Янчилин В.Л.

Неопределенность, гравитация, космос. Изд. 2

Oglavlenie

Predislovie retsenzenta

Ya polagayu etu knigu bol'shim sobitiem v teoreticheskoj fizike.

Naryadu s bol'shoj nauchnoj znachimost'yu knige svojstvenni literaturnie dostoinstva -- glubokie problemi teoreticheskoj fiziki avtor izlagaet prosto i yasno. Avtor vladeet sovremennim matematicheskim apparatom nastol'ko, chto dlya chitatelya predstavlyaet problemi i ikh resheniya "normal'nim chelovecheskim yazikom", ne zagromozhdaya tekst slozhnimi formulami.

V knige vpervie na osnove "Printsipa Makha" ob'edineni teoriya gravitatsii i kvantovaya mekhanika. Zamechatel'no, chto predlozhen vpolne vipolnimij eksperiment dlya proverki osnovnikh polozhenij teorii.

U knigi obrazuetsya shirokij krug chitatelej -- studentov, professorov, lyuboznatel'nikh lyudej raznogo vozrasta. Ona vizovet diskussiyu -- i eto ochen' khorosho.

Vtoroe izdanie luchshe pervogo. Ochen' umestna glava, gde avtor formuliruet osnovnie vozrazheniya protiv ego teorii i daet otveti na eti vozrazheniya.

Smelo rekomenduyu etu knigu k izdaniyu.

Nashe prostranstvo mozhno sravnit' s ekranom monitora. Na monitore visokogo kachestva razlichimi linii na rasstoyanii dolej millimetra. V to vremya kak na plokhom monitore takie linii "razmivayutsya" v odnu. Nashe prostranstvo -- eto "monitor" visochajshego klassa. No vse zhe ono ne ideal'no. Na malikh rasstoyaniyakh (poryadka razmera atoma) traektorii dvizheniya chastits razmazivayutsya. Vsledstvie etogo elektron (kotorij yavlyaetsya nedelimoj chastitsej) mozhet projti cherez dva blizko raspolozhennikh otverstiya odnovremenno! Imenno poetomu mikromir nazivayut strannim.

Kachestvo monitora opredelyaetsya rabotoj fokusiruyuschikh sistem, napravlyayuschikh puchki elektronov na ekran. V prostranstve rol' takikh sistem igrayut zvezdi i galaktiki, zapolnyayuschie nashu Vselennuyu. Vozdejstvuya svoej ogromnoj massoj na elementarnie chastitsi, zvezdi i galaktiki ogranichivayut neopredelennost' i proizvol v ikh dvizhenii. I blagodarya etomu protoni, nejtroni i elektroni, iz kotorikh sostoit vse (v tom chisle i mi s vami), ne razmazivayutsya po prostranstvu, kak po ekranu plokhogo monitora.

Effekt gravitatsii -- eto isklyuchitel'no kvantovij effekt: bol'shaya massa ogranichivaet neopredelennost' v dvizhenii chastitsi i v rezul'tate prityagivaet ee.

Ot redaktora

Mi zhivem vo Vselennoj, napolnennoj neischislimim kolichestvom zvezd. Glyadya po nocham v bezdonnuyu glubinu neba, tainstvenno migayuschuyu miriadami dalekikh svetil, nevol'no zadumivaesh'sya o vechnikh voprosakh bitiya. Zvezdi vsegda manyat i volnuyut nas.

No vliyayut li kak-to eti dalekie zvezdi na nashu zhizn'? Ya govoryu o pryamoj zavisimosti zvezd i nashej s vami zhizni. Vliyayut li zvezdi na zakoni, kotorie upravlyayut nashim mirom; na zakoni, kotorie mozhno zapisat' v vide strogikh formul fiziki i matematiki?

