Инфляция предлагает объяснительные рамки для проблем , которые кажутся несопо - ставимыми — проблема горизонта Вселенной , проблема плоскостности , проблема проис - хождения структур ( галактики , неоднородности температуры фонового излучения ), про - блема низкой энтропии ранней Вселенной — для всех этих проблем инфляция дает единое решение .
Но для этого нужна теория , которая может справиться с экстремальными услови - ями в ранние моменты космоса .
Такой теорией может быть теория , способная преодолеть величайшую проблему теоретической физики — фундаментальную несовместимость об - щей теории относительности и квантовой механики .
Такой теорией является теория супер - струн , которая привлекает наибольшее внимание физиков в решение этих проблем .
Теория струн
Единая теория — это главный вопрос , который стоял перед Эйнштейном до конца его жизни [6].
В этой работе Эйнштейн оставался в одиночестве .
Однако за последние три десятилетия произошли радикальные изменения в поисках единой теории .
Главная цель современной задачи унификации заключается в объединении общей теории относи - тельности и квантовой механики .
Понятие пустого пространства , как пространства , которое ничего не содержит , не - совместимо с квантовым принципом неопределенности .
Реальность колебаний квантового поля даже в пустом пространстве была показа - на экспериментально .
Понятие абсолютного пространства - времени , экспериментальные результаты , доказывающие нелокальность квантовой механики , ускоренное расширение Вселенной — эти результаты диктуют постановку конкретных вопросов о природе про - странства и времени .
Квантовые флуктуации существуют как для полей внутри пространства , так и для самого пространства , ибо форма пространства и гравитационное поле — это одно и то же .
На привычных масштабах квантовые возмущения пространства не наблюдаемы , но на масштабах порядка планковской длины пространство бурлит бешеными флуктуация - ми .
На масштабах меньше планковской длины и планковского времени обычные понятия пространства и времени оказываются неприменимыми .
Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 145 2012/1/Химия Изменение формы пространства и времени общей теории относительности Эйн - штейна сталкивается с принципом неопределенности квантовой механики , который определяет квантовые флуктуации гравитационного поля .
На мельчайших масштабах пространство и время превращаются в среду буйных флуктуаций .
Общая теория относительности применима для больших и массивных объектов , квантовая механика — для мелких и легких , но для единой схемы они несовместимы .
Такое разделение Вселенной на две обособленные реальности представляется проти - воестественным .
Должна существовать единая теория , которая применимако всему .
Действительно , большинство объектов можно делить на большие и маленькие , первые могут быть описаны с помощью общей теории относительности , вторые — с помощью квантовой механики .
Но есть объекты , для которых необходимы оба подхода — это черные дыры .
Для них необходима общая теория относительности , так как большая масса создает мощное гравитационное поле , но , в то же время , надо использовать квантовую механику , так как вся масса втиснута в микроскопический размер .
Подобная проблема тесно свя - зана с решением вопроса о происхождении Вселенной .
Ранняя Вселенная — это гигант - ская плотность при крохотных размерах .
Чтобы понять истоки Вселенной , необходимо преодолеть конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой .
Поскольку Вселенная у нас одна , то и для решения вопроса о происхождении Все - ленной должна быть создана единая теория .
По мнению многих физиков , именно теория суперструн имеет основания для успешного объединения общей теории относительно - сти и квантовой механики и создания квантовой теории гравитации .
Кроме того , теория суперструн может оказаться полностью унифицированной теорией всех сил и всей мате - рии , а именно единой теорией , которая приведет нас к самым глубоким законам Вселен - ной .
Теория струн была создана при изучении сильного ядерного взаимодействия .
Для рассмотрения этого взаимодействия были предложены маленькие эластичные нити , их назвали струнами .
Из квантово - механических уравнений теории струн следовало , что при высокоэнергетических столкновениях в ускорителях должны в изобилии рождать - ся частицы с нулевой массой и спином 2.
Ранее эти частицы не наблюдались .
Однако в дальнейших работах по объединению общей теории относительности и квантовой ме - ханики было получено , что гравитационные силы должны переноситься частицами по - добно электромагнитным силам , которые переносятся фотонами .
