Геометрия, динамика, вселенная - Розенталь Иосиф Леонидович - Страница 28

Необходимо подчеркнуть, что детали новой модели, вызванной раздувающейся Вселенной, далеки от завершения и различаются у разных авторов, однако сейчас (1986 г.) существует единство взглядов о существенной роли деситтеровского расширения на начальной стадии (<10**-35 с) эволюции Вселенной. Расхождение в деталях не удивительно. Во-первых, потенциал V(FI), представленный на рис. 7, далеко не единственный, описывающий вакуум, — в разных вариантах объединенной теории существуют различные формы потенциалов. Зависимость V(FI) — одна из возможностей описания единственного скалярного (бозонного) поля. Можно допустить влияние и других бозонных и фермионных полей, изменяющих зависимость V(FI). Однако, во многих вариациях потенциала, как правило, остаются две его особенности, представленные на рис. 7. Во-первых, при T — > 0, кроме минимума при FI=0, в зависимости V(FI) существует один или несколько минимумов при FI.= 0, лежащие ниже минимума при FI=0. И, во-вторых, при T — > ∞ остается один минимум в зависимости V(FI) при FI=0. Поэтому зависимости, изображенные на рис. 7, можно считать типичными.

Общим для большинства современных моделей является главное — допущение, что в течение времени от планковского T| до T|≈10**-35 с (время, характерное для большого p u объединения, определяет окончание фазового перехода и имеет грубо оценочное значение) Вселенная развивалась по де Ситтеру и увеличила свои размеры от планковского (l|≈10**-33 см) до гигантского радиуса, существенно p превышающего размеры Метагалактики. В некоторых простых моделях размер пузыря, возникающего на деситтеровской стадии, достигает 10**(10**6) см (эту цифру полезно сравнить с размерами Метагалактики 10**28 см). Именно поэтому к такому пузырю можно применить понятие «Вселенная», которое и в данном случае отражает пределы нашего знания о мире в целом. Заметим, что огромные размеры пузыря определяются значением показателя экспоненты Ht в формуле (62). Действительно, полагая, что величина H определяется фундаментальными постоянными HP, G и c, нетрудно получить из соображений размерности, что H ~ t|**-1 ≈ 10*43 с**-1.

p Поэтому оказывается, что произведение Ht >> 1 и в процессе раздувания размеры пузыря становятся невообразимо большими, даже если в начале этого процесса его размеры ~l|.

p

Итак, в течение t| < 10**-23 с Вселенная развивается по

u де Ситтеру. Время этой стадии определяется конкретной формой потенциала V(FI). Приведенная здесь цифра отражает (причем грубо) только порядок величины. Что же происходит с гигантским пузырем при t >~ 10**-23 с? Вследствие неустойчивости системы, которая характеризуется уравнением состояния (63), она распадается на множество малых областей, которые являются зародышами метагалактик, развивающихся в дальнейшем по Фридману. Во время перехода от деситтеровской стадии к фридмановской происходит полная перестройка вакуума. Заключенная в нем огромная энергия переходит в реальные частицы и кинетическую энергию расширения метагалактик.

Таким образом, можно представить следующий сценарий (излюбленное слово космологов) эволюции Метагалактики. Флюктуации вакуума в области с планковскими масштабами могут приводить к началу экспоненциального расширения. Ему может предшествовать нагрев вакуума, который в данной области попадает в локальный минимум кривой 2 на рис. 7. Далее в течение времени t| ≈ 10**-35 с эти флюктуации развиваются

u по экспоненциальному закону до пузыря огромных размеров, который затем распадается на метагалактики, эволюционирующие по Фридману.

≡=РИС. 8

Схема таких переходов представлена на рис. 8. Синтез фридмановской и деситтеровской моделей в значительной степени разрешает упомянутые трудности фридмановской космологии. Как упоминалось, в решении (62) отсутствует сингулярность, поэтому можно представить, что Вселенная рождается в планковской области при отсутствии сингулярности.

В изложенном сценарии решается также проблема горизонта. Метагалактика — лишь небольшая часть Вселенной, ее расширение на деситтеровской стадии происходило настолько быстро, что причинная связь между различными областями Метагалактики сохраняется вплоть до планковских масштабов, когда весь анализ нужно проводить на совершенно иных, квантовых основаниях.

Слияние обеих основных космологических моделей решает и многие другие проблемы фридмановской космологии, о которых здесь не упоминалось. А.Д.Линде в своей статье, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» (1984. Т.144, вып.2), называет около десятка таких проблем.

7. ПРИНЦИП ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ

Размерность физического пространства N = 3 занимает среди геометродинамических характеристик особое место. Изотропию и однородность физического пространства — его евклидовость (псевдоевклидовость) — можно объяснить его простотой. Эти свойства пространства характеризуют его предельную симметричность. Пространство Евклида единственное максимально симметричное пространство с нулевой (экстремальной) кривизной. Экстремальность симметрии (хотя и в меньшей степени) характеризует и другие космологические пространства (пространство Лобачевского или сферу). Поскольку известно, что природа «любит» симметрию и экстремальность, то кажется естественным, что ее выбор остановился на симметричных пространствах.

В рамках модели раздувающейся Вселенной евклидовость пространства Метагалактики естественно интерпретируется в духе основных геометрических идей. Метагалактика — малая часть Вселенной, а малые области достаточно гладкого пространства можно хорошо описать с помощью евклидовой геометрии.

Совершенно иная ситуация возникает при попытке подойти к размерности физического пространства с математических позиций. Значение N = 3 практически невыделенное число. В натуральном ряду экстремальную величину имеют значения N = 1 (или при более общем подходе к геометрии N = 0) и N = ∞. Тем не менее хорошо известно, что размерность физического пространства в исследованных интервалах 10**-16 ~< r ~< 10**28 см не равна этим значениям.

Разумеется, спор о «фундаментальности» тех или иных величин имеет несколько схоластический характер, тем не менее можно привести один аргумент в пользу того, что размерность более фундаментальное понятие, чем, например, изотропия и однородность, и тем более другие характеристики пространств. Действительно, всем симметричным пространствам соответствует свое определенное значение N. Однако любому N ≥ 3 соответствует множество симметричных пространств, число которых возрастает с N. Число же пространств переменной кривизны для любого N вообще произвольно.

Итак, значение размерности N, по-видимому, самая значительная характеристика физического пространства. Но тогда остается вопрос: почему наблюдаемая размерность Метагалактики N=3?

На наш взгляд, попытка искать ответ на этот вопрос, оставаясь лишь в пределах математики, обречена на неудачу. Ответ может содержаться, как нам представляется, в одной важной, но малоразработанной области физики, связанной с численными значениями фундаментальных постоянных. С первого взгляда кажется, что обращение к этой области — уход в сторону. Однако хорошо известно, что в физике прямолинейность отнюдь не является синонимом краткости.

Итак, будем искать природу размерности нашей Метагалактики в физической (динамической) выделенности размерности N = 3. Разумеется, в подобном подходе мы будем полагать неизменным другое его свойство — евклидовость, которое кажется вполне естественным вследствие его простоты. 8 дальнейшем будем опираться на полузабытую работу П.Эренфеста «Как проявляется трехмерность пространства в фундаментальных законах физики», значение которой можно оценить лишь в настоящее время. Сейчас рассуждения Эренфеста кажутся настолько простыми, что мы ограничимся лишь качественными соображениями`. В этой работе содержатся две взаимосвязанные кардинальные идеи, развитие которых и будет положено в основу нашего анализа природы пространства и физических закономерностей на современном уровне. [19]