Н. Н. Латыпов, В. А. Бейлин, Г. М. Верешков

ВАКУУМ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ВСЕЛЕННАЯ.

В поисках физических и философских концепций XXI века.

СОДЕРЖАНИЕ:

Предисловие.

Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.

1.Поиски новых концепций на рубежах веков.

2.Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий.

3.Стандартная Модель и ее проблемы.

4.Структура кварк-глюонного вакуума.

5.Брукхейвенский эксперимент.

6.Суперструнная программа.

6.1.Концепция суперсимметрии.

6.2.Объединение физических взаимодействий.

6.3.Многомерное пространство.

6.4.Суперструны.

7.Преонная альтернатива.

7.1.Сколько типов вакуумных конденсатов существует в природе?

7.2.Основные идеи теории преонов.

7.3.Возможные сюрпризы преонной гипотезы.

8.Что заставляет нас изучать структуру физического вакуума?

Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.

1.Возможно ли изучение Мира в целом? Проблемы экстраполяции.

2.Идеи теории Эйнштейна.

2.1.Структура физических законов.

2.2. Геометризация тяготения.

3.Принципы теоретической космологии.

3.1.Синтез теории тяготения Эйнштейна и микрофизики.

3.2.Изотропные космологические модели. Проблема фиксации топологии.

4.Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.

4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.

4.2. Барионная асимметрия Вселенной.

5.Стандартная Космологическая Модель.

5.1.Синтез легких элементов.

5.2. “Спокойная” фаза и рекомбинация.

5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.

6.Проблемы физики современной Вселенной.

6.1.Темная материя.

6.2.Вакуум как носитель энергии Вселенной.

7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.

7.1.Концептуальные проблемы космологии.

7.2.Неравновесность и инфляция.

7.3.От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?

8.Физика вакуума и антропный принцип.

Часть 3. Физика и космология на границах познания.

1.Возможности современной квантовой теории как инструмента познания.

2.Квантовая версия ОТО и космологии.

2.1. Физический аспект проблемы квантования.

2.2. Математическая структура теории. “Исчезновение” времени”.

3.Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.

3.1. Проблемы познания.

3.2. Наблюдатель в квантовой Вселенной.

3.3. Рождение Вселенной из “Ничего”.

3.4. Гравитационный вакуумный конденсат

4.Концепция множественности миров.

5.Гимн о сотворении Мира в терминологии квантовой геометродинамики.

6.Драма идей в познании природы.

Cписок использованной литературы.

"Каждый интеллигентный человек, даже неспециалист, может глубоко вникнуть в современные физические проблемы. Эта драма вызывает у жаждущего понимания читателя не менее напряженное внимание, чем увлекательный роман."

(А.Эйнштейн)

"…вещам невозможно из ничего возникать и, родившись, в ничто обращаться…"

(Тит Лукреций Кар, I век до н.э.)

Предисловие

В предлагаемой вниманию читателей книге мы сделали попытку изложить основные концепции современной фундаментальной физики и космологии без упрощения, искажающего их истинный смысл. При этом, однако, математический аппарат практически не используется. Это означает, что от читателя потребуются определенные усилия для восприятия и обдумывания этих концепций. Они не просты в том смысле, что используемые для их описания понятия далеки от имеющегося у каждого из нас чувственного опыта. Тем не менее, основанные на этих понятиях “физические теории стремятся образовать картину реальности и установить ее связь с обширным миром чувственных восприятий” (А.Эйнштейн). Необходимость и неизбежность формулировки понятий, задач и методов именно в предлагаемой форме, с использованием всего идеологического арсенала теоретической физики, как мы надеемся, окажутся вполне убедительными для тех, кто заинтересован в глубоком понимании природы Мира и Человека. Великий Лев Ландау говорил, что мы обязаны понимать даже то, что не можем себе представить. Эта обязанность относится не только к профессиональным ученым, но к каждому, кто осознает высокую степень согласованности его действий и принципов с внутренними законами мироздания. Способность глубоко размышлять не является прерогативой только представителей науки, и наша книга адресована каждому, кто хочет не только оценить направление и скорость движения цивилизации, но и по мере сил участвовать в нем.

На рубеже веков ситуация складывается так, что именно фундаментальные достижения физики играют ключевую роль в выборе научных приоритетов цивилизации будущего столетия, определяя в значительной мере темп и направление прогресса. Центральным пунктом исследований Природы и Человека, как двух неразрывных частей единой целостной системы Мира, должно будет стать изучение сложноструктурированного объекта – самоорганизующегося физического вакуума. Это утверждение опирается на результаты и концепции современной физики, а его принятие с необходимостью приводит к изменению направления стрелы научного познания. В течение всего периода эволюции человечества это направление определялось исходной посылкой гносеологии: наиболее сложной открытой системой в Мире является Человек, задача и цель его существования состоит в изучении прочих, менее сложных, структур, осуществляемом в процессе их разделения на составные части. Изменение основного предмета физических исследований и вызываемый этим фактом пересмотр принципов теории познания имеют принципиальное значение для будущего человечества. Нам хотелось бы, чтобы у читателя сложилось об этом мнение, основанное на знании и понимании подлинных научных, мировоззренческих и философских проблем.

Информацию о вакууме мы извлекаем из экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц, а также из результатов теоретической и наблюдательной космологии. Сформированные в рамках этих наук, на рубеже ХХ и ХХI веков, принципиально новые концепции открывают для процесса познания ранее недоступные горизонты. Эти концепции основаны на представлениях о нетривиальной геометрии пространства-времени, эволюционирующей по квантовым законам, и подтверждаются результатами экспериментальных исследований микромира, полученными в последней четверти ХХ века.

Наиболее интригующим следствием этих исследований является вывод о том, что физический вакуум представляет собой не пустоту с некоторыми фиксированными неизменными свойствами, а сложную, целостную иерархическую систему, способную к динамической эволюции. Проведенные к настоящему времени исследования физической природы вакуумных подсистем показывают, что само их существование и внутренняя структура обусловлены спонтанными деформациями геометрических характеристик искривленного и расслоенного пространства-времени. Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий кварков и лептонов, воплощающая новейшие представления о вакууме и элементарных частицах в строгой математической форме, является общепризнанным достижением естествознания ХХ века. Впервые в истории науки мы имеем теорию, объясняющую все известные экспериментальные факты в физике микромира, полученные на ускорителях элементарных частиц. Парадокс, однако, состоит в том, что внутренняя логика Стандартной Модели, сама неизбежно указывает на собственную неполноту, на существование еще более общей теории, основанной на еще более глубоких представлениях о вакууме, как о сложноструктурированной динамической системе.

Поиски законов динамической эволюции вакуума приводят, по нашему мнению, к формированию и становлению теоретических парадигм, имеющих не только общенаучный, но и ярко выраженный философский характер. Основаниями для этого прогноза являются многочисленные теоретические и экспериментальные указания на то, что физический вакуум, как сложная система, обладает, по крайней мере, свойством самоорганизации. Результаты современной физики и космологии показывают, что вакуум способен так реагировать на изменения условий во Вселенной, чтобы путем локальных изменений собственной структуры сохранять глобальную устойчивость в масштабах Вселенной и тем самым обеспечивать свою дальнейшую эволюцию путем образования новых структур как в нем самом, так и в веществе. Не исключено, что понятие самоорганизации, как характеристики эволюционного процесса, в действительности является недостаточным для описания сложнейших явлений, происходящих во Вселенной. Осмысление этой ситуации в книге позволяет сделать несколько нестандартных выводов.

Во-первых, очевидно различие между основными объектами исследований физики ХХ и ХХI веков. В ХХ веке задача состояла в изучении структуры вещества, существующего и эволюционирующего в пространстве-времени с фиксированной геометрией на фоне вакуума с простыми заданными свойствами. Приоритетом же фундаментальной физики XXI века является изучение динамических законов и структуры самого вакуума.

Во-вторых, даже имеющиеся знания о вакууме позволяют предположить, что как объект исследований вакуум по своей сложности и многообразию свойств может не уступать субъекту исследований – Человеку. Тем самым ситуацию, складывающуюся в фундаментальной физике и космологии в начале XXI века, можно охарактеризовать как интеллектуальный вызов Человеку, как проверку его способности адекватно познавать Мир и самого себя.

В-третьих, если Человек окажется способным принять этот вызов Природы и совершить интеллектуальный прорыв, то результатом его усилий станет новое понимание его места в Мире; осознание того, что существование Жизни и Разума теснейшим образом взаимосвязаны со свойствами физического вакуума, элементарных частиц и Вселенной в целом. Фундаментальная физика и космология близки к тому, чтобы начать исследования Человека и Вселенной как единой, целостной системы.

Несмотря на то, что изложение концепций и результатов физики и космологии проводится в книге достаточно полно и на современном научном языке, мы очень надеемся на то, что она будет понятна и полезна всем, кто всерьез интересуется перспективами фундаментальной науки XXI века. Один из важнейших лейтмотивов книги – выявление драматического характера процесса познания: впервые в истории науки перед Человеком возникают проблемы, к исследованию которых он обязан приступить без полной уверенности, что поиск решений находится в пределах его возможностей.

Цель создания этой книги и желание сделать ее доступной широкому кругу заинтересованных читателей обусловлены весьма серьезными причинами. Нам хотелось не только обсудить достижения и перспективы современной фундаментальной физики и космологии, но и изложить основы той новой концепции естествознания, которая вырастает из этого обсуждения. Сделанный нами вывод таков: дальнейший прогресс в исследовании системы Мира неизбежно приводит человечество к порогу новой культуры, ставя его перед необходимостью изучения структур, по меньшей мере, сравнимых по уровню сложности с наиболее сложной социо-биологической системой – Человеком. Следствием этого переосмысления связи между объектом и субъектом познания должна стать переоценка места Человека в Мире.

Коротко говоря, книга посвящена изложению базисных концепций физики и космологии, сложившихся к концу ХХ века, и сформированной на их основе программы фундаментальных исследований, проведение которых должно быть осуществлено в XXI веке.

Книга состоит из трех частей, содержание которых тесно связано друг с другом. В первой части обсуждается физика вакуума и элементарных частиц. Последовательно излагается концепция геометризации частиц и взаимодействий, основанная на представлениях о расслоенном пространстве-времени; описана экспериментально проверенная Стандартная Модель и четко сформулированы проблемы, вытекающие из ее внутренней логической и математической структуры. Одна из приоритетных проблем – исследование внутренней структуры и динамических свойств кварк-глюонного вакуума – описана как с позиций экспериментов, проведение которых планируется в ближайшее время, так и в аспекте поиска новых теоретических принципов квантовой динамики. Подробно обсуждаются два альтернативных пути развития существующей теории – суперструнная и преонная программы.

Вторая часть книги посвящена проблемам релятивистской космологии, синтезированной с физикой элементарных частиц. Обсуждаются идеи общей теории относительности Эйнштейна и основанные на ней космологические модели. На основе экспериментально проверенной теории элементарных частиц описана высокоэнергетическая физика фазовых переходов в вакууме и космологической плазме элементарных частиц, излагаются современные представления о возникновении барионной асимметрии Вселенной. Кратко анализируется и Стандартная Космологическая Модель, охватывающая низкоэнергетические стадии эволюции Вселенной. Внимание читателя, однако, фиксируется на том, что наблюдательные данные современной космологии, свидетельствующие о существовании так называемой «темной материи» и отличной от нуля плотности энергии вакуума, указывают на неполноту существующей фундаментальной теории. Обсуждаются возможности решения этих проблем в рамках суперструнной и преонной программ развития фундаментальной физики. Отдельный раздел книги посвящен антропному принципу космологии, который устанавливает связь Жизни и Разума с параметрами элементарных частиц. Впервые в литературе антропный принцип последовательно изучается с позиций физики вакуума.

В третьей части книги обсуждаются проблемы, решение которых находится на пределе или даже, возможно, за пределами современной науки. Речь идет о глобальной квантовой теории – квантовой геометродинамике, задача которой состоит в описании процесса рождения Вселенной как физического объекта и в разработке концепции множественности миров. Эти разделы теоретической физики, выходящие на границы возможностей человеческого познания, непосредственно смыкаются с проблемами фундаментальной философии.

В конце книги имеется список литературы, которая может быть рекомендована вдумчивому и заинтересованному читателю. Естественно, список этот далеко не полон и не однороден – наряду с достаточно простыми научно-популярными книгами и статьями в нем содержатся ссылки на серьезные и важные оригинальные научные работы. Не сомневаемся, что каждый, кто захочет продолжить изучение рассматриваемых ниже вопросов и проблем, сумеет заметно расширить этот список.

Приведенное в книге изложение и обсуждение основных концептуальных результатов фундаментальной физики и космологии естественно приводит к выводу о том, что Вселенная, важнейшей компонентой которой является сложноструктурированный вакуум, обладает не только свойством самоорганизации, но и, возможно, свойствами более высокого уровня, прежде приписываемыми только живым и разумным существам.

Может быть, именно эта парадигма позволит науке XXI века реализовать мечту Альберта Эйнштейна – выбрать то направление научных поисков, на котором Человек не только сумеет понять “как устроена природа…, но и достичь цели утопической и дерзкой на вид – узнать, почему природа является именно такой…”.

Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.

1. Поиски новых концепций на рубежах веков

Анализируя достижения фундаментального естествознания на рубежах XIX-XX и XX-XXI веков, нельзя не заметить удивительного совпадения – именно в эти исторические моменты наблюдается мощное воздействие научных результатов и концепций практически на все сферы деятельности цивилизации. Возникает ощущение, что приближение конца века оказывает особое психологическое воздействие на всех людей, включая ученых. На рубежах веков люди более глубоко задумываются о результатах и перспективах своей деятельности, выделяя и суммируя самые важные, концептуальные достижения. Накапливаемые в течение почти целого века новые экспериментальные сведения и теоретические представления образуют огромный объем знаний, требующий переосмысления и обобщения. Резкая интенсификация процесса интеграции научной и мировоззренческой информации при переходе к следующему столетию происходит, по крайней мере, во второй раз. Возможно, необходимость и своевременность такого изменения в структуре и качестве знаний ощущается человеком даже на подсознательном уровне.

Поучительно сравнить, какие научные проблемы обсуждались, и какие теоретические концепции возникли на рубежах XIX-XX и XX-XXI веков. Развитие научных исследований происходит по спирали – мы все время возвращаемся к вопросам, аналог которых уже имелся ранее. Но в новой формулировке естественнонаучные проблемы затрагивают гораздо более глубокие уровни материи, более фундаментальные свойства пространства-времени и других базисных категорий. Помимо осмысления конкретных проблем естествознания и попыток их решения, независимо от нашего желания мы переоцениваем место человека в мире, поскольку наше самосознание в первую очередь определяется уровнем и объемом наших знаний о природе.

В конце XIX – начале XX веков перед фундаментальным естествознанием стояли две крупные проблемы: изучение свойств эфира, и установление структуры атома (т.е. связанного с ней строения вещества и свойств электромагнитного излучения). Постановка проблемы эфира была инициирована экспериментальным обнаружением электромагнитных волн, и этот факт требовал теоретической интерпретации. Сама гипотеза об эфире стояла на двух «китах»: один из них – остатки механистического мировоззрения, второй же «кит» – интуитивное неприятие людьми идеи первоначальной пустоты. Вопрос о существовании пустоты (вакуума) как категории, имеет давнюю историю, еще в древности мудрецы Эллады и Римской империи понимали, что пустоту необходимо чем-то заполнять, чтобы осмыслить ее существование и объяснить ее предназначение. Поэтому представления об эфире хорошо согласовывались и с достижениями физики XIX века, и с мироощущением человека.

В результате синтеза двух вышеуказанных факторов эфир стал мыслиться как непрерывная механическая среда, заполняющая все пространство; возмущения этой среды и рассматривались как электромагнитное поле. Прямым следствием механистических представлений об эфире был тезис о существовании выделенной системы отсчета, относительно которой мировой эфир покоится. Эксперимент (опыт Майкельсона – Морли) не подтвердил это предположение, что и привело к крушению концепции эфира. В том виде, который приобрела эта концепция в конце XIX века, она уже никогда не возродится, поскольку была отвергнута экспериментально. Но с отказом от абсолютной среды – эфира – физика вернулась к понятию об абсолютной пустоте! Правда, после формулировки Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности абсолютно пустое многообразие, «сцена», на которой развивались физические события, уже не представляла собой трехмерное пространство + одномерное время, ее сменил новый объект – непрерывный 4-мерный континуум, единое пространство-время. Электромагнитные волны теперь рассматривались как поле, заданное на этом многообразии. В теории появилось принципиально немеханическое понятие поля.

Отнюдь не сразу было понято, что представляет собой поле, как физический объект. Первоначальная его интерпретация была чисто феноменологической. Утверждалось, что поле является особой, делокализованной («размазанной» в пространстве-времени) формой существования материи. Материальность поля проявляется в том, что оно способно обмениваться энергией и импульсом с другой, более привычной, локализованной формой материи – частицами, занимающими определенное место в пространстве в каждый момент времени. Сегодня мы понимаем, что подобная интерпретация поля очень упрощена и соответствует лишь самому первому этапу его изучения, как физического объекта. Альберт Эйнштейн выдвинул ключевую идею, суть которой в том, что поле, заданное на пространственно-временном многообразии, в действительности является характеристикой самого пространства-времени, т.е. поле представляет собой не внешний по отношению к пространству-времени объект, а его внутреннее свойство. Иными словами, поле задает топологию и геометрию пространства-времени. Впервые эта идея была воплощена Эйнштейном в теории гравитации, где было показано, что гравитационное поле есть мера искривленности пространства-времени, а все физические (негравитационные) поля участвуют в процессе его искривления и в реакции на это искривление. На этом этапе теоретические представления о природе гравитационного взаимодействия были сформулированы в терминах искажения геометрии пространства-времени в виде деформаций пространства-времени одними квантами материальных полей и реакций на эти деформации других квантов полей материи. Гравитационное взаимодействие присуще всем физическим полям, то есть универсально. Однако с электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями связаны не искривления 4-х мерного пространственно-временного континуума, а искажения геометрии другого типа, а именно расслоения пространства-времени. Причем этим трем типам взаимодействий соответствуют различные типы расслоений.

Отметим, что развитие представлений о поле, как о характеристике геометрии и топологии пространства-времени, долгое время проводилось без отказа от категории пустоты, но теперь под пустотой понималось состояние, в котором геометрия пространства-времени не деформирована. То есть, пустота отождествлялась с отсутствием как точечных частиц, вызывающих деформацию пространства-времени, так и собственных волновых возбуждений его геометрии. Интерпретация всех типов взаимодействий, как искажений искривленной расслоенной геометрии пространства-времени представляет собой центральную идею современной базисной концепции геометризации физики.

Проследим теперь за становлением второй основной концепции физики XX века, возникшей в процессе исследования строения вещества и свойств излучения. Первый шаг сделал Макс Планк, сформулировав гипотезу о разбиении электромагнитного поля на дискретные кванты (фотоны) в процессах его взаимодействия с веществом. Затем Эрнест Резерфорд и Нильс Бор создали первую успешно работающую, хотя теоретически и не вполне последовательную, квантово-планетарную модель атома водорода. Дальнейший прогресс в изучении свойств микромира привел к необходимости отказа от детерминистичных представлений классической механики о движении частиц по траекториям, определяемым внешними силами и начальными условиями. Частицы-корпускулы в соответствии с представлениями квантовой механики, адекватно отражающей свойства микрообъектов, приобрели волновые свойства, их движение стало описываться вероятностными законами. Вместо траекторий в пространстве и времени микрочастицы стали описываться распределением вероятностей – набором чисел, определяющих вероятности нахождения данной частицы в данном месте в определенный момент времени. Именно распределения вероятностей задают физическое состояние микрообъекта. В очень многих ситуациях, например, в атомной и ядерной физике, переход из одного состояния в другое, то есть изменение распределений вероятностей, происходит скачкообразно. Квантованность состояний и квантованность движений и отражены в названии – квантовая физика.

Теория единого 4-мерного пространства-времени в XX веке обрела законченную логическую и математическую форму, благодаря работам Альберта Эйнштейна и Германа Минковского. Синтез геометрических и квантовых идей, в конце концов, привел к формулировке современной теории элементарных частиц. Решающим шагом, наряду с дальнейшей разработкой принципов квантовой механики, стало создание теории квантованных волновых полей, которая вновь вернула частицам корпускулярный статус, однако на совершенно иной основе – элементарные частицы представляют собой кванты волновых полей. На новом витке развития наших представлений о природе исходной является полевая интерпретация материи, а разбиение поля на отдельные кванты, возникновение частиц как объектов, понимается как фундаментальное внутреннее свойство полей. Интерпретация частиц, как квантов волновых полей, позволила установить природу спина частиц (спин – собственный момент количества движения частицы) Различным спиновым состояниям элементарных частиц однозначно сопоставлялись различные компоненты квантового волнового поля. Так, например, в случае электромагнитного поля двум состояниям поляризации электромагнитных волн после квантования сопоставлялись два спиновых состояния фотона с проекциями спина на направление движения противоположными по знаку.

Развитие квантово-полевых представлений прошло несколько этапов. В первоначальных теоретических моделях поля материи, удовлетворяющие квантовому принципу Паули (в природе нет двух частиц-квантов, находящихся в абсолютно тождественных состояниях), и силовые поля, переносящие взаимодействие – распространялись в пространстве-времени с фиксированной геометрией и в классическом вакууме – в пустоте. Правда, на фоне этой пустоты даже в отсутствии частиц, перемещающихся на макроскопические расстояния, согласно принципам квантовой теории обязательно должны существовать малые, так называемые вакуумные колебания квантовых полей.

Один из основных постулатов физики микромира – принцип неопределенности – означает невозможность для квантовых полей иметь в фиксированной точке пространства одновременно нулевое значение и нулевую скорость изменения. Это обстоятельство порождает специфическую подсистему – нулевые колебания квантовых полей, принципиально неостановимое и экспериментально измеримое «дрожание» полей, свойственное самой их природе. Нулевые колебания невозможно «заморозить», они существуют в каждой точке пространства и могут взаимодействовать с любыми элементарными частицами.

Экспериментально факт существования этой вакуумной подсистемы был обнаружен при измерении Лэмбом и Резерфордом сдвига энергетических уровней в спектре атома водорода (обусловленного взаимодействием с нулевыми колебаниями), детально эта подсистема была исследована при измерении аномальных магнитных моментов электронов и мюонов. После этого открытия стало ясно, что вакуум уже не является «абсолютным ничто», пустотой, а представляет собой систему нулевых колебаний квантованных полей. Частицы движутся не в пустоте, а над неким «фоном», в котором непрестанно возникают и гаснут полевые флуктуации. При этом сами свойства частиц определяются их взаимодействием с этим фоном – вакуумом.

Таким образом, разработка проблем физики, поставленных на рубеже XIX-XX веков, привела к становлению двух фундаментальных концепций, которые можно выразить ключевыми словами – геометризация и кванты. Мы имеем в виду геометризацию взаимодействий и квантовый характер движения микрообъектов.

Более глубокий синтез этих понятий начался уже в нашу эпоху, в конце XX века. Прежде всего, на геометрическом языке были сформулированы представления о нулевых (квантовых) колебаниях полей. Теперь они интерпретируются как нулевые колебания недеформированных геометрических структур. Экспериментальные данные и более глубокий теоретический анализ привели к выводу, что квантовые геометрические системы способны к спонтанной деформации даже в отсутствие материи в привычном для нас понимании этого слова. Это обстоятельство заставило радикально пересмотреть наши представления о вакууме.

Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. В настоящее время экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум – среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменений состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно – путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства. Это утверждение отражает тот факт, что вакуум является характеристикой самого пространства-времени.

Вспомним еще раз об эфире и заметим, что сейчас физика вновь использует в своем обиходе одно из свойств, приписываемых эфиру – представление о том, что пустоты, как таковой, в природе не существует. Пространство свободное от материи, способной к макроскопическим перемещениям, тем не менее, пустотой не является. Теперь в качестве такой, все заполняющей и все порождающей среды, мы понимаем спонтанно (самопроизвольно) деформируемые вакуумные структуры. Любопытно в этой связи отметить, что уравнения фундаментальной физики, не дополненные процедурой квантования движений, формально математически содержат решения, которые, с точностью до нулевых колебаний, можно было бы сопоставить абсолютной пустоте. Однако это решение неустойчиво, т.е. мир не может существовать в таком режиме, когда отдельные его области по своим свойствам близки к абсолютной пустоте. Если же в уравнениях учесть принцип квантования движений микрообъектов, оказывается, что решений, соответствующих абсолютной пустоте, уравнения просто не имеют. Спонтанная деформация геометрических структур – неизбежное следствие экспериментально проверенных фундаментальных законов природы.

К настоящему времени установлено, что важнейшим элементом материального мира является не просто 4-мерный континуум Эйнштейна-Минковского, а 4-мерная искривленная и расслоенная геометрия пространства-времени. Векторные поля, переносящие взаимодействия, как раз и описывают это расслоение. Одной из главных проблем современной физики является выяснение природы расслоений. Сегодня мы лишь знаем, что такие расслоения существуют, математически описываются нелинейными уравнениями и соответствуют полям, кванты которых несут на себе заряды фундаментальных взаимодействий.

Впервые понятие расслоения пространства возникло в теории упругости. При макроскопическом описании твердых деформируемых сред математический образ точки в действительности соответствует некоторому конечному, хоть и малому объему вещества, содержащему большое число атомов. Дело в том, что предметом макроскопической теории является изучение коллективных процессов, в которых принимает участие громадное число микрочастиц. По этой причине объект, который в теории представляется математической точкой, на самом деле имеет внутреннюю микроскопическую структуру. В случае твердых тел речь идет о кристаллической структуре. Идеальный кристалл представляет собой систему строго упорядоченных атомных слоев. Хорошо известно, что эту структуру можно деформировать, существует множество ее дефектов, например, вакансии (отсутствие атомов в узлах решетки), междоузлия (внедрение атомов между узлами), дислокации (слияние двух атомных слоев в один) и т.д. В разных участках макроскопического тела характер и количество дефектов может быть разным. Поэтому для макроскопического описания деформируемого дефектного тела мы должны ввести функции координат, значения которых содержат информацию о количествах и свойствах дефектов. Формально математически эти функции как раз и являются полями, заданными на пространстве этого тела и характеризующими само это тело. Эти поля и принято называть полями расслоений, такие поля наделяют каждую точку пространства дополнительными внутренними свойствами. В случае деформируемого дефектного тела видно, что термин «расслоение» имеет буквальный смысл: то, что в макроскопической теории формально обозначается точкой, в действительности представляет собой малый объем, состоящий из большого числа атомных слоев. А математическое поле расслоений в действительности описывает состояние слоистой микроскопической структуры. Вполне может быть, что расслоения, с которыми мы имеем дело в теории фундаментальных взаимодействий, имеют аналогичную физическую природу, то есть, отражают внутреннюю микроскопическую дискретную структуру пространства-времени. Подобная точка зрения на природу расслоений начала формироваться в последние годы в связи с достижениями компьютерных экспериментов на пространственно-временной решетке. Первоначально задача ставилась очень прагматично: численно, на компьютере решить сложные уравнения, описывающие динамику квантовых взаимодействующих полей. Процесс численного решения всегда приближенный, и одно из приближений состоит в том, что бесконечное непрерывное множество пространственно-временных точек, на которых определены поля, заменяется конечным их множеством, которое может пересчитать компьютер. Предполагалось, что в этих экспериментах будет постепенно наращиваться точность вычислений путем увеличения и более плотного расположения точек вспомогательного дискретного «пространства-времени». Результаты численных экспериментов, однако, привели к парадоксальному выводу: оказалось, что для получения осмысленных и воспроизводимых результатов вовсе нет необходимости стремиться к континуальному пределу. Реальность достаточно хорошо описывается и на дискретных множествах (на пространственно-временной решетке). Более того, в теории, сформулированной на решетке, отсутствует целый ряд формальных математических проблем, решить которые на континуальном, непрерывном множестве удается с большим трудом. Эти два обстоятельства и привели к гипотезе о том, что пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру, а поля расслоений описывают дефекты в этой структуре.

Сегодня, однако, мы не уверены в том, что именно дискретная структура соответствует расслоениям, сопоставляемым фундаментальным взаимодействиям. Есть и альтернативный подход к интерпретации расслоений 4-мерного пространства-времени, основанный на представлениях о дополнительных пространственных измерениях. В этой трактовке принимается, что каждая точка пространства-времени чувствует существование дополнительных измерений. Иными словами, не исключено, что на самом деле наш мир многомерен, но для выхода в дополнительные измерения сегодня у нас недостаточно энергетических ресурсов. Само же существование этих измерений, их проекции на наше 4-мерное пространство-время проявляются в нашем мире как векторные силовые поля.

Детальные исследования процессов взаимодействий элементарных частиц на современных ускорителях привели к выводу о том, что совокупность слоев пространства-времени, соответствующая только электромагнитному взаимодействию, способна находиться в недеформированном состоянии при отсутствии внешних источников, способных создавать соответствующие деформации. Как оказалось, слоистые структуры, соответствующие другим типам взаимодействий – слабому и сильному – спонтанно (самопроизвольно) деформируются. Именно деформированное состояние является энергетически выгодным для этих структур. Оказалось также, что характер деформации слоистой структуры, соответствующей слабому взаимодействию, существенно отличается от характера деформации слоев, отвечающих сильному взаимодействию. На сегодняшний день представления о характере этих деформаций таковы: деформации «слабых» структур в некотором смысле непрерывны (различные пространственно-временные слои регулярно и непрерывно сдвинуты друг относительно друга, что делает возможным их различать). Деформации же «сильных» структур, напротив, имеют ярко выраженный дискретный характер. Последнее обстоятельство связано с тем, что природа «сильной» слоистой структуры целиком определяется существенно квантовыми закономерностями; будучи предоставлена самой себе, эта совокупность слоев не является классически детерминированной. Структура же слоев слабого взаимодействия приближенно классически детерминирована – квантовые эффекты в лице нулевых колебаний ее лишь слегка возмущают. Свойства расслоенных структур, связанных с сильными взаимодействиями, формируются квантовыми флуктуациями гораздо более интенсивными (и имеющими несколько иное происхождение), чем нулевые колебания.

В целом слоистая структура представляет собой квантовую суперпозицию (наложение) совершенно различных субструктур, соответствующих принципиально разным состояниям квантовых силовых полей и непрерывно переходящих друг в друга. Такие переходы сопровождаются возникновением мощных квазилокализованных флуктуаций большой амплитуды, сильно скоррелированных друг с другом. Флуктуации непрерывно рождаются и гибнут, но в каждой области пространства и в каждый момент времени среднее их число остается неизменным. Эти состояния слоистых структур имеют место даже в тех областях пространства-времени, где нет материи в нашем понимании. Говорят, что эти структуры задают состояние физического вакуума, их называют вакуумными конденсатами.

На нынешнем уровне знаний о природе можно сказать определенно: свойства материи целиком определяются свойствами этих вакуумных структур. Именно поэтому изучение физики вакуума и представляется нам приоритетной задачей физики XXI века.

Сегодня можно утверждать, что, во-первых, формирование конкретных свойств элементарных частиц и их взаимодействий, в частности основных из них – протона, нейтрона, электрона и нейтрино, предопределяется состоянием различных вакуумных субструктур и взаимосвязями между ними, а, во-вторых, свойства наблюдаемого макромира – геометрические свойства Вселенной в целом, ее крупномасштабная структура, химический состав Вселенной, условия возникновения в ней биологических объектов – определяются свойствами частиц. Отсюда следует, что относительно небольшие изменения в структуре вакуума могут привести к радикальному изменению свойств мира. Параметры вакуумных структур жестко зафиксированы для видимой Вселенной. В этом смысле можно говорить, что вакуумные структуры самоорганизуются единственным образом, который только и позволяет существовать во Вселенной макроскопическим структурам. Так от размышлений о природе пустоты мы приходим к постановке проблемы о самоорганизации вакуума. Поэтому для краткой формулировки ситуации в фундаментальной физике на рубеже XX и XXI веков (или на рубеже II и III тысячелетий), мы выберем следующие ключевые слова – вакуум и самоорганизация. Заметим, что формирование категории вакуума, как объекта со сложной иерархической внутренней структурой, есть результат синтеза геометрической и квантовой концепций физики XX века, а самоорганизация проявляется, как внутреннее свойство физического вакуума, которое нам и предстоит исследовать в XXI веке.

Какие же знания, накопленные, в основном, в последней трети XX века, лежат в основе нашего прогноза о приоритетах фундаментального естествознания в XXI веке?

2. Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий

Окружающее нас вещество, а также вещество, из которого состоим и мы сами, построено из частиц всего 4-х типов. Это протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер (протоны и нейтроны имеют общее название – нуклоны), электроны, составляющие оболочки атомов и молекул, и нейтрино, возникающие при распаде бета-активных ядер. В свободном состоянии протоны, электроны и нейтрино абсолютно стабильны, а нейтрон распадается: .

Классификация взаимодействий тесно связана с классификацией частиц. Электроны с атомными ядрами связаны электромагнитным взаимодействием, протоны и нейтроны внутри ядра связываются сильными взаимодействиями, а распад нейтрона или аналогичный распад внутриядерного протона: , обусловлены слабыми взаимодействиями. Вышеописанная картина, однако, оказалась лишь грубо приближенной. Главное достижение фундаментальной физики последней трети XX века состоит в доказательстве неэлементарности внутриядерных частиц, наличия у них внутренней кварковой структуры. По современным представлениям нуклоны состоят из кварков двух типов, которые принято обозначать символами u и d. Кварки являются «кирпичиками», из которых строятся сильновзаимодействующие частицы – адроны. Среди характерных особенностей кварков необходимо, прежде всего, отметить, что они имеют дробный электрический заряд в единицах заряда электрона: и . В таблицах элементарных частиц кварк u обычно занимает верхнюю строчку, поэтому называется «верхним» (от английского «up»), а кварк d – нижнюю строчку и называется «нижним» («down»). Структурные формулы протона и нейтрона имеют вид: p = uud и n = udd. Сильными взаимодействиями сегодня мы называем взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов. Взаимодействия же нуклонов друг с другом на расстояниях, превышающих их размеры, представляют собой лишь относительно слабый след очень сильных первичных внутринуклонных взаимодействий кварков.

Имеется аналогия между взаимодействиями удаленных нуклонов и взаимодействиями удаленных нейтральных атомов. Полный электрический заряд каждого из нейтральных атомов (сумма электрических зарядов составляющих его частиц) равен нулю, и, казалось бы, они не могут взаимодействовать электромагнитно. Но даже из школьной физики известно, что взаимодействие между ними все же имеется, поскольку взаимная деформация электронных оболочек атомов приводит к возникновению у каждого из них индуцированного дипольного момента. Так, в частности, происходит и с молекулами вещества, растворенного в жидкости – молекулы теряют свою исходно симметричную форму, деформируясь под действием электромагнитного поля среды, в результате чего приобретают дипольный момент и создают собственное ненулевое электромагнитное поле. Похожая ситуация имеет место и в физике сильных взаимодействий – внутри нуклона действуют мощные силовые поля, обусловленные (порожденные) специфическими зарядами кварков относительно этих взаимодействий. Вне нуклона эти силы, называемые хромодинамическими, в значительной мере компенсируют друг друга. А их «остаток», который изучается в ядерной физике, есть некий аналог взаимодействий взаимно индуцированных дипольных моментов деформированных атомов или молекул.

Чрезвычайно важно осознавать сходство и различие между хорошо известным электромагнитным взаимодействием электронов и протонов и сильным взаимодействием кварков. Известно, что электромагнитное поле, переносящее электромагнитные взаимодействия, создается заряженными частицами. Электромагнитное поле устроено достаточно просто, но на двух обстоятельствах надо зафиксировать внимание. Первое из них выявляется даже в классическом варианте теории. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле в ситуациях, где можно пренебречь квантовыми эффектами, решаются во всех практически интересных случаях. Важно, что эти решения удается получить, несмотря на то, что одни из основных характеристик электромагнитного поля – его потенциалы – в каждой точке пространства-времени определяются неоднозначно. Второе обстоятельство поясним в рамках квантовой теории, в которой объектами исследования являются реальные фотоны (квантовый аналог электромагнитных волн) и виртуальные фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия. Излучение реальных и виртуальных фотонов осуществляется электрически заряженными частицами, но сами фотоны электрических зарядов не несут, и поэтому друг с другом практически не взаимодействуют (есть, правда, эффект их взаимодействия через возбуждение нулевых колебаний электрон-позитронного вакуума, но этот эффект очень мал).

Заряд есть мера способности частицы создавать электромагнитное поле и реагировать на поля, создаваемые другими частицами. В рамках геометрической интерпретации взаимодействий заряд есть мера способности частицы деформировать одну из слоистых структур, соответствующих электромагнитному взаимодействию, и реагировать на деформации этой структуры. Имеется два типа электрических зарядов, которые условно называются положительными и отрицательными. Волновые возбуждения слоистой структуры – квантованные электромагнитные волны, фотоны – сами по себе не несут электрических зарядов. Распространение фотонов происходит на фоне почти классической пустоты, искаженной только малыми вакуумными колебаниями. Электрический заряд присущ только полям вещества, но не самой слоистой структуре (последнее, собственно, и является причиной того, что структура электромагнитного взаимодействия не способна к самопроизвольным деформациям).

Существует два принципиальных отличия сильного взаимодействия и электромагнитного. Первое из них состоит в том, что различны количества зарядов, характеризующих способность частиц к этому взаимодействию. В отличие от электродинамики в квантовой хромодинамике (КХД) – науке, изучающей сильные взаимодействия кварков – имеется 6 зарядов, условно – 3 типа «положительных» и 3 типа «отрицательных». Понятно, что даже в электродинамике термины «положительный» и «отрицательный» являются условными, классификационными. При установлении такого большого числа хромодинамических зарядов возникла необходимость придумать классификационные термины, различающие эти заряды сильных взаимодействий. Физики предпочли использовать термин «цвет». 3 типа «положительных» зарядов назвали «красный», «синий», «зеленый», а 3 типа «отрицательных» – «антикрасный», «антисиний», «антизеленый».

Второе отличие между этими типами взаимодействий заключается в том, что силовое поле создаваемое хромодинамическими зарядами, само является носителем этих зарядов. Аналогично тому, как кванты электромагнитного поля – фотоны – осуществляют электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, взаимодействия между кварками – составными частями нуклонов – переносятся глюонным полем (по-английски glue – клей). Кванты силовых полей, переносящих сильное взаимодействие, называются глюонами, глюоны «склеивают» между собой кварки, в результате чего образуются нуклоны и другие сильновзаимодействующие частицы (напомним, все такие частицы имеют общее название – адроны).

Поскольку сильное взаимодействие определяется другим типом расслоения пространства-времени, отличным от электромагнитного, соответственно меняются и свойства переносчиков сильного взаимодействия – глюонов – по сравнению с фотонами. Каждый глюон теперь имеет одновременно один из «положительных» и один из «отрицательных» цветных зарядов, каждый из глюонов несет двойной цветной заряд, например, красный+антисиний. Кроме того, имеются глюоны, несущие на себе в неодинаковых пропорциях цвет и антицвет одного и того же типа. Анализ показывает, что всего имеется восемь типов глюонов. Глюоны сильно взаимодействуют не только с кварками, но и между собой. Поэтому глюонный вакуум совсем не похож на фотонный, в котором нулевые колебания взаимодействуют между собой очень слабо. Вакуумные флуктуации глюонных полей, возникающие в силу квантового принципа неопределенности, очень сильно взаимодействуют друг с другом.

В электродинамике незаряженная (нейтральная) система содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов. В КХД незаряженную систему можно создать двумя способами, соответственно образуются и разные устойчивые кварковые системы. В нейтральных кварковых комплексах первого типа в каждый момент времени с равными амплитудами вероятности присутствуют такие цветовые комбинации кварков: красный+антикрасный или синий+антисиний или зеленый+антизеленый. Такие системы кварков называются мезонами. Комплексы другого типа, в которых все три цвета присутствуют в системе равноправно, но носителей антицвета нет, называются барионами. К ним принадлежат протоны и нейтроны. Если сделать мгновенную цветную фотографию протона, то мы найдем один красный кварк, один синий и один зеленый. Если поменять все цвета на антицвета, получим антипротон. Только эти два типа нейтральных по цвету систем и могут существовать в виде объектов, способных перемещаться на макроскопические расстояния. Носители открытого цвета– кварки – сами по себе не способны двигаться в пространстве, они существуют только внутри барионов и мезонов. Этот факт называется абсолютным удержанием кварков в адронах, в физике принято называть это явление конфайнментом (от английского to confine – ограничивать, удерживать). Проблема конфайнмента оказалась очень сложной для исследования. Можно сказать, что даже сегодня мы не понимаем это явление во всех деталях. Но главный фактор, препятствующий свободному распространению кварков, можем указать с уверенностью – все дело в том, что пространство-время расслоено, и отдельные слои несут на себе цветовые заряды. Конечно, в целом слоистая структура цветонейтральна. Однако в каждой микроскопической области пространства-времени имеются спонтанные флуктуации цветовых зарядов (их компенсация имеет место только в среднем), которые создают поля, препятствующие движению кварков. Характерный пространственно-временной масштаб этих флуктуаций примерно в 5 – 10 раз меньше размера нуклона R_N » 10^-13 см. Подробнее возникновение флуктуаций и их внутреннюю структуру мы обсудим ниже, в разделе 4.

На нынешнем уровне теоретических и экспериментальных знаний о микромире можно утверждать, что физический вакуум имеет сложное устройство, определяемое слоистой структурой пространства-времени. Элементы же материи, частицы, рассматриваются как возбуждения вакуума. Сами по себе вакуумные флуктуации нестабильны, однако могут быть стабилизированы при взаимодействии с кварковыми конфигурациями. Именно так образуются реальные барионы и мезоны. Все это означает, что вакуум теперь можно считать системой, порождающей материю.

Доминирующий фактор, обусловливающий возникновение и существование барионов и мезонов – это локальная перестройка геометризованных вакуумных структур. Энергия, затраченная на перестройку вакуума, составляет почти половину массы нуклона и почти всю массу выделенного объекта адронной физики – пи-мезона. Однако, с другой стороны, чтобы понять существование стабильных адронов, нужно ввести внешние по отношению к геометрии пространства-времени кварковые поля и их квантами стабилизировать локальные деформации вакуумных структур. На долю этих, так называемых валентных кварков приходится вторая половина массы нуклона (этот факт известен из эксперимента). Чисто вакуумное происхождение массы пи-мезона объясняется тем, что эта частица сама по себе есть квантованная волна в вакуумном конденсате.

В принципе состояние наших знаний, основанное на разделении фундаментальных объектов физики на два типа – полей материи и силовых полей, переносящих взаимодействия, вызывает некое неудовлетворение. Хотелось бы иметь последовательную геометрическую интерпретацию не только силовых полей, но и полей вещества, вложенных, как это представляется сегодня, в расслоенное пространство-время. Впервые эту программу геометризации физики сформулировал А.Эйнштейн. В рамках геометрической теории должен использоваться единый подход к описанию частиц и взаимодействий, т.е. материальных и силовых полей. Оба типа полей в такой теории рассматриваются как характеристики геометрии пространства-времени. Реализация программы полной унификации частиц и взаимодействий потребовала существенных изменений наших представлений о геометрии пространства-времени. Из самой постановки задачи следует, что в унифицированной теории геометрические свойства пространства-времени должны описываться не только в терминах векторных полей, аналогичных электромагнитному и глюонному, но и в терминах так называемых спинорных полей, кванты которых удовлетворяют принципу Паули. Эта задача в принципе решена. Пространство-время, геометрия которого определяется векторными и спинорными полями, получило название суперпространства, а симметрия, объединяющая различные типы полей в единое суперполе, названа суперсимметрией. Математически различные унифицированные суперсимметричные модели построены, вопрос лишь в том, насколько соответствует физическая реальность идеям, заложенным в эти конструкции. Естественно, подтверждение геометрической концепции унификации полей и взаимодействий, является также и задачей эксперимента. Подробнее эти вопросы обсуждаются в Разделе 6.

Перейдем теперь к слабым взаимодействиям. Как уже отмечалось, слоистая структура пространства-времени для этого типа фундаментального взаимодействия непрерывно деформируема так, что различные слои становятся отличимыми друг от друга. Коллективными возбуждениями этой вакуумной структуры являются кванты силовых полей – переносчики слабых взаимодействий, так называемые промежуточные W^± и Z⁰ бозоны. Поскольку мы уже знаем кварковое устройство нуклонов (см. выше), схему слабого распада нейтрона можем переписать в виде: . Отметим, что в этой схеме явно присутствует тяжелый промежуточный заряженный (т.е. имеющий электрический заряд) W^- бозон. Источниками информации о тяжелых W^± и Z⁰ бозонах, переносящих слабое взаимодействие, могут служить и процессы рассеяния, например, нейтрино на кварках, причем кроме переходов с обменом заряженными W^± бозонами, есть и реакции, протекающие с обменом нейтральным Z⁰ бозоном: `. Очень детальное исследование Z⁰ бозона систематически проводится в реакциях аннигиляции электрон-позитронной пары, например, в процессе: .

Совместное теоретическое описание слабого и электромагнитного взаимодействий было предложено практически одновременно А.Саламом и С.Вайнбергом в 1967 году. Долгое время основные объекты теории – промежуточные W^± и Z⁰ бозоны – оставались лишь удобным способом описания широкого круга слабых процессов. Однако в 1983 году промежуточные бозоны были непосредственно зарегистрированы в эксперименте, причем измеренные в последующих экспериментах их параметры практически точно совпали с предсказаниями теории! Массы W^± и Z⁰ бозонов определяются характерными пространственно-временными и энергетическими масштабами вакуумных структур, соответствующих слабому взаимодействию.

Специфическая непрерывная деформация слоистой структуры «слабого» вакуума, иначе говоря, спонтанное нарушение симметрии этой структуры приводит к тому, что коллективные возбуждения обладают собственной частотой, пропорциональной параметру нарушения симметрии, в терминах частиц – квантов – это соответствует появлению у них массы покоя. В этом принципиальное отличие квантов-переносчиков слабых взаимодействий от квантов электромагнитного поля и квантов полей сильных взаимодействий.

Деформация пространственно-временных слоев соответствует тому, что состояние без частиц само по себе имеет определенные энергетические характеристики, и это состояние следует рассматривать, как материальный объект – это состояние вакуума (одна из его подсистем) называется хиггсовским конденсатом (ХК) по имени ученого П.Хиггса, впервые предложившего ввести в теорию спонтанное нарушение вакуумной симметрии. Теперь мы можем сказать точнее – масса W^± и Z⁰ бозонов определяется их взаимодействием с ХК. Энергия, запасенная в ХК, характеризуется так называемым вакуумным сдвигом, значение которого известно из эксперимента: <H_вак> = 245 ГэВ. Взаимодействия W^± и Z⁰ бозонов с ХК достаточно интенсивны, поэтому величины масс этих бозонов сопоставимы с энергетическим масштабом ХК: ГэВ, ГэВ.

Теория также предсказывает, что могут существовать и коллективные возбуждения ХК квантово-волнового характера, кванты этих волновых возбуждений называют хиггсовскими бозонами (ХБ). Естественно, массы таких бозонов также определяются свойствами самого конденсата. Можно уверенно сказать, что экспериментальное обнаружение ХБ – приоритетная задача физики высоких энергий. Ее решение планируется осуществить в ближайшие 5-10 лет на крупнейших ускорителях элементарных частиц. В результате обнаружения и исследования свойств ХБ, можно будет получить уникальную информацию о свойствах ХК, то есть обнаружение этих бозонов – ключевое событие, необходимое для подтверждения всех изложенных парадигм теории фундаментальных взаимодействий. Подробнее об этом будет идти речь в Разделе 7.

Итак, массы хиггсовских и промежуточных векторных бозонов формируются взаимодействиями с ХК, и их значения сопоставимы с энергетически масштабом ХК. Гораздо более парадоксальна ситуация с массами фермионов. Известно, что массы u, d кварков и электронов также определяются взаимодействиями с тем же самым ХК, однако значения масс МэВ, МэВ, МэВ чрезвычайно малы по сравнению с характерным энергетическим масштабом ХК. Это означает, что взаимодействия u, d и e с ХК, являются очень слабыми, хотя роль этих взаимодействий в формировании структуры материи весьма велика. Неожидан и нетривиален сам факт – малые массы кварков и электронов формируются в процессах, происходящих на малых расстояниях, соответствующих масштабам энергий порядка 100 ГэВ, огромным по сравнению со значениями самих масс.

Таким образом, к концу теперь уже прошлого, XX-го века благодаря интенсивным теоретическим и экспериментальным усилиям физиков всего мира можно считать твердо установленным следующее утверждение: все частицы материи – u и d кварки и электроны, из которых состоит наш мир, приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумными конденсатами.

Еще более впечатляющим является ответ на вопрос о природе масс нуклонов. Вопрос возникает уже при сопоставлении суммарной массы трех кварков (примерно 15 МэВ) с наблюдаемой физической массой нуклонов МэВ. Как видим, масса кварков составляет лишь около 1.5% массы нуклона. Помня об эквивалентности массы и энергии, можно было бы предположить, что вся остальная масса находится в форме энергии движения кварков внутри нуклонов. Однако эксперименты по исследованию внутренней структуры нуклонов опровергают это предположение – энергия движущихся кварков составляет менее половины массы нуклона. Эти экспериментальные данные поставили серьезнейшую задачу о природе массы материи. Парадоксальный ответ состоит в том, что природу массы материи можно разгадать, только на основе представлений о структуре вакуума.

Оказалось, что ХК отнюдь не единственная подсистема, формирующая свойства вакуума. Еще одна подсистема, существование которой доказано и теоретически, и экспериментально, получила название кварк-глюонного конденсата (КГК). Физика КГК, приведшая к революционным изменениям в представлениях о природе вакуума, подробно обсуждается в Разделе 4. Здесь мы ограничимся лишь очень краткой информацией об этом чрезвычайно интересном объекте. Для понимания природы КГК важно учитывать три обстоятельства: во-первых, глюонные поля, в силу общих законов квантовой теории, непрерывно флуктуируют в каждой точке пространства-времени; во-вторых, эти флуктуации индуцируют квантовые флуктуации кварковых полей; в-третьих, все перечисленные флуктуации сильно взаимодействуют друг с другом. КГК есть система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флуктуаций. Отметим, что процесс динамической генерации квантовых флуктуаций обладает целым рядом нетривиальных особенностей, не имеющих никаких аналогов в классической физике. Именно эти особенности мы и будем обсуждать в Разделе 4. Сейчас для нас важно, что нетривиальная структура кварк-глюонного вакуума автоматически обеспечивает возможность локальной перестройки этой структуры с изменением энергии вакуума в ограниченной области пространства. И такие области пространства действительно существуют во Вселенной! Именно их мы и называем нуклонами!

Согласно современным представлениям, нуклон есть пространственно ограниченная область перестроенного КГК, стабилизированная тремя валентными кварками. (Валентными называются кварки, несущие квантовые числа протона – спин, изоспин, электрический и барионный заряды.) Масса нуклона определяется, во-первых, энергией, затраченной на перестройку структуры вакуума, и, во-вторых, энергией валентных кварков. Эксперимент показывает, что эти две формы энергии численно вносят примерно одинаковый вклад в величину массы нуклона. В этом и состоит объяснение природы массы нуклонов.

Детальный теоретический анализ показал, что проблема природы массы на самом деле еще глубже. Выше мы отмечали, что массы покоя кварков составляют ничтожную часть массы нуклонов. Казалось бы, возможно существование гипотетического мира, в котором массы уд кварков равны нулю, и такой мир очень слабо отличался бы от нашего мира. Однако такое утверждение, целиком понятное с позиций «здравого смысла», оказывается совершенно неверным. Отличие от нуля масс уд кварков является обязательным условием для существования самого КГК. Об этом мы также расскажем в Разделе 4.

Итак, по современным представлениям, масса материи формируется за счет вакуумных эффектов на двух уровнях. Обе вакуумные подсистемы – ХК и КГК – принимают, как мы видим, конкретное и уже экспериментально изучаемое участие в формировании свойств материи. Иначе говоря, можно сказать, что современная физика раскрыла природу массы! Ответ на вопрос о происхождении масс и ее природы свелся к исследованию конкретных вакуумных структур. До последнего времени этот вопрос вообще не мог быть поставлен, а массы фигурировали в физике как фундаментальные константы. Теперь же можно считать доказанным, что массы различных частиц не являются фундаментальными константами, а определяются условиями существования системы в целом и вакуумных подсистем в частности.

Подведем некоторые промежуточные итоги и попытаемся ответить на вопрос: согласуется ли утверждение «вакуум – среда с очень сложной структурой» с нашими интуитивными ощущениями? Мы ведь привыкли воспринимать окружающую среду как нечто, оказывающее определенное сопротивление движению тел, «тормозящее» движение. С другой стороны, кажется, что в вакууме тела должны двигаться свободно, вакуум, понимаемый как пустота, вроде бы никакого влияния на движение оказывать не должен. Здесь возникает первое противоречие со здравым смыслом. Второе противоречие проявляется в том случае, когда мы полагаем, что с любой материальной средой можно связать систему отсчета. Но специфика вакуумной среды как раз и состоит в том, что с ней выделенную систему отсчета связать невозможно! В этом-то и состоит отличие физического вакуума от эфира. Что же касается первого утверждения – о влиянии среды на характер движения – то оно как раз таки справедливо. Это влияние проявляется в том, что все частицы, из которых состоят материальные тела, имеют массу покоя и, следовательно, всегда двигаются со скоростью, меньшей скорости света. Итак, само наличие массы у элементарных частиц есть следствие существования вакуума с нетривиальной структурой.

Сейчас мы понимаем, что свойства вакуума могут быть изменены. В частности, один из таких экспериментов планируется осуществить в ближайшие годы в Брукхейвене (США) на крупнейшем ускорителе тяжелых ионов (см. ниже Раздел 5).

3. Стандартная Модель и ее проблемы

Выше мы описали основные частицы материи – u и d кварки, электроны, нейтрино – и геометрическую природу взаимодействий между ними. Эксперимент, однако, показал, что полный перечень частиц материи в действительности более широк и содержит еще два дополнительных семейства частиц. Эти семейства (их принято называть поколениями) также состоят из кварков – аналогов u и d, заряженных лептонов – аналогов электрона и новых типов нейтрино – аналогов n_e. Все частицы, фигурирующие в современной теории, называемой Стандартной Моделью (СМ) фундаментальных частиц и взаимодействий, собраны в нижеследующей Таблице.

Таблица элементарных частиц

Частицы и переносчики взаимодействий (в скобках указаны массы покоя частиц-квантов в МэВ или ГэВ: 1 ГэВ = 1000 МэВ)		Вакуумные состояния
Лептоны	1 поколение 2 поколение 3 поколение ne (»0) nm (»0) nt (»0) e^- (0.5 МэВ) m^- (100 МэВ) t^- (1.8 ГэВ)	Слабокоррелированные вакуумные колебания
Кварки	u (5 МэВ) с (1.3 ГэВ) t (175 ГэВ) d (7 МэВ) s (150 МэВ) b (4.3 ГэВ)	Сильноскоррелированные вакуумные флуктуации – система псевдочастиц, образующих КГК
Глюоны	g (0) (сильные взаимодействия)
Фотон	g (0) (электромагнитные взаимодействия)	Недеформированная слоистая структура (вакуума) с малыми нулевыми колебаниями
Промежуточные бозоны	W^± (»80 ГэВ) Z^0 (»90 ГэВ) (слабые взаимодействия)	Непрерывно деформированная слоистая структура вакуума с малыми нулевыми колебаниями
Хиггсовский бозон (или бозоны)	Н^0 (>105 ГэВ) (коллективные возбуждения ХК)	Непрерывная среда (вакуум) с нулевыми колебаниями, заполняющая все пространство-время

В первых двух колонках Таблицы приведены названия и математические символы элементарных частиц, в скобках указаны их массы покоя в мега- (МэВ) и гигаэлектронвольтах (ГэВ): 1 МэВ = 1.8 ×10^-27 г, 1 ГэВ = 1.8×10^-24 г. В третьей колонке кратко охарактеризованы вакуумные состояния соответствующих квантовых полей. Все частицы, за исключением ХБ, обнаружены в ускорительных экспериментах и свойства их взаимодействий детально изучены.

Для завершения экспериментальной проверки СМ необходимо, однако, обнаружить хиггсовский бозон – в этом состоит первая и основная проблема СМ. Эксперимент по поиску ХБ и возможные последствия эксперимента для физики элементарных частиц, как мы уже говорили, будут обсуждаться в Разделе 7. Свойства же коллективных возбуждений ХК несут информацию о самом конденсате и его функциях, одной из которых и является формирование масс покоя всех указанных в Таблице элементарных частиц. Заметим, что речь идет не только о частицах первого поколения, но и о частицах второго – мюонное нейтрино n_m, мю-мезон m, «очарованный» кварк c («charm»), «странный» кварк s («strange»), и третьего поколений – тау-нейтрино n_t, тау-лептон t, «наивысший» кварк t («top») и «прелестный» кварк b («beaty»).

Происхождение кварк-лептонных поколений, природа их сходства и различий составляет содержание второй проблемы СМ. Сходство поколений в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. А различие между ними очевидны из самой Таблицы – массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц первого поколения, и то же можно сказать при сравнении масс третьего и второго поколений. Проблема, однако, не только в выяснении природы расщепления спектра масс. Есть еще один, весьма интересный эффект, тщательно изученный экспериментально, но пока не понятый до конца: смешивание кварковых поколений. Речь идет о специфических взаимосвязях и взаимообусловленности свойств кварков из различных поколений. Если бы каждое поколение кварков обладало собственными, присущими ему и только ему свойствами, то в каждом поколении было бы по одному стабильному кварку (стабильным был бы кварк с меньшей массой). Так, в первом поколении стабильным является u кварк, а d кварк распадается по каналу: . Аналогично, во втором и третьем поколениях (если бы их свойства были независимы друг от друга и от первого поколения) стабильными были бы s и b кварки (c и t кварки распадаются, например, по таким каналам: , ).

Эффект смешивания кварков состоит в том, что партнерами для распадов кварков являются кварки не только того же самого, но и соседних поколений. Это означает, что распределение кварков по поколениям в Таблице в некотором смысле условно, каждый элемент таблицы на самом деле должен содержать суперпозицию всех кварков верхнего или нижнего типа. В этой суперпозиции, конечно, доминирующее место занимает тот кварк, который и фиксирует номер поколения. Два других кварка являются, образно говоря, некоторыми малыми примесями, роль которых, однако, чрезвычайно велика в формировании свойств вещества. За счет смешивания поколений странный s кварк в действительности не является стабильным, а распадается по каналу: . Происхождение этой формулы легко понять, если в первом столбце таблицы заменить d кварк на суперпозицию d и s кварков. Аналогично распадается и b кварк. Таким образом, смешивание приводит к тому, что в веществе отсутствует стабильный s кварк, точнее, барионы, в состав которых входит s кварк, например лямбда-гиперон: L = uds. Если бы смешивания не было, эти гипероны входили бы в состав стабильных атомных ядер, образуя так называемые гиперядра. Отличительное свойство таких ядер – они существенно тяжелее обычных ядер при одном и том же числе внутриядерных частиц. В макромире существование стабильных гиперядер привело бы к появлению материальных объектов с почти идентичными химическими свойствами, но сильно различающихся по массе. Такие объекты могли бы сформировать совершенно новые химические и биохимические структуры. Мир, в котором гиперядра стабильны, сильно отличался бы от наблюдаемого мира. Уже одно это обстоятельство заставляет нас самым серьезным образом отнестись к проблеме смешивания, которая, конечно, является частью общей проблемы происхождения кварк-лептонных поколений.

В существующей теории расщепление спектра масс и смешивание поколений вводится на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий частиц разных поколений с ХК. Конечно, мы хорошо понимаем искусственность этой гипотезы – частицы, тождественные во всех остальных отношениях, почему-то, по неизвестным нам причинам, по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Формально математически эту гипотезу ввести можно, однако интерпретировать ее в разумных терминах не удается. Ясно, что здесь явным образом проявляется неполнота наших знаний о вакууме. Почти несомненно, что вакуум в действительности обладает более сложной структурой, чем та, которая указана в третьей колонке Таблицы. Новые, дополнительные вакуумные структуры должны, в конечном итоге, решить проблему поколений.

Третья проблема СМ – выделенный статус нейтрино. В Таблице указано, что массы нейтрино приближенно равны нулю. Сегодня, однако, накопилось большое количество косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что массы нейтрино все же отличны от нуля, хотя и весьма малы. Численные значения их масс лежат в интервале от 1 до 10 эВ (1 эВ = 10^-3 МэВ), т.е. более чем в 10000 раз легче ближайшей по массе элементарной частицы – электрона и более чем в 10 миллиардов раз легче самого тяжелого из кварков – t кварка. Разумеется, необходимо понять, в чем состоят физические причины такого громадного отличия масс нейтрино от характерных масс других элементарных частиц. Острота этого вопроса подчеркивается и внутренними математическими свойствами СМ – внутри теории нет никаких причин, запрещающих ввести массы покоя нейтрино примерно той же величины, что и характерная масса соответствующего кварк-лептонного поколения. Однако эксперимент заставляет вводить в теорию искусственный малый параметр, резко отделяя нейтрино в спектре масс своего поколения. Последнее означает, что мы просто не знаем истинных причин появления этого малого параметра. Решение проблемы выделенного статуса нейтрино предполагает выход за рамки СМ, что автоматически приведет к усложнению структуры вакуума в расширенной теории.

Как видим, все три вышеперечисленные проблемы СМ имеют непосредственное отношение к внутренней структуре вакуума. Для решения этих проблем необходимы, прежде всего, новые эксперименты и, весьма вероятно, новые физические идеи.

Существует, однако, еще одна, четвертая проблема СМ – установление новых принципов квантовой динамики для теоретического описания эволюции кварк-глюонного конденсата в реальном пространстве-времени. Ситуация с четвертой проблемой в некотором смысле противоположна первым трем. Для решения первых трех проблем нужно экспериментально обнаружить новые вакуумные структуры, СМ лишь подсказывает, что такую задачу необходимо поставить. Что же касается КГК, то он экспериментально обнаружен, его энергетические параметры измерены, установлена также роль КГК в формировании структуры адронов. Теоретически же мы можем описывать лишь стационарные (неизменные во времени) состояния КГК. Очевидно, однако, что в реальном мире происходят процессы, в которых состояния КГК изменяются во времени в макроскопических масштабах. Более того, уже спланирован и в ближайшие годы будет проводиться эксперимент, в котором такие изменения будут индуцироваться искусственно в процессах соударений тяжелых ионов. Рассказу об этом эксперименте посвящен Раздел 5, а сейчас мы обсудим более подробно физическую природу и структуру КГК. Наша цель – обратить внимание на глубокие причины геометрического и топологического характера, заставляющие ставить задачу поиска новых принципов квантовополевой динамики.

4. Структура КХД вакуума

Итак, известная на сегодняшний день теория элементарных частиц утверждает, что вакуум представляет собой иерархическую гетерогенную систему, состоящую из подсистем трех типов. Первая из них представляет собой подсистему слабо коррелированных вакуумных флуктуаций силовых g, W^±, Z⁰ и лептон-антилептонных полей. Природа этих флуктуаций однозначно диктуется принципом неопределенности, имеющим место и для частиц, и для полей. Классический вакуум (полное отсутствие поля), по сути, означает наличие определенных (равных нулю) значений полевых динамических переменных. Квантовый принцип неопределенности утверждает, что существование определенных значений различных (взаимодополнительных) динамических переменных невозможно, отсюда и появление вакуумных флуктуаций.

Вторая подсистема, обнаруженная экспериментально и детально изученная в КХД – система сильно скоррелированных квантовых флуктуаций глюонных и кварковых полей. Отличие второй подсистемы от первой в следующем: если первую подсистему можно мыслить как квантованные волны, почти независимые друг от друга, не локализованные в пространстве и распространяющиеся во всем пространстве-времени, то флуктуации второго типа больше похожи на частицы. Они квазилокализованы (почти локализованы) в пространстве и во времени (в отличие от стабильных частиц, которые существуют на бесконечном интервале времени). Поэтому их называют псевдочастицами (инстантонами), и они сильно взаимодействуют друг с другом, образуя среду, называемую кварк-глюонным конденсатом (КГК).

Точнее говоря, флуктуирующее глюонное поле порождает глюонный конденсат, который в свою очередь индуцирует появление кваркового конденсата, извлекая из вакуума сильно взаимодействующие и сильно скоррелированные между собой кварковые флуктуации. Совокупность всех этих кварковых и глюонных вакуумных флуктуаций и образует КГК.

