Вот уже полстолетия физика топчется на месте

Начинаем бег на месте

В 1831 году Майклом Фарадеем был создан первый в мире генератор электроэнергии. Через 42 года после этого в 1873 году Джеймс Максвелл впервые вывел знаменитые уравнения электромагнитного поля. ОТО была опубликована Альбертом Эйнштейном почти 100 лет назад в 1916 году. И если открытие электричества полностью изменило облик цивилизации, то надежды, возложенные на ОТО до сих пор не оправдались: никаких новых технологий не последовало. Отчасти это связано с тем, что теорию нельзя назвать ни полной, ни, тем более, завершённой. Последовавшая затем в первой половине XX века квантовая революция, оказала огромное  влияние на техническое развитие. И всё же к настоящему моменту, совершенно очевидно, что она также не способна стать «локомотивом» фундаментальной науки. С прагматической позиции обычного человека электричество сегодня, почти 200 лет спустя после открытия, остаётся единственным благом, подаренным фундаментальной наукой. С этим, конечно, можно не соглашаться, но фактически, из всех существующих в природе взаимодействий, только электромагнитное легло в основу всех современных технологий.

Поиск новых решений заставляет думать о возможности слияния ОТО и квантовой теории поля. Тем не менее, такое слияние сейчас невозможно (да и вообще не нужно!) по ряду причин. Уравнения ОТО до сих пор не решены в общем виде из-за существенной математической сложности задачи и неоднозначности, которая должна быть прежде устранена заданием дополнительных (координатных) условий, различных в каждом конкретном случае. Кроме того, необходимо учесть уравнения движения среды для рассматриваемой области.

С другой стороны квантовая физика имеет свой достаточно громоздкий математический аппарат. Скрещивание одного с другим породит монстроподобный гибрид, сложность которого самым непосредственным образом скажется на устойчивости получающихся решений. Между тем, наш мир, очевидно, чрезвычайно устойчив и, следовательно, физически верная теория должна быть простейшей из возможных. Назовём это концепцией «примитивного решения». С точки зрения данной концепции создание теории квантовой гравитации – это путь в никуда.

Возвращаясь к ОТО, как я уже говорил, теория до сих пор не полна. В её основу заложен довольно неоднозначный сильный принцип эквивалентности (эйнштейновский принцип эквивалентности). Привожу одну из его классических формулировок (Паули):

«…В бесконечно малой области четырёхмерного мира любое поле тяготения может быть уничтожено с помощью преобразования координат. Местная система координат может быть мысленно реализована в виде свободно парящего, достаточно малого ящика, на который не действуют никакие внешние силы, кроме силы тяготения, в которой он свободно падает».

Данный принцип непосредственно вытекает из «слабого принципа эквивалентности», утверждающего равенство инертной и гравитационной масс (Паули):

«…Поле тяготения обладает фундаментальным свойством сообщать всем телам одинаковое ускорение или, иначе говоря, тяжёлая и инертная массы всегда равны».

Сильный принцип отличается от слабого лишь тем, что Эйнштейн обобщил его для всех физических законов. Следовательно, не только механические законы, но и, в частности, электродинамические в свободно падающем лифте («лифт Эйнштейна») те же, что и в отсутствии гравитации.

Так что же неоднозначно в этом принципе? Прежде всего, следует упомянуть спор, разгоревшийся на страницах одного из ведущих научных журналов России «Успехи физических наук» между академиками РАН А.А.Логуновым и В.Л.Гинзбургом. Привожу прямые ссылки на статьи: А.А.Логунов, М.А.Мествиришвили, Ю.В.Чугреев «О неправильных формулировках принципа эквивалентности», УФН 166 81 (1996), В.Л.Гинзбург, Ю.Н.Ерошенко «Еще раз о принципе эквивалентности», УФН 165 205 (1995), а также В.Л.Гинзбург «Об излучении и силе радиационного трения при равномерно ускоренном движении заряда», УФН 98 569 (1969).

