Развитие космологии.

В начале 80-х годов особую популярность приобрели теории типа Калуцы-Клейна, согласно которым размерность нашего пространства больше 4-х, но часть измерений “скомпактифицировано”, так что мы не можем двигаться в соответствующих направлениях.

С конца 1984 года была развита теория суперструн, согласно которой основным объектом теории являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные образования очень малого размера.

Успехи теории горячей Вселенной, основанной на однородной модели Вселенной Фридмана, постепенно привели к убеждению, что Вселенная всюду устроена так же как и в окрестностях Солнечной системы. Это убеждение находится в полном соответствии с наблюдательными данными.

Анализ таблиц элементарных частиц и свойств наблюдаемой части Вселенной не оставляет ощущения безусловной гармонии. Почему Вселенная почти однородна и в то же время в ней есть такие неоднородности, как планеты, звёзды, галактики? Эти вопросы наводят на вопрос, мог ли наш мир быть создан по другому.

Согласно современным единым теориям элементарных частиц свойства наблюдаемого мира связаны с тем, каким именно образом нарушается симметрия между разными типами взаимодействий и какой из многих возможных вариантов компактификации исходного многомерного пространства осуществляется в окружающей нас части Вселенной.

Первоначально подразумевалось, что выбор типа нарушения симметрии и выбор способа компактификации должны происходить одинаково во всей Вселенной. Однако дальнейшее изучение этого вопроса показало, что в рамках сценария раздувающейся Вселенной гипотеза о таком единообразии может быть неверна.

Наиболее простым и естественным сценарием раздувающейся Вселенной сейчас представляется сценарий хаотического раздувания. Раздувание может осуществляться в обычной теории массивного скалярного поля j, характеризуемого массой m, где потенциальная энергия V(j) поля j при больших j растёт как любая степень поля V(j) ~ jⁿ.

Поведение Вселенной зависит от первоначального распределения классического поля j, и в простейшей теории массивного скалярного поля j с V(j) = mj²/2

оно может быть описано при помощи кривой:

Mp4

V

Область начальных значений является запрещённой. Квантовые флуктуации метрики столь велики, что говорить о классическом пространстве - времени нельзя.

j

Mp2/m

MpÖ(Mp/m)

Mp

m2Mp2

mMp3

В областях пространства, в которых поле изначально находилось в интервале M_p<j<M_p²/m, процесс уменьшения поля идёт очень медленно. Вселенная в это время расширяется экспотенциально.

Эта стадия называется стадией раздувания.

В простейших моделях за время раздувания размер Вселенной вырастает в 10^{100 000} - 10^{10 000 000 000} раз!

Когда поле уменьшается до j ~ M_p, где M_p ~ 10^-5 г. - планковская масса, оно начинает быстро колебаться вблизи минимума V(j), и при наличии взаимодействия этого поля с другими физическими полями накопившаяся в нём энергия переходит в тепло, т.е. Вселенная становится горячей.

В области M_pÖ(M_p/m)< j < M_p²/m за счёт квантовых эффектов генерируются неоднородности поля с очень большой длиной волны, причём амплитуда этих неоднородностей, возникающих за характерное время Dt~H^-1, больше, чем общее уменьшение поля j за это же время из-за “скатывания” поля к минимуму V(j). В результате за время Dt~H^-1 общий объём Вселенной увеличивается в e³ раз (из-за раздувания), и почти в половине этого объёма поле j не уменьшается, а растёт, причём скорость раздувания Вселенной в областях с увеличившимся полем j тоже увеличивается.

Это приводит к тому, что большая часть объёма Вселенной, в которой изначально была хотя бы одна область с j > M_pÖ(M_p/m) находится сейчас в состоянии с максимально возможным полем j и продолжает раздуваться. В этих областях расширение Вселенной никогда не кончается, т.е. Вселенная существует вечно. С другой стороны, те области Вселенной, в которых поле j становится меньше, чем j ~ M_pÖ(M_p/m), через некоторое время перестают раздуваться, приобретая размер l>10¹⁰⁰⁰⁰⁰ см. В одной из таких областей мы и живём.

