480 rub. | 150 UAH | $7,5 ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Teza, - 480 rubalja, dostava 1-3 sata, od 10-19 (moskovsko vrijeme), osim nedjelje

Bulatov, Nikolaj Vladimirovič Kosmološki modeli povezani sa teorijom polja struna: disertacija... Kandidat fizičko-matematičkih nauka: 01.04.02 / Bulatov Nikolaj Vladimirovič; [Mjesto zaštite: Mosk. stanje un-t im. M.V. Lomonosov. Phys. fakultet].- Moskva, 2011.- 115 str.: ilustr. RSL OD, 61 12-1/468

Uvod u rad

Relevantnost

Zahvaljujući ekstremno visokim energijama postignutim tokom ere ranog svemira, kao i ogromnim udaljenostima na kojima se dešava kosmološka evolucija, kosmologija može postati oruđe za proučavanje fizike u razmjerima nedostupnim direktnim eksperimentima. Štaviše, brojna visoko precizna astrofizička zapažanja izvršena u protekloj deceniji pretvorila su kosmologiju u prilično tačnu nauku, a Univerzum u moćnu laboratoriju za proučavanje fundamentalne fizike.

Kombinovana analiza podataka iz eksperimenta WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), kao i rezultati posmatranja supernove tipa 1a, uvjerljivo ukazuju na ubrzano širenje Univerzuma u modernoj eri. Kozmološko ubrzanje sugerira da svemirom trenutno dominira približno ravnomjerno raspoređena materija s negativnim tlakom, nazvana tamna energija.

Za specifikaciju različitih vrsta kosmičke materije, fenomenološki odnos između pritiska R i pun energije d : napisano za svaku od komponenti ove supstance

P \u003d WQ,

gdje w- parametar jednadžbe stanja ili skraćeno parametar stanja. Za tamnu energiju w 0. Prema savremenim eksperimentalnim podacima, parametar stanja tamne energije je blizu -1. Konkretno, iz rezultata savremenih eksperimenata proizlazi da vrijednost parametra stanja tamne energije najvjerovatnije pripada intervalu

= -í-obí8:oí-

Sa teorijske tačke gledišta, ovaj interval pokriva tri značajno različita slučaja: w > - 1, w = - 1 i w 1.

Prvi slučaj w > - 1 je implementiran u kvintesencijalnim modelima, koji su kosmološki modeli sa skalarnim poljem. Ovaj tip modela je sasvim prihvatljiv, osim što postavlja pitanje porijekla ovog skalarnog polja. Da bi se zadovoljili eksperimentalni podaci, ovo skalarno polje mora biti izuzetno lagano i stoga ne u skupu polja Standardnog modela.

Drugi slučaj w=- 1 se implementira uvođenjem kosmološke konstante. Ovaj scenario je moguć sa opšte tačke gledišta, ali postavlja problem malenosti kosmološke konstante. Trebao bi biti 10 puta manji od prirodnog teorijskog predviđanja.

treći slučaj, w 1 se naziva fantomski i može se implementirati korištenjem skalarnog polja sa duhom (fantomskim) kinetičkim terminom. U ovom slučaju se narušavaju svi prirodni energetski uvjeti i javljaju se problemi nestabilnosti na klasičnom i kvantne nivoe. Budući da eksperimentalni podaci ne isključuju mogućnost w 1 i, osim toga, predložena je strategija za direktnu provjeru nejednakosti w - 1, in savremena književnost razni modeli se aktivno predlažu i sa njima se raspravlja ž - 1.

Podsjetimo to u modelima s konstantnim parametrom stanja w : manje od -1, i prostorno ravnu Friedman-Robertson-Walkerovu metriku, faktor skale teži beskonačnosti i, posljedično, Univerzum se rasteže do beskonačnih dimenzija u konačnom trenutku vremena. Najjednostavniji način izbjegavajte ovaj problem kod modela sa w 1 je razmatranje skalarnog polja f sa negativnom vremenskom komponentom u kinetičkom terminu. U takvom modelu će biti narušen uvjet nulte energije, što će dovesti do problema nestabilnosti.

Mogući način da se zaobiđe problem nestabilnosti u modelima sa w 1 je smatrati fantomski model efikasnim, koji proizilazi iz fundamentalnije teorije bez negativnog kinetičkog termina. Posebno, ako uzmemo u obzir model višeg derivata kao što je fe f, onda u najjednostavnijoj aproksimaciji fe~if~ f 2 - 0P0, odnosno takav model zaista daje kinetički termin sa znakom duha. Pokazalo se da se takva mogućnost javlja u okviru teorije polja struna, što je pokazano u radu I.Ya. Arefieva (2004). Budući da je razmatrani model aproksimacija teorije polja struna u kojoj nema gostiju, ovaj model nema problema vezanih za Ghost nestabilnost.

Ovaj rad je podstakao aktivno proučavanje nelokalnih modela inspiriranih teorijom polja struna u smislu njihove primjene u kosmologiji, a posebno za opisivanje tamne energije. Ovo pitanje se aktivno proučava u brojnim radovima I.Ya. Arefieva, S.Yu. Vernova, L.V. Žukovskaja, A.S. Koshelev, G. Kalkagni, N. Barnaby, D. Mulrin, N. Nunes, M. Montobio i drugi. Konkretno, dobivena su rješenja u različitim modelima inspiriranim teorijom polja struna i istražena su neka njihova svojstva.

U ovom radu proučavamo svojstva kosmoloških modela inspiriranih teorijom polja struna, koji su primjenjivi kako za opisivanje moderne evolucije Univerzuma tako i za opisivanje ere ranog Univerzuma.

Drugo poglavlje proučava stabilnost klasičnih rješenja u kosmološkim modelima uz kršenje uslova nulte energije u odnosu na anizotropne perturbacije. Kao što je istaknuto, takvi modeli mogu biti kandidati za opisivanje tamne energije sa parametrom stanja w 1. Prvo, razmatramo slučaj modela sa jednim poljem sa fantomskim skalarnim poljem. Modeli koji krše nulte energetske uslove mogu imati klasično stabilna rješenja u Friedmannovoj kosmologiji

Robertson Walker. Konkretno, postoje klasično stabilna rješenja za samodejne modele koji sadrže Gost polja koja minimalno djeluju s gravitacijom. Štaviše, atraktorsko ponašanje se odvija (atraktorsko ponašanje rješenja u slučaju nehomogenih kosmoloških modela opisano je u radu A.A. Starobinsky) u klasi fantomskih kosmoloških modela, opisanih u radovima I.Ya. Arefieva, S.Yu. Vernova, A.S. Kosheleva i R. Laskos sa koautorima. Može se proučavati stabilnost Friedman-Robertson-Walker metrike specificiranjem oblika perturbacija. Zanimljivo je znati da li su ova rješenja stabilna u odnosu na deformaciju Friedmann-Robertson-Walkerove metrike u anizotropnu, posebno u metriku Bianchi I. Bianchi modeli su prostorno homogeni anizotropni kosmološki modeli. Postoje stroga ograničenja za anizotropne modele koja proizlaze iz astrofizičkih opservacija. Iz ovih ograničenja slijedi da modeli koji razvijaju veliku anizotropiju ne mogu biti modeli koji opisuju evoluciju Univerzuma. Stoga je pronalaženje uslova za stabilnost izotropnih kosmoloških rješenja u odnosu na anizotropne perturbacije od interesa sa stanovišta odabira modela sposobnih za opisivanje tamne energije.

Stabilnost izotropnih rješenja u Bianchijevim modelima razmatrana je u inflatornim modelima (radovi S. Germani et al. i T. Koivisto et al. i reference u njima). U R. M. Waldu (1983), pod pretpostavkom da su energetski uslovi zadovoljeni, pokazano je da svi inicijalno ekspandirani Bianchijevi modeli, s izuzetkom tipa IX, postaju de Sitterov prostor-vrijeme. Waldova teorema pokazuje da za Bianchijev prostor-vrijeme tipa I-VIII sa pozitivnom kosmološkom konstantom i materijom koja zadovoljava osnovne i jake energetske uslove, buduća rješenja imaju određena asimptotička svojstva pri t-> oo. Zanimljivo je razmotriti slično pitanje u slučaju fantomske kosmologije i modela inspirisanih njima

teorija polja struna. U ovom radu dobijamo uslove koji su dovoljni u slučaju modela sa fantomskim skalarnim poljima da izotropna kosmološka rešenja budu stabilna, a samim tim i modeli koji se razmatraju mogu biti adekvatni za opisivanje tamne energije.

Treće poglavlje bavi se kosmološkom evolucijom u modelima s nepozitivnim određenim potencijalima inspiriranim teorijom polja struna. Takvi se modeli pokazuju zanimljivim sa stanovišta njihove primjene na opis kosmološke evolucije u ranom svemiru.

Higgsova inflacija privlači veliku pažnju kao model inflacije. Njegovo proučavanje je predmet radova M. Shaposhnikova, F.L. Bezrukova, A.A. Starobinsky, H.L.F. Barbona, X. Espinoza, X. Garcia-Beyido i drugi, izrađeni 2007-2011.

