Простір, час, теорія струн і деякі питання космології

Якщо теорія струн є, зокрема, і теорією гравітації, то як вона співвідноситься з теорією тяжіння Ейнштейна? Як між собою співвідносяться струни та геометрія простору-часу?

Струни та гравітони

Найпростіше уявити собі струну, що подорожує в плоскому d-вимірному просторі-часі, уявивши, що вона подорожує в просторі протягом певного часу. Струна є одновимірним об’єктом, тож якщо ви вирішите помандрувати вздовж струни, ви зможете рухатися лише вперед або назад уздовж неї; для неї не існує інших напрямків на кшталт верху чи низу. Однак у просторі сама струна цілком може рухатися як завгодно, хоч і вгору чи вниз, і, рухаючись у просторі-часі, струна описує поверхню, що називається світовим листом струни (прим. перекл. назву утворено за аналогією зі світовою лінією частинки, частинка — 0-вимірний об’єкт). Це двовимірна поверхня, у якої один вимір просторовий, а другий — часовий.

Світова лінія, світовий лист і світовий об’єм, які описують точкова частинка, струна і брана відповідно.

 Світовий лист струни є ключовим поняттям усієї фізики струни. Подорожуючи в d-вимірному просторі-часі, струна осцилює. З погляду самого двовимірного світового листа струни ці осциляції можна уявити як коливання у двовимірній квантово-гравітаційній теорії. Для того щоб узгодити ці квантовані осциляції з квантовою механікою та спеціальною теорією відносності, кількість просторово-часових вимірів має дорівнювати 26 для теорії, що містить лише сили (бозони), і 10 для теорії, що містить як сили, так і матерію (бозони та ферміони).
   То звідки ж береться гравітація?

Якщо струна, що подорожує крізь простір-час, замкнена, то серед інших осциляцій у її спектрі буде частинка зі спіном, що дорівнює 2, і нульовою масою. Це і буде гравітон — частинка, що є переносником гравітаційної взаємодії.
   А там, де гравітони, має бути й гравітація. То де ж гравітація в теорії струн?

Струни та геометрія простору-часу

Класична теорія геометрії простору-часу, яку ми називаємо гравітацією, ґрунтується на рівнянні Ейнштейна, яке пов’язує кривину простору-часу з розподілом речовини та енергії в просторі-часі. Але як рівняння Ейнштейна з’являються в теорії струн?
   Якщо замкнена струна подорожує у викривленому просторі-часі, то її координати в просторі-часі «відчувають» цю кривину під час руху струни. І знову ж таки, відповідь лежить на світовому листі струни. Щоб бути узгодженим із квантовою теорією, викривлений простір-час у цьому разі має бути розв’язком рівнянь Ейнштейна.

   І ще дещо, що стало дуже переконливим результатом для дослідників теорії струн. Теорія струн передбачає не лише існування гравітона в плоскому просторі-часі, а й те, що рівняння Ейнштейна мають виконуватися у викривленому просторі-часі, в якому поширюється струна.

А як щодо струн і чорних дір?

Чорні діри є розв’язками рівняння Ейнштейна, тож теорії струн, що містять гравітацію, також передбачають існування чорних дір. Але на відміну від звичайної теорії відносності Ейнштейна, у теорії струн значно більше різноманітних цікавих симетрій і типів матерії. Це приводить до того, що в контексті теорій струн чорні діри значно цікавіші, оскільки їх там значно більше і вони різноманітніші.

Чи є простір-час фундаментальним?

Відповідь із теорії струн

Що таке ентропія чорної діри?

Двома найважливішими термодинамічними величинами є температура та ентропія. З температурою кожен знайомий завдяки хворобам, прогнозам погоди, гарячій їжі тощо. А ось поняття ентропії досить далеке від повсякденного життя більшості людей.

Розгляньмо посудину, заповнену газом, що складається з певних молекул М. Температура газу в посудині є показником середньої кінетичної енергії молекул газу в посудині. Кожна молекула як квантова частинка має квантований набір енергетичних станів, і якщо ми розуміємо квантову теорію цих молекул, то теоретики можуть підрахувати кількість можливих квантових мікростанів цих молекул і отримати у відповідь певне число. Ентропією називають логарифм цього числа.