Chelovek tak ustroen, chto vsegda pitaetsya sdelat' neizvestnoe -- izvestnim, neponyatnoe -- ponyatnim. Snimaya takim obrazom nekij romanticheskij oreol s tainstvennogo i nepoznannogo. I te zakonomernosti, kotorie lezhat v osnove samikh fundamental'nikh yavlenij, okazivayutsya na samom dele ochen' prostimi i ponyatnimi dazhe shkol'nikam. Komu, naprimer, sejchas ne izvestni tri zakona mekhaniki N'yutona? Mnogie znayut, chto nevozmozhno dostich' skorosti vishe svetovoj.

No, tem ne menee, bilo bi nerazumnim schitat', chto chelovechestvo teper' znaet vse, i emu izvestni vse zakoni mirozdaniya. Mozhet, tem i interesna zhizn', chto mi postoyanno chto-to postigaem.

Esche v devyatnadtsatom veke avstrijskij fizik Ernst Makh vidvinul gipotezu o tom, chto neveroyatno ogromnij massiv zvezd dolzhen vliyat' na fizicheskie zakoni, upravlyayuschie nashim mirom. Eta gipoteza zainteresovala mnogikh uchenikh. Al'bert Ejnshtejn, sozdavaya obschuyu teoriyu otnositel'nosti, nadeyalsya, chto gipoteza Makha najdet v nej svoe voploschenie. No kogda teoriya bila postroena, velikij genij priznal, chto sdelat' emu eto ne udalos'. Vskore gipoteza Makha pochti zabilas', i ee pochti perestali upominat' v nauchnoj literature.

A vse-taki, vliyayut li zvezdi na zakoni fiziki? I chto stalo bi s nashim mirom, esli bi vse zvezdi neozhidanno, kakim-to neponyatnim obrazom vdrug ischezli? Neuzheli mi prodolzhali bi po-prezhnemu zhit', razve chto otmetiv dlya sebya, chto Vselennaya stala pustoj? Intuitsiya podskazivaet, chto eto ne tak. Ne mozhet ischeznovenie vsekh zvezd i galaktik ne skazat'sya na nas. Mozhet bit', dazhe, zvezdi i est' v kakom-to smisle to, chto uderzhivaet nash mir v tom sostoyanii, v kotorom on nakhoditsya.

No ved' dolzhen zhe u etogo tainstvennogo global'nogo yavleniya bit' kakoj-to bazis v vide strogikh matematicheskikh formul, fizicheskikh zakonov. Inache vse eto ostanetsya lish' na urovne ne sovsem ponyatnikh filosofskikh rassuzhdenij. I bolee togo, eti zakoni, kak skazhem, i zakoni N'yutona, dolzhni bit' prosti. Potomu chto, kak viyasnyaetsya, chem fundamental'nee zakoni, tem oni prosche.

I, okazivaetsya, teoriya, svyazivayuschaya dalekie zvezdi i zakoni fiziki, vse-taki suschestvuet!

Esche v shkole Vasilij Yanchilin zainteresovalsya etoj temoj. Vliyayut li zvezdi na zakoni fiziki? Chto budet, esli vdrug kakim-to obrazom ischeznut iz prostranstva inertsial'nie sistemi otscheta? Eti voprosi prodolzhali ego volnovat' i kogda on bil studentom fizicheskogo fakul'teta Novosibirskogo Gosudarstvennogo Universiteta.

V kakoj-to mig prishlo proyasnenie. Ta samaya prichinnaya svyaz' mezhdu vsemi zvezdami i fizicheskimi protsessami v mire vililas' v vide trekh ochen' prostikh i v to zhe vremya fundamental'nikh formul. Formul, kotorie mogut ob'yasnit' mnogoe, otvetit' na mnogie voprosi, kotorie suschestvuyut v sovremennoj fizike i astronomii. V rezul'tate poyavilas' ideya napisat' knigu s opisaniem novoj fundamental'noj teorii i ryadom sledstvij iz nee, a takzhe otvetami na nekotorie vazhnie voprosi fiziki i kosmologii.