U ovom radu proučavamo model rane kosmologije sa Higgsovim potencijalom inspirisan teorijom polja struna. Početna motivacija za rad sa nelokalnim modelima ovog tipa (model I. Ya. Aref'eve, 2004) bila je vezana za proučavanje problema tamne energije. Na mogućnost razmatranja modela ovog tipa u kontekstu proučavanja epohe ranog svemira ukazano je u radovima J.E. Leadsey, N. Barnaby i J.M. Klein (2007). U ovom slučaju, skalarno polje je tahion Neveu-Schwartz-Ramon fermionskog niza, a model ima oblik nelokalnog Higgsovog potencijala. Nelokalnost skalarne materije dovodi do značajnih promjena u svojstvima odgovarajućih kosmoloških modela u odnosu na čisto lokalne kosmološke modele. Ove promjene nastaju zbog efektivnog preopterećenja kinetičkog dijela materije Lagranžiana, kao što je navedeno u radovima J.E. Leadsey, N. Barnaby i J.M. Klein (2007). O tome kako nastaju ove promjene detaljnije se govori u uvodu ovog rada.

Glavna promjena u svojstvima je ona u razmatranim

U ovoj efektivnoj lokalnoj teoriji, odnos između konstante sprege, masenog člana i vrijednosti kosmološke konstante se mijenja, zbog čega se pojavljuje dodatni negativni konstantni član i moramo imati posla s nepozitivnim određenim Higgsovim potencijalom. Nepozitivna određenost potencijala uzrokuje pojavu zabranjenih područja na faznoj ravni, što značajno mijenja dinamiku sistema u poređenju sa slučajem pozitivno određenog potencijala.

U ovom radu proučavamo klasične aspekte dinamike skalarnih modela s nepozitivnim određenim Higgsovim potencijalima u Friedman-Robertson-Walker kosmologiji. Budući da nelokalnost može pružiti efikasnu teoriju sa dovoljno malom konstantom spajanja, neke faze evolucije mogu se opisati korištenjem aproksimacije slobodnog tahiona. Iz tog razloga, počinjemo treće poglavlje razmatranjem dinamike slobodnog tahiona u metrici Friedmann-Robertson-Walker. Zatim prelazimo na raspravu o dinamici modela sa Higgsovim potencijalom.

Cilj

Proučavanje klasične stabilnosti rješenja u kosmološkim modelima uz narušavanje uslova nulte energije povezanog s teorijom polja struna s obzirom na anizotropne perturbacije u metrici Bianchi I. Dobijanje uvjeta stabilnosti u modelima s jednim i dva polja koji sadrže fantome skalarna polja i hladne tamne materije, u smislu parametara modela, kao iu smislu superpotencijala. Proučavanje dinamike u ranim kosmološkim modelima inspiriranim teorijom polja struna s nepozitivnim određenim potencijalima.

Naučna novina rada

U ovom radu je po prvi put proučavana stabilnost rješenja u kosmološkim modelima sa kršenjem uslova nulte energije u odnosu na anizotropne perturbacije metrike. Uslovi stabilnosti su dobijeni iu smislu parametara modela i

u smislu superpotencijala. Osim toga, konstruirana je sljedeća jednomodna aproksimacija, koja opisuje dinamiku tahiona sa pozitivnom kosmološkom konstantom, u poređenju sa prethodno dobijenom aproksimacijom. Takođe u ovom radu je po prvi put konstruisana asimptotika rešenja u modelu sa tahionskim potencijalom i pozitivnom kosmološkom konstantom u blizini granice zabranjenog područja.

Metode istraživanja

U disertaciji se koriste metode opće teorije relativnosti, teorije diferencijalne jednadžbe, numerička analiza.

Naučni i praktični značaj rad

Ova disertacija je teorijske prirode. Rezultati ovog rada mogu se koristiti za dalje proučavanje kosmoloških modela inspirisanih teorijom polja struna. Rezultati poglavlja 2 mogu se koristiti u daljim proučavanjima svojstava stabilnosti rješenja u različitim modelima tamne energije, štoviše, dobiveni rezultati daju kriterije za mogućnost korištenja jednog ili drugog modela za opisivanje kosmološke evolucije. Osim toga, predloženi algoritam za konstruiranje stabilnih rješenja metodom superpotencijala omogućava konstruiranje modela koji očigledno imaju stabilna rješenja. Rezultati dobijeni u Poglavlju 3 direktno su povezani sa proučavanjem inflatornih modela sa nepozitivnim određenim Higsovim potencijalom i mogu se koristiti za dalje proučavanje ovih modela. Rezultati disertacije mogu se koristiti u radu na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta, na MIAN-u, FIAN-u, INR, BLTP OI-YaI, ITEP.

Apromacija rada

Rezultate predstavljene u disertaciji autor je izvještavao na sljedećim međunarodnim konferencijama:

1. Međunarodna konferencija "Problem ireverzibilnosti u klasičnim i kvantnim dinamičkim sistemima", Moskva, Rusija,

6th ljetna škola i konferencija o savremenoj matematičkoj fizici, Beograd, Srbija, 2010.

XIX međunarodna konferencija o fizici visokih energija i kvantnoj teoriji polja, Golitsino, Rusija, 2010.

Međunarodna konferencija "Quarks-2010", Kolomna, Rusija, 2010.

Takmičenje za mlade fizičare Moskovskog fizičkog društva, Moskva, Rusija, 2009.

Publikacije

Glavne prikazane rezultate autor ove disertacije dobija samostalno, novi su i objavljeni u radovima.

Struktura i obim posla

Doktor fizičkih i matematičkih nauka M. SAZHIN (P. K. Sternberg Državni astronomski institut Moskovskog državnog univerziteta), V. SHULGA (Institut za svemir

Teorijska fizika nam još jednom nudi da radikalno promijenimo svoje ideje o svijetu. Ispostavilo se da su elementarne čestice oscilacije nekih mikroskopskih superstruna koje vibriraju u šestodimenzionalnom prostoru (vidi "Nauka i život" br. 2, 3, 1997). A u našem svemiru, osim zvijezda, planeta, maglina prašine i plina, otkriveni su i drugi, također potpuno nevjerovatni objekti - kosmičke žice. Protežu se cijelim Univerzumom od jednog do drugog horizonta, uvijajući se, kidajući i savijajući u prstenove, oslobađajući ogromnu količinu energije.

Nauka i život // Ilustracije

Akademik Yakov Borisovič Zel'dovich radio je u mnogim oblastima teorijske fizike. Od 1960-ih počeo se baviti problemima astrofizike i kosmologije. U tom periodu Ya. B. Zel'dovich je stvorio teoriju kosmičkih struna.

Evolucija zatvorene kosmičke žice može biti veoma složena.

Ravni list papira je dvodimenzionalni euklidski prostor.

Talas (bilo koji!) "ne primjećuje" prepreku čije su dimenzije mnogo manje od valne dužine.

Svjetlosni zraci koji prolaze kroz sloj neravnomjerno zagrijanog zraka se savijaju. Ovako nastaje fatamorgana: osoba uzima sliku neba s oblacima za površinu vode.

Mirage se takođe pojavljuju u svemiru. Tamo se zraci svjetlosti udaljenog objekta savijaju gravitacijskim poljem masivne galaksije - "gravitacijskim sočivom", i posmatraču se čini da je slika udvostručena.

Svemirski brod prolazi kroz prstenastu žicu.

Dakle, prema teoretičarima, evolucija kosmičkih struna odvija se od trenutka rođenja Univerzuma do danas.

Još od vremena Alberta Ajnštajna, jedan od glavnih zadataka fizike bilo je ujedinjenje svih fizičkih interakcija, potraga za jedinstvenom teorijom polja. Postoje četiri glavne interakcije: elektromagnetna, slaba, jaka ili nuklearna i najuniverzalnija - gravitaciona. Svaka interakcija ima svoje nosioce - naboje i čestice. Za elektromagnetne sile to su pozitivni i negativni električni naboji (proton i elektron) i čestice koje nose elektromagnetne interakcije - fotoni. Slabu interakciju nose takozvani bozoni, otkriveni prije samo deset godina. Nosioci snažne interakcije su kvarkovi i gluoni. Gravitaciona interakcija se izdvaja - to je manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena.

Einstein je radio na objedinjavanju svih fizičkih interakcija više od trideset godina, ali nije postigao pozitivan rezultat. Tek 70-ih godina našeg veka, nakon akumulacije velike količine eksperimentalnih podataka, nakon što su shvatili ulogu ideja simetrije u modernoj fizici, S. Weinberg i A. Salam su uspeli da kombinuju elektromagnetne i slabe interakcije, stvarajući teoriju elektroslabe. interakcije. Za ovaj rad nagrađeni su istraživači, zajedno sa S. Glashowom (koji je proširio teoriju). nobelova nagrada na fizici 1979.

