 |
 |
 |
gordon0030@yandex.ru
Границы Вселенной
16.05.2002 
50:00
Может ли современная физика объяснить творение
Обзор темы
Чем дальше звезда, или космический объект, тем больше увеличение длины волны фотонов, испущенных атомами на этих звездах. Этот закон, открытый Хабблом и предсказанный российским учёным А. Фридманом, может свидетельствовать, что Вселенная расширяется, а время жизни Вселенной конечно и равно, примерно,
• Означает ли закон Хаббла, что наша Вселенная родилась из точки?
• Что было до рождения Вселенной?
• Как происходило рождение Вселенной?
• Можно ли говорить о времени до рождения Вселенной?
• Может ли современная физика «объяснить» рождение Вселенной и «творение» пространства-времени и материи из «ничего»?
Современная физика и стандартная космологическая модель.
Современная физика выросла на двух противоположных основаниях, которые известны всем как ньютоновская частица и фарадеевское поле.
Исаак Ньютон свёл всю механику к математическому уравнению, которое предсказывает эволюцию по времени координат частицы, если заданы её начальное положение и начальная скорость. Для ньютоновского наблюдателя объяснить мир в терминах классической механики означает решить уравнения Ньютона с начальными данными. Здесь можно вспомнить изречение Лапласа: «Дайте мне начальные данные, и я объясню весь мир». «Начала Натуральной Философии» Ньютона, вобравшие в себя предшествующий человеческий опыт наблюдения за движением небесной и земной материи, продемонстрировали такую же степень ясности, надежности и эффективности научных методов естествознания, какой достигла геометрия Евклида. Теория Ньютона абсолютизировала понятия времени и пространства. Ньютон придерживался корпускулярной картине мира и отрицал волновую природу света.
Первые шаги к созданию современной релятивистской физики были сделаны Фарадеем, который не знал теории Ньютона. Однако, Фарадей был экспериментатором высокого уровня. Ему принадлежат замечательные научные открытия, среди которых генератор переменного тока, изменивший образ жизни современной цивилизации. С впечатляющей последовательностью Фарадей экспериментально обосновывал и развивал свои концепции полевой природы материи и единства всех физических сил природы, которые стали во главе физики ХХ века, где все частицы трактуют как возбуждения физических полей. Максвеллу осталось (как образно отметил Герц) лишь «одеть» теорию Фарадея в аристократические одежды математики. Первая статья Максвелла по теории электромагнитного поля так и называлась: «О силовых линиях Фарадея». Максвелл перевел основной труд Фарадея «Экспериментальные исследования» (1856 г.) на язык математических формул. Из этих формул и состоит теория Максвелла, которая оказалась столь же всеобъемлющей в области электромагнитных явлений, как и теория Ньютона в области небесных явлений. Формулы эти привели к понятию «принципов симметрии» в теории. И чем больше мы узнавали о симметриях электродинамики
Последние 30 лет в физике прошли под знаком триумфа идей квантовой теории поля; построены «таблица Менделеева» для элементарных частиц и единая теория сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий (Стандартная Модель), сделан ряд успешных предсказаний, подтвердившихся на действующих ускорителях. Эти результаты были отмечены несколькими Нобелевскими премиями. К их числу принадлежит предсказание векторных бозонов с массой порядка 90 масс протона, открытых более 15 лет на Европейском ускорителе в Женеве. Эти бозоны живут
Создание полевой теории гравитации на основе принципов симметрии в 1915 принадлежит Эйнштейну. В 1922 г. Фридман впервые нашел решение ОТО, которое описывает развивающуюся во времени Вселенную с сингулярностью метрики в начальный момент времени. Это решение было признано Эйнштейном и положило начало космологическим моделям Вселенной после того, как
Кризис стандартной космологии. Представление о возникновении и эволюции Вселенной является наиболее глубоким следствием современной физики. Свидетельство эволюции есть красное смещение уровней атомов на звездах, измеряемое на земле.
В классической физике закон эволюции определяется уравнением состояния материи. С самого начала рассматривались жесткое состояние однородных гравитонов, которое последовательно переходит в радиацию (безмассовые частицы) и пыль (т. е. массивную материю в покое). Классическая космология столкнулась с целым рядом проблем и противоречий. В современной единой теории взаимодействий эти проблемы принято решать первичным расширением Вселенной по экспоненциальному закону (закону «инфляции»). Инфляция, эволюция химического состава Вселенной в радиационной стадии, реликтовое излучение и переход в стадию пыли стали хрестоматийными догмами стандартной космологии.
