Теория суперструн

Коротко о теории суперструн

Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10^–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

Введение в суперструны

John M. Pierre

перевод Сергея Павлюченко

Это введение предназначено всем интересующимся как "читабельное" краткое введение в основные концепции струнной теории. К сожалению, нам придется платить строгостью и полнотой за доступность изложения. Надеемся, оно даст Вам ответы на простейшие вопросы по струнной теории, и Вы проникнетесь красотой этой области науки.

Струнная теория - динамично развивающаяся область знаний и по сей день; каждый день приносит что-нибудь новое о ней. Пока мы не знаем точно, описывает ли струнная теория нашу Вселенную и в каких пределах. Но она вполне может ее описывать, что и видно из этого обзора.

Оригинальная версия находится на http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Почему именно струнная теория?

Характерный энергетический масштаб для квантовой гравитации называется Планковской массой и выражается через постоянную Планка, скорость света и гравитационную постоянную следующим образом:

Можно предположить, что в своем окончательном виде струнная теория даст ответы на следующие вопросы:

• Каково происхождение известных нам 4-х сил Природы ?
• Почему массы и заряды частиц именно такие, какие они есть ?
• Почему мы живем в пространстве с 4-мя пространственными измерениями ?
• Какова природа пространства-времени и гравитации ?

  ---

  Основы струнной теории

  Мы привыкли думать об элементарных частицах (типа электрона) как о точечных 0-мерных объектах. Несколько более общим является понятие фундаментальных струн как 1-мерных объектов. Они бесконечно тонкие, а длина их порядка . Но это просто ничтожно мало по сравнению с длинами, с которыми мы обычно имеем дело, так что можно считать, что они практически точечные. Но, как мы увидим, их струнная природа довольно важна.

  Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространстве-времени, они покрывают поверхность, называемую мировым листом.

  

  Эти струны имеют определенные колебательные моды, которые определяют присущие частице квантовые числа, такие, как масса, спин, и т.д.. Основная идея состоит в том, что каждая мода несет в себе набор квантовых чисел, отвечающих определенному типу частиц. Это и есть окончательное объединение - все частицы могут быть описаны через один объект - струну !

  В качестве примера рассмотрим замкнутую струну, которая выглядит так:

  

  Такая струна отвечает безмассовому гравитону со спином 2 - частице, переносящей гравитационное взаимодействие. Кстати, это одна из особенностей струнной теории - она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.

  Струны взаимодействуют путем деления и слияния. Например, аннигиляция двух замкнутых струн в одну замкнутую выглядит следующим образом:

  

  Отметим, что поверхность мирового листа - гладкая поверхность. Из этого следует еще одно "хорошее" свойство струнной теории - в ней нет ряда расходимостей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами. Фейнмановская диаграмма для такого же процесса

  

  содержит топологическую сингулярность в точке взаимодействия.

  Если мы "склеим" два простейших струнных взаимодействия между собой, то получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две:
  

  Этот основной вклад в процесс взаимодействия называется древесным приближением. Для того, чтобы вычислить квантовомеханические амплитуды процессов используя теорию возмущений, добавляют вклады от квантовых процессов высших порядков. Теория возмущений дает хорошие результаты, так как вклады становятся все меньше и меньше, когда мы используем все более высшие порядки. Даже если вычислить лишь первые несколько диаграмм, то можно получить достаточно точные результаты. В струнной теории высшие порядки отвечают большему числу дыр (или "ручек") на мировых листах.
  

  Хорошо в этом подходе то, что каждому порядку теории возмущения соответствует только одна диаграмма (например, в теории поля с точечными частицами число диаграмм растет экспоненциально в высших порядках). Плохо же то, что точные расчеты диаграмм с более чем двумя дырами очень сложны по причине сложности математического аппарата, используемого при работе с подобными поверхностями. Теория возмущений очень полезна при исследовании процессов со слабой связью, и большая часть открытий в области физики элементарных частиц и струнной теории связана именно с ней. Однако, все это еще далеко от завершения. Ответы на самые глубокие вопросы теории можно будет получить лишь после того, как будет завершено точное описание этой теории.

  ---

  D-браны

  У струн могут быть совершенно произвольные условия на границе. Например, замкнутая струна имеет периодичные граничные условия (струна "переходит сама в себя"). У открытых же струн могут быть два типа граничных условий - условия Неймана и условия Дирихле. В первом случае конец струны может свободно двигаться, правда, не унося при этом импульса. Во втором же случае конец струны может двигаться по некоторому многообразию. Это многообразие и называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго обозначения 'p' - целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия). Пример - две струны, у которых один или оба конца закреплены на 2-мерной D-бране или D2-бране:

  

  D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа пространственных измерений нашего пространства-времени. Например, в теории суперструн 10 измерений - 9 пространственных и одно временное. Таким образом, в суперструнах максимум что может существовать, это D9-брана. Отметим, что в этом случае концы струн фиксированы на многообразии, покрывающем все пространство, поэтому они могут двигаться везде, так что на самом-то деле наложено условие Неймана ! В случае p=-1 все пространственные и временные координаты фиксированы, и такая конфигурация называется инстантоном или D-инстантоном. Если p=0, то все пространственные координаты фиксированы, и конец струны может существовать лишь в одной единственной точке в пространстве, так что D0-браны зачастую называют D-частицами. Совершенно аналогично D1-браны называют D-струнами. Кстати, само слово 'брана' произошло от слова 'мембрана', которым называют 2-мерные браны, или 2-браны.

  В действительности D-браны динамичны, они могут флуктуировать и двигаться. Например, они взаимодействуют гравитационно. На диаграмме ниже можно видеть, как одна замкнутая струна (в нашем случае гравитон) взаимодействует с D2-браной. Особо стоит отметить тот факт, что при взаимодействии замкнутая струна становится открытой с обоими концами на D-бране.
  
  Так что, струнная теория это нечто большее, чем просто теория струн !

  ---

  Дополнительные измерения

  Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время как мы живем в 4-мерном. И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо как-то связать между собой два эти пространства. Для этого свернем 6 измерений до очень маленького размера. Если при этом размер компактного измерения окажется порядка размера струн (), то мы из-за малости этого измерения попросту не сможем никак его напрямую увидеть. В конечном итоге мы получим наше (3+1)-мерное пространство, в котором каждой точке нашей 4-мерной Вселенной отвечает крохотное 6-мерное пространство. Очень схематично это представлено на картинке снизу:

  

  На самом деле это довольно старая идея, которая восходит к работам Калуцы (Kaluza) и Клейна (Klein) 1920-х годов. При этом описанный выше механизм называют теорией Калуцы-Клейна или компактификацией. В самой работе Калуцы показано, что если мы возьмем теорию относительности в 5-мерном пространстве-времени, затем свернем одно измерение в окружность, то получим 4-мерное пространство-время с теорией относительности плюс электромагнетизм ! А так получается из-за того, что электромагнетизм это U(1) калибровочная теория. U(1) это группа вращений вокруг точки на плоскости. Механизм Калуцы-Клейна дает простую геометрическую интерпретацию этой окружности - это то самое свернутое пятое измерение. Хотя свернутые измерения и малы для прямого детектирования, тем не менее они могут иметь глубокий физический смысл. [Совершенно случайно просочившись в прессу, работа Калуцы и Клейна вызвала много разговоров по поводу пятого измерения.]