Mnogo toga u teoriji elektroslabih interakcija bilo je čudno. Jednačine polja imale su neobičan oblik, a neke i mase elementarne čestice pokazalo se nedosljednim. Pojavili su se kao rezultat djelovanja takozvanog dinamičkog mehanizma nastanka masa tokom faznog prijelaza između različitih stanja fizičkog vakuuma. Fizički vakuum nije samo "prazno mjesto" gdje nema čestica, atoma ili molekula. Struktura vakuuma je još nepoznata, jasno je samo da predstavlja najniže energetsko stanje materijalnih polja sa izuzetno važnim svojstvima koja se manifestuju u realnim fizičkim procesima. Ako se, na primjer, ovim poljima prenese vrlo velika energija, doći će do faznog prijelaza materije iz neopaženog, "vakuumskog" stanja u stvarno. Kao da će se "iz ničega" pojaviti čestice mase. Ideja jedinstvene teorije polja temelji se na hipotezama o mogućim prijelazima između različitih stanja vakuuma i na konceptima simetrije.

Ovu teoriju će biti moguće testirati u laboratoriji kada energija akceleratora dostigne 10 16 GeV po čestici. To se neće dogoditi uskoro: danas još uvijek ne prelazi 10 4 GeV, a izgradnja čak i takvih akceleratora "male snage" je izuzetno skup poduhvat, čak i za cijelu svjetsku naučnu zajednicu. Međutim, energije reda od 10 16 GeV, pa čak i mnogo veće, bile su u ranom svemiru, koji fizičari često nazivaju "akceleratorom siromaha": proučavanje fizičkih interakcija u njemu omogućava nam da prodremo u energetske regije koje su nam nedostupne.

Izjava može izgledati čudno: kako se može istražiti šta se dogodilo prije nekoliko desetina milijardi godina? Ipak, takve "vremenske mašine" postoje - to su moderni moćni teleskopi koji omogućavaju proučavanje objekata na samom rubu vidljivog dijela svemira. Svetlost od njih dolazi do nas 15-20 milijardi godina, danas ih vidimo onakvima kakvi su bili u ranom Univerzumu.

Teorija objedinjavanja elektromagnetnih, slabih i jakih interakcija predviđala je da u prirodi postoji veliki broj čestica koje nikada nisu eksperimentalno uočene. To nije iznenađujuće, s obzirom na to kakve su nezamislive energije potrebne za njihovo rođenje u interakcijama nama poznatih čestica. Drugim rečima, da bi se sagledale njihove manifestacije, ponovo je potrebno okrenuti pogled ka ranom Univerzumu.

Neke od ovih čestica ne mogu se čak ni nazvati česticama u uobičajenom smislu te riječi. To su jednodimenzionalni objekti poprečne veličine oko 10-37 cm (mnogo manji od atomskog jezgra - 10-13 cm) i dužine reda prečnika našeg Univerzuma - 40 milijardi svjetlosnih godina (10 28 cm). ). Dao ih je akademik Ya. B. Zeldovich, koji je predvidio postojanje takvih objekata lijepo ime- kosmičke žice, jer bi zaista trebale da liče na žice gitare.

Nemoguće ih je stvoriti u laboratoriji: cijelo čovječanstvo neće imati dovoljno energije. Druga stvar je rani Univerzum, gdje su se prirodno pojavili uslovi za rađanje kosmičkih struna.

Dakle, u Univerzumu mogu postojati žice. A astronomi će ih morati pronaći.

Kula opservatorije Kit Peak u Arizoni nestala je u mraku martovske noći. Njegova ogromna kupola polako se okretala - oko teleskopa je tražilo dvije zvijezde u sazviježđu Lava. Astronom s Princetona E. Turner je sugerirao da su to bili kvazari, misteriozni izvori koji emituju desetine puta više energije od najmoćnijih galaksija. Oni su tako beskonačno udaljeni da su jedva vidljivi kroz teleskop. Posmatranja su završena. Turner je čekao da kompjuter dešifruje optičke spektre, čak ni ne pretpostavljajući da će za nekoliko sati, gledajući sveže ispise sa svojim kolegama, doći do senzacionalnog otkrića. Teleskop je otkrio kosmički objekat o čijem postojanju naučnici nisu ni slutili, iako su njegove dimenzije tolike da ih je teško zamisliti.

Ipak, bolje je započeti priču o ovoj priči od još jedne martovske noći, vraćajući se prije mnogo godina.

Godine 1979. astrofizičari su ga, proučavajući radio izvor u sazviježđu Velikog medvjeda, identificirali sa dvije blijede zvijezde. Nakon što su dešifrovali njihove optičke spektre, naučnici su shvatili da su otkrili još jedan par nepoznatih kvazara.

Čini se da nije ništa posebno - tražili su jedan kvazar, ali su našli dva odjednom. Ali astronome su upozorile dvije neobjašnjive činjenice. Prvo, ugaona udaljenost između zvijezda bila je samo šest lučnih sekundi. I iako je u katalogu već bilo više od hiljadu kvazara, tako bliski parovi još nisu pronađeni. Drugo, spektri izvora su se potpuno poklopili. To je ono što se pokazalo kao glavno iznenađenje.

Činjenica je da je spektar svakog kvazara jedinstven i neponovljiv. Ponekad se čak i porede sa karticama za otiske prstiju - kao što ne postoje identični otisci prstiju za različite ljude, spektri dva kvazara se ne mogu podudarati. A ako nastavimo usporedbu, onda je podudarnost optičkih spektra novog para zvijezda bila jednostavno fantastična - kao da se ne konvergiraju samo otisci prstiju, već čak i najmanje ogrebotine na njima.

Neki astrofizičari su smatrali da su "blizanci" par različitih, nepovezanih kvazara. Drugi su iznijeli hrabru pretpostavku: postoji samo jedan kvazar, a njegova dvostruka slika je samo "kosmička fatamorgana". Svi su čuli za zemaljske fatamorgane koje se dešavaju u pustinjama i na morima, ali to još niko nije mogao da posmatra u svemiru. Međutim, ova rijetka pojava bi se trebala dogoditi.

Svemirski objekti velike mase stvaraju oko sebe snažno gravitaciono polje koje savija zrake svjetlosti koje dolaze iz zvijezde. Ako polje nije jednolično, zraci će se savijati pod različitim uglovima, a umjesto jedne slike, posmatrač će vidjeti nekoliko. Jasno je da što je snop više zakrivljen, to je veća masa gravitacionog sočiva. Hipotezu je trebalo provjeriti. Nisam morao dugo čekati, objektiv je pronađen u jesen iste godine. Eliptična galaksija koja uzrokuje dvostruku sliku kvazara fotografirana je gotovo istovremeno u dvije opservatorije. Ubrzo su astrofizičari otkrili još četiri gravitacijska sočiva. Kasnije je otkriven čak i efekat "mikrolensinga" - skretanje svetlosnih zraka od strane vrlo malih (po kosmičkim standardima) tamnih objekata na skali naše Zemlje ili planete Jupiter (vidi "Nauka i život" br. 2, 1994.) .

A sada E. Turner, nakon što je primio spektre slične jedan drugom, kao dvije kapi vode, otvara šesto sočivo. Čini se da je događaj običan, kakva je ovdje senzacija. Ali ovoga puta, dvostruki snopovi svjetlosti formirali su ugao od 157 lučnih sekundi - desetine puta veći nego prije. Takvo odstupanje moglo bi stvoriti samo gravitacijsko sočivo čija je masa hiljadu puta veća od bilo koje do sada poznate u svemiru. Zbog toga su astrofizičari u početku pretpostavili da je otkriven kosmički objekat neviđene veličine - nešto poput superjata galaksija.

U smislu važnosti, ovaj rad se možda može uporediti sa takvim fundamentalnim rezultatima kao što su otkriće pulsara, kvazara i uspostavljanje mrežne strukture Univerzuma. "Lens" Turner, naravno, jedno od izuzetnih otkrića druge polovine našeg veka.

Naravno, samo otkriće nije zanimljivo - još 40-ih godina prošlog vijeka A. Einstein i sovjetski astronom G. Tikhov gotovo istovremeno su predvidjeli postojanje gravitacionog fokusiranja zraka. Neshvatljivo drugo - veličina sočiva. Ispostavilo se da se u svemiru bez traga kriju ogromne mase, hiljadu puta veće od svih poznatih, a za njihovo pronalaženje bilo je potrebno četrdeset godina.

Turnerov dosadašnji rad pomalo podsjeća na otkriće planete Neptun od strane francuskog astronoma Le Verriera: novo sočivo također postoji samo na vrhu olovke. Izračunato je, ali nije pronađeno.

Naravno, dok se ne pojave pouzdane činjenice, recimo, fotografije, možete praviti razne pretpostavke i pretpostavke. Sam Turner, na primjer, vjeruje da bi sočivo moglo biti "crna rupa" hiljadu puta veća od naše Galaksije - Mliječnog puta. Ali ako takva rupa postoji, to bi trebalo uzrokovati dvostruku sliku i kod drugih kvazara. Ništa slično astrofizičarima još nisu vidjeli.

