Astronet > Perevod "Oficial'nogo Saita Teorii Superstrun"

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

<< Skol'ko let nashei Vselennoi ? | Oglavlenie | Tur po istorii Vselennoi >>

Kakova struktura nashei Vselennoi ?

Chto takoe geometriya prostranstva-vremeni ?

   Predstav'te sebe ochen' bol'shoi myachik. Hotya on "izvne" i kazhetsya trehmernym, ego poverhnost' - sfera - dvumerna, potomu kak est' tol'ko dva nezavisimyh napravleniya dvizheniya po sfere. Esli by Vy byli ochenb malen'kimi i zhili by na poverhnosti etogo shara, to vpolne mogli by predpolozhit', chto Vy zhivete vovse ne na sfere, a na bol'shoi ploskoi dvumernoi poverhnosti. No esli by Vy pri etom proveli tochnye izmereniya rasstoyanii na sfere, to ponyali by, chto zhivete ne na ploskoi poverhnosti, a na poverhnosti bol'shoi sfery (prim. perev. luchshe, navernoe, provesti analogiyu s poverhnost'yu zemnogo shara).
   Ideyu krivizny poverhnosti shara mozhno primenit' ko vsei Vselennoi. Eto bylo ogromnym proryvom v Einshteinovskoi Obshei teorii otnositel'nosti. Prostranstvo i vremya byli ob'edineny v edinuyu geometricheskuyu edinicu, nazvannuyu prostranstvom-vremenem, i eto prostranstvo-vremya obladalo geometriei, ono moglo byt' iskrivlennym, tak zhe, kak iskrivlena poverhnost' ogromnogo shara.
   Kogda Vy smotrite na poverhnost' bol'shogo shara kak na edinuyu vesh', to oshushaete vse prostranstvo sfery celikom. Matematiki lyubyat poverhnost' sfery tak, chtoby eto opredelenie opisyvalo vsyu sferu celikom, a ne tol'ko ee chast'. Odnim iz klyuchevyh aspektov opisaniya geometrii prostranstva-vremeni sostoit v tom, chto nam neobhodimo opisat' vse prostranstvo i vse vremya celikom. Eto oznachaet, chto nado opisat' "vse" i "vsegda" "v odnom flakone". Geometriya prostranstva-vremeni eto geometriya vsego prostranstva plyus vse vremya vmeste kak odna matematicheskaya edinica.

Chto opredelyaet geometriyu prostranstva-vremeni ?

V osnovnom fiziki rabotayut sleduyushim obrazom - oni ishut uravneniya dvizheniya, resheniya kotoryh nailuchshim obrazom opisyvayut sistemu, kotoruyu fiziki hotyat opisat'. Uravnenie Einshteina predstavlyaet soboi klassicheskoe uravnenie dvizheniya prostranstva-vremeni. Klassicheskoe ono potomu, chto kvantovye effekty pri ego poluchenii ne prinimalis' vo vnimanie. I, takim obrazom, geometriya prostranstva-vremeni traktuetsya kak isklyuchitel'no klassicheskoe ponyatie, lishennoe kakih-libo kvantovyh neopredelennostei. Imenno poetomu ona i yavlyaetsya nailuchshim priblizheniem k tochnoi teorii.
Soglasno uravneniyam Einshteina krivizna prostranstva-vremeni v dannom napravlenii neposredstvenno svyazana s energiei i impul'som vsego vo vsem prostranstve-vremeni, chto ne yavlyaetsya prostranstvom-vremenem. Inymi slovami, uravneniya Einshteina svyazyvayut gravitaciyu s ne-gravitaciei i geometriyu s ne-geometriei. Krivizna - eto gravitaciya, a vse ostal'noe - elektrony i kvarki, i kotoryh sostoyat atomy, iz kotoryh, v svoyu ochered', sostoit materiya, elektromagnitnoe izluchenie, kazhdaya chastica - perenoschik vzaimodeistviya (krome gravitacii) - "zhivet" v iskrivlennom prostranstve-vremeni i v to zhe samoe vremya opredelyaet etu kriviznu soglasno uravneniyam Einshteina.

