Современная космология: философские горизонты - Коллектив авторов - Страница 49

Не менее нетривиальным является утверждение о протяженности фундаментального (квантового) возбуждения. Как возникает протяженное квантовое возбуждение? Какие условия заставляют возбуждение «вытягиваться»? И при этом оставаться достаточно стабильным? Вообще говоря, по-видимому, достаточно нетривиальным является вопрос о том, насколько стабильны струны, петли и квантовые ячейки пространства? Что такое протяженный квант?

Обе теории ведут к онтологической двойственности: «В основе теории струн и петлевой квантовой гравитации лежат одномерные протяженные объекты, которые за счет дуальности соответствуют линиям электрического потока квантованного калибровочного поля, являясь фундаментальными степенями свободы теории»[233]. Фактически, получается, что струны и петли имеют двойное онтологическое толкование: это и 1-мерные протяженные объекты, и одновременно (но дуально) линии электрического потока квантованного калибровочного поля. Если это верно, то можно говорить об онтологической двойственности физической реальности на ее самом фундаментальном первичном уровне.

Анализ этих двух теорий выявляет существенные расхождения в онтологических трактовках перечня имеющейся в них фундаментальной объектности. С одной стороны, фундаментальными объектами теории струн являются сами струны[234]. С другой стороны, независимый от них фон, в котором они передвигаются (фактически, пространство) и который характеризуется «метрикой и другими классическими полями»[235]. Получается, что метрика и классические поля являются не менее фундаментальными объектами ТСС, поскольку определяют независимое (классическое) пространство. На самом деле онтология независимого фона в ТСС еще сложнее, поскольку сам фон «фиксируется выбором» этих полей и метрики. Но тогда эти поля через особенности задаваемого ими фона (пространства) оказывают воздействие на специфику движения и, вероятно, другие особенности самих струн. Получается, что струны (на квантовом уровне) определяют классические поля, а они, в свою очередь фиксируют основу фундаментальных физических свойств струн — движения и вибраций[236]. Получается замкнутое и достаточно красивое взаимодействие струн, полей и фона. Но — в отсутствии некоего фундаментального единства.

Нечто подобное относится и к петлевой гравитации. Хотя «петли существуют на более фундаментальном уровне, на котором нет классических полей и метрики», в ПТКГ наряду с петлями и квантовыми ячейками пространства как фундаментальными объектами теории существует также скалярное поле, которое, в частности, как предполагается в теории, определяет такое фундаментальное (атрибутивное) понятие всей существующей физики, как время1. Существуют также квантовые ячейки пространства. Все это также пока далеко от ожидаемого единства. Сколько же в итоге существует в этих теориях фундаментальных объектов?

4. Онтологический анализ современных моделей квантовой космологии

Следуя традиции, которая берет свое начало с И. Ньютона, появление новой теории гравитации, даже если она представляет собой не полную теорию, а только видоизменение уже существующих теорий, традиционно сопровождается попытками применения ее к описанию Вселенной, т. е. возникновением очередной космологической модели. ТСС и ТПКГ продолжают эту традицию. В этом разделе мы рассмотрим несколько моделей ранней Вселенной, основанных на разрабатываемых теориях квантовой гравитации.

Струнная космология. Теория струн модифицирует стандартную космологическую модель в следующих трех пунктах. Во-первых, Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о сингулярном состоянии Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва.2 Во-вторых, в космологии, особенно на планковском масштабе, во многом определяющее значение имеет понятие Т-дуальности (топологической дуальности) в ТСС, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера). В-третьих, поскольку число пространственновременных измерений в теории струн больше четырёх, космология должна описывать эволюцию всех этих измерений[237].

Конечно же, для космологов вопрос первостепенной важности — что же происходило в момент «начала»? Согласно теории струн, возможно, никакого начала мироздания и не было. В струнной космологии предлагаются модели того, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва, и сценарии перехода через него. Сейчас наиболее популярны две модели.

В конце 1980-х гг. Р. Бранденбергер и К. Вафа, применив теорию струн, получили следующий космологический сценарий. По мере приближения к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до максимума на планковском масштабе и затем начинает уменьшаться. Этому способствует наличие Т-дуальности. «На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению»[238].

В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения свернуты до планковских размеров, совершенно равноправны и полностью симметричны. Затем в тот же планковский момент времени происходит нарушение симметрии, и три пространственных измерения отбираются для последующего расширения за счет аннигиляции намотанных на измерения струн и антиструн или, другими словами, «снижения сдерживающего действия намотанных струн» только для трех измерений[239]. Остальные измерения пространства сохраняют исходный планковский размер. Затем на арене этих трех измерений происходит инфляционное раздувание Вселенной, после которого наступает период фридмановского расширения.

«Првдвзрывной сценарий». А вот как выглядит вариант струнной космологии, который носит название «пред-взрывной сценарий», с точки зрения первооткрывателя теории струн итальянского теоретика Г. Венециано, в настоящее время активно занимающегося построением космологических моделей на основе своего детища — теории струн[240]. Было время, когда «В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север»[241]. Действительно, попытка искать ответ на вопрос о том, «что было, когда ничего не было»[242], кажется безумной даже в позитивном безумном боровском смысле[243]. Но развитие теоретической физики все чаще заставляет космологов задумываться о том, что могло быть до известного начала мира[244]. И определенные конструктивные решения удалось получить. На наш взгляд, это действительно конструктивные решения, и им явно не хватает концептуальной новизны и глубины. В теории струн было показано, что Большой взрыв не был началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния.

В отличие от предыдущей модели, в которой Вселенная рождается из комка планковских размеров, и этот момент можно рассматривать в качестве начала существования мироздания, Г. Венециано и М. Гасперини предположили, что Вселенная существовала всегда. В далеком, возможно, бесконечно далеком прошлом она была бесконечно протяженной, холодной и почти пустой. Силы природы, управляемые дилатонным полем, были настолько слабы, что частицы практически не взаимодействовали друг с другом. «Такие силы, как гравитация, были слабы»[245]. «Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым, и в результате произошёл резкий скачок температуры и плотности энергии»[246]. «Силы постепенно росли, и материя начала сгущаться»[247]. В некоторых областях плотность возросла настолько, что сформировалась черная дыра, которая разрасталась с ускорением. «Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т. е. Вселенная разбивалась на обособленные части»[248].