I ovdje je pažnju istraživača privukla dugogodišnja i vrlo radoznala hipoteza o kosmičkim strunama. Teško ga je shvatiti, jednostavno ga je nemoguće vizualizirati: nizovi se mogu opisati samo složenim matematičkim formulama. Ove misteriozne jednodimenzionalne formacije ne emituju svjetlost i imaju ogromnu gustoću - jedan metar takve "žice" teži je više od Sunca. A ako je njihova masa tako velika, onda gravitacijsko polje, čak i ako je razvučeno u liniju, mora značajno odbiti svjetlosne zrake. Međutim, sočiva su već fotografisana, a kosmičke žice i "crne rupe" još postoje samo u jednadžbama matematičara.

Iz ovih jednačina slijedi da kosmička struna koja je nastala neposredno nakon Velikog praska mora biti "zatvorena" za granice Univerzuma. Ali te su granice toliko udaljene da ih sredina strune "ne osjeća" i ponaša se kao komad elastične žice u slobodnom letu ili kao konopac u uzburkanom potoku. Žice se savijaju, preklapaju i lome. Polomljeni krajevi žica se odmah spajaju, formirajući zatvorene komade. I same žice i njihovi pojedinačni fragmenti lete kroz Univerzum brzinom bliskom brzini svjetlosti.

Prema općoj teoriji relativnosti, masa uzrokuje zakrivljenost prostor-vremena. Kosmička struna je takođe savija, stvarajući takozvani prostor u obliku stošca oko sebe. Teško je zamisliti trodimenzionalni prostor presavijen u konus. Okrenimo se, dakle, jednostavnoj analogiji. Uzmimo ravan list papira - dvodimenzionalni euklidski prostor. Izrežemo sektor od njega, recimo, 10 stepeni. List pretvaramo u konus tako da krajevi sektora graniče jedan s drugim. Opet ćemo dobiti dvodimenzionalni, ali već neeuklidski prostor. Tačnije, svuda će biti euklidsko, osim u jednoj tački - vrhu konusa. Prelazak bilo koje zatvorene petlje koja se ne obavija oko temena rezultira rotacijom od 360 stepeni, a prelazak konusa oko njegovog vrha rezultira rotacijom od 350 stepeni. Ovo je jedna od karakteristika neeuklidskog prostora.

Nešto slično se dešava u našem trodimenzionalnom prostoru u neposrednoj blizini žice. Vrh svakog konusa leži na žici, samo je sektor koji je njime "presječen" mali - nekoliko lučnih minuta. Pod tim uglom struna savija prostor svojom monstruoznom masom, a na ovoj ugaonoj udaljenosti vidljiva je zvijezda bliznakinja - "kosmička fatamorgana". A odstupanje koje stvara Turnerova "leća" - oko 2,5 lučne minute - vrlo dobro odgovara teorijskim procjenama. Na svim drugim nama poznatim sočivima, ugaona udaljenost između slika ne prelazi lučne sekunde ili čak djeliće sekundi. Najzanimljivije je da se efekat gravitacionog sočiva na strunu može vidjeti i bez teleskopa: rezolucija ljudskog oka je oko pola lučne minute. Samo trebate znati gdje tražiti i razlikovati "mirage" od stvarnih objekata.

Od čega je napravljena kosmička struna? To nije materija, nije lanac nekih čestica, već posebna vrsta materije, čista energija određenih polja – upravo polja koja objedinjuju elektromagnetne, slabe i nuklearne interakcije. Njihova gustina energije je kolosalna (10 16 GeV) 2 , a pošto su masa i energija povezane poznatom formulom E = mc 2 , ispada da je struna toliko teška: njen komad, dužine jednak veličini elementarne čestice težak oko 10 -24 g, težak 10 -10 g Sile napetosti u njemu su također vrlo velike: po redu veličine su 10 38 kgf. Masa našeg Sunca je oko 2. 10 30 kg, što znači da je svaki metar kosmičke žice rastegnut silama jednakim težini sto miliona Sunaca. Tako velike tenzije dovode do zanimljivih fizičkih pojava.

Hoće li struna komunicirati sa materijom? Uopšteno govoreći, hoće, ali na prilično čudan način. Prečnik strune je 10 -37 cm, a, recimo, elektron je neuporedivo veći: 10 - 13 cm Bilo koja elementarna čestica je istovremeno i talas, koji je po redu veličine jednak njegovoj veličini. Talas ne primjećuje prepreke ako je valna dužina mnogo veća od njegove veličine: dugi radio valovi obilaze kuće, a svjetlosni zraci bacaju sjenu čak i od vrlo malih objekata. Usporediti strunu sa elektronom je kao da istražujete interakciju užeta promjera 1 centimetar s galaksijom veličine 100 kiloparseka. Na osnovu zdravog razuma, galaksija jednostavno ne bi trebala primijetiti konopac. Ali ovaj konopac teži više od cijele galaksije. Stoga će se interakcija i dalje dogoditi, ali će biti slična interakciji elektrona sa magnetsko polje. Polje izvrće putanju elektrona, ima ubrzanje i elektron počinje da emituje fotone. Kada elementarne čestice stupe u interakciju sa strunom, također će nastati elektromagnetno zračenje, ali će njegov intenzitet biti toliko mali da iz njega neće biti moguće detektirati strunu.

Ali niz može komunicirati sam sa sobom i sa drugim stringovima. Ukrštanje ili samoprelazak struna dovodi do značajnog oslobađanja energije u obliku stabilnih elementarnih čestica – neutrina, fotona, gravitona. Izvor ove energije su zatvoreni prstenovi koji nastaju kada se žice same sebe ukrste.

Prstenovi su zanimljiv predmet. Oni su nestabilni i propadaju unutar određenog karakterističnog vremena, što zavisi od njihove veličine i konfiguracije. U tom slučaju, prsten gubi energiju, koja se uzima iz supstance strune i odnosi se protokom čestica. Prsten se skuplja, skuplja, a kada njegov prečnik dostigne veličinu elementarne čestice, struna eksplodira za 10 -23 sekunde uz oslobađanje energije ekvivalentne eksploziji od 10 Gigatona (10 10 tona) TNT-a.

Fizika prstenastih struna se vrlo dobro uklapa u jednu zanimljivu teoriju - takozvanu teoriju svijeta ogledala. Ova teorija kaže da svaka vrsta elementarnih čestica ima partnera. Dakle, običan elektron odgovara zrcalnom elektronu (ne pozitronu!), Koji također ima negativan naboj, običan proton odgovara pozitivnom zrcalnom protonu, običan foton - zrcalnom fotonu i tako dalje. Ove dvije vrste materije nisu ni na koji način povezane: fotoni ogledala nisu vidljivi u našem svijetu, ne možemo registrirati zrcalne gluone, bozone i druge nosioce interakcija. Ali gravitacija ostaje ista za oba svijeta: zrcalna masa savija prostor na isti način kao i obična masa. Drugim riječima, mogu postojati strukture poput binarnih zvijezda u kojima je jedna komponenta obična zvijezda našeg svijeta, a druga zvijezda iz svijeta ogledala, koja je nama nevidljiva. Takvi parovi zvijezda se zapravo promatraju, a nevidljiva komponenta se obično smatra "crnom rupom" ili neutronskom zvijezdom koja ne emituje svjetlost. Međutim, može se ispostaviti da je to zvijezda zrcalne materije. A ako je ova teorija tačna, onda prstenaste žice služe kao prolaz iz jednog svijeta u drugi: let kroz prsten je ekvivalentan okretanju čestica za 180 o, njihovom zrcalnom odrazu. Posmatrač će, prošavši kroz prsten, promijeniti svoju sliku u ogledalu, pasti u drugi svijet i nestati iz našeg. Taj svijet neće biti običan odraz našeg Univerzuma, on će imati potpuno različite zvijezde, galaksije i, moguće, potpuno drugačiji život. Putnik će se moći vratiti leteći kroz isti (ili bilo koji drugi) povratni prsten.

Iznenađujuće, odjeke ovih ideja nalazimo u brojnim bajkama i legendama. Njihovi junaci ulaze u druge svjetove spuštajući se u bunar, prolazeći kroz ogledalo ili kroz misteriozna vrata. Kerolova Alisa, prošavši kroz ogledalo, nađe se u svetu naseljenom šahovskim i kartaškim figurama i, upadnuvši u bunar, susreće inteligentne životinje (ili one koje je zamenila za njih). Zanimljivo je da matematičar Dodgson očigledno nije mogao znati za teoriju svijeta ogledala - nju su 80-ih godina stvorili ruski fizičari.

Postoji mnogo načina za traženje nizova. Prvo, efektom gravitacionog sočiva, kao što je to učinio E. Turner. Drugo, moguće je izmjeriti temperaturu reliktnog zračenja ispred i iza žice - bit će drugačije. Ova razlika je mala, ali prilično dostupna modernoj opremi: uporediva je sa već izmerenom anizotropijom kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja (vidi Nauka i Zhizn, br. 12, 1993).