Еще одно отличие псевдочастиц-инстантонов от обычных частиц в том, что, если обычные частицы могут перемещаться на макроскопические расстояния, то псевдочастица может перемещаться лишь на расстояниях порядка размера адрона 10^-13 см. Наиболее впечатляющим свойством КГК является способность псевдочастиц-инстантонов образовывать структуры с различными свойствами. Каждая псевдочастица несет заряды, характеризующие ее способность взаимодействовать с другими псевдочастицами. В КХД эти заряды называются хромоэлектрическими и хромагнитными, в некотором отношении они похожи на электрические заряды и магнитные полюса. Однако каждая псевдочастица несет один аналог магнитного полюса, в отличие от макроскопических магнитов, несущих два противоположных полюса одновременно. Способность псевдочастиц нести на себе заряды двух типов отражается в другом их названии – дионы. Дионы могут собираться в группы, в которых общий хромоэлектрический заряд скомпенсирован, но хромомагнитный заряд не равен нулю. Область пространства, где происходит такая перегруппировка дионов, оказывается носителем энергии, повышенной по сравнению с энергией других областей, где такая перегруппировка не произошла. Перемещения дионов возможны лишь на масштабах адрона, это характеризует размер области, где и могут перегруппировываться дионы. Сами по себе дионные конфигурации с компенсированными хромоэлектрическими зарядами нестабильны. Однако они стабилизируются, если в этой области наряду с дионами существуют валентные кварки. В частности, перестроенные дионные конфигурации, стабилизированные тремя валентными кварками, и представляют собой протоны и нейтроны, из которых состоит все вещество. Масса протонов и нейтронов в значительной мере определяется энергией перестроенных дионных структур, иначе говоря, энергией перестроенной вакуумной среды.

Давайте более подробно обсудим квантовые физические процессы, формирующие дионную вакуумную среду, используя при этом общепринятые термины теоретической физики. Прежде всего, вернемся еще раз к различию между электродинамикой и квантовой хромодинамикой (КХД) – наукой, изучающей сложные нелинейные расслоения. Это различие касается, прежде всего, статуса потенциалов силовых полей. Напомним, что в электростатике скалярный потенциал можно рассматривать как энергетическую характеристику поля, а напряженность – как силовую. Однако подобная интерпретация потенциала возможна только после его однозначной фиксации путем наложения на его величину некоторого математического условия, называемого калибровкой. Лишь в результате применения операции калибровки потенциал приобретает смысл энергетической характеристики поля (такая конкретная калибровка называется кулоновской). Внутренние математические свойства линейных уравнений электродинамики состоят, во-первых, в том, что потенциал можно вообще не вводить (уравнения допускают решения сразу в терминах напряженности), а, во-вторых, если потенциал и вводится, то это делается неоднозначно. В электростатике способ введения потенциала предопределяется нашим желанием дать ему простую энергетическую интерпретацию. Уравнения электродинамики, записанные в терминах потенциала в удобных калибровках, позволяют их легко решать и исследовать. Существенно, что физические результаты не зависят от способа введения потенциала и вида наложенного на него математического условия – калибровки. Это свойство теории называется калибровочной инвариантностью. Общей чертой теории, сохраняемой во всех калибровках, является наличие дифференциальной связи между калибровкой и потенциалами (в некотором смысле эта связь аналогична дифференциальному соотношению между силой и потенциальной энергией).

Попробуем лучше понять, что такое выбор калибровки и свойство калибровочной инвариантности. Предположим, что мы зафиксировали конкретный способ выбора потенциала (калибровку) и хотим, чтобы прибор, измеряющий электромагнитное поле, показывал значения не напряженностей, а потенциала в выбранной калибровке. Как уже упоминалось, связь между напряжением и потенциалом имеет дифференциальный характер. Условие калибровки позволяет разрешить эту связь (проинтегрировать дифференциальное уравнение) и сопоставить определенному значению напряженности определенную величину потенциала. Математической операции интегрирования в электронной измерительной технике соответствуют конкретные элементы схемы, называемые электронными интегрирующими цепочками. Если мы хотим измерять значения потенциалов, в прибор нужно ввести интегрирующую цепочку, соответствующую выбранной нами калибровке. При выборе другой калибровки будет нужна и другая интегрирующая цепочка, т.е. потребуется работать с другим прибором. Отсюда ясно, что, если мы хотим придать потенциалу статус наблюдаемой величины, то выбор калибровки соответствует выбору средств наблюдения, т.е. конкретному типу прибора. Математическое свойство электродинамики – независимость напряженности от выбора калибровки (калибровочная инвариантность) – по сути, означает, что результаты измерений не зависят от выбора средств наблюдения. Так как средства наблюдения являются элементом системы отсчета (система отсчета – это набор тел отсчета, на которых размещены измерительные приборы), то принцип калибровочной инвариантности можно рассматривать как некоторое обобщение принципа относительности.

КХД отличается от электродинамики существенной нелинейностью полевых уравнений. Физическим следствием математической нелинейности уравнений являются сильные взаимодействия компонент глюонного поля друг с другом. (В линейной электродинамике взаимодействие электромагнитных волн друг с другом осуществляется только через виртуальные электрон-позитронные пары и является весьма слабым.) Для анализа глюонного поля оказывается необходимым знать структуру потенциала, а не только напряженность поля. В этом случае оказывается особенно важным учитывать неоднозначность определения потенциала, то есть тот факт, что различным потенциалам соответствуют одни и те же напряженности калибровочно-инвариантных полей.

Вакуум является состоянием, в котором напряженность силовых полей равна нулю. В классической физике нулевой напряженности соответствует бесконечное количество ненулевых потенциалов. Потенциалы же, сопоставляемые вакууму КХД, имеют очень сложную математическую структуру. Они даже не обязаны быть непрерывными функциями, и могут содержать на некоторой гиперповерхности особенности, которые можно разбить на классы. С точки зрения топологии глюонный вакуум вырожден: нулевым значениям напряженностей глюонного поля соответствует бесконечное число потенциалов. Каждая из вакуумных конфигураций потенциалов отличается специальной характеристикой – топологическим числом, но имеет одну и ту же энергию. Физики говорят, что глюонный вакуум представляет собой бесконечно вырожденную по энергии систему топологически различных вакуумных состояний, которые отделены друг от друга бесконечно тонкими и бесконечно высокими энергетическими барьерами. С классической точки зрения барьеры между различными топологическими состояниями непроницаемы, и наш мир может существовать только в одном из таких состояний с определенным топологическим числом. В квантовой теории бесконечно тонкие и высокие барьеры проницаемы, и истинный квантовый вакуум представляет собой объединение всех возможных классических вакуумов. Установлено, что кварк-глюонный конденсат возникает в результате квантовых процессов туннелирования между различными топологическими состояниями расслоенного пространства-времени. Именно такие представления о вакууме экспериментально подтверждены на сегодняшний день.

Можно сказать, что кварк-глюонный конденсат характеризуется некоторым топологическим числом, связанным с числом состояний, охваченных процессом туннелирования, т.е. некоторым средним характерным числом. Причем из эксперимента известно, что среднее топологическое число равно нулю. Это соответствует равенству нулю напряженности при равенстве нулю потенциалов поля. Но это лишь в среднем, а реально имеются классы состояний с топологическими числами +1, -1, +2, -2 и т.д. Компьютерные эксперименты показывают, что характерное число состояний кварк-глюонной компоненты вакуума, охватываемых процессом туннелирования, порядка пяти. Кроме того, отличны от нуля вероятности нахождения вакуума в состояниях и с большими топологическими числами. Таким образом, состояние кварк-глюонного вакуума характеризуется как средним значением топологического квантового числа, так и распределением вероятностей по конфигурациям с топологическими числами, отличными от среднего. Сколько же всего возможных состояний у кварк-глюонного вакуума? Разумно предположить, что существует множество состояний, отличающихся по указанным выше параметрам. Иначе говоря, тот вакуум, в котором мы живем – всего лишь один из возможных, а есть и другие вакуумные состояния, в которых процессами туннелирования охватывается другое число топологических конфигураций и имеют место другие распределения вероятностей по конфигурациям.

Квантовые флуктуации глюонного поля, возникающие в процессе туннелирования, очень похожи на обычные частицы – своеобразные квазилокализованные сгустки полей. Но, в отличие от обычных частиц, они могут перемещаться лишь на малых масштабах порядка размеров адронов. В этом смысле есть нечто родственное между такой системой квантовых флуктуаций, т.е. системой псевдочастиц, и, скажем, атомами в узлах кристаллической решетки в твердом теле. Ведь известно, что атомы в узлах не могут перемещаться по кристаллу, а совершают только малые колебания вокруг положения равновесия.

Третьей вакуумной подсистемой является описанный выше хиггсовский конденсат.

Теория предсказывает, что указанные три вакуумные подсистемы влияют на свойства друг друга, образуя иерархическую систему. Конкретно, хиггсовский конденсат влияет на свойства нулевых вакуумных колебаний различных физических полей, формирует их свойства, и в определенном смысле их инициирует и перестраивает. Существование ненулевых масс кварков, сформированных взаимодействием кварковых полей с ХК, имеет принципиальное значение для формирования сильноскоррелированных квантовых флуктуаций глюонных и кварковых полей, то есть КГК, состоящим из псевдочастиц-дионов. Если бы ХК отсутствовал (т.е. кварки имели бы нулевую массу покоя), не было бы и КГК, флуктуации глюонных полей были бы сильно подавлены. Дело в том, что только отличные от нуля массы кварков делают различимыми состояния глюонного поля с различными топологическими квантовыми числами. Это и приводит к необходимости рассмотрения суперпозиций топологических состояний, охваченных процессами туннелирования, как основных элементов вакуума КХД. Нетривиальность ситуации состоит в том, что характерная энергия ХК в 100 ГэВ задает масштаб расстояний и времен, на которых формируются дефекты слоистой структуры, определяющие свойства слабых взаимодействий. Характерный же масштаб КГК (второй вакуумной подсистемы) примерно в 1000 раз меньше – 100 МэВ. Однако структуры на этом масштабе имеют место лишь постольку, поскольку имеют место структуры на масштабе 100 ГэВ – так возникает иерархическая система с самосогласованными свойствами. Устойчивость структуры при 100 ГэВ (третья вакуумная подсистема) определяется, в том числе, и эффектами взаимодействия хиггсовского конденсата с нулевыми колебаниями, т.е. устойчивость третьей подсистемы зависит от ее взаимодействия с первой подсистемой. Но существует и обратная связь – свойства первой подсистемы зависят от ее взаимодействия с третьей. Таким, образом, в иерархической вакуумной системе существуют элементы только с взаимосогласованными и взаимообусловленными свойствами.

Взаимосвязь иерархических вакуумных структур лежит в основе современной теории генерации барионной асимметрии Вселенной (неравенства чисел барионов и антибарионов) в процессе ее эволюции. Основной результат этой теории состоит в том, что барионная асимметрия вещества Вселенной выступает как следствие топологической асимметрии вакуума. Подробному обсуждению этого важнейшего явления, определяющего облик современной Вселенной, посвящен Раздел 4.2 части II.

Резюмируем: квантовые процессы туннелирования объединяют различные топологически неэквивалентные классические вакуумы в единый квантовый вакуум. Такое объединение сопровождается возникновением в пространстве–времени псевдочастиц-дионов. Привлекая известные из эксперимента интенсивности сильных взаимодействий, теория способна выяснить, какие именно неэквивалентные топологические конфигурации входят в состав квантового вакуума. При этом выясняется роль каждой из конфигураций в структуре вакуума. Теория, однако, способна количественно проанализировать только стационарные, то есть не зависящие от времени, состояния, которые в реальной Вселенной возникают асимптотически в ходе ее эволюции и только в тех ее областях, где плотность ядерной материи не очень высока. Современная теория пока еще не способна описывать динамическую перестройку систем псевдочастиц в реальном времени. Дело в том, что уравнения, которые современная теоретическая физика умеет решать, представляют собой уравнения для силовых полей, записанные на топологически заданном несиловом фоне в фиксированной калибровке. Нас же интересует ситуация, когда меняется сам несиловой топологический фон. Проблема в том, что переход к другому топологическому фону математически не может быть совершен непрерывным образом и физически не может быть истолкован как переход к другой калибровке. Существующая теория не может описывать квантовые топологические переходы между различными вакуумными конфигурациями в реальном времени. Возникает впечатление, что новая динамическая теория должна быть основана на новых принципах, существенно более общих, чем принципы современной квантовой теории поля. И только в рамках новой, еще не созданной теории мы получим возможность описывать и прогнозировать динамику физического вакуума.

5. Брукхейвенский эксперимент

В 1999 году в Брукхейвене (США) начались эксперименты в одном из двух колец релятивистского ионного коллайдера RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider) – ускорителя, на котором сталкиваются встречные пучки тяжелых ионов золота. После испытания систем ускорения пучка установка была подготовлена к экспериментам по получению кварк-глюонной плазмы (КГП) – состояния вещества, в котором оно, по современным представлениям, находилось в первые мгновения после рождения Вселенной. В ноябре 1999 года началась программа научных исследований на RHIC. Эта новость вызвала неоднозначную реакцию в мировом сообществе физиков. В печати и в Интернете развернулась оживленная дискуссия о возможных последствиях эксперимента.

Научный редактор «Санди Таймс» Джонатан Лик выразил озабоченность, связанную с потенциальной опасностью уничтожения планеты Земля искусственным «Большим Взрывом». Дж.Лик пишет о том, что Дж.Марбурген, директор Брукхейвенской лаборатории, поручил комитету физиков исследовать возможность катастрофического бедствия при реализации этого проекта. В его обращении к другим физикам указывается, что на этой, самой мощной из существующих в мире, установке есть определенный риск порождения нового типа материи, состоящей из «странных» кварков (s-кварков). Комитет оценил возможность возникновения катастрофической ситуации в процессе эксперимента – неконтролируемой реакции превращения материи в новое состояние. Была также обсуждена альтернатива, впрочем, весьма маловероятная, получения во время эксперимента таких высоких плотностей материи, при которых произойдет образование «черной дыры» со столь интенсивным гравитационным полем, что станет возможным разрушение всей нашей планеты.

Директор Центра теоретической физики в Массачусетском технологическом институте профессор Р.Джаффе, член Комитета по анализу последствий этого эксперимента, сообщил, что риск полностью не исключен, хотя и весьма маловероятен. Он сказал: «Существует опасение, что чужеродная материя есть на субатомном уровне или поблизости. Риск достаточно мал, но возможность того, что случится нечто необычное, не равна нулю».

К концу 2000 года на данной установке был получен лишь пучок заряженных частиц в кольце ускорителя, пока без попытки его столкновения со встречным пучком. Внутри коллайдера с атомов золота вначале «обдираются» внешние электроны, образующиеся при этом ионы золота затем должны ускоряться в двух кольцах с периметром 2.4 мили. Траектории частиц, приобретающих в результате ускорения скорость, равную 99.9% скорости света, стабилизируются мощными сверхпроводящими магнитами. Ионы в двух кольцах движутся во встречных направлениях, что увеличивает энергию их столкновения. В области столкновения пучков, как предполагают расчеты, должна образоваться сверхплотная материя с температурой примерно в триллион градусов. Такое состояние материи существовало лишь в момент возникновения Вселенной в окрестности «Большого Взрыва», который, как полагают ученые, произошел 12-15 млрд. лет тому назад.

При таких параметрах эксперимента ядра атомов «плавятся», и образуется плазма из кварков и глюонов (КГП). В процессе охлаждения КГП испускает другие частицы, среди которых могут оказаться и «странные» кварки. В других экспериментах они уже неоднократно регистрировались, однако всегда в связанном состоянии с другими кварками. Параметры коллайдера RHIC делают возможным рождение уединенных «странных» кварков, что в естественных условиях характерно лишь для первых моментов существования Вселенной.

На коллайдере планируется ускорить ионы золота до энергии 100 ГэВ на нуклон. Предполагается, что при столкновении двух ядер золота при энергии 200 ГэВ на нуклон в системе центра масс будут достигнуты такие температура и плотность вещества, при которых обычная ядерная материя трансформируется в КГП. В современной Вселенной КГП возникает либо в экзотических астрофизических объектах, либо искусственно создается в лабораториях при помощи ускорителей сверхвысоких энергий.

Рассмотрим теперь подробнее, о чем же говорится в приведенном выше пересказе небольшой заметки в Интернете, которая для многих жителей Земли явилась настоящим потрясением.

В ходе эксперимента на коллайдере в Брукхейвене при соударении встречных пучков тяжелых ионов с энергией 100 ГэВ на нуклон рождается достаточно много частиц (их число достигает нескольких тысяч). Естественно, образуется система, макроскопическая по меркам микромира, которую можно рассматривать как сгусток адронной плазмы. Появились опасения, что эволюция этого сгустка плазмы может привести к катастрофическим последствиям не только для самих экспериментаторов, но и для всей Земли, и даже Вселенной в целом. В основном все эти опасения являются лишь «страшилкой», опубликованной в Интернете, и потому ставшей достаточно хорошо известной не только специалистам-физикам, но и остальному населению Земли. Дело в том, что изложение подобных «ужасов» в средствах массовой информации производится в терминах, якобы понятных широкой общественности. Многие люди слышали о существовании таких объектов, как «черные дыры», однако плохо себе представляют, каковы свойства этих объектов и условия их возникновения на самом деле. По большому счету в данном эксперименте ничего страшного произойти не может, для науки же результаты эксперимента, несомненно, будут крайне полезны.

Попытаемся объяснить, что на самом деле будет происходить в процессе эксперимента в Брукхейвене. Главное предназначение эксперимента – изучение внутренней структуры физического вакуума! Принципиальное значение этого проекта заключается в том, что в ходе его реализации предполагается осуществить перестройку вакуума в масштабах, превышающих на 3-4 порядка объем нуклона. Для мира элементарных частиц это уже фактически макроскопические масштабы, поэтому и можно говорить о макроскопичности области перестройки вакуума.

Выше уже говорилось о происхождении и взаимосвязи трех, известных на сегодняшний день, вакуумных подсистемах. Одна из задач Брукхейвенского эксперимента – исследовать динамические явления во второй вакуумной подсистеме, в кварк-глюонном конденсате. Добавим, что и третья подсистема – ХК – может быть перестроена за счет взаимодействия с ней большого числа частиц высокой энергии, сконцентрированных в ограниченной области пространства. Процесс при этом происходит в самосогласованном режиме – изменяется не только хиггсовский конденсат, но и порождаемые взаимодействием с ним массы частиц. То есть если собирать вместе большое число частиц, образуя из них плазму, то в результате взаимодействия частиц с ХК изменятся их массы, они станут не такими, какими были в состоянии разреженного «газа» частиц. Перестройка ХК, впрочем, дело далекого будущего, поскольку для этого требуется создать плазму частиц с очень высокой температурой – порядка 100 ГэВ. В Брукхейвенском эксперименте, где предполагается перестраивать вторую вакуумную подсистему достаточно получить плазму с существенно более низкими температурами. Теория предсказывает, что для перестройки КГК нужна температура (и, соответственно, энергия) плазмы в 1000 раз меньшая, чем для перестройки ХК, а именно – 100 МэВ. В предстоящем эксперименте такую плазму и предполагается создать.

Кварк-глюонная плазма (КГП) представляет собой систему реальных кварков и глюонов, двигающихся в макроскопической области пространства с перестроенной вакуумной дионной структурой. Выше уже говорилось о том, что дионы способны образовывать комплексы со скомпенсированными хромоэлектрическими зарядами. Когда изменение дионной структуры происходит на масштабах 10^-13 см и стабилизируется несколькими валентными кварками, образуются барионы или мезоны, если же такая перестройка происходит в макроскопических масштабах и стабилизируется большим числом кварков, рождается сгусток КГП. При повышении плотности кварков и глюонов дальнейший рост температуры приведет к систематическому разрушению дионных конфигураций и уменьшению плотности дионов. Это будет означать, что вакуумная компонента системы стремится приобрести свойства, характерные для пустоты. Но ни о какой пустоте не может идти речь, поскольку сама тенденция разрушения вакуумных структур возникает лишь тогда, когда в этой области пространства имеется большое число частиц. То есть можно говорить лишь о перестройке целостной системы, содержащей вакуумную и плазменную компоненты. При низких температурах реальный мир представляет собой дионную жидкость, при высоких температурах ее сменяет КГП. Но в любом случае имеет место «разлитая» в пространстве-времени среда с определенными свойствами. Оказывается, что область абсолютной пустоты в классическом понимании создать невозможно!

Для понимания дальнейшего полезно обратить внимание на аналогию между вакуумными структурами и структурами, возникающими в конденсированных средах. Известно, что один и тот же набор атомов может порождать различные модификации вещества. В физике конденсированных сред установлено, что одна из этих модификаций абсолютно стабильна, а другие могут быть или нестабильны, или метастабильны. В физике кварк-глюонного вакуума элементами структуры, вместо атомов, являются дионы. Поэтому уместно поставить вопрос, сколько конфигураций могут иметь дионные комплексы, и есть ли среди них не только стабильные, но и метастабильные.

Катастрофическое развитие процесса эксперимента в Брукхейвене возможно только в том случае, если мы живем не в стабильном, а в метастабильном вакууме. Например, система псевдочастиц (вакуумная система), возникшая в ходе космологической эволюции, попала в метастабильное состояние и пребывает в нем со времен, отнесенных на одну миллионную долю секунды от момента рождения Вселенной – Большого Взрыва. Если это так, тогда действительно в ходе Брукхейвенского эксперимента произойдет катастрофа, поскольку «настоящий» вакуум обладает более низкой энергией, чем метастабильный. Из общих принципов квантовой теории следует, что возникающие при туннелировании флуктуации понижают энергию классического вакуума. В системе псевдочастиц давление прямо пропорционально плотности энергии со знаком минус, . Отсюда следует, что если стабильный вакуум имеет большую по абсолютной величине энергию, то в нем и большее положительное давление. Если в метастабильном вакууме образуется пузырек стабильного вакуума, то, поскольку давление внутри пузырька больше, чем вне его, он будет неограниченно расширяться. Иначе говоря, однажды возникшая область стабильного вакуума начнет расширяться, захватывая всю Вселенную и переводя ее в стабильное состояние.

Если вакуум Вселенной действительно находится в метастабильном состоянии, то почему возникновения пузырька стабильного вакуума можно ожидать в Брукхейвенском эксперименте? Для ответа на этот вопрос рассмотрим последовательность физических явлений. При столкновении двух ускоренных до сверхвысоких энергий тяжелых ионов все протоны, входящие в состав этих ионов, сливаются друг с другом, образуя горячую кварковую среду. При взаимодействии горячей кварк-глюонной плазмы с КГК, последний расплавляется – в области пространства, занимаемой КГП процессы туннелирования и, соответственно, возникновение квантовых флуктуаций подавляются. Точнее говоря, топологически неэквивалентные конфигурации в горячей плазме становятся энергетически невыгодными. Таким образом, конденсат исчезает в горячей плазме. Вакуумная среда при образовании сгустка КГП разрушается и сильно перестраивается. На некоторое время сгусток плазмы, удерживающий вакуум в состоянии с разрушенной дионной структурой, может быть стабилизирован. Но затем этот сгусток КГП расширяется и охлаждается, при этом вновь создаются условия для восстановления дионных структур, т.е. для возникновения КГК.

Катастрофа возникнет, если после релаксации сгустка плазмы, новый кварк-глюонный вакуумный конденсат попадет в стабильное состояние. Итак, процесс выглядит следующим образом: сначала, после столкновения ионов, образовалась кварк-глюонная плазма, но затем, через некоторое время на ее месте возникает пузырь стабильного вакуума. В силу собственных динамических свойств этот пузырь начинает неограниченно расширяться, захватывая и преобразовывая вещество. В результате такой перестройки вакуума вся Вселенная будет разрушена, а на ее месте возникнет новая Вселенная, построенная из частиц с совершенно другими свойствами. При обсуждении возможных свойств новой Вселенной привлекалась и такая экзотическая гипотеза, как стабилизация в ней странных s кварков. В разделе 3 мы говорили о том, что нестабильность странных кварков целиком обязана эффекту смешивания поколений. Само же смешивание, очевидно, определяется свойствами физического вакуума. Поэтому, если уж мы говорим о перестройке вакуума, можно предположить, что в новом вакууме s кварк будет стабилен. В рамках этой гипотезы предполагается, что смешивание кварков повышает энергию вакуума, и вакуум со смешиванием является метастабильным. В стабильном же вакууме смешивание энергетически невыгодно. В перестройке вакуума и радикальном изменении свойств вещества и состоит суть «устрашающего» сценария протекания процесса эксперимента в Брукхейвене.

Запрещен ли такой сценарий общими соображениями? Конечно, нет. Как отмечалось выше, даже из физики конденсированных сред известно, что в сложной многочастичной структуре возможно существование метастабильных конфигураций из элементов этой структуры с большими временами жизни. В физике кварк-глюонного вакуума метастабильные конфигурации, в принципе, возможны, поскольку не исключено, что основные параметры конфигурации – характерные топологические числа и вероятности нахождения вакуума в различных топологических состояниях – могут изменяться в некоторых пределах. Именно поэтому общими соображениями нельзя опровергнуть предположение о метастабильности нашего вакуума. Единственное, что нужно предположить – время жизни метастабильного вакуумного состояния много больше возраста Вселенной, которое оценивается в 15 млрд. лет. Тем не менее, такой вариант развития событий нельзя воспринимать всерьез. Причина этого проста: на Земле в составе космических лучей давно регистрируются частицы с максимальными энергиями 10²¹ эВ. При соударении двух таких частиц энергия столкновения была бы гораздо больше, чем на Брукхейвенском коллайдере. За время существования Вселенной такие соударения частиц происходили в ней неоднократно, «ужасная» гибель нашей Вселенной могла бы уже произойти не раз, тем не менее, этого не случилось за все миллиарды лет ее жизни. Вероятность катастрофического процесса исчезновения нашего мира в планируемом эксперименте несравнимо меньше вероятности соударений частиц с такими (и даже большими) энергиями во Вселенной. Соударений, которые в ней не раз уже имели место. Так что вероятность существования Вселенной в метастабильном состоянии чрезвычайно мала.

Брукхейвенский эксперимент интересен, прежде всего, тем, что в ходе его проведения вероятность получения области метастабильного вакуума при релаксации КГП заметно отличается от нуля. Такая область перестроенного вакуума, конечно, не будет расширяться, напротив, она будет стремиться схлопнуться. Если этот пузырь захватит достаточно много частиц, то на некоторое время он стабилизируется – давление жидкости частиц, находящихся внутри, скомпенсирует давление внешней «дионной жидкости». Этот объект будет чрезвычайно интересен. Аномальные явления такого типа – возникновение долгоживущих объектов с последующим их распадом, при котором выбрасывается большое число частиц, регистрировались в экспериментальной физике космических лучей. Но таких объектов за все время наблюдения за космическими лучами зарегистрировано всего менее десяти. Какие же необычные свойства можно ожидать у подобного объекта? В частности, можно ожидать и изменения свойств «странных» кварков, но, в противоположность «устрашающему» сценарию, мы должны понимать, что на самом деле эффект смешивания приводит к энергетически выгодному вакуумному состоянию. Отсутствие же смешивания характерно именно для метастабильного вакуума. Возможно, это и будет наблюдаться в данном эксперименте. Но каким же образом фиксируется такое метастабильное состояние? Ясно, однако, что проблема смешивания поколений тесно увязана с проблемой их происхождения. А вот разобраться с последней проблемой уже не так просто – информации о существовании только КГК и ХК для решения этой проблемы недостаточно, должны быть проявления и каких то других вакуумных структур.

Самое главное состоит в том, что в описанном выше эксперименте структура кварк-глюонного вакуума будет изменяться в реальном времени, контролируемом по часам в лаборатории. Выше, однако, уже отмечалось, что квантовая динамика вакуума в реальном времени – одна из самых актуальных проблем современной теоретической физики, решение которой откроет перед наукой новые горизонты.

Экспериментами типа Брукхейвенского начинается первый этап исследования вакуума, имеющего, несомненно, еще более сложное строение, чем это представляется на сегодняшний день. Сейчас о внутреннем устройстве вакуума мы знаем не больше, чем о внутренней структуре вещества во времена зарождения молекулярно-кинетической теории. С одной стороны, нам известна реальность этого объекта, факт существования у него внутренней структуры, а с другой стороны – у нас нет методов описания пространственно-временной динамики этой структуры. Вывод очевиден: сегодня мы стоим на пороге новой физической теории.

В утверждении, что во время Брукхейвенского эксперимента будет воспроизводиться ситуация Большого Взрыва, есть, однако, некоторое преувеличение. С точки зрения космологии зарождение Вселенной, формирование основных ее макроскопических свойств, происходят при энергиях порядка 10¹⁶-10¹⁹ ГэВ. Теории, описывающей процесс Большого Взрыва, мы не имеем. Но процесс эволюции Вселенной после ее образования хорошо описывается известной физической теорией. Состояние Большого Взрыва достигается за времена порядка 10^-35 секунд от начала Мира. Современные проблемы космологии подробно обсуждаются во второй и третьей частях книги. В Брукхейвенском эксперименте исследуется плазма с температурой всего около 100 МэВ, в космологии такая плазма возникает через 10^-6 секунд от начала Мира. Роль каждого промежутка времени определяется количеством произошедших за это время событий. Можно без преувеличения утверждать, что с начала Мира до 10^-35 секунд произошло намного больше событий, чем от 10^-35 секунд до нашего времени. Ясно, что явления в плазме, существовавшей во Вселенной на момент времени 10^-6 секунд, не имеют непосредственного отношения к проблеме Большого Взрыва. Окрестность большого Взрыва должна рассматриваться в теориях гораздо более широких, чем СМ. К рассказу об этих теориях мы сейчас и переходим.

6. Суперструнная программа

Даже краткий анализ проблем Стандартной Модели убеждает, что, на самом деле, структура вакуума должна быть еще сложнее, чем это представляется сейчас, когда некоторые из известных вакуумных подсистем уже частично исследованы. Необходимость углубления знаний о вакууме очевидна, однако каким же должен быть реальный алгоритм их изучения?

Давайте вернемся к основной экспериментальной проблеме СМ – поиску хиггсовского бозона – и рассмотрим, каким, в принципе, может быть результат эксперимента, и как его следует истолковывать.

В простейшем варианте теории предсказывается самая простая структура ХК, характеризуемая только одним энергетическим параметром – вакуумным сдвигом <Н⁰_вак> » 245 ГэВ. Такая структура имеет только один тип возбуждений, который в эксперименте должен проявляться как электронейтральный ХБ. Его поиск планируется вести в e⁺e^- аннигиляции: и в протон-антипротонных соударениях, где Н⁰ – один из продуктов соударений. Эксперименты будут проведены на ускорителях FERMILAB и LHC в течение ближайших 3-5 лет. Надо признать, что, если эксперимент подтвердит существование только одного ХБ со свойствами, полностью соответствующими предсказаниям простейшего варианта СМ, то физика элементарных частиц, как это ни печально, попадет в тупик. Такой пессимистический вывод основан на факте существования серьезнейших проблем в СМ – проблемы поколений, выделенного статуса нейтрино, непертурбативной динамики вакуума. Мы будем лишь вновь и вновь сталкиваться с этими нерешенными проблемами, пока не получим и не осмыслим качественно новую информацию, лежащую за рамками стандартной теории. При отсутствии новой экспериментальной информации уделом физиков–теоретиков на ближайшие десятилетия останется лишь проведение все более точных расчетов, а экспериментаторов – все более точных измерений одного и того же набора параметров. Для поиска новых идей нужен экспериментальный выход за пределы СМ.

Что же произойдет при другом исходе эксперимента? Ведь кроме простейшего варианта теории, в котором имеется только однокомпонентный ХК с одним ХБ, есть и более сложный вариант, в котором ХК описывается тремя физическими величинами, а в его спектре возбуждений уже 5 ХБ – 2 заряженных H^± и 3 нейтральных: Н₁⁰, Н₂⁰ и А⁰. Этот вариант модели интересен не только потому, что предсказывает более сложную структуру вакуума, но и потому, что подобная структура тесно связана с одной из наиболее фундаментальных концепций теоретической физики высоких энергий – концепцией суперсимметрии (СУСИ). Обсудим эту концепцию – наиболее яркое достижение теоретической физики конца ХХ века – подробнее.

6.1.Концепция суперсимметрии.

Мы уже говорили, что все квантовые поля делятся на два класса – поля материи, кванты которых обладают полуцелым спином J=1/2 и подчиняются принципу Паули, и силовые поля, кванты которых несут целый спин J=1. Отдельно в этом списке представлено скалярное хиггсовское поле, которое способно выпадать в конденсат и также имеет целый спин J=0. Основная идея суперсимметрии – в однозначном соответствии между количеством типов частиц с полуцелыми и целыми спинами, или, иначе говоря, между фермионами и бозонами. В Таблице 1, где перечислены все объекты существующей теории элементарных частиц, такого соответствия нет. Концепция СУСИ предполагает, что каждая из частиц в Таблице 1 имеет своего суперпартнера, при этом частицы с целым спином должны иметь суперпартнера с полуцелым спином и наоборот. В рамках этой гипотезы предсказывается, что, кроме фотонов, глюонов, W^± и Z⁰ бозонов со спином J=1, должны существовать частицы со спином J=1/2, названные фотино, глюино, вино и зино. Аналогично, кроме кварков, электронов и нейтрино со спином J=1/2, должны существовать скварки, сэлектроны и снейтрино, имеющие спин J=0 (приставка «с-» в названиях суперпартнеров известных частиц и указывает на их статус скалярных суперпартнеров). Хиггсовским бозонам со спином J=0 должны соответствовать суперпартнеры хиггсино со спином J=1/2.

На первый взгляд, суперсимметрия приводит к значительному усложнению теории, и в ситуации, когда ни один из суперпартнеров экспериментально не найден, предположение о суперсимметрии Природы может показаться странным и неоправданным. Существуют, однако, очень глубокие теоретические причины, оправдывающие эту гипотезу.

Первый аргумент в пользу суперсимметрии состоит в том, что решения уравнений в квантовой суперсимметричной теории при высоких энергиях обладают свойством устойчивости относительно учета малых эффектов, связанных с перестройками физического вакуума. Естественно предположить, что учет малых дополнительных вакуумных эффектов при анализе свойств взаимодействующих высокоэнергетичных частиц должен приводить к малому искажению предсказаний. Однако в несуперсимметричных теориях это свойство вводится и закрепляется только путем тщательного согласования (тонкой подстройки) констант теории. Устойчивость предсказаний СУСИ-теорий является их внутренним свойством.

Вторая причина носит, в некотором смысле, качественный характер – экспериментальные данные свидетельствуют о существовании в природе как бозонов, так и фермионов. Поэтому нам хотелось бы иметь теоретический принцип, в рамках которого сосуществуют частицы с разными спинами на равноправной основе. СУСИ и является принципом, автоматически обеспечивающим равноправный статус частиц с различными спинами.

Третий и, возможно, самый главный аргумент в пользу СУСИ – именно в суперисимметричных теориях удается сформулировать геометрическую интерпретацию всех фундаментальных частиц и всех физических взаимодействий, включая гравитационное, в рамках единого суперполя.

6.2.Объединение физических взаимодействий.

Существующая теория элементарных частиц установила, а эксперимент подтвердил важное свойство физических взаимодействий – зависимости интенсивности взаимодействий от энергии и импульса, передаваемых в процессах соударений одних частиц с другими. Обсудим эти зависимости при переданных энергиях, больших 100 ГэВ, т.е. при энергиях, больших масс W^± и Z⁰ бозонов. На масштабе 100 ГэВ слабое взаимодействие уже не является слабым в прямом смысле слова, по интенсивности оно занимает промежуточное место между сильным и электромагнитным. Название «слабое» сохраняется по историческим причинам: впервые оно было обнаружено в области низких энергий, где оно существенно ослаблено по причине большой инертности квантов силового поля. В области же высоких энергий массы W^± и Z⁰ бозонов мало сказываются на свойствах слабых взаимодействий.

Основываясь на результатах экспериментов в достигнутой области энергий, теоретический анализ взаимодействий в области энергий, больших 100 ГэВ, выявил пределы, к которым стремятся интенсивности взаимодействий. Подчеркнем, что факт зависимости интенсивности взаимодействия от величины переданной энергии не имеет аналога в классической физике. Например, в классической электродинамике, где интенсивность взаимодействия определяется электрическим зарядом частиц, элементарный заряд, равный модулю заряда электрона, имеет статус фундаментальной константы. В квантовой же теории электрический заряд частиц – участников взаимодействий – становится функцией переданной энергии или, что то же самое, функцией расстояния между частицами (частицы с большими энергиями способны сблизиться на меньшие расстояния). Объяснение этому дает физика вакуума, а точнее – физика одной их вакуумных подсистем – нулевых колебаний электрически заряженных квантовых полей. Дело в том, что заряженные частицы воздействуют на нулевые колебания, также несущие электрические заряды, и изменяют состояние этих колебаний. Образно говоря, каждая частица окружается облаком виртуальных квантов, возникающих из вакуума и уходящих в него в процессе взаимодействия одних частиц с другими. Этот процесс – извлечения из вакуума «облака» виртуальных квантов и окружение этим «облаком» заряженной частицы – называется поляризацией вакуума. Понятие эффективного заряда, т.е. заряда, зависящего от переданной энергии, относится к системе «частица + поляризованный вакуум». Каждый из известных типов взаимодействий характеризуется своим эффективным зарядом. Эффективный заряд электромагнитных взаимодействий растет с ростом переданной энергии, а эффективный заряд сильного и слабого – уменьшается. Причем эффективный заряд сильного взаимодействия уменьшается быстрее, чем слабого.

Легко понять, почему эффективные электрические заряды растут с уменьшением расстояния (увеличения переданной энергии). Сближающиеся частицы начинают чувствовать так называемые «голые» заряды друг друга, заряды, которые не экранируются облаками электрон-позитронных пар и других пар электрически заряженных частиц и античастиц. Ясно, что «голые» заряды по абсолютной величине больше, чем частично заэкранированные заряды. Сразу обратим внимание, что виртуальные фотоны, не обладающие электрическими зарядами, не участвуют в процессах экранировки.

Для эффективных хромодинамических зарядов кварков ситуация совершенно иная. Эти заряды формируются не только облаками кварк-антикварковых пар, но и облаками глюонных пар. Напомним, что глюоны сами являются носителями хромодинамических зарядов. Теоретический анализ показал, что глюонные облака не экранируют, а, наоборот, усиливают исходные хромодинамические заряды кварков. И чем больше (меньше) область пространства, занимаемого глюонным облаком, тем сильнее (слабее) хромодинамическое взаимодействие кварков. В частности, этот теоретический результат сразу сделал очевидным неспособность перемещения кварков на большие расстояния – они неизбежно попадали в область сверхсильных взаимодействий, обеспечивающих их конфайнмент. И напротив, взаимодействие кварков на малых расстояниях существенно ослабевает. Этот явление, получившее название асимптотической свободы, экспериментально наблюдается в опытах по глубоко-неупругому рассеянию электронов на нуклонах.

В области низких энергий слабое взаимодействие отличается как от электромагнитного, так и от хромодинамического. Основная причина для отличий – большая масса бозонов-переносчиков слабого взаимодействия. Возникает, однако, вопрос: каковы свойства этого взаимодействия в области очень высоких энергий, где массами W и Z бозонов можно пренебречь? Теоретический анализ показал, что качественно эти свойства довольно сильно похожи на свойства хромодинамического взаимодействия – интенсивность слабых взаимодействий падает с ростом переданной энергии.

Таким образом, стандартная теория электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий демонстрирует тенденцию к сближению их интенсивностей в области сверхвысоких энергий. Первая оценка области, где интенсивности оказываются примерно равны, была получена в рамках самого простого варианта СМ и оказалась примерно равна 10¹⁵ ГэВ. Однако эффективные заряды в этой точке не сходились друг к другу точно, слабый эффективный заряд изменялся немного быстрее, чем это было нужно для совпадения всех зарядов в одной точке. Гипотеза СУСИ исправила эту ситуацию. Если массы суперпартнеров всех известных частиц не более 1 ТэВ, то суперпартнеры равноправно участвуют в формировании эффективных зарядов всех взаимодействий (кроме гравитационного). Именно это равноправие обеспечивает точную сходимость эффективных зарядов к одному и тому же значению в строго фиксированной точке на энергетической шкале, соответствующей передаче энергии 10¹⁶ ГэВ. При таких энергиях уже нет смысла говорить о трех разных взаимодействиях, ясно, что они представляют собой различные проявления некоторого единого взаимодействия.

Теорию единого взаимодействия оказалось возможным построить на основе представлений об универсальном расслоении пространства-времени. Центральная идея Великого Объединения взаимодействий состоит в том, что имеется одна-единственная слоистая структура пространства-времени, но ее универсальность проявляется только во взаимодействиях при сверхвысоких энергиях (т.е. на очень маленьких пространственно-временных масштабах), где спонтанные деформации этой структуры не являются определяющими для свойств этих взаимодействий. На самом же деле эта структура существенно деформирована, что и проявляется в области низких энергий. В результате спонтанных деформаций система пространственно-временных слоев разбивается на три различные подсистемы, внутри каждой из которых слои упакованы одинаково, но в разных подсистемах по-разному. Уже начиная с промежуточных масштабов (между масштабом Великого Объединения и коллайдерными энергиями), чувствуются различия в свойствах подсистем, то есть единое взаимодействие расщепляется на электромагнитное, слабое и сильное.

Легко догадаться, что при сверхвысоких энергиях объединяются не только силовые поля, но и поля материи: теряются различия между кварками и лептонами. Эти частицы приобретают статус просто различных состояний единого кварк-лептонного поля, универсально взаимодействующего с единой слоистой структурой пространства-времени. Разбиение единой слоистой структуры на три подсистемы сопровождается потерей эквивалентности в свойствах различных компонент кварк-лептонного поля. Единое кварк-лептонное поле разбивается на кварковые и лептонные поля, первое из них чувствует структуру всех трех подсистем, а второе оказывается нечувствительным к хромодинамической подсистеме. Образно говоря, кварки и лептоны существуют в разных слоях пространства-времени. Для сосуществования в общей слоистой структуре им необходимо обменяться энергией, большей 10¹⁶ ГэВ.

Суперсимметрия, как указывалось выше, предоставила количественные аргументы для введения единого калибровочного суперполя и единого кварк-лептонного суперполя. Именно СУСИ, стартуя с экспериментально наблюдаемых значений, и сформулированная в терминах суперраслоений и суперполей, обеспечила схождение эффективных зарядов различных взаимодействий в одной точке. Мы упоминали также и внутреннее математическое свойство СУСИ-теории: устойчивость решений уравнений теории относительно эффекта поляризации вакуума в промежуточной области энергий. Но важнейший результат СУСИ состоит в указании способа объединения всех взаимодействий, включая и гравитацию, в рамках единой теории, называемой супергравитацией.

Как же строится суперсимметричная теория всех взаимодействий? В рамках концепции геометризации выбор теории осуществляется заданием геометрии, т.е. определением изменений свойств пространства-времени при переходе от одной его точки к другой. Такой переход может быть не только сдвигом вдоль слоя, но и перемещением из слоя в слой. Когда гравитационное взаимодействие рассматривается отдельно от трех других, мы задаем изменения свойств пространственно–временного многообразия при сдвигах независимо от изменений при относительных перемещениях между слоями. Оказывается, СУСИ позволяет поставить в однозначное соответствие изменение свойств относительно сдвигов и изменение свойств при переходе между слоями, иначе говоря, установить математическую корреляцию между этими свойствами. В такой теории искривления и расслоения не являются независимыми геометрическими свойствами пространства-времени. В этом случае можно говорить только о единой искривленно-расслоенной геометрии. Создать такую теорию позволила именно СУСИ. Поле, характеризующее единую геометрию, может быть только суперполем, включающим и бозонные, и фермионные компоненты. Можно утверждать, что СУСИ открыла конкретный способ единой трактовки всех взаимодействий

На следующем этапе развития СУСИ, как показали результаты, математика временно оторвалась от физики. Была поставлена задача: отказаться от разделения всех полей на суперполя, характеризующие супергеометрию, и внешние по отношению к ней суперполя, описывающие вложенное в супергеометрию вещество. Так была сформулирована задача о придании всем полям чисто геометрической интерпретации в рамках концепции искривленно-расслоенного суперпространства (ИРС). По существу эта программа сведения всех полей только к локальным проявлениям искажений геометрии (программа создания единой геометрической теории поля) ставилась еще Эйнштейном. В дальнейшем детальное обсуждение этой идеи, проведенное Калуцей и Клейном, привело к Эрлангенской программе построения фундаментальной физики. Именно СУСИ открыла путь к ее выполнению.

Теперь вопрос свелся к классификации всех возможных типов геометрий искривленно-расслоенных 4-мерных пространственно–временных многообразий и к выбору из них тех, которые соответствуют наблюдаемому миру. Оказалось, что таких типов геометрий, называемых N-супергравитациями, всего 8. Но среди всех таких супергравитаций, включая и самую обширную (содержащую наибольшее число полей), не нашлось ни одной, которая описывала бы свойства наблюдаемого мира при переходе в область низких энергий. Как оказалось, подобную неудачу нельзя считать случайной, и потому нельзя сильно огорчаться.

6.3.Многомерное пространство.

Сначала при поиске геометрий искривленно-расслоенного пространства намеренно игнорировался вопрос о природе расслоений, имелась иллюзия, что построение единой теории поля возможно и без решения этого вопроса. Иллюзия оказалась беспочвенной, стало ясно, что понять природу расслоения совершенно необходимо. Следует отдать должное этим формальным поискам, они все же позволили теоретически обнаружить очень примечательный эффект – предельно расширенную N=8 супергравитацию математически возможно построить двумя способами. Первый способ состоял в поиске наиболее емкой по составу полей геометрии ИРС. Второй же путь, с точки зрения так называемого «здравого смысла», поначалу представляется совсем фантастическим. Оказалось возможным вообще отказаться от понятия расслоения и рассматривать только суперискривления, но не в 4-мерном, а в 10- или 11-мерном пространстве-времени. Количество же полей, характеризующих как будто совершенно различные геометрии (4-мерную искривленно-расслоенную и 11-мерную – только искривленную), оказалось одинаковым! Напомним, что искривление пространства-времени есть мера гравитационного поля. Остается лишь представить себе ситуацию, когда гравитационное поле 11-мерной Вселенной резко анизотропно, напряженность его вдоль семи дополнительных измерений настолько велика, что для выхода в эти измерения не хватает энергетических возможностей. Образно говоря, мы всего лишь ползаем по 4-мерной гиперповерхности 11-мерного пространства-времени.

Для выхода в дополнительные измерения необходим огромный энергетический ресурс. Например, человек может выйти в третье измерение лишь на несколько метров – подпрыгнуть, пользуясь собственным запасом энергии. Для выхода на большие масштабы, например, для полета в космос, требуется уже значительный расход энергии. Маленький жук вообще выходит в третье измерение лишь на несколько миллиметров, практически он живет на плоскости, в 2-мерном пространстве.

Вселенная с сильной анизотропией гравитационного поля по семи измерениям называется Вселенной с компактифицированным пространством-временем. Число физических полей в таком пространстве-времени то же, что и в исходном 11-мерном многообразии, только их динамика развивается на 4-мерной гиперповерхности. Поэтому все эти поля искусственно разделяются на поля, характеризующие небольшую кривизну 4-мерной гиперповерхности (4-мерная супергравитация), и поля, которые в действительности определяют искривление дополнительных измерений. Нами же эти поля воспринимаются как проекции многомерных полей на 4-мерную гиперповерхность, обладающие формальными свойствами полей суперрасслоений. Таким образом, СУСИ предлагает конкретную интерпретацию расслоений, правда, ценой отказа от 4-мерного пространства-времени, привлечения дополнительных измерений и гипотезы об их компактификации («свертке» дополнительных измерений).

Очевидна необходимость изучения всех возможностей, предоставляемых многомерными геометриями, с целью выбора среди них того варианта, который был бы адекватен наблюдаемой реальности. В этой области исследований произошел еще один идеологический прорыв. Начнем с того, что со времен Эйнштейна мы рассматривали поле (или суперполе), состоящее из конечного числа компонент, Это относилось и к единому суперполю для 4-мерного искривленно-расслоенного пространства, и к единому супергравитационному полю, описывающему искривление 11-мерного пространства. Казалось, что цель единой теории поля буквально соответствует ее названию – найти единственное (хотя и многокомпонентное) поле, соответствующее геометрии. Как теперь ясно, формально математически построить модели такого поля можно, но согласовать их предсказания со свойствами наблюдаемого мира не удается. А можно ли вообще описать реальный мир в терминах единого геометризованного суперполя? Достаточно ли для этого одного суперполя? Должен ли поиск ответа на эти вопросы идти путем последовательного количественного усложнения теории – два, три и более суперполей? Мышление теоретиков на этом этапе совершило беспрецедентно мощный скачок – вместо введения дополнительных суперполей, в рассмотрение вводится сразу бесконечное число суперполей, но с тщательно согласованными свойствами. Такая бесконечно-счетная система полей с согласованными свойствами получила название суперструны.

6.4.Суперструны.

Прежде всего, поясним происхождение термина «суперструна». Сравним две самых простых колебательных системы: физический маятник, представляющий собой груз на нити определенной длины, и закрепленную с двух концов струну с фиксированной длиной. Известно, что колебания физического мятника происходят со строго определенной частотой, в этом смысле маятник есть реализация одной колебательной моды (определенного типа колебаний). Известно также, что струна может колебаться с разными частотами, строго говоря, их бесконечно много, но их набор не случаен, а полностью определяется длиной струны и материалом, из которого изготовлена струна. Все возможные частоты колебаний кратны натуральным числам, начиная с некоторого минимального числа. В этом смысле струна реализует бесконечное число колебательных мод. Представим теперь, что и маятник, и струна квантовые, т.е. подчиняются законами микромира. Тогда маятник будет испытывать нулевые колебания на одной конкретной частоте, а струна – нулевые колебания на всех возможных частотах. Квантовое же поле есть континуальное обобщение колебательной системы типа маятника, только колебания происходят в каждой точке пространства-времени. Суперструна, объединяющая бесконечное число полей, является континуальным и суперсиметричным обобщением обычной струны.

Что же показало изучение многомерных геометрий, задаваемых суперструнами? Было установлено, что спектр колебаний суперструны, т.е. набор суперполей, охватываемый понятием суперструны, разделяется на два класса. Первый класс содержит конечное число суперполей, собственные частоты колебаний которых много меньше так называемой планковской частоты. Заметим, что собственные частоты колебаний после квантования поля пропорциональны массе покоя квантов полей. Так вот, суперполя первого класса соответствуют квантам с массой покоя, гораздо меньшей M_пл = 2.2 ×10^-5 г = 10¹⁹ ГэВ. Этот параметр, отделяющий первый класс от второго, формируется из известных фундаментальных констант: M_пл = (hc/2pG)^1/2, где h – постоянная Планка, элементарный квант действия; G – гравитационная постоянная, с – скорость света.

Второй класс суперполей – компонент суперструны – содержит бесконечное число суперполей, но массы покоя соответствующих квантов обязательно превышают планковское значение M_пл. Здесь также видна аналогия с обычной струной – подобно тому, как все известные частоты колебаний пропорциональны ряду натуральных чисел, массы тяжелых суперполей образуют последовательность M_сп= n×M_пл, n – натуральное число. С момента Большого Взрыва во Вселенной не было условий, в которых частицы могли бы приобрести энергию, большую планковской, поэтому суперполя второго класса сегодня не наблюдаемый, или очень трудно наблюдаемый объект. Проверить теорию суперструн можно лишь в исследованиях маломассивных суперполей первого класса. В этом случае теоретическую физику ожидал большой успех. Оказалось, что среди маломассивных мод колебаний 10-мерной суперструны после компактификации дополнительных пространственно-временных измерений присутствуют все поля, наблюдаемые сегодня в эксперименте и предсказанные теориями Великого Объединения. Есть надежда, что дальнейшее развитие теории позволит в ее рамках объяснить не только число типов наблюдаемых частиц, но и значения их масс.

Нужно особо подчеркнуть, что теория суперструн решает и проблему поколений, и проблему выделенного статуса нейтрино. Есть и специфические предсказания теории суперструн: 1) существование суперпартнеров всех известных частиц; 2) включение в теорию некоторых новых типов кварков и лептонов, не вписывающихся в стандартную схему кварк-лептонных поколений СМ; 3) появление новых типов расслоений пространства-времени (новых калибровочных полей, описывающих расслоения со спонтанно нарушенной симметрией). Поэтому, прежде всего, проверка теории суперструн сводится к проверке именно этих предсказаний. По существу эта деятельность уже ведется на современных ускорителях элементарных частиц и, несомненно, в первые десятилетия XXI века этот вопрос будет привлекать самое серьезное внимание исследователей.

Теоретическое изучение суперструн интенсивно продолжается уже в течение примерно 15 лет. За эти годы СУСИ получила статус приоритетного направления исследований, поскольку отличается беспрецедентной по широте постановкой проблем и претендует на полное объяснение самых глубинных тайн природы. Интересно отметить любопытный психологический эффект – эта теория оказывает почти завораживающее действие на профессионально подготовленных людей, которые, впрочем, оценивают ее результаты не только эмоционально.

Еще Эйнштейн впервые обратил внимание на то, что на определенных этапах развития теории вопрос «Как устроен мир?» сменяется вопросом «Почему он устроен так, а не иначе?». До начала активной работы в физике А.Эйнштейна вопрос «Как?» сводился к вопросу о действующих между объектами силах, а постановка вопроса «Почему?», согласно Эйнштейну, прежде всего, должна предполагать изучение геометрии. Сегодня ситуация несколько иная: мы понимаем, что все взаимодействия имеют геометрическую природу, так что вопрос «Как?» соответствует выбору геометрии, адекватно описывающей наблюдаемый мир. С этой точки зрения история развития суперструн и есть ответ на вопрос «Как?» – источником взаимодействий является многомерная геометрия, задаваемая бесконечным числом полей, объединенных в суперструну.

А что же теперь значит вопрос «Почему?». В поисках смысла этого вопроса теоретики обратили внимание на то, что, вообще говоря, имеется не одна теория суперструн, воспроизводящая при низких энергиях свойства наблюдаемого мира. Сначала казалось, что это разные теории, но в последние 10 лет был получен удивительный результат: все теории суперструн, воспроизводящие свойства мира при низких энергиях, эквивалентны не только физически, но и математически. По сути дела, имеется лишь одна теория суперструн, просто записываемая по-разному. Различные представления одной и той же теории переводятся друг в друга тождественными математическими преобразованиями, а объекты теории одни и те же. Что же означает ситуация, когда одни и те же объекты допускают разные представления? Это означает, что описываемая этими объектами ситуация характеризуется некоторой симметрией.

Важность вопроса о симметрии законов природы относительно различных преобразований (физический смысл которых обязательно должен быть установлен!) подтверждается всей историей теоретической физики. Например, возможность изучения законов природы в произвольной системе отсчета определяется симметрией этих законов относительно общих преобразований координат 4-мерного пространства-времени. Гравитация, как теория, и возникла как динамическая реализация этой симметрии в предположении о ее локальности. Математическая симметрия теории гравитации отражает физическое содержание принципа локальной эквивалентности гравитации и полей инерции. В бесконечно малой окрестности пространственно-временной точки гравитационное поле можно заменить силами инерции, перейдя к системе отсчета, в которой гравитационное поле формально отсутствует, но есть силы инерции. Оставаясь в этой же СО, но переходя к другой точке, мы увидим, что гравитационное поле возникает, однако в новой точке пространства-времени имеется возможность перехода и к новой системе отсчета, в которой гравитационное поле опять исчезает. Возможность проведения таких преобразований в каждой точке пространства-времени диктует совершенно определенный вид фундаментальных уравнений теории. Это и означает, что симметрия определяет физическую динамику. Еще один пример – симметрия электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий относительно выбора потенциала (калибровочная симметрия). Супергравитация объединяет пространственно-временные и калибровочные симметрии в единую суперсимметрию, соответствующую ИРС. Теория суперструн утверждает, что эта симметрия не вполне локальна, а имеет место на некоторой малой поверхности, заметаемой при движении струны в многомерном суперпространстве. Иными словами, вопрос о геометрии в современных теориях сводится к вопросу о симметриях.

И вот теперь мы обнаруживаем, что кроме пространственно-временных симметрий, теория суперструн предсказывает еще одну симметрию неясного происхождения. Это симметрия различных представлений теории суперструн, соответствующих реальному миру, относительно преобразований перехода от одного представления теории суперструн к другому. Каков смысл этой симметрии, какие свойства Мира она отражает – эти фундаментальные вопросы стоят сейчас перед, так называемой, М-теорией суперструн, но пока их решения нет. Есть лишь ощущение, что исследование этих вопросов приведет к очередному прорыву в понимании мира. Каждая симметрия связана с динамикой, симметрия задает геометрию, а геометрия определяет взаимодействие. Теперь объектом исследований в М-теории стала новая симметрия неизвестной природы и нельзя исключить, что этот тип симметрии порождает новую динамику, новые взаимосвязи в природе.

Сведения о новых динамических законах могут принципиально изменить наши взгляды на мир. Вспомним, например, о существовании 4-й проблемы СМ – динамического описания КГК в реальном времени. Столкнувшись с ней, мы признали, что имеющихся представлений о квантовой динамике недостаточно для описания реальности, нужны новые динамические принципы. Теперь это, скорее, уже вопрос эксперимента. Возможно, что теория суперструн с новой симметрией имеет отношение не только к суперструнам, но, быть может, она приведет нас к изменению представлений о динамике физических объектов и факторах, ее определяющих. Если такие факторы есть, они могут проявиться не только в области сверхвысоких, но и в области энергий, доступных уже сейчас. Не исключено, что принципы новой динамики окажутся достаточно универсальными, и их можно будет использовать и для описания других сложных структур. Эти обстоятельства объясняют то внимание, которое уделяется сегодня теории суперструн. Кстати, удалось выяснить и условия, при которых теория суперструн обеспечивает неизбежную компактификацию исходного 10-мерного многообразия до 4-мерного; компактификация стала внутренним свойством теории, а не одним из возможных решений ее уравнений.

Что же дает теория суперструн для наших представлений о вакууме? Теория недвусмысленно утверждает, что вакуум состоит из очень большого числа подсистем, свойства которых формируются на различных пространственно-временных масштабах; характерные масштабы вакуумных структур заполняют огромный энергетический диапазон – от масштаба квантовой гравитации ~планковской энергии 10¹⁹ ГэВ до характерной энергии КХД ~0.1 ГэВ. СМ в вышеописанном виде предсказывает, что внутри этого диапазона должна быть и структура с масштабом ~100 ГэВ. Теории объединения взаимодействий, следующие из теории суперструн, предсказывают, что должно существовать еще довольно большое число промежуточных структур, например, на масштабе объединения трех взаимодействий ~10¹⁶ ГэВ, на масштабе нарушения суперсимметрии ~10³ ГэВ. Практически наверняка и между ними могут быть структуры, соответствующие дополнительным расслоениям. Даже на примере трех вакуумных подсистем видно, как тесно взаимообусловлены их свойства. Суперструнная же теория предсказывает очень сложную иерархическую структуру вакуума с большим количеством взаимодействующих и взаимообусловливающих подсистем. Свойства нашего наблюдаемого мира формируются в результате их тщательного согласования и взаимной подстройки. Исследовать все эти взаимосвязи, указать их следствия для наблюдаемого мира, установить роль каждой подсистемы – существенная часть суперструнной программы. С этой точки зрения можно сказать, что физика, как наука, только начинается.

7. Преонная альтернатива.

Уже отмечалось, что теория суперструн вызывает восхищение и чувство гордости за интеллект Человека у всех, кто имеет возможность ощутить логику и глубину исходных положений, мощь математического аппарата, красоту и силу следствий. Несмотря на это, мы обязаны задать вопрос: является ли структура теории суперструн в действительности логически безупречной? Уверены ли мы в адекватном отражении ею свойств мира? При ближайшем рассмотрении выясняется, что есть проблема, которая лежит несколько в стороне от теории суперструн.

7.1.Сколько типов вакуумных конденсатов существует в природе?

Вопрос формулируется просто: почему в мире существуют вакуумные подсистемы двух совершенно различных типов – ХК и КГК? Различие между этими типами подсистем обсуждалось выше. В теории суперструн предполагается, что все вакуумные подсистемы принадлежат к первому типу. Да, их много, они взаимодействуют друг с другом, но качественно они одинаковы или почти одинаковы. В нашем расслоенном 4-мерном мире они интерпретируются как результат непрерывной деформации слоев вдоль одного из направлений во внутреннем пространстве. В этом смысле задача теории суперструн – установление иерархии структур этого типа, вычисление их энергетических масштабов в долях элементарной планковской длины. Однако вакуумная структура типа КГК является неким исключением. Все известные варианты теории суперструн предсказывают, что вакуумная компонента такого типа существует в единственном экземпляре, кроме КГК, более ничего похожего в вакууме нет. Почему же такая вакуумная компонента только одна, в то время как компонент другого типа очень много? Получается, что проблемы физики КГК должны ставиться и решаться независимо от внутренних суперструнных задач (правда, возможны формальные математические поиски адекватного описания КГК). Тот факт, что проблема КГК как-то отделена от основной проблематики суперструн и заставляет нас задать вопрос: все ли безупречно в суперструнной программе? Если на ту же ситуацию мы посмотрим с позиций эксперимента, то испытаем своеобразный шок: экспериментально обнаружен именно и только КГК! Вопрос же о существовании структур типа ХК открыт и неочевидно, что эта гипотеза будет подтверждена. Физики осознают, что поиск хиггсовских бозонов что-то затянулся! Становится очевидным, что суперструнная программа пытается построить теорию таких объектов, в реальности которых мы далеко не уверены. Не странно ли, что объект другого типа, в реальности которого мы не сомневаемся, остается за рамками теории суперструн? Это обстоятельство и заставляет анализировать и альтернативные подходы к физике вакуума.

Несомненно, любая альтернатива обязательно должна апеллировать к результатам эксперимента. Конечно, и сами эксперименты надо ставить, предполагая альтернативные варианты истолкования их результатов. Причем можно сразу выделить ряд экспериментальных эффектов, которые, будучи обнаруженными, прямо укажут на необходимость альтернативной программы. В частности, речь идет обо все тех же скалярных частицах. Все, что мы знаем сегодня о физике вакуума, позволяет нам уверенно предсказать: рано или поздно в эксперименте обязательно появятся скалярные частицы, по свойствам в той или иной степени напоминающие ХБ. Вопрос лишь в том, насколько эти свойства будут соответствовать хиггсовскому бозону, содержащемуся в теории суперструн. Если соответствие свойств будет точным, то, конечно, суперструнная программа будет единственно возможной, и осмысливать место и статус КГК придется только в ее рамках. Но что произойдет, если свойства скалярных частиц не будут соответствовать предсказаниям теории? Тогда, с большой долей уверенности, мы сделаем следующий вывод: скалярные частицы не являются квантами фундаментального хиггсовского вакуумного поля, а имеют внутреннюю структуру.

Фактически, на уровне ХБ может возникнуть ситуация, аналог которой еще 25-30 лет тому назад имел место в физике адронов. На ранних этапах барионы и мезоны считались элементарными, неразложимыми на составные части объектами, и лишь затем была обнаружена их внутренняя структура – они состоят из кварков. Так и ХБ могут состоять из более фундаментальных частиц, чем они сами. Заведомо ясно, что они не могут содержать в качестве компонент обычные кварки и лептоны, приведенные в Таблице. Именно эксперимент показывает, что кварки и лептоны не могут образовывать объекты типа ХБ. Следовательно, если ХБ составной, должны существовать новые фундаментальные частицы, которых нет в Таблице! Есть два различных варианта теории, в которых ХБ выглядит как составной объект. В первом варианте его внутренние компоненты называют техникварками, во втором – преонами.

7.2.Основные идеи теории преонов.

Поясним происхождение терминов. Так как СМ проверена во всех секторах, кроме хиггсовского, очевидно, что объекты типа ХБ рано или поздно будут доступны эксперименту. У нас имеются технологические возможности создания требуемых установок, и если на них обнаружат «абсолютно элементарные частицы материи», их можно будет назвать техникварками. То есть, приставка «техни-» означает, что их обнаружение находится в пределах наших технологических возможностей. Правда, эти объекты вовсе не похожи на обычные кварки, они участвуют в новом сильном взаимодействии, которое, естественно, называют техницветовым, оно и связывает техникварки в единый объект – ХБ. Техникварки могут образовывать и другие связанные состояния – техниадроны. Реализация программы техницвета означает, что все строчки вышеприведенной Таблицы элементарных частиц, кроме строки о ХБ, остаются неизменными, а вместо ХБ появляется новый блок Таблицы, в котором представлены техникварки и техниглюоны (переносчики техницветового взаимодействия).