Можна припустити, що між теорією гравітації всередині чорної діри та калібрувальною теорією існує лише часткова відповідність. У цьому разі чорна діра може захоплювати інформацію назавжди — або навіть переправляти інформацію в новий Всесвіт, що народжується із сингулярності в центрі чорної діри (Джон Арчибальд Вілер і Брюс Де Вітт). Тож інформація, зрештою, не втрачається з погляду її існування в новому Всесвіті, але інформація назавжди втрачається для спостерігача на межі чорної діри. Ця втрата можлива, якщо калібрувальна теорія на межі містить лише часткову інформацію про внутрішню область діри. Однак можна припустити, що відповідність між двома теоріями точна. Калібрувальна теорія не містить ні горизонту, ні сингулярності, і в ній немає місця, де інформація могла б загубитися. Якщо це точно відповідає простору-часу з чорною дірою, інформація не може загубитися і там. У першому випадку спостерігач втрачає інформацію, у другому — зберігає її. Ці наукові припущення потребують подальшого дослідження.

Коли стало зрозуміло, що чорні діри випаровуються внаслідок квантових процесів, також з'ясувалося, що чорні діри мають термодинамічні властивості, подібні до температури та ентропії. Температура чорної діри обернено пропорційна її масі, тож у процесі випаровування чорна діра стає дедалі гарячішою.

 Ентропія чорної діри дорівнює одній четвертій площі її горизонту подій, тож ентропія стає дедалі меншою під час випаровування чорної діри, оскільки горизонт у процесі випаровування стає дедалі меншим. Однак у теорії струн поки що немає ясного співвідношення між квантовими мікростанами квантової теорії та ентропією чорної діри.

Чорні діри та брани в теорії струн

У межах теорії суперструн існує можливість вивчення чорних дір завдяки бранам. Під браною розуміють фундаментальний фізичний об'єкт (протяжна p-вимірна мембрана, де p — кількість просторових вимірів). Віттен, Таунсенд та інші фізики додали до одновимірних струн просторові многовиди з більшою кількістю вимірів. Двовимірні об'єкти називаються мембранами, або 2-бранами, тривимірні — 3-бранами, структури з розмірністю p — p-бранами. Саме брани уможливили опис деяких спеціальних чорних дір у межах теорії суперструн. Якщо встановити струнну константу зв'язку на нуль, то можна теоретично «вимкнути» гравітаційну силу. Це дозволяє розглянути геометрії, у яких багато бран обгорнуті навколо додаткових вимірів. Брани несуть електричні та магнітні заряди (існує межа величини заряду, який може мати брана, і ця межа пов'язана з масою брани). Конфігурації з максимально можливим зарядом дуже специфічні й називаються екстремальними (вони охоплюють одну із ситуацій, коли існують додаткові симетрії, що дозволяють проводити точніші обчислення). Екстремальними чорними дірами називаються такі діри, що мають максимально можливий електричний або магнітний заряд, за якого чорна діра ще може залишатися стабільною. Вивчаючи термодинаміку екстремальних бран, обгорнутих навколо додаткових вимірів, можна відтворити термодинамічні властивості екстремальних чорних дір.

Спеціальним типом чорних дір, які дуже важливі в теорії струн, є так звані BPS-чорні діри. BPS-чорна діра має і заряд (електричний та/або магнітний), і масу, причому маса та заряд пов'язані співвідношенням, виконання якого приводить до непорушеної суперсиметрії у просторі-часі поблизу чорної діри. Ця суперсиметрія дуже важлива, оскільки вона приводить до зникнення великої кількості розбіжних квантових поправок, що дозволяє отримати точну відповідь щодо фізики поблизу горизонту чорної діри за допомогою простих обчислень.

У попередніх розділах ми з'ясували, що в теорії струн є об'єкти, які називаються p-бранами та D-бранами. Оскільки точку можна вважати нуль-браною, то природним узагальненням чорної діри буде чорна p-брана. Крім того, корисним об'єктом є BPS-чорна p-брана.