Kakova geometriya nashego prostranstva-vremeni ?

   Kak tol'ko chto otmechalos', polnoe opisanie dannogo prostranstva-vremeni vklyuchaet ne tol'ko vse prostranstvo, no takzhe i vse vremya. Inymi slovami, prostranstvo-vremya vklyuchaet v sebya vse sobytiya, kotorye kogda-libo proishodili i kotorye kogda-libo proizoidut.
   Pravda teper', esli my budem slishkom bukval'ny v takom ponyatii, to mozhem natolknut'sya na problemy, potomu, kak ne smozhem uchest' vse samye malye izmeneniya v raspredelenii plotnosti energii i impul'sa vo Vselennoi, kakie tol'ko proishodili i eshe proizoidu vo Vselennoi. No, k schast'yu, chelovecheskii razum sposoben operirovat' s takimi ponyatiyami, kak abstrakciya i priblizhenie, takim obrazom, my mozhet postroit' abstraktnuyu model', kotoraya primerno opisyvaet nablyudaemuyu Vselennuyu dostatochno horosho na bol'shih masshtabah, skazhem, na masshtabah skoplenii galaktik.
   No dlya togo, chtoby reshit' uravneniya, etogo malo. Neobhodimo takzhe sdelat' opredelennye uproshayushie predpolozheniya otnositel'no krivizny prostranstva-vremeni. Pervym predpolozheniem, kotoroe my sdelaem, budet predpolozhenie o tom, chto prostranstvo-vremya mozhet byt' akkuratno razdeleno na prostranstvo i vremya. Eto, pravda, ne vsegda mozhno sdelat', naprimer, v nekotoryh sluchayah vrashayushihsya chernyh dyr, prostranstvo i vremya "vrashayutsya" vmeste i, takim obrazom, ne mogut byt' akkuratno razdeleny. Odnako ne nikakih ukazanii na to, chto nasha Vselennaya mozhet vrashaetsya podobnym obrazom. Takim obrazom, my vpolne mozhem sdelat' predpolozhenie o tom, chto prostranstvo-vremya mozhno opisat' kak prostranstvo, menyayusheesya so vremenem.
   Sleduyushim vazhnym predpolozheniem, sleduyushim iz teorii Bol'shogo Vzryva, yavlyaetsya to, chto prostranstvo vyglyadit odinakovo v lyubom napravlenii v lyuboi tochke. Svoistvo vyglyadet' odinakovo v lyubom napravlenii nazyvaetsya izotropiei, a vyglyadet' odinakovo v lyuboi tochke - odnorodnost'yu. Takim obrazom, my predpolagaem, chto nashe prostranstvo odnorodno i izotropno. Kosmologi nazyvayut eto predpolozhenie maksimal'noi simmetriei. Schitaetsya, chto eto dostatochno rezonnoe predpolozhenie na bol'shih masshtabah.
   Reshaya uravneniya Einshteina dlya geometrii prostranstva-vremeni nashei Vselennoi, kosmologi rassmatrivayut tri osnovnyh tipa energii, kotorye mogut iskrivit' i iskrivlyayut prostranstvo-vremya:
      1. energiya vakuuma
      2. izluchenie
      3. obychnoe veshestvo
   Izluchenie i obychnoe veshestvo rassmatrivayutsya kak odnorodnyi gaz, zapolnyayushii Vselennuyu, s nekotorym uravneniem sostoyaniya, svyazyvayushim davlenie s plotnost'yu.
   Posle togo, kak sdelany predpolozheniya ob odnorodnosti istochnikov energii i o maksimal'noi simmetrichnosti, uravneniya Einshteina mozhno svesti k dvum differencial'nym uravneniyam, kotorye neslozhno reshit', ispol'zuya prosteishie metody vychislenii. Iz reshenii my poluchaem dve veshi: geometriyu prostranstva i to, kak razmery prostranstva menyayutsya so vremenem.

Otkrytaya, zakrytaya ili ploskaya ?

