Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: The Start of the Universe with String Theory

Начало Вселенной согласно теории струн

Согласно теории большого взрыва, если вы экстраполируете расширение вселенной назад во времени, то вся известная вселенная была бы сжата в сингулярную точку невероятно огромной плотности.

Однако это ничего не говорит о том, существовало ли что-либо в момент предшествующий этой точки.

На самом деле, в теории большого взрыва — сформулированный во вселенной квантовой физики и теории относительности — законы физики приводят к бессмысленным бесконечностям в этот момент.

Теория струн может предложить некоторые ответы на то, что было до и что было причиной большого взрыва.

Что было до большого взрыва?

Теория струн делает предложение, что мы "застряли" на бране с тремя пространственными измерениями.

Эти сценарии мира бран, например такие как модели Рэндал-Сандрум, делают предположение, что до большого взрыва что-то уже было тут: скопления струн и бран.

Поиск вечной вселенной

Ученые были на самом деле очень расстроены появлением теории большого взрыва, потому что они полагали, что вселенная вечная, что значило, что вселенная не имела начальной точки (и, в среднем, не изменялась во времени).

Эйнштейн тоже так думал, хотя он отказался от этого, когда доказательства показали обратное.

Фрэд Хойл посвятил большую часть своей карьеры пытаясь доказать, что вселенная вечна.

Сегодня, некоторые физики продолжают искать способы объяснить, скорее наоборот, что существовало до большого взрыва.

Некоторые космологи говорят, что вопрос о том, что случилось во время или до большого взрыва по своему существу ненаучен, потому что в настоящее время наука не имеет возможности для расширения своих физических теорий минуя сингулярность в начале нашей вселенской шкалы времени.

Другие обращают внимания на то, что раз мы никогда не задаем вопросов, мы никогда не найдем способов ответа на них.

Хотя теория струн все еще не готова ответить на такие вопросы, это не остановило космологов начать задавать вопросы и предлагать возможные варианты.

В этих вариантах, которые конечно же неясные, вселенная в предсостоянии большого взрыва (которые похоже не ограничен только тремя пространственными измерениями) это смесь из p-бран, струн, анти-струн и анти-p-бран.

Во многих случаях, эти объекты все еще "там" где-то по ту сторону нашей собственной 3-браны, возможно даже влияющие на нашу собственную вселенную (как в случае моделей Рэндал-Сандрума).

Она из этих моделей была моделью пред большого взрыва и была представлена Габриэлем Венециано — это тот же физик, который придумал в 1968 дуальную резонансную модель, которая и зажгла теорию струн.

В этой модели, наша вселенная это черная дыра в более огромной вселенной струн и пустого пространства.

Предшествующий текущей фазе расширения, был период сжатия.

Хотя, возможно, это не совсем правильно, согласно сегодняшним основным моделям, эта работа Венециано (и похожие идеи других) имеет воздействие на большую часть сегодняшней работы по космологии суперструн, потому что она изображает нашу известную вселенную просто как подмножество вселенной, с многочисленным "там" за пределами наших знаний.

Старомодная модель циклической вселенной

Идея, которая была популярна в 1930х, это идея циклической вселенной, где плотность материи была достаточно высокой, чтобы гравитация преодолела расширение вселенной.

Преимущество этой модели было в том, что она оставляла место для большого взрыва, но вселенная все еще могла быть вечной.

В циклической модели, вселенная бы расширялась до тех пор, пока гравитация не начала бы тянуть все назад, что привело бы к "большому сжатию", где вся материя возвращается к первичному "суператому" — и затем цикл расширения все бы начал заново.

Проблема в том, что второй закон термодинамики велит, чтобы энтропия, или разупорядоченность, во вселенной возрастала с каждым циклом.

Если вселенная прошла через бесконечное число циклов, значение разупорядоченности во вселенной было бы бесконечным — каждый бит вселенной был бы в тепловом равновесии с каждым другим битов вселенной.

Во вселенной, где каждая область имеет совершенно одинаковую структуру, ни одна область не имеет больший порядок, чем какая-либо другая, так что все области имеют максимальное значение разупорядоченности, которое возможно.