Термин «преоны» относится к теориям совершенно иного типа. Сам термин означает, что преоны – некоторые первичные, «самые фундаментальные» частицы, по отношению к которым известные кварки, лептоны и промежуточные бозоны рассматриваются как составные, построенные из преонов. В преонных теориях Таблица элементарных частиц изменяется радикально, в ней почти ничего не остается. Единственные объекты, которые переходят неизменными из СМ – фотоны и глюоны. Все остальные объекты интерпретируются как составные.

Из этих двух программ – техницвет и преоны – более глубокой и логичной представляется преонная. Именно преонная теория содержит унифицированные представления о природе вакуумных структур и короткодействующих сил. Напомним, что короткодействующие силы обеспечиваются квантами полей с ненулевыми массами покоя. Таково, например, слабое взаимодействие, еще одни пример – сильное взаимодействие на уровне барионов и мезонов. Мы уже говорили, что короткодействие барионов и мезонов есть следствие их нейтральности по цвету, и поэтому действующие между ними силы есть лишь малый «остаток» сильных хромодинамических связей их внутренних компонент. На примере сильных взаимодействий видно, что короткодействие обусловлено составной структурой взаимодействующих объектов и эффектом конфайнмента фундаментальных компонент внутри них. Поясним это следующим образом: сильные взаимодействия барионов и мезонов возникают в результате обмена мезонами, которые сами состоят из кварков. Обмен мезонами, по сути, есть обмен кварк-антикварковыми парами. Чтобы такой обмен произошел, кварки – участники обмена – должны иметь возможность двигаться в пространстве между адронами. Но ведь в «обычном» вакууме кварки не могут двигаться свободно, это возможно только в перестроенном внутриадронном вакууме! Чтобы пройти от одного адрона к другому, нужно на пути прохождения пары перестроить вакуум, а на это требуется дополнительная энергия. Ясно же, что каждый объект имеет конечный запас энергии и способен перестроить вакуум лишь в ограниченной области пространства. Именно поэтому взаимодействия, переносящиеся составными объектами, не могут быть дальнодействующими – не хватает энергии для перестройки вакуума на больших расстояниях. Изложенные представления о природе короткодействия подтверждены экспериментально.

Обсудим еще раз стандартный взгляд на теорию слабых взаимодействий. Если хиггсовские поля фундаментальны, и ХК – тоже фундаментальный объект природы, то природа слабого короткодействия принципиально отлична от вышеописанной. В этом случае объяснение короткодействия иное: оно возникает потому, что деформированные смещенные слоистые структуры не позволяют виртуальным W и Z квантам отрываться далеко от порождающих их частиц. На другом языке этот, по существу геометрический эффект, описывается в терминах масс W^± и Z⁰ бозонов: очень тяжелые виртуальные кванты не могут распространяться далеко от порождающего их источника. Напомним, однако, что сами массы возникают в результате деформации слоистых структур.

Итак, СМ описывает два существенно различных типа короткодействующих сил. Первый тип короткодействия (на уровне барионов и мезонов) обусловлен эффектом конфайнмента кварков, то есть квантово-топологическими дефектами слоистых структур пространства-времени, а второй тип (на уровне кварков и мезонов) – хиггсовским механизмом деформации слоистых структур. Но, может быть, природа пошла по пути унификации, и все короткодействия имеют одну причину? Может быть, сам факт наличия короткодействия указывает на составную структуру и частиц материи, и квантов – переносчиков взаимодействия? Это предположение и лежит в основе теории преонов. Тогда и кварки, и лептоны, и промежуточные W^± и Z⁰ бозоны – участники и переносчики взаимодействия – все они являются объектами, составленными из преонов. Кварки содержат преоны «кваркового» типа, лептоны – преоны «лептонного» типа, и, кроме того, кварки и лептоны содержат универсальные преоны, входящие в состав W^± и Z⁰ бозонов.

Унификация представлений о природе короткодействующих сил – не единственный аргумент в пользу преонов. Еще более сильный аргумент – возможность унифицировать представления о вакууме. Очевидно, что преоны должны находиться в состоянии конфайнмента внутри кварков, лептонов и промежуточных бозонов, т.е. в области перестроенного преонного вакуума – аналогично кваркам, которые «живут» в перестроенном кварк-глюонном вакууме внутри адронов.

Мы знаем, что конфайнмент возникает в вакуумной среде – системе сильно скоррелированных псевдочастиц, несущих аналоги электрического и магнитного зарядов. Сами же псевдочастицы представляют собой квантовые флуктуации, возникающие при туннелировании. Теория преонов предполагает существование множества типов псевдочастиц, различающихся пространственно-временными размерами, т.е. характерными энергетическими масштабами. Иначе говоря, в теории преонов физика фундаментальных частиц превращается в физику фундаментальных псевдочастиц, способных образовывать сложные иерархические структуры.

Одна из основных задач теории преонов – объяснение природы, происхождения и свойств кварк-лептонных поколений. Сейчас решение этой проблемы видится, как отождествление различных кварков и лептонов с различными комбинациями одних и тех же преонов. Иными словами, предполагается комбинаторный вариант решения проблемы поколений. Различные комбинации могут обладать разной чувствительностью к структурам вакуума на метацветовом и субметацветовом уровнях. Этим различием можно попытаться объяснить расщепление спектра масс поколений.

Как будет выглядеть классификация преонов и первичных взаимодействий? Дальнодействие сохранит свой статус, фотоны и глюоны перейдут в новую Таблицу элементарных (окончательно ли?) частиц. Преоны обязаны иметь возможность участвовать в электромагнитных взаимодействиях, следовательно, у них должен быть электрический заряд. Преоны кваркового типа обязаны участвовать в хромодинамическом взаимодействии, у таких преонов должен быть хромодинамический заряд (у преонов лептонного типа такого заряда нет). Преоны обязаны участвовать и в новых взаимодействиях, которых может быть несколько, их общее название – метацветовые, субметацветовые и т.д. Сейчас построено несколько предварительных моделей, с трудом поддающихся исследованию. Трудности вызваны тем, что теория преонов целиком основана на теории непертурбативного вакуума. Достижения в теории преонов пока еще скромны, не хватает и экспериментальных данных для выбора преонной модели (нет информации о скалярных бозонах).

Есть, впрочем, и ряд общих предсказаний преонных моделей. Это, например, существование новых типов короткодействующих взаимодействий, обусловленных малым остатком метацветовых (субметацветовых) сил. Поиск таких взаимодействий систематически ведется на ускорителях. Результаты экспериментов пока не обнаруживают преонную структуру, но устанавливают количественные ограничения: если кварки и лептоны имеют преонную структуру, то ее пространственно-временной масштаб очень мал, по крайней мере, в 10000 раз меньше размера протона (то есть размер кварка должен быть в 10000 меньше размера протона).

Еще один эффект теории преонов предсказывается довольно определенно, он обусловлен универсальностью слабых взаимодействий (кварки и лептоны участвуют в них одинаково). С точки зрения преонов такая универсальность означает, что среди «кварковых» и «лептонных» преонов обязательно присутствуют преоны одного типа. Эти общие преоны, связываясь в пары, и образуют W^± и Z⁰ бозоны. Таким образом, кварк можно представлять себе, как связанное состояние некоторого кваркового преонного «остова» с универсальным, так называемым, «слабым» преоном, а лептон – это лептонный преонный «остов» с тем же «слабым» преоном. Но такая структура означает, что у кварковых и лептонных «остовов» имеется общее метацветовое взаимодействие. Оно и связывает эти «остовы» друг с другом, образуя специфические объекты – лептокварки. Поиск лептокварков также ведется на ускорителях. Предварительные сигналы, которые можно было бы интерпретировать с этих позиций, получены в экспериментах по e⁺p (позитрон-протонному) рассеянию в DESY (ФРГ). Твердо установленных данных, впрочем, пока нет. Еще одно типичное предсказание преонов – существование тяжелого аналога Z бозона – Z^¢ бозон, поиски его также ведутся. Скалярные хиггсовские частицы тоже имеют преонную структуру, но, возможно, гораздо более сложную и содержат уже не два, а четыре преона. Более сложная структура предопределяет и специфику их взаимодействий.

Суммируем: внутренняя структура скалярных частиц, новые короткодействующие взаимодействия, лептокварки, Z^¢ бозон, тяжелые скалярные глюоны и кое-что еще предсказываются преонными теориями. Они перестанут носить гипотетический характер, если только все эти следствия теории будут подтверждены экспериментом.

7.3.Возможные сюрпризы преонной гипотезы.

Преонная альтернатива, однако, существенно усложнит исследование природы. Естественно встанет вопрос: как на уровне преонов и метацветовых полей происходит объединение взаимодействий? Можно ли на этом субкварковом и сублептонном уровне получить аналог суперструнной программы? Не исключено, что концепция суперструн просто изменит область применимости и будет сформулирована для других, более элементарных объектов. Реализация такой программы уже начата, правда, до преонных суперструн дело еще не дошло, но суперсимметричные преонные теории уже разрабатываются. В такой схеме объединение гравитации с преонными взаимодействиями будет проводиться на уровне локальной суперсимметрии. Несмотря на то, что содержательная часть преонной суперструнной программы уже просматривается, она все же маловероятна, поскольку на преонном уровне нас могут ожидать и некоторые сюрпризы. Рассмотрим два возможных сценария развития событий.

Первый вариант связан с выбором представлений о природе расслоений. Когда мы вводили это понятие, то указывали на возможную связь расслоений с внутренней дискретной структурой пространства-времени. В суперструнной программе предполагается, что расслоение есть лишь отражение искривленности дополнительных измерений. В теории преонов возможен возврат к первоначальной идее – расслоение пространства-времени на преонном уровне может быть связано именно с его внутренней дискретной ячеистой структурой. В этом случае объединение взаимодействий должно происходить как-то по-другому. Что же касается включения в единую теорию поля и теории гравитации, то в существующем виде ее невозможно подсоединить к преонным взаимодействиям, сначала ее надо переформулировать конкретно для дискретного пространства-времени. Несмотря на то, что эти проблемы неоднократно обсуждались, сейчас трудно даже предполагать, с чего должен начинаться поиск их решений.

Второй сценарий формулируется в более привычных понятиях. Возможно, множество мета- и субметацветовых взаимодействий, неизбежных на преонных уровнях, заставит нас по-новому посмотреть на проблему компактификации. Речь идет о программе объединения взаимодействий, основанной на гипотезе о существовании дополнительных пространственно-временных измерений, теперь сформулированной для теории преонов. При выполнении этой программы, по-видимому, придется отказаться от простой схемы компактификации «лишних» измерений. (Напомним, что в теории суперструн исходное 10-мерие компактифицируется сразу в 4-мерное пространство-время, т.е шесть измерений одновременно сворачиваются в многообразие с очень большой кривизной). На уровне преонов нам придется рассматривать пространства гораздо более высокой размерности, и их компактификация в 4-мерие может происходить поэтапно, на разных масштабах. Например, сначала от 26-мерия отделятся, скажем, шесть измерений, на другом масштабе – еще восемь, на третьем – еще шесть измерений. Такой вариант отщепления «лишних» измерений мы приводим лишь для примера. На самом же деле мы не знаем, какая размерность «пространства» должна быть в преонных теориях. Процессы компактификации на разных масштабах могут эффективно восприниматься, как расслоения с разными энергетическими масштабами. Тогда расслоение вновь сводится к искривлению дополнительных измерений, но объединение взаимодействий будет базироваться на многоэтапной компактификации. Размышления над этими вопросами иногда наводят и на фантастическую мысль – а можем ли мы быть уверены в том, что пространственно-временное многообразие имеет конечное число измерений? Подобно переходу к бесконечному числу полей в суперструнной программе, и в суперпреонной программе может быть совершен качественный переход от конечных многообразий к бесконечномерным многообразиям и, соответственно, к бесконечному количеству этапов компактификации. Для нашего мира это будет означать, что микроструктура пространства-времени и вакуума бесконечно сложна. С учетом того, что мы плохо понимаем смысл бесконечности, преонная программа, вообще говоря, в ее полном объеме существенно превышает возможности нашего интеллекта.

8. Что заставляет нас изучать структуру

физического вакуума?

Задача исследования вакуума в физике XXI века резко превышает по сложности задачу изучения свойств и структуры вещества. Действительно, оболочки атомов построены по одному и тому же принципу, знание которого позволяет детально установить различные свойства систем атомов – молекул и комплексов молекул. При этом достаточно учитывать только электромагнитные взаимодействия. Внутриядерный и следующий – кварковый – уровни строения материи потребовали для своего изучения уже намного больше усилий. Однако во всех этих случаях усложнение рассматриваемых явлений было связано с контролируемым увеличением как числа взаимодействующих объектов, так и числа каналов обмена информацией между ними. И на этом, более глубоком, уровне структуры вещества удается выделить доминирующие эффекты, сформулировать обобщающие концепции, на языке которых тот уровень знаний о Мире, который удалось достичь науке и цивилизации, стал казаться понятным. Существенной в процессе познания оказывается возможность отделения в соответствующем энергетическом или пространственно-временном диапазоне исследуемой подсистемы от других, с иными свойствами. Иначе говоря, из некоторой целостной системы можно выделять изучаемый объект, анализировать свойства квазинезависимых подсистем. В случае же вакуума собственные функции каждой из его подсистем формируются только во взаимосвязи и взаимодействии с другими подсистемами вакуума. То есть на самом деле, неизвестно даже, насколько возможно отделить одну подсистему от другой! Нам приходится приписывать всему вакууму и каждой его подсистеме огромное множество различных свойств. Количество вакуумных субструктур и функций, выполняемых ими, неимоверно возросло по сравнению с основными объектами и понятиями физики XX века. В этом смысле задача науки усложняется качественно.

Концептуальное понимание структуры вакуума, как сложной иерархической системы порождает принципиальный вопрос: возможна ли и до какой степени самоорганизация вакуума? Напомним экспериментальный факт: энергия каждой вакуумной подсистемы не равна нулю. Но в сумме полная энергия вакуума почти равна нулю, что следует из астрономических наблюдений (см. Раздел 6.2 Части II). Происходит потрясающе точная подгонка энергетических параметров вакуума! Этот факт не может быть случайным, очевидно, что происходит некоторый внутренний процесс подстройки параметров вакуумных подсистем. Ясно также, что, кроме известных, есть и другие вакуумные субструктуры, дающие вклад в полную, почти нулевую, энергию вакуума. Какой же вывод можно сделать на сегодняшнем уровне знаний? Именно самоорганизация вакуума (внутренняя подстройка параметров вакуумных подсистем, подчиненная неизвестным нам законам и принципам) и делает возможным существование Вселенной в ее наблюдаемом виде.

Система физических знаний XX века теперь представляется достаточно простой, установленные основные принципы и понятия сделали более определенной общую логическую схему анализа свойств вещества и полей – но не алгоритм конкретного исследования! Удалось несколькими базисными концепциями охватить большой объем знаний о природе, обобщенные принципы, казалось бы, упростили взгляд на Мир. То, что ранее представлялось необозримым океаном, теперь стало выглядеть как несколько, вполне охватываемых умом и взглядом, «островков» на его поверхности. Однако, если «высадиться» на любой такой «островок», окажется, что для изучения и освоения всех деталей его «рельефа» требуются значительные интеллектуальные усилия и материальные ресурсы. Объединяющих исходных категорий используется немного, но исследуемые объекты могут при этом находиться в большом числе состояний. Можно сказать и так – простота исходных глобальных принципов порождает сложный набор возможных конечных состояний объектов. Так усложняется или упрощается описание Мира при переходе к все более объемлющим понятиям и концептуальным схемам?

Если в XX веке мы научились более точно ставить задачи, понимая конечную цель и используя адекватные методы решения, то сейчас, в начале нового века, эта уверенность в правильности нашего пути познания исчезает. Особенно это стало ясно после появления М-теории суперструн. Великая идея унификации, изначально сводя все к геометрии, породила симметрию, по-видимому, вообще не имеющую отношения к геометрии пространства-времени (или имеющую к ней весьма нетривиальное отношение).

Итак, в фундаментальной физике XXI века возникла совершенно специфическая ситуация: неожиданно для себя, не ставя этой цели заранее, мы подошли к проблеме изучения гетерогенных иерархических структур (с не до конца понятной динамикой), сопоставимых или даже превышающих нас по сложности. В биологии тоже изучаются очень сложные системы, но ситуация там качественно иная. Было принято считать, что Человек представляет собой самую сложную из живых и разумных биосистем. Но сам факт существования таких систем, возможность их рассматривать как объект исследований, необходимость и практическая полезность таких исследований были осознаны тогда, когда Человек осознал себя как разумное существо, то есть на самой заре цивилизации. Конкретные цели изучения человека, как биосоциальной системы, достигаются в медицине, фармакологии, производстве продуктов питания, совершенствовании экосистем и пр. Таким образом, на прагматическом уровне цель изучения сложных биосистем – создание более комфортных условий существования человека и человечества в целом. В физике же ситуация оценивалась иначе. Принято было считать, что физические системы более просты, чем биологические структуры, и физика является лишь основой технологии, занимая важное, но вспомогательное место в системе мирового знания. Конечно, при изучении физических структур используются наиболее точные экспериментальные методы, физика является лидером естествознания по числу и качеству используемых математических методов, полученные ею знания о базисных категориях, в которых Человек описывает мироздание, есть один из краеугольных камней нашей цивилизации. Но, несмотря на все это, практически всегда была заметна, прежде всего, ее вспомогательная, технологическая роль. Сейчас же, когда в процессе познания Мира на уровне вакуума мы встретились с очень сложными системами, перед нами встал ряд вопросов не только математического, но и философского характера.

Так что же движет нами, когда мы планируем для исследования сложнейшей структуры вакуума проведение самых дорогостоящих экспериментов? Есть ли вообще необходимость их постановки? Следует ли расходовать интеллектуальные ресурсы человечества для познания вакуумных структур? Ведь понятно, что никакого технологического приложения получаемых с таким трудом новых знаний не предполагается в обозримом будущем.

Для ответа на эти вопросы у нас пока нет ясных аргументов философского, биологического или иного характера, но сама постановка этих вопросов означает движение в глубь проблем. Ушла в прошлое – и безвозвратно – эпоха, когда процесс научного познания опирался на накопление экспериментальных фактов, которые затем осмысливались в рамках некоторой теоретической парадигмы. Сейчас мы сталкиваемся с совершенно новой ситуацией: нам необходимо иметь сконструированную в сознании теоретическую модель объекта еще до проведения эксперимента. Значит, нужно разработать и применить новые, нетрадиционные методы познания, чтобы отобрать те абстрактные идеи, которые будут положены в основу конструкции экспериментального оборудования. Таким образом, Природа в очередной раз ставит вызов человеческому интеллекту, и нам необходимо на него отвечать. Необходимо ли?

В этом смысле вопрос «Что движет нами в стремлении понять устройство Мира?» следует понимать по иному: «А можем ли мы не отвечать на интеллектуальный вызов Природы?». Что происходит в нашем сознании (а, может быть, в подсознании), когда мы решаемся принять этот вызов? Если взглянуть на ситуацию с точки зрения прагматика, то интерес к проблемам геометризации и унификации взаимодействий, строению вакуума и свойствам его возбуждений никак не связан с деятельностью по обеспечению выживания человечества, как биологического вида. Более того, последствия реализации умозрительного интереса при проведении экспериментов, вообще говоря, непредсказуемы. Похоже, что сознание не может обоснованно мотивировать собственные действия. Не означает ли это необходимость создания дополнительного канала обмена информацией между сознанием и подсознанием? Тем более что в столь сложной ситуации нам негде и не у кого спрашивать ответа на вопросы об устройстве Мира.

Для каждого отдельного человека процесс передачи информации на уровень подсознания приводит к разным результатам, законы движения и обработки информации нам неизвестны и в этом случае. Так, например, для академиков А.Д.Сахарова и Б.В.Раушенбаха подключение подсознания для обработки информации о свойствах природы, по их словам, привело к выработке «вежливой формы религиозности». Что понимать под этим выражением? Что означает обращение к идеалистической форме мировоззрения людей, профессионально занимающихся изучением конкретных свойств окружающего материального мира? На современном уровне знаний нельзя исключить того, что Природа настолько сложна, что сама по себе может быть носителем разума. Напротив, мы убедились экспериментально в существовании сверхсложной вакуумной системы, составляющей нечто единое с пространством-временем, материей и взаимодействием.

Абсолютно все свойства Природы, то есть самого себя, по-видимому, способен исследовать только некий Мировой Разум. Такая позиция, в некотором смысле, означает признание ограниченности возможностей человека, как индивидуума. Появление у него дополнительных возможностей могло бы быть следствием контакта с Мировым Разумом. Не нужно смешивать в данном случае антропологические представления о Боге с системными представлениями о Мировом Разуме, как имманентном свойстве Вселенной. Приведенный выше пример показывает, как мозг и личность исследователя Природы, соприкасаясь со сложными природными явлениями, реагирует на информацию качественно иного уровня. Естественно, при попадании в такой «интеллектуальный тупик», возможны и другие реакции, в частности, резкое сужение поля профессиональных интересов, переход в состояние ремесленника или вообще резкая смена деятельности.

Мы не отождествляем попытку осуществить интеллектуальный прорыв к новому уровню знаний об устройстве Мира, (который сейчас выглядит как окончательная истина), с заменой религии научными теориями. Напротив, даже оставляя за пределами обсуждения многие нравственные аспекты, можно сделать парадоксальный вывод: то, что происходит в фундаментальной науке, есть часть общечеловеческой программы поиска Бога. Вот к таким неожиданным выводам можно придти, рассматривая чисто научные проблемы. Не зная, что движет нами в поисках научной истины, неожиданно оказывается возможным найти объяснение процессу познания в своеобразном синтезе науки и религии. Если путь нам преграждает запертая дверь, иногда хочется объяснить невозможность ее отпереть наложенным на нее некими могущественными силами заклятием. Будем ждать, пока смилостивится всемогущий маг, повернем от двери назад или сами попытаемся разгадать, как снять чары? Вопрос в том, способны ли мы совершить это? И что произойдет с нами самими, когда (и если) мы узнаем тайну заклятия, возможно, самую сокровенную тайну Природы?

Пытаясь ответить на этот вопрос, заметим, что столкновение на новейшем этапе фундаментальных физических исследований с объектом, по сложности равным Человеку или даже более сложным, продолжается пока очень недолго – в пределах жизни одного человеческого поколения. В частности, сами авторы этой статьи представляют поколение, в жизни которого и произошло становление представлений о вакууме, как о сложноструктурированном объекте. Последствия и перспективы изучения проблем вакуума для Человека и цивилизации пока еще не ясны. Лишь когда проблемы этого типа будут решаться в течение нескольких поколений, когда статус этих знаний будет общественно признан более широко, чем сейчас, можно будет говорить о глобальном влиянии процесса познания сложных иерархических структур на самого познающего субъекта. Речь идет о том, не скажется ли информация о таких системах на функционировании мозга человека. Известно, что режим работы мозга определяется количеством функциональных связей, задействованных для обработки поступающей в него информации. Чем сложнее анализируемая система, тем больше информации поступает в мозг, тем выше уровень ее сложности и тем больше нейронных связей необходимо для установления логической структуры нового знания. Говоря об информации такого рода, нужно, прежде всего, иметь в виду результаты экспериментов. Самые дорогостоящие физические эксперименты, подготовленные новейшими физическими теориями, по-видимому, могут иметь и самое важное принципиальное значение для эволюции мозга и развития мышления.

Известно, что в среднем у человека задействовано 4-5% функциональных связей мозга. Остальное – это некий резерв, роль и необходимость которого не понята сейчас даже специалистами в области нейрофизиологии. При увеличении количества работающих нейронных связей хотя бы на 1%, человек уже воспринимается, как гений. Заметим, кстати, что жизнь и судьба такого индивидуума зачастую вовсе не являются счастливыми с обычной, человеческой точки зрения. Конечно, с таким человеком могут быть связаны выдающиеся достижения в области науки, искусства, культуры, заметно сказывающиеся на судьбе всей нашей цивилизации. Но биологические и психологические последствия гениальности для ее носителя далеко не легки– во многом знании много печали.

В начале XXI века мы видим, что в мозг человека начинает идти поток информации о, как будто бы, внешней по отношению к нему системе. Для ее осмысления доступных на сегодняшний день ресурсов нашего мозга может оказаться недостаточно. Если процесс получения и обработки качественно новых знаний будет продолжаться несколько поколений, представляется неизбежным подключение дополнительных ресурсов мозга, что приведет к изменению качеств и способностей личности. Может показаться, что этот поток информации пробудит большое число гениев, но у гения включение новых связей происходит спонтанно и сугубо индивидуально. Здесь же речь идет о процессе, охватывающем все области науки, все сферы жизнедеятельности цивилизации и потому касается не одного индивидуума, а всех, кто способен освоить и использовать громадный объем информации.

Нужно учесть и следующее обстоятельство – процесс получения и освоения нового знания происходит на фоне быстрого истощения ресурсов планеты. В обозримом будущем возможности экстенсивного развития цивилизации будут исчерпаны. Переход же на другой, интенсивный путь развития предполагает глубокое осмысление путей и целей, что необходимо и возможно осуществить лишь на более высоком функциональном уровне мышления.

Кажется не случайной сильная корреляция во времени двух вышеприведенных, на первый взгляд независимых факторов. Появление в качестве объекта исследований объекта такой же сложности, как и мы сами, с одной стороны, заставляет расширять возможности мозга, а с другой – совпадает по историческому времени с исчерпанием ресурсов экстенсивного развития человечества. Все это приводит к выводу, что изучение фундаментальной физики вакуума является важнейшей естественнонаучной задачей нового века.

Отметим, впрочем, что сейчас мы не можем ответить на вопрос, что означает само существование систем, сопоставимых по сложности с человеком? Для выдвижения конкретных гипотез у нас пока не хватает ни экспериментальных, ни теоретических знаний. Лишь в литературе (главным образом, художественной) можно найти обсуждение последствий осознания человеком факта существования системы такого типа и уровня сложности. Мы продолжим обсуждение этих вопросов в третьей части книги.

Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.

1. Возможно ли изучение Мира в целом? Проблемы экстраполяции.

Научный метод познания опирается на принципы проведения и анализа результатов локальных экспериментов, в рамках которых физические явления могут быть неоднократно воспроизведены в лабораторных условиях с фиксированной степенью точности. Масштабы лаборатории, а, следовательно, и масштабы изучаемых явлений, на всех этапах развития науки определялись доступными пространственно-временными интервалами и энергетическими возможностями человека-исследователя. ХХ век продемонстрировал, как глубоко в структуру материи удается проникнуть, используя методы, приборы и энергетику экспериментальной физики совместно с мощным математическим аппаратом и теоретическими концепциями. Современная физика достаточно уверенно чувствует себя на масштабе энергий порядка сотен ГэВ, т.е. на расстояниях порядка 10^-13 м. Мы умеем вычленять отдельные события в микромире, изучать их экспериментально, воспроизводя физические процессы на малых пространственно-временных промежутках с помощью прибора-приготовителя (например, ускорителя элементарных частиц) и измеряя их характеристики прибором-регистратором (детекторами элементарных частиц), а затем анализировать полученные результаты в рамках квантовой теории. Однако насколько существенными оказываются наши успехи в изучении микрообъектов и их свойств для ответа на вопрос иного масштаба: возможно ли, в принципе, изучение Мира, Вселенной, в целом? Проблема здесь в том, что Мир в целом, вся Вселенная (если она вообще одна) недоступна для экспериментального лабораторного исследования. Явления, изучаемые в лаборатории в воспроизводимых локальных экспериментах, отражают процессы глобального характера лишь в той или иной степени. Поэтому задача познания Мира в целом должна исходно ставиться не так, как это было возможно ранее, при изучении эффектов локального типа. В лабораторной физике вначале фиксировались экспериментальные факты, а затем строилась теория, объясняющая результаты эксперимента и предсказывающая новые физические явления. Но попытка изучения всего Мира в целом может опираться только на изначально сформулированную теоретическую модель – естественно, при ее формулировке используются результаты всех известных локальных экспериментов и теоретические представления об их природе. Кроме того, нужно учитывать как бесконечность Вселенной, так и конечность сигнала, переносящего информацию, то есть обеспечивающего взаимодействие и взаимосвязь объектов исследования как между собой, так и с наблюдателем. Несмотря на очевидные трудности в самой постановке, задача анализа Мира в целом все же ставится сегодняшней наукой. При этом план действий должен быть таков: вначале необходимо сформулировать теоретическую модель, получить ее экспериментальные следствия (если это окажется возможным), затем рассмотреть сопоставление модели с экспериментом, точнее, с данными наблюдательной космологии.

Первая теоретическая модель всего Мира была предложена Исааком Ньютоном. Основными ее элементами являются пустое трехмерное пространство, в каждой точке которого часы показывают одинаковое универсальное абсолютное время. Галактики, звезды и планеты помещены в эту мерно тикающую пустоту, движение в которой создано исходным божественным Первотолчком. Развитие науки доказало ограниченность и примитивность такой картины мира.

Собственно, до создания общей теории относительности (ОТО) Альбертом Эйнштейном, адекватной модели Мира и не было. После некоторого периода поиска модели стационарной Вселенной, решения уравнений ОТО, полученные Александром Фридманом, упрочили обоснование гипотезы расширяющейся Вселенной. Сейчас, после открытия Эдвином Хабблом эффекта разбегания галактик, можно сказать, что эта модель Мира подтверждена экспериментально. Именно эта модель Вселенной лежит в основе теории Мира в целом – космологии. Особенность постановки вопроса состоит в том, что ОТО устанавливает связь между характеристиками пространства-времени и вещества. Сама ОТО представляет собой, по сути дела, теорию одного лишь типа взаимодействий – теорию гравитации. Но для ее использования в космологии необходима и последовательная теория элементарных частиц, свойства которых фиксируются в правой части уравнений Эйнштейна.

Когда ставится вопрос об изучении Мира в целом, главная проблема, которую при этом необходимо иметь в виду – это проблема экстраполяции. Речь идет о том, что экспериментально изученные нами свойства вещества и силовых полей относятся лишь к той области мира, где мы живем. Это, прежде всего, планета Земля, Солнечная система, экспериментально изучаемая с помощью космических аппаратов, и Галактика, о которой имеется детальная астрономическая информация. При построении же теории Мира в целом мы встречаемся с системой, состоящей из мириадов галактик, их скоплений, квазаров и, возможно, других экзотических объектов, находящихся, к тому же, в нестационарном, эволюционирующем пространстве-времени. Попытки исследования этой системы основаны на том, что наши знания об ограниченной пространственно-временной области, освоенной нами и доступной для наших локальных экспериментов, экстраполируются на все пространство-время. Что мы понимаем под словами – «все пространство-время»? Для ответа на этот вопрос нам придется уточнить геометрические представления о Мире в целом. Естественно, гипотеза о том, что свойства вещества и силовых полей одинаковы во всех участках Мира, представляет собой простейший из возможных вариантов экстраполяции. Идя от простого к сложному, необходимо выяснить, какие возможности развития теории познания предоставляет именно этот вариант экстраполяции.

При уточнении наших представлений о геометрической структуре Вселенной нам не обойтись без фактов и концепций, содержащихся в фундаментальной теории полей и взаимодействий. Основным в ней является то, что частицы и взаимодействия сами по себе имеют геометрическую природу, представляют собой локальные искажения расслоений пространства-времени. Однако на этом пути появляется возможность отхода от «стандартного» 4-мерного пространственно-временного континуума, поскольку один из возможных подходов к природе расслоений – введение многомерного пространства-времени совместно с процедурой компактификации дополнительных измерений. Какую же размерность мы можем приписать Миру в целом? Если и есть дополнительные измерения в том участке мира, где мы живем, то они компактифицируются, «сворачиваются» в трубки очень малого диаметра. Их след, проекция на наше 4-мерное пространство-время – расслоения. А что же происходит в других участках Вселенной? «Лишние» измерения там тоже компактифицируются, оставляя лишь след в виде расслоений? Или, может быть, компактификация пространства-времени неоднородна, и в разных участках мира происходит по-разному? Тогда и говорить об универсальной размерности Мира в целом нельзя. Все существующие на сегодня количественные космологические теории предполагают, что можно вводить единую размерность пространства-времени для всей Вселенной. Но нельзя забывать, что это всего лишь гипотеза, оправданная желанием Человека расширить свои представления о мире на всю Вселенную. Предполагается, что компактификация лишних измерений происходит всюду (во всем Мире в целом) до 4-мерного многообразия. Но можно ли быть уверенным, что дополнительные измерения, примыкающие к точкам 4-мерного пространства-времени, имеют одинаковые свойства в разных точках мира? Если свойства дополнительных измерений одинаковы, значит, и эффективные расслоения одинаковы в разных точках, т.е. взаимодействия фундаментальных частиц, как и сами частицы, обладают универсальными свойствами во всех точках пространства-времени. Если же свойства дополнительных измерений неоднородны, то эффективные расслоения в разных областях 4-мерной Вселенной различны, а значит, различны и свойства частиц и взаимодействий. В существующих сегодня космологических теориях предполагается, что эти свойства везде одинаковы! Таким образом, мы видим, что постановка задачи об изучении Мира в целом основана на очень сильных гипотезах об экстраполяции. В их справедливости нет уверенности ad hoc. Было бы странно, если бы все гипотезы об экстраполяции соответствовали реальности. Это означало бы, что в Мире в целом реализуется лишь одна из возможностей, которые допускаются теорией Мира в целом. Естественнее предполагать, что в расширенном мире есть возможности для реализации различных вариантов его устройства. Таким образом, мы приходим либо к представлению об очень большой Вселенной, разные участки которой обладают разными свойствами, либо, что тоже допустимо, к гипотезе о множественности миров, Вселенных, как-то связанных друг с другом, но сохраняющих и свои индивидуальные свойства.

Наука о Мире в целом на сегодняшний день сделала лишь первый, предварительный шаг. По сути дела, стоящие перед ней проблемы сводятся, в конце концов, к проблеме познания бесконечности. У нас нет полной уверенности, что вообще возможно ставить эту задачу. Конечно, несколько шагов на этом пути можно сделать, но даже второй шаг трудно себе представить. Первый же шаг основан на самой простой экстраполяции – на попытке изучения Вселенной с 4-мерным пространством-временем, законы геометрического расслоения которого одинаковы в разных точках. Когда мы говорили о других вариантах компактификации, то имелись в виду именно другие законы расслоений.

Таким образом, мы видим, что в границах уже первого шага возникают сложнейшие научные, мировоззренческие и философские проблемы. Обсуждению этих проблем и посвящены вторая и третья части книги.

2. Идеи теории Эйнштейна.

Теория тяготения – общая теория относительности Альберта Эйнштейна – является вершиной классической физики. Существуют определенные трудности при включении общей теории относительности (ОТО) в полную систему физических теорий, где важную роль играет квантовая парадигма, имеются проблемы квантования самого гравитационного поля, однако мы начнем излагать идеи ОТО, оставаясь в рамках классических представлений. Прежде чем обсуждать физические законы ОТО, предложенные Эйнштейном, давайте разберемся, какого же типа информация о мире содержится в словах «физический закон»?

2.1.Структура физических законов.

В классической физике под законом природы понимается соотношение, взаимосвязь между величинами принципиально различной природы, т.е. измеряемыми в принципиально различных экспериментах. Для иллюстрации рассмотрим простой пример: основной закон механики – второй закон Ньютона – , и одно из кинематических соотношений механики – формулу для равномерного движения . Почему же закон Ньютона является законом природы, а кинематическая формула – нет? (Она всего лишь одно из следствий других законов.) Перечислим измерения, которые нужно провести для проверки второго закона Ньютона. До проведения эксперимента мы взвешиваем тело, определяем массу тела и считаем ее в дальнейшем известной. Для проверки же самого закона нужно измерить ускорение в данной точке и силу, действующую на тело в данной точке. Такое локальное в пространстве-времени измерение силы можно провести при помощи динамометра. Но для измерения ускорения в данной точке нужно измерить скорости в соседние, близкие моменты времени, найти разность скоростей и разделить ее на промежуток времени. Оказывается, что измерение ускорения не строго локально во времени, а измерение силы – локально в пространстве-времени. Измерения же скорости не строго локально и в пространстве, и во времени, поэтому и измерения ускорения не локальны. Можно сказать, что нелокальные измерения осуществляются путем слежения за телом, изучения его истории, а локальные измерения производятся с привлечением прибора, использующего так называемые пробные частицы с заранее известными реакциями на стандартные воздействия. Измерительная шкала такого прибора (например, динамометра) отградуирована.

Итак, в одном случае прослеживается история изучаемого объекта, а в другом – используются истории движения других (заранее изученных, откалиброванных) объектов. Именно потому, что измерения ускорения принципиально не заменимы измерениями силы и наоборот, мы можем проверить закон Ньютона, сопоставив данные принципиально различных экспериментов. Для кинематического же соотношения и ускорение, и скорость устанавливаются путем слежения за одним и тем же объектом в одном и том же эксперименте, хотя измерения и не локальны. Именно поэтому последнее соотношение и не является законом природы.

2.2. Геометризация тяготения и общий принцип относительности.

В основе ОТО лежит факт, известный еще Галилею: различные тела, независимо от их конкретных свойств, в одном и том же гравитационном поле двигаются совершенно одинаково. Природа этого факта определяется принципом эквивалентности (точного равенства) тяжелой и инертной масс. Инертная масса есть мера инертности тела, определяющая способность тела сопротивляться внешним воздействиям, изменяющим характер его движения. Тяжелая масса имеет статус гравитационного заряда и определяет способность тела воспринимать внешние гравитационные воздействия, меняющие характер его движения. В силу точного равенства этих двух, альтернативных по своему смыслу, характеристик тела оказывается, что свойства движения вообще не зависят от массы. Еще Галилей изучал в своих экспериментах движение тел различной массы в одном и том же гравитационном поле и показал, что тела с разными гравитационными зарядами в гравитационных полях двигаются совершенно одинаково. Другими словами, можно сказать, что траектории движения центра масс этих тел не зависят от конкретных свойств тел. Эйнштейн первым сформулировал вопрос так: если все свойства движения тел не зависят от самих тел, то от чего же они зависят? Логически рассуждая, получаем ответ в единственном варианте: свойства движения тел зависят только от свойств самого пространства-времени, в котором они движутся. Для получения иного ответа мы просто не имеем других физических понятий и философских категорий. Известные нам категории пространства-времени, материи, движения, причинности и т.д. сами по себе не дают ключ к пониманию универсальности движения различных тел в гравитационных полях. Поэтому только идея Эйнштейна является логически приемлемой. Но, приняв этот единственно возможный вариант ответа, приходим вслед за Эйнштейном к пониманию того, что искривленность траекторий и неравномерность движения отражают искривленность самого пространства-времени.

Принцип эквивалентности имеет еще одно, более глубокое физическое содержание – он включает утверждение о локальной эквивалентности гравитационного поля и неинерциальных систем отсчета (СО). Из механики известно, что понятие силы, как физической величины, определено только в инерциальной системе отсчета, и там сила есть мера механического воздействия одного тела на другое, и сила всегда вызывает ускорение. Рассмотрим, однако, несколько иную ситуацию: предположим, что у нас есть материальное тело, и сумма действующих на него сил равна нулю. То есть относительно некоторой инерциальной СО оно движется равномерно и прямолинейно.

Посмотрим на движение этого тела из неинерциальной СО, которая движется с ускорением относительно инерциальной СО. Ясно, что с точки зрения наблюдателя, «живущего» в неинерциальной СО, тело двигается с ускорением. По традиции наличие ускорения связывают с существованием силы, и потому говорят, что, с позиции ускоренного наблюдателя, на тело действуют силы инерции. Обратим внимание на одну общую черту между силами инерции и силами гравитационного поля, эта общая их черта – универсальность воздействия. Но только в случае гравитации речь идет о реальном воздействии, а в случае сил инерции о некоем кажущемся действии (действие на самом деле оказывается на саму СО, но наблюдателю удобнее представить, что действие оказывается на изучаемые тела). Принимая такую договоренность, отметим, что действие сил гравитации, как и действие сил инерции, не зависит от свойств тел. В первом случае (для сил гравитации) в основе действия лежит факт эквивалентности тяжелой и инертной масс. А во втором случае понятно, что силы инерции вообще фиктивны. Однако формальное математическое описание этих сил одинаково. При изучении перемещений тел в небольших участках пространства-времени именно это свойство позволяет для любого гравитационного поля найти неинерциальную СО, в которой силы инерции полностью скомпенсируют силы гравитации. Хорошо известно, что такой СО является, например, свободно падающая СО. Все, кто имел дело с невесомостью (лучше всех об этих явлениях знают космонавты), убеждались в этом непосредственно.

Рассмотрим общий случай, когда есть и гравитационное поле и некоторая неинерциальная СО. Ясно, что характер наблюдаемого движения тел из некоторой другой, произвольной, СО будет определяться и реальными гравитационными силами, и фиктивными силами инерции. Все СО, кроме свободно падающих, именно таковы. В общем случае субъект познания должен находиться как раз в таких СО. Очевидно, что такой субъект должен при этом иметь способности объективно познавать мир. В классической физике подразумевается, что дело обстоит именно так. Однако возможность осуществления процесса познания у него имеется лишь в одном случае – если законы природы, которые он собирается установить, выглядят совершенно одинаково в различных СО. Иначе говоря, переходя на язык математики, законы природы должны быть форминвариантны относительно произвольных преобразований координат, соответствующих произвольным преобразованиям СО. Таким образом, мы формулируем очень важный принцип симметрии, лежащий в основе теории гравитации. Физический смысл симметрии законов природы относительно преобразований координат состоит в том, что эти законы можно изучить в любой системе отсчета. Это утверждение, согласно Эйнштейну, носит название общего принципа относительности.

Закон природы, который устанавливается в ОТО, есть закон искривления пространства-времени. Это искривление порождается самими телами, находящимися в пространстве-времени и обладающими массой, энергией и импульсом. Заранее ясно, что в слабых гравитационных полях закон Эйнштейна должен переходить в закон тяготения Ньютона, который показывает, что силовая характеристика гравитационного поля определяется массой тела, создающего это поле. В трактовке же теории Эйнштейна гравитация есть мера искривленности пространства-времени. Поэтому мы говорим, что материальные тела искривляют пространство-время в своей окрестности. При этом учитывается, что пространство-время есть единое 4-мерное многообразие, и массивные тела, искривляющие его, могут двигаться с релятивистскими скоростями, сравнимыми со скоростью света. Однако следует иметь в виду, что масса есть всего лишь одна составляющая полной энергии тел, а именно, энергия покоя, и что бывают ситуации, когда энергия покоя тела мала по сравнению с его полной энергией. Вследствие этого и степень искривления пространства-времени вокруг тела должна определяться не массой, а энергией-импульсом этого тела, то есть величиной, полностью характеризующей его движение относительно других тел.

Таким образом, закон тяготения Эйнштейна должен связывать между собой геометрические характеристики пространства-времени и импульсно-энергетические характеристики материальных тел, движущихся в этом пространстве. Отсюда видно, что закон Эйнштейна удовлетворяет условиям, предъявляемым к законам природы – физические величины, входящие в уравнения Эйнштейна, измеримы в принципиально различных экспериментах. Первый объект, доступный измерениям при установлении закона – это геометрия пространства-времени, которая устанавливается путем изучения движения пробных частиц в пространстве-времени, точнее, изучается их реакция на искривление пространства-времени. Эти измерения в некотором смысле эквивалентны измерению силы, так как в теории гравитации силовое воздействие заменяется геометрическим. Второй тип измерения – измерение характеристик источников гравитационного поля, то есть материальных тел, искривляющих пространство-время. Тела нужно пересчитать и установить характер их движения. Измерения характеристик тел аналогичны измерению ускорения, правда, добавляется еще процедура их пересчета. В данном случае оба типа измерений нелокальны, только в одном из опытов мы следим за историей объекта, а в другом изучаем реакцию пробных частиц. Нелишне еще раз подчеркнуть, что этот закон природы должен быть форминвариантен по отношению к преобразованиям координат.

Для более подробного описания теории Эйнштейна необходимо ввести набор основных характеристик геометрии пространства-времени. Ими являются метрика, связность и кривизна, как функции пространственных координат и времени . Значок над символом означает, что каждая из этих величин задается не одной, а несколькими функциями координат. В математике такие объекты называют тензорами. Метрика задает расстояния между точками пространства-времени, связность описывает влияние искривленности пространства-времени на процесс переноса тел из одной точки в другую, кривизна пространства-времени является истинной мерой гравитационного поля. В различных СО метрика и кривизна могут выглядеть совершенно по-разному, однако из кривизны, точнее из задающих ее функций, можно составить величины, не зависящие от СО, то есть одинаковые для всех наблюдателей. Эти величины называют инвариантами кривизны. Кроме геометрических характеристик, в теории Эйнштейна фигурирует еще один набор функций, задающих состояние вещества и негравитационных силовых полей, существующих в пространстве-времени и искривляющих его (о них говорят как об источниках гравитационного поля). Под состоянием источников гравитационного поля имеются в виду общее количество частиц, их распределение в пространстве, характеристики их движения, силовые поля, порождаемые частицами, и т.д. Математическое описание источников осуществляется тензором энергии-импульса .

Исходя из идеи, что искривление пространства-времени осуществляется веществом и физическими (негравитационными) полями, Эйнштейн предложил тензорные уравнения:

где – характеристика источников, а – тензор Эйнштейна, построенный из функций, задающих кривизну пространства-времени; – постоянная тяготения Эйнштейна, которая связана с постоянной тяготения Ньютона соотношением . А.Д Сахаров обратил внимание, что теорию Эйнштейна можно интерпретировать как теорию упругости пространства-времени. Действительно, искривление пространства-времени, по аналогии с искривлением макроскопических тел, можно рассматривать как один из видов деформаций пространства-времени, а вещество и силовые поля, находящиеся в пространстве, как источники деформации. В рамках этой интерпретации легко заметить, что теория Эйнштейна аналогична закону Гука: величина локальной деформации прямо пропорциональна количеству источников, осуществляющих эту деформацию. Кстати, в рамках этого подхода А.Д.Сахаровым была поставлена задача о вычислении постоянной упругости (т.е., постоянной Эйнштейна) на основе более фундаментальной теории, учитывающей структуру физического вакуума. Постановка этой проблемы до сих пор актуальна.

3.Принципы теоретической космологии.

Формулировка Альбертом Эйнштейном двух важнейших парадигм теоретической физики – общего принципа относительности и геометризации взаимодействия – стала важнейшим событием науки ХХ столетия. Вместе с основными идеями квантовой теории концепции эйнштейновской теории тяготения создали качественно новую ситуацию в физике и естествознании в целом, обеспечив возможность исследования природы на гораздо более глубоком уровне осмысления. Однако наряду с эпистемологическим значением, теория тяготения Эйнштейна имеет и конкретные физические приложения, она позволяет проводить количественный теоретический анализ релятивистских астрофизических объектов: нейтронных и кварковых звезд, черных дыр, сверхмассивных ядер галактик и др. Наиболее же важным является тот факт, что в рамках ОТО становится возможным описание эволюции Вселенной в целом. Существенно при этом, что приближенные теоретические модели массивных астрофизических объектов, разве что за исключением черных дыр, в принципе могут быть, хотя и грубо, построены на основе ньютоновской теории тяготения, однако только в рамках теории Эйнштейна возможно исследование эволюции Вселенной в целом. Этот вывод обусловлен тем, что теория Ньютона оперирует силами, действующими между телами, которые движутся в стационарном пространстве с неизменными во времени свойствами. Вселенная же является существенно нестационарным объектом. С точки зрения теории Эйнштейна нестационарность пространства-времени является одним из проявлений искривленности 4-мерного многообразия, таким образом, данной теоретической концепции имманентно присуща способность описания нестационарной эволюции пространства. Эта особенность теории Эйнштейна и обеспечивает ее использование в качестве рабочего инструмента теоретической космологии. Вместе с тем, адекватное описание Вселенной на разных стадиях ее эволюции возможно лишь при синтезе теории тяготения Эйнштейна с квантовополевой теорией элементарных частиц.

3.1.Синтез теории тяготения Эйнштейна и микрофизики.

Опишем, как синтезируются теория Эйнштейна с теорией элементарных частиц. Предположим, что мы описываем частицы в рамках Стандартной Модели (СМ), тогда элементами теории являются кварки, лептоны и поля, переносящие электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, а также вакуумные подсистемы: хиггсовский конденсат (ХК) и кварк-глюонный конденсат (КГК). Напомним, что природа физического вакуума и частиц подробно обсуждалась в первой части книги в Разделах 2-4.

Первое обстоятельство, которое необходимо учесть – все объекты СМ находятся в самосогласованном гравитационном поле. Под самосогласованием имеется в виду, что гравитация создается квантовыми полями СМ, а динамика квантовых полей в пространстве-времени в свою очередь в принципе учитывает и гравитационное взаимодействие. Полное описание этой физической ситуации, конечно, возможно только тогда, когда гравитационное поле тоже рассматривается с последовательно квантовых позиций. В общем случае, конечно, необходимо иметь в виду, что геометрические объекты – метрика, связность и кривизна – подвержены квантовым флуктуациям так же, как и характеристики кварков, лептонов и силовых полей. Природа этих квантовых флуктуаций, их происхождение предопределены соотношением неопределенности. Имеется, однако, и существенное обстоятельство, которое в значительной мере облегчило исследования физического содержания теории гравитации и ее приложения к реальным астрофизическим и космологическим проблемам. Дело в том, что практически во всех участках ныне существующей Вселенной и почти на всех этапах ее эволюции, за исключением непосредственной окрестности Большого Взрыва, квантовыми флуктуациями метрики, связности и кривизны можно пренебречь. Впрочем, с одной оговоркой – дело в том, что квантовая природа гравитационного поля автоматически обеспечивает существование гравитационных волн и их квантов – гравитонов, безмассовых частиц со спином 2. В окрестности Большого Взрыва гравитоны присутствовали во Вселенной на равных правах со всеми остальными частицами. Поэтому при использовании теории Эйнштейна в задачах космологии мы, вообще говоря, наряду с кварками, лептонами и квантами силовых полей, соответствующих электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиям, должны учитывать и гравитонную компоненту космологической среды. К сожалению, взаимодействие гравитонов с другими частицами настолько слабое, что зарегистрировать присутствие этой компоненты известными и доступными для нас экспериментальными методами не удается (кстати, это же относится и к проблеме регистрации космологических нейтрино). Тем не менее, при теоретическом анализе необходимо в принципе учитывать и гравитоны.

Вернемся к проблеме самосогласованного описания геометрии искривленного мира и элементарных частиц. После выделения гравитационно-волновой компоненты (гравитонного газа) из метрики, связности и кривизны, последние можно рассматривать как чисто классические физические величины, эволюционирующие по детерминистическим законам (все квантовые эффекты учитываются в существовании гравитонного газа). Эволюция усредненных классических геометрических величин теперь определяется не детальными свойствами частиц и вакуума, а некоторыми усредненными их характеристиками. Под усреднением в данном случае понимается усреднение по квантовым флуктуациям. Иными словами, закон эволюции усредненной геометрии определяется усредненным тензором энергии-импульса плазмы элементарных частиц. Такой подход оказывается достаточно точным для описания макроскопических свойств Вселенной, он не применим только в самой малой окрестности Большого Взрыва, где необходим принципиально иной подход, разрабатываемый в квантовой геометродинамике. Подробно мы обсудим эти эффекты ниже в Разделах 2 и 3 третьей части книги. Пока же все обсуждение физической космологии будем проводить в рамках усредненной модели, которую принято называть квазиклассической или полуквантовой. Это название отражает тот факт, что до усреднения тензора энергии-импульса элементарных частиц – источников гравитационного поля – необходимо изучить динамику элементарных частиц с позиций последовательной квантовой теории. Результаты этого исследования позволят прогнозировать свойства космологической плазмы – системы громадного количества элементарных частиц, заполняющих всю Вселенную. Проведение в жизнь этой программы означает, что усредненные по квантовым флуктуациям уравнения Эйнштейна дополняются системой уравнений, описывающих свойства вакуума и частиц, и проводится их совместный анализ.

Кроме усреднения по квантовым флуктуациям при построении конкретных космологических моделей иногда используется и усреднение по термодинамическим флуктуациям. Между этими двумя типами усреднения существует принципиальное различие. Первый тип усреднения связан с тем, что для квантовых систем полной информации, позволяющей описывать эти системы в духе традиций классической детерминистической физики, просто не существует. Причину этого большинство физиков-теоретиков, к числу которых принадлежат и авторы этой книги, видят в существовании принципиально неустранимых взаимосвязей между квантовыми объектами и остальным макроскопическим миром, взаимосвязей, которые лишают квантовые микрообъекты собственных классических динамических характеристик. Иными словами, квантовые флуктуации возникают просто потому, что микрообъекты не существуют сами по себе, а только в целостной системе. Имеется, однако, еще один тип флуктуаций, который возникает потому, что часть динамической информации о системе (неважно, классической или квантовой) теряется в силу многочисленных процессов взаимодействий между самими микрообъектами. Разумеется, такая потеря информации может как происходить, так и не происходить. Все зависит от условий существования этих объектов. Опыт исследования макроскопических систем, сформулированный в терминах так называемой эргодической гипотезы, говорит о том, что потеря информации происходит тогда, когда за характерное время изменения макроскопических условий микрочастицы успевают много раз провзаимодействовать друг с другом. В результате этих взаимодействий далекая история эволюции микрообъектов становится вроде бы и не важна. Принимая эргодическую гипотезу, можно перейти от точного микроскопического описания, в котором используется усреднение только по квантовым флуктуациям, к статистическому описанию, в рамках которого часть информации о далекой истории системы микрообъектов выбрасывается или учитывается приближенно через значения макроскопических физических величин типа температуры, давления, плотности частиц и пр. Полностью информация об истории системы микрообъектов теряется к моменту достижения этой системой состояния термодинамического равновесия. Поэтому термодинамическое усреднение, как правило, проводится в том случае, когда в рассматриваемой подсистеме микрообъектов происходят процессы релаксации к термодинамическому равновесному состоянию, в ходе которого часть динамической информации теряется. Но ответ на вопрос – можно ли это делать? – зависит от характера взаимодействий в системе. Так, в частности, для гравитонов термодинамическое усреднение проводить нельзя, их взаимодействие с остальными частицами и друг с другом очень слабое, и за все время существования Вселенной гравитоны не испытывают достаточное число соударений, чтобы исказить свое первоначальное распределение по пространству, возникшее в окрестности Большого Взрыва. Именно неравновесный гравитонный спектр и является источником информации непосредственно о Большом Взрыве, но для получения этой информации надо разработать технику регистрации гравитонов. Возможно существование и других подсистем, которые не находятся в равновесии друг с другом и внутри себя. О некоторых из них мы поговорим позже.

Перейдем теперь к космологическим решениям уравнений Эйнштейна. Нужно отметить, что основные решения, на которых базируется современная космология, были найдены теоретически. Занимались их поиском Эйнштейн, Фридман, де Ситтер, Робертсон и Уокер и др. Теоретические поиски были основаны, прежде всего, на критерии простоты, отбирались наиболее простые в математическом отношении решения, описывающие Вселенную в целом. Сегодня мы оцениваем теоретические модели с точки зрения экспериментальных данных, сейчас возможности астрономических наблюдений таковы, что наблюдательные данные могут зафиксировать адекватную модель. Отдавая должное основателям теоретической космологии, опишем вначале результаты наблюдательной космологии. Объектами исследования являются галактики и их скопления, распределенные в той части Вселенной, которая доступна наблюдению.

Прежде всего, необходимо обратить внимание на три принципиальных факта, предопределяющих облик современной космологии:

1) на масштабах, заметно превышающих среднее расстояние между скоплениями галактик, распределение галактик по небу является изотропным, т.е. не зависит от направления луча зрения; 2) нет также и никаких наблюдательных указаний на то, что это распределение неоднородно – вдоль каждого луча зрения скопления галактик находятся на примерно одинаковых расстояниях друг от друга; 3) Вселенная нестационарна; все галактики удаляются друг от друга, причем скорость V удаления далекой галактики от нашей пропорциональна расстоянию R до этой галактики: V= Н×R, где Н – так называемая постоянная Хаббла (названа по имени астронома, открывшего эффект разбегания галактик).

Первые два факта позволяют предположить, что распределение вещества везде во Вселенной в среднем (!) однородно и изотропно (заметим, что здесь мы говорим уже о третьем типе усреднения – по пространственным масштабам). Третий наблюдательный факт имеет далеко идущие последствия для научного мировоззрения. Формально, с точки зрения земного наблюдателя, ситуация выглядит так, как будто бы все галактики и их скопления разбегаются от некоторого центра, находящегося на Земле. Наверное, если бы вдруг такой факт был бы известен до Коперника, то человек того времени решил бы, что он находится в центре мира. Сегодня мы уже давно ушли от гео-, гелио- и даже галактикоцентризма. Понятно, что наша Галактика ничем не лучше и не хуже миллионов других видимых галактик. Поэтому естественно сделать вывод, что аналогичная картина разбегания галактик по закону Хаббла будет одинакова для любых наблюдателей в любых галактиках. Это означает, что в действительности имеет место не расширение вещества, а расширение самого пространства. Движение вещества лишь сопутствует расширению пространства. С точки зрения теории Эйнштейна расширяющееся 3-мерное пространство есть один из вариантов искривленного 4-мерного пространства-времени. В данном случае искривленность 4-мерного многообразия проявляется как нестационарность 3-мерного многообразия.

Имеется очень простая модель однородного изотропного 2-мерного пространства, которое к тому же и нестационарно. Каждый из нас в детстве неоднократно имел дело с такой моделью. Речь идет об обычном резиновом надувном шарике. Для простоты будем считать его поверхность сферой (пренебрежем его эллиптичностью). Поверхность шарика двумерна, и, как нетрудно заметить, это 2-мерное пространство однородно и изотропно. Его свойства одинаковы в различных точках этой сферы, из любой точки сферы видно, что ее свойства одинаковы вдоль любых направлений. Для определения расстояний на сфере можно выбрать любые точки, соединить их дугой, а длину дуги и считать расстоянием между точками. Каждый из нас видел такие шарики и развлекался в детстве, надувая их. При этом, конечно, поверхность шарика растягивалась, оставаясь при этом однородной и изотропной, а расстояние между двумя выделенными точками увеличивалось. Если бы на эти точки мы приклеили по маленькой горошине (модель материального тела – галактики!), то увидели бы, как горошины-«галактики» в процессе надувания шарика удаляются друг от друга, оставаясь в покое относительно его поверхности. Этот эксперимент многократно воспроизводился нами (локально воспроизводимый эксперимент!) и наглядно демонстрировал, каким образом расширение самого пространства приводит к кажущимся перемещениям тел. Будучи 3-мерными существами, мы можем представить себе динамику 2-мерного пространства, динамика же 3-мерного пространства уже наглядно не представима. Однако вовсе не обязательно видеть ее со стороны, само существование нестационарного пространства можно установить, наблюдая нестационарность геометрических фигур, построенных из элементов этого пространства. В примере с 2-мерием элементами таких фигур есть одномерные дуги, соединяющие горошины, для реального же пространства Вселенной – это линии, соединяющие галактики.

Конечно, реальные галактики не находятся в состоянии покоя относительно расширяющегося пространства, они имеют и собственное движение, называемое астрономами пекулярным. Закон Хаббла относится к движению, вызванному расширением самого пространства, а пекулярные движения накладываются на него, как некоторые флуктуации. Астрономы в принципе научились отделять пекулярные движения от эффекта расширения самого пространства. Наконец, для полноты картины, укажем еще один важнейший факт наблюдательной космологии – существование реликтового излучения. Оказывается, вся Вселенная заполнена фотонным газом, распределение которого во Вселенной в высокой степени однородно и изотропно. Этот факт явно свидетельствует о том, что Вселенной органично присущи свойства однородности и изотропности; а наблюдаемые неоднородности в виде галактик и их скоплений имеют статус вторичных эволюционных эффектов.

Одних только перечисленных экспериментальных данных достаточно, чтобы сделать экстраполяцию назад во времени. Очевидно, что на более ранних этапах существования Вселенной галактики находились ближе друг к другу, а фотонный газ был более сжат. Более сжатому состоянию фотонного газа соответствует и более высокая температура. Сегодня температура фотонного газа, согласно наблюдениям, составляет 3 градуса по шкале Кельвина, раньше она, конечно, была намного выше. Экстраполяцию назад во времени нетрудно сделать до того момента, когда расстояния между скоплениями галактик будут порядка их размеров. Ясно, что для более ранних эпох мы уже не можем говорить о крупномасштабной структуре Вселенной в виде галактик и их скоплений. В сильно сжатом космологическом веществе эти структуры существовать не могут. Отсюда следует, что крупномасштабная структура Вселенной – это результат некоего эволюционного процесса. На ранних стадиях, когда этой структуры еще не было, вся Вселенная была заполнена космологической плазмой, однородность и изотропия которой была такой же, как и у наблюдающегося сегодня реликтового излучения.

3.2.Изотропные космологические модели. Проблема фиксации топологии.

Для эпох эволюции Вселенной, когда степень ее однородности и изотропности была высока, можно построить достаточно точные космологические модели, описывающие Мир в целом. Ясно, что в этих моделях разумно предполагать однородность и изотропию 3-мерного нестационарного пространства. Если при этом также предполагать и термодинамическое равновесие космологической плазмы, то ее свойства можно задать просто уравнением состояния: давление плазмы p является функцией ее плотности энергии e, p = f(e). Наши знания о плазме элементарных частиц свидетельствуют о том, что, за исключением ряда выделенных эпох, называемых релятивистскими фазовыми переходами, связь между давлением и плотностью энергии достаточно проста и приближенно задается уравнением , где 0<n<1. Для моделей такого типа легко найти решение уравнений Эйнштейна. Соответствующие космологические модели называются моделями Фридмана-Робертсона-Уокера.

Даже в рамках простой изотропной космологии сразу же возникает проблема, которая до сих пор не имеет окончательного решения. Проблема эта родилась на кончике пера, а суть ее в том, что недостаточно задать 3-мерную геометрию как однородную и изотропную. Кроме этого нужно задать еще и топологические свойства 3-мерного пространства. Самая простая топология – евклидова. Этому соответствует модель Вселенной, в которой 3-мерное пространство в каждый момент времени обладает свойствами обычного евклидова пространства, изучаемого нами еще в школе. От теории Эйнштейна в эту модель добавляется только учет нестационарности пространства. На уровне 2-мерной модели этому соответствует плоскость, изотропно растягиваемая по всем направлениям. Еще один вариант топологии – это замкнутое 2-мерное пространство, мы его обсуждали на примере раздувающегося шарика. Отметим принципиальное различие между этими двумя моделями – площадь поверхности шарика конечна, а площадь плоскости бесконечна. Аналогично и для Вселенной в целом – оказывается, что существует модель закрытой однородной и изотропной Вселенной, объем которой конечен, и есть модель плоской Вселенной, имеющей бесконечный объем. Заметим, что модели закрытой Вселенной соответствует 3-мерная геометрия Римана. Любые 2 параллельные линии в этой геометрии обязательно пересекаются. В 2-мерном варианте модели (например, на поверхности шарика) все меридианы пересекаются на южном и северном полюсах. Есть и еще один тип топологии – геометрия Лобачевского. Ее 2-мерным аналогом является выпукло-вогнутая 2-мерная поверхность, седловина. Этой геометрии соответствует 3-мерная Вселенная, называемая открытой, объем которой, как и объем евклидовой Вселенной, бесконечен.