Esli v kazhdyi moment vremeni prostranstvo v kazhdoi tochke vyglyadit odinakovo vo vseh napravleniyah, to takoe prostranstvo obyazano imet' postoyannuyu kriviznu. Esli zhe krivizna menyaetsya ot tochki k tochke, to prostranstvo budet vyglyadet' po-raznomu iz raznyh tochek i v raznyh napravleniyah. Sledovatel'no, esli prostranstvo maksimal'no simmetrichnoe, to krivizna vo vseh tochkah dolzhna byt' odinakova.
Eto trebovanie neskol'ko suzhaet vozmozhnye geometrii do treh: prostranstvo s postoyannoi polozhitel'noi, otricatel'noi i nulevoi kriviznoi (ploskoe). V sluchae, kogda net energii vakuuma (lyambda-chlena), est' tol'ko obychnaya materiya i izluchenie, krivizna pomimo vsego takzhe otvechaet i na vopros o vremeni evolyucii:

Sfera obladaet postoyannoi polozhitel'noi kriviznoi
Giperboloid obladaet postoyannoi otricatel'noi kriviznoi

   Polozhitel'naya krivizna: N-mernym prostranstvom s postoyannoi polozhitel'noi kriviznoi yavlyaetsya N-mernaya sfera. Kosmologicheskaya model', v kotoroi prostranstvo obladaet postoyannoi polozhitel'noi kriviznoi nazyvaetsya zakrytoi kosmologicheskoi model'yu. V takoi modeli prostranstvo rasshiryaetsya ot nulevogo ob'ema v moment Bol'shogo Vzryva, potom v nekotoryi moment vremeni dostigaet maksimal'nogo ob'ema i nachinaet szhimat'sya do "Bol'shogo Shlopyvaniya" (Big Crunch).
   Nulevaya krivizna: Prostranstvo s nulevoi kriviznoi nazyvaetsya ploskim prostranstvom. Takoe ploskoe prostranstvo nekompaktno, ono protyagivaetsya beskonechno vo vseh napravleniyah, tochno takzhe protyazhenno tol'ko otkrytoe prostranstvo. Takaya Vselennaya rasshiryaetsya beskonechno vo vremeni.
   Otricatel'naya krivizna: N-mernym prostranstvom s postoyannoi otricatel'noi kriviznoi yavlyaetsya N-mernaya psevdosfera. Edinstvennoe, s chem bolee-menee privychnym mozhno sravnit' takoi unikal'nyi mir, yavlyaetsya giperboloid, kotoryi yavlyaetsya dvumernoi gipersferoi. Prostranstvo s otricatel'noi kriviznoi beskonechno po ob'emu. V prostranstve s otricatel'noi kriviznoi realizuetsya otkrytaya Vselennaya. Ona takzhe, kak i ploskaya, rasshiryaetsya beskonechno vo vremeni.
   Chto opredelyaet, budet li Vselennaya otkrytoi ili zakrytoi ? Dlya zakrytoi Vselennoi polnaya plotnost' energii $\rho$ dolzhna byt' bol'she plotnosti energii, otvechayushei ploskoi Vselennoi, kotoraya nazyvaetsya kriticheskoi plotnost'yu $\rho_{cr}$ . Polozhim $w = \rho / \rho_{cr}$ . Togda v zakrytoi Vselennoi w bol'she 1, v ploskoi Vselennoi w=1, a v otkrytoi Vselennoi w men'she 1.
   Vse vysheskazannoe spravedlivo lish' v tom sluchae, kogda v rassmotrenie berutsya lish' obychnye vidy materii - pylevidnaya i izluchenie, i prenebregaetsya energiei vakuuma, kotoraya vpolne mozhet prisutstvovat'. Plotnost' energii vakuuma postoyanna, takzhe ee nazyvayut kosmologicheskoi postoyannoi.

Otkuda poyavlyaetsya temnaya materiya ?

