până acum amintesc oarecum de descoperirea planetei Neptun de către astronomul francez Leverrier: o nouă lentilă există și în vârful stiloului. Este calculat, dar nu este detectat.
Desigur, până când apar date fiabile, să spunem, fotografii, puteți face o varietate de presupuneri și presupuneri. Însuși Turner consideră că obiectivul poate fi o „gaură neagră” de o mie de ori mai mare decât galaxia noastră - Calea Lactee. Dar, dacă există o astfel de gaură, ar trebui să provoace o imagine dublă în alte cvasari. Astrofizicienii nu au văzut încă nimic asemănător.
Și aici atenția cercetătorilor a fost atrasă de ipoteza îndelungată și foarte curioasă a șirurilor cosmice. Este greu de înțeles, este pur și simplu imposibil de imaginat clar: șirurile pot fi descrise doar cu formule matematice complexe. Aceste formațiuni unidimensionale misterioase nu emit lumină și au o densitate uriașă - un metru dintr-un astfel de "fir" cântărește mai mult decât Soarele. Și dacă masa lor este atât de mare, atunci câmpul gravitațional, chiar dacă este întins într-o linie, ar trebui să devieze în mod semnificativ razele de lumină. Totuși, lentilele au fost deja fotografiate, iar șirurile cosmice și „găurile negre” există până acum doar în ecuațiile matematicienilor.
Din aceste ecuații rezultă că șirul cosmic care a apărut imediat după Big Bang trebuie să fie „închis” la granițele Universului. Dar aceste granițe sunt atât de departe încât mijlocul șirului „nu le simte” și se comportă ca o bucată de sârmă elastică în zbor liber sau ca o linie de pescuit într-un pârâu furtunos. Șirurile se îndoaie, se suprapun și se rup. Capetele agitate ale corzilor sunt legate imediat, formând piese închise. Atât șirurile cât și fragmentele lor individuale zboară prin Univers cu o viteză apropiată de viteza luminii.
Conform teoriei generale a relativității, masa provoacă o curbură a spațiului-timp. Șirul cosmic îl îndoaie, creând în jurul său așa-numitul spațiu în formă de con. Este puțin probabil să ne imaginăm un spațiu tridimensional pliat într-un con. Să ne întoarcem deci la o simplă analogie. Luați o foaie plată de hârtie - spațiu euclidian în două dimensiuni. Am tăiat un sector din el, să zicem, la 10 grade. Rotiți foaia într-un con, astfel încât capetele sectorului să fie adiacente unele de altele. Obținem din nou spațiu bidimensional, dar deja non-euclidian. Mai precis, va fi euclidian peste tot, cu excepția unui punct - vârful conului. Mersul în jurul oricărei bucle închise care nu acoperă partea superioară duce la o rotație de 360 \u200b\u200bde grade și dacă mergeți în jurul conului în jurul vârfului său, rotația va fi de 350 de grade. Aceasta este una dintre caracteristicile spațiului non-euclidian.
Ceva similar apare în spațiul nostru tridimensional din imediata vecinătate a șirului. Partea superioară a fiecărui con se află pe sfoară, doar sectorul „decupat” de acesta este mic - câteva minute unghiulare. Este la un astfel de unghi că șirul deformează spațiul cu masa sa monstruoasă, iar la această distanță unghiulară este vizibilă o stea gemelă - „mirajul cosmic”. Iar abaterea pe care „obiectivul” lui Turner o creează - aproximativ 2,5 minute în arc - se potrivește foarte bine cu estimările teoretice. La toate celelalte lentile pe care le știm, distanța unghiulară dintre imagini nu depășește secunde unghiulare sau chiar fracții de secunde. Cel mai interesant este că efectul unei lentile gravitaționale asupra unei coarde poate fi văzut fără un telescop: rezoluția ochiului uman este de aproximativ o jumătate de arc de minut. Trebuie doar să știi unde să cauți și să distingi „mirajele” de obiectele reale.
În ce constă un șir cosmic? Aceasta nu contează, nu un lanț de particule, ci un fel special de substanță, energia pură a unor câmpuri - chiar câmpurile care combină interacțiunile electromagnetice, slabe și nucleare. Densitatea lor energetică este colosală (10 16 GeV) 2 și, din moment ce masa și energia sunt conectate prin celebra formulă E \u003d mc 2, șirul este atât de greu: bucata sa, egală în lungime cu dimensiunea unei particule elementare care cântărește aproximativ 10 -24 g, cântărește 10-10 g Forțele de tensiune din ele sunt, de asemenea, foarte mari: în ordinea mărimii, acestea se ridică la 10 38 kgf. Masa soarelui nostru este de aproximativ 2. 10 30 kg, ceea ce înseamnă că fiecare metru al șirului cosmic este întins de forțe egale cu greutatea a o sută de milioane de Sori. O tensiune atât de mare duce la fenomene fizice interesante.
Șirul va interacționa cu substanța? În general, o va face, dar într-un mod destul de ciudat. Diametrul șirului este de 10 -37 cm și, să zicem, electronul este incomparabil mai mare: 10 -13 cm. Orice particulă elementară este de asemenea o undă, care în ordinea mărimii este egală cu dimensiunea sa. O undă nu observă un obstacol dacă lungimea de undă este mult mai mare decât dimensiunea sa: undele radio lungi se apleacă în jurul casei, iar razele de lumină dau o umbră chiar și din obiecte foarte mici. Compararea unei șiruri cu un electron este aceeași cu explorarea interacțiunii unei coarde de 1 centimetru în diametru cu o galaxie de 100 kiloparsec. Pe baza bunului simț, galaxia, se pare, pur și simplu nu ar trebui să remarce frânghia. Dar această frânghie cântărește mai mult decât întreaga galaxie. Prin urmare, interacțiunea va avea loc în continuare, dar va fi similară cu interacțiunea unui electron cu un câmp magnetic. Câmpul răsucește traiectoria electronului, se accelerează și electronul începe să emită fotoni. Când particulele elementare interacționează cu șirul, va apărea și radiația electromagnetică, dar intensitatea acesteia va fi atât de mică încât șirul nu poate fi detectat de la ea.
Dar șirul poate interacționa cu el însuși și cu alte șiruri. Intersecția sau intersecția de sine a șirurilor duce la o eliberare semnificativă de energie sub formă de particule elementare stabile - neutrini, fotoni, gravitoni. Sursa acestei energii sunt inelele închise, care apar în timpul intersecțiilor de sine a șirurilor.
Șirurile cu inele sunt un obiect interesant. Acestea sunt instabile și se degradează pe un timp caracteristic, care depinde de dimensiunea și configurația lor. În acest caz, inelul pierde energie, care este preluat din substanța șirului și este transportat de fluxul de particule. Inelul se micșorează, se contractă și când diametrul său atinge dimensiunea unei particule elementare, șirul se dezintegrează exploziv în 10 -23 secunde cu eliberarea de energie echivalentă cu explozia a 10 Gigatoni (10 10 tone) de TNT.
Fizica șirurilor de inele se încadrează foarte bine într-o teorie curioasă - așa-numita teorie a lumii oglinzilor. Această teorie susține că fiecare tip de particule elementare are un partener. Deci, electronul obișnuit corespunde unui electron oglindă (nu a unui pozitron!), Care are și o sarcină negativă, protonul obișnuit corespunde unui proton oglindă pozitiv, fotonul obișnuit - un foton oglindă ș.a. Aceste două tipuri de materie nu sunt conectate în niciun fel: în lumea noastră fotonii oglindă nu sunt vizibili, nu putem înregistra gluoni oglindă, bosoni și alți purtători de interacțiuni. Dar gravitația rămâne aceeași pentru ambele lumi: masa oglinzilor îndoaie spațiul în același mod ca masa obișnuită. Cu alte cuvinte, pot exista structuri precum stelele binare, în care o componentă este o stea obișnuită în lumea noastră, iar cealaltă este o stea din lumea oglindită, care este invizibilă pentru noi. Astfel de perechi de stele sunt într-adevăr observate, iar componenta invizibilă este considerată de obicei o „gaură neagră” sau o stea neutronă care nu emite lumină. Cu toate acestea, se poate dovedi a fi o stea din substanța oglindă. Și dacă această teorie este adevărată, șirurile de inele servesc ca o trecere dintr-o lume în alta: o trecere prin inel este echivalentă cu o rotație a particulelor cu 180 °, reflectarea lor în oglindă. Un observator, care trece prin inel, își va schimba imaginea în oglindă, va cădea într-o altă lume și va dispărea din a noastră. Acea lume nu va fi o simplă reflectare a Universului nostru, va avea stele, galaxii complet diferite și, eventual, o viață complet diferită. Călătorul va putea să se întoarcă prin zborul prin același (sau orice alt) inel înapoi.
În mod surprinzător, găsim ecouri ale acestor idei în numeroase povești și legende. Eroii lor cad în alte lumi, coborând în fântână, trecând printr-o oglindă sau printr-o ușă misterioasă. Alice lui Carroll, care trece printr-o oglindă, intră într-o lume locuită de figuri de șah și cărți, și căzând într-o fântână, întâlnește animale raționale (sau pe cele pe care le-a luat pentru ele). Interesant este că matematicianul Dodgson, evident, nu știa despre teoria lumii oglinzilor - a fost creat în anii 80 de către fizicienii ruși.
Puteți căuta șiruri folosind diferite metode. În primul rând, prin efectul lentilelor gravitaționale, așa cum a făcut E. Turner. În al doilea rând, este posibilă măsurarea temperaturii CMB în fața și în spatele șirului - va fi diferită. Această diferență este mică, dar destul de accesibilă echipamentelor moderne: este comparabilă cu anisotropia deja măsurată a radiațiilor CMB (vezi Știința și viața nr. 12, 1993).
Există o a treia modalitate de a detecta șirurile - prin radiația lor gravitațională. Forțele de tensiune din șiruri sunt foarte mari, sunt mult mai mari decât forțele de presiune în intestinele stelelor neutronice - surse de unde gravitaționale. Observatorii vor înregistra unde gravitaționale pe dispozitive precum LIGO (SUA), VIRGO (detector european) și detectoare AIGO (Australia), care vor începe să funcționeze la începutul secolului viitor. Una dintre sarcinile stabilite pentru aceste dispozitive este detectarea radiațiilor gravitaționale din șirurile cosmice.
Și dacă toate cele trei metode arată simultan că la un anumit moment al Universului există ceva care se încadrează în teoria modernă, va fi posibil să afirmăm cu încredere că acest obiect incredibil este descoperit. Până în prezent, singura ocazie reală de a observa manifestările șirurilor cosmice este efectul lentilelor gravitaționale asupra lor.
Astăzi, multe observatorii din lume caută lentile gravitaționale: studiind-le, puteți să vă apropiați de dezvăluirea secretului principal al Universului - pentru a înțelege cum funcționează. Pentru astronomi, lentilele servesc ca niște conducători gigantici cu ajutorul cărora poate determina geometria spațiului exterior. Încă nu se știe dacă lumea noastră este închisă, ca un glob sau suprafața unei mingi de fotbal, sau deschisă la infinit. Studiul lentilelor, inclusiv a șirurilor, va afla în mod fiabil.
1Sunt considerate soluții cosmologice ale ecuațiilor de mișcare pentru moduri de câmp eficiente într-un sigma cu șiruri - modelul Universului. Soluțiile cosmologice sunt construite pentru Universul izotrop pe ramura D. Se arată că soluția de tip deflație din metrica șirului coincide cu soluția Friedman din metrica Universului în expansiune.
teoria corzilor
ecuațiile câmpului gravitațional
spațiu curbat - timp
D - ramă
extinderea universului
soluții cosmologice ale lui Friedman
1. Ashtekar A., \u200b\u200bPetkov V. (ed.). Manualul Springer al spațiului. Springer-Verlag. Berlin - Heidelberg, 2014 .-- P. 1-839.
2. Grishkan Yu.S. Influența încălcării invarianței Lorentz asupra proceselor fizice din Universul târziu și a radiațiilor gamma cosmice dure / A.A. Petrukhin, M.Kh. Khokonov // Proceedings of the 5th HMS ETF-2004. - M: MEPhI, 2005. - Volumul 2. - P. 68–78.
3. Ellis J.R., Mavromatos N.E. și D.V. Nanopoulos, Physical Review Letters, - 1992. - v. B 293, pag. 37–42 /.
4. Antoniadis I., Bachas C., Ellis J.R., D.V. Nanopoulos. Liouville string probe. Scrisori de revizuire fizică -1988- v. B 211 - pag. 393-397.
5. Grishkan, Yu S. // Colecția de lucrări a 6-a HMS ETF-2005 volumul 2 - 2005, - Moscova, Institutul de fizică inginerească din Moscova - P. 72–86.
6. John Ellis, N.E. Mavromatos și D.V. Nanopoulos. Cuplarea șirurilor accelerează expansiunea universului./. - 2005. - P. 1-6.
7. Khriplovici I. B. Teoria generală a relativității: manual. pentru universități-1 ed., - M: Institute for Computer Research, 2002. - S. 1–128.
8. Landau L.D., Lifshits E.M. Teoria câmpului: manual. pentru universități - 4 ed. - M: Știința, 1988. - S. 1-503.
De regulă, soluțiile cosmologice care descriu evoluția Universului sunt construite pentru câmpurile (câmpul gravitațional și câmpul energetic întunecat) care descriu spațiul-timp al Universului în expansiune în diferite etape ale evoluției. Cu toate acestea, recent a existat încrederea că teoria câmpurilor, atât clasică cât și cuantică, nu descrie unele dintre proprietățile esențiale ale lumii macroscopice observate și, în special, fluctuațiile cuantice.
O structură mai fundamentală decât structura câmpului este structura de șiruri a spațiului-timp,. În această teorie, șirurile iau locul câmpurilor și sunt folosite pentru a descrie atât particulele elementare, cât și fluctuațiile cuantice ale vidului.
Ecuațiile de mișcare pentru modurile de câmp eficiente într-un sigma de șir - model în conformitate cu forma:
unde μ, ν, .. \u003d 0,1,2,3, G μν este metrica de pe șir, R μν este curbura Einstein a spațiului-timp pe ramă, Ф este câmpul de dilatare neliniară scalară, H μνρ este tensorul antisimetric care descrie câmpul pseudoscalar. B, α 'constantă - panta regg.
Destul de non-banal se pune problema construirii de soluții cosmologice în acest model. Dacă în modelul de câmp timpul este determinat simultan cu câmpul, atunci în modelul efectiv al șirurilor de Liouville, câmpul de dilatat Φ în sine acționează ca timp - unul dintre câmpurile de fundal ale modelului. Prin urmare, este necesar să identificăm acest pseudo-timp Ф cu timpul mondial t. Într-o serie de lucrări, o conexiune este obținută între t și Ф:
. (2)
Drept urmare, așa cum se arată în timpul lui Einstein într-un Univers în expansiune, acesta este legat de timp pe filiera mondială a unui model de șir sigma prin relația
unde c 1,0 sunt constante pozitive.