Новые данные по измерению зависимости красного смещения от расстояния до Сверхновых звезд, полученные независимо сразу двумя группами, перемешали все эти карты. Эти данные могут быть объяснены стадией инфляции. Это означает, что Вселенная заполнена темной энергией, которая получила название Квинтэссенции. Ее должно быть как минимум в два раза больше, чем суммарный вклад всей материи. Почему
Конформная космология. Объяснить происхождение Вселенной, времени и материи в современной теории поля означает описать их возникновение как результат взаимодействия полей материи и метрики пространства-времени. Одной из центральных идей современной физики является спонтанное нарушение симметрии мира. Наиболее популярный и доступный образ такого спонтанного нарушения симметрии есть состояние шарика, лежащего наверху выпуклого дна бутылки. Такое состояние симметрично, но неустойчиво. Шарик непременно скатится вниз, и его низшее устойчивое состояние нарушит исходную симметрию мира. Таким образом в Стандартной Модели объясняют происхождение масс всех элементарных частиц. Аналогичная формулировка ОТО как теории спонтанного нарушения афинной симметрии
Афинная симметрия — это группа всех линейных преобразований
Теория космической эволюции как коллективного движения Вселенной в полевом пространстве компонент метрики была сформулирована в недавних работах. У нас нет абсолютных приборов, которые бы измеряли абсолютные величины во Вселенной, а измеряться могут только отношения величин, которые не зависят от космического масштабного фактора. Поэтому, на уровне полевого пространства во Вселенной мы можем измерять только относительные поля, подобно тому как на Земле мы измеряем только относительные координаты частиц. Принцип Коперника в механике означает, что наблюдатель постоянно двигается вместе с Землёй вокруг Солнца. Принцип Коперника в космологии означает, что наблюдатель постоянно сжимается вместе со всей массивной материей в процессе эволюции стационарной Вселенной. Спектр фотонов, испущенных атомами на далеких звездах два миллиарда лет тому назад, запоминает размер атома, который определяется его массой. Этот спектр сравнивается со спектром аналогичных атомов на земле, масса которых в настоящее время стала значительно больше. В результате возникает красное смещение, описываемое относительной космологией. Инерциальное относительное движение Вселенной (т. е. движение с постоянным импульсом) вдоль геодезической линии в полевом пространстве соответствует жесткому уравнению состояния с плотностью энергии, равной плотности давления. Это инерциальное движение описывает одновременно все стадии эволюции Вселенной: современную стадию ускоряющейся эволюции (в соответствии с последними данными по Сверхновым), стадию химической эволюции материи во Вселенной, и стадию космического квантового рождения материи из геометрического вакуума. Квантовое рождение материи предполагает такой же квантовый уровень описания эволюции Вселенной. И здесь физики столкнулись с парадоксом исчезновения времени наблюдателя в космической механике.
• Рождение Вселенной: волновая функция Вселенной
• Парадокс квантовой космической механики: «изчезновение» времени в ОТО?
• «Творение» времени в релятивистских теориях: частица, струны, Вселенная.
Рождение Вселенной и проблема времени.
Рождение Вселенной в ОТО описывается волновой функцией Вселенной, полученной Уиллером и ДеВиттом квантованием полей и метрики в теории Эйнштейна. Парадокс состоит в том, что роль параметра эволюции в волновой функции играет космический масштабный фактор, а само время исчезает. А значит и исчезает самая интересная информация о зависимости масштабного фактора от времени, которая называется законом Хаббла. Единственное, что может сказать волновая функция Уиллера — ДеВитта — это два знака масштабной энергии, как следствие релятивизма, точно также имеются два разных знака энергии релятивистской частицы, в специальной теории относительности (СТО). Для того чтобы избавиться от отрицательных энергий и сделать физическую систему устойчивой и стабильной, необходимо трактовать волновую функцию Уиллера — ДеВитта с отрицательной энергией как решение, описывающее антивселенную, где масштаб только уменьшается, в то время как в решении с положительной энергией масштаб только увеличивается. Тогда становится ясным, что квантовая теория решает проблему космической сингулярности во Вселенной, которая рождается пусть с малым, но конечным масштабом. Но как быть с интервалом времени, измеряемым часами наблюдателя во Вселенной. Что мешает пониманию статусу времени в квантовой теории?
