Зукакишвили Л.М.

Физика сплошной среды:
Единая теория поля

Oglavlenie

Ot izdatel'stva

Eta kniga prodolzhaet seriyu "Relata Refero" (doslovnij perevod -- rasskazivayu rasskazannoe).

Pod etim grifom izdatel'stvo predostavlyaet tribunu avtoram, chtobi viskazat' publichno novie idei v nauke, obosnovat' novuyu tochku zreniya, donesti do obschestva novuyu interpretatsiyu izvestnikh eksperimental'nikh dannikh, etc.

V spore raznikh tochek zreniya tol'ko reshenie Velikogo sud'i -- Vremeni -- mozhet stat' reshayuschim i okonchatel'nim. Sam zhe protsess poiska Istini khorosho kharakterizuetsya izvestnim viskazivaniem Aristotelya, vinesennim na oblozhku nastoyaschej serii: avtoritet uchitelya ne dolzhen dovlet' nad uchenikom i prepyatstvovat' poisku novikh putej.

Mi nadeemsya, chto publikuemie v etoj serii teksti vnesut, nesmotrya na svoe otklonenie ot ustanovivshikhsya kanonov, svoj vklad v poznanie Istini.

Vvedenie

Tsel'yu dannoj raboti yavlyaetsya poisk edinogo opisaniya strukturi veschestva i ego polya i viyavlenie obschnosti vsekh izvestnikh vzaimodejstvij: sil'nogo, elektromagnitnogo, slabogo i gravitatsionnogo. Izuchenie mikromira pokazalo, chto nevozmozhno vse predstavleniya, poluchennie pri nablyudenii makroskopicheskikh tel, perenesti v oblast' mikroskopicheskikh chastits. Est' dva puti proniknoveniya v oblast' neizvedannogo: 1) otkazat'sya ot predstavlenij, poluchennikh pri izuchenii makroskopicheskikh tel, i ogranichit'sya zadachej predskazanij veroyatnosti protsessov, proiskhodyaschikh v mikromire; 2) sokhraniv osnovnie predstavleniya, kharakternie dlya makromira, iskat' te modeli mikroskopicheskikh ob'ektov, kotorie udovletvoryali bi eksperimentam po izucheniyu mikrochastits, a pri nalichii ochen' bol'shogo chisla chastits privodili bi k zakonam, kharakterizuyuschim povedenie makroskopicheskikh tel.

Sozdateli kvantovoj mekhaniki, kvantovoj elektrodinamiki, teorii elementarnikh chastits i drugikh kvantovikh teorij poshli po pervomu puti. Odin iz osnovnikh dovodov, privodimikh dlya obosnovaniya takogo vibora, zaklyuchaetsya v utverzhdenii, chto ne sleduet vvodit' lishnie gipotezi dlya sozdaniya naglyadnosti protsessov, proiskhodyaschikh v mikromire, neobkhodimo lish' ustanovlenie svyazi mezhdu iskhodnimi dannimi i poluchennim v eksperimente rezul'tatom. Odnako i na etom puti prikhoditsya ispol'zovat' ponyatiya, vvedennie v makroskopicheskoj fizike, naprimer, ponyatie energii, impul'sa, momenta impul'sa, a takzhe zakoni sokhraneniya etikh velichin. Iskhodya iz zakonov sokhraneniya, ne tol'ko opredelyayutsya energiya, impul's, spin i orbital'nij moment kolichestva dvizheniya nevest' chto predstavlyayuschikh soboj elementarnikh chastits, no i delaetsya zaklyuchenie o samom suschestvovanii novikh chastits, kak, naprimer, v sluchae s nejtrino.

Vtoroj sposob issledovaniya mikroskopicheskikh ob'ektov daet vozmozhnost', ispol'zuya rezul'tati kvantovoj fiziki i klassicheskie zakoni opisaniya makromira, predstavit' stroenie elementarnikh chastits i protekayuschie s nimi fizicheskie protsessi. Sozdanie naglyadnoj modeli proiskhodyaschego pomogaet ob'yasnit' nekotorie osobennosti, nablyudaemie v eksperimente, a te v svoyu ochered' pozvolyayut utochnit' model'. V opravdanie ispol'zovaniya etogo metoda vspomnim, chto statisticheskaya fizika dlya ob'yasneniya svojstv sistem, sostoyaschikh iz ochen' bol'shogo chisla odinakovikh neposredstvenno ne nablyudaemikh mikroskopicheskikh chastits, takzhe opisivaet dvizhenie i vzaimodejstvie etikh chastits, nadelyaya ikh svojstvami, kharakternimi dlya makroskopicheskikh tel. Drugoj primer -- klassicheskaya elektrodinamika, v osnove kotoroj lezhit elektronnaya teoriya Lorentsa, ispol'zovavshego uravneniya Maksvella dlya opisaniya oblasti mikromira, vklyuchaya vnutrennyuyu oblast' elektrona.