Când se construiesc soluții de ecuații (1), evoluția dinamică a acestor soluții este urmărită în timp t D - ramele, pentru care ecuațiile (1) sunt adevărate. Orice soluție cosmologică exactă poate fi transferată din acest moment în timpul universului Einstein instabil observat folosind formula (3). Principala dificultate în construirea cosmologiei cu coarde este dificultatea asociată cu clasificarea etapelor evoluției dinamice a unei structuri de coarde. Această problemă este legată de faptul că aparatul folosit pentru a descrie evoluția structurii șirurilor în timp conține caracteristicile a două abordări diferite ale descrierii lumii micro și macro - teoria împrăștierii și teoria dinamică a evoluției timpului.
O reflectare a acestei dileme în aparatul matematic al teoriei este lipsa unei relații dinamice funcționale între timpul de împrăștiere a unei particule pe ramura D, care este fixată de metrica G înc (t) încorporată (și care descrie evoluția dinamică a lumii pe ramă) cu timpul Universului în expansiune.
Ideea noastră este să construim soluții cosmologice în timpul t cu transferul lor ulterior în timpul cosmologic al lumii observate t E conform formulei (3). Dacă se obțin soluții cosmologice cunoscute cu semnificație fizică, atunci va fi posibilă construirea unei secvențe în timp a evoluției lumii pe ramă corespunzătoare evoluției modurilor colective ale modelului cosmologic cu șir, ținând cont de fluctuațiile din geometria lumii.
Haideți să facem un pas paradoxal în exterior. Să construim soluții cosmologice care să descrie stadiul inflației pe ramă. De ce, în funcție de identitatea câmpului dilatat cu timpul conform formulei:
unde Q este o constantă numită „încărcarea centrală a ramelor”
Pentru comoditate, stabilim constanta pantei Regge α "\u003d 1. Apoi, conform (1) și (4), ecuațiile iau forma:
. (5)
Vom căuta o soluție pentru câmpul B, ca în lucrarea sub forma:
unde β \u003d const.
Definiți metrica de pe ramul D în forma cosmologică a 4-a standard
Atunci determinantul metricului poate fi reprezentat ca:
Astfel, puterea pseudoscalară a câmpului poate fi scrisă ca
unde E μνρσ este Levi antisimetric covariant 4 dimensional - simbol Civita.
Următoarele (6) și (11), obținem:
Acum ecuațiile (1) care descriu evoluția lumii în timp a ramelor D sunt simplificate:
(14)
În urma calculelor, obținem în continuare componentele tensorilor R 00, R ij în funcție de factorul de scară al modelului a (t) și îl calculăm. Numărul constantelor de model independente poate fi redus dacă presupunem că direcția timpului pe ramă nu este curbată R 00 \u003d 0 și încărcarea centrală pe ramă este exprimată astfel încât soluția are un caracter inflaționist:
Apoi, componentele tensiunii curburii Ricci iau forma:
unde punctul indică derivatul timpului
Transformăm produsul punctelor forte:
Astfel, poate fi scrisă pe baza (17) și (18):
(19)
Vom căuta o soluție la aceste ecuații cosmologice sub forma:
unde sunt constante necunoscute.
Înlocuind aceste formule în (19), (20), obținem următoarele relații între constantele dependente ale modelului:
Apoi, deciziile cosmologice iau forma:
Soluția construită descrie o compresie exponențială rapidă (deflația Universului pe o ramă D). Acum este necesar să transpunem aceste decizii din timpul ramelor în timpul de expansiune al Universului de către Einstein. Pentru aceasta, folosim relația (3).
Calculăm expresia pentru factorul de scară a (t E) din Universul observabil.
Din (3), (24) rezultă
Constanta c1 este apoi originea timpului t E. Însuși timpul cosmologic al lui Einstein
Să introducem notația acceptată în teoria modelelor cosmologice ale lui Friedmann. Notăm momentul începutului expansiunii Universului ca t 0 \u003d c 1. Apoi
Din (27), (28) rezultă
Soluția (29) este soluția cosmologică a lui Friedman pentru timpul fizic t E, care descrie extinderea Universului în etapa dominanței dinamice a materiei asupra materiei întunecate, adică. stadiul compresiei rapide („deflația” ramurii D) corespunde, pentru observatorul asociat cu substanța care formează lumea în expansiune, expansiunii exponențiale a Universului conform legii lui Friedman în teoria generală a relativității a lui Einstein.
Soluția construită (29) ne permite să conectăm stadiul final al evoluției unei lumi în expansiune cu una dintre etapele evoluției dinamice, care face parte din defecte nonlocale care descriu fluctuațiile cuantice ale metricii. Anume, comportamentul deflaționist al metricii nesigure a D-ramului corespunde extinderii lumii externe incluzive, în conformitate cu legea Friedmann pentru materia baryonică.
Referință bibliografică
Grishkan Yu.S. SOLUȚIA COSMOLOGICĂ A UNUI SIGMA - UN MODEL AL UNIVERSULUI ÎN STADIUL PREVENȚIEI MATERIEI Peste RADIAȚIE // Jurnalul Internațional de Cercetări Aplicate și Fundamentale. - 2015. - Nr. 12-1. - S. 31-33;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id\u003d7809 (data accesării: 15/06/2019). Vă aducem în atenție revistele publicate de editura Academiei de Științe Naturale
Un factor care complică foarte mult înțelegerea cosmologiei șirurilor este înțelegerea teoriilor cu coarde. Teoriile cu șiruri și chiar teoria M sunt doar cazuri limitante ale unor teorii mai mari, mai fundamentale.
După cum am menționat deja, cosmologia cu coarde pune mai multe întrebări importante:
1. Teoria cu coarde poate face predicții despre fizica Big Bang?
2. Ce se întâmplă cu dimensiunile suplimentare?
3. Există inflație în cadrul teoriei șirurilor?
4. Ce ne poate spune teoria șirurilor despre gravitația cuantică și cosmologie?
String cosmologie cu consum redus de energie
Cea mai mare parte a materiei din Univers este sub formă de materie întunecată necunoscută nouă. Unul dintre principalii candidați pentru rolul materiei întunecate este așa-numitul muierilorparticule masive care interacționează slab ( wimp - Weakly eunteracting Massive Particol). Candidatul principal pentru rolul WIMP este un candidat pentru supersimetrie. Modelul standard Supersimetric minim (MSSM, sau în transcrierea în limba engleză MSSM - Minimal Supersymmetric Standard Model) prezice existența unei particule cu spin 1/2 (fermion) numită neutralino, care este un partener fermion al bosonilor de calibru neutru electric și scalelor Higgs. Neutralino ar trebui să aibă o masă mare, dar în același timp interacționează foarte slab cu alte particule. Ele pot constitui o parte semnificativă a densității din Univers și nu emit lumină, ceea ce le face un bun candidat pentru rolul materiei întunecate în UniversTeoriile cu șiruri necesită supersimetrie, așa că, în principiu, dacă neutralinosul este deschis și se dovedește că materia întunecată este formată din ei, ar fi frumos. Dar dacă supersimetria nu este ruptă, atunci fermionii și bosonii sunt identici unul cu celălalt, iar acest lucru nu este așa în lumea noastră. Partea cu adevărat dificilă a tuturor teoriilor supersimetrice este cum să rupi supersimetria, dar, în același timp, să nu pierzi toate avantajele pe care le oferă.
Unul dintre motivele pentru care fizicienii cu coarde și fizicienii elementari adoră teoriile suprasimetrice este că, în cadrul teoriilor supersimetrice, se obține zero energie totală vid, deoarece vacuurile fermionice și bosonice se anulează reciproc. Și dacă supersimetria este ruptă, atunci bosonii și fermionii nu mai sunt identici unul cu celălalt și o astfel de reducere reciprocă nu are loc.