Postoji i treći način otkrivanja struna - njihovim gravitacionim zračenjem. Sile napetosti u strunama su vrlo velike, mnogo su veće od sila pritiska u unutrašnjosti neutronskih zvijezda - izvora gravitacijskih valova. Posmatrači će registrovati gravitacione talase na uređajima kao što su detektori LIGO (SAD), VIRGO (evropski detektor) i AIGO (Australija), koji će početi sa radom početkom sledećeg veka. Jedan od zadataka koji je dodeljen ovim uređajima je detekcija gravitacionog zračenja kosmičkih struna.

A ako sve tri metode istovremeno pokažu da u nekom trenutku u Univerzumu postoji nešto što se uklapa u modernu teoriju, moći će se sa sigurnošću reći da je ovaj nevjerovatni objekt otkriven. Do sada, jedina prava mogućnost da se posmatraju manifestacije kosmičkih struna je efekat gravitacionog sočiva na njih.

Danas mnoge opservatorije širom svijeta tragaju za gravitacijskim sočivima: proučavajući ih, možete se približiti razotkrivanju glavne misterije Univerzuma - da shvatite kako funkcionira. Za astronome, sočiva služe kao džinovska mjerna ravnala pomoću kojih se određuje geometrija svemira. Još nije poznato da li je naš svijet zatvoren, kao globus ili površina fudbalske lopte, ili otvoren u beskonačnost. Proučavanje sočiva, uključujući žice, omogućit će vam da pouzdano saznate.

Teorija superstruna, popularnim jezikom, predstavlja univerzum kao skup vibrirajućih vlakana energije – struna. Oni su osnova prirode. Hipoteza opisuje i druge elemente - brane. Sva materija u našem svijetu sastoji se od vibracija struna i brana. Prirodna posljedica teorije je opis gravitacije. Zbog toga naučnici veruju da ona drži ključ za ujedinjenje gravitacije sa drugim silama.

Koncept se razvija

Jedinstvena teorija polja, teorija superstruna, je čisto matematička. Kao i svi fizički koncepti, on se zasniva na jednačinama koje se mogu interpretirati na određeni način.

Danas niko ne zna tačno koja će biti konačna verzija ove teorije. Naučnici imaju prilično nejasnu ideju o njegovim općim elementima, ali još nitko nije došao do konačne jednadžbe koja bi obuhvatila sve teorije superstruna, a eksperimentalno još nije uspjela potvrditi (iako je ni opovrgnuti). Fizičari su kreirali pojednostavljene verzije jednadžbe, ali ona do sada nije u potpunosti opisala naš svemir.

Teorija superstruna za početnike

Hipoteza se zasniva na pet ključnih ideja.

1. Teorija superstruna predviđa da su svi objekti u našem svijetu sastavljeni od vibrirajućih vlakana i energetskih membrana.
2. Pokušava da kombinuje opštu teoriju relativnosti (gravitacije) sa kvantna fizika.
3. Teorija superstruna će ujediniti sve fundamentalne sile svemira.
4. Ova hipoteza predviđa novu vezu, supersimetriju, između dvije fundamentalno različite vrste čestica, bozona i fermiona.
5. Koncept opisuje niz dodatnih, obično neuočljivih dimenzija Univerzuma.

Žice i brane

Kada je teorija nastala 1970-ih, niti energije u njoj su se smatrale jednodimenzionalnim objektima - strunama. Riječ "jednodimenzionalni" kaže da niz ima samo 1 dimenziju, dužinu, za razliku od, na primjer, kvadrata, koji ima i dužinu i visinu.

Teorija dijeli ove superstrune u dva tipa - zatvorene i otvorene. Otvorena žica ima krajeve koji se ne dodiruju, dok je zatvorena žica petlja bez otvorenih krajeva. Kao rezultat toga, ustanovljeno je da su ovi nizovi, nazvani stringovi prvog tipa, podložni 5 glavnih tipova interakcija.

Interakcije se zasnivaju na sposobnosti niza da poveže i odvoji svoje krajeve. Budući da se krajevi otvorenih struna mogu kombinovati u zatvorene strune, nemoguće je konstruirati teoriju superstruna koja ne uključuje petlje.

Ovo se pokazalo važnim, budući da zatvorene žice imaju svojstva, vjeruju fizičari, koja mogu opisati gravitaciju. Drugim riječima, naučnici su shvatili da umjesto objašnjenja čestica materije, teorija superstruna može opisati njihovo ponašanje i gravitaciju.

Mnogo godina kasnije, otkriveno je da su, osim struna, i drugi elementi neophodni za teoriju. Mogu se smatrati plahtama ili branama. Žice se mogu pričvrstiti na jednu ili obje strane.

kvantna gravitacija

Moderna fizika ima dva glavna naučna zakona: opštu relativnost (GR) i kvantni. Oni predstavljaju potpuno različite oblasti nauke. Kvantna fizika proučava najmanje prirodne čestice, dok opšta teorija relativnosti po pravilu opisuje prirodu na skali planeta, galaksija i svemira u cjelini. Hipoteze koje pokušavaju da ih ujedine nazivaju se kvantne teorije gravitacije. Najperspektivniji od njih danas je žica.

Zatvorene niti odgovaraju ponašanju gravitacije. Konkretno, imaju svojstva gravitona, čestice koja nosi gravitaciju između objekata.

Udruživanje snaga

Teorija struna pokušava spojiti četiri sile - elektromagnetne, jake i slabe nuklearne sile i gravitaciju - u jednu. U našem svetu se manifestuju kao četiri različita fenomena, ali teoretičari struna veruju da su u ranom Univerzumu, kada su bili neverovatno visoki nivoi energije, sve ove sile su opisane strunama koje međusobno djeluju.

supersimetrija

Sve čestice u svemiru mogu se podijeliti u dvije vrste: bozone i fermione. Teorija struna predviđa da postoji odnos između njih dvoje koji se naziva supersimetrija. U supersimetriji, za svaki bozon mora postojati fermion, a za svaki fermion bozon. Nažalost, postojanje takvih čestica nije eksperimentalno potvrđeno.

Supersimetrija je matematički odnos između elemenata fizičkih jednačina. Otkriven je u drugom području fizike, a njegova primjena dovela je do preimenovanja supersimetrične teorije struna (ili teorije superstruna, u narodnom govoru) sredinom 1970-ih.

Jedna od prednosti supersimetrije je u tome što uvelike pojednostavljuje jednačine dozvoljavajući da se neke varijable eliminišu. Bez supersimetrije, jednadžbe dovode do fizičkih kontradikcija kao što su beskonačne vrijednosti i imaginarne

Budući da naučnici nisu uočili čestice predviđene supersimetrijom, to je još uvijek hipoteza. Mnogi fizičari smatraju da je razlog tome potreba za značajnom količinom energije, koja je povezana sa masom poznatom Einsteinovom jednačinom E = mc 2 . Ove čestice su mogle postojati u ranom svemiru, ali kako se hladio i energija širila nakon Velikog praska, te su se čestice pomjerile na niske energetske nivoe.

Drugim riječima, žice koje su vibrirale kao čestice visoke energije izgubile su energiju, što ih je pretvorilo u elemente sa nižom vibracijom.

Naučnici se tome nadaju astronomska posmatranja ili eksperimenti sa akceleratorima čestica će potvrditi teoriju otkrivanjem nekih od supersimetričnih elemenata više energije.

Dodatna mjerenja

Još jedna matematička posljedica teorije struna je da ona ima smisla u svijetu koji ima više od tri dimenzije. Trenutno postoje dva objašnjenja za ovo:

1. Dodatne dimenzije (njih šest) su se srušile, ili, u terminologiji teorije struna, zbijene na nevjerovatno malu veličinu koja nikada neće biti opažena.
2. Zaglavljeni smo u 3D brani, a druge dimenzije se protežu izvan nje i nedostupne su nam.

Važna linija istraživanja među teoretičarima je matematičko modeliranje kako bi ove dodatne koordinate mogle biti povezane s našima. Najnoviji rezultati predviđaju da će naučnici uskoro moći da otkriju ove dodatne dimenzije (ako postoje) u nadolazećim eksperimentima, jer bi mogle biti veće nego što se ranije očekivalo.

Razumijevanje svrhe

Cilj kojem naučnici teže kada istražuju superstrune je "teorija svega", odnosno jedna fizička hipoteza koja opisuje cjelokupnu fizičku stvarnost na fundamentalnom nivou. Ako bude uspješan, mogao bi razjasniti mnoga pitanja o strukturi našeg svemira.

Objašnjenje materije i mase

Jedan od glavnih zadataka savremena istraživanja- traženje rješenja za stvarne čestice.

Teorija struna je započela kao koncept koji opisuje čestice kao što su hadroni u različitim višim vibracijskim stanjima strune. U većini modernih formulacija, materija koja se opaža u našem svemiru rezultat je vibracija struna i brana najniže energije. Vibracije sa više stvaraju čestice visoke energije koje trenutno ne postoje u našem svijetu.

