Текст книги "Геометрия, динамика, вселенная"

Автор книги: Иосиф Розенталь

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 11 страниц)

4. ПРОБЛЕМЫ ФРИДМАНОВСКОЙ КОСМОЛОГИИ

Фридмановская космология согласуется со всеми наблюдательными данными. Однако при анализе замкнутости, самосогласованности фридмановской модели возникают многие проблемы, на которые предпочитали не обращать внимания, концентрируя акценты на ее достижениях.

Здесь мы остановимся на двух (из многих) проблемах, которые нам представляются наиболее существенными.

С_и_н_г_у_л_я_р_н_о_с_т_ь. Решение (61), которое соответствует модели Фридмана, приводит к заключению, что при t|=0 радиус Метагалактики был равен нулю, и,

u следовательно, плотность ρ вещества в этот момент равнялась бесконечности. Такая ситуация называется сингулярностью. Этот результат противоречит всему физическому опыту. При решениях многих физических задач в решениях возникают бесконечности, однако оказывается, что в уравнениях, описывающих данное явление, допущена идеализация. При увеличении одного (или нескольких) параметров возникают новые процессы, которые препятствуют возникновению бесконечности. Типичное проявление подобного феномена кулоновское взаимодействие на малых расстояниях. Прямолинейное использование формулы F = e**2 / r**2 для описания взаимодействия двух электронов с зарядом e приводит к ошибочным результатам при расстояниях между электронами меньше 10**-11 см. В случае r < 10**-11 см начинают играть роль квантовые поправки, которые требуют применения квантовой электродинамики. Однако, как теоретически показали Л.Д.Ландау, И.Я.Померанчук и Е.С.Фрадкин, при r ~< 10**-32 10**-33 см квантовая электродинамика становится также неприменимой. По всеобщему убеждению, при столь малых расстояниях нужно учитывать все взаимодействия, в том числе и гравитационное, что должно привести к ликвидации сингулярности в рамках квантовой интерпретации закона Кулона при r – > 0. В соответствии с приведенными соображениями нельзя использовать закон Кулона при r – > 0.

Проблема сингулярности не нова. Еще А.Эйнштейн сомневался в применимости классической (неквантовой) теории – ОТО при очень больших плотностях. Однако он не мог предложить количественных оценок для пределов применимости ОТо. Строго говоря, и сейчас нет их точного определения. Однако, по всеобщему убеждению, ОТО неверна при приближении к планковским величинам: длина l| ~ (HP * G / c**3)**(1/2) ~

p 10**-33 см, время t| ~ (HP * G / c**5)**(1/2) ~ 10**-43 с и

p плотность ρ| ~ c**5 / HP * G**2 ~ 10**94 г/см**3.

p Последняя величина чудовищно велика: масса метагалактики равна «только» 10**55 г. Подчеркнем, однако, что нарушение ОТО при планковских величинах полагают обязательным. Происходит ли оно существенно ранее – неизвестно, поскольку экспериментальные данные весьма далеки от планковских величин. Напомним еще раз, что наименьшие измеренные расстояния r ≈ 10**-16 см.

Избавиться от сингулярности путем прямолинейного отказа от основных космологических постулатов невозможно. Как показали английские физики Р.Пенроуз и С.Хокинг, при весьма общем и естественном условии – выполнении энергодоминантности ε+p>0 (ε – плотность энергии, p давление) сингулярность в рамках ОТО неизбежна.

П_р_о_б_л_е_м_а г_о_р_и_з_о_н_т_а. В соответствии с теорией относительности информация от одного объекта к другому распространяется со скоростью v ≤ c. Следовательно, если в некоторый момент времени t=0 два объекта располагались в одной точке, то через некоторое время t=t| они будут причинно связаны лишь при условии, если

1 расстояние r между ними удовлетворяет условию r ≤ ct|.

1 Пусть величина t| = t| (t| – время существования

1 u u Метагалактики), тогда расстояние R=ct| есть максимальное

u расстояние, причинно связывающее две произвольные точки в метагалактике, например Землю и некоторую галактику. Расстояние R=ct| называется горизонтом. Если подставить в

u выражение для R значение t| ≈ 3*10**17 с, вычисленное в

u соответствии с моделью Фридмана или по времени существования старых звезд, то легко получить, что R ≈ 10**28 см, что совпадает с наблюдаемой областью Вселенной – Метагалактикой.

