В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле "свернулось" до очень малых размеров. Из каждой точки пространства в пятое измерение выходит небольшая петелька. Мы не замечаем всех этих петель из-за малости их размеров. Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался равным 10-32 см, т.е. в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.(7)
На некоторое время теория Клауца-Клейна была забыта, но когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теорию Клауца-Клейна снова вспомнили. Для того, чтобы выполнялись все необходимые операции симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений (всё пространство в целом получилось 11-мерным). А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались, они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос: если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можно свернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мерную сферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которой склоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Как предполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени не свернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (к которому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласно которой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты. (2)
Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е. их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие -- основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их приро- ды происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.
Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и -- основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой.
Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция -- концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами -- квантами поля.
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы -- законом всемирного тяготения. Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.
В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны -- частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное -- при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля.
Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде -- электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей, а также электрического тока служат основой для создания разнообразных современных технических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов, компьютеров и т.д.
Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны -- кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире, представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно 0,4--0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.
Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами -- частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.
В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы -- частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.(9)
К настоящему моменту единая теория описания взаимодействий ещё не разработана до конца, но большинство учёных склоняются к образованию Вселенной в результате Большого взрыва: в нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Само «начало» Вселенной, т. е. ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому к нулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, что уравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 1093 г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 1051 тонн, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 1032 градусам. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной. (3)
Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 1011 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции - иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.
Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем ее бурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как и средняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллион лет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), что протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу, начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды, планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какой мы ее видим. (3)
Но это не единственная гипотеза. Согласно одной из гипотез, Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действием некоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённая упорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовес полной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется "творить" Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Если учёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволит согласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальных условий.
Одна из наиболее распространённых гипотез о механизме диссипации - это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую дают приливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаются искривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства, искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождение уменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, тем интенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такие эффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно, даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не из сингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как в первоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том, что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, который не позволял бы большей их части снова аннигилировать.
С одной стороны, существование неоднородностей могло бы нас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощи математических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобных положений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключить существование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения от однородности. Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизи сингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либо модели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказывают поведение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии). Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярности в пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся на сегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого рода взрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность, появляется по соседству с сингулярностью, были названы "скулёжем". Однако для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия и давление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысоких плотностях материи эти условия выполняются.
Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не в материи, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятся очень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, могли бы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например, "отскок" материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствия удовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чётких выводов. Если принять гипотезу "скулёжа" или квантового "отскока", то это означает, что пространство и время существовали и до этих событий.(13)
Уже после открытия расширения Вселенной, в 1946 году британские астрофизики Герман Бонди и Томас Голд предположили что всё же, раз Вселенная однородна в пространстве, она должна быть однородна и во времени. В таком случае, расширяться она должна с постоянной скоростью, а чтобы не происходило уменьшения плотности вещества, должны непрерывно образовываться новые галактики, которые заполнят промежутки, образовавшиеся от разбегания уже существующих галактик. Вещество для построения новых галактик непрерывно появляется по мере расширения Вселенной. Такая вселенная не статична, а стационарна: отдельные звёзды и галактики проходят свои жизненные циклы, но в целом Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Для объяснения, как появляется вещество без нарушения закона сохранения энергии, Фред Хойл придумал поле нового типа - создающее поле с отрицательной энергией. При образовании вещества, отрицательная энергия этого поля усиливается, и общая энергия сохраняется.
Частота рождения атомов при такой модели настолько мала, что не может быть обнаружена экспериментально. К середине 60-х годов были сделаны открытия, свидетельствующие о том, что Вселенная эволюционирует. Затем было открыто фоновое тепловое излучение, свидетельствующее о том, что Вселенная несколько миллиардов лет назад находилась в горячем плотном состоянии, и поэтому не может быть стационарной.