Возникает естественный вопрос: в какой же Вселенной мы живем – открытой, закрытой или евклидовой? В принципе на этот вопрос можно ответить, сравнивая экспериментальные данные по расширению Вселенной и данные по количеству вещества в ней. В рамках теории Эйнштейна по некоторым причинам, о которых мы скажем ниже, этого до сих пор не удалось сделать, так что вопрос открыт. В этой ситуации приходится обратиться к теоретическим соображениям. Первое из них апеллирует к так называемому здравому смыслу. Зададим два вопроса: 1) может ли в бесконечном пространстве распределение вещества и излучения быть строго однородным и изотропным? и 2) из каких предпосылок следует исходить при поисках ответа на первый вопрос? Одна из возможных предпосылок состоит в принятии постулата о существовании некоторого начального состояния Вселенной и в отказе от выяснения ее предшествующей истории. Фактически, это предположение о том, что наука оперирует с временной шкалой, имеющей начало, и вопрос о том, что было до начала, объявляется не имеющим физического смысла. Тем самым, в науку вводится элемент веры, а поверить всегда психологически легче в нечто простое. С этой точки зрения однородное и изотропное состояние бесконечного пространства, разумеется, выделено. И все другие состояния кажутся сомнительными. К прямо противоположному выводу мы приходим, пытаясь указать конкретные физические причины возникновения однородного и изотропного состояния. Это – вторая из возможных предпосылок, которая, кстати, возникает как следствие экстраполяции нашего опыта локальных исследований. Этот опыт говорит о том, что однородное и изотропное состояние возникает в пространственно ограниченной физической системе, в которой, во-первых, между всеми элементами установлены причинно-следственные отношения, а, во-вторых, протекают, так называемые, релаксационные процессы, выравнивающие параметры подсистем, входящих в систему. В рамках этой предпосылки следует признать, что на основе имеющихся знаний на первый вопрос можно дать лишь отрицательный ответ. Если не верить в акт творения изначально однородной и изотропной Вселенной, то остается предположить, что однородность и изотропия вещества во Вселенной может возникнуть только в результате определенных физических процессов, выравнивающих в пространстве значения физических величин, характеризующих состояние материи. Но такое выравнивание происходит только вследствие взаимодействий, а они распространяются с конечной скоростью. Поэтому никакие физические взаимодействия не смогут обеспечить однородность и изотропность всего бесконечного пространства. Если мы все же хотим использовать такую модель, то придется призвать на помощь сверхъестественные силы (то есть, как указано выше, обратиться к элементам веры), так как естественных причин установления однородности и изотропии в бесконечном пространстве мы не знаем. С учетом этого обстоятельства сегодня мы вынуждены предполагать, что Вселенная либо замкнута, и тогда на очень ранних стадиях эволюции в принципе могли быть процессы, обеспечившие ее однородность и изотропию, либо, если Вселенная бесконечна, однородности и изотропности на самом деле нет, а видим мы их лишь на своем участке Вселенной. Другие же участки, где распределения вещества и излучения отличны от наблюдаемых в нашей части Вселенной, нам пока просто недоступны для изучения.

Для однородной и изотропной Вселенной левая часть уравнений Эйнштейна пропорциональна сумме квадрата постоянной Хаббла и второго специфического слагаемого, содержащего информацию о топологии Вселенной. Правая часть уравнений пропорциональна полной плотности энергии всех видов вещества и физических полей. Эти величины можно измерить по отдельности: постоянная Хаббла измеряется по скоростям разбегания галактик, а плотность энергии материи – путем пересчета звезд. Евклидово 3-мерное пространство реализуется, когда квадрат постоянной Хаббла строго пропорционален плотности энергии материи. Соответствующая этому состоянию пространства плотность называется критической.

Под термином «постоянная Хаббла» имеется в виду то, что одной и той же величиной Н определяются скорости разбегания любых галактик независимо от их расположения в пространстве. Однако эта величина различна в разные эпохи эволюции Вселенной, т.е. она является функцией времени. Приводящееся обычно ее значение соответствует сегодняшней Вселенной, на более ранних этапах эволюции эта величина была больше. Зависимость Н от времени позволяет вычислить возраст Вселенной, начиная от момента Большого Взрыва. Моменту Большого Взрыва сопоставляется так называемая космологическая сингулярность – состояние Вселенной, в котором плотность материи и скорость расширения являются бесконечными. Формально математически сингулярность соответствует акту творения Мира, при этом предполагается, что в один и тот же момент времени возникают и пространство-время, и материя в нем. Основанием для такой, весьма непривычной для физики, трактовки является тот факт, что космологические решения уравнений Эйнштейна отсутствуют для момента времени, предшествующего сингулярности. Более подробно мы будем обсуждать процесс рождения Вселенной в Разделах 2, 3 третьей части. В соответствии с современными наблюдательными данными Большой Взрыв произошел примерно 12-15 млрд. лет тому назад.

Если плотность энергии больше критической, Вселенная закрыта, если меньше – открыта. В принципе величина плотности энергии материи экспериментально измерима, но в ее определении имеются и сложности. Дело в том, что эти измерения должны быть очень точны, т.к. даже незначительное отклонение плотности от критической величины качественно меняет топологию. Точно измерить постоянную Хаббла можно, только если одновременно измерять и скорость, и расстояние до разбегающихся галактик, но ошибки в измерениях достаточно заметны, хотя точность измерений все время повышается. Еще сложнее измерить плотность энергии материи, проблема не сводится к пересчету всех звезд в некотором участке пространства и выполнению усреднения. Есть и еще носители плотности энергии, не сводящиеся к обычному веществу. Эта проблема будет обсуждаться в Разделе 6.

Бесконечность однородной изотропной Вселенной не поддается человеческому воображению, с точки зрения современной физики мы лишь описываем участок Вселенной. В пользу замкнутой модели имеются аргументы и физического, и философского характера, апеллирующие к квантовой геометродинамике и концепции рождения Вселенной из «Ничего». Они также будут обсуждаться в Разделах 2, 3 третьей части книги.

Под влиянием экспериментальных данных в теоретической космологии появилась еще одна проблема. Дело в том, что наблюдатели-астрономы, измеряющие постоянную Хаббла и плотность материи во Вселенной, оперируют, прежде всего, с числами, получаемыми из наблюдений, а не с теоретическими и философскими концепциями. Среди этих ученых распространено предположение, что Вселенная, скорее всего, является открытой. Под этим понимается, что темп расширения Вселенной соответствует классическим уравнениям Эйнштейна для открытой модели Фридмана. Но может ли топология Вселенной быть на самом деле замкнутой, а ее динамические свойства при этом остались бы такими же, как у классической открытой модели? Оказывается, что квантовая теория вакуума, деформированного гравитационным полем, допускает такую возможность. Не исключено, что одних только наблюдательных данных по постоянной Хаббла и плотности материи будет недостаточно для выбора топологии изотропной Вселенной, окончательная же фиксация теоретических моделей станет возможной только после существенного прогресса в понимании физики вакуума. К физике вакуума относится также и природа особых точек на временной шкале космологической эволюции, соответствующих перестройкам структуры вакуума и, соответственно, резким изменениям свойств возбуждений вакуума – элементарных частиц. Эти особые точки во фридмановской космологии не учитываются, и физические процессы в их окрестности требуют отдельного анализа.

Помимо однородных и изотропных (фридмановских) моделей, в число теоретических основ космологии входит еще и теория гравитационной устойчивости. Ее задачей является прослеживание эволюции в пространстве и времени малых пространственно неоднородных возмущений, наложенных на однородный и изотропный фон. Эта теория была построена Е.М.Лифшицем. Крупномасштабная структура Вселенной в виде галактик и их скоплений возникла в результате эволюции этих возмущений, которые, будучи малыми на ранних стадиях, постепенно нарастали и, в конце концов, привели к гравитационному обособлению значительных масс вещества. Факт существования малых возмущений на ранних стадиях эволюции в начале 90-х годов был установлен с помощью спутниковых экспериментов. Почему физические условия во Вселенной позволили поставить такой эксперимент – это мы узнаем из следующего раздела. В теоретическом осмыслении нуждается сам факт существования малых возмущений на однородном фоне – должен существовать какой-то физический процесс, генерирующий эти флуктуации. Изучение физической природы этого процесса является сложной космологической проблемой, не имеющей и сейчас окончательного решения.

4.Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.

Создание и экспериментальная проверка Стандартной Модели элементарных частиц открыли новые главы космологии. Появилась возможность в уравнения изотропной Вселенной (в правую часть уравнений Эйнштейна, содержащую тензор энергии- импульса квантовых полей) включить известную информацию о свойствах частиц и взаимодействий. Космологические решения уравнений Эйнштейна описывают нестационарную Вселенную, в которой в процессе расширения остывание плазмы сопровождается несколькими перестройками структуры физического вакуума. Но, прежде чем описывать эти явления, остановимся сначала на специфических свойствах этого решения – присущих ему формальной неограниченности температуры и плотности космологической плазмы и кривизны пространства-времени.

Как уже отмечалось выше, теория расширяющейся Вселенной предсказывает наличие сингулярности – точки на временной шкале, в которой плотность энергии плазмы, ее температура обращаются в бесконечность, как и кривизна пространства-времени. Формально математически момент сингулярности соответствует моменту рождения Мира. Продолжить эти космологические решения за сингулярную точку математически невозможно. В рамках этой теории в точке сингулярности Вселенная рождается вместе с веществом. Изменения количества вещества в дальнейшем незначительны, и могут быть учтены в рамках теории элементарных частиц. Проблема первых мгновений жизни Вселенной – это отдельная космологическая проблема, которая так и называется – проблема рождения Вселенной. Ее мы обсудим отдельно. Космологическая теория, в которой учитываются хорошо известные свойства частиц и взаимодействий в 4-мерном пространстве-времени, начинается с того момента, когда температура космологической плазмы примерно равна 1 ТэВ. Это соответствует области энергий частиц, адекватно описывающейся СМ. Мы ранее уже говорили (см. Разделы 3, 6 и 7 первой части книги), что СМ неизбежно должна быть расширена и обобщена. На основе известных экспериментальных данных можно быть уверенным, что расширения и обобщения нужны для описания явлений, происходящих при энергиях, заметно больших 1 ТэВ. При меньших же энергиях, как кажется, СМ работает неплохо, хотя и это может стать неверным при дальнейшем прогрессе эксперимента. В настоящее же время прямые экспериментальные данные, неинтерпретируемые в рамках СМ, отсутствуют.

Что же такое энергия в 1 ТэВ? Во Вселенной температура в 1 ТэВ достигается через 10^-14 сек от момента космологической сингулярности. Заметим, что по множеству астрономических наблюдений мы уверены, что возраст Вселенной порядка 12-15 млрд. лет. У нас имеется Стандартная Модель частиц и взаимодействий, которая описывает эволюцию Вселенной, начиная от 10^-14 сек, до, примерно, 15 млрд. лет. Но при этом у нас нет теории, которая описывала бы эволюцию от сингулярности, t=0, до границы применимости СМ, t=10^-14 сек! С точки зрения здравого смысла кажется, что особых проблем в космологии нет, «интуиция подсказывает», что можно легко пренебречь малой величиной 10^-14 сек. Казалось бы, что особенного могло произойти за этот малый промежуток времени? В этом рассуждении имеется достаточно простой парадокс – при обсуждении эволюции объектов мы интуитивно пользуемся так называемым биологическим временем, которое имеет свой собственный масштаб. Он определяется характерными временами протекания процессов внутри человеческого мозга. Эти характерные времена заполняют шкалу от атомно-молекулярных времен 10^-8 сек до времени порядка 100 лет, что соответствует длительности человеческой жизни. Такие масштабы нужны для классификации событий, происходящих внутри нас, макроскопических существ, состоящих из частиц с небольшими энергиями – порядка нескольких электрон-вольт. Но эту же шкалу времени невозможно использовать для обсуждения явлений, происходящих во Вселенной при очень высоких плотностях и температурах. Чем выше плотность плазмы и ее температура, тем чаще происходят взаимодействия частиц друг с другом, т.е. различные события. О длительности промежутка времени нужно говорить именно на основании числа произошедших за это время событий. Можно быть уверенным, что за время от t=0 до t=10^-14 сек событий произошло даже больше, чем от t=10^-14 сек до наших дней. К этому выводу нас приводит современная теория, точнее, ее разумная экстраполяция в область высоких энергий. Поэтому проблема рождения Вселенной, ее эволюция от сингулярности до энергий порядка 1 ТэВ представляет собой отдельную и очень серьезную научную проблему. В этот промежуток времени и сформировались основные ключевые свойства наблюдаемой Вселенной. В остальное время лишь принимало конкретные формы все то, что потенциально было заложено к моменту времени, соответствующего энергиям в 1 ТэВ. Такую реконструкцию событий мы можем провести достаточно полно на основе существующей теории.

4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.

Для космологической плазмы температура Т_с = 100 ГэВ (примерно 10¹⁵ К) является выделенной, в определенном смысле даже критической. Дело в том, что при очень высоких температурах, больших Т_с, существование ХК энергетически невыгодно. Геометрическая структура расслоений пространства-времени, соответствующих слабому взаимодействию, при таких температурах не деформирована. При отсутствии деформаций все частицы, составляющие космологическую плазму, не имеют массы покоя. Такое состояние плазмы (без ХК) называется высокосимметричным. Однако при понижении температуры до Т_с высокосимметричное состояние становится неустойчивым, поэтому в вакууме обязательно образуется ХК и, как следствие, существенно изменяются свойства элементарных частиц и термодинамические свойства плазмы в целом. Новое состояние плазмы называется низкосимметричным. В низкосимметричной фазе частицы уже имеют ненулевые массы покоя. Правда, значения этих масс отличаются от тех, которые мы измеряем в современном эксперименте. Это связано с тем, что ХК, возникший в высокотемпературной плазме при Т=Т_с, еще далек от того состояния, которое он приобретает при температурах, близких к нулю. Массы же частиц, как мы знаем, возникают в результате взаимодействия квантовых полей с ХК.

Описанные изменения состояния вакуума и плазмы элементарных частиц, происходящие при Т=Т_с, называются релятивистским фазовым переходом (РФП) из высокосимметричной фазы в низкосимметричную. Честь теоретического открытия РФП принадлежит российским физикам Д.А.Киржницу и А.Д.Линде. Как показали дальнейшие исследования, процессы РФП играют ключевую роль в формировании наблюдаемых свойств Вселенной. Прежде чем обсуждать космологические последствия РФП, отметим, что вышеописанная картина РФП с образованием ХК является неполной. В этой картине учитываются эффекты, нарушающие симметрию расслоений пространства-времени, соответствующих электромагнитным и слабым взаимодействиям, но не содержатся весьма важные физические явления, связанные с квантово-топологическими свойствами расслоений пространства-времени.

К счастью у нас есть возможность детально изучить квантово-топологические свойства расслоений на примере другого РФП, о неизбежности которого нам достоверно известно. Речь идет о фазовом переходе в кварк-глюонной плазме при температурах порядка Т₀=200 МэВ. Заметим, что величина Т₀ примерно в 500 раз меньше температуры, при которой образуется ХК.

В реальной Вселенной переход кварк-глюонной плазмы в адронную фазу происходит при охлаждении плазмы. Для удобства рассуждений рассмотрим обратный процесс – кварк-адронный переход при нагревании адронной плазмы. При низких температурах адронная плазма в основном состоит из протонов, нейтронов и пи-мезонов. Отметим, что все перечисленные частицы, будучи составными, имеют конечные размеры – их диаметр порядка 10^-13 см. При нагревании плазмы число частиц в ней увеличивается за счет рождения пионных пар, поэтому в более горячей плазме частицы находятся в среднем ближе друг к другу. Естественно, рано или поздно возникает ситуация, когда характерное расстояние между адронами становится порядка их собственных размеров. Теория надежно предсказывает, что это происходит как раз при температуре Т₀ = 200 МэВ. Ясно, что при более высоких температурах уже нельзя говорить об адронах как об индивидуальных объектах. Они сливаются друг с другом, и кварки, входящие в их состав, коллективизируются, то есть, не привязаны к конкретным адронам, а принадлежат Вселенной в целом. Процесс коллективизации кварков сопровождается рождением большого количества глюонов, их число определяется условиями термодинамического равновесия. Возникающая при этом система называется кварк-глюонной плазмой (КГП).

Заметим, что выше мы описали процесс, который планируется воспроизвести в небольших масштабах в лабораторном (Брукхейвенском) эксперименте. Как было показано в Разделе 5 первой части, этот процесс сопровождается перестройкой структуры кварк-глюонного вакуума. Напомним, что внутриадронный вакуум и внеадронный вакуум имеют различные дионные структуры – внеадронный вакуум есть скоррелированная система дионов, каждый из которых несет как хромоэлектрический, так и хромомагнитный заряд, а внутриадронный вакуум состоит из дионных комплексов, в которых хромоэлектрические заряды скомпенсированы, но хромомагнитные заряды отличны от нуля. Ясно, что после слияния адронов и коллективизации кварков дионные структуры, соответствующие внеадронному вакууму, исчезают, сохраняются только структуры, характерные для внутриадронного вакуума. При дальнейшем повышении температуры энергетически невыгодным становится и существование хромомагнитных дионных комплексов, они разрушаются, после чего КГП уже сильно напоминает обычный идеальный газ. Разрушение хромомагнитных дионных комплексов представляет собой еще один РФП, он происходит, по-видимому, при температуре Т₁ = 500 МэВ.

Вернемся теперь к реальной Вселенной, которая охлаждается в ходе расширения. При понижении температуры до 500 МэВ идеальный кварк-глюонный газ, существующий на фоне бесструктурного вакуума, переходит в кварк-глюонную плазму, взаимодействующую с КГК, состоящим из хромомагнитных дионных комплексов. В таком состоянии плазма находится вплоть до температуры Т₀ = 200 МэВ, при которой расстояния между кварками и глюонами становятся порядка размеров адрона. При еще более низких температурах кварки и глюоны не могут существовать в виде отдельных частиц, перемещающихся на макроскопические расстояния. Деколлективизация кварков, то есть их распределение по отдельным адронам, сопровождается перестройкой кварк-глюонного вакуума. При температурах, больших Т₀, вакуум имел в основном хромомагнитную структуру, дионы собирались в комплексы с нулевым хромоэлектрическим зарядом, именно поэтому кварки и глюоны могли перемещаться на макроскопические расстояния во Вселенной. При меньшей температуре эти комплексы перестраиваются, возникает структура, которая существует и в настоящее время жизни Вселенной, а движение свободных кварков и глюонов уже невозможно. Происходят одновременно два процесса: 1) кварки и глюоны образуют адроны; 2) вакуум приобретает иную дионную структуру, соответствующую фазе конфайнмента. Эти явления одинаково важны и интересны как для физики, так и для космологии.

Один из вопросов физики кварк-адронного фазового перехода обсуждался ранее в Разделе 5 Части 1 в связи с Брукхейвенским экспериментом: дионная структура вакуума, возникающая в ходе кварк-адронного перехода, абсолютно стабильна или может быть метастабильной? Напомним, что существование во Вселенной высокоэнергетических частиц, способных при соударениях порождать КГП, практически однозначно приводит к выводу, что в наблюдаемой части Вселенной кварк-глюонный вакуум имеет стабильную дионную структуру. Тем не менее, некоторые загадки остаются. Может ли быть создан “пузырек” метастабильного вакуума в эксперименте, типа проводящегося в Брукхейвене? То есть, могут ли в области кварк-адронного перехода образовываться метастабильные области вакуума, стабилизированные содержащимся внутри них веществом? Если да, то каково же время жизни таких метастабильных конфигураций? Из общих соображений ясно, что, если возможно существование различных дионных структур вакуума (из которых одна стабильны, а прочие –– метастабильны или нестабильны), то в процессе кварк-адронного перехода могут возникать области метастабильных конфигураций. Насколько долго они живут? Современное состояние знаний о кварк-глюонном вакууме пока не позволяет предсказать времена жизни метастабильных конфигураций. Эти времена могут лежат в интервале от атомных до космологических времен. Точнее теория пока не может сказать ничего. Может быть, что-то прояснит Брукхейвенский эксперимент – если будут обнаружены сгустки КГП, можно будет оценить времена жизни таких образований в зависимости от их материальной “начинки”. Метастабильные состояния кварк-глюонного вакуума, если они действительно существуют в природе, могут существенно повлиять на космологические последствия кварк-адронных переходов.

РФП на энергетических масштабах Т_с = 100 ГэВ (с образованием ХК), Т₁ = 500 МэВ и Т₀ = 200 МэВ (с образованием и перестройкой КГК) предсказываются существующей теорией элементарных частиц – Стандартной Моделью. Характерным следствием любого из этих РФП является возникновение неоднородностей, обусловленное аномальным ростом термодинамических флуктуаций параметров вакуума и плазмы элементарных частиц. Вопрос состоит в том, могут ли эти флуктуации иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной, может ли их эволюция во времени привести к образованию этой крупномасштабной структуры? Ответ на этот вопрос зависит от того, какие пространственные размеры имеют такие флуктуации. При оценке этих размеров часто используется понятие так называемого горизонта событий.

Выше мы уже неоднократно отмечали, что космологические модели содержат особую точку, сингулярность, которая формально сопоставляется моменту рождения Вселенной. Расстояние, которое проходит свет за время от сингулярности до интересующей нас эпохи эволюции Вселенной, называется горизонтом событий этой эпохи. Простые соображения как будто бы с неизбежностью приводят к выводу о том, что причинно связанными могут быть лишь события, лежащие внутри горизонта. Применительно к флуктуациям, возникающим в области РФП, это означает, что характерные масштабы флуктуаций не могут превышать размеры горизонта на момент РФП. В рамках таких представлений следует признать, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестности всех фазовых переходов, предсказываемых СМ, слишком малы, чтобы иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной.

Ситуация, однако, не столь однозначна. Дело в том, что даже имеющиеся наблюдательные данные прямо указывают, что причинно-следственные отношения в ранней Вселенной охватывали области, размеры которых многократно превышали размеры горизонта. В противном случае сегодня мы не наблюдали бы Вселенную однородной и изотропной в среднем. Противоречие между наблюдениями и упрощенным взглядом на процесс установления причинно-следственных связей во Вселенной, основанным только на свойствах сингулярных фридмановских решений уравнений Эйнштейна, носит название проблемы горизонта. Решение этой проблемы ищется в физике ранней и сверхранней Вселенной. Мы коснемся этой проблемы в Разделах 2 и 3 третьей части, а сейчас просто примем, как факт, что размер горизонта на момент РФП не имеет отношения к характерному пространственному масштабу, на котором имеют место причинно-следственные связи. В этом случае вполне можно допустить, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестностях РФП, сопоставимы с параметрами крупномасштабной структуры Вселенной. Это утверждение, однако, сегодня нельзя рассматривать, как научно достоверное, его судьба будет определяться прогрессом в понимании физики ранней и сверхранней Вселенной.

Как мы уже неоднократно отмечали, эволюция Вселенной начинается от состояния с очень большими (формально даже бесконечными) значениями температуры и плотности космологической плазмы. Поэтому неизбежно возникает вопрос о физических явлениях, имевших место при более высоких энергиях, находящихся за рамками СМ. С достаточной долей уверенности можно сделать два утверждения. Во-первых, очевидно, что во Вселенной происходило множество РФП на самых различных энергетических масштабах. Во-вторых, все новые РФП принадлежат к одному их двух типов, аналог которых существует уже в СМ: это либо переходы с образованием ХК, либо переходы с образованием квантово-топологических структур. Однако для изучения РФП, происходящих за пределами СМ, необходимо выяснить, по какому пути пошла Природа: суперструнному или преонному? В Разделах 6, 7 первой части эти альтернативные пути развития фундаментальной физической теории уже обсуждались достаточно подробно. Напомним, что эти альтернативы различаются представлениями о микроструктуре физического вакуума: в суперструнном варианте теории вакуумные подсистемы в основном состоят из объектов типа ХК, а в преонном варианте – из объектов типа КГК. Поэтому необходимо иметь в виду различия в характере и космологических последствиях двух типов РФП.

РФП с образованием ХК принадлежит к так называемым фазовым переходам II рода или, по крайней мере, к переходам, близким ко II роду. Для таких переходов характерна непрерывность или почти непрерывность преобразований свойств вакуума и частиц (ниже мы будем использовать термин квазинепрерывность). В высокосимметричной и низкосимметричной фазах мы имеем один и тот же набор квантовых полей, только в высокосимметричной фазе эти поля не взаимодействуют с ХК (по причине отсутствия последнего), а в низкосимметричной фазе – взаимодействуют. Сам ХК квазинепрерывно возникает в процессе РФП, вследствие чего свойства частиц, взаимодействующих с ХК, изменяются также квазинепрерывно. Квазинепрерывность перехода II рода ограничивает его макроскопические последствия – к вышеописанной генерации флуктуаций в области такого РФП практически добавить нечего.

Второй из обсужденных выше РФП – кварк-адронный переход с образованием и перестройкой КГК – принадлежит к совершенно другому типу. Это так называемый фазовый переход I рода, при котором скачкообразно возникают новые свойства системы. В частности, при этом переходе кварки и глюоны как носители энергии плазмы исчезают, их место занимают составные адроны. Характерная особенность фазового перехода I рода состоит в том, что область перехода на температурной шкале является достаточно широкой, в этой области возможно сосуществование пространственно разделенных различных фаз. Если система, испытывающая фазовый переход, имеет не только стабильные, но и метастабильные состояния, то последние также могут возникать и некоторое время существовать в окрестности перехода. Рано или поздно «островки» метастабильных фаз исчезнут, однако их исчезновение сопровождается мощным энерговыделением. Возможную природу метастабильных конфигураций в области кварк-адронного перехода выше мы уже обсуждали. Если такие конфигурации действительно существовали, то космологическим последствием их распада стало бы заметное увеличение числа фотонов по отношению к барионам.

4.2. Барионная асимметрия Вселенной.

Современная Вселенная состоит из фотонов, нейтрино, электронов и барионов. Фотонную компоненту мы наблюдаем непосредственно, изучая реликтовое излучение Вселенной. Выше уже отмечалось, что реликтовое излучение содержит важнейшую информацию о том, что на ранних стадиях космологической эволюции Вселенная была однородной, изотропной и очень горячей. Нейтринная компонента также могла бы предоставить большое количество информации о свойствах ранней Вселенной, но, к сожалению, сегодня в нашем распоряжении нет методов регистрации реликтовых нейтрино. Тем не менее, мы уверены в существовании реликтовых нейтрино, поскольку нейтринная компонента Вселенной надежно предсказывается экспериментально проверенной СМ. Относительно электронов и барионов (последние входят в состав атомных ядер) нам достоверно известно, что полный электрический заряд этих частиц, содержащихся в наблюдаемой части Вселенной, равен нулю. Это возможно только в том случае, если число электронов точно равно числу протонов. Отметим, что, характеризуя состав современной Вселенной, мы не говорили об античастицах – позитронах и антибарионах. Нет никаких наблюдательных данных, которые свидетельствовали бы о существовании заметного количества антибарионов в наблюдаемой части Вселенной. Об этом факте говорят как о барионной асимметрии Вселенной (БАВ). Вообще говоря, существует и такое понятие как лептонная асимметрия Вселенной (ЛАВ) – число электронов и нейтрино не равно числу позитронов и антинейтрино. Так как окружающее нас вещество может существовать только потому, что входящие в его состав барионы не находят партнеров для процессов аннигиляции – антибарионов, генерация БАВ представляет собой основное явление, предопределяющее структуру современной Вселенной. Ниже мы расскажем, как процесс генерации БАВ порождается взаимодействиями вакуумных структур.

Имеющиеся экспериментальные данные о взаимодействиях элементарных частиц заставляют приписать каждому нуклону так называемый сохраняющийся барионный заряд, антинуклонам приписывается барионный заряд противоположного знака. В процессах, происходящих с изменением числа частиц, барионный заряд сохраняется: если при соударении исходных частиц рождаются новые частицы, то среди родившихся частиц барионы и антибарионы присутствуют в равных количествах. Аналогичная сохраняющаяся характеристика – лептонный заряд – имеется и в мире лептонов, в число которых, в частности, входят электроны и нейтрино.

При повышении температуры космологической плазмы (то есть при рассмотрении эпох эволюции Вселенной, предшествующих современной), число фотонов в ней не увеличивается, возрастает только характерная энергия фотонов. Внимательный читатель, наверное, заметил, что сделанное утверждение справедливо лишь в том случае, если при повышении температуры не происходят фазовые переходы. Забыв на время о фазовых переходах, мы, тем не менее, должны учесть, что при повышении температуры плазмы в ней начинается процесс рождения пар частиц и античастиц. Для рождения пар необходимо, чтобы характерная тепловая энергия фотонов превысила энергию покоя пары «частица+античастица». Ясно, что такое рождение пар не нарушает параметров БАВ и ЛАВ, определяемых следующим образом: ; . В этих формулах – число фотонов в единице объема (их плотность), – плотности барионов и лептонов, – плотности антибарионов и антилептонов. Значение параметра БАВ, соответствующее современной Вселенной, известно из наблюдений: »10⁹. К сожалению, значение параметра ЛАВ неизвестно в силу ненаблюдаемости нейтринной компоненты. Если бы в космологической плазме не происходили фазовые переходы, то параметр сохранял бы свое значение на протяжении всей истории Вселенной. При фазовых переходах, однако, выделяется тепловая энергия, носителем которой являются фотоны. Если переход близок ко II роду, тепловыделение незначительно, при переходах же I рода, в частности, при кварк-адронном переходе, оно весьма заметно. Поэтому наблюдаемое сегодня значение имеет эволюционное происхождение, оно формируется в ходе всех РФП, по крайней мере, за счет увеличения плотности числа фотонов, то есть за счет увеличения числителя в формуле для .

А может ли измениться знаменатель в формуле для ? Казалось бы, странный вопрос – только что мы говорили о законе сохранения барионного заряда в процессах рождения и взаимодействия элементарных частиц. Если этот закон точный, то знаменатель формулы для остается неизменным. Впервые гипотезу о несохранении барионного заряда выдвинул А.Д.Сахаров в 1968 году. Это была смелая гипотеза, потому что не было никаких экспериментальных указаний в ее поддержку, и в то время не было и теоретических концепций, в рамках которых можно было бы ожидать эффекта несохранения барионного заряда. Сейчас прямых экспериментальных указаний на этот эффект нет по-прежнему, но теоретические концепции появились. Однако прежде чем их излагать, опишем три знаменитых условия Сахарова, при выполнении которых барионный заряд, равный нулю в момент рождения Вселенной, генерируется в ходе космологической эволюции. Эти условия таковы:

1) в фундаментальной физической теории должен существовать элементарный процесс на уровне частиц и вакуума, в котором не сохранялся бы барионный заряд частиц;

2) этот процесс должен происходить обязательно в расширяющейся Вселенной, когда характерные энергии частиц и, следовательно, характерные времена процессов с изменением барионного заряда постепенно уменьшаются, чтобы возникшая асимметрия закреплялась;

3) теория генерации БАВ должна быть СР несимметрична, то есть прямые процессы, приводящие к возникновению ненулевого барионного заряда, должны протекать несколько быстрее обратных процессов, в которых этот заряд исчезает (этот пункт условий тесно связан с первым).

В современной физике приняты следующие обозначения: операция С означает замену частиц на античастицы; операция Р осуществляет замену спиновых характеристик частиц на противоположные по знаку. Эти математическим операциям сопоставляются конкретные изменения в системе элементарных частиц. Это конструктивные операции. Кроме этих операций вводится еще и формальная математическая операция обращения времени, обозначаемая символом Т. Изменение хода времени, однако, является условным, в уравнениях теории возможно лишь формально изменить знак времени, точнее, координаты 4-мерного континуума, сопоставляемой времени. Оказывается, что теория элементарных частиц, основанная на квантовой теории поля, обязана быть СРТ-симметричной, т.е. одновременное применение к уравнениям всех вышеуказанных операций должно приводить к тем же уравнениям теории. Если бы по отдельности сохранялись СР- и Т- симметрии, то это соответствовало бы теории, в которой каждому процессу соответствовал бы обратный процесс, протекающий с той же скоростью, что и прямой. На самом деле природа устроена так, что по отдельности СР- и Т-симметрий нет – некоторые обратные процессы на самом деле идут с другой скоростью. В частности, для генерации БАВ необходимо, чтобы процесс генерации барионного заряда в системе частиц протекал с большей скоростью, чем процесс исчезновения барионного заряда из этой системы. Только в этом случае БАВ возникает в ходе космологической эволюции.

Отнюдь не сразу было понято, что все три условия Сахарова выполняются в существующей теории элементарных частиц (в СМ), синтезированной с однородными и изотропными космологическими моделями. Первоначально предполагалось, что генерация БАВ является задачей теории Великого Объединения, в которой различие между кварками и лептонами, с одной стороны, и электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями с другой сглаживается в области сверхвысоких энергий порядка 10¹⁵ – 10¹⁶ ГэВ (Великое Объединение частиц и взаимодействий обсуждалось ранее в Разделе 6 Части 1). Однако более детальные теоретические исследования показали, что эффект генерации БАВ имеет место и в СМ, правда, при условии, что структура ее вакуума в области электрослабого фазового перехода более сложна, чем это предполагалось изначально, и определяется не только возникновением ХК.

Разумеется, мы не можем полностью игнорировать возможность генерации БАВ на масштабе Великого Объединения. Однако в фундаментальной науке строго соблюдается принцип Оккама: новые гипотезы не вводятся без крайней на то необходимости. Любая проблема, прежде всего, должна быть изучена в рамках сложившихся и экспериментально подтвержденных концепций. Только в том случае, когда этих концепций недостаточно, привлекаются новые идеи. Поэтому на современном этапе развития экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц мы обязаны сначала полностью изучить возможности СМ и ее простейших обобщений в решении проблемы БАВ. Именно эти возможности мы сейчас и обсуждаем.

Рассмотрим вначале область высоких температур, существенно больших температуры электрослабого перехода Т_с = 100 ГэВ. ХК в этой области отсутствует; симметрия вакуума и плазмы относительно преобразований в электрослабых расслоениях пространства-времени является точной. Иными словами, соответствующие расслоения не деформированы. Деформации появятся только при температурах ниже 100 ГэВ. Но означает ли отсутствие деформаций и отсутствие вакуумных структур? Нет, не означает, и мы это видели на примере кварк-глюонного вакуума: хромомагнитный КГК существует даже при температурах, больших температуры конфайнмента. Структура этого конденсата определяется квантовыми топологическими флуктуациями в расслоениях, соответствующих хромодинамическому взаимодействию. Естественно возникает вопрос: а существуют ли при высоких температурах (больших температуры электрослабого перехода) квантово-топологические флуктуации, соответствующие слабому взаимодействию? Теоретический анализ показал, что при очень высоких температурах конденсат таких флуктуаций термодинамически невыгоден, но с приближением к температуре 100 ГэВ такой конденсат действительно возникает. Он получил название W-конденсата, буква W здесь указывает, что конденсат образован полями той же природы, кванты которых при низких энергиях мы воспринимаем как W- и Z-бозоны.

Следует подчеркнуть, что сегодня этот вывод имеет чисто теоретический характер и в ближайшее время его экспериментальная проверка не представляется возможной. Аналогичные конденсаты, соответствующие хромодинамическому взаимодействию, планируется изучить в Брукхейвенском эксперименте (см. Раздел 5 Части 1), это возможно, потому что они возникают при температурах, меньших 1 ГэВ. Плазму же с температурой порядка 100 ГэВ, где можно ожидать проявления конденсата квантово-топологических флуктуаций, соответствующих слабому взаимодействию, в обозримом будущем в лаборатории создать не удастся. Тем более важным представляется изучение космологических следствий существования такого конденсата, основным из которых является генерация БАВ.

Наиболее характерное свойство системы, испытывающей квантово-топологические переходы, состоит в том, что в этой системе квантовое топологическое число и барионный заряд не сохраняются по отдельности. Это связано с тем, что в топологически неэквивалентных вакуумах понятие частицы определяется по-разному, частице самой по себе невозможно приписать какие-либо характеристики, не указывая, в каком из вакуумов она существует. Квантовые процессы туннелирования между различными топологическими состояниями, приводящие к образованию W-конденсата, делают вообще неопределенными понятия топологического числа и барионного заряда. Но такая ситуация имеет место только до момента возникновения ХК, то есть до возникновения деформаций слоистой структуры, соответствующей слабому взаимодействию. В момент электрослабого перехода, имеющийся в системе W-конденсат начинает взаимодействовать с возникающим ХК. Кварки, взаимодействуя с ХК, приобретают ненулевые массы покоя, что имеет принципиальное значение для статуса топологически неэквивалентных состояний W полей – неразличимые до этого, теперь они становятся различимы. Каждое из возникших различных вакуумных состояний начинает принимать участие в формировании свойств системы. При этом закон сохранения барионнного заряда (разности между числом кварков и антикварков) видоизменяется с учетом существования топологически неэквививалентных состояний среды, в которой эти кварки существуют. Теперь в законы сохранения равноправно входят как разности чисел кварков и антикварков, так и разности топологических чисел W-вакуумов. Разумеется, в этой ситуации происходят интенсивные взаимодействия между частицами и вакуумом, которые сопровождаются обменами топологическими и барионными зарядами. Этот обмен, однако, продолжается недолго – лишь до тех пор, пока ХК не слишком велик и еще не очень сильно нарушает симметрию в расслоениях. Большой ХК подавляет квантово-топологические переходы, выделяя из всех состояний единственное, которое соответствует низкосимметричной фазе. Но к тому моменту, когда фиксация топологического состояния вакуума будет завершена, этому состоянию можно будет приписать определенный барионный заряд. При этом подсистема частиц получит барионный заряд противоположного знака, то есть в ней симметрия между барионами и антибарионами нарушится. Таким образом, барионная асимметрия вещества Вселенной выступает как следствие топологической и барионной асимметрии вакуума.

Описанные выше физические явления действительно приводят к генерации БАВ только при выполнении условий Сахарова. В рамках обсуждаемого механизма БАВ эти условия приобретают совершенно конкретный характер. Существование процесса, идущего с нарушением барионного заряда (первое условие), обеспечивается обменом барионным зарядом между плазмой и вакуумом. Расширение Вселенной (второе условие Сахарова) обеспечивает критический характер этих обменных процессов в области электрослабого фазового переход; в частности, резкое их затухание после перехода, приводящее к «замораживанию» барионной асимметрии плазмы. Однако достаточная интенсивность этих процессов в непосредственной окрестности фазового перехода достигается только в том случае, если этот переход имеет скачкообразный характер: ненулевой ХК должен при определенной температуре возникать скачком, а не плавно и непрерывно генерироваться, начиная от нулевого значения. Переход такого типа называется переходом I рода, близким ко II роду. Чем больше величина скачка, тем этот переход менее близок ко II роду. Наконец, отсутствие СР-симметрии, обеспечивающее различие в скоростях передачи барионного заряда от вакуума к частицам и наоборот (третье условие), также выполняется в Стандартной Модели. Правда, необходимо иметь в виду, что отсутствие СР-симметрии в СМ тесно связано с существованием 3-х поколений кварков и их смешиванием.

Почему же именно три поколения кварков необходимы для нарушения СР-симметрии? Вообще говоря, полный ответ на этот вопрос требует достаточно детальных знаний квантовой теории поля. Тем не менее, попробуем ответить на него без формул. Прежде всего, напомним, что частицы и античастицы имеют одинаковые массы покоя и одинаковые абсолютные значения зарядов всех типов; знаки зарядов для частиц и античастиц противоположны. Равенство числовых характеристик частиц и античастиц указывает на существование между ними определенной симметрии, которая позволяет описывать частицы и античастицы единым квантовым полем. А вот разбиение этого поля на поля частиц и античастиц формально математически производится неоднозначно. Если бы в СМ фигурировало только одно поколение кварков, то неким определенным образом мы разбили бы кварковые поля на поля кварков и антикварков и дальше работали бы в рамках проведенного разбиения. Любое разбиение единого поля на кварковую и антикварковую компоненты сохраняет СР-симметрию. Более сложная ситуация возникает, когда у нас имеется два кварковых поколения с идентичными свойствами по отношению к фундаментальному взаимодействию, то есть с идентичными наборами зарядов. Возникает вопрос: можно ли поля, принадлежащие к разным поколениям, независимо разбивать на кварковую и антикварковую компоненты с сохранением СР-симметрии? Ответ на этот вопрос не очевиден из общих соображений, но математика СМ показывает, что это возможно. Ситуация радикально меняется при появлении третьего кваркового поколения, обладающего теми же самыми фундаментальными зарядами. В этом случае понятие кварков и антикварков во всех трех поколениях становятся скоррелированными и, как следствие, взаимодействия кварк-антикварковых полей с ХК становятся СР-несимметричными.

Таким образом, факт существования трех поколений имеет абсолютно принципиальное значение для генерации БАВ. Это тем более удивительно, что наблюдаемая барионная асимметрия в современной Вселенной означает неравенство между числами нуклонов и антинуклонов, в состав которых входят только кварки и антикварки первого поколения. Представители второго и третьего поколений в стабильном состоянии в окружающей нас Вселенной не присутствуют. Казалось бы, их вообще можно вычеркнуть из теории, упростив ее, но, как мы видим, такая упрощенная теория перестала бы описывать наблюдаемый мир, она потеряла бы способность объяснить генерацию БАВ. Отметим также, что даже в теориях, описывающих генерацию БАВ на масштабе Великого Объединения, нарушение СР-симметрии происходит только при условии существования трех кварк-лептонных поколений.

Итак, когда речь идет о барионной асимметрии космологической плазмы элементарных частиц, мы не предполагаем исчезновения барионной симметрии Мира в целом. Физическая система состоит из сложной вакуумной системы, имеющей множество подсистем, и сложной системы частиц, также содержащей множество подсистем. Для всей этой системы в целом барионная симметрия сохраняется. Однако различные подсистемы, входящие в ее состав, взаимодействуют и способны обмениваться друг с другом своими характеристиками. Барионная асимметрия в мире вещества возникает постольку, поскольку возникает барионная асимметрия вакуума.

Как видно, существующая теория элементарных частиц предлагает нам вполне определенную картину возникновения барионной асимметрии. Но можем ли мы быть уверены в том, что эта теоретическая картина соответствует реальности? Ответ на этот вопрос сводится к количественным вычислениям и сопоставлению результатов вычислений с наблюдательными данными. В ходе вычислений мы должны использовать количественные характеристики хиггсовского вакуума, к сожалению, однако, эти характеристики как раз и неизвестны. Мы получим их только после экспериментального открытия и изучения всех свойств хиггсовских бозонов. Особенно важно узнать величину массы ХБ, а также установить, действительно ли нарушение СР-симметрии возникает в результате взаимодействия трех кварковых поколений с хиггсовским вакуумом. Таким образом, обнаружение ХБ является не только приоритетной задачей физики элементарных частиц (результат решения этой задачи предопределит дальнейшее развитие фундаментальной физики, см. Раздел 6 первой части), но и позволит понять природу БАВ, как ключевого физического явления, формирующего свойства современной Вселенной. Именно БАВ является тем фактором, который обеспечивает возникновение в Мире структур материи, рождение галактик, звезд, планет и, в конце концов, Жизни и Разума.

В условиях недостатка информации мы можем оценивать ситуацию только на основе экспериментальных ограничений на массу ХБ. К сожалению, по мере того, как экспериментальная нижняя граница массы ХБ поднималась все выше (сейчас известно, что M_H > 105 ГэВ), таяли наши надежды на то, что решение проблемы БАВ может быть найдено в рамках простейшей версии СМ с одним электрически нейтральным ХБ. Дело обстоит так, что при большой массе этого ХБ эффективной генерации БАВ не происходит, потому что в этом случае область электрослабого перехода сильно размыта, и хиггсовский конденсат в ней порождается непрерывно. Образно говоря, в такой модели не происходит сильный «удар» по вакууму, закрепляющий барионную асимметрию плазмы. Не следует, впрочем, оценивать этот результат пессимистично. Напротив, как мы уже говорили в Разделе 6 первой части, почва для пессимистических настроений появится в том случае, если структура вакуума на электрослабом масштабе окажется столь простой, что для ее описания будет достаточно однокомпонентного ХК. В физике частиц мы как раз надеемся обнаружить более сложную структуру вакуума, которая откроет нам пути исследования по суперструнной или преонной программам.

Процесс теоретического исследования генерации БАВ в вариантах СМ с многокомпонентной структурой хиггсовского вакуума еще далеко не завершен. Сейчас можно сказать лишь о том, что в этих вариантах СМ картина фазовых переходов на электрослабом масштабе существенно более сложна, чем вышеописанная. Здесь имеется целая цепочка разнообразных фазовых переходов, детали которой сильно зависят от параметров теории. Об этих параметрах сегодня мы знаем совсем мало, для их установления необходимо экспериментально обнаружить и изучить, по крайней мере, 5 хиггсовских бозонов (в рамках суперструнной программы), или же обнаружить внутреннюю структуру кварков и лептонов (в рамках преонной программы).

Итак, мы использовали Стандартную Модель частиц и взаимодействий для обсуждения космологических явлений на двух характерных масштабах – электрослабом (100 ГэВ) и кварк-адронном (200 МэВ). В обоих случаях теория не только проясняет характер космологической эволюции, но и формулирует целый ряд проблем, решение которых придется искать уже в XXI веке. Определенно ясно лишь то, что прогресс в исследовании этих проблем должен и может быть основан только на достижениях физики вакуума и элементарных частиц.

5.Стандартная Космологическая Модель.

Теперь мы начинаем обсуждение космологической эволюции после электрослабого и кварк-адронного переходов, Т > 10^-6 сек.

Тут предсказания теории уже вполне определенные: практически сразу после кварк-адронного перехода адронная компонента космологической плазмы состоит только из протонов и нейтронов, все остальные адроны к этому моменту уже либо распались, либо проаннигилировали. Поэтому адронная компонента определяется только БАВ. В лептонной компоненте присутствуют некоторое время мюоны, но они тоже довольно скоро распадаются. Космологическая плазма в основном содержит электрон-позитронные пары, фотоны и три сорта нейтрино. У нас есть очень хорошая теория такой плазмы. Отметим, что сразу после кварк-адронного перехода роль протонов и нейтронов в общей плотности энергии плазмы невелика.

Такая плазма называется радиационно-доминированной. В процессе ее охлаждения исчезают условия для существования электрон-позитронных e^-e⁺ пар; когда температура падает до массы покоя пары 2×0.5 МэВ = 1 МэВ, что соответствует примерно 1-2 сек от сингулярности, e⁺e^--пары аннигилируют. В плазме остаются фотоны и нейтрино, а также небольшой избыток электронов, точно равный числу протонов (Вселенная в целом электронейтральна!). И, конечно, протоны и нейтроны. Заметим, что последние можно в данном случае считать стабильными частицами – нейтроны распадаются примерно за 16 мин, а мы сейчас обсуждаем явления с характерными временами от 10^-6 до 1-10 сек.

5.1.Синтез легких элементов.

После кварк-адронного перехода в течение примерно 1 минуты жизни Вселенной основным явлением, происходящим в ней, является нуклеосинтез, т.е. образование из протонов и нейтронов, главным образом, ядер гелия, а также (в малых количествах) дейтерия, лития и бора. Прочих химических элементов производится совсем мало. Этот синтез химических элементов происходит при характерных временах порядка 1–10 сек после Большого Взрыва.

Из космологических наблюдений мы имеем довольно точные знания о количестве гелия, который сформировался в эпоху нуклеосинтеза. Относительно других легких элементов известно, что их сегодняшняя концентрация определяется не только процессами в эпоху нуклеосинтеза, но и некоторыми процессами эволюции звезд, то есть в близкую к нам эпоху. Тем не менее, существуют надежные способы оценок дополнительного производства химических элементов, поэтому, сколько их было произведено в эпоху нуклеосинтеза, мы можем оценить достаточно хорошо. Это означает, что химический состав Вселенной является хорошим тестом для выбора параметров космологической модели. Нуклеосинтез происходит в эпоху, когда подавляющая часть энергии Вселенной содержится в безмассовых фотонах и практически безмассовых нейтрино. В это время энергия нуклонной компоненты космологического газа, точнее, ее относительная величина очень мала. Тем не менее, от этой величины зависит конечный химический состав Вселенной. Изменяя отношение плотности барионов к плотности фотонов и нейтрино , можно получить мир с совершенно другим химическим составом. От величины d зависит относительная концентрация легких ядер в веществе Вселенной. Из всех величин в выражении для d наиболее точно известна плотность числа фотонов n_g – около 500 фотонов в кубическом сантиметре. Это следует из наблюдательных данных по реликтовому излучению. Нейтринная компонента непосредственно не регистрируется, хотя было бы хорошо иметь возможность использовать и методы нейтринной астрономии. Сегодня же мы можем рассчитывать плотность частиц в нейтринном море Вселенной только теоретически. Если свойства нейтрино полностью описываются СМ, то плотность каждого сорта нейтрино составляет примерно 450 частиц на кубический сантиметр. Напомним, что СМ предсказывает существование трех сортов нейтрино, причем экспериментально, при изучении распадов Z-бозонов, установлено, что четвертого нейтрино, со свойствами, аналогичными первым трем сортам, в природе нет. Отметим, однако, что экспериментальные данные по физике нейтрино в принципе не запрещают существования дополнительных сортов нейтрино, при условии, что они весьма слабо взаимодействуют с Z-бозоном. Ниже мы покажем, каким образом космология позволяет оценить подобные возможности.

Вернемся к формуле для d. В нее входит и плотность барионной компоненты n_В. В принципе эта величина тоже может быть найдена экспериментально – путем пересчета всех барионов в звездах и межзвездном газе. Точность этих измерений пока еще невысока, важно, однако, что на эту величину имеется ограничение снизу, то есть n_B должна быть больше некоторого значения. Поэтому единственная величина, которую можно варьировать в формуле для дельта – число сортов нейтрино. Оказывается, если мы добавим еще только два сорта нейтрино, то химический состав Вселенной изменится столь заметно, что возникнет противоречие с известными экспериментальными данными. Более того, даже один дополнительный сорт нейтрино создает некоторые проблемы для согласования теории с экспериментом. Таким образом, данные по химическому составу жестко ограничивают число сортов нейтрино. Физическая причина этого состоит в том, что количественный итог нуклеосинтеза зависит от скорости расширения Вселенной, а дополнительные сорта нейтрино увеличили бы эту скорость и тем самым уменьшили бы количество синтезируемых ядер тяжелее водорода. Точно так же мы не можем и существенно изменять концентрацию барионной компоненты. Ее увеличение или уменьшение также привело бы к недопустимым изменениям относительного химсостава Вселенной.

Нам осталось напомнить о том, что концентрация барионной компоненты, соответствующая наблюдаемому химсоставу, в современную эпоху согласуется с такой плотностью энергии материи во Вселенной, которая имеет место только в открытой модели. Правда, делая такое заключение, мы неявно предполагаем, что современная Вселенная состоит только из нуклонов, электронов и фотон-нейтринного моря. Более детальный анализ астрономических данных (о нем мы расскажем ниже) привел к выводу, что такое предположение в действительности неверно. В современной Вселенной обязательно существуют дополнительные носители плотности энергии, не сводящиеся к упомянутым носителям. Некоторое время существовала надежда, что проблему дополнительных носителей (их общее название – темная материя), невидимых в оптическом и радиодиапазонах, можно решить, приписав нейтрино малую массу покоя. Вопросы о космологической роли массивного нейтрино в научной литературе обсуждаются до сих пор, но с учетом всех известных данных сегодня можно сказать, что проблема природы темной материи на этом пути не решается. Нужны дополнительные носители энергии. Возможную их природу мы обсудим ниже в Разделе 6. Сейчас лишь отметим, что наша свобода в выборе гипотез относительно природы этих носителей на самом деле ограничена данными о нуклеосинтезе. Действительно, исходя из данных о современной Вселенной, можно предположить существование, например, тех или иных частиц с некоторыми массами, которые обеспечат нужную плотность энергии, совместимую с данными наблюдений. Однако возникает вопрос: какова роль этих частиц на ранних стадиях эволюции, конкретно, в эпоху нуклеосинтеза? Заранее очевидно, что эти носители должны обладать парадоксальным свойством – сегодня они являются доминирующими носителями плотности энергии, а в эпоху нуклеосинтеза их роль должна была быть очень малой, чтобы не исказить химический состав Вселенной. Так что отнюдь не любая гипотеза о природе темной материи совместима с имеющимися наблюдательными данными.

5.2. «Спокойная» фаза и рекомбинация.

Однако давайте временно забудем о существовании темной материи. Рассмотрим наступающую после эпохи нуклеосинтеза довольно спокойную стадию, на которой, в общем-то, длительное время ничего особенно интересного во Вселенной не происходит. Космологическая плазма в этот период в основном состоит из фотонов и нейтрино, на долю которых приходится большая часть плотности энергии, в этом «море» плавает небольшое число электронов и барионов. Нейтринная подсистема практически отщеплена и не взаимодействует ни с фотонами, ни с барионами. Взаимодействие, конечно, все же имеется, но настолько слабое, что за всю эпоху, начиная от эпохи нуклеосинтеза до наших дней, типичное нейтрино ни разу не провзаимодействовало ни с какой другой частицей. Поэтому, если бы мы могли регистрировать реликтовые нейтрино, то из свойств нейтринного газа получили бы экспериментальную информацию об эпохе эволюции, предшествующей нуклеосинтезу, когда нейтрино становятся практически свободными почти сразу после образования ХК. Фотоны же и барионы способны взаимодействовать друг с другом довольно долго после нуклеосинтеза, эти подсистемы находятся в термодинамическом равновесии, и температуры их равны.

Говоря, что нет ничего интересного на этой стадии, мы имеем в виду ситуацию, когда между фотонами и барионами есть термодинамическое равновесие, а доминируют в плотности энергии фотоны. Но в расширяющейся Вселенной эта ситуация не может сохраняться вечно – в процессе расширения плотность энергии фотонов падает быстрее, чем плотность энергии барионной компоненты. В результате обязательно наступает момент, когда эти плотности сравниваются друг с другом, а затем начинается эпоха, в которой доминирует уже барионная компонента. Дело не сводится только к изменению соотношения между плотностями энергий – примерно в ту же эпоху, когда сравниваются плотности энергий, происходят качественные изменения в состоянии барион-электронного газа. До этого момента этот газ был полностью ионизован, электроны были оторваны от ядер, существовали в качестве свободных заряженных частиц и, взаимодействуя с фотонами, обеспечивали равновесие между подсистемами. Но при охлаждении плазмы ионизованное состояние энергетически невыгодно, происходит рекомбинация – захват электронов ядрами с образованием нейтральных атомов. Главное следствие этого процесса в том, что интенсивность взаимодействия фотонов с нейтральными атомами гораздо ниже, чем с заряженными электронами. Это взаимодействие ослабевает настолько, что типичный фотон, начиная с периода рекомбинации и до наших дней, ни разу не провзаимодействовал с барионами. Это означает, что, наблюдая реликтовое излучение, мы видим Вселенную такой, какой она была на момент рекомбинации. В этой связи отметим, что температура плазмы в момент рекомбинации составляла несколько тысяч градусов, ее плотность по сравнению с современным значением была колоссально велика, и в этой плазме отсутствовали какие-либо гравитационно-обособленные объекты типа галактик, звезд или планет.

5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.

Мы уже не раз отмечали, что в космологической плазме присутствуют малые пространственно неоднородные возмущения плотности и температуры, развитие которых в более поздние эпохи и приводит к появлению гравитационно-обособленных объектов. Физическая природа этих возмущений представляет собой фундаментальную проблему космологии. Нельзя сказать, что мы имеем исчерпывающее решение этой проблемы. Выше мы упоминали, что генерация пространственно неоднородных флуктуаций является общим следствием релятивистских фазовых переходов, в частности, переходов на электрослабом и кварк-адронном масштабах. Однако нам неизвестен механизм установления причинно следственных связей в ранней Вселенной, поэтому мы не можем сказать, достаточно ли этих флуктуаций для объяснения реликтовых пространственно неоднородных возмущений. Наиболее популярной на сегодняшний день является гипотеза о том, что реликтовые возмущения возникли в сверхранней Вселенной, в эпоху так называемой инфляции (см. Раздел 7). Сейчас нам важно отметить, что эти возмущения обязательно имеются в плазме на момент рекомбинации. Какова бы ни была их физическая природа, их можно увидеть, изучая реликтовое излучение.

Первые экспериментальные данные о флуктуациях реликтового излучения были получены в 92-93 годах, они относились к масштабам, намного большим размеров скоплений галактик. Эксперимент был основан на том, что свойства этого излучения полностью определяются его температурой Т (заданной температуре соответствует заданное распределение энергии по спектру и определенная плотность энергии фотонного газа). Поэтому пространственно неоднородные флуктуации этого излучения можно характеризовать флуктуациями температуры. В масштабах, превышающих размеры скоплений галактик, эти флуктуации обнаружены на уровне DТ / Т = 10^-5. В ближайшие годы в спутниковых экспериментах планируется продолжить изучение реликтового излучения на этом и меньших масштабах. При этом будут получены новые экспериментальные данные о кинетике процесса рекомбинации и, тем самым, будут экспериментально подтверждены, как мы надеемся, излагаемые представления об эволюции космологической плазмы.

Конечно, с точки зрения проблемы образования крупномасштабной структуры Вселенной интерес представляют флуктуации на масштабах, близких к размерам структур. К сожалению, свойства космического излучения на этих масштабах будут несколько искажены по сравнению с характеристиками реликтового излучения, но есть надежда все же выделить именно реликтовые характеристики из экспериментальных данных. Если все это удастся, то у нас будет более-менее надежная экспериментальная основа для теории образования крупномасштабной структуры. Дело в том, что до рекомбинации неоднородность барионной компоненты космологического газа в точности повторяла неоднородность фотонной компоненты в силу того, что между этими компонентами имелось достаточно сильное взаимодействие. В локально равновесной среде корреляция между пространственно неоднородными характеристиками подсистем неизбежна. После рекомбинации, когда взаимодействие между этими подсистемами практически отсутствует, они эволюционируют независимо. Фотонная подсистема фактически сохранила свою пространственно неоднородную структуру, имеющуюся на момент рекомбинации, единственным результатом ее эволюции является остывание фотонного газа. В барионной подсистеме процессы шли по-другому: эта подсистема гравитационно неустойчива, и малые возмущения, которые были в ней на момент рекомбинации, после рекомбинации начали регулярно возрастать (до рекомбинации такому росту препятствовали упругие свойства фотонной подсистемы, тесно связанной с барионной). За определенный промежуток времени эти флуктуации достигают больших значений (возмущения плотности барионной подсистемы становятся порядка самой плотности). Этот момент как раз и соответствует моменту образования галактик и их скоплений. Если изложенная теория соответствует действительности, то она должна объяснить, как крупномасштабная структура успевает возникнуть за промежуток времени от рекомбинации до наших дней при начальных возмущениях, о которых нам известно из экспериментов по реликту. Но вот тут-то нас и ожидает сюрприз: если предположить, что кроме барион-электронной и фотон-нейтринной подсистем во Вселенной больше ничего нет (напомним, что в этом случае Вселенная открыта), то экспериментально установленные малые возмущения не успевают развиться в наблюдаемую крупномасштабную структуру. Чтобы они успели это сделать, их уровень должен быть примерно в 10 раз выше наблюдаемого. В чем же дело, где искать решение проблемы? Для ответа на этот вопрос необходимо провести более детальный анализ физической природы носителей энергии во Вселенной.

6. Проблемы физики современной Вселенной.

Синтез теории тяготения Эйнштейна с физикой элементарных частиц является доминирующей теоретической концепцией современной космологии. В рамках этой концепции устанавливается взаимосвязь между макроскопическими свойствами Вселенной в целом и микроскопическими свойствами вакуума и элементарных частиц. В Разделе 4 мы рассказали о том, к каким знаниям и новым проблемам приводит анализ космологических следствий существующей теории элементарных частиц. Специфические явления, предсказываемые фундаментальной физикой, в основном, обусловлены перестройками вакуумных структур в процессах релятивистских фазовых переходов. Эти переходы испытывают системы с высокой плотностью энергии при температурах 200 МэВ, 100 ГэВ и выше. В области более низких температур космологическая плазма по своим свойствам очень быстро приближается к плазме, хорошо изученной в лаборатории. Впрочем, делая такое утверждение, мы предполагаем, что СМ дает исчерпывающее описание природы, и в области низких энергий не существует никаких стабильных физических объектов, не описываемых СМ. Казалось бы, если бы такие стабильные объекты существовали в природе, мы бы их давно обнаружили в лабораторных экспериментах. СМ в конце ХХ века получила статус адекватной фундаментальной физической теории именно потому, что оказалась способной интерпретировать все результаты, полученные до настоящего времени на ускорителях элементарных частиц.

Драматизм современной ситуации состоит в том, что лабораторных экспериментов в области физики высоких энергий и их теоретического осмысления оказалось недостаточно для синтеза космологии и микрофизики. Космологические наблюдательные данные, о которых мы расскажем в этом разделе, явно свидетельствуют о неизбежности выхода за пределы существующей теории вакуума и элементарных частиц. Особенность этих данных состоит в том, что они относятся не к области высоких энергий, не к малым пространственно-временным масштабам, а, напротив, к явлениям, происходящим на астрономически больших масштабах и при низких энергиях.

6.1.Темная материя.

Если бы СМ исчерпывающим образом описывала мир элементарных частиц, то основными носителями массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы пренебрежимо малая часть общей массы и энергии Вселенной. Подавляющая часть барионной компоненты мира, очевидно, собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать звезды и измерить их массы в некотором доступном участке Вселенной (содержащем, тем не менее, много галактик), разделить полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества, согласно уравнениям Эйнштейна, определяет скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла). Далее остается сравнить экспериментально найденное значение плотности с величиной экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в правильности наших представлений о Мире. Но именно здесь нас и поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные совершенно не согласуются друг с другом. Следовательно, должны существовать некоторые дополнительные носители энергии, ускользающие от прямых астрономических наблюдений в оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки, природа которых до сих пор неизвестна, и получили название темной материи.

О существовании темной материи свидетельствует не только вышеописанный космологический тест, но и целый ряд других фактов наблюдательной астрономии. К ним можно отнести некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри сверхскоплений. Фундаментальное значение имеет то обстоятельство, что скорость движения объектов внутри гравитационно-связанной системы определяется величиной гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например, если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их пространственное распределение, то сможем восстановить величину гравитационного поля и теоретически предсказать скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном поле. Подчеркнем, что измерения скоростей и измерения количества и распределения звезд в галактике являются независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом. Эта несогласованность имеет место на всех уровнях космологических структур, начиная с галактик. На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой точностью и в лабораторных экспериментах, и на уровне планетных систем, то нет оснований предполагать, что в масштабах галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у нас остается только один способ разрешения парадокса – предположить, что половина вещества Галактики находится в невидимом состоянии, т.е. состоит из таких частиц, которые не могут излучать фотоны (название «темная материя» как раз и отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами). Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества составляет уже около 90%. На уровне сверхскоплений – более 95%, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3 до 5%. Этот факт означает, что в действительности мы не знаем, из чего состоит Вселенная. Известные энергоносители несут лишь несколько процентов массы и энергии Вселенной. Нам известна лишь общая закономерность: чем меньше масштаб структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не входит). Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная материя: в самых больших структурах – в сверхскоплениях галактик – обычное вещество есть лишь слегка заметная (по массе) компонента, распыленная по громадному облаку материи неизвестной природы.

Проблема установления физической природы темной материи (ТМ) – это, по-видимому, самая актуальная проблема теоретической и экспериментальной космологии. Эта проблема очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать – решение надо искать в физике вакуума и элементарных частиц. Как уже отмечалось, существующая теория элементарных частиц (СМ) не справляется с этой задачей. Попытка сохранить СМ возможна только в рамках гипотезы, что ТМ имеет все-таки барионную природу, например, находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надежных результатов теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза. Как уже обсуждалось выше, и в согласии с данными о химическом составе Вселенной, находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.

Первый шаг за пределы СМ, непосредственно связанный с проблемой темной материи, – обращение к гипотезе массивных нейтрино. Предполагая существование малой, но отличной от нуля, массы нейтрино мы, тем не менее, сохраняем все предсказания СМ относительно свойств взаимодействий нейтрино друг с другом и с другими частицами. В этом случае данные о постоянной Хаббла жестко ограничивают возможные значения характерной массы нейтрино, усредненной по трем нейтринным поколениям: средняя нейтринная масса не может превышать 10 эВ. В масштабах физики элементарных частиц это очень малая величина, ближайший к нейтрино по массе электрон примерно в 50000 раз тяжелее. Поэтому обращение к гипотезе массивных нейтрино сразу порождает вопрос, какова физическая природа такого сильного отщепления нейтрино в спектре масс элементарных частиц?

Поиски ответа на этот вопрос привели к расширению СМ, включению в теорию частиц новых гипотетических объектов – так называемых тяжелых майорановских нейтрино. Эти частицы так же слабо взаимодействуют с другими частицами, как и обычные нейтрино, но имеют очень большую (больше 100 ГэВ) массу покоя, к тому же являются нестабильными. Принципиальное значение в разработке этой гипотезы имеет специфическое внутреннее свойство квантовой теории поля, как логико-математической системы – оказывается, что квантовые поля обычных нейтрино «чувствуют» существование в пространстве-времени квантовых полей тяжелых нейтрино. Реакция обычных нейтрино на существование своих тяжелых аналогов, выражается в том, что обычные нейтрино «не желают» больше оставаться безмассовыми, они приобретают хоть и малую, но отличную от нуля массу покоя. В теоретических моделях описанного типа обычно предполагается, что масса покоя обычных нейтрино лежит в интервале 1-10 эВ.