Суть спора состоит в следующем. Если мы поместим в лифт Эйнштейна электрический заряд, то с одной стороны, заряд движется с ускорением и, стало быть, должен излучать и такое излучение позволит непосредственно внутри самого лифта определить, что мы находимся в неинерциальной системе отсчёта. Данное предположение расходится с принципом эквивалентности, утверждающим, что никакими измерениями внутри лифта невозможно определить падает ли он свободно в поле тяготения, либо же покоится (движется инерциально) в пустом пространстве вдали от тяготеющих масс.

С другой стороны, если мы рассмотрим инерциальную систему отсчёта, покоящуюся в поле тяготения, относительно которой движется лифт (а вместе с ним и электрический заряд) с ускорением свободного падения g, то очевидно, что в этой системе будут существовать электрическое и магнитное поля равноускоренно движущегося заряда. Получается, что выбором системы координат можно либо «породить», либо «уничтожить» свободное электромагнитное излучение, т.е. его носители фотоны.

В рамках ОТО парадокс разрешается чрезвычайно просто: существование электрического и магнитного полей не равносильно свободному электромагнитному излучению. Сам факт наличия поперечного электромагнитного поля в инерциальной системе координат, относительно которой падает лифт, не означает автоматически наличия свободных электромагнитных волн (фотонов). Зафиксировать же излучение заряда, находясь в лифте, разумеется, не удастся, поскольку относительно него он покоится и, стало быть, не излучает.

Вообще, следуя ОТО, любые заряды, движущиеся по геодезическим линиям искривлённого пространства-времени не излучают свободных фотонов. Принцип эквивалентности изначально заложен во все уравнения ОТО и, следовательно, любое решение в рамках теории не будет вступать в противоречие с данным принципом, но и его доказательством также не является.

Сам вопрос по поводу эйнштейновского принципа эквивалентности был поставлен совершенно правильно. Объективный ответ на него может дать лишь эксперимент. Если бы вдруг оказалось, что заряды излучают, то от ОТО не осталось бы и камня на камне: «…выньте фундамент и здание развалится».

Достоверных данных, полученных от экспериментов непосредственно с заряженными телами (частицами) нет. Однако этого и не требуется, поскольку на сегодняшний день существует множество проверок принципа эквивалентности для электрически нейтральных тел. Вклад в массу любого тела дают энергии всех известных взаимодействий: электромагнитного, сильного, слабого и т.д. Если хотя бы одно из них не удовлетворяет принципу эквивалентности, – подобное сразу же обнаружится. На сегодняшний день равенство инертной и тяжёлой масс установлено с точностью до 10^-13 по последним оценкам. Для интересующихся дальнейшими подробностями могу указать на книгу: Уилл К. «Теория и эксперимент в гравитационной физике» (Москва: Энергоатомиздат, 1985). А также на первоисточник с результатами последней проверки такого равенства: «Torsion-balance tests of the weak equivalence principle», Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics, University of Washington (2012).

Тем не менее, не всё так просто, и в самой формулировке сильного принципа эквивалентности есть слабое место, а именно (цитирую): «…в бесконечно малой области четырёхмерного мира…». На самом деле эта фраза, присутствующая в различных вариациях, «сводит на нет» весь принцип. Рассмотрим, например, движение материальной точки по окружности и применим к последнему принцип «бесконечно малого перемещения». При таком перемещении длина дуги окружности будет стремиться к длине стягивающей её хорды, т.е. прямой. Однако же, свести само движение по окружности к движению по прямой, путём рассмотрения «бесконечно малых» перемещений точки, невозможно в принципе. Так, в системе координат движущейся с материальной точкой, неизбежно будет возникать сила инерции, действующая на любые покоящиеся в ней тела, даже в «бесконечно малой области четырёхмерного мира». И далее, в продолжение примера, любое прямолинейное движение можно считать движением по окружности бесконечного радиуса (R → ∞) и затем, распространяя данный подход на произвольное криволинейное движение, ввести «принцип эквивалентности» прямолинейного движения движению по кривой, рассматривая лишь перемещения много меньшие радиуса кривизны. Думаю, аналогия ясна и обобщение, сделанное Эйнштейном, вызывает массу вопросов.