Dlya viyavleniya edinstva vsekh izvestnikh v prirode sil v kachestve iskhodnoj vibiraem naibolee rasprostranennuyu i izuchennuyu oblast' -- oblast' elektromagnitnikh vzaimodejstvij.

Obraschenie k chitatelyu

O chem kniga "Fizika sploshnoj sredi"? Ob osnovakh fiziki, i mozhet bit' interesna tem, kto interesuetsya glubinnimi problemami etoj nauki.

Na rubezhe 19 -- 20 vv. bili polucheni zamechatel'nie eksperimental'nie rezul'tati, na osnove kotorikh bili sozdani teoriya otnositel'nosti i kvantovie teorii, izmenivshie predstavlenie o takikh fundamental'nikh ponyatiyakh, kak prostranstvo-vremya i elementarnaya chastitsa, poyavilsya dualizm chastitsa-volna. Kazhdoe iz etikh novikh napravlenij v fizike okazalos' ochen' plodotvornim i na nachal'nom etape dalo udivitel'nie po tochnosti rezul'tati, no po mere razvitiya teorij trudnosti mnozhilis', a sovpadenie raschetov s dannimi eksperimentov ukhudshalos'. Chto zhe, teorii neverni? Oni verni -- kazhdaya v svoej oblasti. Lyubaya teoriya daet lish' priblizitel'nuyu kartinu opisaniya real'nogo fizicheskogo mira, i tem luchshe ego opisivaet, chem tochnee vibrano priblizhenie. Kak bi ni bila khorosha teoriya v svoej oblasti, trudnosti voznikayut, kogda ona vtorgaetsya na chuzhuyu territoriyu.

V kvantovoj fizike ne udaetsya prokvantovat' gravitatsionnoe pole, zato izvestno, chto perenosit eto vzaimodejstvie graviton (i esche gravitino), chislo elementarnikh chastits davno perevalilo za chislo elementov tablitsi Mendeleeva. Eksperiment perestal bit' kriteriem vernosti teorii, uchenikh ne smuschaet, chto kvarki, sostavlyayuschie chastitsi, ne obnaruzheni ni v kakikh eksperimentakh. Najdeno etomu ob'yasnenie: kvarki ne mogut suschestvovat' v svobodnom sostoyanii, vne yadra chastitsi, poetomu oni nenablyudaemi. Na baze neobnaruzhennikh kvarkov, gravitonov, monopolej Diraka stroyatsya bolee usovershenstvovannie teorii.

Obschaya teoriya otnositel'nosti -- teoriya gravitatsii, ona s bol'shoj tochnost'yu opisivaet dvizheniya tel i rasprostranenie sveta v blizkoj k Solnechnoj sisteme oblasti prostranstva, gde drugimi, negravitatsionnimi silami, mozhno prenebrech'. Odnako problem kosmologii eta teoriya ne reshaet. Soglasno astronomicheskim nablyudeniyam poslednikh let, dlya ob'yasneniya dvizheniya dal'nikh zvezd i galaktik neobkhodimo dopustit' suschestvovanie skritoj massi, sostavlyayuschej 90% vsej massi Metagalaktiki, no eto dopuschenie ne ob'yasnyaet, pochemu Metagalaktika rasshiryaetsya uskorenno. V rassmatrivaemoj rabote pokazano, chto osnovnie sili v masshtabe Metagalaktiki -- elektromagnitnie. Mozhet bit', esli bi Ejnshtejn ne vicherknul iz uravnenij gravitatsionnogo polya kosmologicheskij chlen, teoriya otnositel'nosti mogla bi opisat' dvizhenie galaktik, a tol'ko gravitatsionnimi silami eto sdelat' nevozmozhno.

Rasprostranyaya polozheniya OTO na skol' ugodno malie rasstoyaniya, t. e. vtorgayas' v oblast' yadernikh sil i dopuskaya suschestvovanie plotnosti veschestva, na mnogo poryadkov prevoskhodyaschuyu yadernuyu, bila poluchena teoriya Bol'shogo vzriva, soglasno kotoroj, prenebregaya vsemi zakonami sokhraneniya, material'nij mir voznik iz matematicheskoj tochki, iz nichego, i takzhe mozhet okonchit' svoe suschestvovanie. Posle sta let razvitiya fiziki stalo ochevidno, chto ona zashla v tupik.