Расширение реализуется медленно. В формуле (61), определяющей зависимость размеров R Метагалактики от времени, b<1, и, следовательно, расширение происходит медленнее, чем увеличение размеров горизонта. Поэтому если сейчас обе величины совпадают, то это означает, что ранее Метагалактика была разбита на множество причинно не связанных областей. Этот факт превращается в серьезную проблему, если его сопоставить с поразительной изотропией Метагалактики. Как различные части Метагалактики, причинно не связанные между собой, могли подстроиться друг к другу так, чтобы возникла совершенная изотропная (сферическая или квазисферическая) геометрия?

Этот вопрос и составляет проблему горизонта.

5. ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

Общепризнанно, что физическая терминология достаточно несовершенна. Вероятно, есть две основные причины, порождающие недоразумения.

Во-первых, историческая: когда явление только начинает изучаться и возникает его название, отражающее лишь малую часть его истинной сущности. Затем термин прочно входит в быт физики, после чего выясняется, что суть явления совсем иная, чем это полагалось вначале. Типичным примером подобного недоразумения является введенный Г.Вейлем термин «калибровочная инвариантность», отражавший первоначальное представление его автора об электродинамике как явлении, которое остается неизменным при изменении пространственно-временных масштабов.

Другой общей причиной несовершенства терминологии является принципиальная неадекватность слов (терминов) и глубинной сути явлений. Здесь вполне уместно напомнить знаменитый афоризм Тютчева: «Мысль изреченная есть ложь».

Термин «физический вакуум» несовершенен по обеим причинам. Прежде всего, еще из школьной физики мы помним, что он используется для определения весьма разреженных газов. Кроме того, с середины 20-х годов и особенно после замечательной работы П.Дирака, предсказавшего в 1928 г. существование позитрона, термин «физический вакуум» завоевывает узаконенной положение в совершенно иной области – в квантовой теории поля. В первоначальной трактовке Дирака физический вакуум – система частиц, в которой отсутствуют позитроны. В рамках квантовой электродинамики это означает, что система электронов и фотонов включает также и физический вакуум. В трактовке Дирака, которая, на наш взгляд, сохранила свое значение в рамках электродинамики и до сих пор, физический вакуум – это бесконечная совокупность электронов с отрицательной энергией. Такая система обладает бесконечной энергией, и ее непосредственно никто не наблюдал. Однако это свойство Дирак возвел в ранг постулата. В соответствии с такой картиной Дирак предсказал существование позитрона – «дырки» в физическом вакууме. Эта картина казалась настолько фантастичной, что до 1032 г., когда был открыт позитрон, картину, нарисованную Дираком, большинство физиков полагали курьезным заблуждением. Ситуация в общественном мнении полностью изменилась после открытия позитрона. Физический вакуум сделался хотя и не наблюдаемой, но физической реальностью. Однако определения или, точнее, представления о физическом вакууме модифицировались. Сохранилась идея, что вакуум – система, в которой отсутствуют реальные частицы данного сорта. Однако содержание этого понятия существенно обогатилось. Кроме электронно-позитронного вакуума, ввели представления о вакууме для других частиц. Наиболее глубокое развитие понятие вакуума получило после обобщения вакуума Дирака на любые фермионы (помимо электронов), а также и на бозоны. Сейчас подразделяют физический вакуум на бозонный и фермионный.

Выяснилось также, что физический вакуум может соответствовать не только полному отсутствию реальных частиц, но и понятию минимальной энергии системы.

В случае дираковского вакуума оба определения совпадают. Однако для некоторых бозонных полей оба определения могут быть не вполне эквивалентны. частицы данного сорта могут существовать как реальные объекты, однако система в целом включает и вакуумное состояние. Необходимо лишь, чтобы энергия системы как функция поля была минимальной.

Вероятно, наиболее впечатляющим доказательством существования вакуумной материи является беспрецедентное по точности предсказание взаимодействия реальных частиц с вакуумом. С первого взгляда может показаться, что автор запутался в дефинициях. Как реальная частица может взаимодействовать с ненаблюдаемыми частицами? Оказывается, может.

В рамках классических представлений сомнение в подобном взаимодействии вполне правомочно. Однако в квантовой теории поля существуют виртуальные частицы, время жизни которых определяется принципом неопределенности: t ~ HP / m*c**2, где m – масса вакуумной частицы. Например, для электрона t≈10**-21 с. Это время слишком мало, чтобы частицы (В данном случае электроны с отрицательной энергией) можно было наблюдать непосредственно. Однако этого времени вполне достаточно, чтобы наблюдать взаимодействие реальных частиц с коллективом вакуумных частиц. Это взаимодействие проявляется в изменении характеристик реальных частиц. Так, аномальный магнитный момент электрона (отклонение магнитного момента электрона от боровского магнетона), обязанный взаимодействию электрона с вакуумом и вычисленный по правилам квантовой электродинамики, совпадает с наблюдаемой величиной с точностью до одиннадцатого знака!