Mozhno, konechno, ne chitaya knigi, skazat', chto podobnikh teorij mnogo. I voobsche, sozdat' teoriyu ochen' prosto. No tak li eto? Mozhete li vi dejstvitel'no nazvat' teoriyu, kotoraya voploschala bi v sebe takuyu grandioznuyu gipotezu, kak printsip Makha? Mogu s uverennost'yu skazat', chto eto bilo bi revolyutsiej v fizike. S drugoj storoni, esli teoriya oshibochna, obnaruzhit' eto budet dostatochno prosto: budut vidni kakie-libo logicheskie nesootvetstviya, "nesostikovki" s uzhe suschestvuyuschimi, priznannimi i eksperimental'no proverennimi teoriyami. Krome togo, nuzhno otmetit', chto teoriya Vasiliya Yanchilina dopuskaet prostuyu eksperimental'nuyu proverku v zemnikh usloviyakh. I takoj eksperiment, vozmozhno, budet osuschestvlen uzhe v blizhajshee vremya.

Odnim iz samikh suschestvennikh vivodov novoj teorii yavlyaetsya suschestvovanie Khaosa za predelami Vselennoj. Eto slovo, naverno, luchshe vsego otrazhaet eto neobichnoe sostoyanie prostranstva-vremeni. Eto, skoree, razrushennoe, ili virozhdennoe, prostranstvo, v kotorom ne dejstvuyut nikakie zakoni fiziki. Eto prostranstvo, v kotorom net inertsial'nikh sistem otscheta. Eto prostranstvo, v kotorom ostanavlivaetsya dazhe svet. Konechno, eto vse trudno predstavit' nam, ved' mi zhivem v mire, gde est' nekij vsemirnij Poryadok. A v Khaose etogo Poryadka net. S drugoj zhe storoni, suschestvovanie Khaosa vpolne logichno. Dazhe nekotorie drevnegrecheskie misliteli schitali, chto za predelami nashej Vselennoj nakhoditsya Khaos.

Odna iz izyuminok teorii Vasiliya Yanchilina -- eto otkritie tak nazivaemogo diskretnogo (khaoticheskogo) dvizheniya, kotoroe est' sledstvie vliyaniya Khaosa na nash mir. Eto sovershenno novij tip dvizheniya, printsipial'no otlichayuschijsya ot znakomogo nam neprerivnogo dvizheniya. Tak dvizhutsya chastitsi mikromira. Diskretnoe dvizhenie -- eto klyuch k razgadke samikh strannikh kvantovo-mekhanicheskikh paradoksov. Ispol'zuya diskretnoe dvizhenie, mozhno legko, s pomosch'yu prostikh risunkov, ob'yasnit' i opisat' paradoksal'noe povedenie samikh malen'kikh chastits. Naprimer, mozhno ob'yasnit' (i dazhe narisovat'!), kak nedelimij elektron prokhodit odnovremenno cherez dva otverstiya! A takoj trudnij dlya ponimaniya eksperiment Uilera s otlozhennim viborom (vokrug kotorogo do sikh por ne utikhayut spori v nauchnom mire) teper' smozhet ponyat' i ob'yasnit' dazhe shkol'nik. Novaya interpretatsiya kvantovoj mekhaniki, osnovannaya na ponyatii diskretnogo dvizheniya, pozvolyaet bez slozhnikh matematicheskikh vikladok srazu predskazat', kak budet protekat' tot ili inoj protsess v mikromire.

Krome togo, v knige vi najdete teoreticheskoe obosnovanie ravenstva inertnoj i gravitatsionnoj mass, kotoroe ranee schitalos' eksperimental'nim faktom i leglo v osnovu printsipa ekvivalentnosti obschej teorii otnositel'nosti. Ne menee interesnimi yavlyayutsya razdeli, gde rassmatrivayutsya problemi astrofiziki i kosmologii. Esli teoriya Vasiliya Yanchilina verna, to chernie diri -- eto ne sovsem chernie diri. Eto nechto drugoe.

