Янчилин В.Л. Квантовая теория гравитации

Оглавление

Три проблемы элементарной физики

Для того чтобы лучше понять, о чем пойдет речь в книге, давайте ознакомимся с тремя очень интересными и нерешенными проблемами фундаментальной физики.

Проблема 1. Принцип Маха

Еще Ньютон обратил внимание на тот факт, что существует два вида движений: относительное и абсолютное. Прямолинейное движение тела является относительным движением, а вращательное – абсолютным.

Мы не сможем сказать, с какой скоростью мы движемся (например, с какой скоростью движется планета Земля), если не укажем другое тело, относительно которого будем рассматривать наше движение.

Но мы всегда сможем узнать, с какой скоростью мы вращаемся (например, с какой скоростью вращается Земля). Это возможно потому, что во вращающемся теле возникают центробежные силы, которые деформируют тело. По величине центробежных сил или по вызванной ими деформации всегда можно определить скорость вращения тела.

При этом возникает вопрос: а относительно чего, собственно говоря, тело вращается?

В конце девятнадцатого века австрийский физик Эрнст Мах выдвинул интересную гипотезу (названную впоследствии принципом Маха): тело вращается относительно неподвижных звезд. И вследствие какой-то пока невыясненной связи между огромной массой звезд и вращающимся телом и возникают центробежные силы.

Но как проверить такое предположение? Вот что писал об этом, например, такой известный физик, как Ричард Фейнман: "В настоящее время у нас нет способа узнать, существовала бы центробежная сила, если бы не было звезд и туманностей. Не в наших силах сделать такой эксперимент – убрать все туманности, а затем измерить наше вращение; значит, тут мы ничего сказать не можем" [7, с.286].

В 1979 году в Берлине состоялась международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения Альберта Эйнштейна. На ней обсуждались наиболее фундаментальные проблемы современной физики. В том числе говорилось и об отношении принципа Маха к общей теории относительности. Вот несколько строк из резюме по данному вопросу: "Известно, что Эйнштейн не только принимал этот неортодоксальный принцип и восхищался им, но и надеялся привести свою теорию в согласие с системой идей Маха. Эйнштейн пытался всеми возможными средствами включить общую теорию относительности в принцип Маха, или наоборот. Поэтому он видоизменил первую классическую формулировку общей теории относительности. В этом направлении и по сей день предпринимаются попытки, – неустанно, порой с обескураживающими результатами, часто с помощью весьма остроумных манипуляций, – достичь цели, к которой стремился Эйнштейн" [15; с.293].

И все-таки проблему, связанную с принципом Маха, можно решить! Но для этого нужно проделать следующее.

Во-первых, раскрыть его физическое содержание (которое пока не ясно).

Во-вторых, построить новую физическую теорию, которая содержала бы в себе, кроме известных физических законов, также и принцип Маха. До настоящего времени такой теории не было.

В-третьих, рассчитать (а значит, и предсказать) принципиально новые следствия, которые вытекают из новой теории и которые можно экспериментально проверить в земных условиях (естественно, не трогая неподвижные звезды). И в результате определить, верен или нет принцип Маха.

Проблема 2. Корпускулярно-волновой дуализм

В физике существуют такие понятия как частица и волна. Эти понятия – антагонисты. Свойства частицы и свойства волны взаимоисключают друг друга. Тем не менее, квантовые объекты ведут себя то как волны, а то как частицы.

Например, электрон, с одной стороны (то есть при одних условиях проведения эксперимента), является частицей. Более того, неделимой частицей. Никто никогда не наблюдал, скажем, пол-электрона или какую-либо его часть.

Но, с другой стороны (то есть при других условиях проведения эксперимента), электрон запросто может пройти сразу через два (и более) отверстия!

Тот, кто этого еще не знает, скорее всего, в это не поверит. Ничего удивительного! В свое время такой выдающийся физик как Альберт Эйнштейн (который, кстати, очень много сделал для создания квантовой механики) так и не принял до конца квантовую механику. Он считал, что физическая теория не должна так радикально расходиться со здравым смыслом.

В настоящее время волновая природа электрона – хорошо проверенный экспериментальный факт. Желающие прочитать четкий и ясный рассказ об этом могут обратиться к Фейнмановским лекциям по физике, т.3,4, гл.37: "Квантовое поведение".

Нужно отметить, что квантовая механика прекрасно описывает "странное" поведение квантовых объектов. Но описать – не означает объяснить. До сих пор никто не знает, откуда в микромире взялась неопределенность, и как неделимый электрон ухитряется пройти через два отверстия одновременно. Вот что писал о таком "странном" поведении квантовых объектов Ричард Фейнман: "Но мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает" [11; с.117].

Проблема 3. Гравитация и квантовая механика

Все, что существует в природе, притягивается друг к другу. С другой стороны, все, что существует в природе, подчиняется законам квантовой механики, в основе которой лежит принцип неопределенности. Благодаря этому принципу каждая частица обладает волновыми свойствами. Но в современной теории гравитации – теории тяготения Эйнштейна (впрочем, как и в теории тяготения Ньютона) – нисколько не учитывается этот фундаментальный принцип, то есть совсем не учитывается то, что частицы обладают волновыми свойствами. Поэтому естественным образом возникает следующий вопрос. Можно ли объединить теорию гравитации и квантовую механику таким образом, чтобы при гравитационном взаимодействии учитывались волновые свойства частиц? На сегодняшний день такой квантовой теории гравитации не существует.

Как будет видно в дальнейшем, все эти три проблемы связаны между собой. И когда нам удастся понять физический смысл принципа Маха, мы поймем, откуда взялась неопределенность в микромире. А, поняв причину происхождения неопределенности в микромире, мы поймем, почему тела притягиваются друг к другу. Решению этих проблем и посвящена эта книга.

Забегая вперед, можно сказать, что, оказывается, в основе гравитационного взаимодействия лежит принцип неопределенности, то есть гравитация – это исключительно квантовый эффект!

Общий план книги

Первое новое уравнение (Новый закон) вводится в § 2.6 , и все дальнейшее построение новой теории является по своей сути следствием этого уравнения. Основные положения новой теории подробно изложены в 3-й главе. И на их основе в § 4.6 –4.9 рассчитывается уравнение движения света в гравитационном поле, в том числе определяются угол отклонения и величина гравитационного смещения спектральных линий.

В 7-й главе на основе новой теории формулируется квантовая теория гравитации. При этом раскрывается физический смысл "искривленного" пространства-времени: в гравитационном поле изменяются размеры атомов (радиусы электронных оболочек), изменяются энергии перехода электронов с одного уровня на другой, изменяются частоты излучения и длины волн спектральных линий. Именно это и является причиной того, что в гравитационном поле изменяется масштаб времени и масштаб длины (искривление пространства-времени вблизи больших масс).

Исходя из того, что частица обладает волновыми свойствами, в § 7.4 рассчитывается уравнение ее движения в гравитационном поле.

В § 7.7 показано, в чем состоит принципиальное отличие квантовой теории гравитации от общей теории относительности. И в § 8.3 предлагается простой эксперимент, по результатам которого можно будет сделать однозначный выбор между квантовой теорией гравитации и общей теорией относительности.

В § 8.7 на простом примере показано принципиальное противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой.

В 6-й главе дается наглядное объяснение квантово-механическим парадоксам с новой точки зрения, а в 10-главе предлагается решение некоторых проблем современной космологии.