В результате взаимодействия электрона, находящегося в атоме водорода, с вакуумом возникает спектральная линия. Ее расчетное значение v| = 1057.91 ± 0.01 МГц,

t экспериментальное – v| = 1057.90 ± 0.06 МГц.

e

Таким образом, физический вакуум – это новый тип реальной существующей материи.

Возникает вопрос: можно ли наглядно интерпретировать свойства вакуума, не прибегая к понятию частиц с отрицательной энергией, которые не наблюдаются непосредственно в природе? По-видимому, для фермионов эта трудность остается. Однако для бозонов можно моделировать вакуум, используя известные представления, заимствованные из квантовой физики макроскопических тел. [18]18
  В дальнейшем изложении модели вакуума мы следуем ст.: Киржниц Д.А., Линде А.Д. Фазовые превращения в физике элементарных частиц и космологии // Наука и человечество. М.: Знание, 1982, С.165.


[Закрыть]

Бозоны, находясь в основном состоянии, обладают следующим уникальным свойством. С увеличением числа даже электронейтральных частиц и в пренебрежении гравитационными силами увеличивается их взаимное притяжение. Иначе говоря, совокупность таких бозонов стремится увеличить свою концентрацию. Это свойство обусловлено квантовомеханическими особенностями бозонов, а сам ансамбль таких частиц называется бозе-конденсатом.

Подобные системы нередко реализуются в макроскопической физике. Например, сверхпроводимость при низких температурах обусловлена свойствами бозе-конденсата. В бозе-конденсате увеличение концентрации частиц в основном состоянии определяется не увеличением сил притяжения, а уменьшением эффективного давления в системе. Давление уменьшается, следовательно, уменьшается препятствие к увеличению концентрации. Такая парадоксальная ситуация приводит иногда к весьма непривычному уравнению состояния

p = – ε. (63)

Обычно в уравнениях состояния, связывающих давление p и плотность энергии вещества ε, обе величины имеют одинаковый знак. Отметим, что полная плотность энергии материи остается неизменной, если выполняется уравнение состояния (63).

Эти свойства вакуума (постоянная плотность и справедливость уравнения (63)) в рамках ОТО аналогичны описываемым взятом с соответствующим знаком LAMDA-членом в уравнении Эйнштейна.

Далее возникает вопрос, существуют ли частицы, которые четко реализуют основные свойства бозе-конденсата, и в частности уравнение состояния (63). Оказывается, что гипотетические частицы Хиггса, являющиеся неотъемлемым элементом объединенной теории электрослабого взаимодействия, хорошо моделируют описанные свойства бозе-конденсата.

Спин частиц Хиггса равен нулю, и именно они обеспечивают наличие массы у переносчиков слабого

+ 0 взаимодействия: W|-, Z|-бозонов. Частицы Хиггса пока не были обнаружены на ускорителях из-за их большой массы и (или) слабости взаимодействия с другими частицами. Отметим, что в отличие от частиц с отрицательной энергией нет никаких принципиальных трудностей в наблюдениях частиц Хиггса. Полагают, что их массы превышают 100 ГэВ и поэтому на современных ускорителях их нельзя воспроизвести. На рис. 7 (кривая 1) представлена типичная зависимость потенциала взаимодействия хиггсовских частиц V(FFI) от значения описывающего их поля. На этой кривой легко заметить два минимума: один соответствует значению поля FI=0, второй соответствует значению FI=FI |≠0. Важно отметить, что

0 V(0)>V(FI |). Следовательно, в принципе система из состояния

0 FI=0 может спонтанно «скатиться» в состояние FI=FI |,

0 обратный же процесс без внешнего воздействия невозможен. Значение FI=FI | соответствует абсолютно устойчивому

0 состоянию вакуума скалярных частиц Хиггса.

≡=РИС. 7

Д.А.Киржниц и А.Д.Линде показали, что зависимость V(FI) существенно зависит от температуры конденсата T|. При Т>T|

c c минимум при FI=FI | исчезает (кривая 2) и остается один

0 минимум – при FI=0. Кривая V(FI) становится симметричной относительно прямой FI=0, перпендикулярной оси абсцисс. На кривой 1, соответствующей T – > 0, такая симметрия отсутствует. По современным воззрениям, возникновение асимметрии скалярного вакуума приводит к появление массы у частиц.