No samoe glavnoe v predlagaemoj teorii (kotoraya takzhe yavlyaetsya i novoj model'yu prostranstva-vremeni) -- eto to, chto takie fundamental'nie velichini, kak skorost' sveta i postoyannaya Planka zavisyat ot velichini gravitatsionnogo potentsiala, sozdavaemogo vsemi massami, suschestvuyuschimi vo Vselennoj.

Novaya teoriya gravitatsii osnovana na printsipakh i uravneniyakh kvantovoj mekhaniki. No dazhe ne eto samoe glavnoe. Samoe glavnoe -- eto to, chto s novoj tochki zreniya gravitatsionnoe vzaimodejstvie yavlyaetsya isklyuchitel'no kvantovim effektom! Poetomu novaya teoriya gravitatsii yavlyaetsya po svoej suti kvantovoj teoriej gravitatsii.

Mozhno esche otmetit', chto kvantovaya teoriya gravitatsii sozdana sovershenno nezavisimo ot suschestvuyuschikh teorij gravitatsii -- teorii tyagoteniya N'yutona i obschej teorii otnositel'nosti. To est', sozdavaya novuyu teoriyu, Vasilij Yanchilin ne opiralsya i ne oglyadivalsya na starie teorii. I lish' posle sozdaniya teorii stalo yasno, chto protivorechij s imeyuschimisya eksperimental'nimi dannimi net. Bolee togo, kvantovaya teoriya gravitatsii ushla na neskol'ko shagov vpered. Ona smogla ob'yasnit' mnogie temnie pyatna, nereshennie problemi sovremennoj fundamental'noj fiziki. I, chto ochen' vazhno, nakonets-to poyavilos' ob'yasnenie mekhanizmu gravitatsii. Ved' izvestno, chto ni teoriya N'yutona, ni teoriya Ejnshtejna ne smogli raskrit' mekhanizm gravitatsii. Krome togo, kvantovaya teoriya gravitatsii naglyadno i prosto ob'yasnyaet effekt iskrivleniya prostranstva-vremeni vblizi bol'shikh mass.

Prochitav knigu, vi smozhete uznat' takzhe o tom, mogli li v rannej Vselennoj suschestvovat' stabil'nie transuranovie elementi. Ili pochemu v mire suschestvuet tol'ko veschestvo, a antiveschestva v nem net? I otkuda berut takuyu kolossal'nuyu energiyu kvazari -- eti dalekie zagadochnie ob'ekti nashej Vselennoj?

Konechno, novoe nikogda ne vosprinimalos' bistro. Odni prinimayut novoe bistree, drugie -- medlennee. Poetomu vpolne estestvenno, chto mneniya prochitavshikh etu knigu budut samimi raznimi. No esli eta teoriya dejstvitel'no dostojnaya, ona najdet svoikh storonnikov i svoe mesto v nauke.

Tri problemi fundamental'noj fiziki

Dlya togo chtobi luchshe ponyat', o chem pojdet rech' v knige, davajte oznakomimsya s tremya ochen' interesnimi i nereshennimi problemami fundamental'noj fiziki.

Problema 1. Printsip Makha

Esche N'yuton obratil vnimanie na tot fakt, chto suschestvuet dva vida dvizhenij: otnositel'noe i absolyutnoe. Pryamolinejnoe dvizhenie tela yavlyaetsya otnositel'nim dvizheniem, a vraschatel'noe -- absolyutnim. Mi ne smozhem skazat', s kakoj skorost'yu mi dvizhemsya (naprimer, s kakoj skorost'yu dvizhetsya planeta Zemlya), esli ne ukazhem drugoe telo, otnositel'no kotorogo budem rassmatrivat' nashe dvizhenie. No mi vsegda smozhem uznat', s kakoj skorost'yu mi vraschaemsya (naprimer, s kakoj skorost'yu vraschaetsya Zemlya). Eto vozmozhno potomu, chto vo vraschayuschemsya tele voznikayut tsentrobezhnie sili, kotorie deformiruyut telo. Po velichine tsentrobezhnikh sil ili po vizvannoj imi deformatsii vsegda mozhno opredelit' skorost' vrascheniya tela.