  Как мы сможем узнать, есть ли на самом деле дополнительные измерения и как мы сможем их "почуствовать", имея ускорители с достаточно высокими энергиями ? Из квантовой механики известно, что если пространство периодично, то импульс квантован: , тогда как если пространство неограниченно, то спектр значений импульса непрерывен. Если уменьшать радиус компактификации (размер дополнительных измерений), то диапазон дозволенных значений импульса будет увеличиваться. Так получают башню состояний импульса - башню Калуцы Клейна.

  

  А если радиус окружности взять очень большим ("декомпактифицируем" измерение), то диапазон возможных значений импульса будет довольно узким, но будет "почти-непрерывным". Такой спектр будет похож на спектр масс мира без компактификаций. Например, безмассовые в большем числе измерений состояния в меньшем числе измерений будут выглядеть именно как описанная выше башня состояний. Тогда должен наблюдаться "набор" частиц с массами, равноотстоящими друг от друга. Правда, для того, чтобы "увидеть" самые массивные частицы, необходимы ускорители, значительно лучшие тех, которыми мы сейчас располагаем.

  У струн есть еще одно замечательное свойство - они могут "наматываться" на компактифицированное измерение, что приводит к появлению оборотных мод в спектре масс. Замкнутая струна может обернуться вокруг компактифицированного измерения целое число раз. Аналогично случаю Калуцы-Клейна они дают вклад в импульс как . Существенная разница состоит как раз в другой связи с радиусом компактификации . В этом случае для малых размеров дополнительных измерений оборотные моды становятся очень легкими !
  

  Теперь нам необходимо перейти к нашему 4-мерному пространству. Для этого нам нужна 10-мерная суперструнная теория на 6-мерном компактном многообразии. Естественно, что при этом описанная выше картина становится более сложной. Проще всего положить, что все эти 6 измерений - 6 окружностей, таким образом все они представляют собой 6-мерный тор. Более того, такая схема позволяет сохранить суперсимметрию. Считается, что некоторая суперсимметрия существует и в нашем 4-мерном пространстве на энергетических масштабах порядка 1 ТэВ (именно на этих энергиях последнее время и ищут суперсимметрию на современных ускорителях). Для того, чтобы сохранить минимальную суперсимметрию, N=1 в 4-мерии, компактифицировать надо на специальном 6-мерном многообразии, именуемом многообразием Калаби-Йо (Calabi-Yau manifold).

  Свойства многообразий Калаби-Йо могут иметь важные приложения к физике низких энергий - к частицам, которые мы наблюдаем, их массам и квантовым числам, а также к числу поколений частиц. Проблемой тут является то, что, вообще говоря, существует огромное множество многообразий Калаби-Йо, и мы не знаем, какое из них надо использовать. В этом смысле, имея фактически одну 10-мерную струнную теорию мы получаем, что 4-мерная теория становится совсем не единственно возможной, по крайней мере, на нашем (еще неполном) уровне понимания. "Струнные люди" (ученые, работающие в области струнных теорий) возлагают надежды на то, что обладая полной непертурбативной теорией струн (теорией, НЕ построенной на возмущениях, описанных несколько выше), мы сможем объяснить, как Вселенная перешла от 10-мерной физики, которая, возможно, имела место в течение высокоэнергетического периода сразу после Большого Взрыва, к 4-мерной, с которой мы имеем дело сейчас. [Иными словами, мы найдем единственное многообразие Калаби-Йо.] Андрей Стромингер (Andrew Strominger) показал, что многообразия Калаби-Йо можно непрерывно связать друг с другом посредством конических преобразований (conifold transitions) и, таким образом, можно двигаться между различными многообразиями Калаби-Йо, меняя параметры теории. Но это предполагает возможность того, что различные 4-мерные теории, возникающие от различных многообразий Калаби-Йо, являются различными фазами одной теории.

  ---

  Дуальность

  Пять описанных выше суперструнных теорий оказываются очень различными с точки зрения слабо-связанной пертурбативной теории (теории возмущений, развитой выше). Но на самом деле, как выяснилось в последние несколько лет, они все связаны между собой различными струнными дуальностями. Назовем теории дуальными, если они описывают одну и ту же физику.

  Первый тип дуальности, которую мы тут обсудим, - Т-дуальность (T-duality). Такой тип дуальности связывает теорию, компактифицированную на окружности радиуса , с теорией, компактифицированной на окружности радиуса . Таким образом, если в одной теории пространство свернуто в окружность малого радиуса, то в другой оно будет свернуто в окружность большого радиуса, но обе они будут описывать одну и ту же физику ! Суперструнные теории типа IIA и типа IIB связаны через Т-дуальность, SO(32) и E8 x E8 гетеротические теории также связаны через нее.

  Еще одна дуальность, которую мы рассмотрим - S-дуальность. Проще говоря, эта дуальность связывает предел сильной связи одной теории с пределом слабой связи другой теории. (Отметим, что при этом слабо связанные описания обеих теорий могут очень сильно различаться.) Например, SO(32) Гетеротическая струнная теория и теория Типа I S-дуальны в 10-мерии. Это означает, что в пределе сильной связи SO(32) Гетеротическая теория переходит в теорию Типа I в пределе слабой связи и наоборот. Найти же свидетельства дуальности между сильным и слабым пределами можно, сравнив спектры легких состояний в каждой из картин и обнаружив, что они согласуются между собой. Например, в струнной теории Типа I есть D-струна, которая тяжелая при слабой связи и легкая при сильной. Эта D-струна переносит те же легкие поля, что и мировой лист SO(32) Гетеротической струны, так что когда теория Типа I очень сильно связана, D-струна становится очень легкой, и мы попросту увидим, что описание становится таким же, как и через слабо связанную Гетеротическую струну. Другой S-дуальностью в 10-мерии является самодуальность IIB струн: сильно связанный предел IIB струны это попросту другая IIB теория, но слабо связанная. В IIB теории тоже есть D-струна (правда, более суперсимметричная, нежели D-струны теории Типа I, так что и физика тут другая), которая становится легкой при сильной связи, но эта D-струна также является другой фундаментальной струной теории Типа IIB.

  

  Дуальности между различными струнными теориями являются свидетельством того, что все они попросту различные пределы одной теории. Каждый из пределов имеет свою применимость, и различные пределы разных описаний пересекаются. Что это за М-теория, представленная на картинке ? Читайте дальше !

  ---

  М-теория

  При низких энергиях М-теория описывается теорией, называемой 11-мерной супергравитацией. В этой теории есть мембрана и пятьбрана в качестве солитонов, но нет струн. Как же нам можно тут получить уже полюбившиеся нам струны ? Можно компактифицировать 11-мерную М-теорию на окружности малого радиуса для получения 10-мерной теории. Тогда если наша мембрана имела топологию тора, то сворачивая одну из этих окружностей, мы получим замкнутую струну ! В пределе, когда радиус очень мал, мы получаем суперструну Типа IIA.