Крім того, існує співвідношення між чорними p-бранами та D-бранами. За великих величин заряду геометрія простору-часу добре описується чорними p-бранами. Але якщо заряд малий, то систему можна описати набором слабковзаємодіючих D-бран.

 У цій границі слабкозв'язаних D-бран, за виконання BPS-умов, можна обчислити кількість можливих квантових станів. Цей результат залежить від зарядів D-бран у системі.

Якщо повернутися до геометричної границі еквівалентності чорної діри системі p-бран із такими самими зарядами та масами, можна виявити, що ентропія системи D-бран відповідає обчисленій як площа горизонту подій ентропії чорної діри або p-брани.

Для теорії струн це був просто фантастичний результат. Але чи означає це, що саме D-брани відповідальні за фундаментальні квантові мікростани чорної діри, які лежать в основі термодинаміки чорних дір? Обчислення за допомогою D-бран легко виконувати лише для випадку суперсиметричних BPS-чорних об'єктів. Більшість чорних дір у Всесвіті мають дуже малий електричний або магнітний заряд (якщо взагалі мають) і, взагалі кажучи, досить далекі від BPS-об'єктів. І досі залишається нерозв'язаною задача обчислення ентропії чорної діри для таких об'єктів із використанням формалізму D-бран.

Що було до Великого вибуху?

Усі факти свідчать про те, що Великий вибух таки був. Єдине, про що можна запитати для уточнення або для визначення чіткіших меж між фізикою та метафізикою, — це що ж було до Великого вибуху?

Фізики визначають межі фізики, описуючи їх теоретично, а потім порівнюючи результати своїх припущень зі спостережними даними. Наш Всесвіт, який ми спостерігаємо, дуже добре описується як плоский простір із густиною, що дорівнює критичній, темною матерією і космологічною сталою, доданими до спостережуваної речовини, і він розширюватиметься вічно.

Якщо продовжити цю модель назад у минуле, коли Всесвіт був дуже гарячим і дуже густим, а домінувало в ньому випромінювання, то необхідно зрозуміти фізику елементарних частинок, яка діяла тоді, за тих густин енергії. Експериментальне розуміння фізики елементарних частинок уже дуже мало допомагає за енергій порядку масштабу електрослабкого об'єднання, і фізики-теоретики розробляють моделі, що виходять за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок, такі як теорії Великого об'єднання, суперсиметричні, струнні моделі, квантова космологія.

Такі розширення Стандартної моделі необхідні через три серйозні проблеми Великого вибуху:
   1. проблема плоскісності
   2. проблема горизонту
   3. проблема космологічних магнітних монополів

Проблема плоскої геометрії

Судячи з результатів спостережень, у нашому Всесвіті густина енергії всієї речовини, включно з темною матерією та космологічною сталою, з високою точністю дорівнює критичній, із чого випливає, що просторова кривина має дорівнювати нулю. Із рівнянь Ейнштейна випливає, що будь-яке відхилення від плоскої геометрії у Всесвіті, який розширюється й заповнений лише звичайною речовиною та випромінюванням, тільки зростає з розширенням Всесвіту. Отже, навіть дуже невелике відхилення від плоскої геометрії в минулому мало б бути дуже великим зараз. За результатами спостережень нинішнє відхилення від плоскої геометрії (якщо воно є) дуже мале, а отже, у минулому, на перших стадіях Великого вибуху, воно було ще на багато порядків меншим.

Чому Великий вибух почався з таким мікроскопічним відхиленням від плоскої геометрії простору? Цю проблему називають проблемою плоскої геометрії космології Великого вибуху.

Хоч би якою була фізика, що передувала Великому вибуху, вона перевела Всесвіт у стан із нульовою просторовою кривиною. Отже, фізичний опис того, що передувало Великому вибуху, має розв’язати проблему плоскої геометрії.

Проблема горизонту

Космічне мікрохвильове випромінювання — це охолоджені залишки випромінювання, яке «панувало» у Всесвіті під час стадії Великого вибуху з домінуванням випромінювання. Спостереження космічного мікрохвильового фонового випромінювання показують, що воно напрочуд однакове в усіх напрямках, або, як кажуть, це дуже добре ізотропне теплове випромінювання. Його температура становить 2.73 кельвіна. Анізотропія цього випромінювання дуже мала.