Физика массивных нейтрино очень многообразна и интересна. Последовательная разработка этой теории естественно приводит к гипотезе о существовании новых взаимодействий (то есть новых типов расслоений пространства-времени), к необходимости исследования этой гипотезы в рамках суперструнных и преонных программ, в которых новые массивные нейтрино и новые взаимодействия возникают как следствие самых фундаментальных законов природы. Судьей этой теории, конечно, рано или поздно станет физический эксперимент. Сегодня можно лишь отметить, что гипотезы о новых тяжелых нейтрино, о малых массах обычных нейтрино, о соответствующих новых взаимодействиях очень хорошо укладываются в следствия из теории суперструн.

Однако гипотеза о том, что масса ТМ полностью содержится в массивных нейтрино, уже сегодня вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре Вселенной. Отмечая это противоречие, мы не имеем в виду, что масса покоя нейтрино обязана быть нулевой, она просто должна быть существенно меньше 10 эВ, допустим, порядка 1 эВ. Поясним, почему массивные нейтрино не могут решить проблему ТМ. Основное, что необходимо учитывать – если подавляющая часть массы Вселенной находится в состоянии ТМ, то гравитационная неустойчивость, приводящая к образованию гравитационно-обособленных структур, прежде всего в ней и должна развиваться. Обычное же барионное вещество, которого очень мало по сравнению с ТМ, способно только реагировать на неоднородности ТМ. Но ТМ становится неустойчивой, когда давление внутри нее, препятствующее ее гравитационному сжатию, становится малым (такая темная материя называется холодной). Нейтрино не может быть холодной темной материей. Действительно, массы обычных стабильных нейтрино не могут превышать 10 эВ, именно это значение определяет величину температуры, ниже которой нейтрино становятся медленными нерелятивистскими частицами. Только при низких температурах нейтринный газ, имеющий при этом малое давление, оказывается способным к гравитационной фрагментации. Однако температура порядка энергии покоя нейтрино близка к температуре рекомбинации, поэтому нейтринный газ гравитационно неустойчив в районе той критической точки, в которой реликтовое излучение становится динамически независимым от барион-электронной компоненты. Последнее означает, что космологического времени для развития неустойчивостей в нейтринном газе не много, и эти неустойчивости не успели бы развиться в крупномасштабные структуры вплоть до современной эпохи существования Вселенной.

Таким образом, продолжая искать объяснение природы ТМ среди новых частиц, необходимо сразу указать три условия, которым такие частицы должны удовлетворять:

1) частицы, составляющие ТМ, очень слабо взаимодействуют с известными частицами;

2)массы новых частиц очень велики (десятки и сотни ГэВ);

3) эти частицы стабильны, по крайней мере, время их жизни не меньше возраста Вселенной.

Последнее условие сразу исключает вышеописанные нестабильные майорановские нейтрино из числа кандидатов на роль ТМ.

Носители массы ТМ, удовлетворяющие всем трем условиям, принято называть английской аббревиатурой WIMP – слабо взаимодействующие массивные частицы (Weak Interacted Massive Particles). При температурах, меньших массы покоя вимпа, давление в газе вимпов мало и, следовательно, этот газ становится гравитационно-неустойчивым задолго до рекомбинации. Следовательно, пространственно неоднородные возмущения в этом газе имеют достаточно много космологического времени для своего роста. При массе вимпов порядка 100 ГэВ они успевают привести к образованию крупномасштабной структуры Вселенной примерно к моменту времени 1 млрд. лет от Большого Взрыва. Именно эта теоретическая оценка соответствует наблюдательным данным о времени образования крупномасштабной структуры.

Очевидно, что в СМ стабильных вимпов нет. Таким образом, решение проблемы ТМ непосредственно связано с поиском новой физики за пределами СМ. В первой части книги мы подробно обсуждали варианты новой физики, и отметили, что наиболее разработанной концепцией новой физики на сегодня является концепция суперсимметрии (СУСИ). В этой теории каждой известной частице (бозону или фермиону) соответствует суперсимметричный партнер, причем партнерами известных бозонов являются новые фермионы, фермионам соответствуют новые бозоны. Так как суперсимметричные партнеры пока не наблюдаются в ускорительных экспериментах, необходимо предположить существование сильного нарушения СУСИ в спектре масс, т.е. суперпартнеры должны быть очень тяжелыми. Далее следует отметить очень важное внутреннее свойство СУСИ теории – среди суперпартнеров известных частиц одна частица обязана быть абсолютно стабильной. Если теперь учесть экспериментальные ограничения на ее массу и космохимические ограничения на существование новых электрически заряженных частиц, то сразу обнаружим, что СУСИ предсказывает появление электрически нейтрального абсолютно стабильного вимпа. То есть в теории появляется именно тот объект, который, казалось бы, элегантно разрешает проблему возникновения ТМ и заодно порождает новую физику за пределами СМ. Однако не все так просто – дело в том, что хотя вимп действительно очень слабо взаимодействует с обычным веществом, но все же это взаимодействие есть. Поэтому такую форму ТМ можно зарегистрировать экспериментально. Примерно половина массы галактики приходится на вимпы, так что вокруг нас их достаточно много. Таким образом, зная заранее свойства вимпов, предсказываемые СУСИ, и зная примерное количество вимпов вокруг нас, можно построить детектор и постараться обнаружить вимпы в земных экспериментах. Не знаем мы только массы вимпов. А от ее величины зависит интенсивность взаимодействия вимпов с обычным веществом. Попытки найти вимпы совершаются уже давно, но все, что имеется на сегодня, это ограничения на их массу – более 1 ТэВ. По-видимому, в дальнейшем их либо обнаружат, либо ограничения на массы отодвинутся еще дальше. Было бы очень интересно обнаружить космический галактический вимп. Тогда, если бы его масса была не более нескольких ТэВ, была бы возможность в ближайшее десятилетие искусственно создать его в ускорительных экспериментах. После этого можно было бы считать загадку ТМ разгаданной. Однако, если ограничения на массы превысят 10 ТэВ, ситуация будет крайне дискомфортна. Напомним, что один из аргументов в пользу СУСИ есть возможность точного сведения бегущих «констант» электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий в одной точке 10¹⁶ ГэВ при условии, что массы суперпартнеров не превышают 1 ТэВ. Если же ограничения на массу существенно выше и суперчастицы не будут найдены до 10 ГэВ, то сама концепция СУСИ потеряет свою привлекательность

Кроме вимпов, теория элементарных частиц предлагает еще несколько вариантов объяснения природы ТМ. Среди них, прежде всего, нужно отметить теневой мир, предсказываемый теорией суперструн. Согласно ей, частицы с массой, меньшей планковской, образуют два семейства, в каждом из которых имеются свои собственные электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Происходит своеобразное удвоение мира, а мы живем в одной из его половин. Такой теневой «двойник» с нашим миром может взаимодействовать только гравитационно, так что фотон, испущенный теневой материей, только ею же может и поглотиться. Известная же нам материя к теневым фотонам нечувствительна. То же относится и к переносчикам других взаимодействий. Правда, нельзя говорить, что теневой мир в точности похож на наш, если бы это было так, то обычной и теневой материи в мире было бы поровну, мы же знаем, что ТМ во Вселенной переносит примерно 95% массы. Так что зеркальная симметрия между мирами нарушена. Есть и другие трудности гипотезы о теневом мире, в частности, нужно понять, почему теневая материя менее структурирована, чем обычная. Данные наблюдательной астрономии не свидетельствуют о существовании в теневом мире крупномасштабных структур, полностью аналогичных нашим, т.е. теневых звезд, галактик, скоплений.

К проблеме установления природы ТМ можно подойти и с совершенно другой стороны. Специфика нашего мышления состоит в том, что мы для объяснения явлений природы ищем, прежде всего, механические модели или, по крайней мере, модели, чем-то напоминающие механические. Попытки понять природу ТМ с позиций гипотезы о существовании тяжелых слабо взаимодействующих частиц как раз и представляют собой попытки построения квазимеханической модели, хотя, конечно, само понятие элементарной частицы существенно не механическое.

Другой путь основан на поиске вакуумных структур, способных исполнять роль ТМ. Отметим, что на этом пути физиками сделаны лишь первые шаги. Постараемся пояснить суть этого подхода, обратившись, прежде всего, к свойствам ХК. Мы уже отмечали, что происхождение и природа ХК связаны с регулярной деформацией слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям. Эта деформация осуществляется физическим полем специфической природы, которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других полей это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемая конденсатная компонента, которую образно можно представить как однородную «жидкость», разлитую по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны) являются возбуждением этой «жидкости», а сама однородная «жидкость» соответствует основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией. При анализе этой картины возникает следующий вопрос: возможно ли в этой хиггсовской «жидкости» существование возбуждений в виде уединенных стабильных волн – солитонов?

Отметим, что этот вопрос возник на основе наших знаний об обычной жидкости. Нам известно, что если жидкость не подвергать внешним воздействиям, то ее основное состояние (с наименьшей энергией) представляет собой однородную недеформированную среду. Малые возмущения жидкости мы воспринимаем как звуковые (акустические) волны. А сильные возмущения, когда изменения плотности жидкости становятся сравнимы с самой плотностью – как ударные волны. Именно с этими типами волн мы и встречаемся в макроскопической практике. Но оказывается, что кроме этих двух типов движений есть еще один тип – солитоны. Солитон – это уединенная волна конечной амплитуды, она не является малым возмущением, но это и не ударная волна, для которой характерны разрывы в плотностях или сильная иррегулярность плотности типа разрыва, где области сильного сжатия соседствуют с областями разрежения. Солитон по величине амплитуды близок к ударным волнам, но из-за отсутствия разрывов плотности близок и к акустическим волнам. Можно сказать, что солитон есть особый тип движения, который невозможно сформировать наложением друг на друга акустических импульсов. Волновой пакет, построенный из акустических колебаний, в процессе распространения меняет форму, среди многих причин изменения формы есть и зависимость затухания акустических волн от их частоты. Так что солитон – это волновое возбуждение, которое, во-первых, не меняет своей формы в процессе распространения и, во-вторых, является практически не затухающим возбуждением. Кратко говоря, это особый тип нелинейных движений. Рождение и распространение солитонов в жидкости изучено и теоретически, и экспериментально.

Вернемся, однако, к хиггсовской «жидкости». Возможно ли в ней существование солитонов? Оказалось, что в принципе на этот вопрос можно ответить положительно. Физически солитон в ХК представляет собой эффект локальной перестройки хиггсовского вакуума, когда некоторая ограниченная область пространства обладает иными импульсно-энергетическими свойствами по сравнению с окружающими областями, но не допускает интерпретации в виде суперпозиции квантованных волн, то есть ХБ. Основная теоретическая проблема при этом, установить, при каких условиях такое солитонное возбуждение будет устойчивым. Эту проблему надо анализировать с позиций физики вакуума. Напомним, что вакуум – это материальная среда, которая является носителем многочисленных количественных характеристик. Мы привыкли использовать для описания систем частиц такие понятия, как барионный заряд, лептонный заряд, электрический заряд и другие. Всеми этими характеристиками, используемыми для описания частиц (кроме электрического заряда), может обладать и вакуум. Когда обсуждалась барионная асимметрия, именно на это мы и обращали внимание. Мы также отмечали, что единая система вакуума и элементарных частиц обладает еще одним набором характеристик – квантовыми топологическими числами. Эти параметры также входят в законы сохранения, наряду с характеристиками типа барионного заряда. Так вот, для устойчивости вакуумного солитона необходимо, прежде всего, снабдить его сохраняющимися зарядами, или топологическими числами. Сохранение некоторого специфического солитонного квантового числа нужно, чтобы он не «рассосался», бесследно распавшись на хиггсовские бозоны, чтобы этому распаду препятствовали законы сохранения. Впрочем, и этого недостаточно для устойчивости солитона. Например, если вакуумный солитон обладает барионным зарядом, и нет каких-либо других запретов, он мог бы распасться на неравное число барионов и антибарионов. Такой распад можно запретить двумя способами: либо энергию солитона сделать меньшей, чем утроенная масса нуклона, либо приписать солитону еще какое-либо сохраняющееся квантовое число, которого у системы частиц быть не может. Реально речь идет о поиске солитонов именно второго типа.

Что же это за новые квантовые числа? Нужно отметить, что понять их природу удается скорее с чисто математических позиций, чем с качественно физических. Физика явления в данном случае состоит в том, что солитон есть особая вакуумная конфигурация, приобретающая устойчивость за счет взаимодействий между элементами своей собственной структуры. Дальше все определяется математическими свойствами этого самодействия. В этом случае мы переходим к математическим свойствам нелинейных систем. Самая отличительная особенность нелинейных динамических систем состоит в том, что их динамическая эволюция во времени описывается не только так называемым общим решением, но и конечным набором особых решений. Каждое частное решение нелинейного уравнения задается конкретными начальными условиями и, плавно их меняя, можно тоже плавно изменять степень возбуждения динамической системы. Общее решение содержит в функциональной форме все такие решения, то есть, имея общее решение, можно из него получить любое частное. Особые же решения не сводятся ни к какому частному решению, они возникают, как дополнительные решения нелинейных динамических уравнений, реализующиеся при строго определенных начальных условиях. Классификация особых решений, их перечисление осуществляются с помощью дополнительного дискретного параметра, который часто называют квантовым топологическим числом. Это вовсе не те квантовые топологические числа, которые использовались при описании непертурбативного КХД вакуума. Сходство терминов не означает их идентичности с физической и математической точек зрения. Эти солитонные топологические числа и выступают в роли сохраняющихся квантовых чисел, препятствующих распаду солитонов. Если теперь мы предположим, что во Вселенной существует множество солитонных возбуждений хиггсовского вакуума, то получим солитонно-вакуумную модель ТМ. Правда, для того чтобы полученная солитонная подсистема была на самом деле «темной», нужно чтобы взаимодействие солитонов с обычным веществом было очень слабым. В принципе этого можно добиться в существующих моделях элементарных частиц.

Вакуумно-солитонную природу ТМ можно ожидать в различных суперсимметричных теориях, где имеется значительное число скалярных полей, выступающих в роли суперпартнеров известных физических полей. Уже появился и специальный термин – superball, то есть супершар или суперболл. Этот объект представляет собой вакуумный «шар», существование которого предсказывается СУСИ-теориями. Это направление деятельности представляется довольно перспективным с позиций суперструнной программы, предполагающей наличие суперсимметрии. Правда, нужно понимать, что суперболлы отнюдь не стерильные объекты, и все-таки, хотя и слабо, они взаимодействуют с известными частицами. Довольно легко понять, чем обусловлено существование таких взаимодействий. Мы уже отмечали, что количественные характеристики частиц, например, их массы, в значительной мере определяются взаимодействием частиц с вакуумом. Поэтому, если суперболл движется по пространству, то в процессе движения внутри него оказываются частицы, и они обязаны изменить свои характеристики, в том числе и энергетические. Этот эффект, в принципе, наблюдаем. Поэтому верна или нет гипотеза о существовании суперболлов, в конечном счете, будет выяснено экспериментально. Таким образом, проверка любой гипотезы о природе ТМ есть вопрос эксперимента.

Можно ли придумать еще что-то кроме вимпов и суперболлов? Можно. Есть еще одна гипотеза – это солитоноподобные возмущения тех расслоений пространства-времени, которые мы сопоставляем хромодинамическому взаимодействию в КХД, или метахромодинамическому и субметахромодинамическому взаимодействию в преонных теориях. Однако математического аппарата для анализа этой гипотезы в современной теоретической физике пока нет. Как мы уже упоминали, мы не умеем описывать квантовую динамику вакуума КХД в реальном времени, следовательно, у нас нет и аппарата поиска уединенных волн в соответствующей квантово-геометрической структуре. Вообще гипотеза о вакуумной природе ТМ обладает некоторой специфической чертой – в рамках этой гипотезы ТМ во Вселенной не существует с начала Большого Взрыва, а формируется постепенно, в ходе космологической эволюции. Точнее, в областях релятивистских фазовых переходов, где собственно и происходит образование вакуумных конденсатов. Если же нет вакуумных конденсатов, то нет и уединенных волн. В этом смысле состав и внутренняя структура ТМ несет информацию обо всех цепочках фазовых переходов, обо всех вакуумных конденсатах, то есть о структуре вакуума. Следовательно, вакуумная ТМ, если она действительно существует, предоставит нам возможность изучать структуру вакуума без ее разрушения. Приоритет в этом случае будет отдаваться регистрации и исследованию реликтовых вакуумных солитонов, в свойствах которых и отражается структура вакуума. Во всех этих вопросах и нужно будет разобраться в ХХI веке. Если же все эти гипотезы окажутся неверными, то придется придумывать еще какие-то гипотезы и эксперименты для их проверки.

С задачей установления природы ТМ, по-видимому, связана и новая проблема наблюдательной космологии, которая в последние годы является объектом пристального внимания. Речь идет о так называемых ранних космологических структурах – ранних галактиках, звездных скоплениях, квазарах. Поясним суть этой проблемы, которая надежно обозначена экспериментально, поскольку факты существования таких объектов есть, но их объяснений нет. Как мы уже неоднократно отмечали, крупномасштабная структура Вселенной возникает в ходе развития гравитационной неустойчивости. Начальные возмущения плотности очень малы, согласно наблюдательным данным их относительная величина dr/r = 10^-5, и за время космологической эволюции начальные возмущения dr должны дорасти примерно до величины r. Космологическое время, к которому в основном завершается образование крупномасштабной структуры, можно извлечь из астрономических наблюдений. Для этого достаточно посмотреть на небо и узнать, на каком расстоянии от нас находится большинство галактик. Дело в том, что мы на Земле регистрируем свет, излученный галактиками много лет назад (это следствие конечной скорости распространения света), и поэтому из теоретических соображений известно, что очень далеких галактик существовать не может. Такие сверхудаленные галактики испускали бы свет очень давно, но понятно, что генерация наблюдаемого на Земле электромагнитного излучения возможна лишь после образования самих галактик.

Расстояния до галактик и время испускания ими света принято характеризовать так называемым красным смещением. Космологическое красное смещение возникает в силу того, что энергия фотона в расширяющейся Вселенной падает; чем более далекой галактике принадлежит испущенный фотон, тем большее красное смещение он испытает на пути до земного наблюдателя. Сама возможность фиксации красных смещений, то есть времени излучения фотона, связана с тем, что значительная часть излученной энергии содержится во вполне определенных спектральных линиях различных атомов и молекул. Относительная структура спектров одинакова, красное смещение изменяет лишь положение отдельных спектральных линий на энергетической шкале без перестройки спектра в целом. Именно поэтому можно находить смещение линий спектра из наблюдений, а это и позволяет находить время образования далеких галактик по простой теоретической формуле t_гал = t₀/(1+z)^k, где t_гал – время образования далекой галактики, t₀ – время образования нашей Галактики, z – параметр красного смещения, z = Dl/l, т.е. отношение изменения длины волны фотона за время его движения к начальной длине волны. Основное количество галактик находятся на космологической временной шкале при z = 2-3, что и позволяет определить время их образования. Из существующей теории образования галактик следует, что число галактик с большими z должно резко спадать. То есть галактики с большими z образуются гораздо раньше остальных, а это может произойти только в результате случайных, аномальных выбросов в спектре реликтовых флуктуаций. Оказывается, однако, что галактики с большими z существуют. Вначале были обнаружены галактики с z порядка 4-5, но есть данные и о галактиках с z порядка 8, при этом вполне правдоподобно, что их время образования на самом деле соответствует z =10 или даже больше. Пока неясно являются ли эти объекты результатом случайных выбросов в спектре начальных возмущений, или они возникли в ходе некоторого характерного процесса эволюции. По-видимому, это будет выяснено в ближайшие годы методами наблюдательной астрономии.

К проблеме же природы ТМ ранние космологические структуры имеют очевидное отношение – так как ТМ является основным носителем массы Вселенной, то процессы, приводящие к образованию структур, происходят, прежде всего, в ней. Если какое-то значительное количество ранних структур образуется не случайно, это означает, что в ТМ имел место некий мощный процесс структуризации, отличный от стандартной гравитационной неустойчивости и приводящий к появлению ранних структур. Но говорить об этом процессе, не зная природы ТМ, вообще говоря, невозможно. Можно лишь отметить, что, если данные о ранних структурах приведут к выводу об их неслучайности, это сильно обострит вопрос о природе ТМ. Например, ТМ, построенная из вимпов, принципиально неспособна создавать ранние структуры, вместе с тем, не видно, как эту проблему могли бы решить суперболлы, для массивных нейтрино эта задача – объяснения возникновения ранних космологических структур – и вовсе не по плечу. Решение задачи могло бы опираться на существование каких-то частиц с аномальными свойствами – сильно взаимодействующих друг с другом, но слабо взаимодействующих с известными частицами. Тогда процессы структуризации внутри этой подсистемы частиц могли бы объяснить возникновение ранних структур во Вселенной. Напомним то, что точно известно – частица есть возбуждение вакуума. Поэтому наличие частиц с такими аномальными свойствами должно означать и существование некоторой вакуумной подсистемы с аномальными свойствами неизвестного типа. Проблема ТМ сильно обострится и в том случае, если высокоэнергетические эксперименты укажут на составную структуру кварков, лептонов и промежуточных бозонов. Впрочем, не исключено, что и наблюдательная космология в ближайшем будущем предъявит дополнительные и очень жесткие критерии к природе носителей массы ТМ.

6.2.Вакуум как носитель энергии Вселенной.

Физический вакуум можно представить себе как определенную материальную среду, обладающую, впрочем, некоторыми совершенно специфическими свойствами. Сравнивая вакуумную «материю» с обычной материальной средой, следует отметить ряд сходств и различий. К сходствам нужно отнести, во-первых, то, что физический вакуум, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением, во-вторых, вакуум, так же как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроскопическую структуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют также возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются, как и возбуждения обычной распределенной материи – волнового и солитонного типа. Волновые возбуждения вакуума понимаются и описываются в теории как частицы. В то же время имеются и важные отличия, и в первую очередь, невозможность связать с вакуумом определенную систему отсчета (СО) – в противном случае мы бы просто вернулись к концепции эфира. Недеформированный вакуум выглядит одинаково при взгляде на него из любой СО, в том числе и из неинерциальной. Исследование объекта с такими инвариантными свойствами требует совершенно определенной методологии, отличной от методологии изучения эфира. Вакуум можно изучать либо через свойства его возбуждений, либо путем его структурной перестройки в макроскопических масштабах, как это планируется в Брукхейвене. Еще одно отличие физического вакуума от обычной среды – специфическое уравнение состояния p = -e, автоматически обеспечивающее постоянство плотности энергии и давления вакуума во всех процессах типа сжатия или нагрева. Только перестройка внутренней структуры вакуума приводит к изменению этих констант. Иначе говоря, в процессе непрерывной деформации эти глобальные характеристики вакуума не меняются, их изменение может происходить лишь скачкообразно при смене одной вакуумной субструктуры другой. Постоянная плотность энергии вакуума должна фигурировать в уравнениях Эйнштейна, и она там присутствует в виде L-члена. Сам Эйнштейн не утверждал, что эта характеристика относится к физическому вакууму, он полагал, что самому пространству-времени присущи постоянные плотность энергии и давление. Дальнейшее развитие физики показало, что эти понятия – пространство-время и вакуум – тесно связаны, так что идея Эйнштейна была интерпретирована в терминах физического вакуума и физики элементарных частиц.

Чему же равна плотность энергии вакуума в современной Вселенной? Этот вопрос, вообще говоря, должен решаться в эксперименте. Долгое время считалось, что значение L-члена точно равно нулю и только в последние годы астрономические наблюдения позволили установить, что его величина отлична от нуля и плотность энергии вакуума примерно в 10-20 раз превышает плотность энергии барионной материи. Именно такие представления о величине L-члена приняты сегодня. Каким же образом были экспериментально получены данные о величине L-члена? В связи с этим вопросом напомним, что левая часть уравнений Эйнштейна содержит постоянную Хаббла (характеристику геометрии пространства-времени по представлениям Эйнштейна), а правая часть – плотность энергии материи и вакуума. Так как скорость расширения Вселенной постепенно замедляется в случае ее заполнения обычным веществом, то нужно проанализировать скорость расширения в различные эпохи эволюции Вселенной, т.е. следует изучать далекие галактики, испустившие световые сигналы очень давно. По свойствам регистрируемого сигнала (его движение сопровождается расширением Вселенной), по степени его искажения теория позволяет сделать конкретные выводы о характере распространения сигнала – электромагнитной волны. Такими хорошо известными источниками сигналов являются вспыхивающие сверхновые, то есть, нам точно известно, какое излучение они генерируют. Исследование вспышек сверхновых – это целая большая и активно развивающаяся область современной астрономии. Актуальность этой области науки в немалой степени обусловлена тем, что, изучая эти вспышки, можно получить информацию о L- члене. Имеется, впрочем, еще один, чисто теоретический, способ определения величины L- члена, а именно, оказывается, что значение L- члена тесно связано с процессами формирования крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку темп гравитационной неустойчивости определяется составом Вселенной и скоростью ее расширения. Теоретически установлено, что наиболее разумная картина образования крупномасштабной структуры имеет место тогда, когда формирование этой структуры сопровождается расширением пространства-времени Вселенной такого типа, когда вполне определенную роль играет и плотность энергии вакуума. Анализируя такой тип расширения, можно получить оценки величины L- члена. Полученные количественные результаты согласуются с наблюдательными астрономическими данными по вспышкам сверхновых, что и позволяет уверенно сделать вывод о неравенстве L- члена нулю.

На первый взгляд может показаться, что численное значение L- члена не очень велико, однако это не так, поскольку Вселенная очень разрежена и средняя плотность вещества в ней примерно 10^-29 г/см³, а плотность энергии 10^-8 эрг/см³. Для сравнения приведем плотность энергии воды: 10²¹ эрг/см³. Но воды во Вселенной очень немного, так что невелика и ее полная энергия. Очень мала на самом деле и плотность энергии вакуума.

Как же сформировалась эта физическая величина – плотность энергии вакуума? Для прояснения этого вопроса нужно вспомнить, что вакуум есть совокупность большого числа взаимосвязанных подсистем. Одна из них нам хорошо известна – это КГК, о существовании другой подсистемы – ХК – известно почти наверняка. Причем, поскольку эти подсистемы активно экспериментально исследуются, плотности энергии КГК и ХК можно указать. Так плотность энергии для КГК составляет 10³⁶ эрг/см³ (по абсолютной величине) и имеет знак, противоположный знаку плотности энергии вакуума, измеряемой путем астрономических наблюдений. Для плотности энергии ХК имеем 10⁵⁵ эрг/см³ и тоже со знаком минус! Сопоставляя эти наблюдательные данные с предсказаниями существующей теории элементарных частиц, мы начинаем понимать, насколько наши знания о природе и устройстве вакуума еще далеки от истины, ведь сегодняшняя теория предсказывает громадные плотности энергии вакуумных подсистем, да еще и с другим знаком! Решение проблемы возможно лишь при расширении наших сегодняшних представлений о структуре вакуума, введении дополнительных, помимо уже изученных, его подсистем и, кроме того, среди этих вакуумных подсистем необходимо найти такие, которые имели бы положительную плотность энергии. При этом обязательно нужно установить и природу тех процессов, в результате которых происходит точное согласование состояний различных вакуумных подсистем с положительной и отрицательной энергиями. Согласование – тонкая подстройка, как это часто называют, – происходит так, что огромные положительные и отрицательные вклады в плотность энергии вакуума взаимно компенсируются, и в результате L- член приобретает значение, близкое к нулю.

Решение этой сложнейшей задачи имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц, поэтому его нужно обсуждать вначале с точки зрения суперструнного и преонного сценариев. Отметим сразу, что все вакуумные подсистемы в рамках преонного сценария имеют отрицательные плотности энергии, так как по своей природе они аналогичны КГК, т.е. являются сильно связными дионными структурами, а такие структуры всегда имеют отрицательную плотность энергии. В другом сценарии, предполагающем суперсимметричное обобщение теории элементарных частиц и дальнейший переход к суперструнной картине, присутствуют в основном конденсаты типа хиггсовского. Таких вакуумных конденсатов в суперсимметричной схеме много, причем «стандартный» ХК из СМ имеет наименьшую по модулю энергию из всех этих подсистем. Казалось бы, в суперсимметричных теориях удастся добиться точной компенсации вкладов в энергию вакуума от различных вакуумных подсистем, правда, не удалось найти СУСИ - модель, которая содержала бы и механизм компенсации, и в низкоэнергетической области сводилась бы к известной теории элементарных частиц. Но дело даже не в этом, можно предположить, что такая модель будет построена. Проблема в том, что и в этом случае не находит ответа вопрос о включении экспериментально зафиксированного кварк-глюонного конденсата в схему компенсации вкладов вакуумных подсистем. Так что на этом пути проблема L- члена также не решается. Ключ же к решению проблемы лежит в квантовой теории гравитации.

Гравитационный вакуум, как и вакуум КХД, имеет сложную квантово-топологическую структуру. Но если вакуум КХД представляет собой совокупность структур в расслоениях пространства-времени, то гравитационный вакуум есть набор топологических структур в искривлениях пространства-времени. Проиллюстрируем возможные топологические структуры на простом 2-мерном примере. Рассмотрим для этого обычную плоскость или, в более общем случае, некую слабо искривленную 2-мерную поверхность. Такая поверхность представляет собой 2-мерную модель реального искривленного пространства-времени без учета внутренних топологических дефектов. Создадим на поверхности топологический дефект – начертим в различных местах две одинаковые непересекающиеся окружности и вырежем соответствующие внутренние круги, тем самым мы устраняем из пространства некоторое подмножество точек. Получается поверхность с дырками, и, чтобы вернуть пространству его непрерывность, возьмем трубку такого же диаметра, как и диаметр дыр, и соединим дырки трубкой. Она тоже является 2-мерным, но более искривленным пространством, соединяющим две дефектные области. Отметим, что границы дефектных областей являются 1-мерными линиями. Описанная конструкция называется «кротовой норой», происхождение термина вполне наглядно и понятно. Вернемся теперь в 4-мерное пространство-время. В нем так же можно создать дефект, ограничив 3-мерными гиперповерхностями некоторые области 4-мерного пространства-времени. Соединяя различные дефектные области 3-мерными искривленными гиперповерхностями, получим дефект в виде 4-мерной «кротовой норы». По представлениям квантовой теории гравитации оказывается, что наше реальное пространство-время заполнено такими микроскопическими «кротовыми норами», размеры которых чрезвычайно малы – характерный их размер 10^-33 см, то есть планковская длина. При макроскопических перемещениях мы их не замечаем, ведь наличие «кротовых нор» скажется на движении частиц только при взаимодействии частиц на этих сверхмалых расстояниях. Самое же важное – заполненное «кротовыми норами» пространство-время является носителем положительной энергии! То есть энергия гравитационного вакуума положительна – в отличие от энергии квантовохромодинамических и хиггсовских конденсатов. Именно наличие такой вакуумной подсистемы, как «кротовые норы», и обеспечивает принципиальную возможность взаимного сокращения различных вкладов в полную энергию вакуума.

Нужно отметить, что проблема объяснения численного значения и эволюции L- члена порождает в физике ХХI века совершенно специфическую ситуацию. Особенность ее в том, что, с одной стороны, суть решаемой проблемы совершенно ясна, поскольку известен ряд экспериментальных фактов, согласованных с проверенной Стандартной Моделью элементарных частиц и свидетельствующих о существовании вакуумных подсистем с громадной отрицательной энергией. Однако, с другой стороны, имеются данные наблюдательной астрономии, однозначно утверждающие, что огромный отрицательный вклад известных вакуумных подсистем компенсируется примерно таким же по величине положительным вкладом неизвестной природы с фантастической точностью. Анализ всех существующих на сегодняшний день концепций фундаментальной физики показывает, что такое сокращение вкладов возможно только на планковских масштабах с включением подсистемы «кротовых нор». Однако это утверждение экспериментально не проверяемо! Для осуществления такого эксперимента требуется достижение невообразимо больших энергий – 10¹⁹ ГэВ, однако в окружающей Вселенной не обнаруживается никаких признаков процессов, происходящих при таких энергиях. В спектре космических лучей максимальная зарегистрированная энергия на 7 порядков ниже – 10¹² ГэВ, что даже не дотягивает на 4 порядка до характерного энергетического масштаба Великого Объединения. У нас нет никакой уверенности, что в природе вообще существуют объекты с такими энергиями. В рамках принятой в науке методологии познания нам понадобилось бы провести при таких энергиях воспроизводимый локальный эксперимент. Возникает, однако, впечатление, что энергетики всей Вселенной будет недостаточно для проведения такого эксперимента. Кроме того, похоже, что энергетический запрет на экспериментальную проверку структуры вакуума на планковском масштабе не случаен: при столь высоких энергиях результатом эксперимента могло бы стать катастрофическое разрушение пространства-времени всей Вселенной и даже, может быть, не одной (конечно, это тоже гипотеза). Возможно, в эксперименте произошло бы и рождение так называемых дочерних вселенных.

Нетривиальность складывающейся физической ситуации определяется не только тем фактом, что процесс человеческого познания по сути дела отвергает сам себя, поскольку точно формулируемая проблема диктует необходимость проведения исследований на планковских масштабах, что абсолютно невозможно. Внутренняя противоречивость пути поиска истины фактически бросает вызов человеку, ясно демонстрируя его скромное место на этом пути и в Мире. Осмысление этого факта уже сегодня ставит перед человечеством новую философскую проблему.

Еще одной специфической чертой изучаемых в современной Вселенной явлений с достаточно малыми характерными энергиями является то, что для их понимания оказывается необходимым учет всех микроструктур вакуума с характерными масштабами и энергиями, заполняющими всю шкалу – от самых малых энергий частиц макромира до фантастически огромных планковских энергий (судя по всему, недоступных для эксперимента), включая и все промежуточные масштабы. Наглядным проявлением этого факта является и то, что все вакуумные структуры вносят свой вклад в величину L- члена. Таким образом, перед нами яркая демонстрация целостности Мира, который невозможно изучать, вычленяя из его целостной, сильно связной структуры какую-либо часть по неким пространственным или энергетическим критериям. Современная наука установила, что для познания Мира необходимо учитывать все его элементы на всех пространственно-временных или энергетических масштабах. Целостный единый Мир требует для своего исследования формулировки совершенно новой методологии познания, и этот вывод обозначает новую философскую проблему ХХI века, не только абстрактно научную, но и непосредственно затрагивающую самого Человека. Совершенно так же, как и в фундаментальной физике, проблема формулируется совершенно ясно, но подходы к ее решению трудно даже представить. Нужно добавить, что подобные проблемы в большом количестве возникают не только при анализе космологической сингулярности в процессе рождения Вселенной, но и при изучении всех стадий космологической эволюции, а именно, в окрестностях каждого фазового перехода. Причем о неизбежности, по меньшей мере, двух фазовых переходов нам известно точно. Дело в том, что вакуумные конденсаты, носители громадной энергии, существуют не с самого начала Вселенной, а, как было показано ранее, они возникают при определенных характерных температурах. Так, кварк-глюонный конденсат отсутствовал при температурах, больших 500 МэВ, при Т=500 МэВ КГК возникает, как подсистема с громадной энергией. Так что и почти нулевой L- член в современной Вселенной сформировался уже с участием КГК.

Как же происходило формирование L- члена? Для объяснения этого процесса есть два подхода. В первом, «наивном», подходе предполагается, что до фазового перехода вакуум во Вселенной характеризовался большим положительным L- членом, а частично выпавший при 500 МэВ кварк-глюонный конденсат своей отрицательной энергией точно скомпенсировал положительное затравочное значение L- члена. В этом подходе речь идет о точной подгонке параметров вакуумных подсистем в масштабах Вселенной с точностью до 44 знака после запятой! Процесс такой подстройки трудно считать возможным. Но история на этом не заканчивается, так как до энергий в 100 ГэВ не было и хиггсовского конденсата. Выходит, теперь нужно предполагать, что затравочный L- член имел энергию порядка ХК, и, родившись, ХК скомпенсировал его уже с точностью до 55 знака? А далее точность компенсации должна еще возрастать, и на планковских масштабах точность подгонки должна быть уже около 100 знаков? Видимо, путь к решению проблемы должен быть иным. Надо признать, что нам неизвестен физический закон, придающий нулевому значению L- члена некий особый смысл. Компенсация вкладов в L- член должна управляться физическим законом, а не подгонкой параметров теории! Именно поисками этого нового закона природы и нужно будет заниматься ученым в ближайшее время.

Предположим, что этот закон действительно существует, и он управляет формированием вакуумного состояния. Тогда из него следует, что после каждого фазового перехода, когда образуется новая вакуумная подсистема, все остальные подсистемы начинают перестраиваться. В частности, после образования КГК для компенсации его энергетического вклада плотность энергии ХК по модулю должна уменьшиться всего на одну миллиардную процента. Таким образом, ХК реагирует на КГК без процедуры подгонки, а в результате действия некоторого закона. Затем наступит очередь реагировать конденсату, ближайшему по энергии к ХК и далее по цепочке. В рамках такой картины после каждого фазового перехода, все остальные подсистемы динамически реагируют на образование новой вакуумной подсистемы, по-видимому, в конце концов, отреагирует и подсистема «кротовых нор». Эта последовательность реакций управляется новым физическим законом, который обеспечивает формирование почти нулевой плотности энергии вакуума в результате динамического согласования всех его подсистем. Заметим, что мы говорим о некоем новом физическом законе, управляющем динамикой вакуума, но не представляем, каким он должен быть. Уже на уровне КГК мы сталкиваемся с проблемой описания квантово-динамической эволюции вакуума в реальном времени – и не знаем, каковы уравнения эволюции. Но теперь, в уравнениях динамической эволюции вакуумных структур должна содержаться одновременно и цель этой эволюции – конечная нулевая величина L- члена. В этом проявляется один из аспектов самоорганизации вакуума, который уже частично обсуждался выше. Добавим, что в процесс самоорганизации вакуумных структур также вовлекаются все энергетические и пространственно-временные масштабы, включая и планковский. С философской же точки зрения проблема описания самоорганизующегося эволюционирующего вакуума ставится также вполне четко, однако, как и ранее, нам неизвестны пути ее решения.

Представления о динамической эволюции вакуума после каждого фазового перехода получают поддержку и в наблюдательной космологии. Мы уже упоминали, что данные о L- члене, влияющем на расширение Вселенной в целом, можно получить из данных о вспышках сверхновых. Анализ таких данных приводит к выводу, что L- член не просто отличен от нуля, но и не является константой, он испытывает медленную космологическую эволюцию. На языке уравнений состояния это означает, что уравнение «смягчается» и становится p = -2/3e. Для плотности энергии вакуума, медленно спадающей к нулю по закону e_вак~1/a, где а – характерный размер наблюдаемой Вселенной, предложено удачное название – квинтэссенция. В свете ранее обсуждавшихся идей этот термин можно трактовать так: наблюдаемый медленный спад энергии вакуума есть главнейший (квинтэссенция!) суммарный результат сложных процессов самосогласования всевозможных вакуумных подсистем, происходящих на различных пространственно-временных масштабах. Возникающая в связи с таким, наблюдаемым в природе, поведением e_вак теоретическая проблема состоит в том, чтобы понять, почему эволюция вакуума после последнего кварк-адронного перехода сопровождается такой медленной согласованной перестройкой всех вакуумных подсистем, то есть медленной взаимной подстройкой состояний всех вакуумных субструктур.

Таким образом, астрономия и космология предоставляют экспериментальные факты, явно свидетельствующие о неполноте сегодняшней теории элементарных частиц.

7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.

В этом разделе мы будем обсуждать физические процессы во Вселенной, протекающие при характерных энергиях частиц около планковского масштаба и несколько ниже. Из этого обсуждения мы исключим непосредственно момент рождения Вселенной, который будет рассмотрен ниже в третьей части книги. Отметим сразу важное методологическое обстоятельство: проблема реконструкции прошлого, получения информации о физических процессах, имевших место в некоторой окрестности Большого Взрыва, приводит также к необходимости расширения наших знаний об элементарных частицах и физическом вакууме в современной Вселенной. Это показывает глубокую связь между гипотетической космологией ранней и сверхранней Вселенной и экспериментальными данными физики элементарных частиц.

Принято считать, что процессы в сверхранней Вселенной протекают на энергетических масштабах от 10¹⁹ до 10¹⁶ ГэВ. В этом же интервале энергий реализуются и те этапы космологической эволюции, которые лежат вне рамок Стандартной Модели. Даже интуитивно понятно, что физические процессы в околопланковской области имеют особую важность, поскольку предопределяют макроскопические свойства Вселенной. Что же наиболее характерно для этих процессов? Для ответа на этот вопрос нам будет необходимо проанализировать основные космологические проблемы.

7.1 Концептуальные проблемы космологии.

До сих пор мы предполагали, что глобальные свойства Вселенной могут быть извлечены из астрономических наблюдений, иначе говоря, данные наблюдений дают возможность сформулировать определенную глобальную модель Вселенной. На основе такой модели можно проводить изучение различных физических процессов во Вселенной. Теперь настало время поставить вопрос: почему глобальные свойства Вселенной именно такие, а не какие-либо другие? Могла бы наша Вселенная быть глобально иной, или существуют определенные физические закономерности, с неизбежностью приводящие к известным глобальным характеристикам?

Первым глобальным свойством Вселенной является наличие у нее однородности и изотропии. Нужно сказать, что однородные и изотропные космологические модели представляют собой очень частный случай решений уравнений Эйнштейна. Даже в рамках классической теории гравитации можно обнаружить, что общее решений уравнений Эйнштейна описывает совершенно другую Вселенную, а именно, неоднородную (с различной плотностью плазмы в различных ее точках) и анизотропную (расширяющуюся с различными скоростями в разных направлениях). Более того, благодаря Белинскому, Лифшицу и Халатникову нам даже известен явный математический вид общего классического решения в окрестности космологической сингулярности. Формально, проблема ставится так: какие физические процессы обеспечили однородность и изотропию Вселенной? Причем обеспечили ее довольно рано по космологической шкале времени, ведь заведомо известно, что в эпоху нуклеосинтеза, то есть через минуту после сингулярности, Вселенная уже была в высочайшей степени однородна и изотропна.

Вторую проблему обычно формулируют коротко, как проблему плоскостности 3-мерной Вселенной, но ее полная формулировка такова: это проблема происхождения во Вселенной большого числа частиц, обеспечивающих близость 3-мерной геометрии к геометрии Евклида. Поясним эту формулировку. При обсуждении современной Вселенной мы уже говорили, что имеется нерешенный вопрос о фиксации топологии 3-мерного пространства: Вселенная может быть открытой, закрытой или плоской. Плоское 3-мерное пространство Вселенной реализуется в случае точной пропорциональности квадрата постоянной Хаббла плотности энергии всех видов материи во Вселенной. В этом случае соответствующая плотность энергии называется критической, r_крит. Наблюдательные данные говорят о том, что плотность энергии Вселенной реально несколько меньше и точной пропорциональности на самом деле нет, что свидетельствует в пользу топологии открытой Вселенной. Отметим, однако, что даже в современной Вселенной отличие плотности от ее критического значения невелико и характеризуется численным мультипликативным множителем k: r = k×r_крит. Параметр k лежит в интервале, приблизительно, от 0.5 до 1.5, то есть не слишком далеко от единицы. Но это сегодняшние данные. А что было в прошлом? Оказывается, чем ближе мы подходим к космологической сингулярности, тем ближе к единице значение параметра k. Конечно, если топология Вселенной закрыта (открыта), то k всегда больше (меньше) 1, но с приближением к сингулярности k стремится к единице. В эпоху нуклеосинтеза плотность энергии могла отличаться от r_крит только в 10-м знаке после запятой (!?), в эпоху кварк-адронного и электрослабого переходов она еще ближе к r_крит, а в окрестности сингулярности отличие появляется, грубо говоря, уже только в 100-м знаке после запятой. Все это означает, что Вселенная выходит из сингулярности с плотностью, очень близкой к критической, и 3-мерной геометрией, очень близкой к евклидовой, независимо от ее точной топологии. В этом и состоит проблема плоскостности. В начале обсуждения этой проблемы мы упоминали о соотношении между квадратом постоянной Хаббла и плотностью энергии материи. Наличие такой связи означает, что большая близость свойств 3-мерного пространства Вселенной к свойствам евклидова пространства возможна только при достаточно большом числе частиц во Вселенной. Заметим, что в наблюдаемой части Вселенной, которая охватывается радиоастрономическими приборами, число частиц всех типов примерно 10⁹⁴, так что вопрос о близости геометрии к евклидовой неотделим от вопроса о громадном числе частиц во Вселенной. Сама постановка вопроса вызвана следующим формальным обстоятельством: существует множество простых теоретических моделей, в которых частиц мало и на всех стадиях эволюции топология неевклидова, есть также космологические модели, где частиц нет вообще. Поскольку само наличие сингулярности приводит к проблеме рождения Вселенной как физического объекта, естественно и логично предположить, что она рождается с минимальным числом частиц или совсем пустой, без частиц. Наверное, такой Вселенной проще родиться, потому и возникает вопрос о физических процессах, обеспечивающих одновременно и наличие большого числа частиц и, как следствие, формирование геометрии Вселенной, близкой к евклидовой.

Еще одной, третьей, проблемой является многократно упоминаемая выше проблема горизонта событий. Попробуем объяснить, что она тесно связана с предыдущими проблемами. Проблема горизонта состоит в установлении причинно-следственных отношений между всеми точками Вселенной, и нужно сказать, что сейчас мы не видим никаких областей Вселенной, которые могли бы быть причинно не связаны. Этот вывод можно сделать, поскольку сохраняются глобальные однородность и изотропия. Добавим, что эта проблема имеет место лишь в том случае, когда число частиц велико. Решение уравнений Эйнштейна показывает, что размер, например, замкнутой Вселенной, на всех этапах ее эволюции больше горизонта событий: а > ct. При уменьшении числа частиц неравенство будет смягчаться и во Вселенной с малым числом частиц размер горизонта уже порядка размера Вселенной. В этом случае проблемы горизонта нет, так как в такой Вселенной нет препятствий для установления причинно-следственных связей. Это демонстрирует взаимосвязь второй и третьей проблем, то есть проблема формирования причинно-следственных отношений во Вселенной является основным аргументом в пользу постановки вопроса о рождении в ней большого числа частиц. В начале эволюции, возможно, число частиц было невелико, что и позволило установить связи причин и следствий между физическими явлениями в различных пространственно-временных точках. Затем число частиц выросло до громадной величины, но с сохранением возникших раньше причинно-следственных связей. Сейчас нас вполне устраивает такой уровень понимания ситуации.

Четвертая космологическая проблема представляет собой вопрос о происхождении реликтовых неоднородностей, развитие которых привело к образованию крупномасштабной структуры Вселенной. При обсуждении этого вопроса доминирует следующая точка зрения: реликтовые неоднородности – одно из фундаментальных свойств Вселенной и генезис этого свойства тесно связан с происхождением других вышеназванных характеристик, в частности, изотропии. Иначе говоря, рождение большого числа частиц, формирование свойств 3-мерной геометрии, установление причинно-следственных отношений сопровождается генерацией малых неоднородностей, которые доживают до момента рекомбинации, а затем развиваются, образуя крупномасштабную структуру. Отметим, что изложенные представления о происхождении и роли реликтовых неоднородностей одновременно увязывают различные фундаментальные и глобальные свойства Вселенной в единую систему космологических проблем. Такой подход элегантен и красив, но формально могут существовать и другие теоретические схемы, где эта проблема – реликтовых неоднородностей – стоит особняком. Например, всевозможные неоднородности могут генерироваться при фазовых переходах и, если причинно-следственные связи между характеристиками космологической плазмы во всех пространственных точках существуют, то нет оснований исключать из числа флуктуаций крупномасштабные флуктуации с размерами, большими формального размера горизонта событий.

7.2. Неравновесность и инфляция.

Все вышеописанные космологические проблемы должны рассматриваться или хотя бы принципиально взаимоувязываться в рамках некоторой общей теоретической парадигмы. Представляется, что должна существовать единая, ключевая идея, дающая основу для качественного и, возможно, количественного рассмотрения механизма физических процессов, решающего одновременно все четыре проблемы. Конечно, есть аргументы как «за», так и «против» такого методологического обобщения, приведения к «единому знаменателю», возможно, совершенно не связанных между собой явлений. В философском плане мы, по-видимому, вновь, вслед за античными учеными и их последователями, включая основоположников современной физики, приходим к идее исходной абстракции – некоторой сущности, потенциально содержащей в себе громадное количество проявлений. Исходно эта «сама-в-себе-сущность» неструктурирована, пути и формы структуризации содержатся в ней не реально, а потенциально. Для изучения космологических проблем применим и другой методологический подход: можно рассматривать происходящее, как результат взаимодействия нескольких факторов, или, в пределе, даже бесконечного их числа, хотя эти факторы, конечно, тоже должны быть как-то унифицированы. Можно ли вообще обойтись без исходной абстракции или, в физическом смысле, без ключевой идеи? Представляется, что на каком-либо из этапов познания неизбежно появляется необходимость введения некоего обобщающего понятия. Остается лишь не вполне ясным, отражает ли эта необходимость непосредственно саму природу и объективные фундаментальные закономерности в ней, или же только наш характер мышления, хотя, возможно, характер мышления человека в значительной степени, или даже полностью, определяется именно фундаментальными физическими явлениями природы.

Фактически суперструнная или преонная программы в теории элементарных частиц тоже представляют собой попытки унификации, но в этих случаях речь идет о формулировке единой унифицирующей идейной основы для внутренних понятий теории. В теории же сверхранней Вселенной нам нужно говорить о реальном мире, о решении проблем, в существовании которых мы убеждены экспериментально. Сегодня, после эпохи «бури и натиска» в теоретической космологии последних десятилетий, представляется, что решение всех вышеперечисленных концептуальных (глобальных) космологических проблем может быть найдено в рамках гипотезы о существовании резко неравновесной стадии эволюции Вселенной. Свойства этой стадии невозможно описать в равновесной или локально равновесной термодинамике. Поясним, что речь, конечно, идет именно о неравновесном состоянии вакуума. Однако эта первая и важнейшая идея окажется работоспособной только в том случае, если она предложит естественное решение проблемы горизонта событий во Вселенной. Разумеется, теория неравновесного вакуума предполагает замкнутость Вселенной, когда ее объем конечен, хотя и очень велик (нашими наблюдениями, скорее всего, охватывается только ее малая часть). Решение глобальных проблем в бесконечной Вселенной, по-видимому, вообще невозможно силами и разумом человека, так как бесконечность можно ввести в теорию формально, как данность, но ее нельзя осмыслить операционально.

Проблема горизонта событий в замкнутой Вселенной решается следующим образом: в начале эволюции замкнутая Вселенная была почти пуста и размер ее был мал, ее радиус был порядка планковского размера, «кванта пространства» L_Pl = 10^-33 см. В такой Вселенной причинно-следственные отношения устанавливаются за «квант времени» t_Pl = L_Pl/c, то есть, с классической точки зрения, сразу после момента ее образования. Далее предполагается, что в результате сильно неравновесного процесса на уровне вакуума Вселенная, оставаясь практически пустой, резко расширяется. Такой процесс быстрого расширения Вселенной, ее «раздувания», принято называть инфляцией (inflatio по латыни – вздутие, раздувание). Именно вакуум в резко неравновесном состоянии обеспечивает столь быстрое расширение. Вспомним, что вакуум есть система со специфическим уравнением состояния и его плотность энергии почти постоянна. Эти сведения относятся к равновесному вакууму, но, как было установлено в теоретических исследованиях последних десятилетий, такими же импульсно-энергетическими свойствами обладает и неравновесный вакуум. Оказалось, что в этом состоянии вакуум имеет громадную положительную энергию. В теории Эйнштейна это соответствует и громадной величине постоянной Хаббла, что и означает быстрое расширение Вселенной в стадии резко неравновесного вакуума. Вместе с тем, необходимо учитывать, что, поскольку плотность энергии вакуума постоянна, многократное возрастание объема Вселенной приводит и к росту полной энергии вакуума. Как же в данном случае должен выглядеть закон сохранения энергии, не нарушается ли он? Нет, здесь все в порядке, нужно только не забывать, что и само гравитационное поле есть носитель энергии. Теория Эйнштейна обладает удивительным свойством: полная энергия замкнутой Вселенной с учетом энергии вакуума в любом его состоянии, энергии частиц и энергии глобального гравитационного поля точно равна нулю, какие бы процессы ни происходили в системе. Подчеркнем: энергия частиц материи всегда положительна, но энергия вакуума может иметь любой знак, так, если он находится в одном из равновесных состояний, как правило, его подсистемы типа КГК и ХК имеют отрицательную энергию, система же «кротовых нор» –– положительную. Впрочем, в неравновесном состоянии это может быть не так. Ясно лишь, что, если подсистема типа ХК имеет положительную энергию, то вакуум точно неравновесен. Энергия же глобального гравитационного поля всегда меньше нуля. Точнее, при быстром расширении положительная полная энергия вакуума резко возрастает по модулю, но так же растет по модулю и отрицательная энергия гравитационного поля. Баланс энергий во Вселенной не нарушается, то есть перераспределение энергии в замкнутом объеме Вселенной может происходить как угодно, но полная ее энергия будет равна нулю. В этом проявляется именно закон природы, это результат действия некоего принципа, а не тонкой подстройки субструктур, как это имеет место в проблеме малости L- члена. В последнем случае, при учете чисто вакуумных процессов идет именно подстройка параметров вакуумных структур, их согласованная эволюция, закон которой, в отличие от законов теории гравитации, нам пока не известен.

Давайте более детально рассмотрим, что происходит в процессе инфляции с подсистемами вакуума и элементарных частиц, образующих единую целостную космологическую систему. Энергия вакуума в результате инфляции сильно возрастает, а энергия частиц остается очень малой, причем все это имеет место во Вселенной, процессы в которой причинно связаны. Неравновесный вакуум обязан рано или поздно распасться. Конечно, находиться в неравновесном состоянии вакуум должен достаточно долго, чтобы космологические проблемы имели решение, но распад его неизбежен. Результатом этого является рождение за счет энергии вакуума громадного числа частиц. Таким образом, идея инфляции указывает путь к решению проблемы горизонта и происхождения громадного количества частиц. Можно увидеть, что в описанном сценарии одновременно решается и проблема плоскостности. Действительно, инфляция означает резкое и быстрое расширение. Давайте ненадолго вернемся к модели растягивающегося при раздувании (в процессе инфляции) резинового шарика. Если он мал, кривизна его поверхности велика, так что с ростом его радиуса в результате увеличения объема, любой небольшой участок его поверхности представляется все более плоским. Недаром в древности земля представлялась людям плоской. При (почти) бесконечном увеличении объема в любой точке поверхность становится локально плоской. Так что быстрое «раздувание» Вселенной – ее инфляция – решает вторую и третью космологические проблемы.

А как же подойти к решению четвертой проблемы, к выяснению природы реликтовых неоднородностей? Проще всего предполагать, что при распаде неравновесного вакуума (фактически, при неравновесном фазовом переходе) происходит генерация неоднородностей. Анализ этого предположения в рамках математических моделей окрестности неравновесного фазового перехода показал, что достаточно естественная генерация реликтовых неоднородностей действительно происходит. Таким образом, остается нерешенной первая глобальная космологическая проблема – происхождение исходной однородности и изотропности Вселенной. Нужно честно признать, что при анализе процесса инфляции глобальные однородность и изотропия начального состояния Вселенной предполагаются заранее. Имеются некоторые теоретические соображения в пользу того, что сам процесс инфляции автоматически приводит к «разглаживанию» Вселенной, но в основе этих соображений лежит гипотеза о наличии в неравновесном вакууме изотропно распределенного давления. С другой стороны, во Вселенной имеется и естественный процесс изотропизации – спонтанное рождение частиц сильно анизотропным гравитационным полем. Это явление имеет чисто квантовую природу, интенсивно оно происходит только в очень сильном гравитационном поле, в самой окрестности космологической сингулярности, то есть непосредственно после рождения Вселенной и ее формирования, как физического объекта. В этом процессе энергия поля превращается в энергию частиц и, если учесть, что частицы в результате взаимодействий стремятся приобрести изотропное распределение по импульсам, то изотропизация Вселенной в этом режиме происходит автоматически. Такой подход, как кажется, может решить проблему изотропизации, но в изложенном сценарии основную роль играют частицы, а не вакуум. Такая форма изотропизации вступает в конфликт с гипотезой об инфляции почти пустой Вселенной с сильно неравновесным вакуумом, поэтому найти естественное решение первой проблемы, согласованное с решением остальных проблем, оказывается непросто. Пока что остается лишь предполагать, что изотропное распределение давления есть внутреннее свойство неравновесного вакуума. Окончательное разрешение проблемы исходной однородности и изотропии Вселенной еще впереди.

Теория инфляции идейно порождена концепцией хиггсовского вакуума, хотя, конечно, процессы инфляции могут быть инициированы и другими вакуумными подсистемами, например кварк-глюонным конденсатом или подсистемой «кротовых нор». Важно лишь то, что любая такая вакуумная подсистема должна быть в неравновесном состоянии, и это принципиально возможно. Что же касается конкретных моделей инфляции, то известные сегодня и основанные на неравновесности хиггсовского конденсата модели выделены лишь тем, что они наиболее просты, поскольку ХК, из всех обсуждаемых в современной фундаментальной физике вакуумных подсистем, имеет наиболее простые свойства. Мы уже неоднократно говорили о том, что реальная динамика других вакуумных подсистем нам вообще неизвестна, так что построить основанные на них модели инфляции весьма проблематично. Впрочем, конкретным моделям инфляции, наверное, вообще не стоит придавать слишком большого значения, скорее их роль в том, чтобы проиллюстрировать, как концепция неравновесного вакуума математически указывает путь решения космологических проблем.

Колоссальным достижением теории инфляции можно считать то, что впервые для объяснения свойств макровселенной оказалось необходимым признать, что Вселенная прошла через один или несколько этапов эволюции не в квазиравновесном, а в резко неравновесном режиме. Это следствие любого варианта теории инфляции. Эта парадигма сохраняется во всех реалистических теориях сверхранней Вселенной. К сожалению, надо отметить, что теория инфляционирующей, «раздувающейся» Вселенной не очень хорошо стыкуется с существующими теориями элементарных частиц. Эти теории, особенно в рамках суперструнной программы, предсказывают большое число хиггсовских подсистем, в них имеется большое число полей на планковском масштабе и среди них можно найти кандидаты на инфлатоны – квантовое поле, описывающее неравновесный вакуум. Вопрос, однако, в том, что конкретные математические модели, содержащиеся в теории элементарных частиц, вырастающей из СМ, не позволяют получить требуемые характеристики инфлатонов. Требуемые в том смысле, что сам инфлатон должен появиться в теории, обладая рядом свойств, необходимых для решения космологических проблем. Используемые в современной теории инфляции математические модели скалярных полей плохо стыкуются с тем, что предсказывают теории элементарных частиц, динамические нелинейные свойства инфлатонных полей, мягко говоря, весьма своеобразно соответствуют типичным конкретным предсказаниям теорий элементарных частиц. Это настораживающее обстоятельство, поскольку тут и возникают противоречия между этими требуемыми свойствами и математически точными результатами, следующими из теории элементарных частиц. Эти противоречия настолько велики и заметны, что у некоторых ученых даже возникают сомнения в том, что концепция инфляции близка к истине. Один из авторов был свидетелем того, как известный физик-теоретик, крупный специалист по элементарным частицам, выступая на международной конференции перед астрофизиками-космологами, с надеждой сказал: «Коллеги, может быть, вы вообще обойдетесь без инфляции?»

Существующие модели инфляции, по сути, есть теории неравновесного хиггсовского конденсата. Поэтому ключевое значение для этих теорий имеет экспериментальное обнаружение ХБ. Если окажется, что хиггсовское поле фундаментально, как один из элементов теории суперструн, то, значит, и теории инфляции получат прямое экспериментальное обоснование. Иначе говоря, объект, принадлежащий к семейству, порождающему инфляцию, будет обнаружен экспериментально. Хотя, конечно, сама инфляция порождается другими членами этого семейства. Вновь, как и в предыдущем разделе, возникает вопрос, что, если ХБ не является фундаментальным объектом? Теперь, однако, этот вопрос ставится в связи с проблемами сверхранней Вселенной и теориями инфляции. Если, например, обнаружится преонная структура ХБ, то придется искать такие механизмы возникновения макроскопической Вселенной, которые не сводятся к уже известным инфляционным сценариям.

Так можно ли обойтись без инфляции? Представляется несомненным, что исходная идея неравновесности верна, а вот ее конкретная реализация может быть и существенно изменена. Дело в том, что в существующих теориях неравновесный вакуум в виде неравновесного ХК эволюционирует по классическим (не квантовым) законам. Так что очень возможно, что наделение инфлатонов некими экзотическими свойствами, противоречащими предсказаниям теории элементарных частиц, обусловлено именно тем, что мы пытаемся сложную эволюцию принципиально квантового объекта – вакуума –приближенно описывать на классическом уровне. Возможно, будущая квантовая теория вакуума позволит согласовать результаты теории инфляции и элементарных частиц. В этой будущей теории вакуума можно заранее выделить два направления. О первом мы уже несколько раз упоминали, начиная с обсуждения Брукхейвенского эксперимента. Речь идет о квантовой динамике объектов типа КГК и «кротовых нор» в реальном времени. Построение такой квантовой динамики позволило бы в ее рамках изучать возможности неравновесной эволюции. Второе направление подсказывается спецификой энергетического баланса Вселенной. Напомним, что в обычной лабораторной физике равновесные состояния энергетически выделены – они характеризуются наименьшей из возможных потенциальных энергий. Точнее говоря, равновесное состояние образуется при одновременном выполнении двух критериев: механического критерия, требующего минимума энергии, и статистического критерия, выполняющегося при максимуме энтропии. (При их одновременном выполнении минимизируется величина, называемая свободной энергией системы.) Ограничимся пока чисто энергетической характеристикой. Для достижения системой состояния с минимальной энергией излишки энергии должны быть сброшены в окружающую, внешнюю среду, но для замкнутой Вселенной, во-первых, такой критерий не имеет смысла, а во-вторых, фундаментальным следствием теории Эйнштейна является равенство нулю полной энергии. В этом смысле в замкнутой Вселенной по энергетическому критерию равновесные состояния не предпочтительнее неравновесных. Отсюда логично вытекает предположение, что замкнутая Вселенная может испытывать спонтанные квантовые скачки из равновесных состояний в неравновесные, энергия которых при распаде превращается в энергию частиц. Таким образом, вместо непрерывной классической инфляции будущая квантовая теория вакуума должна будет обратиться к исследованию последовательности квантовых скачков. Вероятность квантовых скачков в теории не равна нулю, но не хотелось бы формирование макроскопических свойств нашей Вселенной объяснять только игрой случая. Возможно, в природе есть некие закономерности, которые формируют или содержат в потенциальном виде цель эволюции, реализуемую через квантовые скачки.

Резюмируя, еще раз подчеркнем, что существующая теория инфляции выделила ключевую идею неравновесности и показала плохую совместимость результатов с теорией частиц в известных на сегодня моделях; достигнутый же уровень теории вакуума и элементарных частиц показывает, что все исследования еще только впереди. И в этом случае решение центральных проблем увязывается с нашими знаниями о квантовой динамике вакуума в реальном времени.

В завершение этого раздела скажем еще несколько похвальных слов в адрес теории инфляции. Дело в том, что эта теория способна предложить решения еще, по крайней мере, двух проблем, порожденных физикой фазовых переходов в космологической плазме. Макроскопический эффект фазового перехода критически зависит от существования или не существования причинно-следственных отношений в масштабах, значительно превышающих формальный горизонт событий на момент перехода. Если во Вселенной, испытывающей фазовый переход, не решена проблема горизонта, то возникает так называемая проблема доменных стенок. Суть дела в том, что при спонтанном нарушении симметрии происходит перестройка вакуума, сопровождающаяся образованием глобальных классических скалярных полей. Теория предсказывает, что имеется несколько, по крайней мере, два состояния скалярного поля с одним и тем же значением энергии. Поэтому в причинно несвязанных областях нарушение калибровочной симметрии приводит к образованию доменов – замкнутых областей – с противоположными по знаку величинами скалярного поля. Стенки между доменами должны иметь чрезвычайно высокую плотность энергии и наличие таких стенок во Вселенной имело бы катастрофические последствия для космологии. Вторая проблема инициируется моделями Великого Объединения. Практически во всех таких моделях предсказывается рождение большого числа (порядка числа барионов во Вселенной) сверхтяжелых магнитных монополей – уединенных магнитных зарядов. Проблема в том, что экспериментально такие реликтовые монополи, образующиеся в период времени 10^-35 секунд после Большого Взрыва, не обнаружены. Указанные проблемы решаются в существующих теориях инфляции. В системе, все элементы которой связаны причинно-следственными отношениями, энергетически выгодным является однодоменный фазовый переход. Это означает, что наблюдаемая часть нашей Вселенной помещается внутрь одного домена, границы которого лежат далеко за пределами астрономических наблюдений. Таким образом и решается проблема доменных стенок. Что же касается монополей, то, как выяснилось, они в основном рождаются вблизи границ доменов, то есть, если размеры домена превышают видимую нами часть Вселенной, то проблема отсутствия монополей в астрономических наблюдениях решается автоматически.

