Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 61)

В настоящее время известны шесть основных физических теорий: ньютонова механика (НМ); ньютонова теория тяготения (НТТ); специальная теория относительности (СТО); общая теория относительности (ОТО), или эйнштейновская теория тяготения (ЭТТ); квантовая механика (КМ); релятивистская квантовая механика (РКМ). В каком соотношении между собой они находятся? При рассмотрении этого вопроса мы будем опираться на идеи Абрама Леонидовича Зельманова, изложенные в его работах[158]^, [159]. При этом представляется более удобным (конечно, это дело вкуса) изменить геометрический образ взаимосвязей и вместо «куба Зельманова» представить совокупность физических теорий в виде «пирамиды знания»[160].

Рис. 2.3.1. Пирамида физических теорий

На рис. 2.3.1 изображена четырехгранная пирамида (тетраэдр). Каждое ребро этой пирамиды изображает определенную фундаментальную физическую теорию. В основании пирамиды лежат три основные теории: ньютонова теория тяготения, специальная теория относительности и квантовая механика. Все они характеризуются одной фундаментальной физической постоянной (мировой константой). Для ньютоновой теории тяготения это постоянная тяготения G, для специальной теории относительности это фундаментальная скорость распространения физического взаимодействия с (совпадающая численно со скоростью света в пустом пространстве) и для квантовой механики — постоянная Планка h.

Истоком всех этих теорий является ньютонова механика (не содержащая никакой фундаментальной постоянной). Как известно, механика Ньютона справедлива при описании движения тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Она не распространяется на гравитационные явления и не включает в себя закон всемирного тяготения. Ньютонову теорию тяготения можно рассматривать, как расширение ньютоновой механики, обобщение ее на область гравитационных явлений. При отсутствии гравитации уравнения НТТ сводятся к уравнениям ньютоновой механики. При скоростях, близких к скорости света, ньютонова механика не применима. Это область специальной теории относительности. Она также не охватывает гравитационных явлений. Можно сказать, что специальная теория относительности есть обобщение ньютоновой механики на случай, когда скорость движения тел близка к скорости света. При условии υ << с (скорость много меньше скорости света) уравнения СТО переходя т в уравнения механики Ньютона. Это позволяет рассматривать ньютонову механику как частный случай СТО, а последнюю, как более общую теорию, включающую в себя НМ. Ньютонова теория тяготения и специальная теория относительности справедливы при описании движения макроскопических тел. В области микромира они не применимы. Здесь действуют законы квантовой механики. Они справедливы, когда произведение энергии движущихся частиц на время (или количества движения на пройденный путь) сопоставимо с квантом действия h. Если эти величины много больше h, действуют законы ньютоновой механики. Таким образом, квантовая механика есть обобщение. НМ на область микромира. При h → 0 (т. е. когда квантом действия h можно пренебречь) уравнения квантовой механики переходят в уравнения механики Ньютона.

В нашем тетраэдре ребра основания пересекаются в точках А, В и С. Каждая из этих точек служит истоком более общей теории, каждая из них характеризуется двумя мировыми константами. Так, точка А, в которой пересекаются НТТ и СТО, служит истоком общей теории относительности. Она является обобщением ньютоновой теории тяготения на область сильных гравитационных полей и быстрых движений (со скоростями, близкими к скорости света). В то же время она является распространением, обобщением СТО на область гравитационных явлений. Соответственно, общая теория относительности характеризуется двумя фундаментальными постоянными G и с. При отсутствии гравитации уравнения ОТО переходят в уравнения специальной теории относительности. А при медленных скоростях движения υ << с) уравнения ОТО переходят в уравнения ньютоновой теории тяготения. Таким образом, обе теории — НТТ и СТО — можно рассматривать как частные проявления более общей теории — ОТО. Последняя справедлива для макроскопических тел и не распространяется на явления микромира. Точка В, где пересекаются СТО и КМ, является истоком релятивистской квантовой механики. Она является обобщением квантовой механики на случай движения частиц с релятивистскими (т. е. близкими к с) скоростями и в то же время — обобщением СТО на область микромира. Соответственно, РКМ характеризуется двумя мировыми константами с и h. Наконец, точка С, где пересекаются НТТ и КМ, может быть истоком теории, которую Зельманов назвал (нерелятивисгской) квантовой гравитационной теорией (КГТ). Она характеризуется двумя постоянными G и h и является обобщением НТТ и КМ. Подобной теории пока не существует. И возможность ее построения вызывает сомнение, так как кванты гравитационного поля (гравитоны) должны перемещаться со скоростью света и, следовательно, квантовая теория гравитации неизбежно должна быть релятивистской. Тем не менее Зельманов формулирует условия, при которых КГТ может существовать как самостоятельная теория. Получается, в целом, довольно симметричное построение. Грань тетраэдра АОВ образована релятивистскими теориями, грань ВОС — квантовыми теориями и грань АОС — гравитационными теориями.