Творение времени.
До сих закон Хаббла интерпретировался в классической теории как ординарное решение классических уравнений одной непротиворечивой теории. Общая теория относительности Эйнштейна допускает другую интерпретацию закона Хаббла, как «отношение» двух классических теорий, описывающих две различные «реальности»: полевую «реальность» и геометрическую. В теории такое «отношение» называется каноническим преобразованием полевых переменных с их параметром эволюции (который есть космическая шкала) в геометрические переменные с параметром эволюции — физическим временем. Физическое, т. е. измеряемое нашими часами время, формируется (здесь уместно использовать термин «творится») этим каноническим преобразованием.
Можно сказать, что физический мир, который мы называем «Вселенная» в общей теории относительности Эйнштейна имеет для одного и того же наблюдателя две «реальности»: полевую «реальность» и геометрическую.
Каждая «реальность» Вселенной описывается непротиворечиво своим параметром эволюции и своей волновой функцией. Вселенная «рождается» и «уничтожается» (по терминологии современной физики) в полевой «реальности», где роль параметра эволюции всех полей (и их
Полное описание коллективного космического движения релятивистской Вселенной, в котором участвует и сам «наблюдатель» — человек, возможно только двумя разными классическими схемами. Само время, измеряемое нашими часами, создается (творится) преобразованием, которое материю превращает в начальные космические данные (т. е. в ничто) и наоборот. Новым, по сравнению с классической физикой, является само это преобразование от одной «реальности» к другой. И именно само это преобразование как «отношение» (а не уравнения движения как у Ньютона) описывает творение материи и эволюцию Вселенной.
В релятивистской космологии положительная стрела геометрического времени и его начало являются следствиями стабильности квантовой теории в полевом пространстве и свидетельствами квантовой природы нашей Вселенной. Поэтому на вопрос, что было до рождения Вселенной, можно ответить, что не было самого времени.
И только в пределе бесконечно большой Вселенной и бесконечно большой энергии движения Вселенной в полевом пространстве, теория ранней Вселенной переходит в классическую теорию Эйнштейна и современную квантовую теорию элементарных частиц, доступную нашему классическому пониманию.
Два описания Вселенной: геометрическое (слева) и полевое (справа) с преобразованием
• «Творение» материи из «вакуума». Вычисление температуры реликтового излучения.
• Релятивистская космология: данные по Суперновым, химическая эволюция материи, температура реликтового излучения.
Творение материи. Вопрос о возможном происхождении материи во Вселенной в результате космологического рождения частиц до сих пор не имел ответа. Считается, что число рожденных частиц явно не достаточно для описания распределения химических элементов в ранней Вселенной. Изучение космологического рождения частиц материи, рассматриваемых как возбуждение квантованных полей, предполагает, строго говоря, такой же
Квантование свободных полей материи ведет к частицам как локализованным возбуждениям квантованных полей. Поскольку, именно частицы формируют материю, то положение «в начале было Слово...» означает, что в начале материи не было, т. е. был вакуум частиц.
Оказалось, что в стандартной космологической модели эпоха радиации рождает из этого вакуума огромное число массивных векторных бозонов. Вселенная в стадии радиационной доминантности способна родить столько бозонов, сколько это нужно для объяснения самой стадии радиационной доминантности, если рассматривать радиацию как окончательный продукт распада первичных бозонов. Этот результат ставит следующие вопросы, которые до сих пор не имеют ответа в стандартной космологии. Что было в расширяющейся Вселенной до рождения векторных бозонов? Можно ли объяснить всю наблюдаемую материю (с реликтовым излучением и
Cама радиационная доминантность есть необходимое условие достаточно твердо установленной эволюции распределения материи по ее химическому составу. Однако постоянство режима радиации резко противоречило описанию данных наблюдательной астрофизики в стандартной космологии.
И здесь появились новые последние данные по Сверхновым, о которых говорилось выше и которые подвергли в кризис саму стандартную космологию.