  

  Но как мы узнаем, что М-теория на окружности даст именно суперструну Типа IIA, а не IIB или гетеротические суперструны ? Ответ на этот вопрос можно получить после тщательного анализа безмассовых полей, которые мы получаем в результате компактификации 11-мерной супергравитации на окружности. Другой простой проверкой может быть обнаружение того, что D-брана из М-теории уникальна для IIA теории. Вспомним, что IIA теория содержит D0, D2, D4, D6, D8-браны и NS пятьбрану. Следующая таблица обобщает все вышесказанное:
   

  M-теория на окружности	IIA в 10-мерии
  Мембрана, свернутая на окружности	IIA суперструна
  Мембрана, уменьшенная до нулевого размера	D0-брана
  развернутая мембрана	D2-брана
  Свернутая на окружности пятьбрана	D4-брана
  развернутая пятьбрана	NS пятьбрана

  Тут опущены D6 и D8-браны. D6-брану можно проинтерпретировать как "монополь Калуцы-Клейна", который представляет собой специальное решение 11-мерной супергравитации при компактификации на окружность. D8-брана не имеет ясной интерпретации в терминах М-теории, это все еще открытый вопрос.

  Другой путь для получения согласованной 10-мерной теории - компактификация М-теории на маленький отрезок. Это означает, что мы предполагаем, что одно из измерений (11-е) имеет конечную длину. При этом концы отрезка определяют границы 9 пространственных измерений. На этих границах можно построить открытую мембрану. Так как пересечение мембраны с границей - струна, то можно видеть, что (9+1)-мерный "мировой объем" (worldvolume) может содержать струны, "торчащие" из мембраны. После всего этого, чтобы избежать аномалий, необходимо, чтобы каждая из границ несла на себе E8 калибровочную группу. Следовательно, если сделаем пространство между границами очень маленьким, мы получим 10-мерную теорию со струнами и E8 x E8 калибровочной группой. А это и есть E8 x E8 гетеротическая струна !

  

  Таким образом, рассматривая разные условия и разные дуальности между струнными теориями, мы придем к тому, что в основе всего этого лежит одна теория - М-теория. При этом пять суперструнных теорий и 11-мерная супергравитация являются ее классическими пределами. Первоначально мы пытались получить соответственные квантовые теории, "расширяя" классические пределы, используя пертурбативную теорию (теорию возмущений). Однако пертурбативная теория имеет свои пределы применимости, так что, изучая непертурбативные аспекты этих теорий, используя дуальности, суперсимметрию, и т.д. мы приходим к заключению, что все они объединены одной единственной квантовой теорией. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над построением полной квантовой М-теории идет полным ходом.
  

  ---

  Черные дыры

  Классическое описание гравитации - Общая Теория Относительности (ОТО) - содержит решения, называемые "черные дыры" (ЧД). Существует довольно много типов черных дыр, но все они показывают сходные общие свойства. Горизонт событий это поверхность в пространстве-времени, которая, проще говоря, отделяет область внутри ЧД от области вне ее. Гравитационное притяжение ЧД настолько велико, что ничто, даже свет, проникнув под горизонт, не может вырваться назад. Таким образом, классические ЧД могут быть описаны лишь используя такие параметры как масса, заряд и угловой момент.

  (объяснение диаграммы Пенроуза)

  Черные дыры - хорошие лаборатории по изучению струнных теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Черные дыры на самом деле не "черные", поскольку они излучают ! Используя полуклассические аргументы, Стивен Хокинг показал, что ЧД излучают тепловое излучение со своего горизонта. Так как струнная теория, помимо всего прочего еще и теория квантовой гравитации, она в состоянии согласованно описать ЧД. А еще есть ЧД, удовлетворяющие уравнению движения для струн. Эти уравнения схожи с уравнениями из ОТО, но в них есть некоторые дополнительные поля, пришедшие туда из струн. В суперструнных теориях есть специальные решения типа ЧД, которые сами по себе еще и суперсимметричны.

  Одним из самых драматичных результатов в струнной теории был вывод формулы для энтропии Бекенштейна-Хокинга ЧД, полученный из рассмотрения микроскопических струнных состояний, формирующих ЧД. Бекенштейн отметил, что ЧД подчиняются "закону площадей", dM = K dA, где 'A' - площадь горизонта а 'K' - константа пропорциональности. Так как полная масса ЧД это ее энергия покоя, то ситуация очень похожа на термодинамику: dE = T dS, что показал Бекенштейн. Хокинг позднее в полуклассическом приближении показал, что температура ЧД равна T = 4k, где 'k' - константа, именуемая "поверхностной гравитацией". Таким образом, энтропия ЧД может быть переписана как . Более того, не так давно Стромингер (Strominger) и Вафа (Vafa) показали, что эта формула для энтропии может быть получена микроскопически (вплоть до фактора 1/4), используя вырождение квантовых состояний струн и D-бран, соответствующих определенным суперсимметричным ЧД в струнной теории. К слову, D-браны дают на малых расстояниях описание как при слабой связи. Например, ЧД, рассмотренные Стромингером и Вафой, описываются 5-бранами, 1-бранами и открытыми струнами, "живущими" на 1-бране, все свернутые в 5-мерный тор, что эффективно дает 1-мерный объект - ЧД.

  

  При этом хокинговское излучение можно описать в рамках этой же структуры, но если открытые струны могут "путешествовать" в обоих направлениях. Открытые струны взаимодействуют между собой и излучение испускается в форме замкнутых струн.

  

  Точные вычисления показывают, что для одних и тех же типов ЧД струнная теория дает те же предсказания, что и полуклассическая супергравитация, включая нетривиальную поправку, зависящую от частоты и называемую "параметром серости" (greybody factor).

  ---

  Квантовая гравитация обнаружена на Земле?
  

  << Вчера

  Завтра >>

  
  Авторы: Mark Bowick (U. Syracuse) et al., NPAC
  Пояснение: Существуют ли отдельные порции гравитации? Теория, известная как квантовая механика, описывает законы, которым подчиняется Вселенная на малых расстояниях, в то время как Общая теория относительности Эйнштейна объясняет природу гравитации и Вселенной в больших масштабах. До сих пор не было создано теории, способной объединить их. Исследования, недавно проведенные во Франции, возможно, показали что гравитация является квантовым полем. Утверждается, что гравитационное поле Земли проявило свою квантовую природу. В эксперименте, осуществленном Валерием Незвижевским с коллегами в Институте Лау-Ланжевена, было показано, что сверххолодные нейтроны, движущиеся в поле тяготения, обнаруживаются только на дискретных высотах. Ученые во всем мире ожидают независимого подтверждения этих результатов. На рисунке показана в искусственных цветах поверхность, которая может образоваться при эволюции одномерной струны. Описывая элементарные частицы как крошечные струны, многие физики работают над созданием действительно квантовой теории гравитации.

  (Прим. Ред.: Описанные в данной заметке эксперименты Французских и Российских физиков, опубликованные в Nature, 415, 297 (2002) не имеют никакого отношения к квантовой гравитации. Их объяснение (как данное авторами экспериментов, так и приведенное в журнале New Scientist и на сайте Physicsweb.org) совсем другое.

  ---

  Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн

  Исследователям из Университета Колорадо (University of Colorado at Boulder) удалось провести самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия между массами, разделенными расстоянием, всего лишь в два раза превышающим толщину человеческого волоса, но они не наблюдали при этом никаких предсказанных новых сил.

