Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов
Шрифт:
В научных кругах часто можно услышать высказывание, что выбор той или иной инновационной теории в физике является, прежде всего, делом вкуса ученого. Здесь можно в зависимости от степени своего оптимизма с нетерпением ожидать потока «открытий века» или считать все это просто блестящей игрой ума теоретиков, ведь за прошедшее столетие сколько их гипотез не получили опытного подтверждения…
Тем не менее, несмотря на скепсис в выборе конкретного пути исследования, сама по себе проблема новых гравитационных сил представляет один из интереснейших и актуальнейших вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья «Иллюзия гравитации», опубликованная в журнале «В мире науки» [1]
1
Малдасена Хуан. Иллюзия гравитации // В мире науки. — 2006. — № 2.
«Для многих физиков квантовая теория гравитации — это чаша святого Грааля, потому что вся физика, за исключением сил тяготения, прекрасно описывается квантовыми законами. Примерно 80 лет назад квантовая механика была разработана для описания частиц и сил в атомных и субатомных масштабах, при которых становятся существенными квантовые эффекты. В квантовых теориях у объектов нет определенных положений и скоростей и все описывается вероятностями и волнами, занимающими определенные области пространства. В квантовом мире все пребывает в постоянном движении: даже “пустое” пространство заполнено такназываемыми “виртуальными частицами”, которые непрерывно появляются и исчезают.
Вместе с тем общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью».
С историческим экскурсом молодого аргентинского физика нельзя не согласиться, однако любопытна сама неявно высказанная позиция — общую теорию относительности надо менять. Или же можно присоединить ее к квантовой механике, но никак не наоборот. Между тем в историческом плане все выглядит несколько иначе. За истекший период времени развития новой физики именно квантовая теория испытала самые серьезные попытки реформации, к примеру, Бома, Эверетта и Уиллера. Впрочем, с общим анализом ситуации Малдасены трудно поспорить:
«В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.
Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10– 35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Если мы предположим, что вещество повинуется законам квантовой механики, а гравитация подчиняется общей теории относительности, то столкнемся с математическими противоречиями. Поэтому-то и необходима
Здесь все вроде бы правильно и в то же время так странно. Как говорит мой знакомый американский физик Ли Смолин, новое поколение ученых слишком «натеоретизировано» и «наформализовано». Для нынешних молодых физиков-теоретиков любые математические неувязки в теории воспринимаются как личная трагедия вместо того, чтобы становиться стимулом к анализу природы возникшего физического парадокса. Смолин даже написал по этому поводу замечательную книгу «Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует».
Между тем Малдасена, выражая авангардистские устремления «струнных» теоретиков, настойчиво подводит нас к мысли единственности пути построения «Теории Всего»:
«В большинстве ситуаций противоречивые требования квантовой механики и общей теории относительности не представляют проблемы, поскольку или квантовые, или гравитационные эффекты оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Однако при сильном искривлении пространства-времени становятся существенными квантовые аспекты гравитации. Чтобы создать большое искривление пространства-времени, требуется очень большая масса или большая ее концентрация. Даже Солнце не способно настолько искривить пространство-время, чтобы проявления квантовых эффектов гравитации стали очевидными.
Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена, упомянутая ранее.
Многообещающий подход к квантовой теории гравитации — теория струн, которую физики-теоретики разрабатывают с 1970-х годов. С ее помощью удается устранить некоторые препятствия, мешающие построить логически последовательную квантовую теорию гравитации. Однако теория струн все еще в стадии разработки: физикам пока неизвестны ни ее точные уравнения, ни фундаментальные принципы, определяющие их форму. Кроме того, есть целый ряд физических величин, значения которых невозможно вывести из имеющихся уравнений».
Признаться, когда я впервые прочитал этот «манифест “струнной теории”» в очередном номере «SCIENTIFIC AMERICAN», мне показалось, что молодые теоретики наконец-то осознали тщетность построения иллюзорного мира, принципиально непредставимого в нашей действительности. Однако похоже, что увлеченность струнными построениями еще не отошла на второй план в современной теорфизике. Вот как говорит об этом сам Малдасена:
«Представьте две копии кинофильма: одна на рулонах 70-миллиметровой пленки, другая — на DVD. В первом случае имеем дело с целлулоидной кинолентой, каждый кадр которой можно без особого труда соотнести с тем или иным эпизодом фильма. Во втором случае перед нами жесткий двумерный диск с кольцами точек, которые по-разному отражают свет лазера и образуют последовательность нулей и единиц, которую мы вообще не в состоянии воспринять. Тем не менее оба носителя “описывают” один и тот же кинофильм.
Точно так же две теории, на первый взгляд совершенно отличные по содержанию, описывают одну и ту же вселенную. DVD напоминает радужно блестящий металлический диск, а теория частиц на границе “напоминает” теорию частиц в отсутствие гравитации. Кадры фильма, записанного на DVD, появляются на экране только после соответствующей обработки битов. Квантовая гравитация и дополнительное измерение появляются из теории частиц на границе лишь тогда, когда ее уравнения правильно проанализированы».