(Если вселенная прошла через конечное число циклов, ученые все равно столкнулись с проблемой того, как все началось; они просто отодвинули проблему назад на несколько циклов.

Это своего рода принесло поражение всей цели модели, так что модель предполагала бесконечное число циклов.)

Теория струн, однако, могла бы просто иметь способ восстановить циклическую модель в новой форме.

Что взорвалось?

Теория большого взрыва не предлагает какого-либо объяснения тому, что было причиной начального расширения вселенной.

Это главный теоретический вопрос для космологов, и многие применяют понятия теории струн в попытках ответить на него.

Одной из противоречивых гипотез является модель циклической вселенной, что названа как экпиротическая теория вселенной, которая предполагает, что наша собственная вселенная это результат столкновения бран друг с другом.

Соударение струн

Задолго до введения М-теории или сценариев мира бран, была гипотеза теории струн о том, почему вселенная имела то количество измерений, которые мы видим: компактное пространство девяти симметричный пространственных измерений начали расширение в трех из этих измерений.

Согласно этому анализу, вселенная, с тремя пространственными измерениями (как наша), скорее всего, это вселенная с пространственно-временной геометрией.

Согласно этой идеи, первоначально предложенной в 1980х Робертом Брэнденберджером и Кумруном Вафой, вселенная началась с плотного мотка струны всех измерений симметрично запертого в Планковскую длину.

Струны, по сути, ограничивали измерения до этого размера.

Брэнденберджер и Вафа утверждали, что в трех или меньше измерениях, это было бы похоже на то, как струны столкнулись с антиструнами.

(Антиструна это в общем то струна, которая закручивается по направлению противоположному струне.)

Столкновение аннигилирует струну, которая, в свою очередь, высвобождает измерения, которые были заперты.

Они соответственно начинают расширение, как в инфляционной теории и теории большого взрыва.

Вместо того, чтобы думать о струнах и антиструнах, представьте себе комнату, которая имеет связку канатов, прикрепленных к случайным точкам на стенах.

Представьте, что комната желает расширится за счет стен, пола и потолка, которые пытаются двигаться прочь друг от друга — но они не могут из-за канатов.

Теперь представьте, что канаты могут двигаться, и каждый раз когда они пересекаются, они могут воссоединится.

Представьте два натянутых каната, которые растянуты от пола до потолка, которые пересекаются и образуют высокую и тонкую X.

Они могут воссоединится и стать двумя свободными канатами — один прикрепленный к полу, а другой — к потолку.

Если бы было только два каната протянутых от пола до потолка, то после их взаимодействия, пол и потолок были бы вольны двигаться врознь друг от друга.

По сценарию Брэнденберджера и Вафа, это измерение (верх-низ), так же как и два других, вольны для того, чтобы стать больше.

Последним шагом является то, что в четырех или более пространственных измерениях, перемещение струн, как правило, никогда не соприкоснется.

(Подумайте о том, как точки, движущиеся в двух пространственных измерениях, вероятно никогда не соприкоснутся, и это обоснование распространяется на большее высокие измерения.)

Так что этот механизм работает только для свободных трех пространственных измерений от своих канатов.

Другими словами, та геометрия теории струн предполагает, что этот сценарий привел к тому, что мы наблюдаем меньше четырех пространственных измерений — менее вероятно, что четыре или более измерений испытывают столкновения струн/антиструн, что необходимо, чтобы "высвободить" их из строго ограниченной конфигурации.

Более высокие измерения продолжают быть связанными струнами на Планковской длине и поэтому невидимые.

С включение бран, этак картина становится более сложной и труднее для объяснения.

Исследование этого подхода в последние годы не было обнадеживающим.

Появляются многие проблемы, когда ученые пытаются внедрить эту идею более тщательно в математику теории струн.

Все же, это одно из нескольких объяснений того, почему четыре измерения, которые имеют какой либо смысл, так что струнные теоретики не полностью забросили эту версию, как возможную причину для большого взрыва.