Именно поэтому сильный принцип эквивалентности формулируют обычно без разъяснения того, что на самом деле подразумевает «бесконечно малая область». Далее я привожу другую формулировку этого принципа, взятую мной из названной выше книги К. Уилла:

«…Результат любого НЕГРАВИТАЦИОННОГО контрольного эксперимента не зависит ни от скорости свободно падающего прибора ни от того, где и когда во Вселенной он проводится».

Именно негравитационного, потому как стоит залезть в лифт Эйнштейна с чувствительным гравиметром, так довольно скоро станет ясно, где вы находитесь. Мало того, что никакое реальное распределение масс не поможет воссоздать «гравитационное поле» (т.е. поле сил инерции) порождённое ускорением системы координат, так ещё и согласно самой ОТО, массы, движущиеся по геодезическим линиям, должны излучать гравитационные волны, которые так же точно будут производиться и всеми массами внутри лифта Эйнштейна. Действительно, интенсивность гравитационных волн крайне мала ввиду малости гравитационной постоянной G и квадрупольного характера излучения, но сути дела это не меняет. Что говорит эксперимент? Достоверных данных о непосредственной регистрации гравитационных волн в лабораторных условиях до сих пор не существует. Однако же астрономические наблюдения за системами двойных компактных звёзд (в частности, пульсаров) косвенно подтверждают потерю энергии на излучение гравитационных волн в соответствии с расчётами ОТО.

В ОТО «зашита» и ещё одна существенная трудность, в принципе тесно связанная с обсуждаемыми выше вопросами. Так, согласно теории не только движение масс определяет гравитационное поле (кривизну пространства-времени), но и поле, в свою очередь, искривляя геодезические, тем самым определяет движение масс. Эта проблема известна так же, как «проблема самодействия». Космологические наблюдения показывают, что наш мир плоский – геометрия его евклидова, т.е. массы вещества вносят лишь поправки высшей степени малости в геометрию мира. Таким образом, привязывая гравитацию к геометрии, ОТО, тем не менее, останавливается на половине пути, не делая следующего логического шага. Если геометрия не определяется существующим сейчас во Вселенной веществом (массами), то это вовсе не значит, что в отсутствии вещества мир должен быть евклидовым. Сейчас же евклидовость пространства рассматривается ОТО как «бесплатная, спущенная свыше данность». Такое положение дел совершенно афизично и ненаучно.

Физика – не математика и абстракции в ней не место. За наличием любых ненулевых значений метрики пространства-времени должны стоять совершенно конкретные материи и энергии (см. статью «К проблеме космологической постоянной»). То, что ОТО не способна ничего прояснить по данному вопросу, ещё раз доказывает незавершённость теории.

Где-то с середины XX века «центр тяжести» научных изысканий резко переместился в область изучения квантовых явлений и физики частиц. Однако здесь случилась странная вещь, касающаяся методологии научного познания. Физика, как наука о природе, всегда пыталась объяснять существующие сложные природные явления путём сведения их к совокупности более простых, а также объединения, казалось бы, совсем различных по своей сути вещей. В итоге, дойдя до уровня элементарных понятий, обнаружилось, что такой метод больше не работает. Ну, например, что такое Время, или, что такое Пространство и его измерения? Пришло осознание, что объяснить простые вещи гораздо сложнее всего того, с чем приходилось сталкиваться ранее. И здесь физика перестала объяснять существующие в природе явления, но начала «изобретать» новые, в природе не наблюдавшиеся, чтобы затем тут же объяснить, почему мы этого не наблюдаем. Я сейчас говорю о кварках. Известно, что свободных кварков не существует, это «строго запрещено», причём теоретически. Стандартный метод научного познания – «разделяй на составляющие» продолжал работать уже во вред всей системе, и если этих составляющих нет, то их нужно «найти» во что бы то ни стало. Я не хочу сказать, что именно кварки чисто вымышленные частицы, некая математическая абстракция, я хочу сказать, что, в известной степени, все частицы вымышленные, и все они есть математическая абстракция совершенно других явлений. Поэтому «наколачивать» всё более и более элементарные частицы можно до умопомрачения долго, благо мощности нового коллайдера в Церне позволяют. И каждый раз с освоением новых мощностей мы будем расширять «свод частиц стандартной модели». Каждый раз при выполнении определённых условий мы будем регистрировать объекты, которые выглядят как частицы. И несть им числа.