Din observațiile supernovelor îndepărtate rezultă cu o acuratețe bună că expansiunea Universului nostru (cel puțin deocamdată) este accelerată datorită prezenței unui tip de energie de vid sau a unei constante cosmologice. Deci, indiferent de modul în care supersimetria a fost spartă în teoria șirurilor, este necesar ca rezultatul să fie cantitatea „potrivită” de energie în vid pentru a descrie expansiunea accelerată curentă. Și aceasta este o provocare pentru teoreticieni, deoarece până în prezent toate metodele de rupere a supersimetriei dau prea multă energie în vid.
Cosmologie și dimensiuni suplimentare
Cosmologia șirurilor este foarte confuză și complicată în principal datorită prezenței a șase (sau chiar șapte în cazul teoriei M) dimensiuni spațiale suplimentare, care sunt necesare pentru consistența cuantică a teoriei. ele reprezintă o provocare chiar în cadrul teoriei de coarde în sine și, din punctul de vedere al cosmologiei, aceste dimensiuni suplimentare evoluează în conformitate cu fizica Big Bang-ului și cu ceea ce a venit înainte. Atunci ce împiedică dimensiunile suplimentare să se extindă și să devină la fel de mari ca cele trei dimensiuni spațiale?Cu toate acestea, există un factor de corecție la un factor de corecție: superstring dublă simetrie cunoscută sub numele de dualitate T. Dacă dimensiunea spațială este minimizată la un cerc de raza R, teoria șirurilor rezultate va fi echivalentă cu o altă teorie a șirurilor cu dimensiunea spațială minimizată la un cerc cu raza L st 2 / R, unde L st este scara lungimii șirului. Pentru multe dintre aceste teorii, când raza dimensiunii suplimentare satisface condiția R \u003d L st, teoria șirurilor obține o simetrie suplimentară cu unele particule masive care devin fără masă. Se numeste punct auto-realizat și este important din multe alte motive.
Această dublă simetrie duce la o presupunere foarte interesantă cu privire la Univers înainte de Big Bang - un astfel de șir Univers începe plat, rece și foarte mic afirmă în loc să fie răsucite, fierbinți și foarte mici. Acest Univers timpuriu este foarte instabil și începe să se prăbușească și să se contracte până ajunge la punctul auto-dual, după care se încălzește și începe să se extindă și, ca urmare a expansiunii, duce la Universul observabil actual. Avantajul acestei teorii este că include comportamentul șir al dualității T și punctul auto-dual descris mai sus, deci această teorie este destul de o teorie a cosmologiei cu coarde.
Inflația sau coliziunea ramurilor uriașe?
Ce prezice teoria șirurilor despre sursa de energie și presiunea vidului necesare pentru a efectua o expansiune accelerată în perioada inflaționistă? Câmpurile scalare care ar putea provoca expansiunea inflaționistă a Universului, pe scara Teoriei Marii Unificări, pot fi implicate în procesul de rupere a simetriei la solzi puțin mai mari decât electroweak-ul, determină constanțele de cuplare ale câmpurilor de calibrare și poate chiar prin ele se obține energia de vid pentru constanta cosmologică. Teoriile cu șiruri au componente pentru modelele de construcție cu rupere de supersimetrie și inflație, dar trebuie să asamblați toate aceste componente, astfel încât să funcționeze împreună, iar acest lucru este încă în curs de dezvoltare.Acum, unul dintre modelele alternative de inflație este modelul cu coliziune de ramuri giganticede asemenea cunoscut ca si Universul Unirotic sau Bumbac mare. În cadrul acestui model, totul începe cu un spațiu-timp de cinci dimensiuni rece, static, care este foarte aproape de a fi complet supersimetric. Patru dimensiuni spațiale sunt limitate de pereți tridimensionali sau tri-brane, iar unul dintre acești ziduri este spațiul în care trăim. A doua ramă este ascunsă de percepția noastră.
Conform acestei teorii, există o altă tri-ramă, „pierdută” undeva între două ramuri de graniță într-un spațiu învelitor în patru dimensiuni, iar când această ramă se ciocnește cu ramă pe care trăim, energia eliberată din această coliziune încălzește ramul nostru iar în universul nostru începe Big Bang-ul conform regulilor descrise mai sus.
Această presupunere este suficient de nouă, așa că să vedem dacă va rezista la verificări mai precise.
Problema de accelerare
Problema cu expansiunea accelerată a Universului este o problemă fundamentală nu numai în cadrul teoriei șirurilor, ci chiar în cadrul fizicii elementare tradiționale de particule. În modelele eterne de inflație, expansiunea accelerată a universului este nelimitată. Această expansiune nelimitată duce la o situație în care un observator ipotetic care călătorește pentru totdeauna prin univers nu poate vedea niciodată părți ale evenimentelor din univers.Limita dintre o regiune pe care un observator o poate vedea și una pe care nu o poate vedea este numită orizontul evenimentelor observator. În cosmologie, orizontul de eveniment este similar cu orizontul de particule, dar cu excepția faptului că este în viitor, și nu în trecut.
Din punctul de vedere al filozofiei umane sau al consistenței interne a teoriei relativității lui Einstein, pur și simplu nu există nicio problemă cu orizontul cosmologic al evenimentelor. Deci, dacă nu putem vedea niciodată unele colțuri ale universului nostru, chiar dacă trăim pentru totdeauna?
Însă problema orizontului de eveniment cosmologic este principala problemă tehnică în fizica energiei ridicate datorită definiției teoriei cuantice relativiste în termeni de un set de amplitudini de împrăștiere numite S-matrice. Una dintre ipotezele fundamentale ale teoriilor relativistice cuantice și a teoriilor cu șiruri este că stările de intrare și cele de ieșire sunt infinit separate în timp și, prin urmare, ele se comportă ca state libere care nu interacționează.
Prezența unui orizont de eveniment sugerează o temperatură finală Hawking, astfel încât condițiile pentru determinarea matricei S nu mai pot fi îndeplinite. Absența unei matrice S este acea problemă matematică formală și apare nu numai în teoria șirurilor, ci și în teoriile elementare ale particulelor.
Unele încercări recente de soluționare a acestei probleme au atras geometria cuantică și o schimbare a vitezei luminii. Dar aceste teorii sunt încă în curs de dezvoltare. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt de acord că totul poate fi rezolvat fără a implica astfel de măsuri drastice.
Mitul începutului timpului Gabrielle Veneziano
Conform teoriei coardelor, Big Bang-ul nu a fost începutul formării Universului, ci doar o consecință a stării sale anterioare.
Big Bang-ul a fost începutul timpului sau Universul a existat înaintea lui? În urmă cu aproximativ zece ani, o astfel de întrebare părea ridicolă. Cosmologii nu au avut mai mult sens să se gândească la ce s-a întâmplat înainte de Big Bang decât în \u200b\u200bcăutarea unei căi care pleacă de la Polul Nord spre nord. Dar dezvoltarea fizicii teoretice și, în special, apariția teoriei de coarde i-a făcut pe oamenii de știință să se gândească din nou la epoca inițială.
Întrebarea începutului a început să-i intereseze pe filosofi și teologi din cele mai vechi timpuri. El este împletit cu multe probleme fundamentale, care sunt reflectate în celebrul tablou de Paul Gauguin „D” ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? "(„ De unde am venit? Cine suntem? Unde mergem? ") Pânza înfățișează ciclul etern: naștere, viață și moarte - originea, identificarea și scopul fiecărui individ. Încercând să înțelegem originea noastră, noi ne extindem arborele genealogic la generațiile trecute, formele timpurii de viață și proto-viața, elemente chimice care au apărut în Universul tânăr și, în sfârșit, la energia amorfă și acel spațiu odată umplut. Arborele nostru genealogic se întoarce la infinit sau cosmos nu este atât de etern. Și noi?
| Prezentare generală: COSMOLOGIE STRING
|
Chiar și grecii antici se certau cu înverșunare despre originea timpului. Aristotel a respins ideea unui anumit început, explicând acest lucru prin faptul că nimic nu rezultă din nimic. Și întrucât Universul nu a putut să apară din inexistență, înseamnă că a existat întotdeauna. Astfel, timpul trebuie să se extindă la nesfârșit în trecut și în viitor. Teologii creștini au apărat punctul de vedere opus. Astfel, Fericitul Augustin a susținut că Dumnezeu există în afara spațiului și timpului și le poate crea în același mod ca și alte aspecte ale lumii noastre. La întrebarea "Ce a făcut Dumnezeu înainte de a crea lumea?" celebrul teolog a răspuns: „Timpul în sine este parte a creației lui Dumnezeu, pur și simplu nu mai era timp înainte!”