  Полученные результаты позволяют исключить некоторые варианты теории суперструн, в которых соответствующий параметр воздействия новых сил из "свернутых" измерений находится в диапазоне от 0,1 до 0,01 мм.

  В теории струн или суперструн, стрингов (string theory), которую считают самым перспективным подходом к долгожданному великому объединению - единому описанию всех известных сил и материи, предполагается, что все во Вселенной составлено из крошечных петель вибрирующих струн. Согласно различным вариантам теории суперструн, должны существовать еще по крайней мере шесть-семь дополнительных пространственных измерений помимо тех трех, которые для нас доступны, и теоретики полагают, что эти дополнительные измерения свернуты в маленькие пространства. Эта "компактификация" ("compactification") порождает то, что называют областями модули (moduli fields), которые описывают размер и форму свернутых измерений в каждой точке пространства-времени.

  Области модули оказывают воздействия, сопоставимые по силе с обычной гравитацией, и согласно недавним предсказаниям, они могут быть обнаружены уже на расстояниях порядка 0,1 мм. Предел чувствительности, достигнутый в предыдущих экспериментах, позволял проверить силу притяжения между двумя массами, разведенными лишь на 0,2 мм, поэтому вопрос оставался открытым. Впрочем, открытым он остается и сейчас.

  "Если эти силы действительно существуют, то мы теперь знаем, что они должны проявляться на меньших расстояниях, чем мы проверяли, - объясняет руководитель лаборатории, профессор Университета Колорадо Джон Прайс (John Price). - Однако, эти результаты сами по себе не опровергают теории. Необходимо только иметь в виду, что эффект придется искать на более коротких расстояниях и использовать установки с более высокой чувствительностью". Кроме того, исследователи уверяют, что подобные эксперименты сами по себе и не предназначены для того, чтобы подтверждать или опровергать теорию суперструн. "Идеи, которые мы проверяем - это только некоторые возможные сценарии, вдохновленные струнами, а не точные предсказания собственно самой теории, - заявил Джон Прайс в интервью Space.com. - Пока еще для струнной теории нет никакой возможности сделать точные предсказания такого рода, и я сказал бы, что никто не знает, будет ли струнная теория когда-либо способна к этому". Впрочем, эксперименты на меньших расстояниях, могут все же "добавить больше заплат к стеганому одеялу физики", и поэтому очень важно продолжать такого рода исследования, потому что "кое-что новое и "очень фундаментальное" может быть обнаружено".

  Экспериментальная установка исследователей из Университета Колорадо, названная высокочастотным резонатором (high-frequency resonator), представляла собой две тонкие вольфрамовые пластинки (длиной 20 мм и толщиной 0,3 мм). Одну из этих пластинок заставили колебаться с частотой 1000 Гц. Движения второй пластинки, вызванные воздействием первой, замерялись очень чувствительной электроникой. Речь идет о силах, измеряемых в фемтоньютонах (10^–15 н), или об одной миллионной части веса песчинки. Сила тяжести, действующая на таких небольших расстояниях, оказалась вполне традиционной, описываемой известным законом Ньютона.

  Профессор Прайс предполагает продолжить эксперименты, чтобы попробовать измерить силы на еще более коротких расстояниях. Чтобы сделать следующий шаг, колорадские экспериментаторы удаляют покрытый золотом сапфировый экран между вольфрамовыми полосками, который блокировал электромагнитные силы, и заменяют его более тонкой медно-бериллиевой фольгой, позволяя массам сблизиться сильнее. Они также планируют охладить экспериментальную установку, чтобы уменьшить помехи от тепловых колебаний.

  Безотносительно к судьбе теории суперструн, идеи дополнительных измерений, введенные в обиход почти сто лет назад (тогда над ними потешались многие физики) становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения. Среди самых вопиющих фактов - имеющее множество подтверждений ускоренное расширение Вселенной. Таинственная новая сила, названная пока темной энергией (dark energy), расталкивает наш космос, действуя подобно некой антигравитации. Никто не знает, что за физическое явление лежит в основе этого. Что космологи действительно знают, так это то, что в то время как гравитация скрепляет галактики на "локальном" уровне, таинственные силы расталкивают их в больших масштабах.

  Темная энергия может быть объяснена взаимодействиями между измерениями, теми, что мы видим, и теми, что пока от нас скрыты, считают некоторые теоретики. На ежегодной встрече AAAS (American Association for the Advancement of Science - Американской ассоциации развития науки), проведенной в Денвере в начале месяца, самые авторитетные космологи и физики выражали по этому поводу осторожный оптимизм.

  "Есть смутная надежда, что новый подход позволит решить весь комплекс проблем сразу", - говорит физик Шон Кэрролл (Sean Carroll), доцент из Чикагского университета.

  Все эти проблемы неизбежно группируются вокруг гравитации, сила которой была рассчитана еще Ньютоном более трех столетий назад. Гравитация была первой из фундаментальных сил, описанной математически, но она все еще наиболее плохо изучена. Разработанная в 20-х годах прошлого века квантовая механика хорошо описывает поведение объектов на атомном уровне, но не очень-то "дружит" с гравитацией. Дело в том, что хотя гравитация и действует на больших расстояниях, все же она очень слаба по сравнению с другими тремя фундаментальными силами (электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия, которые властвуют в микромире). Понимание гравитации на квантовом уровне, как ожидается, свяжет квантовую механику с полным описанием других сил.

  В частности, ученые долго не могли определить, действителен ли закон Ньютона (обратная пропорциональность силы квадрату расстояния) на очень маленьких расстояниях, в так называемом квантовом мире. Ньютон развивал свою теорию для астрономических расстояний, вроде взаимодействий Солнца с планетами, но теперь оказалось, что он действенен и в микромире.

  "То, что происходит прямо сейчас в физике элементарных частиц, гравитационной физике и космологии, очень напоминает то время, когда квантовая механика начала объединяться", - говорит Мария Спиропалу (Maria Spiropulu), исследователь из Чикагского университета, организатор семинара AAAS по физике дополнительных измерений (physics of extra dimensions).

  Впервые удалось измерить скорость гравитаци

  

  Российский физик Сергей Копейкин, работающий в Университете Миссури в Колумбии и американец Эдвард Фомалонт (Edward Fomalont) из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле (National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Вирджиния) заявили, что им впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Их эксперимент подтверждает мнение большинства физиков: скорость гравитации равна скорости света. Это представление лежит в основе современных теорий, в том числе и Общей теории относительности Эйнштейна, но до сих пор никому не удавалось измерить эту величину непосредственно в эксперименте. Исследование было обнародовано во вторник на 201-й конференции Американского астрономического общества (American Astronomical Society) в Сиэтле. Результаты были ранее представлены для публикации в научный журнал, но были раскритикованы некоторыми специалистами. Сам Копейкин считает критику необоснованной.

  Теория тяготения Ньютона исходит из того, что воздействие силы тяжести передается мгновенно, но Эйнштейн предположил, что гравитация путешествует со скоростью света. Этот постулат стал одной из основ его Теории относительности 1915 года.

  Равенство скорости гравитации и скорости света означает, что, если бы Солнце внезапно исчезло из центра Солнечной системы, Земля оставалась бы на своей орбите еще в течение приблизительно 8,3 минут - такое время требуется свету, чтобы добраться от Солнца до Земли. Спустя эти несколько минут Земля, почувствовав освобождение от солнечной гравитации, покинула бы свою орбиту и улетела бы прочь в космос по прямой.