Любопытная ситуация возникает при изменении (например, уменьшении) температуры T. При высоких температурах реализуется симметричная зависимость 2; по мере уменьшения температуры при некотором критическом значении T=T|

c появляется второй минимум, соответствующий кривой 1. Симметрия системы (вакуума) изменилась, т. е. в ней произошел фазовый переход.

Любопытная ситуация возникает при изменении (например, уменьшении) температуры T. При высоких температурах реализуется симметричная зависимость 2.; по мере уменьшения температуры при некотором критическом значении T=T| появляется второй минимум, соответствующий кривой 1. Симметрия системы (вакуума) изменилась, т. е. в ней произошел фазовый переход.

В заключение нужно отметить, что ситуация с пониманием физического вакуума далека от завершения. Введенная Дираком бесконечность энергии вакуума полностью не устранена до сих пор. Большие надежды возлагают на так называемые суперсимметричные теории. в которых энергии бозонных и фермионных вакуумов взаимно компенсируют друг друга так, что суммарная энергия вакуума обращается в нуль. Однако эта весьма красивая и привлекательная идея наталкивается на одну трудность. В наблюдаемом нами мире симметрия между фермионами и бозонами отсутствует. Не обнаружено ни малейшего соответствия между наблюдаемыми совокупностями бозонов и фермионов. Обычно говорят о нарушении суперсимметрии при очень больших энергиях. К сожалению, в настоящее время отсутствует убедительный критерий, определяющий масштаб нарушения суперсимметрии.

6. РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

И РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ

ФРИДМАНОВСКОЙ КОСМОЛОГИИ

Существование новой формы материи – вакуума открывает широкие возможности для анализа начальных стадий эволюции Метагалактики. Основная идея базируется на реализации в природе космологического решения де Ситтера (62), которое ранее отвергалось из-за характерного для него уравнения состояния (63). Это уравнение состояния не встречается в привычных формах материи (вещество, излучение), но свойственно физическому вакууму.

Решение (62) обладает несколькими особенностями: 1) оно несингулярно: при любом t (кроме t = – ∞) масштабный фактор не обращается в нуль; 2) масштабный фактор возрастает со временем очень быстро; 3) из-за необычного уравнения состояния (63) экспоненциальное расширение неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго. Полезно отметить, что быстрое расширение и уравнение состояния (63) взаимосвязаны. Соотношение (63) означает существование отрицательного давления, т. е. сил, способствующих разбеганию частей системы, в данном случае частей Вселенной. Через сравнительно малый промежуток времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме происходит перестройка – фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и кинетическую энергию расширения Метагалактики (или, точнее, метагалактик).

Все эти особенности деситтеровского решения, видимо, послужили причиной несколько неожиданных поворотов в истории космологии. На ее заре решение де Ситтера казалось весьма привлекательным вследствие его совершенной симметрии. В данной модели объем, занимаемый «Вселенной», изотропен в четырехмерном пространстве Минковского в отличие от фридмановской модели, в которой изотропия проявляется в трехмерном пространстве. Однако необычное уравнение состояния (63) резко ограничило пределы применимости этой модели. Ее обычно применяли к нереалистическому случаю: p = ε = 0, т. е. к пустому пространству.

Далее, к концу 40-х годов английские астрофизики Х.Бонди и Ф.Хойл выдвинули гипотезу о существовании стационарной Метагалактики, в которой постоянно рождается вещество из «ничего», так что ρ = const (t), и выполняется уравнение состояния (63) при p ≠ 0; ε ≠ 0. Однако экспериментальные данные об эволюции звездных объектов и, главное, отсутствие заметного числа античастиц в космическом пространстве (рождающееся вещество должно быть электронейтральным) противоречили теории стационарной Метагалактики, которая постепенно потеряла конкурентоспособность с фридмановской моделью.

Очередная переоценка деситтеровской модели была обусловлена прогрессом в понимании физического вакуума и объединения взаимодействий. Зависимость потенциала V(FI), представленная на рис. 7, существенно расширила возможности для интерпретации начальных стадий эволюции Метагалактики (Вселенной) на основе модели де Ситтера. Но теперь эта теория не была альтернативной к модели Фридмана, а дополняла ее. Произошел синтез обоих моделей. Успешное развитие этих представлений определилось большим коллективом ученых (А.Гус (США), А.Д.Линде (СССР), А.А.Старобинский (СССР) и многие другие видные физики).

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]19
  Подробно труднодоступная работа Эренфеста излагается в кн.: Горелик Г.Е. Почему пространство трехмерно. М.:Наука, 1982


[Закрыть]

Первая идея заключается в доказательстве отсутствия некоторых основных устойчивых связанных состояний при изменении численного значения фундаментальных постоянных.

