Горизонты научного поиска

"Принципы квантовой Вселенной"

В издательстве LAP Lambert Academic Publishing (Германия) выходит из печати книга В.Н.Первушина (ЛТФ ОИЯИ) и А.Е.Павлова (МГАУ, Москва), посвященная актуальным проблемам современной физики. В ближайшие дни книга появится в НТБ ОИЯИ, а мы с помощью профессора Виктора Николаевича Первушина знакомим читателей с фрагментами нового издания.

Основная цель авторов, говорится в аннотации к книге, - привлечь внимание читателей к интересной и интригующей задаче описания современных экспериментальных и наблюдательных данных в рамках идей и методов, разработанных еще до 1973-1974 гг. основателями современной релятивистской классической и квантовой физики. Отличие нашего подхода от стандартных подходов в том, что всюду, от горизонта Вселенной до кварков, мы будем использовать на классическом уровне масштабно-инвариантные версии современных теорий, с безразмерными константами связи, нарушая эту масштабную инвариантность только на квантовом уровне нормальным упорядочиванием произведений полевых операторов. Метод классификации новых данных, полученных за последние пятнадцать лет в космологии и физике, существенно использует квантовые теории и представления. Отсюда происходит и название нашей книги: "Принципы квантовой Вселенной". Классификация представлена на основе принципов конформной и аффинной симметрий и постулата существования вакуума по аналогии с классификацией элементарных частиц по неприводимым представлениям группы Пуанкаре.

* * *

В далеком будущем потомки наверняка определят наше время как эпоху великих астрофизических открытий, сравнимую по своему значению с эпохой великих географических открытий в конце пятнадцатого и начале шестнадцатого веков. На неведомых просторах Вселенной ученые обнаружили следы невиданных доселе физических объектов: нейтронных звезд, квазаров, пульсаров, почти однородного реликтового излучения с температурой около трех кельвин, заполняющего всю видимую Вселенную, и многое другое. Наблюдатели астрофизики обнаружили красное смещение спектральных линий атомов, испускающих фотоны на далеких космических объектах, подчиняющееся закону Хаббла, - чем дальше объект, тем больше красное смещение. Современные исследователи, как когда-то отважные мореплаватели прошлых веков, осознали, что они уже могут достигнуть пределов видимой Вселенной, то есть тех расстояний, которые пролетает луч света за время жизни Вселенной. Астрофизики уже видят космические объекты, удаленные от нас на расстояния порядка размера Вселенной, и тем самым могут определить зависимость больших значений красного смещения от расстояний, сравнимых с размером видимой части Вселенной. Новые данные для больших значений красного смещения свидетельствуют о том, что наша Вселенная заполнена в основном не массивной пылью далеких и потому невидимых галактик, а загадочным веществом совершенно другой природы, с другим уравнением состояния, названным темной энергией. Результаты измерения распределения химических элементов во Вселенной свидетельствуют о преобладании фотонов в эпоху первичного синтеза химических элементов и о ничтожно малом вкладе видимой барионной материи (около трех процентов) в космическую эволюцию. С другой стороны, скорости вращения звезд в спиральных галактиках и скорости вращения галактик во всех гигантских сверхскоплениях согласно механике Ньютона свидетельствуют, что, кроме барионной материи, из которой мы состоим, в галактиках присутствует темная материя, масса которой в десять раз больше массы видимой барионной материи.

В результате этих последних открытий перед Стандартной космологией наиболее остро встали следующие вопросы мироздания:

1. Как возникла наша Вселенная?
2. Что было во Вселенной до ее появления?
3. Из чего состоит Вселенная?
4. Какова природа темной энергии и темной материи?
5. Почему вспыхнуло реликтовое излучение в ранней Вселенной?
6. Как образовалась материя?
7. Как объяснить барионную асимметрию Вселенной, при которой на один барион приходится миллиард фотонов?
8. Можно ли построить физическую теорию, которая не только бы ответила на все эти вопросы, но смогла бы предсказать эволюцию материи во Вселенной, подобно тому как небесная механика Ньютона оказалась способной не только объяснить его современникам актуальные в то время проблемы мироздания, но и рассчитать движение планет и предсказать новые планеты, действительно обнаруженные позднее?

Современные физики должны ответить на эти вопросы и объяснить их, исходя из первых принципов. Согласно Вигнеру, существует три уровня "объяснения":

1. Новые эмпирические явления и механизмы, типа механизма инфляции.
2. Новые законы динамики.
3. Новые дополнительные принципы симметрии теорий гравитации и элементарных частиц.

Напомним, что в Стандартной космологии для объяснения данных по Сверхновым служит механизм инфляционного расширения Вселенной, именно тот, который был предложен и развит современными физиками для решения проблем Стандартной космологии. Однако первичная плотность энергии инфляции во Вселенной отличается от современной плотности энергии инфляции в 1057 раз. Это колоссальное отличие пока не нашло убедительного объяснения на втором уровне в рамках динамической модели инфляции с одним скалярным полем (инфлантоном). С другой стороны, механизм первичной инфляции абсолютизирует текущие значения константы Ньютона и параметра Хаббла, измеряемых современными наблюдателями, точно так же как система Птолемея абсолютизирует положение и скорость Земного наблюдателя в небесной механике...

Чтобы ответить на эти вопросы и объяснить данные по Сверхновым, авторы книги предпочли третий уровень, выбрав, следуя В.И.Огиевецкому (1973), в качестве "новых" принципов симметрии группу аффинных и конформных преобразований и соответствующий конформный вариационный принцип Дирака (1973).