 Випромінювання може бути настільки однорідним лише в одному випадку — якщо фотони дуже добре «перемішані», тобто перебувають у тепловій рівновазі завдяки зіткненням. І все це становить проблему для моделі Великого вибуху. Частинки, що зіштовхуються, не можуть передавати інформацію зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Але у Всесвіті, що розширюється й у якому ми живемо, фотони, які рухаються зі швидкістю світла, не встигають долетіти від одного «краю» Всесвіту до іншого за час, необхідний для формування спостережуваної ізотропії теплового випромінювання. Розмір горизонту — це відстань, яку може пройти фотон; Всесвіт при цьому розширюється.

 Сьогоднішній розмір горизонту у Всесвіті надто малий, щоб пояснити ізотропію реліктового випромінювання її природним формуванням шляхом переходу до теплової рівноваги. Це і є проблема горизонту.

Проблема реліктових магнітних монополів

Коли ми на Землі експериментуємо з магнітами, вони завжди мають два полюси — Північний і Південний. І якщо розрізати магніт навпіл, у результаті ми не отримаємо магніт лише з Північним і магніт лише з Південним полюсом. Натомість матимемо два магніти, у кожного з яких буде по два полюси — Північний і Південний.
Магнітним монополем був би такий магніт, який мав би лише один полюс. Але магнітних монополів ніхто ніколи не бачив. Чому ж?
Цей випадок досить сильно відрізняється від випадку електричного заряду, де можна легко розділити заряди на додатні й від’ємні так, що на одному краю будуть лише додатні, а на іншому — лише від’ємні.

 Сучасні теорії, як-от теорії Великого об’єднання та суперструнні теорії, передбачають існування магнітних монополів, а в поєднанні з теорією відносності виходить, що під час Великого вибуху їх має утворюватися дуже багато, настільки, що їхня густина може перевищити спостережувану густину в тисячу мільярдів разів.

 Однак поки що експериментатори не знайшли жодного.

 Це третій мотив шукати вихід за межами Великого вибуху: нам необхідно пояснити, що ж відбувалося у Всесвіті, коли він був дуже маленьким і дуже гарячим.

Інфляційний Всесвіт?

Речовина й випромінювання гравітаційно притягуються, тож у максимально симетричному просторі, заповненому матерією, гравітація неминуче змусить будь-які неоднорідності матерії зростати й ущільнюватися. Саме цим шляхом водень із газоподібної форми перейшов у форму зір і галактик. Але енергія вакууму має дуже сильний вакуумний тиск, і цей тиск вакууму протидіє гравітаційному колапсу, ефективно діючи як відштовхувальна гравітаційна сила — антигравітація. Тиск вакууму згладжує неоднорідності й робить простір плоскішим та одноріднішим у процесі розширення.

Отже, одним із можливих розв’язків проблеми плоскої геометрії був би такий, за якого наш Всесвіт проходив би через стадію домінування густини енергії вакууму (а отже, і його тиску). Якщо ця стадія мала місце до стадії домінування випромінювання, то на початку еволюції на стадії домінування випромінювання Всесвіт уже мав бути плоским із дуже високою точністю — настільки плоским, щоб після зростання збурень на стадіях домінування випромінювання та речовини його нинішня плоска геометрія відповідала спостережним даним.

Розв’язок проблеми плоскої геометрії такого типу запропонував у 1980 р. космолог Алан Гут (Alan Guth). А модель називають Інфляційним Всесвітом. У межах інфляційної моделі наш Всесвіт на самому початку своєї еволюції являє собою бульбашку чистої енергії вакууму, яка розширюється, без будь-якої іншої речовини чи випромінювання. Після періоду швидкого розширення, або інфляції, та швидкого охолодження потенціальна енергія вакууму переходить у кінетичну енергію частинок, що народжуються, і у випромінювання. Всесвіт знову нагрівається, і ми отримуємо початок стандартного Великого вибуху.

Отже, інфляційна стадія, яка передувала Великому вибуху, може пояснити, як Великий вибух міг початися з просторовою кривиною, що дорівнює нулю з такою високою точністю, що Всесвіт і досі залишається плоским.