Тем не менее, с философской точки зрения концепция не рождающейся и не умирающей вселенной очень привлекательна. Соединить философские достоинства стационарной вселенной с теорией большого взрыва можно в моделях осциллирующей вселенной. Такая космологическая модель исходит из фридмановской модели со сжатием, дополненной предположением о том, что вселенная не гибнет при возникновении сингулярностей на обоих временных "концах", а проходит сверхплотное состояние и совершает "скачок" в следующий цикл расширения и сжатия. Такой процесс может продолжаться бесконечно. Однако, для того, чтобы не накапливались энтропия и фоновое излучение от предыдущих циклов расширения-сжатия, придётся принять, что на стадии большой плотности нарушаются все термодинамические законы (потому и энтропия не накапливается), однако предполагается сохранение законов теории относительности. В своём крайнем выражении такая точка зрения допускает, что все законы и мировые константы в каждом цикле будут новыми, а поскольку от цикла к циклу ничего не сохраняется, то можно говорить о физически не связанных друг с другом вселенных. С таким же успехом можно предположить одновременное существование бесконечного ансамбля вселенных, некоторые из них могут быть похожи и на нашу. Эти умозаключения носят чисто философский характер и не могут быть опровергнуты ни экспериментом, ни наблюдением.(13)
Насколько много гипотез создания Вселенной, настолько же разнообразен поиск теории всего - стандартная модель, теория струн, М-теория, исключительно простая теория всего, теории Великого объединения и т. д.
Стандартная модель -- теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. До сих пор все предсказания стандартной модели подтверждались экспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента. Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказания стандартной модели слегка расходятся с экспериментом и даже явления, крайне трудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, что стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от стандартной модели -- одно из самых активных направлений исследования в последние годы.
Теория струн -- направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10-35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.
Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струнными моделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована «теория всего». Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.
M-теория (мембранная теория) -- современная физическая теория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. В качестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомерная мембрана) -- протяжённый двухмерный или с бомльшим числом измерений объект. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории. В середине 1980-х теоретики пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями.
Исключительно простая теория всего-- единая теория поля, которая объединяет все известные физические взаимодействия, существующие в природе, предложенная американским физиком Гарретом Лиси 6 ноября 2007 года. Теория интересна своей элегантностью, но требует серьёзной доработки. Некоторые известные физики уже высказались в её поддержку, однако в теории обнаружен ряд неточностей и проблем.
Теории Великого объединения -- в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях эти взаимодействия объединяются.(10)
Можно с полной уверенностью сказать, что будущие открытия и теории обогатят, а не отвергнут Вселенную, которую открыли нам Пифагор, Аристарх, Кеплер, Ньютон и Эйнштейн, - Вселенную столь же гармоничную, как Вселенная Платона и Пифагора, но построенную на гармонии, заключённой в математических законах; Вселенную не менее совершенную, чем Вселенная Аристотеля, но черпающую своё совершенство в абстрактных законах симметрии; Вселенную, в которой безграничная пустота межгалактических пространств залита мягким светом, несущим из глубин времени ещё до конца непонятные нам сообщения; Вселенную, у которой есть начало во времени, но нет ни начала, ни конца в пространстве, которая, быть может, будет расширяться вечно, а возможно, в один прекрасный момент, прекратив расширение, начнёт сжиматься. Эта Вселенная совсем не похожа на ту, которая рисовалась в смелых умах тех, кто первым отважился задать вопрос: «А каков наш мир на самом деле?». Но, я думаю, что узнав об этом, они не огорчились.(1)
Список литературы
1. Лейзер Д., Создавая картину Вселенной, М. 1999.
2. Дэвис П., Суперсила, М. 1989.
3. Зигель Ф.Ю., Вещество Вселенной, М. 1982.
4. Паркер Б., Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной, М. 1991.
5. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С., Концепции современного естествознания, М. 1993.
6. Стародубцев В.А., Концепции современного естествознания, Томск, 2002.
7. Дубнищева Т.Я., Концепции современного естествознания, М. 2006.
8. Хокинг С., Краткая история времени: от большого взрыва до чёрных дыр, С.-П., 2001
9. Садохин А.П., Концепции современного естествознания, М. 2006.
10. http://ru.wikipedia.org/
11. Лавриненко В.Н, Ратников В.П., Концепции современного естествознания, М. 2006.
12. Карпенков C.Х., Концепции современного естествознания, М. 2003.
13. Дэвис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, М. 1979.
Страницы: 1, 2