Njihova masa je manifestacija kako su žice i brane umotane u kompaktne dodatne dimenzije. Na primjer, u pojednostavljenom slučaju kada su presavijeni u oblik krofne, koji matematičari i fizičari nazivaju torus, niz može omotati ovaj oblik na dva načina:

• kratka petlja kroz sredinu torusa;
• duga petlja oko cijelog vanjskog obima torusa.

Kratka petlja će biti laka čestica, a velika petlja će biti teška. Kada se žice omotaju oko toroidnih kompaktnih dimenzija, formiraju se novi elementi različitih masa.

Teorija superstruna kratko i jasno, jednostavno i elegantno objašnjava prelazak dužine u masu. Ovdje su presavijene dimenzije mnogo složenije od torusa, ali u principu rade na isti način.

Moguće je čak, iako je to teško zamisliti, da se struna obavija oko torusa u dva smjera u isto vrijeme, što rezultira različitom česticom različite mase. Brane također mogu obaviti dodatne dimenzije, stvarajući još više mogućnosti.

Definicija prostora i vremena

U mnogim verzijama teorije superstruna, dimenzije se kolabiraju, čineći ih neuočljivim na trenutnom nivou tehnološkog razvoja.

Trenutno nije jasno da li teorija struna može objasniti fundamentalnu prirodu prostora i vremena više nego što je to učinio Ajnštajn. U njemu su mjerenja pozadina za interakciju struna i nemaju nezavisno pravo značenje.

Ponuđena su objašnjenja, koja nisu u potpunosti razvijena, u vezi sa predstavljanjem prostora-vremena kao derivata ukupnog zbira svih interakcija nizova.

Ovaj pristup ne odgovara idejama nekih fizičara, što je dovelo do kritike hipoteze. Konkurentska teorija koristi kvantizaciju prostora i vremena kao polaznu tačku. Neki vjeruju da će se na kraju ispostaviti da je to samo drugačiji pristup istoj osnovnoj hipotezi.

Kvantizacija gravitacije

Glavno dostignuće ove hipoteze, ako bude potvrđeno, biće kvantna teorija gravitacije. Trenutni opis u opštoj relativnosti nije u skladu sa kvantnom fizikom. Ovo posljednje, nametanjem ograničenja u ponašanju malih čestica, dovodi do kontradiktornosti kada se pokušava istražiti Univerzum na izuzetno maloj skali.

Ujedinjenje snaga

U ovom trenutku, fizičari poznaju četiri fundamentalne sile: gravitaciju, elektromagnetnu, slabu i jaku nuklearnu interakciju. Iz teorije struna slijedi da su svi oni nekada bili manifestacije jednog.

Prema ovoj hipotezi, kako se rani svemir hladio nakon velikog praska, ova pojedinačna interakcija je počela da se raspada na različite koje su danas aktivne.

Eksperimenti visoke energije će nam jednog dana omogućiti da otkrijemo ujedinjenje ovih sila, iako takvi eksperimenti daleko prevazilaze trenutni razvoj tehnologije.

Pet opcija

Od revolucije superstruna 1984. godine, razvoj je napredovao grozničavim tempom. Kao rezultat toga, umjesto jednog koncepta, dobili smo pet, nazvanih tipova I, IIA, IIB, HO, HE, od kojih je svaki gotovo u potpunosti opisivao naš svijet, ali ne u potpunosti.

Fizičari, sortirajući verzije teorije struna u nadi da će pronaći univerzalnu istinitu formulu, stvorili su 5 različitih samodovoljnih verzija. Neka njihova svojstva odražavala su fizičku stvarnost svijeta, druga nisu odgovarala stvarnosti.

M-teorija

Na konferenciji 1995. godine, fizičar Edward Witten predložio je hrabro rješenje problema pet hipoteza. Na osnovu novootkrivene dualnosti, svi su postali posebni slučajevi jednog sveobuhvatnog koncepta, nazvanog Wittenova M-teorija superstruna. Jedan od njegovih ključnih koncepata bili su brane (skraćeno od membrane), fundamentalni objekti sa više od jedne dimenzije. Iako autor nije predložio puna verzija, koja do sada ne postoji, M-teorija superstruna se ukratko sastoji od sljedećih karakteristika:

• 11 dimenzija (10 prostornih plus 1 vremenska dimenzija);
• dualnosti koje vode do pet teorija koje objašnjavaju istu fizičku stvarnost;
• brane su žice sa više od 1 dimenzije.

Posljedice

Kao rezultat, umjesto jednog, bilo je 10.500 rješenja. Za neke fizičare to je izazvalo krizu, dok su drugi prihvatili antropski princip, koji svojstva svemira objašnjava našim prisustvom u njemu. Ostaje da se vidi kada će teoretičari pronaći drugi način da se orijentišu u teoriji superstruna.

Neka tumačenja sugeriraju da naš svijet nije jedini. Najradikalnije verzije dopuštaju postojanje beskonačnog broja univerzuma, od kojih neki sadrže tačne kopije našeg.

Ajnštajnova teorija predviđa postojanje namotanog prostora, koji se naziva crvotočina ili Ajnštajn-Rozenov most. U ovom slučaju, dva udaljena mjesta su povezana kratkim prolazom. Teorija superstruna dozvoljava ne samo ovo, već i povezivanje udaljenih tačaka paralelni svetovi. Moguća je čak i tranzicija između univerzuma s različitim zakonima fizike. Međutim, vjerovatno je da će kvantna teorija gravitacije onemogućiti njihovo postojanje.

Mnogi fizičari vjeruju da će holografski princip, kada sve informacije sadržane u volumenu prostora odgovaraju informacijama zabilježenim na njegovoj površini, omogućiti dublje razumijevanje koncepta energetskih niti.

Neki vjeruju da teorija superstruna dozvoljava višestruke dimenzije vremena, što bi moglo rezultirati putovanjem kroz njih.

Osim toga, postoji alternativa modelu velikog praska u hipotezi, prema kojoj je naš svemir nastao kao rezultat sudara dvije brane i prolazi kroz ponavljane cikluse stvaranja i uništenja.

Konačna sudbina svemira oduvijek je zaokupljala fizičare, a konačna verzija teorije struna pomoći će u određivanju gustoće materije i kosmološke konstante. Poznavajući ove vrijednosti, kosmolozi će moći utvrditi hoće li se svemir smanjiti dok ne eksplodira, tako da sve počne iznova.

Niko ne zna do čega to može dovesti dok se ne razvije i testira. Ajnštajn, zapisujući jednačinu E=mc 2 , nije pretpostavio da će to dovesti do pojave nuklearno oružje. Kreatori kvantna fizika nije znao da će to postati osnova za stvaranje lasera i tranzistora. I iako se još ne zna do čega će takav čisto teorijski koncept dovesti, historija pokazuje da će se nešto izvanredno sigurno ispostaviti.

Više o ovoj hipotezi možete pročitati u Teoriji superstruna za lutke Andrewa Zimmermana.

Možda su se naučnici približili razotkrivanju najintrigantnije misterije univerzuma: postoje li i drugi svemiri osim našeg?

Albert Ajnštajn je tokom svog života pokušavao da stvori "teoriju svega", koja bi opisala sve zakone univerzuma. Nisam imao vremena.

Danas astrofizičari sugerišu da je najbolji kandidat za ovu teoriju teorija superstruna. Ona ne samo da objašnjava procese širenja našeg univerzuma, već i potvrđuje postojanje drugih univerzuma koji su nam bliski. "Kosmičke žice" su izobličenja prostora i vremena. Oni mogu biti veći od samog svemira, iako njihova debljina ne prelazi veličinu atomskog jezgra.

Ipak, uprkos nevjerovatnoj matematičkoj ljepoti i integritetu, teorija struna još nije našla eksperimentalnu potvrdu. Sva nada za Veliki hadronski sudarač. Naučnici od njega očekuju ne samo otkriće Higgsove čestice, već i neke supersimetrične čestice. Ovo će biti ozbiljna podrška teoriji struna, a time i drugim svjetovima. U međuvremenu, fizičari grade teorijske modele drugih svjetova.

Pisac naučne fantastike Herbert Vels prvi je pričao o paralelnim svetovima 1895. godine u priči "Vrata u zidu". 62 godine kasnije, diplomac Univerziteta Princeton Hugh Everett zadivio je kolege temom svoje doktorske disertacije o cijepanju svjetova.

Evo njegove suštine: svaki trenutak na koji se svaki univerzum raspada

zamisliv broj svoje vrste, a već sljedećeg trenutka svako od ovih novorođenčadi se podijeli na potpuno isti način. A u ovom ogromnom mnoštvu postoji mnogo svjetova u kojima vi postojite. U jednom svijetu, dok čitate ovaj članak, vozite se podzemnom željeznicom, u drugom, letite u avionu. U jednom si kralj, u drugom si rob.