Інфляційні моделі також розв’язують проблему горизонту. Тиск вакууму прискорює розширення простору в часі, тому фотон може пройти значно більшу відстань, ніж у Всесвіті, заповненому речовиною. Іншими словами, сила притягання, що діє з боку речовини на світло, у певному сенсі сповільнює його, так само як вона сповільнює й розширення простору. На інфляційній стадії розширення простору прискорюється вакуумним тиском космологічної сталої, що призводить до того, що світло рухається швидше, оскільки й сам простір розширюється швидше [пояснення швидкості світла в оригіналі потребує уточнення].

Якщо в історії нашого Всесвіту справді була інфляційна стадія, яка передувала стадії домінування випромінювання, то до кінця інфляції світло могло обійти весь Всесвіт. Отже, ізотропія реліктового випромінювання більше не є проблемою Великого вибуху.

Інфляційна модель розв’язує також проблему магнітних монополів, оскільки в теоріях, у яких вони виникають, має бути один монополь на бульбашку вакуумної енергії. А це означає один монополь на весь Всесвіт.

 Ось чому теорія інфляційного Всесвіту найпопулярніша серед космологів як теорія того, що передувало Великому вибуху.

Як працює інфляція?

Енергія вакууму, яка спричиняє швидке розширення Всесвіту під час інфляційної стадії, походить зі скалярного поля, що виникає внаслідок спонтанного порушення симетрії в межах деяких узагальнених теорій елементарних частинок, таких як теорія Великого об’єднання або струнна теорія.

 Це поле іноді називають інфлатоном. Середнє значення інфлатона за температури T — це величина в мінімумі його потенціалу за температури T. Положення цього мінімуму змінюється зі зміною температури, як показано на анімації вище.

 За температури T, вищої за певну критичну температуру T_crit, мінімум потенціалу буде в нулі. Але зі зниженням температури потенціал починає змінюватися й з’являється другий мінімум із ненульовою температурою [так в оригіналі; величина потребує уточнення]. Таку поведінку називають фазовим переходом — так само, як пара охолоджується й конденсується у воду. Для води критична температура T_crit цього фазового переходу дорівнює 100 градусам Цельсія, що еквівалентно 373 кельвінам.
   Два мінімуми потенціалу відображають дві можливі фази стану поля інфлатона у Всесвіті за температури, що дорівнює критичній. Одній фазі відповідає мінімум поля f=0, а інша фаза представлена вакуумною енергією, якщо в основному стані f=f₀.

Відповідно до інфляційної моделі, за критичної температури простір-час починає переходити з одного мінімуму до іншого під дією цього фазового переходу. Але цей процес нерівномірний, і завжди залишаються області, у яких старий «хибний» вакуум зберігається ще тривалий час. Це називають переохолодженням за аналогією з термодинамікою. Ці області з хибним вакуумом розширюються експоненційно швидко, а вакуумна енергія цього хибного вакууму з високою точністю залишається сталою (космологічною сталою) протягом такого розширення. Цей процес і називають інфляцією, і саме він розв’язує проблеми плоскої геометрії, горизонту та монополів.

 Ця область із хибним вакуумом розширюється доти, доки бульбашки нової фази з f=f₀ , що народжуються та зливаються, не заповнять увесь Всесвіт і тим самим не завершать інфляцію природним чином. Потенціальна енергія вакууму переходить у кінетичну енергію частинок, що народжуються, та у випромінювання, і Всесвіт продовжує еволюціонувати відповідно до описаної вище моделі Великого вибуху.

Передбачення, які можна перевірити?

Отже, усі проблеми розв’язано?

Але попри згадані вище передбачення та їхні підтвердження описана інфляція все ще далека від ідеальної теорії. Інфляційну стадію не так просто зупинити, а проблема монополів постає у фізиці не лише у зв’язку з інфляцією. Багато припущень, використаних у теорії, як-от висока початкова температура первинної фази чи єдиність інфляційної бульбашки, викликають чимало запитань і сумнівів, тому поряд з інфляцією розробляють і альтернативні теорії.