  Как можно измерить "скорость тяжести"? Один из путей решения этой проблемы состоит в том, чтобы попытаться обнаружить гравитационные волны - небольшую "рябь" в пространственно-временном континууме, которая расходится от всяких масс, двигающихся с ускорением. Различные установки для улавливания гравитационных волн построены уже во множестве, но ни одна из них до сих пор не смогла зарегистрировать подобного эффекта в силу исключительной его слабости.

  Копейкин пошел другим путем. Он переписал уравнения Общей теории относительности таким образом, чтобы выразить поле тяготения движущегося тела в терминах его массы, скорости и скорости гравитации. В качестве массивного тела решено было использовать Юпитер. Довольно редкий случай представился в сентябре 2002 года, когда Юпитер проходил перед квазаром (такие события происходят примерно раз в 10 лет), интенсивно испускающим радиоволны. Копейкин и Фомалонт скомбинировали результаты наблюдений от десятка радиотелескопов в разных частях земного шара, от Гавайев до Германии (использовались как 25-метровые радиотелескопы Национальной радиоастрономической обсерватории, так и 100-метровый немецкий инструмент в Эффельсберге), чтобы измерить мельчайшее видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Исследуя характер воздействия поля тяготения Юпитера на проходящие радиоволны при знании его массы и скорости движения, можно вычислить скорость гравитации.

  Совместная работа земных радиотелескопов позволила достичь точности в 100 раз большей, чем это достижимо с помощью космического телескопа "Хаббл". Смещения, измеряемые в эксперименте, были совсем крошечными - изменения в положении квазара (измерялось угловое расстояние между ним и квазаром-эталоном) были в пределах 50 миллионных арксекунды. Эквивалентом таких измерений может служить величина серебряного доллара на Луне или толщина человеческих волос с расстояния в 250 миль, говорят астрономы (западные источники, видимо, не догадались обратить внимание на значение русской фамилии одного из авторов исследований, иначе они сравнивали бы размеры не с долларом, а с нашей денежной единицей...).

  Полученный результат: сила тяжести передается с 0,95 скорости света, возможная ошибка эксперимента составляет плюс-минус 0,25. "Мы теперь знаем, что скорость гравитации вероятно равна скорости света, - сказал Фомалонт. - И мы можем уверенно исключить любой результат, который вдвое превысит эту величину".

  Стивен Карлип (Steven Carlip), профессор физики из Калифорнийского университета, считает эксперимент "хорошей демонстрацией" принципа Эйнштейна. Он говорит, что эксперименту предшествовали измерения отклонения света Солнцем, но они были гораздо менее точными. Причем новые замеры гравитационной скорости в самом ближайшем будущем должны будут уточнить и это значение. Множество интерферометров гравитационных волн было введено в строй за последние месяцы, какой-нибудь из них должен, наконец, обнаружить гравитационные волны непосредственно и таким образом измерить их скорость - важную фундаментальную константу нашей Вселенной.

  Впрочем, необходимо заметить, что сам по себе эксперимент не является однозначным подтверждением именно эйнштейновской теории гравитации. С тем же успехом его можно считать подтверждением существующих альтернативных теорий. Например, ставшая известной широкой публике лет десять назад релятивистская теория гравитации академика Логунова (РТГ) в этом с ОТО не расходится. Есть в РТГ и гравитационные волны, хотя, как известно, нет черных дыр. А очередное "опровержение" теории гравитации Ньютона особой ценности не имеет. Тем не менее результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн, но слишком рано делать окончательные выводы, считают исследователи. В новейшей так называемой единой М-теории, являющейся развитием теории суперструн, кроме "струн" ("стрингов" - strings) появились новые многомерные объекты - браны (brane). Суперстринговые теории по своей природе включают в себя гравитацию, поскольку производимые на их основе расчеты неизменно предсказывают существование гравитона, невесомой гипотетической частицы со спином, равным 2. Предполагается, что существуют дополнительные пространственные измерения, только "свернутые". И гравитация могла бы оказывать воздействие "коротким путем" через эти дополнительные измерения, на первый взгляд путешествуя быстрее скорости света, но не нарушая при этом уравнения Общей теории относительности.

  Два физика-релятивиста представляют свои точки зрения на Вселенную,
  ее эволюцию и роль квантовой теории

  В Scientific American данные лекции были опубликованы с сокращениями, соответствующие места в тексте отмеченными многоточиями

  Введение

  В 1994 Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз прочли цикл публичных лекций по общей теории относительности в Институте Математических Наук имени Исаака Ньютона при Кембриджском университете. Наш журнал представляет вам выдержки из этих лекций, выпущенных в этом году издательством Princeton University Press под названием "Природа пространства и времени", которые позволяют сравнить взгляды этих двух ученых. Хотя оба они и принадлежат к одной школе в физике (Пенроуз ассистировал докторскую диссертацию Хокинга в Кембридже), их взгляды на роль квантовой механики в эволюции вселенной сильно отличаются друг от друга. В частности Хокинг и Пенроуз имеют различные представления о том, что происходит с информацией, запасенной в черной дыре и почему начало вселенной отличается от ее конца.

  Одно из главных открытий Хокинга, сделанных им в 1973, было предсказание того, что вследствие квантовых эффектов черные дыры могут испускать частицы. В результате такого процесса черная дыра испаряется, и в конечном счете возможно что от ее первоначальной массы ничего не останется. Но в течение своего формирования черные дыры поглощают множество падающих на нее частиц имеющих различные типы, свойства и конфигурации. Хотя квантовая теория требует, чтобы подобная информация была сохранена, подробности того, что же происходит с ней дальше, остаются темой для бурных дебатов. Хокинг и Пенроуз, оба полагают что, во время излучения черная дыра теряет информацию, которую она содержала в себе. Но Хокинг упорно утверждает, что эта потеря невосполнима, тогда как Пенроуз доказывает, что она сбалансирована спонтанными измерениями квантовых состояний, которые вводят информацию обратно внутрь черной дыры.

  Оба ученых соглашаются с тем, что будущая теория квантовой гравитации необходима для описания природы. Но их взгляды отличаются на некоторые аспекты этой теории. Пенроуз считает, что даже если фундаментальные взаимодействия элементарных частиц симметричны по отношению к обращению времени, то квантовая гравитация должна нарушать такую симметрию. Временная асимметрия должна тогда объяснить, почему в начале вселенная была столь однородна (как показывает микроволновое фоновое излучение, рожденное большим взрывом), тогда как в конце вселенная должна быть неоднородна.

  Пенроуз пытается включить подобную асимметрию в свою гипотезу Вейлевской кривизны. Пространство-время, согласно Альберту Эйнштейну, искривлено присутствием материи. Но пространство-время может также иметь некоторую внутренне присущую ему деформацию, обозначаемую как Вейлевская кривизна. Гравитационные волны и черные дыры, например, позволяют пространству-времени искривляться даже в тех областях, которые являются пустыми. В ранней вселенной Вейлевская кривизна была вероятно равна нулю, но в угасающей вселенной, как доказывает Пенроуз, большое количество черных дыр приведет к росту Вейлевской кривизны. В этом и будет заключаться различие между началом и концом вселенной.