Cosmologii moderni au ajuns la o concluzie similară pe baza teoriei generale a relativității lui Einstein, conform căreia spațiul și timpul sunt entități moi, pliabile. La scară universală, spațiul este inerent dinamic: în timp, se extinde sau se contractă, trăgând materia împreună. În anii 1920 astronomii au confirmat că universul nostru se extinde în prezent: galaxiile se îndepărtează unele de altele. De aici rezultă că timpul nu se poate extinde la nesfârșit în trecut - în anii '60. acest lucru a fost dovedit de Steven Hawking și Roger Penrose. Dacă privim istoria cosmică în ordine inversă, vom vedea cum toate galaxiile par să cadă într-o gaură neagră și se micșorează într-un singur punct infinit de mic - o singularitate. În acest caz, densitatea materiei, temperatura ei și curbura spațiului-timp devin infinite. În ceea ce privește singularitatea, genealogia noastră cosmică se desparte și nu poate merge mai departe în trecut.
Ciudată coincidență
Singularitatea inevitabilă este o problemă cosmologică gravă. În special, este slab în concordanță cu gradul ridicat de omogenitate și izotropie care caracterizează Universul la scară globală. Deoarece cosmosul în sensul larg al cuvântului a devenit același pretutindeni, înseamnă că a existat un fel de legătură între regiunile îndepărtate ale spațiului care coordona proprietățile sale. Totuși, acest lucru contrazice vechea paradigmă cosmologică.
Să analizăm ce s-a întâmplat în cei 13,7 miliarde de ani care au trecut de la apariția radiațiilor relicve. Datorită extinderii Universului, distanța dintre galaxii a crescut de 10 mii de ori, în timp ce raza Universului observat a crescut mult mai mult - aproximativ 1 milion de ori (deoarece viteza luminii depășește viteza de expansiune). Astăzi observăm acele zone ale universului pe care nu le puteam vedea acum 13,7 miliarde de ani. Pentru prima dată în istoria spațială, lumina din cele mai îndepărtate galaxii a ajuns pe Calea Lactee.
Cu toate acestea, proprietățile Căii Lactee sunt practic aceleași cu cele ale galaxiilor îndepărtate. Dacă la o petrecere întâlnești doi oameni la fel de îmbrăcați, atunci acest lucru poate fi explicat printr-o simplă coincidență. Cu toate acestea, dacă există zece persoane în costume similare, înseamnă că au fost de acord în prealabil cu privire la uniformă. Astăzi observăm zeci de mii de secțiuni independente ale sferei cerești, cu caracteristici identice statistic ale fondului relict. Poate că astfel de zone de spațiu erau identice la naștere, adică. omogenitatea universului este o simplă coincidență. Cu toate acestea, fizicienii au venit cu alte două explicații mai plauzibile: la stadiul inițial de dezvoltare, Universul era fie mult mai mic, fie mult mai vechi decât se credea anterior.
Cel mai adesea, este preferată prima alternativă. Se crede că tânărul Univers a trecut printr-o perioadă de inflație, adică. accelerarea expansiunii. Înainte de el, galaxiile (mai exact, strămoșii lor) erau foarte dens împachetate și, prin urmare, deveneau asemănătoare între ele. În timpul inflației, ei au pierdut contactul, căci lumina nu a putut ține pasul cu expansiunea frenetică. Când s-a încheiat inflația, expansiunea a început să încetinească și galaxiile au intrat din nou în vizor reciproc.
Vinovatul creșterii inflaționiste rapide în fizică este considerat energia potențială acumulată la 10-35 de secunde după Big Bang într-un câmp cuantic special - inflaton. Energia potențială I, în contrast cu masa de odihnă și energia cinetică și, duce la repulsie gravitațională. Gravitația materiei obișnuite ar încetini expansiunea, în timp ce inflatul, dimpotrivă, ar accelera. Teoria inflației apărută în 1981 explică cu exactitate rezultatele mai multor observații (vezi raportul special Four Keys to Cosmology, In World of Science, nr. 5, 2004). Cu toate acestea, încă nu este clar ce a fost inflatonul și de unde provenea din atâta energie potențială și.
A doua alternativă implică respingerea singularității. Dacă timpul nu a început la vremea Big Bang-ului și Universul a apărut cu mult înainte de începutul expansiunii cosmice actuale, atunci materia a avut suficient timp pentru a se organiza cu ușurință. Prin urmare, oamenii de știință au decis să revizuiască raționamentul care duce la ideea unei singularități.
| DOUĂ VERSII |
| În universul nostru în expansiune, galaxiile se împrăștie ca o mulțime împrăștiată. Se îndepărtează unul de celălalt la o viteză proporțională cu distanța dintre ele: galaxiile separate cu 500 de milioane de ani-lumină se rulează de două ori mai repede decât galaxiile separate cu 250 de milioane de ani-lumină. Astfel, toate galaxiile pe care le-am observat trebuiau să înceapă simultan din același loc în momentul Big Bang-ului. Acest lucru este adevărat chiar dacă expansiunea cosmică trece prin perioade de accelerare și decelerare. Pe diagramele spațiului și timpului (vezi mai jos), galaxiile se deplasează pe căile înfășurate către și dinspre partea observabilă a spațiului (pană galbenă). Cu toate acestea, încă nu se știe exact ce se întâmpla în momentul în care galaxiile (sau predecesorii lor) au început să zboare. |
Pare extrem de îndoielnic faptul că teoria relativității este întotdeauna valabilă. Până la urmă, nu ține cont de efectele cuantice, care ar fi trebuit să domine aproape de singularitate. Pentru a înțelege în final totul, trebuie să includeți teoria generală a relativității în teoria cuantică a gravitației. Teoreticienii au luptat pentru această sarcină de la Einstein, dar abia la mijlocul anilor '80. afacerile s-au mutat din pământ.
Evoluția revoluției
Astăzi sunt luate în considerare două abordări. În teoria gravitației cuantice cuantice, teoria relativității rămâne esențial neatinsă, doar procedura pentru aplicarea ei în mecanica cuantică se schimbă (vezi articolul lui Lee Smolin „Atomi din spațiu și timp”, „În lumea științei”, nr. 4, 2004). În ultimii ani, susținătorii gravitației cuantice cu buclă au făcut mari pași și o înțelegere profundă, dar abordarea lor nu este suficient de cardinală pentru a rezolva problemele fundamentale ale cuantificării gravitației. Experții în teoria particulelor elementare s-au confruntat cu o problemă similară. În 1934, Enrico Fermi a propus o teorie eficientă a interacțiunii nucleare slabe, dar încercările de a construi o versiune cuantică a acesteia au eșuat la început. Ceea ce era necesar nu era o tehnică nouă, ci schimbări conceptuale, care erau întruchipate în teoria interacțiunii electroweak propuse de Sheldon Glashow, Steven Weinberg și Abdus Salam la sfârșitul anilor '60.