В этой схеме не нашлось места для ньютоновой механики НМ, которая служит истоком всех остальных теорий. Можно изобразить ее в центре основания и, проведя стрелки на ребра АВ, АС и ВС, указать тем самым, что соответствующие теории исходят из НМ. Другой вариант, предложенный В. Г. Сурдиным, — пристроить к основанию еще одну пирамиду вершиной вниз и поместить в эту вершину НМ.

Что касается таких физических дисциплин, как статистическая физика, термодинамика и электродинамика, то первоначально они были сформулированы в рамках ньютоновых представлений, но впоследствии, должным образом обобщенные, они вошли в рамки тех представлений, которые вытекают из более общих теорий: СТО, ОТО и КМ. Основные физические взаимодействия также охватываются этой схемой. Теория электромагнитного взаимодействия входит в СТО, а теория слабого и сильного взаимодействия — в РКМ. Гравитационное взаимодействие описывается гравитационными теориями.

Все физические теории в нашей схеме сходятся к вершине пирамиды, которая изображает наиболее общую теорию, являющуюся синтезом всех существующих. Зельманов назвал ее Единой физической теорией (ЕФТ). Она характеризуется тремя мировыми константами G, h и с. Эта теория, объединяющая все виды физических взаимодействий, находится сейчас в стадии становления. Мы уже упоминали об объединении электромагнитного и слабого взаимодействий и создании теории электрослабого взаимодействия, а также о Великом объединении трех физических взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного. Чтобы завершить этот процесс синтеза физических теорий, необходимо включить в объединенную теорию и гравитационное взаимодействие. Такая формирующаяся сейчас теория получила название Суперобъединения.

Тенденция к синтезу, интеграции основных понятий и теорий характерна для развития физических наук. Специальная теория относительности объединила столь различные категории, как пространство и время, в единую сущность — четырехмерный пространственно-временной континуум. Оказалось, что лишь при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, эта единая сущность разделяется на две независимые составляющие — пространство и время, никак не связанные друг с другом. Но при скоростях, близких к скорости света, пространство и время уже не являются независимыми: при движении тел с такими скоростями совместно меняются и геометрические свойства пространства, и темп течения времени. Мы уже упоминали о том, как еще до создания теории относительности произошло объединение теорий электричества и магнетизма в единую теорию электромагнитного поля. Это стало возможным потому, что электрические и магнитные силы, как выяснилось, являются проявлением одного электромагнитного взаимодействия. Впоследствии произошло объединение этого взаимодействия со слабым и сильным. Все они оказались проявлением одной универсальной силы Великого объединения. Создатель теории относительности А. Эйнштейн мечтал о построении теории, в которой были бы объединены все силы природы. Много лет после создания теории относительности, практически всю вторую половину жизни он напряженно работал над созданием такой теории. Современная теория суперобъединения (еще до конца не завершенная) является воплощением этой мечты Эйнштейна[161].

Единое универсальное взаимодействие, объединяющее все силы природы, все виды физических взаимодействий, проявляется как синтетическое начало только при очень больших энергиях частиц, порядка планковской энергии

Она на пять порядков больше энергии Великого объединения. При меньшей энергии происходит расщепление Единого взаимодействия, сначала отщепляется гравитационное взаимодействие, затем сильное и, наконец, происходит разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное. В условиях, с которыми мы обычно имеем дело, все эти взаимодействия выступают как совершенно различные силы, хотя и являются проявлением одной Универсальной Силы Природы.