  Хокинг соглашается, что большой взрыв и заключительный коллапс ("Big crunch") будут различны, но он не рассматривает асимметрию времени в качестве закона природы. Основной же причиной для этого различия, как он думает, является тот путь, на который запрограммировано развитие вселенной. Он постулирует своего рода демократию, заявляя, что во вселенной не может быть выделенной пространственной точки; и поэтому, вселенная не может иметь границу. Именно это предложение об отсутствии границы, как утверждает Хокинг, объясняет однородность микроволнового фонового излучения.

  Взгляды обоих физиков на интерпретацию квантовой механики также в корне расходятся. Хокинг полагает, что единственное предназначение теории - давать предсказания, которые согласуются с опытными данными. Пенроуз же считает, что простое сравнение предсказаний с экспериментами не достаточно для объяснения действительности. Он указывает, что квантовая теория, требующая суперпозиции волновых функций, есть концепция, которая может приводить к нелепости. Эти ученые таким образом возводят на новый виток известную дискуссию Эйнштейна и Бора по поводу причудливых последствий квантовой теории.

  Стивен Хокинг о квантовых черных дырах:

  Квантовая теория черных дыр ..., кажется, приводит к новому уровню непредсказуемости в физике помимо обычной квантовомеханической неопределенности. Это происходит благодаря тому, что черные дыры, кажется, имеют внутреннюю энтропию и теряют информацию из нашей области вселенной. Я должен сказать, что эти требования весьма спорны: много ученых, работающих в области квантовой гравитации, включая почти всех тех, кто пришел в нее из физики элементарных частиц, инстинктивно отклоняют идею, что информация о состоянии квантовой системы может быть утеряна. Однако, такая точка зрения не привела к большому успеху в объяснении того, каким образом информация может покидать черную дыру. В конечном счете я полагаю, что они будут вынуждены принять мое предложение, что информация безвозвратно теряется, также, как они были вынуждены согласиться, что черные дыры излучают, что противоречит всем их предубеждениям ...

  Тот факт, что гравитация является притягивающей, означает, что во вселенной имеет место тенденция стягивания материи в одном месте, тенденция к формированию объектов подобных звездам и галактикам. Дальнейшее сжатие этих объектов может некоторое время сдерживаться тепловым давлением, в случае звезд, или вращением и внутренними движениями, в случае галактик. Однако, в конечном счете теплота или угловой импульс будут унесены прочь, и объект опять начнет сжиматься. Если масса меньше чем, приблизительно полторы массы Солнца, сжатие может быть остановлено давлением вырожденного газа электронов или нейтронов. Объект стабилизируется, чтобы стать белым карликом или нейтронной звездой, соответственно. Однако, если масса больше чем этот предел, то уже нет ничего, что могло бы остановить неуклонное сжатие. Как только сжатие объекта приблизится к некоторому критическому размеру, поле тяготения на его поверхности будет настолько сильно, что световые конусы будут наклонены внутрь .... Мы можем видеть, что даже уходящие во вне световые лучи изогнуты по направлению друг к другу, так что они сближаются, а не расходятся. Это означает, что имеется некоторая закрытая поверхность ....

  Таким образом должна существовать область пространства-времени, из которой невозможно вырваться на бесконечное расстояние. Эта область называется черной дырой. Ее граница называется горизонтом событий, она является поверхностью, сформированной световыми лучами, не способными вырваться к бесконечности ....

  Большое количество информации теряется, когда космическое тело коллапсирует, чтобы образовать черную дыру. Коллапсирующий объект описывается очень большим количеством параметров. Его состояние определятся видами вещества и мультипольными моментами распределения их масс. Несмотря на это формирующаяся черная дыра совершенно не зависит от вида вещества и быстро теряет все мультипольные моменты кроме первых двух: монопольного, который является массой, и дипольного, который является моментом импульса.

  Эта потеря информации действительно не имела значения в классической теории. Можно сказать, что вся информация относительно коллапсирующего объекта оказывается внутри черной дыры. Для наблюдателя, находящегося вне черной дыры, было бы очень трудно определить, на что похож коллапсирующий объект. Однако, в классической теории это было все еще возможно в принципе. Наблюдатель никогда фактически не терял бы из виду коллапсирующий объект. Вместо этого, ему казалось бы, что объект замедляется в своем сжатии и становится все более и более тусклым, по мере его приближения к горизонту событий. Этот наблюдатель все еще мог видеть из чего состоит коллапсирующий объект и как в нем распределена масса.

  Однако, с точки зрения квантовой теории все полностью меняется. В течение коллапса объект испустил бы только ограниченное число фотонов прежде, чем пересечь горизонт событий. Этих фотонов было бы соверщенно недостаточно, чтобы передать нам всю информацию относительно коллапсирующего объекта. Это означает, что в квантовой теории не существует никакого способа, которым внешний наблюдатель мог бы определить состояние такого объекта. Можно было бы подумать, что это не имеет слишком большого значения, потому что информация будет все еще внутри черной дыры, даже если ее невозможно измерить извне. Но это как раз тот случай, где проявляется второй эффект квантовой теории черных дыр....

  Квантовая теория заставляет черные дыры излучать и терять массу. И по-видимому они в конечном счете исчезают полностью - вместе с информацией внутри них. Я хочу привести аргументы в пользу того, что эта информация действительно теряется и не возвращается в какой-либо форме. Как я покажу дальше, с этой потерей информации в физику входит неопределенность более высокого уровня чем обычная неопределенность, связанная с квантовой теорией. К сожалению, в отличие от соотношения неопределенности Гейзенберга, этот новый уровень неопределенности будет довольно трудно подтвердить экспериментально в случае черных дыр.

  Роджер Пенроуз о квантовой теории и пространстве-времени:

  Квантовая теория, специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая теория поля - величайшие физические теории 20-ого столетия. Эти теории не независимы от друг друга: общая теория относительности была построена на основе специальной теории относительности, а квантовая теория поля имеет специальную теорию относительности и квантовую теорию в качестве своего основания.

  Обычно говорилось, что квантовая теория поля - наиболее точная из всех когда-либо существовавших физических теорий, дающая точность до 11 знаков после запятой. Однако, я хотел бы указать, что общая теория относительности в настоящее время проверена с точностью до 14 знаков после запятой (и эта точность очевидно ограничена только точностью часов, идущих на Земле). Я имею в виду бинарный пульсар Hulse-Taylor PSR 1913+16, пара нейтронных звезд вращающихся друг относительно друга, одна из которых - пульсар. Общая теория относительности предсказывает, что подобная орбита медленно сжимается (а ее период уменьшается), потому что происходит потеря энергия вследствие излучения гравитационных волн. Этот процесс действительно был зафиксирован экспериментально, а полное описание его движения, наблюдаемого в течение 20 лет ... находится в согласии с общей теорией относительности (которая включает в себя Ньютоновскую теорию) с замечательной точностью, отмеченной выше. Исследователи этой звездной системы по праву получили Нобелевские премии за свою работу. Квантовые теоретики всегда утверждали, ссылаясь на точность их теории, что общая теория относительности должна брать с нее пример, но я думаю теперь, что пример должна брать квантовая теория поля.