Pri etom voznikaet vopros: a otnositel'no chego, sobstvenno govorya, telo vraschaetsya?

V kontse devyatnadtsatogo veka avstrijskij fizik Ernst Makh vidvinul interesnuyu gipotezu (nazvannuyu vposledstvii printsipom Makha): telo vraschaetsya otnositel'no nepodvizhnikh zvezd. I vsledstvie kakoj-to poka neviyasnennoj svyazi mezhdu ogromnoj massoj zvezd i vraschayuschimsya telom i voznikayut tsentrobezhnie sili. No kak proverit' takoe predpolozhenie? Vot chto pisal ob etom, naprimer, takoj izvestnij fizik, kak Richard Fejnman: "V nastoyaschee vremya u nas net sposoba uznat', suschestvovala bi tsentrobezhnaya sila, esli bi ne bilo zvezd i tumannostej. Ne v nashikh silakh sdelat' takoj eksperiment -- ubrat' vse tumannosti, a zatem izmerit' nashe vraschenie; znachit, tut mi nichego skazat' ne mozhem" [7, s.286]. V 1979 godu v Berline sostoyalas' mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya, posvyaschennaya 100-letiyu so dnya rozhdeniya Al'berta Ejnshtejna. Na nej obsuzhdalis' naibolee fundamental'nie problemi sovremennoj fiziki. V tom chisle govorilos' i ob otnoshenii printsipa Makha k obschej teorii otnositel'nosti. Vot neskol'ko strok iz rezyume po dannomu voprosu: "Izvestno, chto Ejnshtejn ne tol'ko prinimal etot neortodoksal'nij printsip i voskhischalsya im, no i nadeyalsya privesti svoyu teoriyu v soglasie s sistemoj idej Makha. Ejnshtejn pitalsya vsemi vozmozhnimi sredstvami vklyuchit' obschuyu teoriyu otnositel'nosti v printsip Makha, ili naoborot. Poetomu on vidoizmenil pervuyu klassicheskuyu formulirovku obschej teorii otnositel'nosti. V etom napravlenii i po sej den' predprinimayutsya popitki, -- neustanno, poroj s obeskurazhivayuschimi rezul'tatami, chasto s pomosch'yu ves'ma ostroumnikh manipulyatsij, -- dostich' tseli, k kotoroj stremilsya Ejnshtejn" [15; s.293].

I vse-taki problemu, svyazannuyu s printsipom Makha, mozhno reshit'! No dlya etogo nuzhno prodelat' sleduyuschee.

Vo-pervikh, raskrit' ego fizicheskoe soderzhanie (kotoroe poka ne yasno). Vo-vtorikh, postroit' novuyu fizicheskuyu teoriyu, kotoraya soderzhala bi v sebe, krome izvestnikh fizicheskikh zakonov, takzhe i printsip Makha. Do nastoyaschego vremeni takoj teorii ne bilo. V-tret'ikh, rasschitat' (a znachit, i predskazat') printsipial'no novie sledstviya, kotorie vitekayut iz novoj teorii i kotorie mozhno eksperimental'no proverit' v zemnikh usloviyakh (estestvenno, ne trogaya nepodvizhnie zvezdi). I v rezul'tate opredelit', veren ili net printsip Makha.