Важной особенностью этого сценария являются сильные флуктуации метрики и всех других физических полей в большей части объёма Вселенной, в которой сейчас j ~ M_p²/m. Эти флуктуации приводят к разбиению нашей Вселенной на экспотенциально большие области со всеми возможными типами вакуумных состояний и со всеми возможными типами компактификации “лишних” измерений. В каждой из таких областей свойства пространства - времени и низкоэнергетическая физика элементарных частиц будут различными.

В некоторых из этих областей размерность пространства - времени может быть отлична от четырёх, вместо слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий могут существовать взаимодействия совершенно других типов с другими константами связи.

Таким образом, согласно этому сценарию, глобальная геометрия нашего мира кардинально отличается от геометрии мира Фридмана. Вселенная оказывается состоящей как бы из отдельных фридмановских мини-вселенных с разными свойствами и жизнь нашего типа может возникнуть в части мини-вселенных, условия в которых достаточно хороши для этого (антропный принцип). Планеты и атомы нашего типа могут возникать только в трёх-мерном пространстве. Силы тяготения в пространствах с другим числом измерений слишком быстро убывают с расстоянием и планетные системы неустойчивы.

F ~ 1/R^N-1

Эволюция Вселенной не имеет единого (сингулярного) начала. Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц в каждом “пузыре” - мини-вселенной могут быть различны.

Каждая область мини-вселенной (домен) имеет размеры ~10 млрд св лет и превышает размеры наблюдаемой нами Вселенной.

Вакуум.

Термин вакуум в современной физике используется в двух смыслах. Первый - наиболее распространённый - соответствует весьма разреженным газам. Второй соответствует состоянию, в котором полностью отсутствуют реальные частицы.

В этом случае физический вакуум соответствует конденсату частиц с целым спином (бозонов). Такой конденсат вследствие квантовых эффектов характеризуется следующими свойствами:

1. Он соответствует минимуму в энергетической зависимости системы от функции j, определяющей её состояние.

2. При существовании реальных частиц конденсат стремится “затащить” их к себе, а не “вытолкнуть”, как это имеет место в реальных газах. Поэтому физический вакуум характеризуется экзотическим уравнением состояния

p = - e.

Вакуумное состояние испытывает непрерывные и противоположные воздействия. С одной стороны, свойства бозонного конденсата таковы, что он стремится удержать все содержащиеся в нём частицы, а с другой - уравнение состояния определяет его нестабильность. Эти полярные свойства вакуума приводят к тому, что для образования реальных частиц из вакуума необходимо затратить энергию и довольно значительную. С другой стороны вакуум непрерывно порождает виртуальные частицы, время жизни которых очень мало, например, для электронов t = 10^-22 с.

Виртуальные частицы наблюдать непосредственно нельзя, однако, их существование проявляется во взаимодействии с реальными частицами. Можно сказать, что вакуум непрерывно “кипит”, но не “выкипает”. Наиболее известный вакуумный эффект - сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, обусловленный взаимодействием движущихся атомарных электронов с виртуальными частицами вакуума (эффект Лэмба - Резерфорда).

Вакуум - абслютно однородная Среда, характеризуемая своей плотностью энергии и гравитационными характеристиками. Поэтому он эквивалентен по своим свойствам введённому Эйнштейном в уравнения ОТО L - члену.

Современные представления о вакууме позволяют по иному взглянуть на проблему сингулярности и первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва.

Вселенная возникает в результате возмущения вакуума. Энергия вакуума переходит в реальные частицы, которые, взаимодействуя между собой, порождают барионную ассиметрию. Не все вакуумные возмущения могут преодолеть потенциальный барьер и развиться в мини-вселенные. Спустя 10^-35 с после своего возникновения мини-вселенные переходят во фридмановский режим. После этого Вселенная расширяется согласно разработанной модели Большого Взрыва.

При плотности Вселенной больше критической, расширение сменится сжатием, плотность будет увеличиваться и достигнет планковской. В этом малом объёме (~10^-10см) будет находиться вакуумообразная материя, которая может вызвать к жизни новую мини-вселенную. И этот процесс будет продолжаться непрерывно и бесконечно. При переходе от одной мини-вселенной к другим аналогичным объектам вовсе не обязательно, чтобы фундаментальные постоянные (константы, число взаимодействий, размерность пространства, массы частиц) повторялись. Каждая новая вселенная может иметь свою размерность и свойства констант.