7.3. От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?

В предыдущих подразделах уже была выделена ключевая идея, в рамках которой на сверхранних стадиях эволюции Вселенной могут быть решены глобальные космологические проблемы. Конечно, речь о том, что на этих стадиях реально формируются основные свойства Мира, а далее, в процессе познания уже сам человек разделяет их изучение на отдельные задачи. В этом также проявляется методологическая «хромота» человеческого познания – целостная система Мира для исследования представляется в виде набора элементов и связей, изучение которых по отдельности дает возможность реконструкции всей системы. Полнота и истинность полученного знания зависят от способности мышления адекватно представлять целостные системы во всей сложности и многообразии их внутренних связей при восхождении от части к целому. В данном случае мы должны анализировать те физические процессы, в ходе которых Вселенная приобретает глобальные характеристики, за эволюцией которых до настоящего времени мы и следим.

Эти глобальные свойства Мира в основном формируются в период от момента рождения Вселенной (характерные энергии 10¹⁹ ГэВ) до момента, соответствующего характерным энергиям 10¹⁶ ГэВ. Выше, в Разделах 2-6 второй части, мы уже обсуждали физику Вселенной, начиная от масштаба в 1 ТэВ и до наших дней. Происходит ли что-то нетривиальное в промежутке от 10¹⁶ до 10³ ГэВ? Если физика сверхранней Вселенной в значительной мере гипотетична (сегодня у нас не хватает базовых знаний о физике вакуума для большей определенности в описании этих явлений), то для рассмотрения области промежуточных энергий знаний у нас заметно больше. Обсуждение этого этапа эволюции непосредственно связано с нашими представлениями о высокоэнергетической надстройке СМ, варианты которой обсуждались в разделах 6 и 7 первой части. Как было показано, сегодня имеются две альтернативные программы обобщения СМ – суперструнная и преонная, однако абсолютной уверенности в обязательности реализации Природой одной из них у нас нет. Может быть, как часто уже происходило в истории науки, завтра мы столкнемся с новыми явлениями, жестко отвергающими оба эти варианта, и окажется неизбежным поиск третьего пути?

На основе наших сегодняшних знаний мы с уверенностью можем говорить, что в рамках любого – суперструнного или преонного – сценария между 10¹⁶ и 10³ ГэВ имели место многочисленные РФП, в ходе которых менялись фазовые состояния вакуума и плазмы элементарных частиц. Точнее говоря, происходила цепочка фазовых переходов, определяющих суть физических явлений на этой стадии эволюции. Как уже отмечалось, характер РФП различается в разных сценариях: в суперструнном происходят фазовые переходы I рода, близкие ко II роду (перестройки в конденсатах типа ХК), в преонном реализуются РФП существенно I рода (доминируют конденсаты типа КГК). На самом деле для нас важен только вопрос о космологических последствиях РФП. Одно из таких последствий уже обсуждалось выше – в результате РФП происходит дополнительная генерация неоднородностей, то есть реликтовый спектр возмущений, сгенерированный на резко неравновесной стадии, затем может искажаться и дополняться возмущениями, возникшими на стадии РФП. Эту возможность также надо иметь в виду.

Большую роль в анализе этой проблемы играет теоретическое исследование механизмов образования крупномасштабной структуры и сопоставление теории с наблюдениями. На этом пути выясняется, нужно ли искать и учитывать какие–то специфические особенности спектра реликтовых возмущений. Сейчас этот вопрос не вполне ясен, но широко дискутируется физиками. По мере его прояснения можно будет четче поставить задачу о роли цепочки РФП в эволюции Вселенной.

В связи с цепочкой происходящих в ходе эволюции РФП, напомним, что во Вселенной существует темная материя. Но ведь она не всегда была темной, на определенных этапах эволюции при достаточно высоких энергиях частицы из ее состава просто были обязаны интенсивно взаимодействовать с частицами обычной материи. Это взаимодействие является прямым следствием идеи унификации. Процесс формирования ТМ и ее природа должна изучаться в рамках определенного выбираемого сценария теории элементарных частиц. Это серьезная и важная задача. В связи с проблемой ранних структур уже упоминалось, что ТМ может иметь парадоксальные свойства: она слабо взаимодействует с обычными частицами, но между собой ее компоненты взаимодействуют интенсивно (такими свойствами, например, обладают частицы теневого мира, который неизбежно появляется в суперструнной теории). В самой подсистеме ТМ также могут происходить явления типа РФП, причем предрасположенность ТМ к таким процессам должна быть заложена уже на рассматриваемом раннем этапе эволюции. Хотя вышеперечисленные задачи и очень сложны, но в их решении можно продвинуться на основе существующих методов и теорий. Явный и быстрый прогресс в их решении наступит только после осуществления в ускорительных экспериментах выбора между суперструнами и преонами.

Если эксперимент укажет на составную природу всех известных частиц, то обеспечение неравновесности может быть связано только с существованием неравновесных, не абсолютно стабильных (метастабильных) структур непертурбативного вакуума, структур, образованных псевдочастицами – компонентами известных сейчас частиц. Может быть, нам повезет, и в Брукхейвенском эксперименте мы обнаружим существование метастабильных дионных структур? Тогда можно будет именно на этом пути искать решение проблемы существования непертурбативных состояний. Речь не идет о возникновении инфляции из неравновесных структур вакуума квантовой хромодинамики, теория преонов предсказывает, что аналогичные по своей физической и квантово-топологической природе структуры, существуют не только на КХД масштабе, но и заполняют всю шкалу вплоть до планковской. Неравновесные состояния имеет смысл искать вблизи планковского масштаба. Но, в силу физического и квантово-топологического родства всех структур обсуждаемого типа, их обнаружение в Брукхейвенском эксперименте даст основания для построения теории неравновесного вакуума в ранней Вселенной на основе известных представлений о непертурбативном вакууме. Интересно, как будет выглядеть неравновесная эволюция с точки зрения теории преонов?

Впрочем, эти процессы пока только гипотетичны, а на этом этапе эволюции есть и такие физические явления, в существовании которых мы абсолютно уверены, хотя даже не знаем, с чего начать их анализ. Эти явления обсуждались выше в связи с проблемой L- члена: при каждом РФП обязаны происходить процессы релаксации плотности энергии вакуума к нулю. На рассматриваемой стадии эволюции Вселенной также многократно происходит перестройка вакуума с весьма серьезными глобальными последствиями, однако динамика этих процессов в реальном времени описывается неизвестными законами природы. Мы лишь знаем, что эти процессы должны быть, но каков их механизм? Возможно, именно релаксация вакуума и определяет наиболее интересные и важные процессы, от которых зависит нынешний облик Вселенной.

Весь данный раздел был посвящен проблемам сверхранней Вселенной, фактически мы описали задачи, решение которых предстоит искать уже в XXI веке. Несмотря на то, что в последние годы было приложено много усилий для их решения, была сформулирована ключевая идея – распад неравновесного вакуума, выделена цепочка фазовых переходов, указано, к каким глобальным последствиям могут приводить перестройки вакуумных подсистем, но, по сути дела, это был лишь предварительный этап. Сегодня проблемы лишь намечены и подходы к их решению лишь слегка обсуждены. Серьезное исследование предполагает, во-первых, выбор исходной парадигмы, сценария теории взаимодействий элементарных частиц, и, во-вторых, установление законов квантовой динамики неравновесного вакуума. Любопытно было бы узнать, как эти проблемы будут выглядеть на рубеже следующих, XXI и XXII веков.

8. Физика вакуума и антропный принцип.

Смысл термина «антропный принцип» (от греческого «антропос» – человек) определяется уникальностью набора численных значений физических характеристик макро- и микромира – того единственно возможного их набора, который создает условия для возникновения Жизни и Разума.

Существование Вселенной в ее нынешнем виде зависит – и весьма критическим образом – от конкретных значений масс элементарных частиц и от величин констант фундаментальных взаимодействий. Как уже упоминалось ранее, их значения отражают свойства физического вакуума и, более того, формируются ими. И органические, и неорганические формы материи во Вселенной построены из протонов, нейтронов и электронов. Именно эти частицы создают важнейшие для существования жизни ядра атомов, наличие которых сказывается на самом процессе возникновения биологических форм – дейтрон, гелий ⁴Не и углерод ¹²С. В рамках анализа понятия «антропный принцип» мы намерены обсудить спектр масс элементарных частиц и интенсивности их взаимодействий, поскольку роль этих физических параметров в формировании сложного живого макроскопического мира не просто велика, но уникальна. Начнем разговор с обсуждения некоторых фактов, касающихся спектра масс элементарных частиц, а также рассмотрим вопрос о существовании атомов, как систем, построенных из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Существование атомных ядер с большим числом нуклонов, то есть тяжелых ядер, возможно тогда, когда имеется хотя бы простейшее из них – ядро водорода. Для этого необходимо, чтобы электрически заряженный протон не превращался в нейтральный нейтрон. Этот процесс должен быть запрещен, но в этом случае нужно, чтобы нейтрон был нестабилен. Нестабильность нейтрона обеспечивается выполнением следующего неравенства: m_e < Dm_N = m_n - m_p »1.3 МэВ. Если это условие не выполняется, протонам становится энергетически выгодно превратиться в нейтроны при захвате электрона. Протоны внутри ядра просто будут «сдергивать» электроны с оболочки, окружающей ядро и происходит реакция: p + e^- ® n + n. После этого атомы, как системы заряженных частиц, перестают существовать. С другой стороны, все вещество в наблюдаемом мире имеет определенный и сложный химический состав только потому, что нейтрон имеет возможность стабилизироваться внутри ядра: за счет внутриядерных взаимодействий масса нейтрона может уменьшиться так, что внутри ядра вышеприведенное неравенство не будет выполняться, и нейтрон стабилизируется. Чтобы дефект масс Dm_N = m_n - m_p за счет взаимодействия сыграл свою роль в процессе стабилизации нейтрона, масса свободного нейтрона не должна сильно отличаться от массы свободного протона. Анализ показал также, что указанная разность масс Dm_N не может превышать 2 МэВ. В противном случае нейтроны распадались бы так быстро, что существование многих ядер было бы абсолютно невозможно.

Какими же физическими явлениями обусловливается необходимое соотношение между массами основных частиц? Как мы знаем, масса электрона возникает за счет взаимодействия электронно-позитронного поля с ХК. Характерный энергетический масштаб ХК порядка 100 ГэВ, взаимодействие же ХК с электроном приводит к появлению у электрона массы »0.5 МэВ, что на 5 порядков меньше характерного масштаба ХК. Для такой высокоэнергетичной вакуумной подсистемы, как ХК, разницы в том, породит ли взаимодействие с этим конденсатом массу заряженного лептона равную 0.5 или, например, 1.5 МэВ, практически нет. Состояние ХК почти не реагирует на такое малое («с точки зрения» вакуумного конденсата) отличие в массах, и, тем не менее, масса электрона равна именно 0.5 МэВ. При формировании электрона с массой в 1.5 МэВ плотность энергии конденсата в относительных единицах изменилась бы всего на 10^-20, что для вакуумной подсистемы абсолютно несущественно. Но для макромира увеличение массы электрона в три раза привело бы к радикальному изменению структуры физического мира. В этом случае мир был бы построен только из нейтронов, а вакуум практически, казалось бы, и не почувствовал этого изменения массы электрона! Действительно, обычный атом водорода, состоящий из протона и электрона, прожил бы не более месяца – электрону выгодно упасть на ядро с образованием нейтрона и нейтрино. Если увеличить массу электрона в четыре раза (что для вакуума также не слишком заметно), обычный водород распался бы уже через сутки.

Обратимся теперь к массам нуклонов. Напомним, что они формируются за счет ненулевых масс кварков и энергии перестроенного внутринуклонного КГК. О не равных нулю массах кварков мы упомянули, поскольку массы u и d кварков различны. Из обработки экспериментальных данных следует, что наиболее типичны значения m_u = 3 МэВ, m_d = 6 МэВ. Разность их масс не менее 3 МэВ, что более чем вдвое превышает разность масс самих нуклонов. Если бы разность масс нуклонов целиком определялась разностью масс кварков (возникших за счет взаимодействия с ХК), то нейтрон распадался бы намного быстрее – почти в 100 раз быстрее! О существовании ядер со стабилизированными нейтронами и речи не могло бы быть. В этом случае для спасения всего нашего химического (и биологического) мира в игру вступает КГК. Отметим, что доля массы нуклонов, которая приходится на КГК, составляет примерно 0.5 ГэВ. В протоне и нейтроне энергии КГК различаются примерно на 1.5 МэВ, т.е. всего на 3%. Иначе говоря, для протона и нейтрона энергетические вклады КГК отличаются примерно на 3%, что сравнимо с электромагнитными поправками. Таким образом, оказывается, что подстройка состояний КГК в двух родственных частицах-нуклонах происходит так, чтобы разность масс протонов и нейтронов не была слишком большой. Вакуум обеспечивает тонкую подстройку массовых параметров частиц на уровне нескольких процентов!

От интенсивности сильных взаимодействий зависят и само формирование, и свойства ядер, более сложных, чем ядро водорода. Роль вакуума состоит в том, что имеет место его перестройка в пространстве между двумя взаимодействующими частицами и обмен через этот вакуумный канал виртуальными кварками и глюонами. Подчеркнем, что, если массы формируются в результате процессов перестройки вакуума внутри нуклона, то сильные взаимодействия связаны с перестройкой вакуумного состояния вне нуклона. Количественно охарактеризовать взаимодействие можно, рассматривая простейшее из составных ядер – ядро дейтрона. Интенсивность взаимодействия нуклонов при этом определяется энергией связи дейтрона. Отметим, что физика дейтрона важна для понимания свойств макромира по двум причинам. Во-первых, дейтрон является промежуточным объектом в цепочке ядерных реакций, происходящих внутри нашего Солнца. При отсутствии такого ядра, как дейтрон, свойства Солнца были бы другими – оно не вырабатывало бы то количество энергии, которое излучает сейчас. На Землю поступало бы меньше энергии, чем требуется для существования жизни на планете. Во-вторых, дейтрон является необходимым звеном в цепочке ядерных реакций, в которой возникают тяжелые химические элементы, лежащие в основе жизни. Дейтрон исполнит свою роль в этой цепочке, если его энергия связи e_св удовлетворяет неравенству: e_св> m_n - m_p + m_e. Необходимо, однако, иметь в виду, что это неравенство выполняется с очень небольшим запасом – стоящая слева величина e_св равна примерно 2.2 МэВ, а справа комбинация масс составляет численно около 1.8 МэВ. Энергия связи определяется интенсивностью сильного взаимодействия, поэтому, если бы последняя изменилась хотя бы на 10%, приведенное неравенство стало бы невозможным. Для того чтобы дейтрон выполнил свои функции по формированию свойств Вселенной, интенсивность сильных взаимодействий, определяемая КГК, должны быть больше некоторого критического значения. Но оказывается, что она не может быть и слишком большой, величина интенсивности ограничена и сверху. Если бы интенсивность была на 10% выше, чем в реальном мире, то энергетически выгодным было бы связанное состояние двух протонов, то есть образование ²Не. Но тогда не возник бы в заметных количествах ⁴Не, а это привело бы к серьезным последствиям. Во-первых, стала бы невозможной реакция тройного захвата с образованием углерода: 3⁴Не ® ¹²С. Причина в том, что от интенсивности сильных взаимодействий зависит структура энергетических уровней углерода, а реакция тройного захвата носит резонансный характер. Иначе говоря, нужно, чтобы масса трех атомов гелия точно совпадала с массой некоторого возбужденного состояния атома углерода. При увеличении же интенсивности сильного взаимодействия перестройка энергетических уровней легких ядер будет такова, что эта реакция не будет носить резонансный характер. Во-вторых, если не будет происходить синтез углерода, то не будет и синтеза других тяжелых элементов, необходимых для формирования биологических структур. Это означает, что количественные характеристики КГК должны быть очень жестко ограничены и сверху, и снизу, чтобы наблюдаемый мир был таким, каков он сейчас. И чтобы в нем мог существовать человек. Напомним, что выше уже обсуждалось тщательное согласование количественных параметров и в подсистеме ХК.

Что же касается электромагнитных и слабых взаимодействий, то их интенсивность определяется калибровочными зарядами – электрическим зарядом (или постоянной тонкой структуры a_е = е²/4p) и константой Ферми G_F. Напомним, что интенсивности всех взаимодействий зависят от переданных в процессе взаимодействия энергий и импульсов. Передача энергии и импульса обязательно сопровождается поляризацией вакуума в области взаимодействия. Это означает, что интенсивность по сути дела зависит от степени поляризации вакуумных нулевых колебаний, то есть от одной из трех вакуумных подсистем. Выше мы уже обсуждали две другие вакуумные подсистемы – хиггсовский конденсат и кварк-глюонный конденсат (ХК и КГК). Таким образом, в механизме реализации антропного принципа оказываются задействованными все известные в Стандартной Модели подсистемы физического вакуума!

В области малых передач энергий и импульсов, характерных для ядерной физики, предельные значения констант связи определяются массами частиц, которые при этом являются как бы обрезающими параметрами. Поляризация вакуума массивных частиц очень мала по очевидным причинам – трудно возбудить и перестроить соответствующие вакуумные колебания. Теперь, стартуя из области высоких энергий, проследим формирование электромагнитной константы a_е, значение которой мы измеряем в области низких энергий. В области сколь угодно больших переданных энергий поляризуются вакуумные колебания, соответствующие сколь угодно массивным частицам, то есть высокоэнергетическое значение a_е определяется всем набором фундаментальных квантовых полей, которые участвуют в электромагнитном взаимодействии. При спуске по энергетической шкале эффекты поляризации вакуума массивных частиц последовательно отключаются, но конечный результат – наблюдаемое значение электромагнитной константы – зависит, во-первых, от полного набора полей, во-вторых, от детальных характеристик их спектра масс и, самое главное, от массы кванта легчайшего заряженного поля, то есть от массы электрона. Аналогично происходит и формирование константы слабых взаимодействий, ее значение также определяется и полным набором частиц, участвующих в этих взаимодействиях, и массой переносчиков – промежуточных W и Z бозонов. Подчеркнем, что формирование констант происходит не только на масштабах, характерных для СМ, но и в области более высоких энергий. Фактически в Стандартной Модели на границе ее применимости, то есть при энергиях порядка 1 ТэВ, мы имеем некоторые входные значения констант, формирующиеся при более высоких энергиях. Константы взаимодействий, по большому счету, определяются полным набором фундаментальных полей в природе.

Как изменилось бы устройство природы при увеличении интенсивности электромагнитного взаимодействия? Ответ на этот вопрос имеет два аспекта. Во-первых, структура атомов стала бы иной, поскольку изменились бы схемы энергетических уровней, количественно изменились бы и многие другие атомные параметры, например, энергии ионизации, а, значит, по иному бы протекали химические процессы. Во-вторых, имеется и чисто ядерный аспект – отталкивание одноименно заряженных протонов повышает энергию ядра и делает его более нестабильным. Поэтому увеличение интенсивности электромагнитного взаимодействия сделало бы большое число ранее стабильных изотопов нестабильными, и химия тяжелых элементов существенно бы изменилась. Отсюда ясно, что интенсивность электромагнитного взаимодействия тщательно согласована со свойствами макромира.

Основная роль слабого взаимодействия в формировании макромира состоит в фиксации распадных свойств нейтрона. Увеличение интенсивности слабого взаимодействия привело бы к тому, что в эпоху первичного нуклеосинтеза образовалось бы существенно меньше ядер гелия ⁴Не, что резко изменило бы дальнейший ход ядерных процессов во Вселенной. Уменьшение же интенсивности привело бы к увеличению количества гелия, и тогда водорода оказалось бы слишком мало. В обоих случаях химия макроскопического мира была бы радикально отличной от имеющейся, и существование жизни, в той ее форме, которая представляется нам единственно возможной, стало бы невозможным.

До сих пор мы говорили о свойствах вакуума, которые предопределяют свойства вещества, и через них свойства материальных объектов. Однако у вакуума есть свойства, определяющие характеристики Вселенной в целом. А именно, темп ее космологического расширения. Этот вопрос уже затрагивался выше, и речь, главным образом, шла о величине и природе L- члена. С позиций антропного принципа L- член – это большая загадка. Он формируется всеми вакуумными подсистемами сразу, и понять природу его близости к нулю крайне затруднительно, если не учитывать, что вакуум – принципиально гетерогенная система. Плотности энергии каждой из вакуумных подсистем громадны, причем большинство из них имеет отрицательную плотность энергии, и только, по-видимому, вакуумная подсистема «кротовых нор» имеет положительную энергию. Точность подгонки вакуумных энергетических параметров в процессе установления величины L- члена можно проиллюстрировать следующими числами. Плотность энергии кварк-глюонного вакуума по модулю равна примерно 10^-4 (ГэВ)⁴. Плотность энергии ХК составляет 10⁸ (ГэВ)⁴. Согласно наблюдаемым данным, полная плотность энергии не превышает 10^-47 (ГэВ)⁴. Отсюда видно, что параметры ХК установлены с точностью 10^-55, а параметры КГК – с точностью 10^-43. Рассогласование параметров уже известных вакуумных подсистем привело бы или к резкому росту L- члена, который стал бы большим и положительным, или резко упал бы и стал отрицательным, но большим по модулю. Поясним, что имеется в виду под словами «большой» или «малый» L- член. Дело в том, что его величину надо сравнивать с плотностью энергии вещества во Вселенной. Эта плотность энергии и составляет величину порядка 10^-47 (ГэВ)⁴. Если бы L- член превышал эту величину примерно в 10 раз, этому соответствовало бы рассогласование (уменьшение по модулю отрицательных энергий КГК и ХК) параметров КГК на относительную величину всего лишь порядка 10^-42. Однако такого малого изменения хватило бы для намного более быстрого расширения Вселенной, и в ней не успели бы возникнуть структуры типа галактик и звезд. Напротив, если бы L- член был отрицателен (чему соответствовал бы рост по модулю энергии КГК и ХК), то Вселенная вообще не могла бы расширяться. В неизбежно коллапсирующей Вселенной все вещество было бы в состоянии горячей плазмы, и вопрос о причинах возникновения жизни просто некому было бы поставить.

Знания о свойствах материи в микро- и макромасштабах получены нами при исследованиях мира элементарных частиц на имеющихся ускорителях и теоретической интерпретации этих фактов в рамках СМ, а также из астрофизических и астрономических наблюдений. Анализируя имеющуюся у нас на сегодняшний день систему знаний, выделим некоторые пункты:

1.Наблюдаемый мир, допускающий существование человека, возник в результате сверхтщательного согласования многочисленных параметров большого (насколько?) числа вакуумных подсистем;

2.Существующая теория не позволяет установить природу этого самосогласования, несмотря на очень серьезные попытки установить ее. И одной из серьезных причин является именно присутствие КГК. Научное достижение состоит в том, что мы имеем конкретные варианты согласования вакуумных подсистем хиггсовского типа так, чтобы в сумме получался нулевой L- член. Этот результат возможен в некоторых вариантах суперсимметричных и суперструнных теорий. Есть надежда, что такое согласование имеет место в модели суперструны с так называемым «теневым миром». Однако в эту схему согласования совершенно не вписывается наличие непертурбативного КГК. Опять мы сталкиваемся с парадоксом: экспериментально мы обнаружили именно и только КГК, но его-то и не удается «встроить» в теорию нулевого L- члена. Если же структура мира преонная, то у нас вообще нет количественной теории;

3.Важнейшие параметры ядерной физики формируются именно на уровне КГК. Природа подсказывает, что объекты типа КГК и должны быть предметом нашего изучения;

4.Мы знаем, что все объекты типа КГК возникли эволюционным путем, но у нас и нет для них квантовой динамики в реальном времени! Заметим, что и все прочие вакуумные конденсаты также имеют эволюционную историю – на ранних этапах развития Вселенной они находились в других состояниях.

Теперь нам предстоит выбрать концепцию, в рамках которой можно было бы понять все эти факты. Примитивный вариант концепции опирается на гипотезу о том, что значения параметров фундаментальной теории тонко подстроены друг к другу. Но выше мы уже видели, на каком уровне должна осуществляться эта тонкая подстройка – на уровне 10^-55, и это только на основе того низкоэнергетического предела, который мы успели изучить экспериментально. Очевидно, что при исследовании процессов на меньших пространственно-временных масштабах мы с необходимостью обнаружим еще более тонкую подстройку, хотя она и на имеющемся уровне знаний о мире выглядит фантастически. По этой причине приведенная концепция кажется неплодотворной. Более естественной представляется концепция самоорганизации. Самой главный и логичный аргумент в ее пользу – вакуум есть иерархическая и сложная структура с множеством связей между своими элементами. Это можно считать вполне установленными научными представлениями о структуре вакуума. Современная наука установила также, что сложные системы с большим количеством функциональных связей обладают свойством самоорганизации. Поэтому кажется вполне естественным предполагать, что и вакуум обладает этим свойством.

Самоорганизация – это свойство системы так реагировать на изменения условий существования, чтобы путем локальных изменений структуры сохранить глобальную устойчивость и обеспечить тем самым условия своего дальнейшего существования и усложнения путем образования новых структур. Напомним, что понятие самоорганизации является первым понятием в триаде Самоорганизация, Жизнь, Разум. Живая система использует всю накопленную в течение процесса эволюции информацию и способна к воспроизводству. Она является одновременно приемником, хранилищем и передатчиком информации разного рода, в том числе и генетической, и, поскольку эти ее функции определяют смысл ее существования, реакции такой системы на изменения внешних условий оптимальны. Самоорганизующиеся же системы, получая ограниченную информацию из локального пространственно-временного источника, ведут себя квазиоптимальным образом. Живые системы отличаются от самоорганизующихся, по крайней мере, в двух аспектах:1) для выработки оптимальных реакций они используют всю накопленную в течение процесса эволюции и закодированную на генном уровне информацию; 2) они способны к воспроизводству. Понятие оптимальности реакции предполагает выбор такого пути развития, который обеспечивал бы продолжение жизни и ее воспроизводства. Разумная система, в дополнение к этим качествам, обладает еще и способностью прогнозировать развитие событий во внешней среде и принимать решения относительно выбора своих ответных реакций, поскольку четко отличает себя от среды. Более того, разумная система способна прогнозировать свои взаимоотношения с изменчивой средой и перестраивать ее в соответствии с собственной оценкой целесообразности таких действий. Степень разумности определяется масштабами планируемых перестроек окружающей среды и количеством учитываемых при этом факторов.

Мы называем (и считаем) вакуум самоорганизующейся системой, но это достаточно скромное определение – не исключено, что к физическому вакууму применимо и понятие разумной системы. Об этом говорит и, например, масштаб перестройки им окружающей среды (это понятие, в данном случае, условно, поскольку сам вакуум создает эту среду) – Вселенной в целом. Но, к сожалению, нам очень трудно представить, как может мыслить Вселенная в ее вакуумной ипостаси, поэтому сейчас ограничиваемся принятием концепции самоорганизации вакуума.

Каковы же реальные факты? Вселенная не гибнет в коллапсе, а расширяется, что предполагает подстройку и взаимное согласование вакуумных подсистем. Подстройка параметров вакуума обеспечивает дальнейшее существование Вселенной в режиме, создающем условия для образования (воспроизводства?) локальных структур. Эти локальные структуры тоже иерархичны по внутренней структуре, начиная от галактик, и заканчивая ядерным уровнем. Все они вместе обеспечивают существование астрономических и биохимических структур. Таким образом, все условия, предусмотренные определением самоорганизующихся систем, для вакуума выполнены. Не исключено, впрочем, и то, что Вселенная в целом еще и жива и разумна. Главный аргумент в пользу гипотезы разумности Вселенной, или, что то же самое, – вежливой формы религиозности, состоит в том, что все астрономические и биохимические структуры возникают на поздних стадиях эволюции Вселенной, а вакуумные структуры образуются на существенно ранних стадиях. Понять эту ситуацию без гипотезы о прогнозе, проводимом самой вакуумной системой, трудно.

Итак, во-первых, у нас сегодня нет полной теории, в рамках которой был бы понятен генезис антропного принципа. И, во-вторых, единственное, что можно сказать о такой, пока отсутствующей, теории – она обязательно должна учитывать самоорганизацию вакуума, то есть тщательное согласование параметров вакуумных подсистем в динамическом режиме. Кроме как на основе парадигмы самоорганизации вакуума в ходе эволюции, свойства наблюдаемого мира понять и объяснить невозможно.

Таким образом, мы видим, что вакуум эволюционирует и существует в режиме самоорганизации. Этот режим определяет как глобальные свойства Вселенной в целом, так и локальные характеристики вещества. Важно, что локальные и глобальные свойства Вселенной согласованы друг с другом на высочайшем уровне точности и согласованы так, чтобы в ней была возможность появления человека разумного. Уже на уровне существующих знаний мы можем уверенно утверждать, что факт самоорганизации вакуумных подсистем установлен. Роль этого факта в создании условий для возникновения жизни прослеживается явно, однако природу этой самоорганизации мы, конечно, пока установить не можем. Это станет возможным только в полной теории вакуума, которая будет оперировать с полным набором полей, например, на уровне суперструн. Иначе говоря, только в теории, которая сумеет решить проблемы динамического описания непертурбативного вакуума типа КГК. Эти задачи и будут стоять перед фундаментальной физикой XXI века. Однако уже сегодня есть понимание того, что вакуум есть очень сложная система с многочисленными функциональными связями, причем количественные характеристики и подсистем, и функциональных связей зажаты в очень узких рамках, что возможно только в режиме самоорганизации. Именно режим самоорганизации такой сложной системы, как физический вакуум, обеспечивает существование такой сложной, эволюционирующей биологической системы, как человек.

Часть 3. Физика и космология на границах познания.

Приступая к обсуждению целей и задач квантовой геометродинамики (КГД), хотим предупредить читателя, что речь пойдет о весьма абстрактных явлениях и понятиях, иногда трудно представимых. Высокая степень абстрактности обсуждаемых категорий и принципов легко объяснима — процесс рождения Вселенной недоступен чувственному восприятию, и, кроме того, мы пытаемся построить теорию этого процесса путем экстраполяции известных теорий на новую область феноменов, что неизбежно сопровождается потерей операциональной интерпретации. Возможность такой интерпретации «привязана» к тем областям природных явлений, для объяснения которых она и создавалась. А именно, для объяснения локально воспроизводимого физического эксперимента. Процесс же рождения Вселенной в целом совершенно иного рода, поскольку затрагивает не часть, а целое. Поэтому потеря (возможно, частично) операциональной интерпретации вполне объяснима, и переход на более высокий уровень абстракции неизбежен.

Выше, в разделе 7 второй части мы говорили о множестве нерешенных проблем в физике сверхранней Вселенной, указывая на необходимость выбора сценария в физике элементарных частиц и поиска законов квантовой динамики неравновесного вакуума. Там шла речь об открытии неизвестных сегодня физических законов. Мы хотим подчеркнуть, что задачи, которые обсуждались в предыдущих частях книги, принципиально решаемы и в XXI веке будут решены наверняка. В настоящей же части книги мы будем обсуждать совершенно специфические явления, относящиеся к физике планковского и субпланковского масштабов. Относительно этих явлений следует отметить, что, во-первых, постановка задач об их исследовании вовсе не надумана, а естественно вытекает из анализа сверхранней Вселенной. (Аргументами для постановки задач являются, например, неизбежность космологической сингулярности, факт рождения Вселенной как целого, формирование ее глобальных характеристик.) Во-вторых, поставленные задачи принципиально не решаются традиционным научным методом — законы квантовой геометродинамики, которые мы будем обсуждать ниже, не могут быть установлены в локально воспроизводимых экспериментах! Ранее существовала надежда на применимость обычных методов познания, как была и надежда, на возможность их дальнейшей глобальной экстраполяции. Однако, как мы увидим, осмысление процессов, имеющих место (возможно!) на указанных масштабах вблизи самой сингулярности, трудно даже отнести к теоретической физике, может быть, это отнесение происходит лишь в силу определенных традиций. И, уж конечно, теряется всякая связь с экспериментальной физикой.

Возникает одновременно и философский, гносеологический вопрос: как вообще мозг человека мог прийти к такой постановке проблемы, обратиться к исследованию ненаблюдаемых явлений? По сути, мозгом порождаются некие мыслительные конструкции, создаются математические структуры, вероятные физические проявления которых интерпретируются в рамках и терминах методологии локальных экспериментов, единственно доступной человеку сегодня. Полнота, адекватность и непротиворечивость результатов, получаемых в таком процессе познания, естественно, требует отдельного обсуждения. Для понимания этой ситуации нам придется вернуться к основам квантовой теории, что мы и сделаем в очередном разделе.

1. Возможности современной квантовой теории как инструмента познания.

Для понимания квантовой теории нужно хорошо представлять, какое содержание вкладывается в ее три основные принципа: принцип целостности, принцип дополнительности и принцип неопределенности. Принцип целостности утверждает, что микрообъект сам по себе не обладает никакими свойствами; он формирует и проявляет их только в определенной макрообстановке. Представителем, ключевым элементом макрообстановки является прибор, осуществляющий измерения физических величин. С тем же основанием можно и наблюдателя считать частью макроскопической обстановки, так как именно он принимает решения о выборе конкретного прибора и проведении измерения той или иной физической величины. Таким образом, в квантовой физике объектом экспериментального исследования является целостная система, состоящая из двух подсистем. Одна из них — прибор-измеритель — подчиняется закономерностям классической физики, другая подсистема — существенно квантовая; между этими двумя частями единой целостной системы существуют принципиально неустранимые связи.

Принцип дополнительности указывает, что в различных макрообстановках проявляются и различные свойства микрообъекта, причем существуют, так называемые взаимно дополнительные макрообстановки (или приборы). Наиболее наглядно содержание этого принципа выявляется при анализе корпускулярно-волнового дуализма. Из эксперимента известно, что в различных ситуациях микрообъекты могут вести себя и как корпускулы, и как волны. Характерной чертой корпускулы является возможность ее регистрации в определенной точке пространства, то есть корпускула — объект, обладающий такой характеристикой, как координата. Характерной же чертой волны является ее делокализация в пространстве-времени, волна есть процесс, происходящий не в одной точке пространства, а сразу в бесконечном множестве (континууме) точек. Пространственно-временными характеристиками волны являются ее длина l и частота n. В теоретической физике обычно используется так называемая круговая частота w = 2pn и волновое число к = 2p/l.Согласно фундаментальной идее Луи де Бройля, волна есть способ описания распространения в пространстве-времени частиц с энергией e = и импульсом р = , при условии, что частицы не передают свою энергию другим объектам. Поэтому регистрация волны в эксперименте, автоматически предполагающая измерение ее длины, фактически означает измерение импульса частиц, сопоставляемых этой волне. Таким образом, корпускула регистрируется при измерении координаты, а волна — при измерении импульса. Эти измерения производятся существенно различными приборами, то есть в принципиально различных макрообстановках. Иными словами, в одной определенной макрообстановке микрообъект может проявить свои только корпускулярные, а в другой — только волновые свойства. Причины, по которым эти макрообстановки называются взаимно дополнительными, раскрываются в принципе неопределенности.

Принцип неопределенности утверждает, что квантовый микрообъект не может одновременно обладать определенными значениями координат и импульсов. Отметим, что объект, обладающий определенными координатой и импульсом, представляет собой классическую корпускулу. Если квантовый микрообъект обладает координатой, то, согласно принципу неопределенности ему нельзя приписать какое-либо значение импульса. То есть этот объект локализован так же, как и классическая корпускула, но, в отличие от нее, импульсом не обладает. Если же, напротив, микрообъект имеет определенное значение импульса, то, согласно принципу неопределенности, он не обладает определенным значением координаты, а значит, такой объект делокализуется в пространстве и приобретает свойства волны. Однако этот микрообъект с классической волной отождествить тоже нельзя. Действительно, можно экспериментально реализовать несколько последовательных измерений (в разные моменты времени!), на основании которых устанавливается, что на пути к последнему измерению координаты, в котором он проявит себя как корпускула, микрообъект вел себя как волна. Классическая же волна зафиксировалась бы при единственном измерении в определенный момент времени.

При только что проведенном анализе принципов дополнительности и неопределенности в качестве исходного образа микрообъекта мы использовали образ частицы-корпускулы. В наших рассуждениях это, в частности, выразилось в том, что понятие волны привлекалось только как способ описания перемещения микрообъекта в пространстве-времени без передачи энергии. Возможен, однако, и прямо противоположный подход: в качестве исходного образа микрообъекта выбирается образ волны, а понятие корпускулы возникает как способ описания взаимодействия микрообъекта с макроскопическими телами с передачей энергии. При построении математической теории микрообъектов дуалистический характер их поведения учитывается так называемой процедурой квантования, которая выглядит по-разному при различном выборе исходного образа микрообъекта. Если исходный образ — корпускула, то процедура квантования наделяет корпускулу в соответствующих ситуациях волновыми свойствами; если же исходный образ — волна, то после квантования в определенных ситуациях микрообъект сможет вести себя как корпускула. Фактически процедура квантования сводится к строго математической формулировке принципа неопределенности. Как уже указывалось, для корпускулы этот принцип не допускает одновременного существования точных значений координат и импульсов (то есть классической детерминированной траектории корпускулы). Для квантовой волны принцип неопределенности запрещает одновременное существование амплитуды и фазы волны, что, собственно, и отличает ее от классической детерминированной волны.

Возникает естественный вопрос, какой исходный образ микрообъекта является более правильным, более полным? Ответ на этот вопрос был найден не сразу. Квантовая теория исторически зарождалась как теория движения микрообъектов (в центре внимания был электрон), кинетическая энергия которых предполагалась существенно меньшей энергии покоя Е₀ = mc². Оказалось, что для таких микрообъектов математические теории, основанные на различных образах микрообъектов, дают в точности одни и те же предсказания, прекрасно согласующиеся с экспериментом. Именно по этой причине долгое время считалось, что говорить об исходном образе микрообъекта не имеет смысла; сосуществование двух различных формулировок квантовой теории рассматривалось как высшее проявление корпускулярно-волнового дуализма. Затем, однако, ситуация изменилась. Между квантовой механикой (использующей в качестве исходного образ частицы) и квантовой теорией поля (основанной на исходном образе волны) с самого начала имелось одно принципиальное отличие: в механике число частиц задавалось сразу, при формулировке теории, а в теории поля число частиц выступало как параметр квантового состояния. Совпадение двух формулировок при низких энергиях обеспечивалось простым физическим обстоятельством: во взаимодействиях частиц низких энергий не могут рождаться новые частицы, энергии просто не хватает, чтобы перейти порог, устанавливаемый энергией покоя новых частиц. Однако при высоких энергиях процесс рождения новых частиц не запрещен законом сохранения энергии и это явление, фактически, является самым характерным для ускорительных экспериментов. Но механика в принципе не способна описать эти явления! Еще раз напомним, что число частиц в квантовомеханической системе задается изначально и в дальнейшем остается неизменным. Между тем, теория поля легко справляется с задачей описания рождения новых частиц. Действительно, в теории поля частицы — это кванты волн, даже из классической волновой теории известно, что волны могут излучаться при взаимодействии физических объектов. После квантования излучению новых волн ставится в соответствие рождение новых частиц. Таким образом, проблема выбора исходного образа микрообъекта однозначно решена экспериментами при высоких энергиях — микрообъекты представляют собой кванты волновых полей.

Важнейшим следствием основных принципов квантовой теории является неизбежность статистического описания. Наиболее явным образом эта неизбежность следует из принципа неопределенности: мы можем говорить только о вероятностях нахождения квантовой системы в том или ином участке координатного или импульсного пространства (мы имеем в виду так называемые обобщенные координаты и импульсы, которые могут быть введены и для частиц, и для волн). Впрочем, необходимость статистического описания следует и из первых двух квантовых принципов, можно представить себе, что наличие неустранимых взаимосвязей делает невозможной эволюцию микрообъекта по классическим детерминистическим законам. Тем более это понятно при учете принципа дополнительности, утверждающего, что сами свойства микрообъекта зависят от макроскопической обстановки. Такие жесткие взаимосвязи делают, по-видимому, неразумными предположения о подчинении микрообъекта классической детерминированной динамике. В условиях существования связей, непрерывно действующих на микрообъект, становится просто невозможным включить его в рамки классической динамики. Эксперимент полностью подтверждает это.

Необходимо сказать, что статистическое описание ведется не вполне по правилам классической теории вероятностей, где основным понятием является вероятность того или иного события. В квантовой теории вероятностное описание более изощренно. Классическое понятие вероятности оказалось довольно грубым при описании свойств микрочастиц и происходящих с ними процессов. Оно оттесняется на второй план, а фундаментальную роль теперь играет понятие амплитуды вероятности, своеобразного «квадратного корня» из вероятности. Такое изменение приоритетов предопределено тем, что нам необходимо не только сформулировать вероятностную схему квантовой динамики, но и учесть волновые свойства микрообъектов.

Известно, что одним из важнейших свойств волн является их способность образовывать так называемые суперпозиции — наложения волновых возбуждений друг на друга в некоторой пространственной области. В квантовой теории понятие волны довольно тесно, хотя и не прямо, связано с понятием вероятности. Волновая структура материи отражает вероятностное распределение материи по пространству-времени. Поэтому вероятности также должны удовлетворять принципу суперпозиции. По этим причинам основным объектом квантовой теории является волновая функция, которую также называют амплитудой вероятности (или вектором состояния). В ней содержится информация о возможных состояниях квантового объекта и о распределении вероятностей по этим состояниям (то есть информация о том, с какой вероятностью реализуется в процессе измерения данное состояние). Иными словами, в соответствие микрообъекту ставится именно волновая функция.

Напомним, что квантовая теория предназначена для описания целостной системы, и помимо микрообъекта существует еще и макрообстановка со своим представителем — прибором-измерителем. В теоретической схеме прибору сопоставлен объект, называемый оператором. Прежде всего, он несет информацию обо всех возможных показаниях прибора, взаимодействующего с микрообъектом. Формально математически оператор представляет собой совокупность математических действий, которые надо совершить над волновой функцией, и тем самым поставить в однозначное соответствие свойства микрообъекта и макрообстановки. Среди операторов физических величин выделена роль оператора энергии, который принято называть гамильтонианом (по имени Уильяма Гамильтона, сформулировавшего схему построения механики с выделенной ролью энергии). Этот оператор устанавливает закон квантовой эволюции, который теперь записывается для волновой функции в виде уравнения Шредингера: ¶Y¤¶ t = HY. Здесь Y — волновая функция микрообъекта, — постоянная Планка, Н — оператор Гамильтона (гамильтониан), ¶¤¶ t — частная производная по времени.

Нужно подчеркнуть, что гамильтониан зависит от более простых математических объектов — операторов обобщенных координат и обобщенных импульсов. То есть от операторов тех величин, для которых и сформулирован принцип неопределенности. Волновая функция, удовлетворяющая уравнению Шредингера, в очень многих, если не во всех, реальных ситуациях представляется как суперпозиция, сумма более простых волновых функций, каждая из которых описывает состояние микрообъекта с определенным значением физической величины. Например, волновая функция некоторого состояния микрообъекта может быть представлена в виде суммы функций, каждая из которых соответствует состоянию с определенным импульсом. Такое состояние называется волновым пакетом, содержащим распределение квантового микрообъекта по состояниям с определенным импульсом. Волновые пакеты можно построить и по другим физическим величинам, например, по спину, по энергиям и т.д. В начальный момент времени t=0 волновая функция описывает квантовый ансамбль микрообъектов, приготавливаемый прибором–приготовителем. В общем случае этот прибор создает волновые пакеты. Эволюция микрообъекта от прибора-приготовителя до прибора-регистратора описывается уравнением Шредингера. При этом меняется структура волнового пакета. В некоторый момент времени t=t₁ происходит взаимодействие квантового объекта с прибором-регистратором. При этом взаимодействии прибор-регистратор показывает определенное значение физической величины, а математически этому соответствует выделение из пакета одной компоненты, которая и описывает состояние с измеренным значением физической величины. После измерения пакет исчезает (этот факт называется редукцией волнового пакета), и возникает новое физическое состояние, свойства которого предопределены взаимодействием микроскопической системы с прибором-регистратором.

Обсудим теперь более подробно, что же лежит в основе трех общих принципов целостности, дополнительности и неопределенности. Идеологически наиболее важен первый принцип, в котором содержится представление о существовании некоторых неустранимых связей между микрообъектом и макрообстановкой, обеспечивающих целостность системы «микрообъект+макрообстановка». Нам известен факт существования этих взаимосвязей и их количественная мера — постоянная Планка, однако следует отдавать себе отчет в том, что природа этих взаимосвязей нам неизвестна. Более того, выяснено, что нельзя пытаться отождествить взаимосвязи, обеспечивающие квантовую целостность, с некоторыми физическими взаимодействиями, связывающими микрообъекты и макрообстановку. Если бы квантовая целостность обеспечивалась физическими взаимодействиями, то была бы справедлива теория со скрытыми параметрами, в которой влияние пока еще неизвестных взаимодействий учитывается статистически. Однако вся совокупность известных нам экспериментальных данных указывает, что квантовые закономерности противоречат положениям теории со скрытыми параметрами. Поэтому мы признаем, что взаимосвязи, обусловливающие квантовую целостность, являются некоторой совершенно новой сущностью.

Может ли вообще быть поставлена задача о познании природы квантовой целостности? Долгое время считалось, что такая задача не имеет смысла. Целостность Мира, одно из проявлений которой — квантовые свойства микрообъектов, рассматривалась как некоторое исходное фундаментальное свойство Мира, как некая исходная абстракция, на которой должна быть основана методология научного исследования. Если мы встанем на такую позицию, то автоматически будем вынуждены признать, что квантовая теория, основанная на принципе целостности, способна полностью описать все физические процессы во Вселенной. Еще двадцать лет назад в возможностях существующей квантовой теории серьезных сомнений не возникало.

Давайте, однако, обсудим принцип целостности более детально. Прежде всего, наметим предметы обсуждения. Во-первых, обратим внимание на то, что сама формулировка принципа целостности предполагает наличие макроскопического мира, с неограниченной точностью подчиняющегося законам классической физики. Во-вторых, мы вспомним обо всех проблемах физики вакуума, которые обсуждались в первых двух частях книги, и проанализируем эти проблемы с позиций принципа целостности. И, в-третьих, мы расскажем о результатах исследования внутренней логической и математической структуры квантовой теории, проведенного наиболее строгими математическими методами в рамках так называемой аксиоматической квантовой теории поля.

В Части II этой книги мы обсуждали физику, содержащуюся в уравнениях ОТО и основанную на существовании подсистемы, с большой точностью удовлетворяющей принципам классической физики. Эта подсистема соответствует геометрии Вселенной в целом. Макроскопическая глобальная геометрия является фоном, «сценой», на которой разыгрываются квантовые процессы на уровне частиц и вакуума. Этот фон не является фиксированным и жестко заданным в эволюционирующей Вселенной, так как все процессы в ней совместно определяют динамику изменений геометрического фона. Макроскопический фон самосогласован с микроскопическими квантовыми явлениями. Такой подход, выделяющий классическую подсистему, типичен и для лабораторной физики, основанной на локально воспроизводимом эксперименте.

Геометрия Мира должна быть детерминирована, хотя бы потому, что без знания геометрии невозможно сконструировать ни один из приборов-измерителей. Информация о детерминированной макроскопической геометрии закладывается в саму конструкцию приборов, предопределяет ее. При рассмотрении любого из приборов легко убедиться, что это действительно так. Прибор должен быть классическим объектом, лишь так мы сможем отделить квантовые свойства изучаемого мира от квантовых, принципиально неустранимых шумов прибора. Именно классичность прибора делает возможным изучение квантовых свойств мира. Этот статус макроскопического мира и классической физики подчеркивал Нильс Бор при формулировке своего принципа целостности. Но можно ли на всех стадиях космологической эволюции выделять из Вселенной классическую макроскопическую подсистему? Сегодня мы знаем ответ на этот вопрос и этот ответ отрицателен! В окрестности космологической сингулярности, где рождается Вселенная и, в значительной мере, формируются ее свойства, разделение Мира на классическую и квантовую подсистемы заведомо невозможно. Один из элементов, фигурирующих в формулировке принципа целостности, в окрестности сингулярности просто отсутствует. Это первая причина, порождающая сомнения в фундаментальном, окончательном статусе существующей формулировки принципа целостности.

Вторая причина для сомнений предоставляется физикой вакуума. В первых двух частях книги мы показали, что все важнейшие проблемы физики элементарных частиц и космологии, решение которых переносится в XXI век, неизбежно сводятся к принципиальным проблемам физики вакуума. Сегодня мы уже уверены в том, что вакуум, как физический объект, имеет, во-первых, сложную иерархическую структуру (две вакуумные подсистемы — ХК и КГК — являются объектами экспериментальных исследований и заведомо ясно, что существует и множество других вакуумных подсистем); во-вторых, вакуум обладает несомненным свойством самоорганизации (одно из нетривиальных проявлений этого свойства содержится в антропном принципе); в-третьих, вакуум способен участвовать в динамических процессах перестройки собственных структур (эти процессы во Вселенной происходят также в режиме самоорганизации — релаксация L- члена); процессы динамической перестройки одной из подсистем мы надеемся исследовать в лабораторном эксперименте (генерация и распад сгустков КГП). Принципиальное значение имеет тот факт, что эволюция вакуума в режиме самоорганизации, и даже более простая задача описания динамики вакуумных структур в реальном времени, не могут быть проанализированы в рамках существующей квантовой теории. Уравнений динамики вакуума просто нет и, оставаясь в рамках принципов существующей квантовой теории, мы их никогда не напишем.

Весьма вероятно, что построению полной квантовой динамики непертурбативного вакуума препятствует именно незнание природы квантовой целостности. Основанием для этого утверждения является то, что вакуумный конденсат со своими усредненными по пространству-времени характеристиками является элементом макромира, тем фоном, над которым происходят перестройки квантовой подсистемы псевдочастиц. По-видимому, знание природы взаимосвязей, обеспечивающих квантовую целостность, имеет критический характер для понимания и количественного описания динамической эволюции вакуума.

Для оценки существа проблем физики вакуума очень важно также понимать, что представления о вакуумных структурах и их эволюции возникают в рамках теории геометризованных квантовых полей. Точнее говоря, речь идет о динамической самоорганизации квантово-геометрических и квантово-топологических структур. Физика вакуума фактически демонстрирует невозможность описывать геометрию классическим языком. Геометризованные квантовые поля являются существенно нелокальным объектом, целостная структура которого не может быть воспроизведена в результате конечного набора локальных измерений. В этой ситуации возникает вопрос: возможно ли в принципе построить логически полную и непротиворечивую теорию таких глобальных квантовых структур?

Теоретическая физика ХХ века ставила задачу создания квантовой теории, полностью операционально интерпретируемой для локально воспроизводимых экспериментов. Так были сформулированы основные принципы аксиоматической квантовой теории поля (АКТП), строго математически выделяющей опорные положения и следствия локальной квантовой парадигмы. Продвижение физического эксперимента и теории к изучению нелокальных, полевых структур привело к необходимости синтеза основных принципов АКТП с идеями и результатами квантовой теории геометризованных полей. В результате анализа логической структуры теории, стало понятно, что геометризованные поля принципиально непознаваемы до конца (детально не наблюдаемы в локальных экспериментах), и это связано с внутренними симметрийными их свойствами, точнее, с их геометрической природой. Тем самым АКТП показала, что идеи унификации полей и взаимодействия частиц, основанные на геометрических принципах, вступают в противоречие с программой познания мира в локальных экспериментах. Возникает впечатление, что этот вывод является окончательным в рамках зафиксированных принципов, и изменение этого вывода требует, по крайней мере, радикального пересмотра теории. Хотелось бы отметить, что исследования в области АКТП с неожиданной стороны привели к выводу о том, что существующая теория носит феноменологический и далеко не окончательный характер, так что требуются новые идеи и принципы. Не случайно специалисты в АКТП называют свою науку квантовой феноменологией. К такому же выводу мы пришли раньше, исходя из других соображений. Во-первых, мы отметили колоссальную сложность квантово-геометрических систем, громадное количество элементов и функциональных связей, что порождает явления типа самоорганизации в этих системах; во-вторых, мы особо подчеркивали проблемы динамического описания вакуума и связанных с ним систем псевдочастиц. Это как раз те экспериментально известные системы, для которых принципиально невозможно записать динамические уравнения в реальном пространстве-времени. Но при этом мы апеллировали к экспериментам и некоторым свойствам объектов, например, типа конфайнмента. А АКТП подошла к этим проблемам с другой стороны — она поставила вопрос: а существуют ли в принципе математические модели, исчерпывающим образом описывающие процесс познания этих структур в локальных экспериментах — и ответила определенно: таких строгих, полных и непротиворечивых математических моделей нет. Эти модели должны включать в себя положения, в справедливости которых мы не сможем убедиться экспериментально. Природа этого результата в том, что динамическую геометрию действительно невозможно исчерпывающе исследовать в локальном эксперименте без теоретической реконструкции; на результатах измерения геометрических характеристик пространства-времени в любой ограниченной области неизбежно скажутся возмущения, пришедшие из соседних областей за время измерения. В основе вывода лежит конечность скорости распространения взаимодействий и невозможность проведения мгновенных измерений. Природа возмущающего сигнала связана с динамичностью геометрии, которая меняется везде во Вселенной. Поэтому полное исследование геометрии пространства-времени без теоретической реконструкции может быть проведено только в системах отсчета, занимающих все пространство и реализованных на бесконечном числе тел, причем каждое тело должно быть снабжено соответствующим прибором-измерителем. В классической теории это обстоятельство не препятствует познанию, так как классическая динамика детерминирована и в силу этого всегда возможна теоретическая реконструкция — восстановление по результатам локальных измерений глобальных свойств систем. В квантовой теории это осуществить невозможно, так как теперь прибор является элементом макрообстановки, формирующей сами свойства микрообъекта. Однозначная теоретическая реконструкция уже невозможна, редукция волн пакета существенно зависит от размеров пространственно-временной области, где и происходит эта редукция. Увеличение этой области приводит просто к другой ситуации. Именно принцип целостности и не позволяет восстановить глобальные свойства по локальным, переход к другим масштабам в этом случае означает переход к качественно иной системе. В формализме АКТП принцип целостности и все следствия из него учитываются максимально полным и последовательным образом, что и отличает его от других эвристических формулировок. Поэтому естественно, что АКТП приводит к выводу о непознаваемости квантового мира в локальных экспериментах в случае, когда объектом изучения является динамически меняющаяся геометрия.

Подчеркнем, что природа квантовой целостности в современной фундаментальной физике остается нераскрытой, как, впрочем, и природа двух других основных принципов квантовой теории — принципов дополнительности и неопределенности. Тем не менее, сегодня мы не имеем другого инструмента познания и эту теорию с определенным уровнем феноменологичности мы экстраполируем на Вселенную в целом. Вряд ли мы сможем, изучая лишь следствия принципиально локальной теории, достаточно полно познать истину, но попробуем получить хотя бы некоторые предварительные результаты.

2.Квантовая версия ОТО и космологии.

Таким образом, несмотря на ограниченные возможности существующей квантовой теории, мы вынуждены ее экстраполировать на окрестность космологической сингулярности. Однако, прежде всего надо обсудить, как совмещаются идеи ОТО и принципы квантовой теории, не забывая о проведенном в предыдущем разделе критическом анализе этих положений. Как уже говорилось, в силу феноменологичности квантовой теории, все идеи совместить не удастся, но, остается надежда осуществить это хотя бы отчасти.

Синтез квантовой теории с ОТО представляется приоритетной задачей по двум причинам: во-первых, общая теория относительности является геометрической теорией и в процессе синтеза проявится и сможет быть изучена проблема совместимости концепций, и, во-вторых, геометрия ОТО автоматически включает в себя геометрию макроскопического мира. Внутренние, расслоенные геометрии с макромиром соотносятся только через систему дефектов в расслоениях, то есть образование и проявление вакуумных конденсатов. В ОТО же присутствует глобальная геометрическая компонента, соответствующая именно макромиру, что делает более наглядным обсуждение синтеза фундаментальных концепций геометрической и квантовой теорий. В дальнейшем анализе мы рассмотрим два различных аспекта такого синтеза.

2.1. Физический аспект проблемы квантования.

Физический аспект проблемы состоит в том, что мы должны наделить все геометрические элементы квантовыми свойствами. Более конкретно, гравитационное поле Вселенной, по крайней мере, в современную эпоху, можно представить как некий сглаженный классический фон, на котором заданы квантовые гравитационно-волновые возмущения. Таким образом, геометрия представляет собой достаточно гладкий (локально плоский) фон плюс квантованные гравитационные волны (гравитоны). Изменится ли этот образ геометрии Мира при движении к сингулярности? Чем ближе мы оказываемся к сингулярности, тем большее значение приобретают эффекты взаимодействия гравитонов друг с другом и другими частицами. Этот факт легко понять, так как даже в ньютоновской теории тяготения интенсивность гравитационного взаимодействия пропорциональна произведению масс взаимодействующих объектов. В релятивистской теории вместо масс возникает произведение полных энергий; в окрестности сингулярности энергии велики, так что интенсивность взаимодействия растет. Помимо этого, характерные пространственно-временные масштабы квантово-гравитационных флуктуаций, то есть их периоды и длины волн, уменьшаются с приближением к сингулярности. Важно, однако, то, что одновременно уменьшается и характерный временной масштаб эволюции классического фона, причем заметно быстрее. В сегодняшней Вселенной фоновый масштаб намного больше характерного масштаба квантово-гравитационных флуктуаций.

Анализ сегодняшней Вселенной, а также всех стадий ее эволюции, на которых характерные энергии частиц существенно меньше планковской энергии, не предполагает модификации идеологической структуры фундаментальной физики. По-прежнему базисная теория оперирует с классической подсистемой — геометрией Вселенной в целом — и квантовой подсистемой, образуемой комплексами псевдочастиц, различных типов вакуумных конденсатов. Новым элементом является только самосогласование динамических свойств подсистем, но, несмотря на взаимоподстройку характеристик, эволюцию одной подсистемы приходится рассматривать на классическом уровне, а другой — на квантовом. Основанием для такого подхода является резкое отличие характерных временных параметров подсистем.

Действительно, для современной Вселенной характерное время эволюции в целом порядка ее возраста — примерно 15 млрд. лет, а характерные времена любых квантовых процессов заведомо меньше 10^-8 сек. Понятно, что можно пренебречь любыми эффектами квантовых флуктуаций при рассмотрении Вселенной в целом. Если типичные энергии частиц в космологической плазме имеют порядок 1 ТэВ, то характерное время квантовых микропроцессов порядка 10^-26 сек, а характерное время эволюции от сингулярности 10^-12 сек. Мы видим, что и в этой ситуации разделение на классическую и квантовую подсистемы может быть проведено с громадной точностью. Такое разделение возможно даже на масштабе Великого Объединения: до этого масштаба Вселенная эволюционирует за время 10^-35 сек, а типичное время квантовых микропроцессов на этом масштабе порядка 10^-41 сек. Сильное неравенство характерных времен показывает, что здесь разделение подсистем происходит с точностью до одной миллионной. Однако в самой окрестности сингулярности неравенство, которое, собственно, и позволяет разделять мир на классическую и квантовую подсистемы, нарушается, и нарушение это происходит на планковском масштабе. Там характерное время эволюции Вселенной в целом и характерное время квантовых микропроцессов одного порядка — 10^-43 сек. В этих условиях разделение мира на две подсистемы теряет смысл.

Итак, при планковских энергиях в окрестности космологической сингулярности фоновую геометрию, характеризующую Вселенную в целом, уже нельзя рассматривать классически. В этом случае задача квантовой динамики ставится не только для гравитационных волн, но и для фоновой геометрии макромира (хотя, конечно, трудно называть макроскопическим миром совокупность объектов и полей вблизи космологической сингулярности). На планковском масштабе нужна новая физика, в которой с принципиально новых позиций будет формулироваться проблема целостного Мира. В современной физике концепция целостности предполагает существование неустранимых связей между элементами Мира; в новой физике целостность Мира должна пониматься как принципиальная невозможность разложения Мира на отдельные элементы.

Таким образом, говоря о новой физике, мы не имеем в виду модификацию и расширение наших знаний о геометрии, природе расслоений, структуре вакуума (хотя, конечно, процесс всестороннего исследования этих понятий в XXI веке будет идти очень активно; об этом мы и рассказывали в первых двух частях книги). Однако сейчас мы обсуждаем совершенно специфическую ситуацию — окрестность космологической сингулярности, в которой стандартный язык существующей физики вообще теряет смысл. Мы теряем возможность даже просто сравнивать интересующие нас структуры друг с другом и с самими собой на разных этапах эволюции, поскольку теряет смысл базис, относительно которого эти свойства фиксируются — детерминированное классическое пространство-время. Нужно признать и то, что мы отнюдь не уверены, что человек способен в принципе сформулировать теорию физических систем при планковских параметрах. Возможно, что эту задачу — познание природы целостности Мира в момент его рождения — человек не сможет решить, так как он сам и его мозг есть системы, определенные над макроскопическим детерминированным фоном. Человек является одним из элементов целостности, познающим, или пытающимся это сделать «изнутри» единой сильносвязной системы. Для человека непредставима и невозможна ситуация, когда отсутствует причинно обусловленный макромир — тот, который человек изучает и тот, который формирует человека и неотделим от него. В этой связи добавим, что проблема космологической сингулярности по существу является еще одной специфической проблемой, выводящей человеческое познание на границы возможного.

2.2. Математическая структура теории. «Исчезновение» времени.

В постановке проблемы квантования ОТО и космологии присутствует и математический аспект: как правильно сформулировать принцип неопределенности для гравитационного поля Вселенной. Теоретические прогнозы и количественные результаты находятся в прямой зависимости от математической формулировки этого принципа. Напомним, что принцип неопределенности формулируется для взаимно дополнительных величин. Если проводить квантование только гравитационных волн, не затрагивая макроскопический геометрический фон, то такие взаимно дополнительные величины ввести легко. Однако при расширении физической постановки задачи — для работы на околопланковских масштабах — квантованию подвергаются не только гравитационные волны, но и макрогеометрия. В этом случае требуется дополнительный анализ, который на существующем уровне знаний мы можем провести в рамках так называемого гамильтонова формализма квантовой теории. Кратко расскажем о результатах этого анализа.

Гамильтонов формализм обладает рядом специфических черт. Во-первых, в нем явно выделен особый статус времени. Отметим, что такая теоретическая схема непосредственно соответствует процессу познания: хотя мы работаем с теорией, свойства симметрии которой заданы в 4-мерном пространстве-времени, сопоставление ее с экспериментом предполагает упорядочение физических событий в одномерном времени. Таким образом, субъективно, для наблюдателя, проводящего измерения и упорядочивающего события, время выделено особо. Во-вторых, только в рамках гамильтонова формализма есть однозначная процедура введения динамических величин, удовлетворяющих квантовому соотношению неопределенностей. В классической физике существует много способов формулировки динамики, можно использовать в качестве динамических переменных широкий класс комбинаций физических величин и следить за их изменениями во времени. Выбор таких базисных величин в высокой степени произволен и определяется, главным образом, соображениями удобства математического описания. В квантовой теории ситуация качественно иная. Поскольку принцип неопределенности фиксирует невозможность одновременного измерения некоторых взаимно дополнительных физических величин, можно говорить лишь о вероятностях нахождения системы в той или иной области координатного или импульсного пространства. Гамильтонов формализм вводит и использует только те динамические величины (так называемые канонические обобщенные координаты и импульсы), для которых имеет место соотношение неопределенностей и один из наборов которых можно взять для введения понятия вероятностей событий.

Таким образом, первым шагом по пути квантовой модификации ОТО является придание теории гравитации гамильтоновой формы еще до построения квантовой теории Вселенной в целом. В процессе решения этой задачи выявляется весьма специфичная черта ОТО, предопределяющая и крайне своеобразный характер квантовой геометродинамики. Теория гравитации динамически реализует пространственно-временную симметрию, физический смысл которой состоит в возможности выбора любой системы отсчета для описания гравитационных явлений. Как уже говорилось выше, уравнения Эйнштейна сохраняют свой вид в любой системе отсчета. Добавим, что эта, так называемая ковариантность уравнений Эйнштейна, является математическим выражением физической пространственно-временной симметрии, которая имеет ряд следствий. Во-первых, уравнения Эйнштейна нельзя решить, не задавая систему отсчета. При этом решения уравнений в разных системах отсчета выглядят по-разному, поскольку они несут информацию как о физическом объекте, так и о системе отсчета, в которой этот объект изучается. Во-вторых, не все уравнения (а их всего десять) имеют одинаковый динамический статус — шесть из десяти уравнений представляют собой уравнения движения, а четыре имеют статус вполне конкретных следствий из уравнений движения и являются уравнениями связи.