 Нинішні інфляційні моделі вже далеко відійшли від початкових припущень про одну інфляцію, яка дала життя одному Всесвіту. У нинішніх інфляційних моделях від «основного» Всесвіту можуть «відбруньковуватися» нові всесвіти, і вже в них відбуватиметься інфляція. Такий процес називають вічною інфляцією.

До чого ж тут струнна теорія?

Струнна космологія низьких енергій

 Більша частина матерії у Всесвіті перебуває у формі невідомої нам темної матерії. Одними з основних кандидатів на роль темної матерії є так звані вімпи — масивні частинки, що слабко взаємодіють (WIMP - Weakly Interacting Massive Particle). А основним кандидатом на роль вімпа є кандидат від суперсиметрії. Мінімальна суперсиметрична стандартна модель (МССМ, або в англ. транскрипції MSSM — Minimal Supersymmetric Standard Model) передбачає існування частинки зі спіном 1/2 (ферміона), яку називають нейтраліно і яка є ферміонним суперпартнером електрично нейтральних калібрувальних бозонів і гіґґсівських скалярів. Нейтраліно повинні мати велику масу, але при цьому дуже слабко взаємодіяти з іншими частинками. Вони можуть становити значну частину густини у Всесвіті й при цьому не випромінювати світла, що робить їх добрим кандидатом на роль темної матерії у Всесвіті

Струнні теорії потребують суперсиметрії, тож у принципі, якщо нейтраліно відкриють і виявиться, що саме з них складається темна матерія, це було б непогано. Але якщо суперсиметрія не порушена, то ферміони й бозони тотожно рівні між собою, а в нашому світі це не так. Справді складна частина всіх суперсиметричних теорій полягає в тому, як порушити суперсиметрію, але при цьому не втратити всіх переваг, які вона дає.

Одна з причин, чому теоретики струн і фізики елементарних частинок люблять суперсиметричні теорії, полягає в тому, що в їхніх межах виходить нульова повна енергія вакууму, оскільки ферміонний і бозонний вакууми взаємно компенсують один одного. А якщо суперсиметрія порушена, то бозони й ферміони вже не тотожні між собою, і такої взаємної компенсації не відбувається.

Зі спостережень далеких наднових із високою точністю випливає, що розширення нашого Всесвіту (принаймні зараз) прискорюється через присутність чогось на кшталт енергії вакууму або космологічної сталої. Тож незалежно від того, як суперсиметрію було порушено у струнній теорії, необхідно, щоб у підсумку виходила «правильна» кількість енергії вакууму для опису нинішнього прискореного розширення. І це виклик для теоретиків, оскільки поки що всі способи порушення суперсиметрії дають забагато вакуумної енергії.

Космологія та додаткові виміри

У межах теорії суперструн проводять аналогію між системою екстремальних бран, згорнутих навколо додаткових вимірів, та екстремальними чорними дірами й показують, що фактично багато властивостей цих двох систем точно однакові. Цей збіг виникає тому, що в обох випадках існує кілька різних суперсиметричних перетворень, які пов’язують ферміони й бозони. Виявляється, вони дозволяють побудувати переконливу математичну аналогію, завдяки якій термодинаміка обох систем є ідентичною

Струнна космологія дуже заплутана й складна переважно через наявність шести (або навіть семи у випадку М-теорії) додаткових просторових вимірів, потрібних для квантової узгодженості теорії. Додаткові виміри становлять виклик уже в межах самої струнної теорії, а з погляду космології вони еволюціонують відповідно до фізики Великого вибуху й того, що було до нього. То що ж утримує додаткові виміри від того, щоб розширитися й стати такими самими великими, як наші три просторові виміри?

Однак є поправковий чинник до поправкового чинника: суперструнна дуальна симетрія, відома як T-дуальність. Якщо просторовий вимір згорнутий у коло радіуса R, отримана струнна теорія виявиться еквівалентною іншій струнній теорії з просторовим виміром, згорнутим у коло радіуса L_st²/R, де L_st — це струнний масштаб довжини. Для багатьох із цих теорій, коли радіус додаткового виміру задовольняє умову R = L_st, струнна теорія набуває додаткової симетрії з деякими масивними частинками, які стають безмасовими. Це називають самодуальною точкою, і вона важлива з багатьох інших причин.