   Vo Vselennoi mnogo raznogo veshestva tipa zvezd ili goryachego gaza ili eshe chego, chto izluchaet vidimyi svet ili izluchenie na drugih dlinah voln. I vse eto mozhno libo uvidet' glazami, ili s pomosh'yu teleskopov, libo kakimi-nibud' slozhnymi instrumentami. Odnako eto ne daleko ne vse, chto est' v nashei Vselennoi - za poslednie dva desyatiletiya astronomy obnaruzhili svidetel'stva togo, chto vo Vselennoi ochen' mnogo nevidimoi materii.
   Naprimer, okazalos', chto vidimoi materii v vide zvezd i mezhzvezdnogo gaza nedostatochno dlya togo, chtoby uderzhivat' galaktiki gravitacionno-svyazannymi. Ocenki togo, skol'ko real'no neobhodimo veshestva srednei galaktike dlya togo, chtoby ne razletet'sya na chasti, priveli fizikov i astronomov k vyvodu, o tom, chto bol'shaya chast' veshestva vo Vselennoi nevidima. Eto veshestvo nazyvayut temnoi materiei i ono ochen' vazhno dlya kosmologii.
   Raz vo Vselennoi est' temnaya materiya, to chto ona mozhet iz sebya predstavlyat' ? Iz chego ona mozhet byt' "sdelana" ? Esli by ona sostoyala iz kvarkov, kak i obychnaya materiya, to v rannei Vselennoi dolzhno bylo byt' proizvedeno sil'no bol'she geliya i deiteriya, chem seichas est' v nashei Vselennoi. Specialisty po fizike elementarnyh chastic priderzhivayutsya mneniya, chto temnaya materiya sostoit iz supersimmetrichnyh chastic, kotorye ochen' tyazhelye, no ochen' slabo vzaimodeistvuyut s obychnymi chasticami, kotorye nablyudayutsya seichas na uskoritelyah.
   Vidimogo veshestva vo Vselennoi, sledovatel'no, znachitel'no men'she, chem neobhodimo dazhe dlya ploskoi Vselennoi. Sledovatel'no, esli vo Vselennoi bol'she nichego net, to ona obyazana byt' otkrytoi. Odnako hvatit li temnoi materii dlya togo, chtoby "zakryt'" Vselennuyu ? Inymi slovami, esli w_B eto plotnost' obychnogo veshestva, a w_D - plotnost' temnoi materii, to vypolnyaetsya li sootnoshenie w_B + w_D = 1 ? Izuchenie dvizhenii v skoplenii galaktik govorit o tom, chto polnaya plotnost' sostavlyaet poryadka 30% ot kriticheskoi, pri etom vidimoe veshestvo sostavlyaet poryadka 5%, a temnaya materiya 25%.
   No eto eshe ne konec - u nas ostaetsya eshe odin istochnik energii vo Vselennoi - kosmologicheskaya postoyannaya.

Chto po povodu kosmologicheskoi postoyannoi ?

   Einshteinu ne ponravilis' rezul'taty ego sobstvennoi raboty. Soglasno ego uravneniyam dvizheniya, Vselennaya, zapolnennaya obychnoi materiei, dolzhna rasshiryat'sya. No Einshtein hotel takoi teorii, v kotoroi by Vselennaya vsegda ostavalas' by odnogo razmera. I dlya etogo on dobavil v uravneniya chlen, teper' izvestnyi kak kosmologicheskii chlen, kotoryi pri dobavlenii k plotnosti energii obychnogo veshestva i izlucheniya ne pozvolyal Vselennoi nikogda rasshiryat'sya i nikogda szhimat'sya, no vechno ostavat'sya odinakovoi.
   Odnako posle togo, kak Habbl otkryl, chto nasha Vselennaya rasshiryaetsya, Einshteinovskii kosmologicheskii chlen byl zabyt i "zabroshen". Odnako, cherez nekotoroe vremya interes k nemu probudilsya so storony relyativistskih kvantovyh teorii, v kotoryh kosmologicheskaya postoyannaya poyavlyaetsya estestvennym obrazom dinamicheski iz kvantovyh oscillyacii virtual'nyh chastic i antichastic. Eto nazyvayut kvantovym nulevym urovnem energii i eto vpolne vozmozhnyi kandidat na energiyu vakuuma prostranstva-vremeni. Odnako v kvantovoi teorii est' svoi "problemy" - kak by ne sdelat' etu energiyu vakuuma slishkom bol'shoi, i eto odna iz prichin pochemu fiziki issleduyut supersimmetrichnye teorii.
   Kosmologicheskaya postoyannaya mozhet kak uskoryat', tak i zamedlyat' rasshirenie Vselennoi, v zavisimosti ot togo, polozhitel'na ona ili zhe otricatel'na. I kogda kosmologicheskaya postoyannaya dobavlyaetsya v prostranstvo-vremya v dovesok k obychnomu veshestvu i izlucheniyu, to kartina stanovitsya znachitel'no zaputannei, chem prosteishie sluchai otkrytoi ili zakrytoi Vselennoi, opisannye vyshe.