V poiskakh osnovi dlya edinoj teorii polya moj vibor pal na klassicheskuyu relyativistskuyu elektrodinamiku, poskol'ku uravneniya Maksvella invariantni otnositel'no preobrazovanij Lorentsa, t. e. sokhranyayut svoj vid v lyuboj sisteme otscheta, i oni predstavlyayut soboj nezamknutuyu sistemu uravnenij. Dopolnyayuschie ikh tak nazivaemie material'nie uravneniya (ili uravneniya sostoyaniya) mozhno podbirat' sootvetstvenno rassmatrivaemoj oblasti issledovanij. Chtobi ponyat' osnovnie uravneniya elektrodinamiki, popitalas' predstavit' sebe neprerivnuyu sredu, kotoraya mogla bit' opisana etimi uravneniyami. Pochemu neprerivnuyu -- da potomu, chto tol'ko v takoj srede ne voznikaet problema vzaimodejstviya na rasstoyanii. Mozhno vozrazit', chto obmen vzaimodejstvuyuschikh mezhdu soboj ob'ektov chastitsami tozhe opisivaetsya kak blizkodejstvie, no takoe vzaimodejstvie proiskhodit ne neprerivno po vremeni, a lish' v momenti ispuskaniya i pogloscheniya chastits obmena, a v promezhutkakh vzaimodejstvuyuschie tela (chastitsi) dvizhutsya po inertsii, znaya, chto im sleduet peremeschat'sya ravnomerno i pryamolinejno. Esli zhe chastitsi predstavlyayut soboj konfiguratsii osobikh tochek sploshnoj sredi, oni postoyanno perenosyatsya potokami etoj sredi, i v momenti uskoreniya, i pri ravnomernom dvizhenii.

Itak, krome neprerivnoj sredi nado imet' ee osobie tochki ili osobie linii -- diskretnie obrazovaniya v neprerivnoj srede. Poskol'ku iz uravnenij Maksvella sleduet, chto, B=rotA, rassmatrivaya A kak neprerivnoe vektornoe pole, opisivayuschee potoki sploshnoj sredi, v kachestve prostejshego diskretnogo obrazovaniya vibiraem zamknutuyu elementarnuyu magnitnuyu liniyu a_i -- vikhrevuyu liniyu potokov sploshnoj sredi. V rabote predlagaetsya model' elementarnoj chastitsi, kern i pole kotoroj obrazovani elementarnimi magnitnimi liniyami. Rassmatrivaya a_i kak real'nie vzaimodejstvuyuschie mezhdu soboj obrazovaniya, udalos' pokazat', chto iz uravnenij Maksvella mozhno poluchit' opisanie lyubikh vzaimodejstvij, suschestvuyuschikh v prirode, vklyuchaya gravitatsionnie. Pri etom neobkhodimost' v gravitone, kak i v kvarkakh pri opisanii strukturi elementarnikh chastits, otpala. Itak, vse vzaimodejstviya elektromagnitnie, no eto ne oznachaet, chto sila vsemirnogo tyagoteniya svoditsya k kulonovskoj sile ili sile Ampera, eti sili opisivayutsya raznimi slagaemimi polnoj elektromagnitnoj sili, najdennoj iz tenzora napryazhenij elektromagnitnogo polya.

V knige malo formul, i vovse net novikh uravnenij dlya provedeniya konkretnikh raschetov v toj ili inoj uzkoj oblasti fiziki. No pokazana vozmozhnost' uvidet' v izvestnikh formulakh to, chego ne videli ran'she -- naprimer, chto uravneniya Maksvella opisivayut sili gravitatsii i sili inertsii v neinertsial'nikh sistemakh otscheta, schitayuschiesya fiktivnimi silami. V rabote sila vsemirnogo tyagoteniya iz uravnenij Maksvella poluchena v n'yutonovskom priblizhenii, no iz tekh zhe uravnenij mozhno gravitatsionnoe vzaimodejstvie opisat' bolee tochno. Glavnaya tsel' dannoj raboti -- dokazat', chto eto v printsipe vozmozhno, i pokazat', kakie slagaemie obschego virazheniya elektromagnitnoj sili opisivayut to ili inoe vzaimodejstvie.

Storonniki predstavlenij ob efire chasto pitayutsya dokazat' nesostoyatel'nost' teorii otnositel'nosti, yakobi oprovergayuschuyu suschestvovanie efira. No teoriya otnositel'nosti zdes' ni pri chem, ona primenima lish' dlya inertsial'nikh sistem otscheta (tochnee, dlya sistem otscheta, kotorie pri opisanii nekotorogo yavleniya mogut rassmatrivat'sya kak inertsial'nie, ibo strogo inertsial'nikh sistem, svyazannikh s material'nimi telami, net), a v inertsial'nikh sistemakh efir nikak sebya ne proyavlyaet. Neverna ne teoriya otnositel'nosti, a oshibochno viskazivanie Ejnshtejna, chto, poskol'ku opit Majkel'sona ne viyavil vliyanie efira, on ne suschestvuet. Efir -- ne sreda, imeyuschaya molekulyarnoe stroenie i zapolnyayuschaya promezhutki mezhdu chastitsami veschestva, a sploshnaya sreda, osobie tochki potokov kotoroj obrazuyut sami chastitsi i ikh polya.

Zamechennie opechatki