Браны, как источник энергии в циклической модели 21го века: Экпиротическая вселенная

По сценарию экпиротической вселенной, наша вселенная создана из столкновения бран.

Материя и радиация нашей вселенной появляется из кинетической энергии, созданной столкновением этих двух бран.

Сценарий экпиротической вселенной был предложен в 2001 году Полом Стейнхардтом из Принстонского университета, Бертом Оврутом из университета Пенсильвании и Нилом Тьюроком, раньше работающего в Кэмбриджском университете, а сейчас директор института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Онтарио, вместе со своим студентом Джастином Коури.

Теория основывается на идеях, что некоторые сценарии мира бран М-теории указывают на то, что дополнительные измерения теории струн могут простираться, возможно, даже до бесконечного размера.

Они также, вероятно, не расширяющиеся (или по крайне струнные теоретики не имеют причин так думать) таким же образом, как наши собственные три пространственные измерения.

Когда вы проигрываете видео вселенной назад во времени, эти измерения не сжимаются.

Теперь представьте, что в этих измерениях у вас есть две бесконечные 3-браны.

Некий механизм (такой как гравитация) тянет браны вместе через бесконечные дополнительные измерения, и они сталкиваются друг с другом.

Высвобожденная энергия порождает материю для нашей вселенной и отталкивает две браны врознь.

В конечном счете, энергия из столкновения рассеивается и браны стягиваются назад опять, чтобы столкнутся снова.

Экпиротическая модель разделена на разные эпохи (периоды времени), основанные на том, какое воздействие доминировало:

• Большой взрыв

• Эпоха доминирования радиации

• Эпоха доминирования материи

• Эпоха доминирования темной энергии

• Эпоха сжатия

• Большое сжатие

История, вплоть до эпохи сжатия, по существу, идентичная той, что предполагается обычной космологией большого взрыва.

Радиация, которая порождается столкновением бран (большой взрыв) означает, что эпоха доминирования радиации довольно единообразна (безопасно для квантовой флуктуации), так что инфляция может быть ненужной.

После около 75000 лет, вселенная становится супом из частиц во время эпохи доминирования материи.

Сегодня и в течении многих лет, мы в эпохе доминирования темной энергии, до тех пор, пока темная энергия не иссякнет и вселенная начнет стягиваться снова.

Потому что теория использует столкновение двух бран, некоторые назвали это теорией "большого шлепка" или теорией "крушения бран", что определенно проще произнести чем экпиротический.

Слово "экпиротический" происходит из греческого слова "ekpyrosis", что было древнегреческим убеждением, что мир был рожден из огня.

(Берт Оврут, как сообщают, думал что это звучало как болезнь кожи.)

Некоторые считают, что модель экпиротической вселенной имеет много плюсов — она решает проблемы горизонта и плоскостности, наподобие как это делает инфляционная теория, а также предоставляет объяснение тому, почему вселенная началась с самого начала — но авторы все еще далеко от доказательств этого.

Стивен Хокинг имел пари с Нилом Тьюуроком, что результаты со спутника Планка Европейского Космического Агентства подтвердит инфляционную модель и исключит экпиротическую модель, но Хокинг, как известно, должен оплатить подобные пари в прошлом (как вы можете прочитать об этом позже в этой главе в разделе "Теория струн и информационный парадокс черной дыры").

Одним из преимуществ является то, что эта модель позволяет избежать проблему предыдущих циклических моделей, потому что каждая вселенная в цикле больше, чем вселенная до нее.

Потому что объем вселенной увеличивается, суммарная энтропия вселенной в каждом цикле увеличивается без возможности достичь состояния максимальной энтропии.

Существует, очевидно, гораздо больше деталей экпиротической модели, чем я включил тут.

Если вы заинтересованы в этой увлекательной теории, я настоятельно рекомендую популярную книгу Пола Джозефа

Стейнхардта и Нила Тьюрока — Бесконечная Вселенная: по ту сторону Большого Взрыва.

В добавок к ясному и не техническому обсуждению сложных научный понятий, их описание предлагает беглое знакомство с царством теоретической космологии, что определенно заслуживает прочтения.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145429

Переводчики: Swarlz