Кризис современной космологии может быть разрешен принципом относительности масштабов измерения физических величин. Согласно этому принципу, мы можем измерять только отношения двух величин. Напомним еще раз, что у нас нет абсолютных приборов, которые бы измеряли абсолютные величины во Вселенной, а измеряться могут только отношения величин, которые не зависят от космического масштабного фактора. Поэтому, на уровне полевого пространства во Вселенной мы можем измерять только относительные поля, подобно тому как на Земле мы измеряем только относительные координаты частиц. Принцип Коперника в механике означает, что наблюдатель постоянно двигается вместе с Землёй вокруг Солнца. Принцип Коперника в космологии означает, что наблюдатель постоянно сжимается вместе со всей массивной материей в процессе эволюции стационарной Вселенной. Спектр фотонов, испущенных атомами на далеких звездах два миллиарда лет тому назад, запоминает размер атома, который определяется его массой. Этот спектр сравнивается со спектром аналогичных атомов на земле, масса которых в настоящее время стала значительно больше. В результате возникает красное смещение, описываемое относительной космологией. Формулировка теории космической эволюции как коллективного движения Вселенной в полевом пространстве компонент метрики позволяет перенести на полевое пространство такие понятия, как инерциальное движение по геодезической линии, относительные переменные, принципы относительности Коперника и
Вселенная не расширяется и имеет постоянную температуру, однако массы растут, а размер атомов уменьшается, так что отношение массы к температуре остается таким же, как в стандартной космологии. Но именно это отношение определяет химический состав Вселенной. Поэтому, холодная Вселенная наследует все достижения горячего сценария по определению химического состава Вселенной.
При возвращении назад, к моменту рождения материи, массы всех элементарных частиц уменьшаются и массы векторных бозонов достигают температуры реликтового излучения, открытого в 1965 году Пензиасом и Вильсоном. И здесь теория относительности описывает этот самый момент рождения материи, как рождение огромного числа продольных векторных бозонов из вакуума, благодаря массовой сингулярности этих бозонов, обнаруженной российскими учеными еще задолго до их открытия. Температура бозонов вычисляется как фундаментальная постоянная «относительной» (конформной) космологии, равная корню кубическому от произведения параметра Хаббла на квадрат массы векторного бозона, что удивительно совпадает с наблюдательными данными по реликтовому излучению 2,7 К. Эта температура передается по наследству реликтовому излучению, как окончательному продукту распада первичных бозонов. Тем самым показано, что может быть построена микроскопическая теория реликтового излучения.
Барионная асимметрия Вселенной возникает вследствие поляризации поперечными бозонами дираковского моря кварков, заполняющих все состояния с отрицательными энергиями. Именно этот вакуум был введен Дираком для того, чтобы сделать стабильным состояния квантовых частиц.
После распада бозонов вся последующая эволюция Вселенной повторяет хорошо известный сценарий горячей Вселенной, как эпициклы Коперника повторяют эпициклы Птолемея.
Что дальше? Состояние современной теоретической физики.
Теория Ньютона и экспериментальные исследования Фарадея фактически обозначили принципы относительности, для окончательного выявления которых понадобилась упорная работа теоретиков и экспериментаторов в течение почти двух столетий. Можно сказать, что общая теория относительности и Стандартная Модель объясняет все основные физические процессы в этом мире на феноменологическом уровне, который требовал от теории сам Максвелл. Однако уровень математического описания природы, на который претендуют современные физики, ставит множество вопросов. Почему мир имеет именно эти симметрии, а не другие? Почему существует такая точная подгонка начальных данных и безразмерных констант связи под антропный принцип? Этот принцип обычно формулируются в виде вопроса: «Почему костанты связи и отношения масс такие, какие они есть?» и ответа «Потому, что если бы они были другие, не было того, кто задает этот вопрос».
Может быть, в будущем
Заключение. Всякая теория познания отвечает на вопрос, что значит «объяснить»? Начиная с теории Ньютона до современных теорий гравитации и элементарных частиц, научное «объяснение» означало решение уравнений движения с определенными начальными данными. Дайте мне начальные данные, и я объясню весь мир решениями уравнения Ньютона, — сказал Лаплас. Дайте мне канонические преобразования всех полей в геометрические величины, включающие время, и я «объясню» всю Вселенную, в том числе ее происхождение из «ничего», — может вслед за Лапласом сказать современный физик. В чем отличие классического «объяснения» Лапласа от релятивистского?