Теоретический анализ убедительно показал , что гравитационные силы должны переноситься частицами с ну - левой массой и спином 2, а это — гравитон , который был получен в теории струн .
Было показано , что теория струн с необходимостью включает квантово - механическое описа - ние гравитации .
Кроме того , в теории струн была решена проблема аномалий , это дости - жение доказало математическую состоятельность теории и ее квантово - механическую жизнеспособность .
Теория струн показала возможность успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики .
Для создания унифицированной теории стояла задача — дать еди - ное описание всей материи и всех взаимодействий .
Обычная теория , использовавшаяся в современных экспериментах , рассматривала элементарные частицы как точки без про - странственной протяженности , как конец процедуры деления .
Вместо модели точечно - подобной частицы теория струн предлагает представление каждой частицы в виде крохотной вибрирующей нити энергии .
Эти нити не имеют тол - щины , только длину , т . е . струны являются одномерными сущностями .
Все многообразие элементарных частиц в теории струн заменяет один фундаментальный ингредиент — струна .
А все богатство разновидностей частиц представляют различные типы колебания этой струны .
Так же , как виолончельная струна может колебаться множеством различ - Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 146 2012/1/Химияных способов , так и струны в теории струн могут вибрировать различными способами .
Разным модам колебаний струны соответствуют разные частицы .
Так , было установлено , что один вид колебаний струны обладает свойствами , характерными для гравитона .
По - мимо успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики , теория струн дает возможность единого описания для всей материи и всех взаимодействий .
Главное новое свойство теории струн в том , что ее основной ингредиент — не точечная частица , а объект , который имеет пространственную протяженность .
Это свойство имеетклю - чевое значение для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики .
Ненулевой размер гравитонов устанавливает предел на уровне планковской длины (10 - 33 см ) с точностью , до которого может быть разрешено гравитационное поле .
В любой теории , основанной на точечных частицах нулевого размера , квантовая неопределенность дает дикие флуктуации , которые исключают гладкое пространство об - щей теории относительности Эйнштейна .
Однако теория , основанная на струнах , вклю - чает встроенную защиту от отказов , ибо струны являются самыми мелкими составными частями .
Таким образом , теория струн ограничивает величину флуктуаций гравитаци - онного поля , этот предел дает основание , чтобы избежать конфликта между квантовой механикой и общей теорией относительности .
Еще до теории струн физики высказывались за существование симметрии между частицами с целым и с полуцелым спином .
Эта симметрия была названа суперсимметри - ей , однако в стандартной теории , основанной на точечной модели частиц , суперсимме - трия не получила доказательства .
В теории струн было показано , что способы вибрации возникают парами .
Для каж - дого способа колебаний со спином ½ имеется ассоциированный способ колебаний со спином 0, а для каждого способа колебаний со спином 1 имеется ассоциированный спо - соб колебаний со спином ½ и т . д .
Теория струн доказала , что она является суперсимметричной теорией струн , или теорией суперструн .
Именно с этим связан результат взаимного уничтожения аномалий , который был получен позднее .
Кроме того , теория струн начала доказывать свою жиз - неспособность путем установления , что ее моды колебаний объясняют существование частиц стандартной модели .
Число различных способов колебаний струны практически бесконечно .
Однако число известных частиц в таблицах вполне конечно .
Причем массы частиц , полученные экспериментально , не похожи на массы допустимых мод колебаний струны .
Это глубо - кое несоответствие между теорией струн и реальным миром представляет серьезную проблему , которая ставит под сомнение теорию струн .
Однако в теории струн получен результат , который ставит проблему еще большей важности , но вместе с тем и определяет стратегию для объяснения свойств наблюдаемых частиц .
Было установлено , что уравнения теории струн математически состоятельны , только если Вселенная имеет девять пространственных измерений .
Теория струн требу - ет существования шести измерений , которых никто никогда не видел .
Это представляет серьезную проблему .
Но теоретические открытия по созданию единой теории показали , что дополнительные измерения вовсе не обязаны быть проблемой .
И дальнейшие работы физиков показали , что дополнительные измерения позволяют преодолеть пропасть меж - ду модами колебаний струн и элементарными частицами , открытыми экспериментально .