Вторая – в утверждении: чтобы понять, почему мир устроен так, а не иначе, необходимо варьировать, изменять фундаментальные постоянные.

Заметим, что в работе Эренфеста эти утверждения не содержатся в таком явном виде, однако использованный им метод неявно опирается на обе идеи.

Подчеркнем исключительную нетривиальность этих идей не только для времени написания этой работы (1917 г.), но даже и для современной эпохи. Физики привыкли к тому, что фундаментальные постоянные в лабораторной физике имеют фиксированные значения, которые в многочисленных таблицах представлены с колоссальной точностью. Поэтому даже мысленные манипуляции с фундаментальными постоянными, к которым в первую очередь следует отнести размерность N, вызывают, как правило, в лучшем случае сомнение, а в худшем – отрицание. Однако автор надеется, что последующая часть его книги поможет убедиться в правомерности подхода Эренфеста.

Перейдем далее к изложению его идей.

Рассмотрим устойчивость системы, связанной в N-мерном евклидовом пространстве дальнодействующими силами и состоящей из двух тел. Для простоты буем полагать, что одно тело неподвижно, а движется лишь второе. Это означает, что константы взаимодействия первого тела (например, масса) существенно превышают константы взаимодействия второго и первое тело можно полагать неподвижным. В таком случае полная потенциальная энергия U| системы в N-мерном

N пространстве определяется выражением

– C M**2 U| = – + –. (64) N r**(N-2) 2 * m * r**2

В этом соотношении C – константа взаимодействия, r расстояние между двумя телами, член C/r**(N-2) потенциальная энергия, соответствующая статическому взаимодействию. Этот член – обобщение законов Кулона и Ньютона для евклидового пространства с произвольной целочисленной размерностью (см. связь этих законов с евклидовой геометрией в разд.3 гл.2), M – момент количества движения, m – масса движущегося тела, член M**2 / 2mr**2 центробежная энергия системы.

Из теории устойчивости следует, что система может находиться в устойчивом состоянии, если энергия U| имеет

N минимум при r ≠ 0 или r ≠ ∞.

Мы приведем окончательные результаты исследования выражения (64) на экстремум при различных значениях N. Оказывается, что:

при N > 4 минимум существует лишь при r=0, это соответствует падению легкого тела на тяжелое;

при N = 4 минимум отсутствует;

при N = 2, 3 возможны минимумы при конечном значении r;

при N = 1 система абсолютно устойчива, т. е. всегда связана (эта особенность отражает отмеченный ранее факт (см. разд.10 гл.2), что невылетание кварков эффективно определяется одномерной геометрией).

Таким образом, устойчивые связанные состояния, определяемые дальнодействующими силами, могут существовать лишь в пространствах с размерностью N ≤ 3.

Эренфест доказал это положение в рамках классической динамики и боровской модели атома. В дальнейшем (Ф.Тангерлини, Л.Э.Гуревич, В.М.Мостепаненко) аналогичное доказательство было проведено в рамках квантовой механики.

Таким образом, в многомерных евклидовых пространствах (N ≥ 4) не могут существовать аналоги атомов или планет.

Далее мы приведем аргументы, поясняющие причины того, что пространство Метагалактики имеет размерность N ≠ 1, 2. Здесь же мы подчеркнем важный вывод из анализа Эренфеста. В многомерных евклидовых пространствах невозможно существование устойчивых связанных состояний, обусловленных дальнодействующими силами. Необходимо отметить, что доказанный факт, изолированный от физической науки как целого, может рассматриваться скорее как курьез. Единичный факт, происхождение которого непонятно и может быть отнесено к компетенции счастливого случая, едва ли может служить убедительной основой для понимания столько глубокой характеристики, как размерность N. Вероятно, поэтому работа Эренфеста была прочно забыта, и о ней вспомнили совсем недавно в связи с развитием космологии и физики элементарных частиц, развитием, воплощенным в принцип целесообразности и антропный принцип, о которых речь пойдет далее. В рамках прогресса физики и космологии последних десятилетий можно оценить по достоинству идеи Эренфеста. Далее мы остановимся на принципе целесообразности, который является развитием основных идей Эренфеста.

Принцип целесообразности – это констатация факта, что существование основных устойчивых состояний обусловлено всей совокупностью физических закономерностей, включая размерность пространства и другие численные значения фундаментальных постоянных. Для существования основных устойчивых состояний физические закономерности не только достаточны, но и необходимы. Наш мир устроен очень хрупко, небольшое изменение его законов разрушает его элементы основные связанные устойчивые состояния, к которым можно отнести ядра атомов, атомы, звезды и галактики.