На наш взгляд, вопрос о фундаментальных объектах в обеих теориях остается открытым. Смолин дает следующие трактовки фундаментальности первоначал обеих теорий. "Фундаментальные возбуждения являются протяженными объектами. Они включают одномерные возбуждения и двумерные (а возможно, и более высоких размерностей) мембрано-подобные возбуждения". Т. е. струны и петли не стабильны. Они - возбуждения. Это означает, что в подобных вариантах единых теорий не существует неких фундаментальных объектов, по своей онтологии сравнимых со статусом атомов, апейрона и других античных первоначал. В этом пункте две теории не предлагают нам неких абсолютных первоэлементов. Казалось бы, все это в начале XXI века можно и не обсуждать, поскольку наука давно уже отказалась от существования в физике, а соответственно, и в природе чего-то абсолютного. Стоит лишь еще раз зафиксировать, что и в намечающейся "окончательной теории" может не оказаться каких-то абсолютных субстанций, что, казалось бы, должно быть естественно для подобной теории. С некой метафизической точки зрения онтологический статус подобных объектов невысок: они являются "всего лишь" квантовыми возбуждениями. Каков же статус такой фундаментальности?
Если петли и струны, как и любые другие объекты реальности, нестабильны, т. е. имеют некоторое конечное время своего существования, и если учесть, что имела место их креация в некоторый момент времени, то логично предположить, что наступит космологический момент времени, когда они в космологически значимых количествах начнут распадаться. Но тогда возникает вопрос: распадаться на что? Этот вариант более близок квантовополевым представлениям. Однако КТП, а следовательно и ее фундаментальные представления, являются только лишь низкоэнергетическим приближением теории струн и ТПКГ. Кроме того, в этом случае теряется их статус "окончательной" фундаментальности последних. Вопрос состоит в том, что представляет собой возможный процесс распада струн, петель или планковских элементов объема как первичных элементов реальности? Или, может быть, они начнут исчезать, становясь принципиально ненаблюдаемыми в нашем мире (в нашей Вселенной?)?
Не менее нетривиальным является утверждение о протяженности фундаментального (квантового) возбуждения. Как возникает протяженное квантовое возбуждение? Какие условия заставляют возбуждение "вытягиваться"? И при этом оставаться достаточно стабильным? Вообще говоря, по-видимому, достаточно нетривиальным является вопрос о том, насколько стабильны струны, петли и квантовые ячейки пространства? Что такое протяженный квант?
Обе теории ведут к онтологической двойственности: "В основе теории струн и петлевой квантовой гравитации лежат одномерные протяженные объекты, которые за счет дуальности соответствуют линиям электрического потока квантованного калибровочного поля, являясь фундаментальными степенями свободы теории". Фактически, получается, что струны и петли имеют двойное онтологическое толкование: это и 1-мерные протяженные объекты, и одновременно (но дуально) линии электрического потока квантованного калибровочного поля. Если это верно, то можно говорить об онтологической двойственности физической реальности на ее самом фундаментальном первичном уровне.
Анализ этих двух теорий выявляет существенные расхождения в онтологических трактовках перечня имеющейся в них фундаментальной объектности. С одной стороны, фундаментальными объектами теории струн являются сами струны. С другой стороны, независимый от них фон, в котором они передвигаются (фактически, пространство) и который характеризуется "метрикой и другими классическими полями". Получается, что метрика и классические поля являются не менее фундаментальными объектами ТСС, поскольку определяют независимое (классическое) пространство. На самом деле онтология независимого фона в ТСС еще сложнее, поскольку сам фон "фиксируется выбором" этих полей и метрики. Но тогда эти поля через особенности задаваемого ими фона (пространства) оказывают воздействие на специфику движения и, вероятно, другие особенности самих струн. Получается, что струны (на квантовом уровне) определяют классические поля, а они, в свою очередь фиксируют основу фундаментальных физических свойств струн - движения и вибраций. Получается замкнутое и достаточно красивое взаимодействие струн, полей и фона. Но - в отсутствии некоего фундаментального единства.
Нечто подобное относится и к петлевой гравитации. Хотя "петли существуют на более фундаментальном уровне, на котором нет классических полей и метрики", в ПТКГ наряду с петлями и квантовыми ячейками пространства как фундаментальными объектами теории существует также скалярное поле, которое, в частности, как предполагается в теории, определяет такое фундаментальное (атрибутивное) понятие всей существующей физики, как время. Существуют также квантовые ячейки пространства. Все это также пока далеко от ожидаемого единства. Сколько же в итоге существует в этих теориях фундаментальных объектов?
4. Онтологический анализ современных моделей квантовой космологии
Следуя традиции, которая берет свое начало с И. Ньютона, появление новой теории гравитации, даже если она представляет собой не полную теорию, а только видоизменение уже существующих теорий, традиционно сопровождается попытками применения ее к описанию Вселенной, т. е. возникновением очередной космологической модели. ТСС и ТПКГ продолжают эту традицию. В этом разделе мы рассмотрим несколько моделей ранней Вселенной, основанных на разрабатываемых теориях квантовой гравитации.