A doua abordare mi se pare mai promițătoare - teoria coardelor, o modificare cu adevărat revoluționară a teoriei lui Einstein. A ieșit dintr-un model pe care l-am propus în 1968 pentru a descrie particulele nucleare (protoni și neutroni) și interacțiunile lor. Din păcate, modelul nu a avut un succes în totalitate, iar câțiva ani mai târziu a fost abandonat, preferând cromodinamica cuantică, conform căruia protonii și neutronii constau din quark. Acestea din urmă se comportă ca și cum sunt conectate prin șiruri elastice. Inițial, teoria șirurilor a fost dedicată descrierii proprietăților șirurilor din lumea nucleară. Cu toate acestea, în curând a început să fie considerată o posibilă opțiune pentru combinarea teoriei generale a relativității și mecanicii cuantice.
Ideea de bază este că particulele elementare nu sunt particule punctuale, ci obiecte unidimensionale infinit subțiri numite șiruri. O familie extinsă de particule elementare diverse este reflectată în numeroasele forme posibile de vibrații cu coarde. Cum descrie o astfel de teorie simplă lumea complexă a particulelor și interacțiunile lor? Secretul este în așa-numitele magii și șiruri cuantice. De îndată ce regulile mecanicii cuantice sunt aplicate unei șiruri vibratoare de-a lungul căreia vibrațiile se propagă cu viteza luminii, apar noi proprietăți care sunt strâns legate de fizica elementară și de cosmologie.
În primul rând, șirurile cuantice au o dimensiune finită. Un șir de vioară obișnuit (non-cuantic) ar putea fi tăiat la jumătate, apoi una dintre jumătăți ar fi din nou sfărâmată în două părți și așa mai departe, până când s-ar obține o particulă punct cu masă zero. Cu toate acestea, principiul incertitudinii Heisenberg nu ne permite să împărțim o coardă în părți mai scurte de aproximativ 10-34 m lungime. Cea mai mică cantitate de lungime este notată de ls și este o constantă naturală, care în teoria șirurilor este egal cu viteza luminii c și constanta lui Planck.
În al doilea rând, chiar șiruri cuantice fără masă pot avea un moment unghiular. În fizica clasică, un corp cu masă zero nu poate avea un moment unghiular, deoarece este definit ca produsul vitezei, masei și distanței față de axă. Dar fluctuațiile cuantice fac diferența. Momentul unghiular al unei șiruri minuscule poate atinge 2h, chiar dacă masa sa este zero, ceea ce corespunde exact proprietăților purtătorilor tuturor forțelor fundamentale cunoscute, cum ar fi un foton și graviton. Istoric, această particularitate a momentului unghiular a atras atenția asupra teoriei corzilor ca candidat la titlul de teorie a gravitației cuantice.
În al treilea rând, șirurile cuantice necesită existența unor dimensiuni spațiale suplimentare. Un șir de vioară clasic va fluctua indiferent de proprietățile spațiului și timpului. Un șir cuantic este mai fin: ecuațiile care descriu vibrațiile sale rămân consecvente doar dacă spațiul-timp este puternic curbat (ceea ce contrazice observațiile) sau conține șase dimensiuni suplimentare.
În al patrulea rând, constantele fizice, care determină proprietățile naturii și sunt incluse în ecuațiile care reflectă legea Coulomb și legea gravitației universale, încetează să fie constante independente, fixe. În teoria șirurilor, valorile lor sunt stabilite dinamic de câmpuri similare cu cele electromagnetice. Posibil, intensitatea câmpului nu a fost aceeași în diferite epoci cosmologice sau în zone îndepărtate ale spațiului. Teoria șirurilor va primi o confirmare experimentală serioasă dacă oamenii de știință reușesc să înregistreze cel puțin o ușoară schimbare a constantelor fizice.
Locul central în teoria șirurilor este ocupat de unul dintre astfel de câmpuri - dilaton. Determină puterea generală a tuturor interacțiunilor. Valoarea dilatatului poate fi interpretată ca dimensiunea dimensiunii spațiale suplimentare - a 11-a la rând.
| TEORIA CORZILOR |
| Teoria șirurilor este cea mai promițătoare (deși nu este singura) teorie care încearcă să descrie ce s-a întâmplat la momentul Big Bang. Șirurile sunt obiecte materiale foarte asemănătoare cu șirurile de vioară. Când violonistul își mișcă degetele de-a lungul punții instrumentului, acesta reduce lungimea corzilor și determină o creștere a frecvenței vibrațiilor și, în consecință, a energiei și. Dacă șirul este scurtat la dimensiuni sub-subatomice, efectele cuantice vor începe să acționeze, prevenind o scădere suplimentară a lungimii.
Un șir subatomic nu poate doar să se miște în întregime sau să oscileze, ci și să se onduleze ca un arc. Presupunem că spațiul are o formă cilindrică. Dacă circumferința este mai mare decât lungimea minimă admisă a șirului, creșterea vitezei de mișcare necesită un mic creștere de energie și, fiecare rotație - una mare. Cu toate acestea, dacă cercul este mai scurt decât lungimea minimă, se consumă mai puțină energie pe un viraj suplimentar decât pe o creștere a vitezei. În consecință, energia totală efectivă a sinelui rămâne neschimbată. Un șir nu poate fi mai scurt decât o cantitate de lungime, prin urmare, o substanță, în principiu, nu poate fi infinit de densă.
|
Legare la capăt liberă
În cele din urmă, șirurile cuantice i-au ajutat pe fizicieni să descopere un nou tip de simetrie naturală - dualismul, care ne schimbă înțelegerea intuitivă a ceea ce se întâmplă atunci când obiectele devin extrem de mici. M-am referit deja la una dintre formele dualismului: de obicei, un șir lung este mai greu decât unul scurt, dar dacă încercăm să-l facem mai scurt decât lungimea fundamentală, atunci va începe din nou să devină mai greu.
Deoarece șirurile se pot mișca în moduri mai complexe decât particulele punctuale, există o altă formă de simetrie - dualismul T, care este exprimat în faptul că dimensiunile suplimentare mici și mari sunt echivalente. Luați în considerare un șir închis (buclă) situat într-un spațiu cilindric, a cărui secțiune circulară are o dimensiune suplimentară finită. Șirul nu poate doar să oscileze, ci și să se rotească în jurul cilindrului sau să se înfășoare în jurul acestuia (vezi Fig. Deasupra).
Valoarea energetică a ambelor stări a șirului depinde de dimensiunea dimensiunii suplimentare. Energia de lichidare este direct proporțională cu raza sa: cu cât cilindrul este mai mare, cu atât șirul este mai puternic și cu atât mai multă energie și se depozitează. Pe de altă parte, energia I asociată cu rotația este invers proporțională cu raza: cilindrii cu o rază mai mare corespund undelor mai lungi, ceea ce înseamnă frecvențe mai mici și valori mai mici de energie și. Dacă un cilindru mare este înlocuit cu unul mic, două stări de mișcare pot schimba rolurile: energia I asociată cu rotația poate fi asigurată prin înfășurare și invers. Observatorul extern observă doar magnitudinea energiei și, nu și originea ei, prin urmare, pentru el, razele mari și mici sunt echivalente fizic.
Deși dualismul T este de obicei descris prin exemplul de spații cilindrice în care una dintre dimensiuni (cercul) este finită, una dintre variantele sale se aplică la cele trei dimensiuni obișnuite, care par să se extindă la infinit. Trebuie să vorbim cu precauție despre extinderea spațiului infinit. Dimensiunea sa totală nu se poate schimba și rămâne infinit. Cu toate acestea, se poate extinde în sensul e, că corpurile situate în ea (de exemplu, galaxii) se pot îndepărta unul de celălalt. În acest caz, nu este important dimensiunea spațiului în ansamblu, ci factorul său de scară, conform căruia există o schimbare a distanțelor dintre galaxii și grupurile lor, vizibilă în redshift. Conform principiului dualismului T, universurile cu factori de dimensiuni mici și mari sunt echivalente. În ecuațiile lui Einstein nu există o astfel de simetrie; este o consecință a unificării încheiate în teoria șirurilor, dilatatul jucând un rol central.
S-a crezut cândva că dualismul T este inerent numai în șirurile închise, deoarece șirurile deschise nu pot fi înfășurate, deoarece capetele lor sunt libere. În 1995, Joseph Polchinski de la Universitatea din California, Santa Barbara, a arătat că principiul dualismului T se aplică șirurilor deschise atunci când trecerea de la raze mari la mici este însoțită de o schimbare a condițiilor la capetele șirului. Înainte de asta, fizicienii credeau că nicio forță nu acționează la capetele șirurilor și că sunt absolut libere. În același timp, dualismul T este asigurat de așa-numitele condiții de graniță ale lui Dirichlet, sub care se fixează capetele șirurilor.
Condițiile de la limita de șir pot fi amestecate. De exemplu, electronii se pot dovedi a fi șiruri ale căror capete sunt fixate în șapte dimensiuni spațiale, dar se mișcă liber în celelalte trei, formând un subspaț cunoscut sub numele de membrana Dirichlet, sau membrana D. În 1996, Petr Horava de la Universitatea din California și Edward Witten de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, au sugerat că universul nostru este situat doar pe o astfel de membrană (vezi articolele „Informații în Univers holografic ",„ În lumea științei ", nr. 11, 2003 și" Cine a încălcat legea gravitației? "," În lumea științei ", nr. 5, 2004). Incapacitatea noastră de a percepe toată măreția în 10 dimensiuni a spațiului se explică prin mobilitatea limitată a electronilor și a altor particule.
| SCENARIO EXPLOSIV | ||||||||||||
 Prima încercare de aplicare a teoriei corzilor la cosmologie a fost dezvoltarea așa-numitului scenariu pre-exploziv, conform căruia Big Bang-ul nu a fost momentul apariției Universului, ci pur și simplu o etapă de tranziție. Înainte de aceasta, expansiunea s-a accelerat și după aceasta a încetinit (cel puțin la început). Calea galaxiei în spațiu-timp (dreapta) are forma unui pahar.
|
||||||||||||
Adormirea infinitului
Toate proprietățile magice ale șirurilor cuantice indică faptul că urăsc infinitul. Șirurile nu pot fi strânse la un punct infinit de mic și, prin urmare, paradoxurile asociate cu prăbușirea sunt neobișnuite pentru ele. Diferența în mărimea lor de la zero și tipurile noi de simetrie stabilesc limite superioare pentru creșterea cantităților fizice și a celor inferioare pentru cele în scădere. Teoreticienii cu șiruri consideră că, dacă jucați istoria universului înapoi, curbura spațiului timpului va crește. Cu toate acestea, nu va deveni infinit, ca în singularitatea tradițională Big Bang: la un moment dat, valoarea sa va atinge și va începe să scadă din nou. Înainte de apariția teoriei corzilor, fizicienii erau disperați să vină cu un mecanism care putea elimina atât de curat singularitatea.
 |
|
| Fiind atrase între ele, două membrane aproape goale sunt comprimate într-o direcție perpendiculară pe direcția de mișcare. | Membranele se ciocnesc, iar energia lor cinetică se transformă în materie și radiație. Această coliziune este Big Bang. |
 |
|
Condițiile apropiate de punctul zero în timp corespunzător începutului Big Bang-ului sunt atât de extreme încât nimeni nu știe să rezolve ecuațiile corespunzătoare. Cu toate acestea, teoreticienii de coarde au libertatea de a specula despre ce a fost Universul înainte de Big Bang. Acum sunt folosite două modele.
Primul dintre ei, cunoscut sub denumirea de scenariu pre-exploziv, am început să ne dezvoltăm în 1991. Acesta combină principiul dualismului T cu simetria mai cunoscută a inversării timpului, datorită căreia ecuațiile fizice funcționează la fel de bine, indiferent de direcția timpului. Această combinație ne permite să vorbim despre noi posibile opțiuni de cosmologie în care Universul, să zicem, cu 5 secunde înainte de Big Bang-ul să se extindă cu aceeași viteză cu 5 secunde după el. Cu toate acestea, schimbarea ritmului de expansiune în aceste momente s-a produs în direcții opuse: dacă după Big Bang, expansiunea a încetinit, atunci în fața ei a accelerat. Pe scurt, este posibil ca Big Bang-ul să nu fi fost momentul în care universul a luat ființă, ci pur și simplu o trecere bruscă de la accelerație la decelerare.
Frumusețea acestei imagini este că implică automat o înțelegere mai profundă a teoriei inflației: Universul a trebuit să treacă printr-o perioadă de accelerație pentru a deveni atât de omogen și de izotrop. În teoria standard, accelerația după Big Bang se produce sub influența unui inflaton introdus special în acest scop. În scenariul pre-exploziv, apare înainte de explozie ca o consecință naturală a noilor tipuri de simetrie în teoria corzilor.
Conform unui astfel de model, Universul dinainte de Big Bang era o imagine oglindă aproape perfectă despre sine după el (vezi Fig. De mai sus). Dacă Universul se grăbește fără margini în viitor, în care conținutul său este diluat într-o grupare slabă, atunci se extinde la nesfârșit și în trecut. Infinit de lung, era aproape gol: era umplut doar cu un gaz incredibil de rar, haotic provenit din radiații și materie. Forțele naturii controlate de dilaton erau atât de slabe, încât particulele acestui gaz practic nu au interacționat între ele.
Dar timpul a trecut, forțele au crescut și au strâns materia. Materie acumulată la întâmplare în unele părți ale spațiului. Acolo, în cele din urmă, densitatea sa a devenit atât de mare încât au început să se formeze găuri negre. Substanța din astfel de zone s-a dovedit a fi tăiată din spațiul înconjurător, adică. Universul a fost împărțit în părți separate.
În interiorul unei găuri negre, spațiile și timpul schimbă rolurile: centrul său nu este un punct în spațiu, ci un moment în timp. Materia care cade într-o gaură neagră, se apropie de centru, devine din ce în ce mai densă. Dar, după ce au atins valorile maxime permise de teoria șirurilor, densitatea, temperatura și curbura spațiului-timp încep brusc să scadă. Momentul unei astfel de inversări este ceea ce numim Big Bang. Interiorul uneia dintre găurile negre descrise a devenit universul nostru.
Nu este surprinzător faptul că un astfel de scenariu neobișnuit a provocat o mulțime de controverse. Așadar, Andrei Linde de la Universitatea Stanford susține că pentru ca un astfel de model să fie în concordanță cu observațiile, Universul trebuie să fi apărut dintr-o gaură neagră de dimensiuni gigantice, semnificativ mai mare decât scara lungimilor din teoria coardelor. Dar ecuațiile noastre nu impun nicio restricție cu privire la mărimea găurilor negre. La fel s-a întâmplat că Universul s-a format în interiorul unei găuri suficient de mari.