Poticaj za umnožavanje svjetova su naše akcije, objasnio je Everett. Čim napravimo neki izbor - "biti ili ne biti", na primjer, kako su se u tren oka iz jednog univerzuma pojavila dva. U jednom živimo, a drugi je sam od sebe, mada smo i tamo prisutni.

Zanimljivo, ali... Čak i otac kvantna mehanika Niels Bohr je tada ostao ravnodušan na ovu suludu ideju.

1980-ih. Mira Linde

Teorija mnogih svjetova mogla bi biti zaboravljena. Ali opet, naučnicima je u pomoć pritekao pisac naučne fantastike. Michael Moorcock je, prema intuiciji, naselio sve stanovnike svog fantastičnog grada Thanelorna u Multiverse. Termin Multiverzum se odmah pojavio u spisima ozbiljnih naučnika.

Činjenica je da su 1980-ih mnogi fizičari već bili uvjereni u tu ideju paralelnih univerzuma može postati jedan od kamena temeljaca nove paradigme nauke o strukturi univerzuma. Glavni zagovornik ove lijepe ideje bio je Andrey Linde, bivši zaposlenik Instituta za fiziku. Lebedev Akademija nauka, a sada profesor fizike na Univerzitetu Stanford.

Linde gradi svoje razmišljanje na osnovu modela Velikog praska, kao rezultat kojeg se pojavio mehur koji se brzo širi - embrion našeg svemira. Ali ako se pokazalo da je neka vrsta kosmičkog jajeta sposobna da rodi Univerzum, zašto onda ne možemo pretpostaviti mogućnost postojanja drugih sličnih jaja? Postavljajući ovo pitanje, Linde je izgradio model u kojem inflatorni (inflacija - inflacija) univerzumi nastaju neprekidno, granajući se od svojih roditelja.

Za ilustraciju, može se zamisliti rezervoar ispunjen vodom na sve moguće načine. agregatna stanja. Postojaće tečne zone, blokovi leda i mjehurića pare - oni se mogu smatrati analozima paralelnih univerzuma inflatornog modela. Predstavlja svijet kao ogroman fraktal, koji se sastoji od homogenih dijelova s ​​različitim svojstvima. Krećući se po ovom svijetu, možete se lagano kretati iz jednog univerzuma u drugi. Istina, vaše putovanje će trajati dugo - desetine miliona godina.

1990-ih. Rhys Worlds

Logika rezonovanja profesora kosmologije i astrofizike na Univerzitetu Kembridž Martina Risa je otprilike ovakva.

Vjerovatnoća nastanka života u svemiru je a priori toliko mala da izgleda kao čudo, tvrdi profesor Ris. A ako ne polazimo od hipoteze Stvoritelja, zašto onda ne pretpostaviti da Priroda nasumično stvara mnoge paralelne svjetove, koji joj služe kao polje za eksperimentiranje na stvaranju života.

Prema naučniku, život je nastao na maloj planeti koja se okreće oko obične zvijezde jedne od običnih galaksija našeg svijeta iz jednostavnog razloga što je njena fizička struktura tome pogodovala. Ostali svjetovi Multiverzuma su najvjerovatnije prazni.

2000-te. Svetovi Tegmarka

Profesor fizike i astronomije na Univerzitetu Pensilvanije Maks Tegmark uvjeren je da se svemiri mogu razlikovati ne samo po lokaciji, kosmološkim svojstvima, već i po zakonima fizike. Oni postoje izvan vremena i prostora i gotovo ih je nemoguće prikazati.

Zamislite jednostavan univerzum koji se sastoji od Sunca, Zemlje i Mjeseca, predlaže fizičar. Za objektivnog posmatrača takav univerzum izgleda kao prsten: Zemljina orbita, "razmazana" vremenom, kao umotana u pletenicu - stvorena je putanjom Mjeseca oko Zemlje. A drugi oblici personificiraju druge fizičke zakone.

Naučnik voli da ilustruje svoju teoriju na primjeru igranja ruskog ruleta. Po njegovom mišljenju, svaki put kada čovjek povuče okidač, njegov univerzum se podijeli na dva: gdje se pucao, a gdje nije. Ali sam Tegmark ne riskira da provede takav eksperiment u stvarnosti - barem u našem svemiru.

Andrey Linde je fizičar, tvorac teorije naduvanog (inflatornog) svemira. Diplomirao u Moskvi Državni univerzitet. Radio na Institutu za fiziku. Lebedeva akademija nauka (FIAN). Od 1990. godine je profesor fizike na Univerzitetu Stanford. Autor više od 220 publikacija iz oblasti fizike elementarnih čestica i kosmologije.

Žuborenje prostora

— Andrej Dmitrijeviču, u kom delu višestranog Univerzuma smo mi, zemljani, „registrovani“?

“U zavisnosti od toga gdje se nalazimo. Univerzum se može podijeliti na velike regije, od kojih svaka po svim svojim svojstvima izgleda lokalno, kao ogroman Univerzum. Svaki od njih je ogroman. Ako živimo u jednom od njih, onda nećemo znati da postoje i drugi dijelovi svemira.

Da li su zakoni fizike svuda isti?

— Mislim da se razlikuju. To jest, u stvarnosti, zakon fizike može biti isti. To je isto kao voda, koja može biti tečna, gasovita ili čvrsta. Međutim, ribe mogu živjeti samo u tekućoj vodi. Mi smo u drugačijem okruženju. Ali ne zato što ne postoje drugi dijelovi svemira, već zato što možemo živjeti samo u njima

pogodan segment „mnogostranog univerzuma“.

— Kako izgleda ovaj naš segment?

- Do balona.

- Ispada da su ljudi, po vašem mišljenju, kada su se pojavili, svi sjedili u jednom balonu?

Još niko nije sjeo. Ljudi su rođeni kasnije, nakon završetka inflacije. Tada je energija, koja je bila odgovorna za brzo širenje Univerzuma, prešla u energiju običnih elementarnih čestica. To se dogodilo zbog činjenice da je Univerzum proključao, pojavili su se mjehurići, kao u kotlu koji ključa. Zidovi mjehurića su udarali jedni u druge, oslobađali svoju energiju i uslijed oslobađanja energije nastajale su normalne čestice. Univerzum je postao vruć. I nakon toga je bilo ljudi. Pogledali su okolo i rekli: "O, kakav veliki svemir!"

Možemo li preći iz jednog univerzuma mehurića u drugi?

- Teoretski, da. Ali na putu ćemo naići na barijeru. Ovo će biti domenski zid, energetski veoma velik. Da biste doletjeli do zida, morate biti dugovječan, jer je udaljenost do njega otprilike 10 do milioniti dio svjetlosnih godina. A da bismo prešli granicu trebamo imati puno energije da bismo dobro ubrzali i preskočili je. Iako je vjerovatno da ćemo umrijeti upravo tamo, jer čestice našeg zemaljskog tipa mogu se raspasti u drugom svemiru. Ili promijenite svoja svojstva.

- Pojava balon-svemira se dešava stalno?

“To je vječan proces. Univerzum se nikada neće završiti. U njegovim različitim dijelovima nastaju različiti dijelovi Univerzuma, različitih tipova. To se dešava ovako. Na primjer, pojavljuju se dva mjehurića. Svaki od njih se vrlo brzo širi, ali svemir između njih nastavlja da se naduvava, tako da razmak između mjehurića ostaje vrlo velik, te se gotovo nikada ne sudaraju. Formira se više mehurića i svemir se još više širi. U nekim od ovih mjehurića nema strukture – nije se formirao. A u drugom dijelu ovih mehurića su nastale galaksije, u jednoj od kojih živimo. I tako različite vrste Univerzum je otprilike 10 do hiljaditi ili 10 do stote. Naučnici još uvijek broje.

Šta se dešava u ovim mnogim kopijama istog Univerzuma?

- Univerzum je sada ušao u novu fazu inflacije, ali veoma sporo. Naša galaksija još neće biti dirana. Zato što je materija unutar naše Galaksije gravitaciono veoma snažno privučena jedna drugoj. I druge galaksije će odletjeti od nas i više ih nećemo vidjeti.

- Gde će ići?

- Do takozvanog horizonta sveta, koji se nalazi na udaljenosti od 13,7 milijardi svetlosnih godina od nas. Sve ove galaksije će se zalijepiti za horizont i otopiti se za nas, postati ravne. Signal od njih više neće dolaziti, a ostat će samo naša Galaksija. Ali ni ovo nije zadugo. Vremenom će energetski resursi u našoj galaksiji polako nestajati, a nas će doživjeti tužna sudbina.

- Kada će se ovo dogoditi?

“Srećom, nećemo se uskoro raspasti. Za 20 milijardi godina, ili čak i više. Ali zbog činjenice da se Univerzum samoiscjeljuje, zbog činjenice da proizvodi sve više i više novih dijelova u svim svojim mogućim kombinacijama, Univerzum kao cjelina i život općenito nikada neće nestati.

