РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Квантовая сутра: Свиток второй

В 1905 году Альберт Эйнштейн создал новую концепцию пространства и времени, которую позднее окрестил Специальной Теорией Относительности.
Популярная механика
Популярная механика редакция

К сожалению, это название дало повод для множества примитивных толкований, что-то в духе известной песни Александра Галича:

Но под Ойстраха непростительно

Пить портвейн.

Так что в мире все относительно.

Прав Эйнштейн!

Физическая относительность — это вовсе не полная свобода индивидуальных мнений в духе старого стишка из басни «Разница вкусов» Козьмы Пруткова:

Ему и горький хрен — малина,

А мне и бланманже — полынь.

Если бы дело обстояло именно так, ученые не могли бы ни о чем договориться друг с другом и им осталось бы переквалифицироваться в управдомы.

Суть совершенно в другом. Физики со времен Галилея и Ньютона были уверены, что все механические процессы совершенно одинаково протекают в системах отсчета, которые равномерно перемещаются друг относительно друга по прямым линиям. Например, в биллиард можно с равным успехом играть и на суше, и на корабле, идущем по спокойной воде с постоянной скоростью. Отсюда возникло убеждение, что во всех таких системах законы физики должны иметь одну и ту же форму. Это утверждение мы сейчас называем принципом относительности.

Но как переходить от одной системы отсчета к другой? В ньютоновской физике это делается просто — время считается одним и тем же, а пространственные координаты просто сдвигаются с учетом взаимного перемещения систем. Такое преобразование и в самом деле не меняет ни известное нам со школьных времен уравнение F=ma, ни ньютоновский закон тяготения. А вот с уравнениями электродинамики Максвелла подобный фокус не проходит, в них появляются дополнительные члены, которые не имеют физического смысла. Чтобы этого избежать, приходится применять куда более сложные преобразования координат и времени, которые делают их зависящими друг от друга, а также от скорости относительного движения систем и скорости света. Эти трансформации называют преобразованиями Лоренца, хотя на самом деле их первым придумал ирландский физик Джозеф Лармор.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Специальная теория относительности — это логическое следствие преобразований Лоренца и принципа, согласно которому скорость света постоянна во всех системах отсчета. Из нее вытекает, что пространство и время образуют неразделимое четырехмерное единство (физики называют его пространственно-временным континуумом). Из них также следует, что события, которые в одной системе протекают одновременно, в другой случаются с временным интервалом. Более того, с точки зрения наблюдателя, привязанного к системе А, замедляются все процессы и сокращаются пространственные масштабы в системе B, которая равномерно движется относительно А (точнее, сокращение масштабов происходит продольно, по направлению вектора скорости системы B). Самое знаменитое в мире уравнение E=mc2 тоже следует из лоренцевских преобразований.

Таким образом, относительность эйнштейновской теории сама относительна. В ней есть универсальная константа — скорость света, которая является предельной скоростью распространения физических взаимодействий, а тем самым и любых сигналов. В ней имеются величины и уравнения, которые остаются одинаковыми во всех системах отсчета, то есть не меняются при преобразованиях Лоренца. А необычные с точки зрения нашего опыта изменения размеров, времен и масс происходят в соответствии с точными и надежно подтвержденными экспериментом формулами. В общем, прав Эйнштейн.

Однако специальная теория относительности (СТО) несовместима с ньютоновской теорией гравитации. Эта теория утверждает, что все тела притягивают друг друга с силой, которая зависит только от их масс и взаимных расстояний. При изменении этих расстояний сила тяготения меняется мгновенно, что явно противоречит СТО. Поэтому Эйнштейн уже с 1908 года начал работать над новой моделью тяготения. Через семь лет неустанных трудов он пришел к концепции, которую назвал общей теорией относительности (ОТО). В основе ОТО лежит абсолютно революционная для своего времени идея, согласно которой пространственно-временной континуум является не плоским, а деформированным, а гравитация возникает как «силовое» проявление этой деформации. Искривление пространства-времени создается всеми видами энергии, в том числе и энергией «пустоты», физического вакуума. Она зависит не только от распределения массивных тел в пространстве, но и от их движения, от возникающих в них давлений и натяжений, от электромагнитного поля и всех прочих физических полей. Геометрия пространства отличается от евклидовой, вследствие чего световые волны даже в пустоте распространяются не по прямым линиям, а сумма углов треугольника не равна 180 градусам. Из ОТО также вытекает, что наша Вселенная непременно имела начало, а вот что ему предшествовало, пока служит предметом дискуссий.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Материя или движение. Материя или пустота. Да есть ли вообще эта материя?

И СТО, и ОТО позволяют по отдельности говорить о волновых полях и материальных частицах и приписывать последним определенные скорости и положения в пространстве. Квантовая механика лишает нас и этого удовольствия. С ее точки зрения, понятия волн и частиц — это лишь дань нашим традиционным воззрениям, унаследованным от классической физики. В микромире действуют совсем другие правила, к описанию которых наш язык не приспособлен. У квантовых объектов в общем случае нет ни положений, ни скоростей — следовательно, нет и траекторий. Их движение описывается распределениями вероятностей, не более того. Но чем точнее мы знаем скорость электрона в данный момент, тем более расплывчато его положение — и наоборот. Свободный электрон в абсолютно пустом пространстве обладает точно измеримым импульсом, но вот его позиция полностью лишена определенности — если угодно, он равномерно размазан по пространству. А если мы изменим условия эксперимента и будем отлавливать электрон в очень малом объеме, его импульс станет вещью в себе, измерить его не удастся. Энергию любого квантово-механического объекта тоже можно измерить лишь с определенной погрешностью, которая тем больше, чем короче процесс измерения. Все эти утверждения составляют частные случаи фундаментального положения квантовой механики, которое называют принципом неопределенности.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако не следует думать, что квантовая механика заменяет кристальную ясность и предсказуемость классической физики каким-то дьявольским хаосом. Ее уравнения позволяют подсчитывать измеримые на опыте величины с потрясающей точностью. Они дали возможность рассчитать строение атомов и форму таблицы Менделеева, понять структуру атомных ядер, построить теорию элементарных частиц, предсказать особенности поведения твердых тел, жидкости, газов и плазмы, объяснить эволюцию звезд — всего и не перечислишь. Ее выводы могут показаться парадоксальными, но так уж устроен мир.

Взаимодействие частиц

Создание СТО, ОТО, квантовой механики и ее продолжений (от квантовой электродинамики до теории суперструн) привело к полному преобразованию фундаментальной физики. Сейчас мы знаем, что протоны, нейтроны и прочие сильно взаимодействующие частицы состоят из особых кирпичиков, кварков, которые недолго существовали в свободном состоянии, а потом слились в тройки и пары. В этих ассоциациях их воедино удерживают другие частицы, глюоны, которыми кварки обмениваются друг с другом. Мы также знаем, что электромагнитное и слабое взаимодействие между элементарными частицами — это лишь разные проявления одного и того же взаимодействия, которое называют электрослабым. У него есть свои переносчики — фотоны и тяжелые векторные бозоны. Нам известно, что массы частиц возникают не из ничего, а благодаря наличию особого физического поля, поля Хиггса.

Квантовый мир оказывается ареной игры различных физических сил. На заре существования Вселенной они были едины, а затем распались на компоненты, которые в доступной для нас энергетической шкале проявляют себя как слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. В основе гравитации тоже лежат квантовые эффекты, теория которых еще не построена. Так что в мире всё если и не относительно, то уж точно взаимосвязано.

Читайте также первый свиток «Квантовой сутры».

Загрузка статьи...