В механике также есть уравнения движения — второй закон Ньютона и следствия из них – закон сохранения энергии и импульса. Но при получении следствия из уравнений мы автоматически вводим свободный параметр – полную энергию системы, которая может быть любой. Отличие теории гравитации, примененной к Вселенной в целом, состоит в том, что в ней тоже есть аналог закона сохранения энергии, как следствия уравнений движения. Это как раз и есть одно из четырех уравнений связи, дополнительных к шести динамическим уравнениям. Но, в отличие от классической механики, для Вселенной в целом нельзя задавать полную энергию произвольно.

Уже упоминалось, что уравнения Эйнштейна содержат жесткое утверждение о равенстве нулю энергии и импульса Вселенной в целом. Отличия теории Эйнштейна от механики состоят, в частности, и в том, что она предсказывает не только закон движения, но и единственно возможные значения энергии и импульса Вселенной в целом. Этот факт и является следствием симметрии, динамическая реализация которой и приводит к уравнениям Эйнштейна. Такая структура теории Эйнштейна в ее квантовом варианте приводит к специальным ограничениям на вектор состояния или, как говорят, на волновую функцию Вселенной, Y_В. В гамильтоновом формализме, где явно выделена роль времени, выясняется, что волновая функция Y_В содержит информацию о вероятностях состояний геометрии 3-мерного пространства Вселенной.

Итак, если строить квантовую теорию для Вселенной в целом по известным правилам, то у нас появляется уравнение Шредингера для волновой функции Вселенной, ¶Y_В¤¶ t = H_ВY_В. Это уравнение для Вселенной в целом, по существу, есть квантовое обобщение динамических законов, содержащихся в шести уравнениях Эйнштейна. Статус геометрии именно 3-мерного пространства, как объекта квантового описания, есть следствие использования гамильтонова формализма, в котором роль времени выделена. Математически этот статус закрепляется тем, что оператор H_В, который называется супергамильтонианом Вселенной, зависит от обобщенных координат и импульсов, описывающих геометрические свойства 3-мерного пространства. Среди этих операторов обобщенных координат и импульсов есть и операторы, соответствующие той геометрической характеристике, которую ранее, в обычной физике, мы называли макроскопическим фоном. Правда, теперь у него нет статуса макроскопического объекта, он описывается совместно с квантовыми волнами, что приводит к специфическим особенностям, обнаруживающимся при взгляде на уравнения связи — оставшиеся четыре из десяти уравнений Эйнштейна.

Одно из уравнений связи приводит к совершенно парадоксальному выводу. Уже неоднократно обсуждавшийся эффект равенства нулю полной энергии Вселенной в квантовой теории приводит к уравнению связи: Н_ВY_В=0. Казалось бы, что такого странного в том, что энергия всех частиц плюс энергия вакуума в сумме с энергией гравитационного поля дает нуль? Энергия гравитационного поля Вселенной, присущая глобальной геометрии Вселенной, точно компенсирует вклады в энергию всех остальных форм материи и вакуума, и этот результат есть точное следствие теории Эйнштейна, содержащихся в ней симметрий. Но если теперь посмотреть на уравнение связи Н_ВY_В=0, которое именно эту идею и выражает, совместно с взглядом на уравнение Шредингера, то нетрудно заметить, что волновая функция Вселенной перестает зависеть от времени (ее производная по времени обращается в нуль). Таким образом, квантовая динамика, в привычном для нас понимании, исчезает, и этот факт является следствием рассмотрения фоновой геометрии в качестве равноправного объекта квантовой теории. Обратим внимание, что время исчезло, как только мы перестали разделять Мир на классическую и квантовую подсистемы!

3.Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.

3.1. Проблемы познания.

Казалось бы, мы действовали последовательно, используя в процессе познания теорию, описывающую наблюдаемый мир и предполагающую разделение познаваемого объекта на классическую и квантовую подсистемы. Такое расщепление единой системы составляло неотъемлемую часть процедуры ее исследования. Выяснилось, однако, что при экстраполяции на планковские масштабы квантовой теории, апробированной в локально воспроизводимых экспериментах и построенной для их интерпретации, такое разделение уже невозможно, и мы вынуждены рассматривать познаваемую структуру как единую, существенно целостную систему. Формально мы используем известные правила квантового описания объектов, перенося их на масштабы, где нет уверенности в выполнении условий применимости теории. Эти действия оправдываются тем, что других инструментов познания мы просто не имеем. Однако, применяя этот инструмент познания, мы приходим к парадоксальному выводу об исчезновении времени. Но ведь сам процесс познания объекта изучения, «вещи-для-нас», развертывается во времени! Да и существование этого объекта вне процесса его познания, как «вещи-для-себя», также мыслится нами во времени. Сложившаяся ситуация требует осмысления и, прежде всего, с точки зрения возможности осуществления самого процесса познания.

Человек, как субъект познания, непосредственно связан с такими базисными понятиями существующей квантовой физики, как прибор-приготовитель и прибор-регистратор. Напомним, что само представление о квантовой динамике возникает при рассмотрении временной эволюции квантового объекта от прибора-приготовителя к прибору-регистратору. Теперь, столкнувшись с парадоксом квантовой космологии, в первую очередь мы должны обратить внимание на следующее обстоятельство: когда речь идет о Вселенной в целом, то этим приборам не просто придать конкретный смысл, поскольку они находятся не вне, а внутри изучаемого объекта, внутри Вселенной, и эволюционируют вместе с ней. Это принципиально иная ситуация, чем в обычной квантовой теории. Тем не менее, мы совершили формальную экстраполяцию, которая однозначно привела к выводу об отсутствии временной эволюции волновой функции Вселенной. Можно либо поставить под сомнение возможность самой экстраполяции, либо попытаться придать этому результату какой-то смысл с учетом специфического статуса наблюдателя внутри Вселенной, ведь отказаться от процедуры экстраполяции никогда не поздно. Экстраполяция теории за пределы ее применимости должна в этом случае пониматься не как инструмент поиска научной истины, а только как метод обнаружения новых элементов реальности, исходно не представленных в имеющейся базе знаний. Применение этого метода оправдано, если он дает результаты, принципиально не объяснимые в пределах экстраполированной теории. Именно тогда мы сталкиваемся с необходимостью поиска в природе структур, проявление которых в локальных экспериментах либо отсутствует, либо не регистрируется нашими приборами. Нужно сказать, что хотя бы убедиться в существовании таких элементов целостной структуры Мира уже не мало. После этого можно целенаправленно искать во Вселенной, или в самих себе, объяснение причин существования и природы функционирования физических структур, недоступных современной локальной квантовой теории.

Не исключено также, что поиск объяснения этих причин может пойти по другому, не научному пути познания. Похоже, что сегодня именно (и только?) метод локального воспроизводимого эксперимента соответствует возможностям человека, как познающего субъекта. Информация, получаемая в ходе эксперимента, селектируется таким образом, чтобы отобрать некоторую, достаточно небольшую, ее часть, воспринимаемую мозгом. В этом смысле локальный эксперимент есть метод отбора информации, доступной мозгу. Но на самом деле пределы возможностей Человека-исследователя нам неизвестны. Логично предположить, что с расширением этих возможностей уменьшится или вообще станет ненужной селекция информации и то, что воспринимается сейчас как хаотический «белый шум», в будущем станет доступно интеллектуальному восприятию и осмыслению. Сейчас трудно сказать, не вернется ли на новом витке эволюции человека этап познания Мира путем его созерцания как целостного объекта.

Мы уже не раз говорили о сложности мира и о том, что фундаментальная физика бросает своеобразный вызов человеческому интеллекту. Имелась в виду невообразимая сложность изучаемой системы, тот факт, что количество вакуумных структур и число выполняемых ими функций так велико и многообразно, что с трудом поддаются человеческому восприятию. Но с точки зрения общей теории систем сохраняется определенное родство между человеком, как сложной биосистемой, и физическим вакуумом. В обоих случаях речь идет о целостных иерархических структурах, определенных на детерминированном фоне. При обсуждении же проблемы космологической сингулярности мы сталкиваемся с принципиально иной ситуацией, ведь проблема даже не в том, что система сложна и обладает большим количеством элементов с взаимообусловленными свойствами. Теперь мы встречаемся с ситуацией, когда принципиально невозможно выделить отдельные элементы системы и придать им самостоятельный смысл. Это проблема другого типа.

Любопытно, однако, следующее обстоятельство: несмотря на принципиально различный характер проблем, у них есть общая черта — обе они упираются в проблему квантовой целостности. Это весьма нетривиальный элемент с точки зрения методологии науки. Природа (или Бог?) как бы подсказывают нам — разберитесь сначала в рамках лабораторного эксперимента с природой квантовой целостности, найдите способы динамического описания непертурбативного вакуума и, возможно, после этого у вас в руках будет инструмент, с помощью которого вы сможете проанализировать процесс рождения Вселенной. С учетом всех этих соображений о родственности проблем на столь разных масштабах, прокомментируем известное высказывание Альберта Эйнштейна: «Бог изощрен, но не злонамерен». В ней под словом Бог Эйнштейн имел в виду некоторую систему фундаментальных принципов, которыми определяется функционирование нашего мира. Хотя, конечно, современная фундаментальная физика позволяет весьма широко трактовать понятие Бога, но в настоящий момент нам вполне достаточно и такого понимания. Изощренность Бога проявляется в том, что он создал мир с очень сложной иерархической и взаимообусловленной структурой. Возможно, настолько сложной, что описание этой сверхструктуры набором достаточно простых динамических законов с использованием представлений о локальном взаимодействии объектов квантовой природы кажется, по меньшей мере, наивным и, в высшей степени, приближенным. Однако Бог не злонамерен и подсказывает нам подход к изучению созданного им Мира. Первое указание на это можно усмотреть, например, в единой квантово-топологической природе вакуумных структур, сформированных в ходе эволюции Вселенной на существенно различных масштабах.

Как отмечалось выше, на одном из концов энергетической шкалы мы встречаемся с квантово-топологическими флуктуациями в КХД расслоениях (характерный масштаб которых 0.1 ГэВ), а на другом конце находятся флуктуации типа «кротовых нор» (их характерный масштаб порядка 10¹⁹ ГэВ). Различие в энергиях флуктуаций огромно — 20 порядков, но их природа одна и та же. Явления на нижней границе энергетической шкалы доступны эксперименту, а эффекты, имеющие место на верхнем конце шкалы энергий, необходимы для понимания рождения Вселенной. Помимо квантово-топологического единства этих эффектов, Бог намекает и на методологическое родство соответствующих динамических задач. Для понимания динамической эволюции КХД вакуума в реальном времени нужны новые принципы квантовой динамики, но новые принципы так же нужны и для анализа явлений на другом конце шкалы энергий. Так Бог дает шанс для познания мира, используя доступный нам метод локально воспроизводимого эксперимента. Сегодня этот метод — единственный из доступных человеку для научного познания Мира. Оказывается, что этот метод позволяет нам продолжить процесс познания, Бог не создал пока ситуацию, которая остановила бы процесс познания — он не злонамерен!

Итак, сегодня мы можем только экстраполировать известные на сегодня математические и логические схемы на окрестность сингулярности. Предметом дальнейшего рассмотрения становятся конкретные вопросы, возникающие при такой экстраполяции, и свойства математических моделей за пределами тех физических ситуаций, анализ которых был целью их исходной формулировки. Результаты, полученные путем такой экстраполяции, и представляют собой содержание современной теории Вселенной в целом или квантовой геометродинамики (КГД).

Первый вопрос в рамках процедуры экстраполяции таков: какова размерность Вселенной, которую мы собираемся рассматривать как квантовое единое целое? Уже сегодня нам представляется разумным изучать многомерные вселенные, а процесс компактификации дополнительных измерений рассматривать как динамическое явление, а не как изначально заданную топологическую конфигурацию. Некоторые попытки такого рассмотрения — построения КГД многомерной Вселенной — уже предпринимаются, но мы их не рассматриваем по двум причинам. Во-первых, эта область науки находится сейчас только на первом этапе разработки проблемы и каких-либо надежных результатов еще нет, а, во-вторых, те новые аспекты проблемы, которые возникли из-за невозможности разделения мира на классическую и квантовую подсистемы, можно обсуждать и на примере квантовой 4-мерной Вселенной. Дополнительные измерения, конечно, сильно усложняют эти проблемы, но даже и без их учета имеется множество принципиальных моментов, требующих обсуждения. Поэтому в дальнейшем мы будем говорить о квантовой геометродинамике 4- мерной Вселенной.

3.2. Наблюдатель в квантовой Вселенной.

В этом разделе мы выделим принципиально новые концепции, которые естественно возникают при попытке рассмотрения Вселенной, как квантового единого целого. Первой из них является концепция наблюдателя, находящегося внутри замкнутой Вселенной, и своими действиями по ее изучению оказывающего влияние на эволюцию Вселенной (концепция Эверетта-Уилера). Вторая концепция — это интерпретация Вселенной (самой большой системы, из известных современной науке) как подсистемы еще более сложной системы. Она неизбежно приводит к гипотезе о существовании многообразия более общего типа, чем «обычное» пространство-время. Это многообразие носит название суперпространства Уилера. Отметим, что термин «суперпространство» появился в нашем изложении еще раз, но теперь в совершенно другом смысле. Ранее, в разделах 7 и 8 части I, этот термин обозначал многообразие, геометрия которого задается полями сразу двух типов: тензорными полями, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна, и спинорными полями, подчиняющимися статистике Ферми-Дирака, то есть удовлетворяющими принципу Паули. Для описания такого многообразия и используются термины «супергеометрия», «суперискривления», «суперррасслоение». Это суперпространство первого типа описывает геометрию той Вселенной, в которой мы живем. Теория Вселенной, как единого квантового объекта, приводит к гипотезе о существовании суперпространства второго типа — многообразия, элементами которого являются вселенные с 3-мерным пространством, эволюция которых в квазиклассическом пределе упорядочивается в одномерном времени.

Является ли такое суперпространство некоторым видом реальности, которую уже нельзя называть и считать физической? Для ее обозначения мы будем пользоваться терминами «надфизическая», «надпространственная», «надвременная реальность», понимая всю условность и дискуссионность таких терминов. Может быть, суперпространство Уилера есть просто классификационное многообразие, объединяющее в себе не различные вселенные, а условно собирающее в единое многообразие разные состояния одной и той же Вселенной? Мы не знаем ответа на этот вопрос, а в формальных теоретических исследованиях предполагаются и та, и другая возможности. Отметим, что если мы рассматриваем первую возможность, то есть, считаем суперпространство надфизической реальностью, то естественно приходим к одному из вариантов гипотезы о множественности миров. При этом даже появляется конкретный образ — множество вселенных, взаимодействующих в суперпространстве.

Повторим еще раз: мы рассуждаем о том, чего на самом деле до конца не понимаем. Подобные идеи у нас возникают в результате формальной экстраполяции аппарата квантовой теории на Вселенную в целом. Отметим, что появление обоих концепций в каком-то смысле обусловлено свойствами этого аппарата. Действительно, обычная квантовая теория поля или квантовая механика могут быть сформулированы для пространственно-временного многообразия с детерминированной геометрией. Если мы отказываемся от образа такой геометрии, но сохраняем логическую структуру квантовой теории, то внутри аппарата естественно появляется понятие, занимающее то же место, что и пространство в обычной квантовой теории. Только теперь оно называется суперпространством, его геометрия детерминирована, а его элементами являются геометрии обычного пространства. Сохранение математической структуры автоматически приводит к сохранению и логической структуры, меняются лишь наименования элементов. Как же это понимать? Может быть, и в этом случае имеет смысл замечание «Бог изощрен, но не злонамерен»? А может быть, это всего лишь создаваемые нами иллюзии? Тем не менее, мы хотим разобраться в ситуации, и при этом вынуждены использовать те методы, которые имеются у нас на сегодняшний день. Использование экстраполяции как логической схемы познания с необходимостью расширяет исходно неполную теоретическую конструкцию путем введения в нее на завершающем этапе как обобщающих парадигм, так и совершенно новых элементов, добавление которых диктуется целостной природой изучаемой системы. Изначальная ограниченность круга знаний, естественно, преодолевается не полностью, однако наряду с ростом общей суммы знаний и расширением числа точек соприкосновения с непознанным, совокупность наших знаний обогащается появлением качественно новых элементов картины Мира. В частности, именно в результате экстраполяции в качестве такого элемента в теории появилось понятие суперпространства.

Вернемся к вопросу о статусе наблюдателя, то есть к первой концепции Эверетта-Уилера. Сама постановка вопроса об этом статусе тоже является следствием использования аппарата «ортодоксальной» квантовой теории, экстраполированной на Вселенную в целом. Даже в лабораторной квантовой физике при проведении любого эксперимента мы сталкиваемся с удивительным явлением — редукцией волнового пакета. Мы так привыкли к этому явлению и к его формальному отражению в математическом аппарате, что даже не отдаем себе отчет в непонимании его природы. В основе этого явления лежит принцип квантовой суперпозиции состояний микрообъекта. Редукция представляет собой выделение из квантовой суперпозиции одного из ее элементов в процессе измерения. При этом прибор-приготовитель приготавливает квантовую систему в состоянии, которое характеризуется большим числом потенциальных возможностей иметь то или иное значение физической величины. Когда эта квантовая система взаимодействует с прибором–регистратором, то из всех потенциальных возможностей в каждом акте измерения реализуется только одна. После этого квантовая система переходит в новое определенное квантовое состояние. В связи с этим возникает два вопроса: а куда исчезают потенциальные возможности, которые имелись до измерения? И каков реальный статус наблюдателя, осуществляющего произвольное измерение? Он, реализуя процесс редукции, фактически формирует мир в определенном состоянии. Если бы он реализовал другую потенциальную возможность, это был бы другой мир.

Конкретное состояние нашего мира формируется в последовательности редукций квантово-волновых пакетов, выбирающих определенные возможности из многих. Отсюда и вытекает концепция о наблюдателе — участнике процесса формирования мира. Эту концепцию явно сформулировал Уилер именно в связи с проблемами КГД, так как в замкнутой Вселенной наблюдатель как раз и находится внутри нее и своими действиями по проведению измерений формирует ее свойства. Ранее Эверетт анализировал вопрос об исчезновении потенциальных возможностей и выдвинул идею о том, что на самом деле различные результаты редукции волновых пакетов соответствуют различным вселенным, точнее говоря, различным ветвям эволюции Вселенной. В этом случае свойства Вселенной на различных ветвях могут быть различны. Комбинация этих двух идей в одну — в концепции Эверетта – Уилера — приводит к многомировой интерпретации волновой функции Вселенной. Суть интерпретации в том, что изначально у нас имеется бесконечное множество вариантов существования Мира, бесконечное множество ветвей эволюции, а наблюдатель-участник внутри Вселенной путем последовательной редукции квантово-волновых пакетов формирует одну из возможных ветвей эволюции Мира. Другие ветви эволюции могут сформировать другие наблюдатели, которые находятся в других вселенных, изначально подобных нашей. Некий суперприбор-приготовитель формирует ансамбль вселенных, но затем каждый член ансамбля, в зависимости от действий наблюдателей, занимает одну из возможных ветвей эволюции. Кратко можно эту ситуацию прокомментировать так — по сути, мы опять занимаемся экстраполяцией, перенося закономерности, присущие локальным квантовым измерениям, на процесс квантово-измерительной идентификации состояния Вселенной в целом. При этом нам понадобились весьма абстрактные и пока не наполненные содержанием образы наблюдателей-участников, смутное понятие о суперприборе-приготовителе, об ансамбле вселенных. Именно экстраполяция породила такие образы. Возникает два вопроса: есть ли у нас основания считать, что эти образы вообще отражают какую-либо реальность, можно ли доверять результатам формальной экстраполяции? А если они отражают некую реальность, то какое конкретное физическое содержание нужно вложить в понятие «наблюдатель–участник» в нашей Вселенной? В частности, как он будет планировать свой эксперимент и фиксировать его результаты? Эти вопросы по самой своей постановке выходят за пределы физики.

В сложившейся ситуации мы можем, во-первых, намеренно проигнорировать очень сложные вопросы о статусе наблюдателя-участника и просто описать картины квантовой эволюции Вселенной, возникающие в рамках КГД; во-вторых, посмотреть на проблему физической реализации наблюдателя-участника с позиции теории вакуума; в-третьих, попытаться придать конкретное содержание гипотезе о множественности миров.

Вначале постараемся понять, что означает отсутствие времени в основном уравнении КГД, то есть независимость волновой функции Вселенной от времени, и ответить на вопрос о том, как математически реализуется концепция Эверетта-Уилера. Проблема состоит в том, что гамильтониан Вселенной не содержит информации о наблюдателе, его действиях и намерениях. Оба вышеприведенных вопроса тесно взаимосвязаны. Ответ на первый вопрос таков: волновая функция Вселенной Y_В описывает сразу и прошлое, и настоящее, и будущее Вселенной, только так можно понимать отсутствие зависимости ее волновой функции от времени. Отметим, что это утверждение носит фаталистический характер — все события во Вселенной вроде бы предопределены. Но что именно предопределено? Мы ведь работаем не в рамках классической механики, где есть предопределенность всех механических состояний, точнее, координат и скоростей классических объектов. А что же понимать под предопределением в квантовой теории? На самом деле предопределены результаты редукции волновых пакетов, процессы же редукции осуществляются наблюдателями-участниками на протяжении всей истории Вселенной. Именно информация обо всех редукциях, которые были, есть и будут, и содержится в волновой функции Вселенной.

Как же отличить одну последовательность редукций от другой, потенциально возможной последовательности? Ответ приходит из математики – для решения уравнения Уилера-де Витта Н_ВY_В=0 необходимо задать так называемые граничные условия для волновой функции. Формально квадрат модуля функции Y_В определяет вероятность обнаружения Вселенной в состоянии с конкретной геометрией, и таких состояний, охватываемых волновой функцией, бесконечно много. Разным волновым функциям соответствуют различные решения уравнения Уилера –деВитта. Но нужно выбрать какое-либо одно из них, выделенное по каким-либо физическим причинам или характеристикам, и попытаться это решение сопоставить истории реальной Вселенной. Процедура выбора одного из множества решений в математике фиксируется заданием граничных условий для волновой функции. Форма этих условий фактически и предопределяет значения функции для всех состояний Вселенной на всех этапах ее эволюции. Иными словами, граничные условия предопределяют, в том числе, и результаты редукции, то есть действия наблюдателя. Таким образом, в концепции Эверетта-Уилера информация о намерениях и действиях наблюдателя содержится в граничных условиях для волновой функции Вселенной Y_В, удовлетворяющей уравнению Уилера-деВитта. Разным вариантам граничных условий будут соответствовать и разные действия наблюдателей-участников и, следовательно, разные варианты эволюции Вселенной. Однако что же это за физически выделенное состояние, на котором можно задавать граничные условия?

3.3. Рождение Вселенной из «Ничего».

Для введения в теорию такого состояния мы используем концепцию рождения Вселенной из «Ничего». В научной литературе имеется несколько вариантов этой концепции, авторам этой книги наиболее близка трактовка Я.Б.Зельдовича и Л.П.Грищука. Под термином «Ничего» понимается пустое замкнутое 3-мерное пространство без частиц, а радиус кривизны этого пространства является минимально возможным — равным планковскому. Предположим, что по некоторым причинам, которые нуждаются в отдельном обсуждении, это замкнутое пустое пространство обрело некие индивидуальные геометрические характеристики и потому стало объектом описания КГД. Однако вакуум в этом пространстве находится в резко неравновесном состоянии (что вполне естественно, если само пространство выделилось в качестве объекта в результате некоторого катастрофического процесса), неравновесность вакуума обеспечивает неизбежность эволюции этого пустого пространства. В результате эволюции вакуум рождает частицы, но положительная энергия частиц и вакуума точно компенсируется отрицательной энергий гравитационного поля (напомним, что суммарная энергия Вселенной в целом равна нулю). Так, без нарушения закона сохранения энергии, первоначально маленькая, пустая Вселенная преобразуется в большую Вселенную, заполненную материей — частицами. Граничные условия для волновой функции Вселенной как раз разумно задавать, выделяя в качестве начального состояния пустое замкнутое пространство без частиц. Правда, и в этом случае имеется множество вариантов граничных условий, которые по существу различаются состояниями вакуума в этом пространстве.

В описанной ситуации естественен вопрос: а существуют ли выделенные граничные условия для выделенного состояния? Стивен Хокинг считает, что такие выделенные граничные условия есть. Свой вариант таких условий он сформулировал математически. Попробуем пояснить выбор граничных условий Хокинга следующим образом. В условиях Хокинга фигурируют понятия гиперповерхностных сечений 4-мерного пространства-времени. Поясним это понятие на примере пространства меньшей размерности. Рассмотрим замкнутую область 3-мерного пространства в виде шара. Через любой диаметр шара можно провести бесконечное количество плоскостей —сечений шара. Каждое из них представляет собой двумерную поверхность, а совокупность границ бесконечного числа поверхностей сечений (то есть окружностей) образует границу шара — сферу. В описанном примере шар представлял собой область 3-мерного евклидова пространства, а его сечения — области двумерного евклидова пространства. В этом пространстве автоматически возникает понятие границы областей. В неевклидовой геометрии замкнутых пространств ситуация существенно иная. Математические исследования привели к парадоксальному выводу: оказывается, большое (в пределе бесконечно большое) число гиперпространственных сечений замкнутого пространства можно отождествить друг с другом и при этом оказывается невозможным ввести понятие границы замкнутого пространства. Такое замкнутое пространство без границ представляет собой выделенный геометрический объект. Хокинг сделал следующее. Во-первых, он постулировал, что в начальном состоянии Вселенной времени как физического понятия еще не существует и временная координата ничем не отличается от пространственных. Напомним, что в реальном пространстве-времени принципиальное отличие временной координаты состоит в том, что она используется для упорядочения причинно связанных событий; однако в начальный момент существования Мира никаких событий еще не произошло, так что можно и не выделять временную координату. Гиперповерхности Хокинга относятся именно к такому замкнутому 4-мерному пространству без реального времени. Вот такая трудно представимая замкнутая Вселенная без границ и без времени предлагается в качестве начального состояния Мира, имеющего математический статус граничных условий для волновой функции Вселенной. Сам Стивен Хокинг полагает, что таким граничным условиям нужно придавать статус фундаментального закона природы. Можно восхититься остроумием этого математического утверждения, но вряд ли стоит придавать ему особое значение и искать в нем некий тайный смысл. Что в описанной схеме вызывает неудовлетворение? Во-первых, на уровне самой парадигмы игнорируется сложная структура вакуума и не учитывается, что эта структура эволюционирует.

Но что такое эволюция с точки зрения не зависящей от времени квантовой динамики? Проиллюстрируем эту идею на самой простой модели, когда 3-мерная геометрия пространства полностью определяется одной величиной – его радиусом кривизны а. Волновая функция Вселенной Y_В естественно зависит от этого радиуса. Вероятность найти Вселенную в состоянии со значениями радиуса кривизны в интервале от а до а+dа (dа — бесконечно малое изменение радиуса) равна ½Y_В½² dа. При значениях а, много больших планковских, что соответствует эпохе, когда уже произошел распад неравновесного вакуума и родилось достаточно много частиц, предсказания квантовой геометродинамики должны автоматически согласовываться с описанием Вселенной в классической схеме ОТО. Иными словами, должен существовать соответствующий математический предельный переход от одной теории к другой. Первое, что нужно сделать при таком переходе — это установить взаимное соответствие квантовых и классических вероятностей. С точки зрения классической эволюционной теории вероятность найти Вселенную в состоянии с радиусом между а и а+dа пропорциональна промежутку времени, необходимому для классической эволюции от а до а+dа. Отсюда получаем соотношение:

½Y_В½²×dа ~ dt (dt — бесконечно малый промежуток времени) и соответствующую дифференциальную зависимость между радиусом кривизны и временем. Этот пример хорошо показывает, что понятие времени есть прерогатива классической физики, для его введения необходимо существование классической подсистемы, эволюцию которой с достаточной точностью можно описать без учета квантовых флуктуаций.

Непосредственно в КГД ставятся и обсуждаются следующие проблемы:

1. Выяснение природы состояния «Ничего», придания ему некоторых физических и математических образов;

2. Описание процесса превращения «Ничего» в макроскопическую Вселенную, эволюция которой уже может рассматриваться квазиклассически;

3. Фиксация ключевых физических явлений, сопровождающих процесс превращения «Ничего» в макровселенную и выявление причинно-следственных связей между этими явлениями и процессами возникновения макроскопических структур во Вселенной.

Конечно, мы не можем сказать, что эти вопросы изучены достаточно детально, сейчас делаются лишь первые шаги в предельно упрощенных теориях. В таких теориях, которые также называют модельными, геометрия Вселенной характеризуется одной величиной — радиусом кривизны а 3-мерного пространства, а вакуумное состояние Вселенной описывается скалярными полями j хиггсовского типа. Волновая функция Вселенной в таких моделях зависит от указанных выше переменных, а квадрат ее модуля пропорционален вероятности нахождения Вселенной в геометрическом состоянии, характеризующемся величиной радиуса кривизны а, и вакуумном состоянии, задаваемом полями j. Среди всех возможных геометрических состояний есть одно с предельно малой величиной а. Это состояние и отождествляется с понятием «Ничего».

Уравнение Уилера-деВитта показывает, что состояние «Ничего» отделено от квазиклассического состояния с большим радиусом кривизны потенциальным барьером, который формируется в основном вакуумными полями. С классической точки зрения такой барьер непроницаем для Вселенной с полной энергией, равной нулю. Но в квантовой теории существует не равная нулю вероятность туннелирования — нахождения квантового объекта за барьером. Этот процесс туннелирования и сопоставляется процессу квантового рождения Вселенной из «Ничего». За барьером Вселенная входит в состояние, которое на квазиклассическом уровне может быть описано инфляционными моделями. Однако было обнаружено, что в процессе самого туннелирования должно происходить спонтанное рождение частиц из вакуума, так что Вселенная за барьером уже не пуста. Количество частиц возрастает и далее в ходе квазиклассической эволюции в результате распада неравновесного вакуума, то есть в результате трансформации стадии инфляции во фридмановскую стадию эволюции. Наконец еще одно и наиболее интересное физическое явление — возникновение и последующее усиление пространственно неоднородных квантовых флуктуаций вакуумных полей. Частицы, которые рождаются в процессе туннелирования и распада вакуума, взаимодействуют с этими флуктуациями и потому также распределены в пространстве неоднородно. Таким образом, КГД претендует на раскрытие природы начальных флуктуаций плотности, эволюция которых приводит в дальнейшем к формированию крупномасштабной структуры Вселенной.

Как видим, в самой постановке задач в КГД отражается предположение о том, что все основные свойства Вселенной, в том числе и те, которые определяют ее сегодняшний облик, сформировались в процессе ее квантового рождения. Все изложенное, однако, не стоит воспринимать, как окончательную истину. Многое может измениться в нашей трактовке сложнейших явлений природы, в частности, возможны и другие версии КГД (об одной из них будет сказано ниже), возможен также пересмотр математической реализации концепции Эверетта-Уилера (речь идет о том, что граничные условия могут и не иметь тот статус, который им придается сегодня). Конечно, необходимо и гораздо более полное описание геометрии вакуума, чем то, которое имеется в упрощенных моделях. Результаты КГД имеют модельный, приближенный и предварительный характер. Несомненно, однако, что исследования в этой области будут продолжены, и они имеют большой физический и философский смысл. Дело в том, что предположение о существенной роли квантовой стадии эволюции Вселенной в формировании ее основных макроскопических свойств достаточно строго вытекает из экстраполяции теории, принципы которой экспериментально проверены в границах ее применимости. Этот вывод вряд ли можно подвергнуть сомнению. Критическому обсуждению можно подвергать конкретные экстраполяции физических принципов за границы физических условий, при которых они были установлены. КГД есть один из вариантов такой экстраполяции и, как видим, эта теория, несмотря на ее очевидно приближенный характер, все же демонстрирует способность к содержательному обсуждению процесса рождения Вселенной. Этот факт очень обнадеживает исследователей и вселяет надежду на то, что самые фундаментальные вопросы естествознания и философии все же можно исследовать научными методами. По крайней мере, процесс исследования уже начат.

3.4. Гравитационный вакуумный конденсат.

Конечно, исследования, основанные на экстраполяции, есть лишь некоторый предварительный этап поиска принципиально новых законов природы. Ведь мы не имеем даже непротиворечивой схемы локальной физики, как же можно проводить глобальную экстраполяцию? Казалось бы, в этой ситуации нужно признать, что никакие экстраполяции делать нельзя и следует, хотя бы временно, просто отказаться от изучения Вселенной в целом в квантовой теории. По-видимому, этот вывод все же неверен, экстраполяции делать надо, только изучать и осмысливать их следствия следует критически. Цель такого критического рассмотрения состоит в том, чтобы в рамках этого процесса осмысления искать новые подходы, или хотя бы убеждаться в необходимости такого поиска. С этих позиций и нужно анализировать результаты теории Уилера-деВитта.

Конкретные математические результаты квантовой геометродинамики относятся к довольно простым моделям, в которых геометрия характеризуется лишь одной величиной – радиусом кривизны изотропного пространства, а вакуум в нем моделируется скалярными полями. Можно сказать, что подобные модели имеют некое отношение к эффектам, индуцируемым ХК в нестационарной Вселенной. С некоторой долей условности можно рассматривать такие КГД - модели как квантовые теории ХК. В этих моделях получены и определенные результаты. В частности, удается выяснить условия возникновения инфляционного режима, предпринимаются попытки изучения процессов рождения частиц в результате распадов неравновесного конденсата. Но напомним, что все эти результаты в определенном смысле зависят от граничных условий. Им, в свою очередь, придается статус условий, предписывающих определенные действия наблюдателям-участникам при редукциях волнового пакета, составляющего волновую функцию Вселенной. Из всех критических замечаний, которые можно предъявить этому варианту КГД, прежде всего, выделим следующие: эта теория, во-первых, в принципе не способна дать квантово-геометродинамическое описание Вселенной с непертурбативным вакуумным конденсатом, хотя бы потому, что для непертурбативного конденсата отсутствует локальная формулировка динамики (экстраполяция которой привела бы к глобальной формулировке), во-вторых, в самих принципах КГД отсутствуют указания или ссылки на сложнейшую структуру вакуума, его эволюцию и самоорганизацию. Кроме того, кажется странным, что такой сложнейший физический и философский вопрос — о роли наблюдателя-участника в квантовой эволюции Вселенной — решается на уровне только граничных условий, и наличие наблюдателя-участника никак не отражено в уравнениях КГД. Относительно самих условий Хокинга можно, в частности, сказать, что эти условия выделены среди прочих вариантов по критерию простоты, но кажется удивительным, что математически простейшие граничные условия соответствуют действиям, порождающим очень сложные иерархические структуры.

Можно было бы поискать и другие варианты КГД с иным физическим содержанием. Так, А.Д.Сахаров считал, что волновая функция Вселенной с необходимостью должна зависеть от времени, то есть квантовая эволюция Вселенной обязана развиваться во времени, что противоречит теории Уилера-деВитта. Но нужно отметить, что в квантовой теории время приобретает реальность через процесс измерения, время возникает как понятие, с помощью которого мы упорядочиваем результаты измерения. Поэтому введение времени в уравнения КГД ставит вопрос о математическом образе некоторого суперприбора, который находится внутри Вселенной, проводит измерения и упорядочивает их результаты. Кто (или что) мог бы исполнять роль такого прибора? При помощи каких структур Вселенная может изучать сама себя? Сегодня мы способны ответить на этот вопрос только в самой общей формулировке: таким суперприбором мог бы быть сложно структурированный вакуум, который способен фиксировать информацию о Вселенной на своих структурах.

Как мы уже говорили, вакуум имеет много подсистем, все они имеют какое-то отношение к геометрическим свойствам пространства-времени и возникают в результате либо спонтанного нарушения симметрии, связанного с расслоениями, либо с переходом этих симметрий в так называемое скрытое состояние, чему соответствует условие конфайнмента для полей, взаимодействующих с расслоениями такой симметрии. Очевидно, что одних этих структур недостаточно для построения квантовой геометродинамики Вселенной, эволюционирующей во времени. Время является одной из четырех координат, предназначенных для описания искривленного 4-мерного риманова многообразия. Проблема времени порождается не симметриями, наложенными на расслоения, а симметрией, связанной с искривлениями многообразия в целом. Поэтому появление времени в уравнениях КГД может быть обусловлено только тем, что состояние вакуума несимметрично относительно пространственно-временных преобразований, задающих теорию Эйнштейна. Закрепление этого эффекта нарушения симметрии должен произвести соответствующий вакуумный конденсат, который можно назвать гравитационным вакуумным конденсатом (ГВК). К сожалению, полная теория ГВК и последовательное описание процессов нарушения пространственно-временной симметрии пока отсутствуют. В теоретические модели такой ГВК вводится, по сути дела, эвристически, правда, есть некоторые соображения, оправдывающие такой шаг.

Мы уже указывали, что даже в классической теории Эйнштейна надо выбрать систему отсчета, что соответствует наложению специальных математических условий (калибровки) на метрику, описывающую геометрические свойства пространства-времени. Физическое содержание решений уравнений теории после этого зависит от явного вида еще одного математического уравнения — условия калибровки. В классической теории калибровка фиксирует систему отсчета, а каков же ее статус в квантовой теории? В классической теории можно отделить эффекты выбора системы отсчета от собственно физических эффектов. Можно ли аналогичную операцию провести в квантовой теории? Эти вопросы детально изучались и формальные ответы таковы: уравнения квантовой теории имеют множество решений, из которых только одно подмножество решений является калибровочно-инвариантным (не зависит от вида наложенной на решения калибровки). Остальные решения неинвариантны и существенно зависят от калибровки. В классической теории все калибровочно неинвариантные решения равноправны в том смысле, что из любого решения можно выделить одну и ту же калибровочно-инвариантную информацию. В квантовой же теории класс неинвариантных решений существенно отличается от класса калибровочно-инвариантных решений. Принято считать, что смысл имеют только калибровочно-инвариантные решения, остальные же просто отбрасываются. Между тем подобные действия логически оправданы только в одном случае – когда объектом исследований является локализованная квантовая система, изучаемая с помощью приборов, отстоящих от нее достаточно далеко и не оказывающих прямого динамического воздействия на процессы внутри квантовой системы. Иными словами, роль прибора сводится к фиксации результатов измерений, удовлетворяющих принципам дополнительности и неопределенности. В такой ситуации калибровочно-инвариантный подход единственно возможен и естественен.

Для замкнутой Вселенной, где средства наблюдения находятся внутри ее и их принципиально невозможно пространственно отделить от взаимодействующих квантовых объектов, ситуация иная. Здесь средства наблюдения принимают активное участие в формировании квантовых состояний, они не просто отбирают одну из потенциальных возможностей, а сами формируют эти потенциальные возможности в динамическом режиме! Возвращаясь к обычной схеме квантовой теории — прибор-приготовитель и прибор-регистратор — замечаем, что в замкнутой Вселенной такой схемы нет, область собственно квантовой эволюции исчезает, прибор-приготовитель фактически сливается с прибором-регистратором, и оба они воздействуют на квантовую систему. При этом состояния приборов определяются калибровкой. Поэтому калибровочная инвариантность замкнутой Вселенной в КГД не очевидна. В этой ситуации имеет смысл изучить все решения уравнений КГД, а не только то подмножество, которое считается калибровочно-инвариантным и соотносится с уравнением Уилера-деВитта. При реализации этого подхода выясняется, что это уравнение возникает, если выделение калибровочно-инвариантных состояний проводится до решения уравнения, а общее калибровочно-неинвариантное решение для волновой функции удовлетворяет динамическому уравнению Шредингера. Поэтому можно изменить последовательность операций – сначала получить общее решение калибровочно-неинвариантного уравнения Шредингера, которое совместно определяет динамику объекта и средств наблюдения, а затем из общего решения выделить частное, калибровочно-инвариантное и соответствующее отсутствию влияния средств наблюдения на объект. Но оказалось, что это сделать нельзя – частное калибровочно-инвариантное решение принципиально невозможно выделить из общего калибровочно-неинвариантного. Причина в том, что при построении общего решения в качестве элемента системы обязательно появляется ГВК, фиксируя нарушение пространственно-временной симметрии. Этот конденсат определяет вид общего решения, и изгнать его уже невозможно, он становится неустранимым элементом реальности. Если же его вообще не вводить, то уравнение Шредингера превращается в уравнение Уилера-деВитта.

Каждый из этих подходов имеет черты, которые разные люди могут считать и достоинствами, и недостатками. Стандартный подход характеризуется нетривиальной мистической интерпретацией волновой функции, использует высокосимметричные, математически элегантные граничные условия, сами решения уравнений обладают пространственно-временной симметрией. Наиболее важно то, что реализуется предопределенность поведения Вселенной вместе с действиями наблюдателя-участника, граничные условия рассматриваются как закон природы, предопределяющий эти действия. Все это можно рассматривать как характеристики нетривиального содержания КГД. Но отсутствие времени, образа наблюдателя-участника в уравнении КГД некоторым ученым кажется недостатком теории. В калибровочно-неинвариантном подходе появляется такой нетривиальный элемент, как ГВК, который вместе с другими вакуумными подсистемами играет роль наблюдателя-участника и обеспечивает существование времени. Отметим, что, по сути, мы говорим о некой математической модели Мирового Разума, что придает своеобразную прелесть этому варианту КГД. В то же время у этого подхода есть и черты, которые можно рассматривать как недостатки. В частности, нам неизвестны законы формирования целостной физической системы «физический объект + средства наблюдения», которые в описанной выше схеме проявляются как незнание вида допустимых калибровок. Обсуждение калибровочно-неинвариантных эффектов, которые в этой версии доминируют в квантовой эволюции, не имеют аналога в классической физике. Итак, мы видим, что любой вариант экстраполяции локальной теории на Вселенную в целом не столько дает ответ, сколько ставит новые проблемы.

4.Концепция множественности миров.

Легко заметить, что при формулировке проблемы рождения Вселенной из «Ничего» совершенно неясным остается вопрос о возникновении этого «Ничего». Откуда же, из чего возникает такое начальное состояние Вселенной — пустое замкнутое пространство без частиц? Этот вопрос сегодня обсуждается в рамках двух концепций: в концепции дочерних вселенных и в концепции суперпространственной динамики. Отметим, что общая их черта состоит в предположении множественности миров.

Рассмотрим вначале концепцию дочерних вселенных, которая, в свою очередь, также имеет два варианта. Первый из них апеллирует к представлениям о маловероятных, но сильных флуктуациях геометрии пространства-времени в субмикроскопических масштабах. Во втором варианте рассматриваются процессы, происходящие на конечных стадиях эволюции «черных дыр». Первый вариант концепции имеет еще одно название — рождение Вселенной из «пространственно-временной пены».

С точки зрения квантовой теории чисто классической геометрии пространства-времени существовать не может. Строго фиксированные значения геометрических физических характеристик пространства-времени — метрики, связности и кривизны — вступают в противоречие с фундаментальным принципом неопределенности. Поэтому эти геометрические характеристики в действительности флуктуируют около средних значений, определяющих макроскопическую геометрию Вселенной. Характерный пространственно-временной масштаб флуктуаций – планковский, 10^-33 см. Характерное время также планковское — 10^-43 сек. Эти флуктуации имеют место в каждой точке макроскопического пространства-времени. Они не воспринимаются нами непосредственно, во-первых, в силу малости их пространственно-временных масштабов (наши органы чувств и приборы, создаваемые нами, оперируют с гораздо большими пространственно-временными промежутками, поэтому проводят автоматическое усреднение по квантовым флуктуациям на планковских масштабах). Во-вторых, амплитуды этих флуктуации на самом деле, абсолютно малы, т.е. малы отклонения метрики и других геометрических характеристик от средних значений. Но эти флуктуации реально существуют, подчеркнем — они есть следствие фундаментальных принципов квантовой теории. За ними установилось название «пространственно-временная пена». В последние годы был поставлен вопрос: а можно ли убедиться в существовании такой «пены» в прямых экспериментах?

Напомним, что любая постановка вопроса в современной фундаментальной физике предполагает вначале конструирование модели в нашем сознании, а лишь затем создание приборов для фиксации ключевых свойств созданной теоретической конструкции. На последнем этапе происходит непосредственно наблюдение эффекта и его интерпретация в рамках придуманной теории. Теория необходима для выделения интересующего нас эффекта на фоне множества других. Эта же методология, в частности, используется и при постановке задачи о возможном наблюдении «пространственно-временной пены». Идея теоретического прогноза основана на предположении, что во Вселенной имеются источники гамма-квантов (фотонов) сверхвысокой энергии — порядка 10¹⁶ ГэВ, что всего на 3 порядка меньше предельной планковской энергии в 10¹⁹ ГэВ. Это, конечно, только предположение, хотя и достаточно правдоподобное. По крайней мере, все, что нам известно об активных ядрах галактик, квазарах и других астрономических объектах со сверхмощным энерговыделением, позволяет предполагать существование гамма-квантов таких энергий. Вообще говоря, любой гамма-квант при движении в пространстве-времени чувствует его геометрические свойства (напомним, что в классической теории гравитации хорошо известен эффект отклонения солнечных лучей гравитационным полем). На движение фотонов влияют также и флуктуации геометрии пространства-времени, просто для гамма-квантов с большой длиной волны (то есть с малой энергией) этот эффект совершенно не заметен, Чтобы его увидеть, длина волны гамма-квантов должна быть сравнима с характерным масштабом флуктуаций. Наблюдая за фотонами с энергией 10¹⁶ ГэВ, мы имеем шанс заметить их реакцию на флуктуации геометрических характеристик пространства-времени: теперь фотоны будут распространяться с несколько иной скоростью, меньшей их скорости в пространстве-времени с нефлуктуирующей геометрией. Зависимость между энергией и импульсом у таких фотонов также меняется по сравнению с обычными фотонами. В последнее время обсуждаются возможности наблюдения такого эффекта для прямого подтверждения существования «пространственно-временной пены».

Возвращаясь к проблеме рождения Вселенной из «Ничего», отметим, что квантовые флуктуации представляют собой статистическое явление; когда мы говорим, что их величина мала, имеется в виду их малость в среднем, то есть, малы наиболее вероятные значения амплитуд флуктуаций. Но на фоне наиболее вероятных малых флуктуаций могут возникать и так называемые статистические выбросы — очень маловероятные флуктуации большой амплитуды. С этими мощными флуктуациями обязательно будут связаны и мощные локальные гравитационные поля. Такая область мощной флуктуации может гравитационно обособиться, отделиться от нашей Вселенной и сформировать область пространства, топологически не связанную с нашей Вселенной. Эта обособленная область представляет собой 3-мерное пространство планковских размеров, не содержащее внутри себя частиц. Такая область по всем своим характеристикам соответствует объекту, обозначаемому словом «Ничего». После своего гравитационного отделения эта область пространства начнет развиваться автономно, следуя, возможно, сценариям КГД, описанным в предыдущем разделе. Именно так нам представляется сегодня рождение дочерней вселенной из «пространственно-временной пены».

Каковы характерные черты этой гипотезы? Дочерняя вселенная может «отпочковаться» от любой области нашей Вселенной; сам же процесс этого отделения должен сопровождаться весьма кратковременным, но мощным излучением высокоэнергетических частиц без всякой видимой причины. Если бы процесс образования дочерних вселенных происходил часто, мы бы видели вокруг нас беспричинные вспышки высокоэнергетического излучения, что, на первый взгляд, противоречит закону сохранения энергии. Конечно, нарушения закона нет, просто энергия распределяется в пространстве-времени с учетом не наблюдаемой нами дочерней вселенной. Вероятность рождения такой вселенной чрезвычайно мала. Чтобы произошло спонтанное обособление дочерней вселенной от нашей макроскопической Вселенной, оказывается недостаточным всего времени существования последней. Если и был такой процесс, то он явно был случаен и единичен.

Впрочем, не все так безнадежно, ведь сейчас мы говорили о малой вероятности именно спонтанного рождения из «пространственно-временной пены». Есть много возможностей стимулировать этот процесс, сделать его не спонтанным, а индуцированным. Известно, что в областях, где пространство-время сильно искривлено, вероятность рождения дочерней вселенной резко возрастает. Самый простой способ локально сильно искривить пространство-время — столкнуть две сверхвысокоэнергетические частицы так, чтобы они образовали, хотя бы на короткое время, компактный объект — сгусток плазмы элементарных частиц, или файерболл. Если энергии частиц сравнимы с планковскими, а параметры его (размеры файерболла) тоже порядка планковских, то вероятность рождения Вселенной уже будет близка к единице. А если у нас есть частицы меньших энергий, то файерболлы будут менее компактны, и вероятность рождения дочерних вселенных будет, соответственно, меньше. Но в любом случае нужно иметь в виду, что в области соударений частиц высоких энергий вероятность рождения дочерних вселенных повышается. Эти достаточно надежные теоретические прогнозы приводят к выводу о том, что дочерние вселенные все же могут отпочковаться от нашей Вселенной, так как в ней имеются достаточно высокоэнергетические частицы, и за время существования нашей Вселенной в каком-либо ее месте наверняка произошло соударение таких частиц. Поэтому концепция множественности миров, основанная на рождении дочерних вселенных из «пространственно-временной пены», выглядит достаточно правдоподобно.

Отметим также еще один своеобразный вывод теории — как ни парадоксально это звучит, проводя эксперимент на современных ускорителях, мы создаем такие условия в области соударений частиц, при которых рождение новой дочерней вселенной становится более вероятно, чем за пределами ускорителя. Сами того не ожидая, мы сделали первый маленький шаг к созданию искусственных вселенных в лаборатории руками человека. Конечно, энергии, которые у нас имеются, очень малы, и говорить о разумных вероятностях создания дочерней вселенной в лаборатории нельзя. Но важно подчеркнуть, что первый шаг уже сделан, и мы можем сами повысить вероятность рождения вселенной. Наверное, этот вывод из фундаментальной физической теории достоин философского осмысления.

Обсудим теперь и второй вариант — возникновение дочерних вселенных в ходе эволюции «черных дыр». Кратко напомним — «черная дыра» представляет собой сильно сжатый компактный объект, гравитационное поле которого способно удержать любые частицы, включая и фотоны. Размер «черной дыры» с массой М определяется так называемым гравитационным радиусом: . Более детальный анализ показал, что «черная дыра» в действительности не является абсолютно черной, то есть это образование способно не только поглощать частицы, но также излучать их. Несмотря на то, что из-под гравитационного радиуса никакие частицы выйти не могут, пары частиц (с противоположными по знаку зарядами) могут спонтанно рождаться из вакуума в окрестности гравитационного радиуса. При этом одна из частиц находится за гравитационным радиусом, следовательно, может покинуть «черную дыру», а вторая частица находится под радиусом и падает обратно, к центру «черной дыры». Этот эффект в середине 70- годов был открыт С.Хокингом. Отметим, кстати, что эффект Хокинга имеет непосредственное отношение к физике вакуума: эффект «испарения» «черной дыры» является следствием деформации вакуума ее сверхсильным гравитационным полем. Смысл термина «испарение» объясняется тем, что масса-энергия «черной дыры» уносится спонтанно рождающимися частицами. По этим причинам любая «черная дыра» живет лишь конечное время, которое определяется величиной ее массы: .

Наиболее интригующий вопрос связан с конечной стадией эволюции испаряющейся «черной дыры». Существующая теория позволяет проследить эволюцию «черной дыры» до той стадии, когда ее радиус и масса становятся равными планковским значениям. По-видимому, последним актом существования такого объекта в нашем пространстве должен быть всплеск излучения на масштабе планковских энергий, после чего область «черной дыры» становится, образно говоря, пустой. Тогда встает вопрос о дальнейшей судьбе этой области пространства, прежде занимаемой «черной дырой». Заметим, что анализ эволюции «черной дыры» естественно приводит к понятию, которое мы ранее использовали при обсуждении проблемы рождения Вселенной — понятию «Ничего», как пустого замкнутого пространства планковских размеров. Кажется естественным предположение о том, что «Ничего», возникая, как целостный объект на конечной стадии эволюции «черной дыры», является зародышем новой вселенной. Для этого необходимо, чтобы связь остатка «черной дыры» с нашим пространством прервалась, другими словами, чтобы этот остаток ушел в так называемую несвязную область. Нетрудно заметить, что в результате такой цепочки явлений мы получаем ту же ситуацию, которая раньше обсуждалась в связи с флуктуациями в «пространственно-временной пене». Возникновение пустой несвязанной области имеет место и в том, и в другом случае. Причины появления своеобразного «отростка» от нашего пространства, связанного с ним лишь перемычкой, размеры которой меньше гравитационного радиуса, разные, но результат тот же. Дальнейшая эволюция такой пустой области «Ничего» уже обсуждалась.

Насколько реально возникновение дочерних вселенных в процессе квантового испарения «черных дыр»? Легко подсчитать, что за время жизни Вселенной успеют испариться только дыры, массы которых очень малы по сравнению с типичными звездными массами. Весьма проблематичным является и происхождение таких «черных дыр». Единственной разумной гипотезой служит предположение, что эти дыры являются так называемыми первичными, возникшими в ходе катастрофических процессов на некоторых этапах эволюции Вселенной. Сегодня можно указать и конкретные катастрофические процессы, имеющие отношение к проблеме — в частности, это релятивистские фазовые переходы с перестройками структуры физического вакуума. Любая такая перестройка неизбежно сопровождается возникновением сильных флуктуаций плотности космологической плазмы. Поэтому можно допустить, что некоторые из этих флуктуаций способны к гравитационному обособлению и образованию «черной дыры». Если принять эту гипотезу, можно заметить, что дочерние вселенные — это дочери вакуума, который в ходе своих перестроек порождает «черные дыры», затем обеспечивает их квантовое испарение и, в конечном счете, образование дочерней вселенной. Мы много говорили выше о вакууме, как об объекте с чрезвычайно сложной структурой и разнообразными сложными функциями, происхождение которых и цель плохо понятны. Теперь к этим функциям можно добавить и рождение дочерних вселенных. Похоже, что вакуумные структуры не только самоорганизуются, но и размножаются!

Еще одна концепция рождения Вселенной связана с другим типом экстраполяции существующих теоретических конструкций за пределы локальной физики. Имеется в виду следующая аналогия: квантовая теория одной Вселенной, точнее, Вселенной вместе с дочерними, представляет собой аналог квантовой теории одной частицы. Подобно тому, как в простой задаче квантовой механики объектом описания являются квантовые свойства одной микрочастицы, так и в этом варианте КГД объектом описания является одна Вселенная. Мы знаем, что реальный мир состоит из большого числа частиц, и описание системы многих частиц нужно проводить уже в рамках квантовой теории поля, где частицы рассматриваются как кванты поля, а поле — как характеристика пространства-времени. Попробуем эту логику использовать и в КГД. Естественным шагом является следующее обобщение — введение квантового поля Супервселенной, квантами которого будут отдельные вселенные. Само поле определено в суперпространстве и, по-видимому, должно выступать как геометрическая характеристика суперпространства. В теоретической физике эта программа носит название третичного квантования (первичным принято называть теорию отдельных микрочастиц, вторичное квантование – это уже теория поля). Эта программа весьма претенциозна, так как фактически исходит из гипотезы о существовании надпространственной реальности, в которой и существует множество взаимодействующих друг с другом вселенных. Более того, эта программа оформляет наши претензии на познание этой реальности. Претензии явно очень завышены, и поэтому в дальнейшем мы не будем обсуждать конкретные варианты суперпространственной динамики, тем более что сделано в этой области немного. Проблема состоит в том, что нам неизвестна симметрия и, следовательно, геометрия суперпространства. Простейшие предположения об этой геометрии приводят к моделям, в которых процессы рождения новых вселенных при взаимодействии существующих (аналог рождения новых частиц при соударениях частиц в ускорителях) отсутствуют. Конечно, это свидетельствует лишь о недостатке имеющихся знаний.

Итак, какова же на сегодняшний день общая картина? Во-первых, в некотором смысле физический вакуум является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, что вполне очевидно из анализа лабораторных экспериментов, астрофизических наблюдений и их теоретического осмысления. Именно на уровне вакуума происходят процессы превращения «Ничего» в макроскопическую Вселенную. Структуры вакуума и происходящие на их уровне процессы обусловливают как сам факт рождения Вселенной, так и ее свойства. Во вторых, мы видим, что вакуум может выполнять функции наблюдателя–участника — в соответствии с концепцией Эверетта-Уилера на вакуумных структурах может записываться и храниться информация о каждом физическом процессе. Также именно на уровне вакуума происходят процессы, которые могут привести к размножению вселенных. Очевидно, что этот эффект определяется наличием у вакуума свойством самоорганизации. Можно уверенно сказать, что у Вселенной в целом, благодаря сложнейшей структуре физического вакуума, есть ряд признаков системы, способной к самопознанию. Не исключено, что Вселенная, как система, не только самоорганизована, но жива, и даже разумна, вследствие наличия в ней активного элемента (вакуума), способного функционировать в режиме, свойственном Разуму. Такая философская концепция вполне совместима с результатами современной фундаментальной физики и космологии. Напомним, что существующая в среде ученых так называемая «вежливая форма религиозности» (по формулировке А.Д.Сахарова) главным образом и порождена категориями и выводами современной космологии. Вершиной наших теоретических экстраполяций представляется гипотеза о надпространственной реальности, о существовании еще одного суперпространственного уровня, который заполнен множеством взаимодействующих между собой вселенных.

Удивительно, но факт, что мы не первыми пытаемся решить проблемы такого рода, концепции такого высокого уровня осмысления и обобщения возникли уже около 4 тысяч лет тому назад. Об этом мы поговорим в следующем разделе.

5. Гимн о сотворении Мира

в терминологии квантовой геометродинамики.

И сам факт постановки, и качество ответов на вопросы о возникновении и устройстве Вселенной всегда определяли направление и темпы развития человеческой цивилизации. Космологические представления человечества непрерывно формировались и уточнялись в результате размышлений о причинах и условиях существования жизни на Земле. Они отражались в виде космогонических мифов, которые фиксировали как современный уровень осмысления факта творения Мира, так и конкретные знания о структуре Мира и его пространственно-временных параметрах. В космогонических мифах описывается акт рождения Вселенной, то есть рассказывается о весьма удаленных во времени событиях (в этом состоит их, так называемый, диахронический аспект). Космологические же представления содержат некий «количественный» анализ происхождения и функционирования отдельных частей Мира, объясняют наблюдаемые или даже прогнозируют возможные явления природы (это называют синхроническим аспектом описания космоса). Однако определение и объяснение структуры мироздания, функций, которые выполняют отдельные его компоненты, равнозначно ответу на вопрос «как это возникло?». Следовательно, требуется описать и всю цепь порождения космических объектов (так осуществляется операциональная связь диахронического и синхронического аспектов описания Мира).

Космологическое и космогоническое сближаются тем, что на единой основе, равноправно рассматривают природу (макрокосм) и человека (микрокосм). С точки зрения древних мыслителей человек и мироздание представляют собой единую систему не только в плане взаимовлияния, но и почти генетически: не только человек создан из элементов мироздания, но и Вселенная происходит из тела первочеловека. Например, это Пуруша в ведийской мифологии, из которого возникли такие элементы космоса, как вселенская душа. Первочеловек Пуруша представляет собой единство целостности и расчлененности, это одновременно объект и субъект. Он есть не имеющая начала и конца сознающая, но инертная первосущность, только соединение его с динамической основой — пракрити — создает мир множественности, мир вещей и процессов. Пракрити же в ведийской мифологии — это вечная, вездесущая первоначальная субстанция, первопричина мира объектов. По смыслу пракрити сравнивается с майей, вечно скрывающей истинную глубину вещей и событий, но все создающей и движущей живой сутью мира. Именно соединение пракрити и Пуруши нарушает равновесие и вызывает эволюцию мира, создаваемого при разделении первочеловека на элементы. Однако эта эволюция происходит уже в рамках некоторого порядка, законов мироздания. Главной целью космогонической мифологии как раз и является описание процесса перехода от неорганизованного первичного хаоса к упорядоченному космосу.

Особая связь микро-и макрокосма, человека и Мира, закладывается изначально в создаваемые в космогонических мифах модели мира. Именно поэтому моделирование процесса рождения Вселенной, ее дальнейшего динамического упорядочения и носит так часто антропоморфный характер. Однако и человек в таких моделях понимается как часть космоса, нераздельно входящая в целостную систему. Именно поэтому выяснению вопроса о месте человека в такой системе всегда уделялась существенная часть древних космогонических текстов. В качестве определения модели мира часто используется такое: модель мира есть сокращенное и упрощенное отображение всей суммы представлений о мире внутри данной традиции, взятых в их системном и операциональном аспектах. При этом «мир» понимается как результат взаимодействия человека и среды, информационного, силового и энергетического обмена между этими его подсистемами. Различные модели мира, тем не менее, содержат описание основных параметров Вселенной, ее пространственно-временных масштабов, причинно-следственных связей, некоторых количественных характеристик. Модели мироздания, объясняющие и рождение, и «рабочую схему», и его функционирование непрерывно создавались на протяжении всей истории цивилизации. В различные периоды истории и у различных народов они либо давали в каком-то смысле «научную» картину мира, либо создавали искаженное, иллюзорное понимание важнейших для человека вопросов.

Впервые слово “cosmos” появилось в философии Гераклита и служило для обозначения миропорядка, связанного с вечно живым огнем. Практически все древнейшие мыслители давали свое решение космологической проблемы: Вселенная вертикальной структуры Гомера и Гесиода; сферическая, строго симметричная Вселенная Анаксимандра, окруженная огненной оболочкой с цилиндрической неподвижной Землей; плоская столообразная Земля Анаксимена, «оседлавшая» воздух; покоящаяся в центре Вселенной шарообразная Земля Парменида. Это и модель космоса Анаксимандра, в которой космос, подобно живому существу, зарождается и развивается под действием противоположных сил, подчиненных мировому закону равновесия и справедливости; первичная огненная единица в центре мира пифагорейцев, играющая роль семени, из которого вырастает космос; космос, возникший из атомов, первоначально носившихся за его пределами в философии Демокрита, как случайное образование в бесконечном и безразмерном пространстве, включающем в себя бесконечное множество миров; вечный и неизменный космос Аристотеля с подлунным и надлунным мирами, в первом из них пространство неоднородно и движение идет от одной выделенной точки к другой, в надлунном же мире тела качественно неизменны, движение тел совершенно, и оно только круговое, безостановочное, вечное, первопричина его — божественный разум. Согласно Платону, сам космос представляет собой живое, разумное существо, вместилище космического ума, космической души и космического тела, созданное демиургом в соответствии с вечным образцом и в подражание божественному мировому уму.

Основным пунктом модельного построения обычно являлось утверждение о вторичности космоса по отношению к первоначальному хаосу. Космос возникает во времени и порождается хаосом, часто путем пополнения свойств хаоса: тьма становится светом, пустота заполняется, аморфность переходит в порядок, непрерывность в дискретность, безвидность в «видность» и т.п. Взаимоотношения космоса и хаоса развиваются во времени и в пространстве, то есть космос заключен внутрь окружающего его хаоса. Расширяющийся и самодвижущийся космос вытесняет неподвижный и ограниченный в возможностях развития хаос на периферию Мира, не уничтожая его при этом окончательно. Космосу присущи такие признаки: целостность, наличие обширного внешнего пространства в отличие от ограниченного хаоса, делимость на части пространства и времени, лежащая в основе выделения элементов и вещей из целого, их обособления и установления между ними отношений, упорядоченность и организованность, наличие общего принципа, закона, управляющего космосом, происхождение в результате ряда космогонических актов, антропоцентрическое понимание космоса как вместилища жизни и человека, гармония и красота его устройства.

Относительно устойчивые модели мироздания были созданы, главным образом, в эпоху, непосредственно предшествующую возникновению цивилизаций Ближнего Востока, Средиземноморья, Китая и Индии. Дальнейшее развитие греческой и римской культур привело к определенному отходу от первых наивных попыток осмысления устройства мира и места в нем человека, значительную роль для будущей западной цивилизации сыграло при этом формирование и совершенствование логико-аналитического аппарата научного мышления, как основного инструмента познания. Китайские же и индийские методы познания природы традиционно опирались на развитие системного мышления, видение и понимание мира как целостной системы в рамках некоего мистического прозрения или откровения, хотя, конечно, и в этом случае и на этом пути требовался определенный логический аппарат. Нужно сказать, что обсуждение всех концепций мироустройства, созданных человечеством в течение нескольких тысяч лет, не является предметом данной книги, и такую задачу мы перед собой не ставим. В данном случае нас более всего интересует уникальный памятник древнеиндийской культуры – Ригведа. Описываемое в ней спонтанное творение Вселенной является результатом эволюции (отметим, впрочем, что аналогичный мотив присутствует в океанийских мифах на Гавайях, мифах одной из северных народностей — нганасанов и т.п.)