  Хотя эти четыре теории достигли больших успехов, но и они не свободны от проблем .... Общая теория относительности предсказывает существование сингулярностей пространства-времени. В квантовой теории имеется "проблема измерения", я опишу ее позже. Может оказаться, что решение проблем этих теорий состоит в признании того факта, что они являются неполными теориями. Например, многие предвкушают, что квантовая теория поля могла бы каким-либо способом "размазать" сингулярности общей теории относительности....

  А теперь я хотел бы сказать несколько слов относительно потери информации в черных дырах, которая, как я полагаю, имеет отношение к последнему утверждению. Я соглашаюсь почти со всем, что относительно этого сказал Стивен. Но в то время как Стивен расценивает потерю информации в черных дырах как новую неопределенность в физике, более высокого уровня, чем квантовомеханическая неопределенность, то я же рассматриваю ее как всего лишь "дополнительную" неопределенность .... Возможно, что небольшое количество информации теряется во время испарения черной дыры ... но этот эффект будет намного меньше, чем потеря информации во время коллапса (для описания которого я принимаю любую разумную картину заключительного исчезновения черной дыры).

  В качестве мысленного эксперимента рассмотрим замкнутую систему в большом ящике и рассмотрим движение материи внутри ящика в фазовом пространстве. В областях фазового пространства, соответствующих местоположениям черной дыры, траектории описывающие физическую эволюцию системы будут сходиться, и фазовые объемы, заполняемые этими траекториями, будут сокращаться. Это происходит в результате потери информации в сингулярности черной дыры. Данное сокращение находится в прямом противоречии с законом классической механики, известным как теорема Лиувилля, которая утверждает, что фазовые объемы, переносимые фазовыми траекториями остаются постоянными .... Таким образом пространство-время черной дыры нарушает сохранение таких объемов. Однако, в моей картине, эта потеря объема фазового пространства сбалансирована процессом спонтанных квантовых измерений, в результате которых происходит восстановление информации и увеличение объема в фазовом пространства. Как понимаю это я, так происходит потому, что неопределенность, связанная с потерей информации в черных дырах, является как бы "дополнительной" к квантовомеханической неопределенности: каждая из них - лишь одна сторона одной монеты....

  А теперь давайте рассмотрим мысленный эксперимент с котом Шредингера. Он описывает незавидное положение кота в ящике, в котором испущенный фотон падает на полупрозрачное зеркало, а переданная часть его волновой функции регистрируется датчиком. Если датчик обнаруживает фотон, то срабатывает пистолет, убивающий кота. Если датчик не обнаруживает фотон, то кот остается жив и здоров. (Я знаю, что Стивен не одобряет дурное обращение с котами, даже в мысленных экспериментах!) Волновая функция такой системы является суперпозицией этих двух возможностей .... Но почему нашему восприятию доступны только макроскопические альтернативы "кот мертв" и "кот жив", а не макроскопические суперпозиции таких состояний? ...

  Я предполагаю, что с привлечением общей теории относительности, использование суперпозиций альтернативных геометрий пространства-времени сталкивается с серьезными трудностями. Возможно, что суперпозиция двух различных геометрий нестабильна и распадается в одну из этих двух альтернатив. Такими геометриями могли бы быть, например, пространство и время живого или мертвого кота. Для обозначения этого распада суперпозиции в одно из альтернативных состояний я использую термин объективная редукция, который мне нравится, потому что имеет хороший акроним (OR). Какое отношение к этому имеет планковская длина 10-33 сантиметра? Такая длина является естественным критерием для определения того, являются ли геометрии действительно различными мирами. Планковский масштаб определяет также и временной масштаб, при котором происходит редукция в различные альтернативы.

  Хокинг о квантовой космологии:

  Я заканчиваю эту лекцию обсуждением вопроса, по поводу которого Роджер и я имеем различные взгляды - это стрела времени. Имеется очень ясное различие между прямым и обратным направлениями времени в нашей части вселенной. Достаточно прокрутить назад любой фильм, чтобы увидеть это различие. Вместо чашек, падающих со стола и рассыпающихся на мелкие кусочки, мы видели бы как эти осколки вновь собираются вместе и вскакивают обратно на стол. Разве реальная жизнь похожа не что-либо подобное?.

  Локальные законы физические полей удовлетворяют требованию симметрии во времени, или если быть более точным CPT-инвариантности (Charge-Parity-Time - Заряд-Четность-Время). Таким образом, наблюдаемое различие между прошлым и будущим происходит от граничных условий вселенной. Рассмотрим модель, в которой пространственно замкнутая вселенная расширяется до максимального размера, после чего вновь коллапсирует. Как подчеркнул Роджер, вселенная будет сильно различается в конечных пунктах этой истории. В своем начале вселенная, как мы теперь думаем, будет довольно гладкой и регулярной. Однако, когда она начнет снова коллапсировать, мы ожидаем, что она будет чрезвычайно беспорядочна и нерегулярна. Поскольку беспорядочных конфигураций гораздо больше чем упорядоченных, это означает, что начальные условия должны быть выбраны чрезвычайно точно.

  Вследствие этого граничные условия должны быть различными в эти моменты времени. Предположение Роджера состоит в том, что Вейлевский тензор должен обратиться в нуль только в одном из концов времени. Вейлевский тензор - та часть кривизны пространства-времени, которая не определяется локальным распределением материи через уравнения Эйнштейна. Эта кривизна чрезвычайно мала в упорядоченной ранней стадии, и очень велика в коллапсирующей вселенной. Таким образом, это предложение позволило бы нам отличить оба конца времени друг от друга и объяснить существование стрелы времени.

  Я думаю, что предложение Роджера является Вейлевским в двух смыслах этого слова. Во-первых, оно - не CPT-инвариантно. Роджер рассматривает это свойство как достоинство, но как я чувствую, не нужно отказываться от симметрий без достаточно весомых на то причин. Во вторых, если бы Вейлевский тензор был точно равен нулю на ранней стадии вселенной, то она оставалась бы однородной и изотропной в течение всего последующего времени. Вейлевская гипотеза Роджера не может объяснять ни флуктуации микроволнового фона, ни возмущения, которые вызывают галактики и тела, подобные нам самим.

  Несмотря на все это, я думаю, что Роджер указал на очень важное различие между этими двумя границами времени. Но факт, что малость Вейлевского тензора в одной из границ, не должна приниматься нами ad hoc, а должна быть получена из более фундаментального принципа "отсутствия границ" ....

  Каким образом две временные границы могут быть различными? Почему возмущения должны быть малы в одной из них, но не в другой? Причина этого в том, что уравнения поля имеют два возможных комплексных решения.... Очевидно, что одно решение соответствует одной границе времени, а другое - другой .... В одном конце времени, вселенная была очень гладкой, и Вейлевский тензор - мал. Однако, точно он не мог быть равен нулю, поскольку это приводит к нарушению соотношения неопределенности. Вместо этого должны иметь место небольшие флуктуации, которые позже могут превратиться в галактики и тела, подобно нам самим. В противоположность началу, конец вселенная должен быть очень нерегулярным и хаотичным, а Вейлевский тензор очень большим. Это объяснило бы почему имеет место стрела времени и почему чашки падают со стола и разбиваются гораздо охотнее, чем восстанавливаются и вскакивают обратно.