Nu i kakov zhe otvet ?

   Prakticheski srazu za Bol'shim Vzryvom nachalas' era dominirovaniya izlucheniya, kotoraya prodolzhalas' pervye desyat' - sto tysyach let evolyucii nashei Vselennoi. Seichas zhe dominiruyushimi formami materii yavlyayutsya obychnoe veshestvo i energiya vakuuma. Sudya po poslednim nablyudeniyam astronomov,
   1. Nasha Vselennaya s horoshei tochnost'yu ploskaya:Kosmicheskoe mikrovolnovoe fonovoe izluchenie eto relikt, dostavshiisya nam so vremen, kogda Vselennaya byla goryachei i byli zapolnena goryachim fotonnym gazom. S teh por, pravda, iz-za rasshireniya Vselennoi eti fotony ohladilis', i seichas ih temperatura sostavlyaet 2.73 K. Odnako eto izluchenie nemnogo neodnorodno, ih uglovoi razmer neodnorodnostei, vidimyi s nashego nyneshnego polozheniya, zavisit ot prostranstvennoi krivizny Vselennoi. Tak vot, nablyudeniya anizotropii reliktovogo izlucheniya svidetel'stvuyut kak raz o tom, chto nasha Vselennaya ploskaya.
   2.Vo Vselennoi prisutstvuet kosmologicheskaya postoyannaya: Vo Vselennoi prisutstvuet energiya vakuuma, ili, po krainei mere, nechto, chto deistvuet kak energiya vakuuma, chto privodit k uskorennomu rasshireniyu Vselennoi. Svidetel'stvom uskorennogo rasshireniya Vselennoi yavlyayutsya dannye po krasnym smesheniyam dalekih sverhnovyh.
   3. Bol'shaya chast' veshestva vo Vselennoi nahoditsya v vide temnoi materii: Izuchenie dvizheniya galaktik privodit k vyvodu, chto obychnoe veshestvo v forme zvezd, galaktik, planet i mezhzvezdnogo gaza sostavlyaet lish' maluyu toliku vsego veshestva vo Vselennoi.
   Po sostoyaniyu na nyneshnyuyu epohu
$\Omega_B + \Omega_M + \Omega_\Lambda = 1,$
$\Omega_B \sim 0.05, \quad \Omega_M \sim 0.25, \quad \Omega_\Lambda \sim 0.7$
   Tak chto seichas vo Vselennoi plotnost' energii vakuuma bolee chem v dva raza prevoshodit plotnost' energii temnoi materii, i pri etom vkladom barionnoi vidimoi materii mozhno prosto prenebrech'. Tak chto nasha ploskaya Vselennaya dolzhna rasshiryat'sya vechno.

<< Skol'ko let nashei Vselennoi ? | Oglavlenie | Tur po istorii Vselennoi >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: Kosmologiya - superstruny - teoriya strun Publikacii so slovami: Kosmologiya - superstruny - teoriya strun
Sm. takzhe: Razlozhenie dalekogo sveta Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Kuda smeshaetsya krasnoe smeshenie? Samaya dalekaya sverhnovaya tipa Ia Rashid Alievich Syunyaev (k semidesyatiletiyu so dnya rozhdeniya) Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [35]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce


Sfera obladaet postoyannoi polozhitel'noi kriviznoi	Giperboloid obladaet postoyannoi otricatel'noi kriviznoi