Thibault Damour de la Institutul pentru Cercetări Superioare din Bourg-sur-Yves din Franța și Marc Henneaux de la Universitatea Liberă de la Bruxelles au formulat o obiecție mai serioasă: materia și spațiul-timp ar trebui să se comporte aleatoriu în apropiere de Big Bang, ceea ce probabil contrazice regularitatea observată a Universului timpuriu. Recent, am sugerat că într-un astfel de haos, gazul dens ar putea apărea din „găuri de sfoară” în miniatură - șiruri extrem de mici și masive, care sunt pe punctul de a se transforma în găuri negre. Poate că aceasta conține cheia rezolvării problemei descrise de Damour și Anno. O sugestie similară a fost făcută de Thomas Banks de Rutgers și Willy Fischler de la Universitatea din Texas din Austin. Există și alte considerente critice, dar trebuie totuși să aflăm dacă dezvăluie deficiențe fundamentale ale modelului descris.
| OBSERVAȚII | ||
 |
Impactul asupra membranelor
Un alt model popular, care presupune existența Universului înainte de Big Bang, este un scenariu ekpirotic (din grecescul ekpyrotic - „vine din foc”), dezvoltat în urmă cu trei ani de Justin Khoury de la Universitatea Columbia, Paul Steinhardt (Paul Steinhardt) de la Universitatea Princeton , Burt A. Ovrut de la Universitatea din Pennsylvania, Nathan Seiberg de la Institutul de Studii Avansate și Neil Turok de la Universitatea din Cambridge. Se bazează pe presupunerea că Universul nostru este una dintre numeroasele membrane D în derivă în spațiul multidimensional. Membranele sunt atrase unele de altele, iar atunci când se ciocnesc, ceea ce numim Big Bang se poate întâmpla în ele (vezi figura de mai sus).
Este posibil ca coliziunile să apară ciclic. Două membrane pot ciocni, sări între ele, să se divergeze, să fie atrase unele de altele, să se ciocnească din nou și așa mai departe. Divergând după impact, se întind puțin, iar la următoarea abordare se contractă din nou. Când direcția de mișcare a membranei este inversată, aceasta se extinde cu accelerația, astfel încât expansiunea accelerată observată a Universului poate indica o coliziune iminentă.
Scenariile pre-explozive și ekpirotice au caracteristici comune. Amândoi încep cu Universul mare, rece, aproape gol, și amândoi au o problemă dificilă (și încă nerezolvată) de tranziție de la stat înainte de Big Bang la etapa de după el. Din punct de vedere matematic, principala diferență între cele două modele este comportamentul dilatatei. În scenariul pre-exploziv, acest câmp și, în consecință, toate forțele naturii sunt inițial foarte slabe și cresc treptat, atingând un maxim în momentul Big Bang. Opusul este valabil pentru modelul ec-pirotic: o coliziune apare atunci când forțele sunt minime.
Inițial, dezvoltatorii schemei ekpirotice sperau că slăbiciunea forțelor va facilita procedura de analiză a coliziunii, dar au fost nevoiți să se ocupe de curbura ridicată a spațiului-timp, astfel încât este încă imposibil să se decidă fără ambiguitate dacă singularitatea poate fi evitată. În plus, acest scenariu ar trebui să apară în circumstanțe foarte specifice. De exemplu, înainte de coliziune, membranele ar trebui să fie aproape perfect paralele între ele, altfel Big Bang-ul cauzat de acesta nu va fi suficient de omogen. În versiunea ciclică, această problemă nu este atât de acută: coliziunile succesive ar permite membranelor să se alinieze.
Lăsând la o parte dificultățile unei justificări matematice complete a ambelor modele, oamenii de știință trebuie să își dea seama dacă va fi vreodată posibil să le testeze experimental. La prima vedere, scenariile descrise sunt foarte asemănătoare exercițiilor nu în fizică, ci în metafizică: o mulțime de idei interesante care nu pot fi niciodată confirmate sau respinse de rezultatele observației. Această părere este prea pesimistă. Atât stadiul inflației, cât și epoca pre-explozivă ar fi trebuit să lase în urmă artefacte care pot fi văzute chiar și astăzi, de exemplu, în mici variații ale temperaturii CMB.
În primul rând, observațiile arată că abaterile de temperatură au fost generate de undele acustice pe parcursul a câteva sute de mii de ani. Regularitatea fluctuațiilor indică coerența undelor sonore. Cosmologii au respins deja o serie de modele cosmologice care nu sunt capabile să explice sincronizarea undelor. Scenariile cu inflația, epoca pre-Big Bang și coliziunea membranelor trec cu succes acest prim test. În ele, undele în fază sunt create prin procese cuantice amplificate în timpul accelerării expansiunii cosmice.
În al doilea rând, fiecare model prezice o distribuție diferită a fluctuațiilor de temperatură în funcție de mărimea lor unghiulară. S-a dovedit că fluctuațiile mari și mici au aceeași amplitudine. (Abaterile de la această regulă sunt observate doar la scări foarte mici, în care abaterile inițiale s-au modificat sub influența proceselor ulterioare.) În modelele inflaționiste, această distribuție este reprodusă cu o precizie ridicată. În timpul inflației, curbura spațiului sa schimbat relativ lent, astfel încât fluctuațiile de diferite dimensiuni au apărut în condiții aproape identice. Conform ambelor modele de șiruri, curbura s-a schimbat rapid. Ca urmare, amplitudinea fluctuațiilor la scară mică a crescut, dar alte procese au intensificat abaterile de temperatură pe scară largă, egalizând distribuția generală. În scenariul ekirotic, acest lucru este facilitat de o dimensiune spațială suplimentară care separă membranele de coliziune. În schema pre-explozivă, axionul, câmpul cuantic asociat cu dilatonul, este responsabil pentru egalizarea distribuției fluctuațiilor. Pe scurt, toate cele trei modele sunt în concordanță cu rezultatele observaționale.
În al treilea rând, în Universul timpuriu, variațiile de temperatură ar putea apărea din cauza fluctuațiilor densității materiei și din cauza oscilațiilor slabe cauzate de undele gravitaționale. În inflație, ambele cauze au o importanță egală, iar scenariile de densitate joacă rolul principal în scenariile cu șiruri. Undele gravitaționale ar fi trebuit să-și lase amprenta în polarizarea radiațiilor relicte. Poate că în viitor va fi posibilă detectarea utilizării observatorilor spațiale, cum ar fi satelitul Planck al Agenției Spațiale Europene.
Al patrulea control este legat de distribuția fluctuațiilor. În scenarii inflaționiste și ecpirotice, este descris de legea lui Gauss. Cu toate acestea, modelul pre-exploziv permite abateri semnificative de la distribuția normală.
Analiza CMB nu este singura modalitate de verificare a teoriilor luate în considerare. Scenariul din epoca de dinainte de Big Bang implică apariția unui fundal aleatoriu de unde gravitaționale într-un anumit interval de frecvență, care în viitor poate fi detectat cu ajutorul observatorilor gravitaționale. În plus, întrucât dilatonul, strâns conectat cu câmpul electromagnetic, se modifică modelele cu șnur, ambele trebuie caracterizate prin fluctuații la scară largă a câmpului magnetic. Este posibil ca rămășițele lor să poată fi găsite în câmpurile magnetice galactice și intergalactice.
Atunci când a început timpul? Știința nu a dat încă un răspuns definitiv. Și totuși, potrivit a două teorii potențial validate, Universul - și deci timpul - a existat cu mult înainte de Big Bang. Dacă unul dintre aceste scenarii este adevărat, atunci spațiul a existat întotdeauna. Poate că într-o zi se va prăbuși din nou, dar nu va dispărea niciodată.
DESPRE AUTOR:
Gabrielle Veneziano (Gabriele Veneziano), fizician teoretic la CERN, a creat teoria coardelor la sfârșitul anilor '60. Cu toate acestea, în curând a fost recunoscută ca eronată, deoarece nu a explicat toate proprietățile nucleului atomic. Prin urmare, Veneziano a preluat cromodinamica cuantică, la care a adus o contribuție majoră. Când în anii '80. Au început să vorbească despre teoria corzilor ca o teorie a gravitației cuantice și pentru prima dată Venetiano a aplicat-o la găurile negre și cosmologie.
LITERATURA SUPLIMENTARĂ
Examen de stat unificat
Particulele ca mijloc de comunicare între oferte
Rezultate pentru ehe. Subiectele rămase ale examenului