  Пенроуз о квантовой космологии:

  Из того, что я понял в концепции Стивена, я делаю вывод, что наши разногласия по данному вопросу (Вейлевская гипотеза кривизны) чрезвычайно велики ...Для начальной сингулярности Вейлевская кривизна приблизительно является нулевой .... Стивен спорил, что в начальном состоянии должны иметь место маленькие квантовые флуктуации, и поэтому гипотеза о нулевой Вейлевской кривизне является классической и неприемлемой. Но я думаю, что имеется некоторая свобода относительно точной формулировки этой гипотезы. Маленькие возмущения конечно же приемлемы с моей точки зрения в квантовом режиме. Мы нуждаемся только в том, чтобы существенно ограничить эти флуктуации около нуля ....

  Возможно, что принцип "отсутствия границ" Джеймса-Хартли-Хокинга является хорошим кандидатом для описания структуры начального состояния. Однако, как мне кажется, для объяснения заключительного состояния необходимо что-то другое. В частности, теория, объясняющая структуру сингулярностей, должна была бы включать в себя нарушение CPT и других симметрий, для того чтобы быть совместимой с гипотезой Вейлевской кривизны. Такое нарушение симметрии времени могло бы быть весьма малым; и могло бы неявно содержаться в новой теории, выходящей за пределы квантовой механики.

  Хокинг о физической реальности:

  Эти лекции очень ясно показали различие между Роджером и мной. Он - платонист, а я - позитивист. Он всерьез озабочен, что кот Шредингера находится в квантовом состоянии, в котором он наполовину жив, а наполовину мертв. Он предчувствует в этом несоответствие действительности. Но меня такие вещи не беспокоят. Я не требую, чтобы теория соответствовала реальности, поскольку не знаю, что такое реальность. Реальность это не качество, которое вы можете проверить лакмусовой бумагой. Все, о чем я беспокоюсь это то, чтобы теория предсказывала результаты измерений. Квантовая теория делает это очень успешно ....

  Роджер чувствует, что ... коллапс волновой функции привносит в физику нарушение CPT-симметрии. Он видит такие нарушения в работе по крайней мере в двух областях физики: космология и черные дыры. Я соглашаюсь, что мы можем использовать асимметрию времени, когда задаем вопросы относительно наблюдений. Но я полностью отклоняю идею, что имеются некие физические процессы, приводящие к редукции волновой функции, или что это имеет какое-либо отношение к квантовой гравитации или сознанию. Это все имеет отношение к волшебству и магии, но не к науке.

  Пенроуз о физической реальности:

  Квантовая механика существует всего только 75 лет. Это не очень много, особенно если сравнивать, например, с теорией гравитации Ньютона. Поэтому я не удивлюсь, если квантовая механика будет модифицирована для очень больших объектов.

  В начале этих дебатов Стивен высказал мысль, что он - позитивист, а я - платонист. Я рад, что он позитивист, но относительно себя могу сказать, что я скорее являюсь реалистом. К тому же, если сравниваете эти дебаты с известными дебатами Бора и Эйнштейна, приблизительно 70 лет назад, я думаю, что Стивен играет роль Бора, а я - роль Эйнштейна! Для Эйнштейна было необходимо, чтобы существовало нечто похожее на реальный мир, описываемое не обязательно волновой функцией, в то время как Бор подчеркивал, что волновая функция не описывает не реальный мир, а только знание, необходимое для предсказания результатов эксперимента.

  Сейчас считается, что аргументы Бора оказались более весомыми, и что Эйнштейн (согласно его биографии, написанной Абрахамом Паисом) мог уже с 1925 года заниматься рыбалкой. И действительно, он не внес большого вклада в квантовую механику, хотя его проницательная критика была очень полезна для последней. Я полагаю, что причина этого была в том, что в квантовой теории отсутствовали некоторые важные компоненты. Одним из таких компонентов было открытое Стивеном 50 годами позже излучения черных дыр. Утечка информации, связанная с излучением черной дыры, есть тот феномен, который возможно поднимет квантовую теорию на новый уровень.

  Стивен Хокинг считает, что окончательной теории Вселенной может и не существовать

  В телелекции, прочитанной знаменитым физиком Стивеном Хокингом (Stephen Hawking) из Англии для слушателей нескольких аудиторий Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology - MIT) описывался проводимый учеными поиск полной теории Вселенной. И в заключение автор научных бестселлеров "Краткая история времени" ('A Brief History of Time') и "Теория всего" ('The Theory of Everything'), профессор математики из Кембриджского университета предположил, что, "возможно [такая теория] невозможна".

  "Некоторые люди будут сильно разочарованы, узнав, что окончательной теории нет, - сказал Хокинг. - Я тоже принадлежал к этому лагерю, но теперь я передумал. Мы будем всегда иметь дело с вызовом со стороны новых научных открытий. Без этого цивилизация будет застаиваться. Поиск можно продолжать очень долго".

  Телепередача, по ходу которой возникли некоторые технические трудности с изображением и со звуком, транслировалась и через Интернет. Организована она была Институтом Кембридж-MIT (Cambridge-MIT Institute (CMI) - трехлетний стратегический союз между Кембриджским университетом в Англии и Массачусетским технологическим институтом).

  Хокинг по сути кратко изложил историю физики элементарных частиц, сосредотачившись на ключевых фигурах и теориях в этой области, начиная с Аристотеля и кончая Стивеном Вейнбергом (Stephen Weinberg, нобелевский лауреат, родившийся в 1933 году).

  Уравнения Максвелла и Дирака, например, "управляют едва ли не всей физикой и всей химией и биологией, - рассуждал Хокинг. - Таким образом, зная эти уравнения, мы могли бы в принципе предсказывать человеческое поведение, хотя я не могу утверждать, что сам имел в этом деле большой успех", - заключил он под смех аудитории.

  Человеческий мозг содержит слишком много частиц для того, чтобы решить все уравнения, необходимые для того, чтобы предсказывать чье-то поведение. Мы разве только когда-нибудь в обозримом будущем научимся предсказывать поведение червя нематоды.

  Все теории, развиваемые до настоящего времени для того, чтобы объяснить Вселенную, "являются либо противоречивыми, либо неполными", - заявил Хокинг. И предположил, в силу каких обстоятельств невозможно в принципе развить одну полную теорию Вселенной. Свою аргументацию он основывал на работах Курта Гёделя (Kurt Gödel), чешского математика, автора знаменитой теоремы, согласно которой в пределах любой области математики некоторые суждения никак не могут быть ни доказаны, ни опровергнуты.

  
  Еще популярно о терии суперструн: СТРУННЫЙ КОНЦЕРТ ДЛЯ ВСЕЛЕННОЙ.
  
  Смотрите так же:
  
• Миф о начале време - Габриель Венециано.
  
• Бесконечно ли всемогущество теории суперструн? - статья Игоря Иванова.
  
• Грядущие революции в фундаментальной физике - лекция Дэвида Гросса о теории струн.
  
• Интервью с Дэвидом Гроссом - не только о теории струн.
  
• Черные дыры и структура пространства-времени - о Чёрных дырах в рамках теории струн.
  
• Официальный сайт Теории Струн - перевод официального сайта .