Модель Большого взрыва

Японские физики создали основанную на теории струн модель рождения Вселенной. В их модели Большой взрыв – это явление, нарушающее симметрию мира. Большой взрыв рассматривается как флуктуация, приведшая в выделению трех измерений из шести измерений теории струн. После этого три выделившихся измерения быстро развернулись, создав наше трехмерное пространство.
Теория струн, первый кандидат на место «теории всего», объединяет квантовых механику и общую теорию относительности – теории малых и больших структур. Элементарные частицы при этом воспринимаются не как точки, а как колеблющиеся струны. Математическое построение теории струн требует существования десяти измерений, девяти пространственных и одного временного. Но наша Вселенная имеет всего три пространственных измерения, остальные шесть измерений выделяются в пространства Калаби-Яу размером в 10^-33 см, поэтому их невозможно заметить.
Как и многие вопросы, связанные с основами теории струн, не существует понятного физического эксперимента, который показал бы существование этих пространств и подтвердил, что Вселенная действительно девятимерна. Кроме того, если это действительно так, то не существует объяснения огромной разнице масштабов трех известных нам измерений и шести неизвестных. Однако теория струн активно разрабатывается и считается хорошей попыткой объяснить строение Вселенной, так как наблюдаемые нами процессы хорошо объясняются с ее помощью, начиная от электромагнитных полей и гравитации и кончая термодинамикой черных дыр.
У модели Большого взрыва три автора: Сан-Ву Ким из Университета Осаки, Юн Нишимура из Организации по исследованию высокоэнергетических ускорителей и Асато Цучиа из Университета Сидзуоки. Эта модель показывает, что теория струн может удовлетворительно объяснить происхождение Вселенной и ее трехмерную видимую структуру. «Мы сумели увидеть, как в какой-то момент три измерения начали расширятся», – резюмирует работу Нишимура.
Японские физики использовали особый математический вид теории струн, использующий матрицы для представления всех свойств Вселенной. Выражения над элементами матриц соотносятся с взаимодействием струн, которое и привело (или могло привести) к той Вселенной, которую мы видим сейчас.
«В матричной записи теории суперструн матрицы отвечают за фундаментальные степени свободы, и теория струн получается сама собой при рассмотрении предела матриц, имеющих бесконечную размерность», – говорит Нишимура. Конечно, рассматривать бесконечные матрицы невозможно, особенно при конкретном моделировании, поэтому физикам пришлось ограничится в размерах, максимальная размерность использованных ими матриц была 32х32.
Обычный подход к моделированию процессов в теории струн – метод возмущений. Для этого все возможные взаимодействия между струнами накладываются, создавая одно результирующее взаимодействие. Но этот метод работает хорошо только если взаимодействие между струнами слабое. Тогда, рассматривая их как малые возмущения, можно рассчитать результат при помощи вычислительных машин. Если же рассматриваемые взаимодействия не малы, а во время Большого взрыва они должны были бы сильными, уравнения становятся слишком сложными для расчета за разумное время. Использование матриц позволяет применить другие методы вычислительной математики и рассмотреть процессы, происходящие при очень высоких энергиях, как это было во время Большого взрыва. «Это было невозможно в стандартном математическом выражении теории струн», – считает Нишимура.
«Во время численного моделирования мы генерировали сотни тысяч матриц, каждая из которых описывала всю историю Вселенной в течение некоторого конечного интервала времени. После этого мы провели усреднение по всем матрицам для определения физических процессов, сопровождавших эволюцию Вселенной во времени», – говорит Нишимура.
Увеличение размерности матриц позволит изучить эволюцию Вселенной на большем интервале времени. Матрица размерности 32х32 обсчитывались на суперкомпьютере два месяца. Эта размерность позволила физикам проследить эволюцию Вселенной до момента начала инфляции – периода экспоненциального расширения – через 10^-36 после Большого взрыва.
Основным результатом моделирования стало спонтанное сворачивание девятимерной Вселенной до трехмерной структуры, причем эти три измерения начали быстрое расширение, тогда как другие шесть остались связаны практически в одной точке. Это нарушение симметрии в модели выглядело как изменение столбцов и строчек в матрицах. Математические операции над элементами матриц позволяют получить координаты в пространстве, и в ходе моделирования с каждым следующим шагом по времени координаты возрастали по трем измерениям, тогда как по шести остальным не изменялись. Это изменение матриц и является рождением нашего пространства-времени.
По словам физиков, причина внезапного нарушения симметрии – квантовая флуктуация, единовременное нарушение закона сохранения энергии, существующего в рамках квантовой механики. «Пространство-время подчиняется принципу неопределенности Гейзенберга. Важным результатом нашей работы явилось то, что квантовая природа приводит к тому, что Вселенная становится трехмерной. То, как квантовое пространство-время эволюционировало в классический вариант, видимый нами сейчас – важный вопрос, которым займемся в ближайшем будущем», – говорит Нишимура.
Для того, чтобы изучить эволюцию Вселенной на большем интервале времени, ученым придется использовать матрицы большей размерности. «Мы уже работаем над этим», – утверждает Нишимура.