Razmatraju se kosmološka rješenja jednačina kretanja za efektivne modove polja u modelu sigma stringa Univerzuma. Kosmološka rješenja su konstruirana za izotropni univerzum na D-brani. Pokazano je da se rješenje deflatornog tipa u string metrici poklapa sa Friedmanovim rješenjem u metrici svemira koji se širi.

teorija struna

jednačine gravitacionog polja

zakrivljeni prostor-vreme

D je brane

širenje svemira

Friedmannova kosmološka rješenja

1. Ashtekar A., ​​Petkov V. (ur.). Springer Handbook of Spacetime. Springer-Verlag. Berlin - Heidelberg, 2014. - P. 1-839.

2. Grishkan Yu.S. Učinak Lorentzovog kršenja na fizički procesi u kasnom svemiru i tvrdom kosmičkom gama zračenju / A.A. Petrukhin, M.Kh. Khokonov // Zbornik radova 5. BMSh ETF-2004. - M: MEPhI, 2005. - Tom 2. - S. 68–78.

3. Ellis J.R., Mavromatos N.E. i D.V. Nanopoulos, Physical Review Letters, 1992. v. B 293, str. 37–42/.

4. Antoniadis I., Bachas C., Ellis J.R., D.V. Nanopoulos. Liouville niz dokaza. Physical Review Letters -1988-v. B 211-p. 393-397.

5. Grishkan Yu.S.// Zbornik radova 6. BMSh ETF-2005 tom 2 - 2005, - Moskva, MEPhI - C. 72–86.

6 John Ellis, N.E. Mavromatos i D.V. Nanopoulos. Spajanje struna ubrzava širenje svemira./ . – 2005. – Str. 1–6.

7. Khriplovič I.B. Opšta teorija relativnosti: udžbenik. za univerzitete-1 izd, - M: Institut za kompjuterska istraživanja, 2002. - S. 1-128.

8. Landau L.D., Lifshits E.M. Teorija polja: udžbenik. za univerzitete - 4. izd. - M: Nauka, 1988. – S. 1–503.

Po pravilu, kosmološka rješenja koja opisuju evoluciju Univerzuma konstruiraju se za polja (gravitacijsko polje i polje tamne energije) koja opisuju prostor-vrijeme svemira koji se širi u različitim fazama evolucije. Međutim, nedavno se pojavilo povjerenje koje se odnosi na činjenicu da teorija polja, kako klasična tako i kvantna, ne opisuje neka bitna svojstva promatranog makroskopskog svijeta i, posebno, kvantne fluktuacije.

Fundamentalnija struktura od strukture polja je string struktura prostor-vremena , . U ovoj teoriji, strune zauzimaju mjesto polja i koriste se za opisivanje i elementarnih čestica i kvantnih fluktuacija vakuuma.

Jednačine kretanja za efektivne modove polja u modelu niza sigma prema tome imaju oblik:

gdje je μ, ν,.. = 0,1,2,3, G μν - metrika na nizu, R μν - Ajnštajnova prostorno-vremena zakrivljenost na brani, F - skalarno nelinearno dilatonsko polje, H μνρ - antisimetrični tenzor opisuje pseudoskalarno polje B, α' konstanta - Reggeov nagib.

Pitanje konstruisanja kosmoloških rješenja u ovom modelu je potpuno netrivijalno. Ako se u modelu polja vrijeme određuje istovremeno sa poljem, tada u efektivnom modelu Liouville stringa kao vrijeme djeluje samo dilatonsko polje F, jedno od pozadinskih polja modela. Stoga je potrebno poistovjetiti ovo pseudo-vrijeme F sa svjetskim vremenom t. U nizu radova dobijena je veza između t i Φ:

. (2)

Kao rezultat toga, kao što je prikazano u Einsteinovom vremenu u svemiru koji se širi, povezano je s vremenom na svjetskoj brani niza sigma modela relacijom

gdje su c 1,0 pozitivne konstante.

Prilikom konstruisanja rješenja jednadžbi (1) prati se dinamička evolucija ovih rješenja u vremenu t D - brane, za koje vrijede jednadžbe (1). Bilo koje tačno kosmološko rješenje može se prevesti iz ovog vremena u vrijeme posmatranog nestacionarnog Ajnštajnovog univerzuma koristeći formulu (3). Glavna poteškoća u konstrukciji kosmologije struna je poteškoća povezana sa klasifikacijom faza dinamičke evolucije strukture struna. Ovaj problem je povezan s činjenicom da aparat koji se koristi za opisivanje evolucije strukture niza u vremenu sadrži karakterne osobine dva različita pristupa opisu mikro i makrokosmosa - teorija raspršenja i dinamička teorija evolucije u vremenu.

Odražavajući ovu dilemu u matematički aparat teorija je odsustvo funkcionalne dinamičke veze između vremena raspršenja čestice na D-brani, koja je fiksirana metrikom niza G ik (t) (i u kojoj je opisana dinamička evolucija svijeta na brani) sa vremenom širenja Univerzuma.

Naša ideja je da konstruišemo kosmološka rješenja u vremenu t sa njihovim naknadnim prijenosom u kosmološko vrijeme promatranog svijeta t E prema formuli (3). Ako se u ovom slučaju dobiju fizički smislena poznata kosmološka rješenja, tada će biti moguće konstruirati sekvencu u vremenu evolucije svijeta na brani, koja odgovara evoluciji kolektivnih modusa string kosmološkog modela, uzimajući uzimajući u obzir fluktuacije u geometriji svijeta.

Napravimo jedan paradoksalan korak prema spolja. Konstruirajmo kosmološka rješenja koja opisuju fazu inflacije na brani. Zašto prema tome identificiramo dilatonsko polje s vremenom prema formuli:

gdje je Q konstanta koja se zove "centralni naboj brane"

Radi praktičnosti, postavili smo Reggeovu konstantu nagiba α’ = 1. Tada, prema (1) i (4), jednadžbe imaju oblik:

. (5)

Tražićemo rešenje za polje B, kao u radu u obliku:

gdje je β = konst.

Definiramo metriku na D-brani u standardnom 4. kosmološkom obliku

Tada se determinanta metrike može predstaviti kao:

Dakle, jačina pseudoskalarnog polja može se zapisati kao

gdje je E μνρσ 4-dimenzionalni kovarijantni antisimetrični Levi-Civita simbol.

Slijedeći (6) i (11) dobijamo:

Sada su jednadžbe (1) koje opisuju evoluciju svijeta u vremenu D-brane pojednostavljene:

(14)

Kao rezultat proračuna, dalje ćemo dobiti komponente tenzora R 00 , R ij kao funkciju faktora skale modela a(t) i izračunati ih. Broj nezavisnih konstanti modela može se smanjiti ako pretpostavimo da smjer vremena na brani nije zakrivljen R 00 = 0 i da je središnji naboj na brani izražen na način da rješenje ima inflatorni karakter:

Tada će komponente Riccijevog tenzora zakrivljenosti poprimiti oblik:

gdje tačka označava vremenski izvod

Transformiramo proizvod jačine polja:

Dakle, na osnovu (17) i (18), možemo napisati:

(19)

Rješenje ovih kosmoloških jednadžbi tražit ćemo u obliku:

gdje su nepoznate konstante.

Zamjenom ovih formula u (19), (20) dobijamo sljedeće odnose između zavisnih konstanti modela:

Tada kosmološka rješenja poprimaju oblik:

Konstruirano rješenje opisuje brzu eksponencijalnu kontrakciju (deflaciju Univerzuma na D-brani). Sada moramo prevesti ova rješenja iz vremena brane u vrijeme Ajnštajnove ekspanzije. Za to koristimo relaciju (3).

Izračunajmo izraz za faktor skale a(t E) u vidljivom Univerzumu.

Iz (3), (24) slijedi

Konstanta c 1 je tada početak vremena t E . Samo Ajnštajnovo kosmološko vreme

Uvedemo notaciju usvojenu u teoriji Friedmanovih kosmoloških modela. Označimo trenutak početka širenja Univerzuma kao t 0 = c 1 . Onda

Iz (27), (28) slijedi

Rješenje (29) je Friedmanovo kosmološko rješenje za fizičko vrijeme t E , koje opisuje širenje Univerzuma u fazi dinamičke dominacije materije nad tamnom materijom, tj. faza brze kontrakcije ("deflacija" D-brane) odgovara, za posmatrača povezanog sa materijom koja formira svet koji se širi, ekspanziji Univerzuma po zakonu moći prema Friedmannovom zakonu u Ajnštajnovoj Općoj teoriji relativnosti, .

Konstruirano rješenje (29) omogućava povezivanje završne faze evolucije svijeta koji se širi s jednom od faza dinamičke evolucije nelokalnih defekata koji su u njemu uključeni, a koji opisuju kvantne fluktuacije metrike. Naime, deflatorno ponašanje nestacionarne D-brane metrike odgovara proširenju inkluzivne vanjski svijet prema Friedmannovom zakonu za barionsku materiju.

Bibliografska veza