Problema 2. Korpuskulyarno-volnovoj dualizm

V fizike suschestvuyut takie ponyatiya kak chastitsa i volna. Eti ponyatiya -- antagonisti. Svojstva chastitsi i svojstva volni vzaimoisklyuchayut drug druga. Tem ne menee, kvantovie ob'ekti vedut sebya to kak volni, a to kak chastitsi. Naprimer, elektron, s odnoj storoni (to est' pri odnikh usloviyakh provedeniya eksperimenta), yavlyaetsya chastitsej. Bolee togo, nedelimoj chastitsej. Nikto nikogda ne nablyudal, skazhem, pol-elektrona ili kakuyu-libo ego chast'. No, s drugoj storoni (to est' pri drugikh usloviyakh provedeniya eksperimenta), elektron zaprosto mozhet projti srazu cherez dva (i bolee) otverstiya! Tot, kto etogo esche ne znaet, skoree vsego, v eto ne poverit. Nichego udivitel'nogo! V svoe vremya takoj vidayuschijsya fizik kak Al'bert Ejnshtejn (kotorij, kstati, ochen' mnogo sdelal dlya sozdaniya kvantovoj mekhaniki) tak i ne prinyal do kontsa kvantovuyu mekhaniku. On schital, chto fizicheskaya teoriya ne dolzhna tak radikal'no raskhodit'sya so zdravim smislom.

V nastoyaschee vremya volnovaya priroda elektrona -- khorosho proverennij eksperimental'nij fakt. Zhelayuschie prochitat' chetkij i yasnij rasskaz ob etom mogut obratit'sya k Fejnmanovskim lektsiyam po fizike. Nuzhno otmetit', chto kvantovaya mekhanika prekrasno opisivaet "strannoe" povedenie kvantovikh ob'ektov. No opisat' -- ne oznachaet ob'yasnit'. Do sikh por nikto ne znaet, otkuda v mikromire vzyalas' neopredelennost', i kak nedelimij elektron ukhitryaetsya projti cherez dva otverstiya odnovremenno. Vot chto pisal o takom "strannom" povedenii kvantovikh ob'ektov Richard Fejnman: "No mne kazhetsya, ya smelo mogu skazat', chto kvantovoj mekhaniki nikto ne ponimaet" [11; s.117].

Problema 3. Gravitatsiya i kvantovaya mekhanika

Vse, chto suschestvuet v prirode, prityagivaetsya drug k drugu. S drugoj storoni, vse, chto suschestvuet v prirode, podchinyaetsya zakonam kvantovoj mekhaniki, v osnove kotoroj lezhit printsip neopredelennosti. Blagodarya etomu printsipu kazhdaya chastitsa obladaet volnovimi svojstvami. No v sovremennoj teorii gravitatsii -- teorii tyagoteniya Ejnshtejna (vprochem, kak i v teorii tyagoteniya N'yutona) -- niskol'ko ne uchitivaetsya etot fundamental'nij printsip, to est' sovsem ne uchitivaetsya to, chto chastitsi obladayut volnovimi svojstvami. Poetomu estestvennim obrazom voznikaet sleduyuschij vopros. Mozhno li ob'edinit' teoriyu gravitatsii i kvantovuyu mekhaniku takim obrazom, chtobi pri gravitatsionnom vzaimodejstvii uchitivalis' volnovie svojstva chastits? Na segodnyashnij den' takoj kvantovoj teorii gravitatsii ne suschestvuet.

Kak budet vidno v dal'nejshem, vse eti tri problemi svyazani mezhdu soboj. I kogda nam udastsya ponyat' fizicheskij smisl printsipa Makha, mi pojmem, otkuda vzyalas' neopredelennost' v mikromire. A, ponyav prichinu proiskhozhdeniya neopredelennosti v mikromire, mi pojmem, pochemu tela prityagivayutsya drug k drugu. Resheniyu etikh problem i posvyaschena eta kniga. Zabegaya vpered, mozhno skazat', chto, okazivaetsya, v osnove gravitatsionnogo vzaimodejstviya lezhit printsip neopredelennosti, to est' gravitatsiya -- eto isklyuchitel'no kvantovij effekt!