 Ця дуальна симетрія приводить до дуже цікавого припущення щодо Всесвіту до Великого вибуху: такий струнний Всесвіт починається з плоского, холодного й дуже маленького стану замість того, щоб бути викривленим, гарячим і дуже маленьким. Цей ранній Всесвіт дуже нестійкий і починає колапсувати та стискатися, доки не досягне самодуальної точки, після чого він нагрівається й починає розширюватися, а внаслідок розширення приводить до нинішнього спостережуваного Всесвіту. Перевага цієї теорії полягає в тому, що вона включає описану вище струнну поведінку T-дуальності й самодуальної точки, тож цілком є теорією струнної космології.

Інфляція чи зіткнення гігантських бран?

Що струнна теорія передбачає щодо джерела вакуумної енергії та тиску, необхідних для прискореного розширення під час інфляційного періоду? Скалярні поля, які могли б спричинити інфляційне розширення Всесвіту, на масштабах теорії Великого об’єднання можуть виявитися залученими до процесу порушення симетрії на масштабах, трохи вищих за електрослабкий, визначення сталих зв’язку калібрувальних полів, а можливо, навіть через них виникає енергія вакууму для космологічної сталої. У струнних теоріях є складові для побудови моделей із порушенням суперсиметрії та інфляцією, але необхідно зібрати всі ці складові так, щоб вони працювали разом, а це все ще, як кажуть, у розробці.

 Зараз однією з альтернативних інфляції моделей є модель із зіткненням гігантських бран, відома також як Екпіротичний Всесвіт або Великий ляск. У межах цієї моделі все починається з холодного статичного п’ятивимірного простору-часу, який дуже близький до повністю суперсиметричного. Чотири просторові виміри обмежені тривимірними стінами, або трибранами, і одна з цих стін є простором, у якому ми живемо. Друга брана прихована від нашого сприйняття.

 Відповідно до цієї теорії, існує ще одна трибрана, «загублена» десь між двома граничними бранами в чотиривимірному навколишньому просторі. Коли ця брана зіштовхується з браною, на якій ми живемо, енергія, що виділяється під час зіткнення, розігріває нашу брану, і в нашому Всесвіті починається Великий вибух за описаними вище правилами.

 Це припущення досить нове, тож побачимо, чи витримає воно точніші перевірки.

Проблема з прискоренням

Проблема прискореного розширення Всесвіту — це фундаментальна проблема не лише в межах струнної теорії, а й у традиційній фізиці елементарних частинок. У моделях вічної інфляції прискорене розширення Всесвіту необмежене. Це необмежене розширення призводить до ситуації, коли гіпотетичний спостерігач, який вічно подорожує Всесвітом, ніколи не зможе побачити частину подій у ньому.

Межу між областю, яку спостерігач зможе побачити, і тією, яку він побачити не зможе, називають горизонтом подій спостерігача. У космології горизонт подій подібний до горизонту частинок, але з тією відмінністю, що він стосується майбутнього, а не минулого.

З погляду людської філософії чи внутрішньої узгодженості теорії відносності Ейнштейна проблеми космологічного горизонту подій просто немає. Ну й що з того, що ми ніколи не зможемо побачити деякі куточки нашого Всесвіту, навіть якщо житимемо вічно?

Але проблема космологічного горизонту подій є основною технічною проблемою у фізиці високих енергій через визначення релятивістської квантової теорії через набір амплітуд розсіяння, який називають S-матрицею. Одне з фундаментальних припущень квантових релятивістських теорій і теорій струн полягає в тому, що вхідні й вихідні стани нескінченно розділені в часі й тому поводяться як вільні стани, що не взаємодіють.

Натомість наявність горизонту подій передбачає скінченну температуру Гокінґа, а отже, умови для визначення S-матриці вже не можуть бути виконані. Відсутність S-матриці і є тією формальною математичною проблемою, причому вона виникає не лише у струнній теорії, а й у теоріях елементарних частинок.

Деякі недавні спроби розв’язати цю проблему залучали квантову геометрію та зміну швидкості світла. Але ці теорії все ще перебувають у розробці. Однак більшість фахівців погоджується, що все можна розв’язати без таких радикальних заходів.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.