Ригведа — уникальный памятник древнеиндийской культуры — послужила основой для многих направлений и ответвлений восточной философии. Ригведа представляет собой набор текстов — гимнов, в которых фиксируются, в частности, космологические представления ведийской мифологии. Известно, что ведийские арии во втором тысячелетии до н.э. вторглись в северо-западную Индию и постепенно расселились на юг и восток полуострова. Однако считается, что истоки ведийской культуры лежат в мифологических и религиозных представлениях населяющих Индостан индоевропейских племен еще более раннего периода. Космологическая модель ведийской мифологии исходит из противопоставления неорганизованного, ограниченного и вселяющего страх хаоса организованному, безграничному пространству космоса. В структуре сопряженных между собой времени и пространства выделяется центр мира, играющий основную роль в дальнейшей его эволюции, и отступающая, приверженная еще хаосу, периферия. Главными метафизическими категориями ведийской философии являются следующие: сущее, не-сущее, связанное, несвязанное. В ведийской концепции наличествует и глубокий внутренний изоморфизм макро- и микрокосма (например, происхождение частей мира из членов тела первочеловека Пуруши, описанное в упанишадах — древнеиндийских комментариях к священным книгам и текстам). Ядро ведийской модели мира содержится в космогонических мифах, их которых наиболее интересным для нас является 10-й Гимн Ригведы. Вообще говоря, от доарийской цивилизации до нас дошло около ста таких Гимнов — отдельных глав Ригведы, но выделяется своим содержанием именно этот космологический гимн. Причина этого становится хорошо понятной при сравнении различных концепций мироздания, изложенных в космогонических мифах древности. Дело в том, что многие такие модели мира содержали только статическое описание акта творения мира и его дальнейшего существования, в них все «разъяснялось», никакие вопросы не оставались без ответа. Да и задавать вопросы в рамках таких моделей было бессмысленно: категоричность и узость ответов была очевидным следствием крайне примитивной и принципиально неверной умозрительной конструкции. Космологический Гимн Ригведы представляет собой высокоинформативное и вполне научное описание процесса возникновения мира, причем в рамках такой модели мировой эволюции оказывается, что далеко не на все вопросы человек (да и не только человек!) может ответить, что процесс познания далеко не завершен. Как ни удивительно, древние ведийские представления о Мире достаточно полно отражают современную точку зрения на происхождение Вселенной и хорошо сочетаются с идеями фундаментальной физики на рубеже XXI века. Построение следующей модели Мира в ближайшем будущем, на новом витке истории, парадоксальным образом сталкивается с необходимостью искать ответы на те же вопросы, которые были сформулированы несколько тысяч лет тому назад! Причем, что особенно важно, были сформулированы именно с точки зрения на Мир, как целостную систему.

Вообще, история создания такого произведения как Гимн Ригведы представляет собой некую загадку, поскольку этот памятник культуры явно выделяется из остальных глубиной постановки проблем и системностью охвата различных аспектов эволюции Мира в целом. Особенностью всей Ригведы, изумляющей всех, кто с ней знаком, является то, что система ее гимнов представляет собой очень обширный комплекс, единую структуру понятий, скоррелированных между собой нетривиальными многофункциональными и многопараметрическими взаимосвязями. По своей сложности и системности эти взаимосвязи не только не уступают, но, по мнению многих исследователей, и превосходят систему функциональных взаимосвязей современной науки. На чрезвычайно высоком уровне ставятся и обсуждаются важнейшие проблемы функционирования целостного мироздания, в частности, проблема познаваемости мира, обсуждение же границ и возможностей этого познания происходит не только на человеческом, но и на некотором сверхчеловеческом уровне с привлечением сверхразума. Трудно понять, что породило столь высокий уровень абстракции, какие прозрения или откровения легли в основу этого произведения. Отметим, что сегодня с позиций науки можно сказать, что сама постановка этих проблем требует глубочайших знаний, которые появились в нашем арсенале лишь в результате и в ходе нескольких научно-технических революций. Сейчас мы тоже приблизились к постановке этих проблем, но, подойдя к ним вплотную, обнаружили явную ограниченность наших возможностей. Между прочим, у нас нет никакой информации о том, что четыре тысячи лет тому назад создатели космологического Гимна обладали огромным опытом познания мира, нет никаких следов и проявлений существовавших в то время супертехнологий (даже ограниченных в пространстве и времени), необходимо развивающихся в процессе накопления абстрактных знаний. Иначе говоря, указания на длительный период накопления знаний о мире отсутствуют, но конкретное произведение, поражающее глубиной осмысления многофункциональных связей, существует.

Можно, впрочем, выдвинуть некоторую гипотезу о происхождении этого краткого, но необыкновенно емкого глубоко научного текста. Не исключено, что его создатели обладали мозгом, «включенным» на большую мощность, задействующим гораздо больше своих интеллектуальных потенциальных возможностей. Результатом этого стала бы намного меньшая селекция информации, чем это имеет место в нашем мозгу при проведении и интерпретации локальных воспроизводимых экспериментов. Именно обладание сверхразвитым мыслительным аппаратом позволило бы Человеку познающему сделать наблюдение вещей и процессов в мире и в себе самом реальной альтернативой стандартному пути познания. Возможности человека как исследователя природы на уровне локальных воспроизводимых экспериментов на самом деле достаточно быстро исчерпываются. Становится необходимым уметь видеть и ощущать мир как целостный объект во всей сложности и многообразии взаимосвязей его элементов. Для этого требуется намного более эффективное использование мозга, чем то, которого было достаточно еще вчера. Более развитый мозг обеспечивает возможность не только мысленно охватить весь мир и увидеть во всей полноте внутреннюю структуру его организма, но и более эффективно управлять своим собственным организмом. Именно эта возможность предоставляется, например, в культуре йогов, которая также может быть наследием доарийской цивилизации. И в этом смысле анализ опыта древней цивилизации весьма интересен, особенно если бы это дало нам возможность увидеть мир во всей его сложности для формирования нового подхода к процессу познания.

Перейдем теперь к самому гимну и его интерпретации. Весь необходимый для этого материал был изложен выше, а последующие примечания делаются, чтобы возвратить читателя к предыдущим разделам книги и обдумать новую информацию с позиций науки, поскольку сегодня возможно предложить трактовку некоторых гимнов Ригведы в современной научной терминологии. Ниже и приводится пример такой трактовки. Для удобства восприятия мы приводим полный текст космологического гимна Ригведы и его построчный перевод на язык квантовой геометродинамики. Кроме того, мы комментируем ряд понятий КГД, используя при этом стандартные парадигмы этой науки и индийской философии.

Гимн о сотворении Мира.

Ригведа, Х, 129.

1.1	Не было тогда не-сущего и не было сущего.
1.2	Не было тогда ни пространства воздуха, ни неба над ним.
1.3	Что двигалось чередой своей? Где? Под чьей защитой?
1.4	Что за вода тогда была — глубокая бездна?
2.1	Не было тогда ни смерти, ни бессмертия.
2.2	Не было признака дня или ночи.
2.3	Нечто одно дышало, воздуха не колебля, по своему закону,
2.4	И не было ничего другого, кроме него.
3.1	Мрак был вначале сокрыт мраком.
3.2	Все это было неразличимой пучиною.
3.3	Возникающее, прикровенное пустотой —
3.4	Оно одно порождено было силою жара.
4.1	Вначале нашло на него желание.
4.2	Это было первым семенем мысли.
4.3	Проистеченье сущего из не-сущего открыли
4.4	Мудрецы размышлением, вопрошая в сердце.
5.1	Поперек была натянута их бечева.
5.2	Был ли низ тогда? Был ли верх?
5.3	Были плодотворители. Были силы растяжения.
5.4	Порыв внизу. Удовлетворение наверху.
6.1	Кто воистину ведает? Кто возгласит это?
6.2	Откуда родилось, откуда это творение?
6.3	Потом появились боги, ибо боги создали Мир.
6.4	Так кто же знает, откуда он появился?
7.1	Откуда это творение появилось?
7.2	То ли само себя создало, то ли нет.
7.3	Надзирающий над Миром в высшем небе —
7.4	Только он знает это или не знает.

Интерпретация Гимна: квантовая геометродинамика и философия.

Интерпретация Гимна возможна только как целостного произведения, отдельные понятия в нем или отдельные части самостоятельного смысла не имеют. Отдельные понятия интерпретируются только в рамках целостной логики произведения, расчленить которое, давая частные представления об отдельных элементах невозможно. Именно и только целостный взгляд на текст позволяет выявить его логическую структуру. Само построение Гимна дает важнейший пример того, как систему нельзя разделить на части в процессе ее познания. Можно думать, что древние мудрецы саму общую структуру текста сделали примером целостной системы, «закодировали» информацию о путях познания таких систем.

Мы будем говорить о четырех частях Гимна, но то, что это действительно части, выявляется только при изучении всей структуры в целом, то есть часть приобретает смысл только в рамках целого! Первую часть Гимна составляют первые два четверостишия. Ее главное предназначение — зафиксировать существование надфизической, надвременной реальности, указав при этом, что для характеристик этой реальности нельзя использовать даже такие фундаментальные понятия как пространство-время, вакуум и материя.

Вторая часть — это третье четверостишие и первые две строки четвертого. В этих шести строках содержится колоссальное количество информации. Так, в первой строке второй части сформулирована идея Начала Мира, который исходно (!) бесструктурен, не имеет привычной для наших представлений структуры (вторая строка); в первой строке четвертого четверостишия впервые формулируется идея Мирового Разума, а во второй строке указывается, что в его функции входит планирование эволюции. Таким образом, в нескольких строках содержится и идея Начала, и его характеристика, и появление Мирового Разума, и планирование им эволюции мироздания.

В следующую часть текста входят лишь две строки четвертого и пятое четверостишие. Но в этих строках ставится целиком вся проблема познания Мира! В строке 4-3 указывается, что является объектом познания (происхождение сущего из не-сущего), в 4-4 — кто есть познающий субъект и какими интеллектуальными и моральными качествами он должен обладать. Речь идет об осуществлении познания «размышлением, вопрошая в сердце». Последние слова фактически означают, что познание доступно лишь некоему субъекту, сочетающему в себе и мудрость, и высокую нравственность. Почему по одному слову (например, «сердце») можно понять смысл всей фразы? Да только потому, что оно понимается в контексте целого. Далее, в строках 5-1 и 5-2 дается характеристика процесса познания, а именно, декларируется отсутствие иерархии среди познающих субъектов. По сути дела, эти четыре строки, особенно последние две, содержат концепцию Нирваны, положенной затем в основу всей восточной философии в качестве цели процесса самосовершенствования и первого этапа познания мира. В строках 5-3 и 5-4 указывается, что отделение субъекта познания также произошло в ходе эволюции и, более того, этот процесс был мотивирован. Фактически здесь изложены основы антропного принципа. Заметим, что выше мы обсуждали практически те же понятия, посвящая им целые разделы книги, правда, более количественно. В тексте же Гимна сложнейшие концепции укладываются в одну фразу или даже одно слово. Подчеркнем еще раз, что сама возможность нахождения смысла обеспечивается системностью и целостностью всего текста Гимна.

Еще одна часть, последняя — это шестое и седьмое четверостишия. Строки 6-1 6-2 возвращают нас на рубеж между первой и второй частями, между надфизической и физической реальностями. В этом же месте ставится вопрос о возможностях познания самого процесса выделения физической реальности из надфизической. Строка 6-3 указывает, что эта задача существенно иная, чем познание нашей Вселенной, которая создана богами — функциями Мирового Разума. В 6-4 просто усиливается этот вопрос на эмоциональном уровне. Однако является ли выделение физической реальности спонтанным, или этим процессом целенаправленно управляют с надфизического уровня? Этот вопрос ставится в первой и второй строках седьмого четверостишия. Вместе с тем, в строках 7-3 и 7-4 указывается, что даже для Мирового Разума познание процесса рождения Вселенной является сложной задачей. Так что данная концепция содержит в самой себе источник движения и открыта для продолжения познания. Приведем далее построчный «перевод» Гимна на язык современной фундаментальной науки.

1.1	Не было ни вакуума, ни материи.
1.2	Не было ни пространства-времени, ни Вселенной.
1.3	Что же было? Как определить многообразие предвселенных,^1 в котором пребывала наша Вселенная? Обладало ли это многообразие свойствами самоорганизации (суперразумом)?
1.4	Что же это было за многообразие?
2.1	Не было времени.
2.2	Не было эволюции.
2.3	По своим законам, не проявляясь в известных формах материи и пространства-времени, существовало многообразие предвселенных,
2.4	И ничего не было, кроме этого многообразия.
3.1	После рождения нашей Вселенной из «Ничего»^2 начальная стадия эволюции Вселенной была вакуумной.
3.2	Начальное состояние не имело какой-либо структуры^3.
3.3	Однако в этом начальном вакуумном состоянии начался процесс
3.4	Рождения ультрарелятивистских частиц, приводящий к возникновению горячей плазмы и расширяющегося космологического пространства.
4.1	У Мирового Разума^4 появилось желание сформулировать основные цели эволюции и начать их реализацию^5.
4.2	Это было первым семенем мысли Мирового Разума.
4.3	Процесс возникновения Вселенной, заполненной частицами, из начального вакуумного состояния могут исследовать
4.4	Мудрецы путем размышлений, самопознания и самосовершенствования^6.
5.1	При установлении контакта мудреца с Космосом индивидуальный разум сливается с Мировым Разумом.
5.2	Можно ли в этих условиях говорить об индивидуальном разуме и о Мировом Разуме по отдельности?^7
5.3	Сами индивидуальные разумы на определенном этапе были созданы Мировым Разумом. Были причины, по которым индивидуальным разумам следует существовать отдельно от Мирового Разума.
5.4	В отделении индивидуальных разумов заинтересован сам Мировой Разум.
6.1	Кто же знает всю информацию о рождении и эволюции Вселенной? Кто расскажет об этом?
6.2	Какими свойствами обладало многообразие предвселенных?
6.3	Многие функции Мирового Разума появились уже в ходе эволюции Вселенной, в том числе сформировались и те свойства самоорганизации Вселенной, которые обеспечили возникновение галактик, звезд и планет.
6.4	Так кто же знает, как возникла Вселенная?^8
7.1	Из какого многообразия предвселенных появилась наша Вселенная?
7.2	Родилась ли она спонтанно, или же процесс ее рождения управлялся суперразумом многообразия?^7
7.3	Мировой Разум нашей Вселенной
7.4	То ли знает ответ на этот вопрос, то ли не знает.

Примечания к интерпретации Гимна.

1. Многообразие предвселенных в квантовой геометродинамике называется суперпространством Уилера (см. Раздел 3, где мы говорили, что это суперпространство может быть как некоей формой реальности, так и способом описания, в Гимне это только форма реальности).

2. Процесс рождения Вселенной описан в разделах 3 и 4 третьей части книги, где указано, что этот процесс может происходить одним из следующих трех способов: рождение из «пространственно-временной пены», вследствие эволюции «черной дыры», либо в суперпространстве в результате взаимодействия других вселенных (см. также примечание 8).

3. В начальном состоянии Вселенной пространство-время обладает максимально возможной симметрией и, кроме того, является пустым. Тот факт, что пространство должно быть почти пустым, обеспечивает решение одной из глобальных космологических проблем — проблему горизонта. Быстрое расширение пространства с последующим распадом неравновесного вакуума описывается в разделе 7 второй части книги.

4. Предполагается, что Вселенная, выделившаяся из «Ничего», любым из трех вышеописанных способов, сразу, с момента рождения обладает собственным разумом, правда еще не развитым.

5. Для рождения частиц и возникновения Вселенной, обладающей сложной структурой, необходимо немного нарушить симметрию пространства-времени. В тексте Гимна утверждается, что генерация возмущений – функция Мирового Разума. Одна из целей эволюции, как мы ее сейчас понимаем, состоит в образовании всевозможных сложных структур по иерархии: галактики, звезды, планеты, органические соединения, жизнь, разум. Эта цель может быть достигнута путем тщательного согласования различных вакуумных подсистем (см. первую часть книги). Для возникновения этих структур считается, что нужны реликтовые флуктуации. Можно понимать текст, как указание на участие Мирового Разума в формировании этих структур. Еще одна цель эволюции — рождение дочерних вселенных, например, путем создания «черных дыр» и их последующей трансформации.

6. Чисто научный метод исследования процессов рождения и эволюции Вселенной, по-видимому, обладает ограниченными возможностями. Познающий же субъект может добиться успеха только на пути изменения самого себя, только благодаря расширению своих возможностей, что обусловлено всей совокупностью его личностных качеств.

7. В различных разделах книги мы говорили об ограниченных возможностях локально воспроизводимого эксперимента в познании мира. В частности, в нем не решается одна из проблем, возможно, ключевая для всего процесса познания – установление природы квантовой целостности, а также не удается построить динамику физического вакуума в реальном времени и детально описать процесс рождения Вселенной. Эти строки можно понимать и как указание на существование альтернативного пути познания при слиянии разума познающего субъекта с Мировым Разумом.

8. Сразу после рождения Вселенной ее разум находится в еще не развитом состоянии. Поэтому Мировой Разум может и не знать всех деталей процесса рождения Вселенной из «Ничего». По указанным причинам, даже установив контакт с Мировым Разумом, т.е. дополнив научный метод познания некоторыми духовными принципами, мы, может быть, так до конца и не познаем истину.

Хотелось бы добавить, что не только в Гимне Ригведы мы находим удивительные слова-откровения, истинный смысл которых устанавливается только современной фундаментальной физикой. Так, в упанишадах существовало понятие Брахмо — некоторой гомогенной субстанции, наполняющей все вещества и все предметы. При этом рассматривались два «типа» Брахмо — индивидуальное и космическое, которые, однако, в основе своей полагались тождественными. Не о вакуумных ли структурах, объединяющих природой своей макро- и микрокосм, увиденных и уловленных мыслью и сердцем мудрецов древности, говорят эти слова? Не о целостной ли природе всего суперпространства говорится в описании того, что предшествовало Творению: «Без дуновения дышало Единое и ничего, кроме него, не было»? И до сих пор мы размышляем над возможностью и способами познания целостности, пытаясь понять то, о чем Яджнавалкья, мудрец периода Упанишад, говорил: «…То великое, запредельное существо полностью состоит из знания. Из этих сутей оно воздвигается и в них исчезает. Ибо, где есть двойственность, там один видит другого,…там познает один другого. Но где все стало своим собственным «я», то как кто кого-либо иного может видеть,…как может кто кого-либо познавать? Как можно познавать познающего?»

6.Драма идей в познании природы.

Жизнь отдельного человека и развитие всей человеческой цивилизации либо имеют целью, либо просто сопровождаются накоплением и освоением знаний о природе. Ученые, сознательно выбравшие этот способ жизни и участвующие в процессе познания профессионально, хорошо знают, как счастлива и мучительна эта работа, насколько необходим и непрост путь в неизвестность, как возвышает человека и как драматично приходит к нему Истина.

Впервые о драме идей в познании Мира сказал Альберт Эйнштейн. Один из величайших ученых планеты за весь период существования цивилизации начинал изучение физики самостоятельно, не принадлежа ни к какой научной школе. Не входя в круг людей, для которых идеи и проблемы науки были уже привычны и стали частью обыденного общения, Эйнштейн чрезвычайно глубоко и оригинально проанализировал все основные парадигмы современной ему физики. Несмотря на то, что он в начале своего пути в науке формально не был членом ученого сообщества и не имел подробной информации обо всех достижениях теоретической физики и математики, нестандартная интерпретация явлений природы, мощный интеллект и логико-аналитический аппарат заменили недостающую информацию. В начале столетия Альберт Эйнштейн сформулировал несколько фундаментальных концепций, определивших не только лицо физики XX века, но и взгляд на Мир всего человечества. Можно упомянуть три его великих научных достижения. В первую очередь, это специальная теория относительности, в рамках которой было впервые установлено, что пространство-время есть единое 4-мерное многообразие и введено понятие о ковариантности законов природы; во-вторых, это квантовая теория света, предвосхитившая в значительной степени идеи и результаты квантовой электродинамики и всей последующей квантовой теории поля. И, наконец, в-третьих, это общая теория относительности, которая ввела в физику идеи геометризации фундаментальных полей и взаимодействий. Именно глубина и плодотворность этих научных результатов и концепций позволили в дальнейшем предложить теоретическое описание микромира на уровне суперструн, преонов и вакуумных структур. Из фундаментальной физики пришли такие понятия, как многовариантность путей эволюции любой сложной системы, способность сложных систем к перестройкам различного типа, в том числе, и к катастрофическим. В ХХ веке эти же понятия стали широко использоваться и в гуманитарных науках, при анализе социальной и общественной жизни. Следует отметить, что в результате осмысления этих понятий стала очевидна хрупкость цивилизации, необходимость согласования стремлений и потребностей отдельного человека с направлением развития человеческого сообщества в целом. Поэтому и новый взгляд на космологию и фундаментальную физику, формирующийся на рубеже веков, новая трактовка Вселенной, как сложного, эволюционирующего объекта, способного к самоорганизации, а, возможно, обладающего и более глубокими свойствами, должны привести к новому пониманию места Человека во Вселенной.

Нетрудно понять, что процесс познания природы протекал драматично и для самого Эйнштейна. Отметим несколько аспектов этой драмы. Сам ученый считал, что суть драмы познания в противоречии между реальным объемом знаний человека и теми надеждами, которые он возлагает на рост своих познаний в процессе исследования природы, между количеством усилий, затраченных на поиск истины, и суммой и качеством полученных результатов. Увеличение познанного не приводит к уменьшению непознанного, наоборот, открываются все новые проблемы и тупики, ученый в процессе работы находится в состоянии напряженного ожидания результата, надеясь на его принципиальную постижимость, но не зная достоверно, что откроется ему в результате подглядывания за плотный занавес Природы. Следствием громадного эмоционального подъема во время работы обычно бывает усталость и опустошение после достижения результата. Процесс познания двуедин — Мир как объект познания, раскрываясь в некоторых своих деталях перед субъектом познания, тем самым оказывает на последнего сильное эмоциональное, духовное воздействие. Разговор с Природой на ее языке требует не только знания самого языка и желания задавать вопросы, но и умения их формулировать, и переводить ответы на общечеловеческий уровень понимания, и находить интеллектуальные и духовные силы для оценки полученных знаний о Мире и о себе самом, как исследователе. В этом и заключается первый элемент драмы, о которой говорил Эйнштейн. Есть, впрочем, и еще один элемент, который очевиден каждому, кто знаком с биографией великого ученого. К сожалению, он не был счастлив ни в личной, ни в общественной жизни. Развод с первой женой и разлука с любимыми детьми, вынужденный отъезд в Америку, по сути изгнание из родной страны под угрозой гибели, смерть второй жены, и, до конца жизни, только размышления, работа, краткие встречи с коллегами и небольшим числом друзей — такова вкратце жизнь гениального физика.. Ум и душа его ищут покой и счастье (находят ли?) наедине с собой и в диалоге с Природой. Неустанный интеллектуальный труд и одиночество в личной жизни. Современную ему общественную и политическую жизнь Эйнштейн оценивал сдержанно, но критично, ум исследователя и нравственные принципы мыслителя и гражданина человечества определяли его этическую позицию по всем важнейшим вопросам развития цивилизации. После взрыва ядерных бомб над японскими городами, Эйнштейн сказал: «Лучше бы я стал водопроводчиком!». В этих словах была не поза, а искренняя боль за осквернение и унижение научной истины, которую доверила ему Природа. Сформировавшись как личность самим процессом исследования Мира, Альберт Эйнштейн первым поставил задачу познания Мира в целом, именно ему принадлежит определение цели познания в такой форме: ученый должен понять не только, как устроен Мир, но и почему он так устроен. Сегодня мы понимаем, что ответ на этот вопрос лежит на границе или даже за границей научного метода познания. Воспринимая человека и природу как равноправные элементы мироздания, сосуществующие в рамках общих гармоничных законов, Эйнштейн однозначно отвергал любое насилие над человеком, оценивая это как насилие над самой природой.

Еще один аспект личной драмы великого ученого связан с его отношениями с сообществом коллег. Несмотря на то, что Эйнштейн являлся одним из создателей квантовой теории, затем на протяжении всей жизни он весьма критически относился к ней, подчеркивая, что современная ему квантовая теория есть наука феноменологическая и не может претендовать на установление фундаментальных концепций. Многие его ученые современники воспринимали эти утверждения как причуду гения, очевидную его ошибку. Но сегодня совершенно ясно, что он не ошибался — квантовая теория дошла до границы своих возможностей, и нам сегодня уже известны и локальные процессы (перестройка структуры физического вакуума), и глобальные явления (рождение Вселенной), которые не могут быть адекватно описаны в рамках существующей квантовой теории. Теперь очевидно, что физике XXI века предстоит создать принципиально новую фундаментальную теорию, Эйнштейн же говорил об этом еще в 20-30 годах ХХ века. Добавим, что даже такой великий физик, как Лев Ландау, также полагал, что Эйнштейн недооценивает возможности и перспективы квантовой теории. Есть утверждения (впрочем, недостоверные), что Ландау пытался убедить в этом самого Эйнштейна при личной встрече, но безуспешно. Существенно, впрочем, что Ландау был тогда совсем еще молодым, хотя уже известным ученым, создателем квантовой теории диамагнетизма. А вот последняя, опубликованная при его жизни, работа Ландау посвящена весьма жесткой критике существующей квантовой теории, где прямо утверждалась неспособность квантовой динамики описывать физическую реальность. Теперь, через 40 лет после выхода этой работы и через почти 80 лет после высказываний Эйнштейна, нам понятны причины, по которым на основе ортодоксальной квантовой теории поля невозможно описание непертурбативного вакуума — важнейшего элемента целостной структуры Мира. И это тоже драматический момент в истории физики и даже в истории человеческой цивилизации.

Сам Эйнштейн считал величайшим ученым Исаака Ньютона, подчеркивая высокую драматичность ситуации, в которой он жил и работал. В период научного творчества Ньютона было уже ясно, что возможности старых, доньютоновских, представлений о природе уже исчерпаны, и назрела необходимость создания системы собственно научных взглядов, основными элементами которой всегда были физика и математика. Эту необходимость Ньютон осознавал как более никто из его современников и взял на себя огромный труд по формулировке не только системных представлений о физических законах мироустройства, но и по созданию количественного аппарата для анализа этих законов — исчисления бесконечно малых. Появление такой системы научных знаний, беспрецедентно полной по меркам того времени, Эйнштейн рассматривал как акт высокой драмы, поскольку мощное движение науки вперед не только дает ответы на некоторые вопросы, но ставит все новые и серьезные проблемы. И эта невозможность получить последнее, окончательное знание воспринимается и переживается как неудача, как незавершенность трудов, ограниченность своих способностей и возможностей. Как подлинная драма.

Посленьютоновская физика также пережила несколько драматических моментов. Первая такая ситуация начала складываться в связи с формулировкой Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом представлений о поле, как новом объекте физики. Потребовалось преодолевать устаревшие механистические воззрения в условиях накопления экспериментальных фактов о ранее неизвестном виде материи. Такое преодоление в одночасье оказалось невозможным, отсюда и попытки создания концепции эфира, изучение его «свойств», стремление сохранить привычную схему объяснения явлений. В конце концов, опыт Майкельсона также ставился не для того, чтобы исключить эфир из числа физических объектов, а чтобы измерить скорость «эфирного ветра». И драма идей в этом случае проявилась как полное крушение концепции эфира, зашатался фундамент дома, который казался таким прочным и практически достроенным. Но на развалинах «эфирного дома» была создана новая теория — специальная теория относительности. Впрочем, на следующем витке развития физических теорий нам пришлось возродить «эфир» в виде сложнейшей среды физического вакуума и принять новое понимание квантованного поля как характеристики геометрии пространства-времени.

Еще один аспект драмы идей в физике был связан со становлением термодинамики и формулировкой знаменитого Второго начала, что привело к пересмотру роли и значимости статистических закономерностей и построению молекулярно-кинетической теории вещества. Понимание статистического способа описания микрочастиц материи было усовершенствовано в рамках квантовомеханической теории, завершившейся созданием квантовой теории атомных структур и их взаимодействия с излучением. Дальнейшее развитие приводит нас уже к постановке проблемы взаимодействия с излучением квантов полей и вакуума и построением теории элементарных частиц. Нетрудно заметить, что в процессе познания никогда, еще со времен Ньютона, не было абсолютно спокойного периода — либо происходило интенсивное накопление новых знаний и выяснение конкретных деталей явлений природы, либо обнаруживались факты, которые в принципе не вписывались в существующую систему знаний. Вот тогда предпринимались отчаянные попытки найти решение проблемы и, в конце концов, происходил прорыв. Результатом же такого изменения взгляда на некоторый, как казалось сначала, небольшой вопрос, зачастую оказывалась необходимость перестройки всей системы представлений о мире. Эта необходимость также могла привести к драме, так как не всегда ученому, решающему частную задачу, под силу создать новую систему взглядов на мир. Такова, например, драма Пауля Эренфеста, одного из самых талантливых физиков начала века, который знал все закоулки в построенном здании новой физики ХХ века, но не смог участвовать в его строительстве так же активно и плодотворно, как великие творцы квантовой механики и теории относительности.

А разве не является драматичной формулировка Луи де-Бройлем и Эрвином Шредингером волновой теории материи, где волна — это элемент физической реальности? Шредингер даже выводит знаменитое уравнение, описывающее структуру атома, но выясняется, что эта волна есть лишь волна вероятности! Этот результат Шредингер прокомментировал так: «Если бы я не верил, что волна материи есть форма физической реальности, я никогда не занимался бы этой проблемой». Но это еще не завершение драмы — на самом-то деле де-Бройль и Шредингер как раз и имели дело с физической реальностью по имени «квантовое поле», просто не довели дело до процедуры квантования поля электронов. В неквантовом варианте данная волна на самом деле есть волна вероятности, но операторная ее трактовка (вторичное квантование амплитуды) означает введение физического поля, описывающего произвольное число частиц. К сожалению, авторы полевой теории материи не поняли истинного содержания теории, и в этом их личная драма. Так что путь к истине не прост, не все, кто сделал первые шаги на пути к ней, доходят до конца. Но тогда эстафета передается другим исследователям. Сама жизнь, как процесс становления и возникновения новых физических понятий, порождает драму идей в физике. Возникновение новых понятий и крушение устаревших, давно известных парадигм сопровождается не только перестройкой общественного сознания, но и личной драмой исследователей природы. Они глубоко переживают и сам процесс научного исследования, и получаемые ими результаты, и свою ответственность за эти результаты. Так складывалась ситуация в науке, примерно от Ньютона до середины нашего века. За последние же полвека в этой драме стали появляться совершенно новые элементы.

Начиная с 40-х годов ХХ века, когда в США, Великобритании и СССР начались работы над ядерным оружием, развитие физики в целом проходило под «присмотром» государственного аппарата, а результаты исследований использовались, в первую очередь, в военно-политических целях. Вообще говоря, аргументы геополитического, военного и чисто коммерческого характера, на наш взгляд, являются малопригодными и, мягко выражаясь, малоприличными стимулами для проведения фундаментальных естественнонаучных исследований. Конечно, теоретические и экспериментальные достижения физики дают импульс любой научно-технической революции, однако у настоящих ученых имеются серьезные внутренние побуждения, которые поддерживают их постоянный интерес к поиску истины без ссылок на необходимость обеспечения некоего туманного государственного приоритета. Для человека Земли, исследователя, а не завоевателя Природы процесс познания должен быть потребностью духа, исходить из необходимости реализации нового сценария развития нашей цивилизации, разрешающего проблему системного кризиса. Но движение к тайнам мироздания не может стимулироваться только узко прагматическими аргументами, в справедливости и общечеловеческой значимости которых есть обоснованные сомнения.

Есть, однако, примеры, когда исследования, начатые в военной области или прикладной физике, приводили к заметному прогрессу в теоретическом описании фундаментальных процессов. Так, например, глубокое исследование микромира, за которым последовал переход к физике элементарных частиц, изначально было стимулировано практической задачей более детального изучения взаимодействия нуклонов, что, в частности, было необходимо для совершенствования ядерного оружия. В конце 40-х годов существовала определенная иллюзия, что нам практически все известно о фундаментальных объектах физики, мир казался построенным из протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино, и оставалось только выяснить некоторые мелкие подробности о протекании сильных взаимодействий нуклонов в ядре. Был найден и кандидат на роль переносчика сильного взаимодействия — пи-мезон. Однако достаточно быстро эксперимент преподнес сюрприз — были обнаружены K-мезоны и L- гипероны, частицы, которым не было места в сложившейся картине мира. Удивление исследователей отразилось даже в их названии: «странные частицы».

Позже выяснилось, что таких частиц много и после 15 лет почти непрерывных экспериментов их число выросло до нескольких сотен. Драматичность новой ситуации в физике микромира определялась отсутствием какой-либо объединяющей, ключевой идеи установления природы этих частиц и их роли в структуре мира. Конечно, были попытки найти единую теоретическую основу их описания: идеи «ядерной демократии» — равноправия всех элементарных частиц в формировании свойств каждой из них, аксиоматический подход в теории соударений частиц, теория единого поля Гейзенберга и пр., но все они ухватывали лишь отдельные элементы истины. Только в 1964 году Гелл-Манн и Цвейг выдвинули гипотезу о существовании кварков, что объяснило все многообразие мира адронов. Идея была высказана, оставалось лишь обнаружить кварки. Их поиск был начат в режиме погони за приоритетом, казалось, что обнаружить экзотические дробно-заряженные частицы будет не так уж трудно. Кварки искали в породах глубоко в недрах Земли, в образцах лунного грунта, по спектрам излучения звезд, предполагая наличие в них кварковых атомов, в космических лучах. Задача обнаружения свободных кварков ставилась и перед сотрудниками самого мощного в то время Серпуховского ускорителя элементарных частиц в СССР. Но свободные кварки не были (и, как мы теперь понимаем, не могли быть) обнаружены! Один из авторов книги хорошо помнит сильное разочарование научного сообщества от этого факта — некоторые ведущие ученые-физики заявляли, что физика элементарных частиц потеряла статус лидера естествознания, что исследования в этой области надо сокращать. Это были не только слова, следствием неудачи в поиске кварков стало сокращение финансирования этой отрасли науки, уход молодых научных кадров в другие области исследований, было прекращено строительство новых ускорителей и модернизация старых. Отсутствие кварков, как реальных физических объектов, превращало представление о них лишь в способ математического описания. Но ведущие физики-теоретики не прекращали работу. Именно в этот период кризиса Стивен Вайнберг и Абдус Салам сформулировали единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. Тогда же зародилась и теория взаимодействий кварков и глюонов — квантовая хромодинамика, которая объяснила успех партонной модели, предложенной Ричардом Фейнманом для описания процессов глубоко-неупругого рассеяния электронов на протонах. Однако эти результаты теории еще не воспринимались, как ключ к пониманию устройства природы.

Были и такие факты в эксперименте, которые выделялись даже на фоне общей неясности и предвещали приближение нового этапа исследований микромира, например, осцилляции K⁰-мезонов. Важнейшим результатом теории стало предсказание на основе изучения K-мезонов существования четвертого с-кварка. Интересно, что был разработан проект поиска связанных состояний на ускорителе в Серпухове, однако проект не был реализован. Этот эксперимент провели в Серпухове лишь спустя несколько недель после открытия новой частицы, лишь подтвердив факт ее существования. Зарегистрировали же связанное состояние четвертого кварка на ускорителе в Батавии (США), и сама история этого открытия поучительна и драматична. Эксперимент был закончен Тингом в январе 1974 года, а статья об обнаружении новой частицы, названной им J-мезоном, была направлена в журнал только в ноябре, почти год проверялись данные весьма трудоемкого эксперимента, оценивались погрешности измерений. Можно только поразиться выдержке и добросовестности ученого, прекрасно осознающего роль этого открытия, исключительно важного для физики элементарных частиц. Как потом выяснилось, несколько позже, через несколько месяцев новую частицу открыл и Рихтер в экспериментах совершенно другого типа — на встречных электрон-позитронных пучках. Рихтер завершил эксперимент, когда его контракт уже заканчивался. Эксперимент очень долго готовился, и уже не оставалось времени для детального изучения всей энергетической шкалы. Нужно было сразу угадать положение новой частицы на этой шкале, что Рихтер сумел сделать лишь за несколько месяцев до того, как его установка была бы разобрана. Эффект возникновения новой частицы в эксперименте Рихтера носил резонансный характер, так что почти сразу был получен достоверный результат. Сообщение об открытии -резонанса, названного Рихтером Y-мезоном, было отослано в печать практически одновременно с Тингом. Поэтому обнаруженная ими частица сейчас носит двойное имя — J/Y-мезон. Но история открытия на этом не заканчивается. В Италии тоже имелся хороший ускоритель, на котором группа квалифицированных физиков вела точные измерения по отработанной методике. Они последовательно двигались по энергетической шкале шаг за шагом и в ноябре 1974 года работали точно в области 3 ГэВ, тщательно изучив все объекты, проявляющиеся при меньших энергиях. Сразу скажем, что масса J/Y-частицы примерно 3.1 ГэВ, а ее ширина — занимаемый ею диапазон на энергетической шкале — менее 0.1 МэВ, то есть это узкий резонанс. Итальянские физики не продвинулись дальше по энергиям, скрупулезно изучая ограниченный интервал энергий, если бы они сдвинулись чуть выше, данных об относительных вероятностях рождения адронов хватило бы им, чтобы понять, какой новый объект виден в их экспериментах. Об открытии Рихтера они узнали по телефону и, увеличив энергию своих пучков всего на 3%, они сразу обнаружили - резонанс. Сообщение о своих результатах было продиктовано ими сразу в редакцию журнала, их статья вышла одновременно с сообщениями Тинга и Рихтера, но Нобелевская премия по физике им уже не досталась. Так что исследователю природы нужно обладать обширным комплексом человеческих качеств, одних только аккуратности и методичности недостаточно для совершения открытия, нужно обладать развитой физической интуицией, уметь быстро ориентироваться в ситуации и даже рисковать. И в этом тоже ощущается драматичность процесса познания природы.

После этого открытия события в физике развивались бурно. В короткое время была окончательно установлена реальность кварков, как физических объектов, сформулирована концепция конфайнмента, причем сразу же в правильных терминах. Конфайнмент рассматривался как свойство физического вакуума, после чего акцент стал переноситься на изучение структуры физического вакуума. Это и позволило к концу ХХ века установить приоритет проблем в фундаментальной физике. Параллельно развивалась и другая линия — исследование объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Сначала к ней не относились как к фундаментальной теории, претендующей на полное описание микромира, ситуация изменилась лишь после открытия нейтральных нейтринных токов. Долгое время считалось, что при слабых взаимодействиях обязательно меняется тип участвующих в них частиц, например, мюон превращается в мюонное нейтрино и электрон-нейтринную пару, аналогично, взаимодействие электронного нейтрино с веществом приводит к превращению нейтрино в электрон. Теория же Салама - Вайнберга предсказывала и процессы, когда нейтрино оставалось самим собой. Явления такого типа и назывались процессами с нейтральными нейтринными токами. Экспериментально этот процесс обнаружить было непросто, так как слабо взаимодействующие нейтрино очень трудно зарегистрировать. Чтобы взяться за этот эксперимент будущим Нобелевским лауреатам нужно было рискнуть, положительный результат был далеко не очевиден, а исследование требовало значительных технических и интеллектуальных усилий. Тем не менее оно было проведено и его итогом стало доказанное утверждение — теория Салама-Вайнберга описывает физическую реальность. Тогда поверили и в реальность W и Z бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Спланированный эксперимент по их поиску проводился уже в полной уверенности положительного результата, поскольку теория к тому времени правильно предсказала уже множество явлений. Так и случилось — W и Z бозоны были обнаружены в полном соответствии с предсказаниями теории в 1983 году. Начиная с этого момента, приоритетными задачами экспериментальной физики высоких энергий становятся поиски оставшихся объектов Стандартной Модели: шестого t-кварка, нейтрино третьего поколения n_t и, наконец, хиггсовского бозона. Первая из этих задач решена в 1994 году, вторая — в 2000 году, а хиггсовский бозон остается до сих пор неуловимым, несмотря на то, что премия за его открытие уже ожидает исследователей в Нобелевском комитете.

Судя по всему, проблема обнаружения хиггсовского бозона есть новый виток, следующий акт драмы познания. Интересно и поучительно заметить, что подобная ситуация уже была в науке примерно сто лет назад, когда казалось, что строительство величественного здания физической науки завершено. Оставалось устранить в нем лишь парочку небольших «строительных дефектов» — не было полного теоретического описания спектра излучения абсолютно черного тела и требовалось уточнить свойства эфирной среды. Причем экспериментальное исследование теплового излучения было проведено детально, не хватало лишь общей картины (предельные участки спектра описывались на феноменологическом уровне формулами Релея-Джинса и Вина). В изучении эфира ситуация была обратной — теоретических схем было накоплено достаточно, нужен был решающий эксперимент. Результат этого эксперимента оказался, впрочем, гибельным для всей концепции эфира. Точно так же, выдвинутая Планком идея о поглощении излучения веществом отдельными порциями — квантами, не только объяснила все особенности спектра поглощения для черного тела, но и привела к уничтожению всевластия механистического подхода. Так из двух «маловажных частностей» в описании природы выросли в дальнейшем квантовая теория и теория относительности, то есть вся физика ХХ века.

Мы уже говорили, что ситуация в физике XX века была образно охарактеризована Эйнштейном как драма идей. Глобальное ее содержание в следующем: оказалось, что результаты экспериментальных исследований, проведенных на рубеже XIX и XX веков, невозможно истолковать в рамках привычных теоретических образов и динамических концепций. В первую очередь, физики были вынуждены объединить пространство и время в единое 4-мерное многообразие, что противоречило сложившимся к концу XIX века макроскопическим представлениям о 3-мерном пространстве и одномерном времени с независимыми друг от друга свойствами. Затем для понимания природы гравитации этот 4-мерный пространственно-временной континуум пришлось искривить, что еще дальше уводило от наглядных представлений и, так называемого, здравого смысла.

Второй этап становления физики ХХ века была обусловлен появлением квантового описания объектов и процессов микромира. Результатом использования физической теории, адекватно объясняющей имеющиеся в то время экспериментальные факты, стала необходимость отказа от концепции механистического детерминизма, не справляющейся с обилием принципиально неинтерпретируемых в ее рамках явлений. Процесс становления в естествознании новых парадигм, поначалу очень непривычных и чуждых повседневному человеческому опыту, означал тяжелый и, подчас драматический, пересмотр устаревших представлений.

В конце ХХ века сложилась похожая ситуация, имеющая, впрочем, и некоторые новые черты. Один из драматичных аспектов проблемы существования хиггсовского бозона состоит в том, что теоретически этот объект описан, но данных эксперимента до сих пор нет. А от этого результата зависит судьба современной теории элементарных частиц — последнего достижения физики ХХ века. Если будет строго экспериментально доказано отсутствие в природе хиггсовского бозона, по своим свойствам точно соответствующего предсказаниям Стандартной Модели, пересмотр представлений о структуре вакуума Стандартной Модели станет неизбежен, что, в свою очередь, приведет, как минимум, к понижению статуса этой теории до уровня феноменологической схемы. Такую перспективу можно рассматривать и как пугающую, и как вдохновляющую, поскольку на смену хиггсовской концепции вакуума, несомненно, будет выдвинута иная парадигма. Однако помимо этого аспекта, существует еще один: в исследованиях непертурбативного вакуума квантовой хромодинамики сложилась обратная ситуация — экспериментальные данные (конечно, не абсолютно полные) о существовании вакуумных подсистем, например, кварк-глюонного конденсата, есть, но исчерпывающее теоретическое их описание отсутствует. Эти элементы сегодняшней драмы идей порождаются как ограниченными возможностями современной квантовой теории и локального эксперимента, так и их необоснованными претензиями на описание (в результате экстраполяции) явлений глобального характера. Сейчас, на ступенях будущего здания физической науки XXI века, мы находимся в ожидании разрешения этих исключительно важных вопросов, ответ на которые определит и архитектуру нового храма науки, и наше место в нем.

Упомянем еще одну сторону современной драмы идей в фундаментальной науке, обусловленную ситуацией в космологии. Речь идет о проблемах темной материи и L- члена. В последнем случае ситуация складывается весьма похоже на ту, что была почти век назад — экспериментальные сведения получены, но их осмысление в рамках какой-то разумной теории отсутствует. Природа же темной материи представляет собой загадку, для разгадки которой ощущается недостаточность экспериментальных и теоретических инструментов. Так что, если сто лет назад лишь два темных пятна мешали восхищаться стройностью и гармоничностью наших представлений о Мире, теперь «темной материи» намного больше. Причем на физической сцене имеются все возможные сочетания нерешенных проблем теории и эксперимента, общим источником которых является существование и проявление сложнейшей иерархической вакуумной структуры, самоорганизующейся, а может быть, даже живой (и разумной?).

Очевидно, что современный сценарий этой великой драмы познания написан по мотивам физики и космологии вакуума. В отличие от ситуации столетней давности, когда или искали способ описания наблюдаемых явлений локального характера, или проводили локальные эксперименты для подтверждения теории, сегодня главным источником проблем является сложность самого изучаемого объекта. Глубина этих проблем такова, что приводит к изменению стрелы познания. Если раньше вся сложность системы могла быть сведена только лишь к большому числу достаточно простых ее частей, то уже на уровне кварков двигаться в этом направлении оказалось невозможным. Бесцветные кварковые системы нельзя представить в виде набора отдельных элементов и относительно слабых связей между ними во всем энергетическом диапазоне. Невозможность разбиения означает необходимость изучения сложных структур на уровне целостной системы вакуума.

Разворот познания тоже происходит драматично. Даже для ученых-профессионалов это непросто, поскольку во многих случаях лишает ученого шанса на выполнение своей жизненной задачи. Для человека же вообще это означает изменение всей его культуры, радикальное изменение миропонимания.

Столкновение в процессе познания с задачами не представимого ранее уровня сложности одновременно требует от земной цивилизации серьезного пересмотра всей системы взглядов на человека и его взаимосвязь с природой. В зеркале природы человек видит не только себя, как самое сложное творение, но и прозревает черты иной, отличной от него, но не менее (а, возможно, и более) сложной структуры —физического вакуума. Все целостные системы высокого уровня сложности взаимозависимы, взаимообусловлены и отражают свойства друг друга в рамках целостной структуры более высокого уровня целостности. Понимание уже одного этого факта, даже при отсутствии системных представлений о путях изучения таких комплексов, означает переломный момент в истории человеческой культуры. Возникновение сегодня новых концепций в мировоззрении имеет аналог лишь в формулировке древними мыслителями натурфилософских взглядов на природу, или с некоторыми религиозными или художественными парадигмами глобального характера. Несомненно, что начинающийся поворот к новой культуре взаимоотношений и взаимопонимания человека и природы, не сможет не породить глубокий гносеологический и психологический кризис, как часть общеисторической драмы идей в познании Мира. Сейчас, на рубеже веков, мы это так же остро ощущаем, как и осознаем неизбежность нового витка в истории человеческого познания и культуры.

Можем ли мы дать какие-то прогнозы на будущее? Теперь мы вступаем в область гипотез. Имело бы смысл сопоставить взгляды различных исследователей и их прогнозы. Однако, чтобы дать такой прогноз, надо хотя бы на время выйти из научной гонки и подумать. Ситуация в науке требует, на наш взгляд, не только получения новых результатов в рамках очевидно ограниченных подходов, но и глубокого системного анализа проблем с учетом всех факторов экономического, психологического и научного характера. В частности, примером неглубокой оценки складывающейся ситуации являются систематические утверждения о том, что весь наблюдаемый мир можно описать именно и только в рамках Стандартной Модели, и нужны лишь простейшие дополнения к ней типа нового стабильного тяжелого нейтрино для объяснения природы темной материи. Так же можно оценить утверждения о том, что все свойства непертурбативного вакуума удастся описать в рамках евклидового варианта квантовой хромодинамики, фактически отказываясь от построения динамики вакуума в реальном времени и рассчитывая лишь на возможности его схематичного описания путем определения вероятностей переходов между начальными и конечными топологическими состояниями. Аналогично, и проблему L- члена иногда пытаются решить либо путем точной подгонки констант, либо введением гипотетических классических полей, не ставя задачу исследования генезиса этого параметра и его динамической связи с вакуумом. Такое стремление к упрощению ситуации, на самом деле означает игнорирование внутренних проблем теории, когда в круг учитываемых не входят те явления, которые лежат за пределами реального (локального) эксперимента. В существовании этих явлений, однако, нет сомнений, например, к ним относится Большой Взрыв, или та область энергий, где происходит объединение всех взаимодействий. С нашей точки зрения, драматичность ситуации в науке особенно возрастет, если в ней будет доминировать такой упрощенный подход. Временное его торжество возможно, например, если измеренные в эксперименте свойства хиггсовского бозона точно совпадут с предсказаниями простейшей версии СМ. Это не будет означать исчезновение всех проблем, будет лишь отложена постановка вопросов о более детальном исследовании структуры вакуума. Такая возможность развития драмы идей в физике существует, но, с точки зрения авторов, она все же маловероятна. Гораздо более вероятен радикальный пересмотр существующих концепций, в частности, уточнение как концепции унификации, так и динамической концепции на основе изменяющихся представлений об объекте исследований, способе и методах его описания. Проблемы теории познания в XXI веке, по-видимому, не удастся свести только к чисто методологическим проблемам, решение которых достигается только выбором алгоритма и метода исследований. Новый, идеологический элемент научной драмы идей, обусловлен не имеющей аналога сложностью объекта познания, которая может превышать сложность познающего субъекта.

Резюмируем: можно с уверенностью прогнозировать, что в фундаментальной физике XXI века нас ожидает еще более драматическая ситуация, качественно отличающаяся от драмы идей, разыгравшейся в ушедшем столетии. Необходимость отказа от так называемого здравого смысла, необходимость понять то, что иногда невозможно даже вообразить, становится определяющей чертой процесса познания основ мироустройства и порождает новые элементы человеческой культуры. Использование в нашем мышлении сложных абстрактных образов и категорий должно стать нормой, обеспечивающей необходимые изменения в структуре и методологии познания. Драма идей теперь состоит в другом — как уже отмечалось, в процессе познания мира мы впервые в истории науки приступаем к изучению фундаментального для мироздания объекта — физического вакуума, сложность которого поражает наше воображение. Мы абсолютно уверены в его существовании, но при этом у нас нет уверенности, что мощности человеческого мозга достаточно для восприятия, систематизации и анализа информации о сложной иерархической структуре вакуума. Впервые мы столкнулись с проблемами принципиально иного пространственно-временного масштаба (изучению подлежат и сверхмалые и сверхбольшие масштабы, что очень далеко от наших собственных масштабов) и сложной структуры. По силам ли человеку проникнуть в устройство вакуума, описать факт рождения Вселенной? Сейчас мы драматически переосмысливаем свои возможности, как разумных существ, и свое место в мире. Интуитивный и наивный антропоцентризм, выражающийся в нашей самооценке, как наиболее сложных структур наблюдаемого Мира, уходит в прошлое. Какими окажутся результаты эволюции наших представлений о Мире, дадут ли они импульс эволюции самого Человека — это покажет будущее. Решение проблемы должно начинаться с изучения их масштабов, и ясный взгляд на трудности пути необходим. В прочитанной Вами книге мы старались выявить источник и характер проблем фундаментальной науки будущего века, оценить величину усилий, необходимых человечеству для решения этих проблем, и последствия этих решений для цивилизации Земли. Будет очень хорошо, если наш труд окажется полезным каждому, кто каким-либо образом участвует в поиске Истины. Решение проблем должно начинаться с изучения их масштабов, и ясный взгляд на трудности пути необходим. Какими бы ни были сегодня наши представления об этих трудностях, продолжая процесс исследования, мы должны не забывать слова Альберта Эйнштейна: «Во всех наших усилиях, во всякой драматической борьбе между старыми и новыми воззрениями мы узнаем вечное стремление к познанию, непоколебимую веру в гармонию нашего мира, постоянно усиливающуюся ростом препятствий к познаванию».

Cписок использованной литературы:

1. А.Эйнштейн, Л.Инфельд. Эволюция физики. — ОГИЗ, 1948

2. Н.Бор. Атомная физика и человеческое познание. — М. 1961

3. С.Вайнберг. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. — М. Энергоиздат, 1981

4. В.Вайскопф. Физика в двадцатом столетии. — М. 1977

5. В.Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. — М. «Мир», 1989

6. И.Пригожин, И.Стенгерс. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой. — М. «Прогресс», 1986

7. Дж.Уилер. Гравитация, нейтрино и Вселенная. — М. «Мир», 1982

8. Э.Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? — М. «Мир», 1977

9. В.Л.Гинзбург. О физике и астрофизике. — М. «Наука», 1980

10. И.Л.Розенталь. Элементарные частицы и структура Вселенной. — М. «Наука», 1984

11. E.Л.Фейнберг. Две культуры: интуиция и логика в культуре и науке. — М. «Наука»,1992

12. А.С.Сонин. Физический идеализм. История одной идеологической кампании. — М. «Наука», 1995

13. Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов. Драма идей в познании природы. — М. «Наука», 1988

14. В.Л.Гинзбург. О науке, о себе и о других. — М. «Наука», 1997

15. Б.Б.Кадомцев. Динамика и информация. — М. Изд. ред. журн. УФН, 1997

16. И.А.Климишин. Релятивистская астрономия. — М. «Наука», 1989

17. Г.В.Гивишвили. О «сверхсильном» антропном принципе. — Вопр. филос., №2, с.42, 2000

18. И.Берлин. Назначение философии. — Вопр. филос., №5, с.91, 1999

19. М.И.Штеренберг. Принципы организации и самоорганизации. — М. Изд. журн. Биофизика РАН, 2000

20. Д.С.Чернавский. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. — УФН, т.170, № 2, 2000

21. J.Bub. Interpreting the Quantum World. — Cambridge Univ. Press, 1997

22. P.J.E.Peebles. Principles of Physical Cosmology. — N.Y. Princeton Univ. Press, 1993

23. J.Anandan. Are there dynamical laws? — Found. Phys., v.29, № 11, 1999

24. R.B.Griffits, R.Omnes. Consistent histories and quantum measurements. — Phys. Today, v.52, № 8, 1999

25. A.Gregory. Ancient science and the vacuum. — Phys. Educ., v.34, №4, 1999

26. H.Nilles. Directions beyond the Standard Model. — CERN Cour., v.39, №2, 1999

27. E.W.Kolb, M.S.Turner. The Early Universe. — N.Y. Addison-Wesley,1990

28. Heavy implications for the first second. — CERN Cour., v.40, № 3, 2000

29. F.Clase. The electron century. — CERN Cour., v.40, № 1, 2000

30. S.Mallik. Production of baryon asymmetry of the Universe at the electroweak era. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996

31. Discovering new dimensions at LHC. — CERN Cour., v.40, №2, 2000

32. D.P.Roy. The top story. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996

33. S.P.Misra. Vacuum structure of chiral symmetry breaking. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996

34. J.Maddox. The unexpected science to come. — Sci.Amer., v.281, №6, 1999

35. S.Weinberg. A unified physics by 2050? — Sci.Amer., v.281, № 6, 2000

36. D.Kestenbaum. Practical tests for an “untestable” theory of everything? — Science, v.281, №5378, 1998

37. M.Buchanan. Why God plays dice. — New Sci., v.159, №2148, 1999

38. P.Ferreira. The quintessence of cosmology. — CERN Cour., v.19, №5, 1999

39. B.Clare. LEP pursues Higgs boson and greater W precision. — CERN Cour., v.39, №9, 1999

40. G.Rajasekaran. High energy physics in the 21^st century. An overview. — Curr. Sci., v.71, №2, 1996

41. R.Ramachandran. High energy physics in the 21^st century. A summary. — Curr. Sci., v.71, №2, 1996

42. Latest news from the early universe. — CERN Cour., v.39, №9, 1999

43. E.Kearns, T.Hajita, Y.Totsuka. Detecting massive neutrinos. — Sci.Amer., v.281, №2, 1999

44. O.Hecht. Out of this world. — New Sci., v.160, №2157, 1998

45. J.Ellis. Why does CP violation matter to the universe? — CERN Cour., v.39, №8, 1999

46. M.Peskin. Electroweak reconcillation. — Science, v.281, №5383, 1998

47. Д.И.Казаков. Ждем новых открытий в физике элементарных частиц! —Природа, №9, 1999

48. J.R.Primack. A little hot dark matter matters. — Science, v.280, №5368, 1998

49. B.G.Levi. Strings may tie quantum gravity to quantum chromodynamics. — Phys.Today, v.51, №8, 1998

50. P.Passerini. Science heading for a split: A naturalist between modern and classical physics. — Ata natur. “L’Ateneo parm.”, v.34, №3-4, 1998

51. G.Rajasekaran. Perspectives in high energy physics. — Indian J. Phys., v.A72, №6, 1998

52. T.Monteiro. Get a quantum grip. — New Sci., v.158, №2137, 1998

53. R.Hakim. An elementary introduction to relativistic gravitation. — Celest. Mech. and Dyn. Astron., v.72, №1-2, 1998-1999

54. П.С.Исаев. Некоторые проблемы физики космических лучей сверхвысоких энергий. — Сообщение ОИЯИ, Р2-99-33, 1999, Дубна

55. А.И.Ахиезер, Р.В.Половин. Почему невозможно ввести в квантовую механику скрытые параметры. — УФН, т. 107, вып.3, 1972

56. Л.Б.Окунь. Лептоны и кварки. — М. «Наука», 1990

57. В.А.Рубаков. Физика частиц и космология: состояние и надежды. — УФН, т.169, № 12, 1999

58. В.Л.Гинзбург. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге ХХI века)? — УФН, т.169, №4, 1999

59. А.Д.Линде. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. — М. «Наука», 1990

60. Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, К.Цюбер. Астрофизика элементарных частиц. — М. Изд. ред. журн. УФН, 2000

61. Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millenium. Eds. E.W.Kolb, R.D.Peccei. — Singapore, World Scientific,1995

62. Г.Хакен. Синергетика. — М. «Мир», 1985

63. Н.Харт. Геометрическое квантование в действии. — М. «Мир», 1985

64. R.N.Mohapatra. Unification and Supersymmetry. — Springer-Verlag, 1986

65. С.Вайнберг. За рубежом первых трех минут. — УФН, т.134, вып.2, 1981

66. М.Гелл-Манн. От перенормируемости к вычислимости. — УФН, т.151, №4, 1987

67. Ш.Глешоу. Кварки с цветом и ароматом. — УФН, т.119, №3, 1976

68. Дж.Иллиопулос. Введение в калибровочные теории. — УФН, т.123, №1, 1977

69. Г.T'Хофт. Калибровочные теории сил между элементарными частицами. — УФН, т.135, №2, 1981

70. С.Вайнберг. Проблема космологической постоянной. — УФН, т.158, №4, 1989

71. Я.Б.Зельдович. Теория вакуума и космология. — УФН, т.133, № 3, 1981

72. Р.Э.Тейлор. Глубоко-неупругое рассеяние. Ранние годы. — УФН, т.161, №2, 1991

73. В.Нестеренко, Б.Барбашов. Суперструны — новый подход к единой теории фундаментальных взаимодействий. — УФН, т.150, № 4, 1986

74. Д.Казаков. Суперструны, или За пределами стандартных представлений. — УФН, т.150, № 4, 1986

75. М.Грин. Теории суперструн в реальном мире. — УФН, т.150, № 4, 1986

76. С.Энтони. Суперструны: всеобъемлющая теория? — УФН, т.150, № 4, 1986

77. К.А.Постнов. Космические гамма-всплески. — УФН, т.169, №5, 1999

78. А.М.Поляков. Калибровочные поля и струны. — Ижевск, изд. Удмурт. унив., 1999

79. П.Уэст. Введение в суперсимметрию и супергравитацию. — М. «Мир», 1989

80. Л.Бринк, М.Энно. Принципы теории струн. — М. «Мир», 1991

81. М.Грин, Дж.Шварц, Э.Виттен. Теория суперструн (в 2-х т.). — М. «Мир», 1990

82. G.Altarelli. The Standard Electroweak Theory and Beyond. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000

83. A.Sopczak. Higgs boson searches at LEP. — Indian J. Phys., v.A73, №1, 1999

84. N.K.Mondal. Searches for new particles at Tevatron. — Indian J. Phys., v.A73, №1, 1999

85. Workshop on QCD: 20 Years Later. — Aachen, Germany, 1991

86. Critical Problems in Physics. Eds. V.L.Fitch, D.R.Marlow, M.A.Dementi, — N.Y. Princeton Univ. Press, 1997

87. A.Linde. Inflationary cosmology. — Phys. Scr., v.85, p. 168, 2000

88. D.Tytler, J.O’Meara, N.Suzuki, D.Lubin. Review of Big Bang nucleosynthesis and primordial abundances. — Phys. scr., v.85, p. 12, 2000

89. M.S.Turner. Dark matter and dark energy in the Universe. — Phys. scr., v.85, p. 210, 2000

90. M.Kamionkowsky, A.Kosowsky. The cosmic microwave background and particle physics. — Annu. Rev. Nucl. and Part.Sci.,v.49, p.77, 1999

91. M.Demianski. History of the cosmological constant. — Ann. Phys., v.9, № 3-5, 2000

92. M.Ozer. Fate of the universe, age of the universe, dark matter and the decaying vacuum energy. — Astrophys. J., v.520, №1, 1999

93. J.B.Hartle. Quantum pasts and the utility of history. — Phys. scr., v.56, p.67, 1998

94. G.Bhattacharyya. Precision tests of the Standard Model. Present status. — Indian J. Phys., v.A72, №6, 1998

95. M.A.Shifman, A.I.Vainshtein, V.I.Zakharov. QCD and resonance Physics. — Nucl. Phys., v.B147, №4, 1979

96. А.И.Вайнштейн, В.И.Захаров, В.А.Новиков, М.А.Шифман. Квантовая хромодинамика и масштабы адронных масс. — ЭЧАЯ, т.13, с.542, 1982

97. M.Shifman. Snapshots of hadrons: Or the story of how the vacuum medium determines in properties of the classical mesons, which are produced, live and die in the QCD vacuum. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, р.1, 1998

98. A.Nakamura. Gluon propagators and QCD vacuum. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.585, 1998

99. Z.Hong. Vacuum condensates in the global color symmetry model. — Phys. Rev., v.C60, № 5, 1999

100. T.DeBrand, A.Hasenfratz, T.Kobacs. Structure of the QCD vacuum as seen by lattice simulations. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.573, 1998

101. T.Schafer, F.Wilczek. Continuity of quark and hadron matter. — Phys. Rev. Lett., v.82, №20, 1999

102. T.G.Rizzo. More and more indirect signals for extra dimensions at more and more colliders. — Phys. Rev., v.D59, №11, 1999

103. A.Smilga. Physics of hot QCD. — Nucl. Phys., v.A654, №1-2, 1999

104. C.D.Roberts. Nonperturbative effects in QCD at finite temperature and density. — ЭЧАЯ, т.30, вып.3, 1999

105. C.H.Bennett, P.Shor. Quantum information theory. — IEEE Trans. Inf. Theory, v.44, №6, 1998

106. А.Ю.Морозов. Теория струн — что это такое? — УФН, т.162, вып.8, 1992

107. В.Н.Первушин. О физическом вакууме в КХД. — ЭЧАЯ, т.15, вып.5, 1984

108. E.W.Shuryak. Instantons in QCD vacuum and phase transitions. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.369, 1998

109. E.Shuryak, T.Schafer. The QCD vacuum as an instanton liquid. — Annu. Rev. Nucl. and Part. Sci., v.47, p.359, 1997

110. L.J.Garay. Thermal properties of space-time foam. — Phys. Rev., v.D58, № 12, 1998

111. А.А.Кириллов. Об эффектах, связаных с пространственно-временной пеной, в физике частиц. — ЖЭТФ, т.115, №6, 1999

112. S.Chakraborty, L.Biswas. Non-static general relativistic domain walls. — Phys.scr., v.60, №3, 1999

113. Review of Particle Physics. — The Eur. Phys. Journ., v.C15, № 1, 2000

114. G.Munster, M.Walzl. Lattice Gauge Theory — A Short Primer. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000

115. N.Straumann. Gauge Theory and Gravitation. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000