С каждой новой частицей у нас появляются всё новые константы и взаимодействия, система становится всё менее стабильной, в теории возникают новые «магические числа», значения которых необходимо подбирать исключительно из эксперимента. Так недавно был открыт бозон Хиггса, который якобы дал массу всем другим частицам, т.е. всей материи во Вселенной. Хочется спросить, а сам он откуда взял эту массу? Ведь подобные «открытия» ничуть не приближают нас к фундаментальному понятию массы. Такой подход в физике с успехом объясняет всё, ничего при этом не объясняя. Классический пример подобной логики: «Если есть новое непонятное явление – значит должна быть и новая частица, которая нам пока неизвестна, но именно она как раз таки и является "носителем” этого явления». Вот уже полстолетия мы топчемся на месте, пытаясь компенсировать отсутствие продвижения в фундаментальной науке любым возможным прогрессом в сфере прикладных изысканий.

На самом деле всё это путь в противоположном направлении от «Великого объединения». Между тем существует совершенно другой подход и другое возможное решение, на которое я бы и хотел здесь обратить внимание.

Заглядывая всё выше по шкале энергий, мы не замечаем того, что лежит под ногами. Ведь хорошо известно, что энергия может быть определена лишь с точностью до некоторой константы – т.н. уровня отсчёта. Для нас этот уровень естественным образом определяется энергией нулевых колебаний физического вакуума. Так, если мы определяем энергию фотона или температуру равновесного излучения, например реликтового, то лишь с точностью до нулевого уровня (см. рисунок).

При измерениях нам недоступно абсолютное значение энергии фотона E_ν, которое неизменно, мы измеряем лишь относительные величины ΔE₁ и ΔE₂.

Теперь представим, что в процессе эволюции сам уровень сдвигается вверх, в сторону более высоких значений энергии по абсолютной шкале. В результате чего фотон, скажем фиолетового цвета, начнёт постепенно «краснеть», продвигаясь вниз по спектру частот. Очевидно, что для нас, как внутренних наблюдателей, подобный процесс ничем не отличается от остывания Вселенной.

Такая возможность объяснения происходящего требует совершенно определённого представления (модели) процесса т.н. «расширения» пространства Вселенной (модель подробно обсуждается в моей статье «К проблеме космологической постоянной»). Таким образом, путь к «Великому объединению» лежит за областью «нулевых энергий» дальше вниз. Последнее полностью подтверждается экспериментальными наблюдениями свойств физического вакуума, единая энергия нулевых колебаний которого производит все возможные частицы и взаимодействия, что и есть «Великое объединение».

Забираясь всё выше по шкале энергий на ускорителях частиц, мы тем самым открываем новые, никогда ранее не существовавшие частицы, фактически шагаем в противоположную сторону. Ситуация очень напоминает искусственный синтез новых химических элементов с ничтожно малым периодом полураспада, не существующих в естественных условиях.

Данный текст задумывался как некое предисловие к моей работе, посвящённой решению проблемы космологической постоянной, а также тёмной материи, тёмной энергии и космологической модели вообще. В своей статье я старался придерживаться формального, строгого стиля изложения материала и, надеюсь, что мне удалось донести до читателя ключевые моменты.

Юрий Ермоленко

Источник geoinvar.ucoz.com