Исходное положение классической теории — это абсолютные понятия пространства, времени и материи, их независимость от средств измерения. Квантовая релятивистская физика сталкивается с относительностью пространства, времени и материи. Если нестабильный мюон поместить на поезд, движущийся с огромной скоростью, близкой к скорости света, то машинист поезда и стрелочник на станции будут измерять разные времена жизни одной и той же частицы. Эта частица имеет одну «реальность» для машиниста, и другую «реальность» для стрелочника. Каждая реальность имеет свое время жизни, свою классическую и квантовую механику, свою волновую функцию. Отношение между «реальностями» «объясняет» то, что, в принципе, не может «объяснить» никакая классическая физика.
В общей теории относительности каждый наблюдатель в своей системе отсчета видит свою Вселенную, которая имеет две «реальности»: полевую вне времени и геометрическую с космическими начальными данными. Отношения между «реальностями» «объясняют» то, что, в принципе, не может «объяснить» никакая классическая физика. Здесь эти отношения «объясняют» эволюцию Вселенной во времени, происхождение материи из «вакуума», положительную стрелу времени и его начало. Каждый наблюдатель не только видит свою Вселенную, но и, участвуя в движении Вселенной, участвует в творении своего времени.
План дискуссии:
• Закон Хаббла, предсказанный российским учёным А. Фридманом, описывает покраснение (т. е. увеличение длины волны) фотонов, испущенных атомами на звездах много миллионов лет назад. Закон Хаббла означает, что время жизни Вселенной конечно и равно, примерно,
• Означает ли закон Хаббла, что наша Вселенная родилась из точки?
• Что было до рождения Вселенной?
• Как происходило рождение Вселенной?
• Можно ли говорить о времени до рождения Вселенной?
• Может ли современная физика «объяснить» рождение Вселенной и «творение» пространства-времени и материи из «ничего»?
• Рождение Вселенной: волновая функция Вселенной
• Парадокс квантовой космической механики: «изчезновение» времени в ОТО?
• Время: «Творение» времени в релятивистских теориях: частица, струны, Вселенная.
• Материя: «Творение» материи из «вакуума». Вычисление температуры реликтового излучения.
• Релятивистская космология: данные по Суперновым, химическая эволюция материи, температура реликтового излучения.
• Что дальше? Можно ли говорить о кризисе современной теоретической физики?
Вопросы для дискуссии:
• А был ли «Взрыв»?
• Природа времени в Общей теории относительности.
• Расширяется ли наблюдаемая Вселенная?
• Что означает «объяснить» рождение Вселенной, времени и материи?
• Происхождение реликтового излучения?
• Может ли «энергия Вселенной» быть равной нулю?
• Роль «наблюдателя»?
• Что дальше?
Библиография
Барбашов Б. М., Первушин В. Н., Павловски М. Инвариантное описание релятивистских теорий//ЭЧАЯ. 2001. № 32 (546).
Барбашов Б. М., Первушин В. Н., Проскурин Д. В. Физические координаты как динамические переменные в релятивистских теориях//ТМФ. 2002.
Борисов А. В., Огиевецкий В. И. Теория динамических афинной и конформной симметрий как теория гравитационного поля//ТМФ. 1974. № 21 (329).
Вайнберг С. Первые три минуты. М: Мир, 1978.
Первушин В. Н. О квантовании киральных теорий//ТМФ. 1975. № 22 (201).
Первушин В. Н. Динамическая афинная симметрия и ковариантная теория возмущения для гравитации//ТМФ. 1976. № 27 (16).
Фридман А. А. Мир как пространство и время. М: Наука, 1965.
Bardin D., Passarino G. The standard model in the making: Precision study of the electroweak interactions. Oxford, 1999.
Behnke D., Blaschke D., Pervushin V. N. Описание данных по Сверхновым в конформной космологии//Phys. Lett. 2002. B530 (20).
Blaschke D., Pervushin V.N., Proskurin D. V. Космологическое рождение векторных бозонов. Dubna, 2001.
Pawlowski M., Pervushin V. N. Большой Взрыв и квантовая Вселенная//Int. J. Mod. Phys. 2001. 16 (1715);
Perlmutter S. et al. Зависимость красного смещения от расстояния до Сверхновых//Astrophys. J. 1999. № 517 (565).
Riess A. G. et al. Зависимость красного смещения от расстояния до Сверхновых//Astron. J. 1998. № 116 (1009)
Тема № 109
Эфир 16.05.2002
Хронометраж 50:00
www.ntv.ru