Струнная космология. Теория струн модифицирует стандартную космологическую модель в следующих трех пунктах. Во-первых, Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о сингулярном состоянии Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва. Во-вторых, в космологии, особенно на планковском масштабе, во многом определяющее значение имеет понятие Т-дуальности (топологической дуальности) в ТСС, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера). В-третьих, поскольку число пространственновременных измерений в теории струн больше четырёх, космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.
Конечно же, для космологов вопрос первостепенной важности - что же происходило в момент "начала"? Согласно теории струн, возможно, никакого начала мироздания и не было. В струнной космологии предлагаются модели того, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва, и сценарии перехода через него. Сейчас наиболее популярны две модели.
В конце 1980-х гг. Р. Бранденбергер и К. Вафа, применив теорию струн, получили следующий космологический сценарий. По мере приближения к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до максимума на планковском масштабе и затем начинает уменьшаться. Этому способствует наличие Т-дуальности. "На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению".
В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения свернуты до планковских размеров, совершенно равноправны и полностью симметричны. Затем в тот же планковский момент времени происходит нарушение симметрии, и три пространственных измерения отбираются для последующего расширения за счет аннигиляции намотанных на измерения струн и антиструн или, другими словами, "снижения сдерживающего действия намотанных струн" только для трех измерений. Остальные измерения пространства сохраняют исходный планковский размер. Затем на арене этих трех измерений происходит инфляционное раздувание Вселенной, после которого наступает период фридмановского расширения.
"Првдвзрывной сценарий". А вот как выглядит вариант струнной космологии, который носит название "пред-взрывной сценарий", с точки зрения первооткрывателя теории струн итальянского теоретика Г. Венециано, в настоящее время активно занимающегося построением космологических моделей на основе своего детища - теории струн. Было время, когда "В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север". Действительно, попытка искать ответ на вопрос о том, "что было, когда ничего не было", кажется безумной даже в позитивном безумном боровском смысле. Но развитие теоретической физики все чаще заставляет космологов задумываться о том, что могло быть до известного начала мира. И определенные конструктивные решения удалось получить. На наш взгляд, это действительно конструктивные решения, и им явно не хватает концептуальной новизны и глубины. В теории струн было показано, что Большой взрыв не был началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния.
В отличие от предыдущей модели, в которой Вселенная рождается из комка планковских размеров, и этот момент можно рассматривать в качестве начала существования мироздания, Г. Венециано и М. Гасперини предположили, что Вселенная существовала всегда. В далеком, возможно, бесконечно далеком прошлом она была бесконечно протяженной, холодной и почти пустой. Силы природы, управляемые дилатонным полем, были настолько слабы, что частицы практически не взаимодействовали друг с другом. "Такие силы, как гравитация, были слабы". "Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым, и в результате произошёл резкий скачок температуры и плотности энергии". "Силы постепенно росли, и материя начала сгущаться". В некоторых областях плотность возросла настолько, что сформировалась черная дыра, которая разрасталась с ускорением. "Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т. е. Вселенная разбивалась на обособленные части".
Плотность вещества, устремлявшегося к центру дыры, возрастала, пока не достигла предела, определяемого теорией струн. Когда плотность материи достигла максимально допустимой величины, квантовые эффекты привели к Большому взрыву. "…Трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту". Тем временем снаружи возникали другие черные дыры (ЧД), которые затем тоже становились вселенными. Важная особенность данной модели состоит в том, что Вселенная расширялась как до Большого взрыва (ускоренное расширение), так и после него (расширение с замедлением). "Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению".
Нужно отметить, что в отношении каждого сценария возникает много вопросов. В частности, по поводу приведенного утверждения Г. Венециано о возникновении и эволюции космологической ЧД в его модели возникают следующие вопросы. Что такое материя и вещество снаружи ЧД? Что именно засасывала ЧД? Далее, существовало ли только одно дилатонное поле или были и другие формы материи? Планковское состояние Вселенной включало в себя уже не одно (что было бы предпочтительно с точки зрения единой теории), а по крайней мере, два материальных субстрата: материальные струны и дилатонное поле? И другие.
Согласно Г. Венециано, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти, но не достигнет бесконечного значения, как в сингулярности, а в некоторый момент ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. С точки зрения Г. Венециано, это - чистый вариант устранения сингулярности: "До появления теории струн физики отчаянно пытались придумать механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность".
"В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него". Но с этим трудно согласиться, либо необходимы какие-то дополнительные обоснования. По-видимому, Вселенная не может тождественно повторяться. Дело в том, что информация при коллапсе Вселенной, даже не доходя до сингулярности, а уже у планковского порога, разрушается. Это может происходить, например, вследствие действия мощных приливных сил, разрушающих любые структуры сжимающейся Вселенной, и следовательно, при этом происходит потеря информации о структурном устройстве Вселенной. Поэтому зеркального повторения Вселенной быть в принципе не может. Хотя Вселенная и может воспроизводиться, видоизменяясь. Эту особенность можно назвать принципом неповторимости нашей Вселенной.
Что же представляет собой Большой взрыв? Авторы этого сценария считают, что "Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр - не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной".