Геометрия, динамика, вселенная
И.Л.Розенталь
ГЕОМЕТРИЯ, ДИНАМИКА, ВСЕЛЕННАЯ
А Н Н О Т А Ц И Я
Книга посвящена проблемам современной физики и космологии.
Рассматривается современная геометрия и ее связь с
динамикой, новейшие модели эволюции Метагалактики,
обсуждается проблема структуры физического пространства и
его размерность. Все эти проблемы теоретической физики и
космологии автор излагает для читателей, знакомых с общей
физикой в объеме курсов, читаемых в вузах. Книга рассчитана
на читателей, интересующихся современными достижениями
космологии и физики.
Научно-популярная литература АН СССР.
"Планета Земля и Вселенная"
R E A D M E
Существует добрая традиция набирать и распространять на
носителях только художественную или специальную литературу.
Но эта книга показалась мне столь интересной, несмотря на
уже достаточно давний год издания, что я решил ее набрать. В
свое время поразительным образом получила широкую
известность теория относительности Эйнштейна, что в общем-то
крайне удивительно, если учесть косность интересов
обывателя. Говорят, что в свое время даже выпускались
брошюры типа "теория относительности для домашних хозяек".
Вероятно, сама мысль о том, что мир может быть абсолютно не
таким, каким он кажется нам с нашими органами чувств и
бытовым опытом была такой потрясающей, что вызывала интерес
даже у людей далеких от физики.
С тех пор физика несколько ушла вперед. Но интерес к
тому, в каком же мире мы живем, уже успел быстро угаснуть,
как угасает и всякая газетная сенсация. А вопрос весьма-таки
интересный - поскольку мир действительно вовсе не такой,
каким кажется. И вопросы о том, сколько измерений он имеет,
ПОЧЕМУ он такой, а не другой и т.п. кажутся относящимися
скорее к области фантастики или религии, чем науки. А уж то,
что на них возможно дать ответ - это уже воспринимается, как
абсолютная фантастика. Кстати, к вопросу о религии - слова о
"целенаправленности" развития мира, о "запланированности"
появления наблюдателя и т.п. звучат в устах современного
физика просто потрясающе - не потому ли многие из великих
физиков совершенно сознательно становились людьми верующими,
хотя об этом и не принято говорить. Не менее интересным
является и вопрос о том, КАК рождался наш (да и в общем-то
не только наш) мир и что с ним теперь происходит. А уж
вопрос, что с ним будет дальше - и вовсе животрепещущ.
Подход автора данной книги в этим вопросам очень
необычен. Другие авторы предпочитают этих вопросов просто не
касаться. И вообще поднятие их (этих вопросов) в физике
рассматривается как "дурной тон". Но в то же время на
большинство из них физика уже вполне в состоянии ответить -
если только дать себе труд немного пошевелить мозгами.
Современные ученые крайне не любят вопросов "Почему?",
поскольку это вопросы, которые могут пошатнуть незыблемые
твердыни науки, на коих покоится благополучие и
благосостояние как самой науки, так и всех ученых при ней. А
вопросы эти гораздо более актуальные, чем "Как?". Хотя и
этих последних ученые тоже не любят. Они вообще не очень
любят вопросы. И не очень любят излагать нормальными
человеческим словами и понятиями, до чего же они докопались,
видимо, справедливо полагая, что их могут при этом принять
за сумасшедших. И отсюда и начинают вылезать всякие "вектора
состояний", вращающиеся в "фазовых пространствах" и пр.,
поскольку если вы заговорите о измерениях выше третьего, то
вас немедленно отнесут к братству или сумасшедших, или
фантастов. А в то же время физика сегодня уже могла бы
рассказать очень много интересного и о нашем мире, и о
других мирах - если оторваться от многоэтажных формул и
весьма непонятных значков и трудновыговариваемых слов и
произнести все нормальным человеческим языком. Удивительно,
но большинство этих хитростей можно буквально "объяснить на
пальцах". Этим, собственно, и отличается физика от многих
других наук.
Эта книга как раз позволяет достаточно наглядно и
просто понять и представить себе тот мир, в котором мы НА
САМОМ ДЕЛЕ обитаем. Не тот, который мы привыкли видеть по
дороге от кухни до сортира, а тот, который НА САМОМ ДЕЛЕ
существует и который мы часто просто - увы - не в состоянии
воспринять. Но в состоянии о нем догадаться, в состоянии его
понять. И мир этот оказывается фантастически красивым,
гармоничным, настолько многообразным, что нам даже не всегда
удается его вообразить себе, нам, закованным в тиски
трехмерных оков и ограниченных вялотекущими секундами нашего
краткого времени. И на фоне этих чудесных видов наш
ежедневный путь из сортира в умывальную становится нам
гораздо менее интересен, нежели пути звезд и планет, пути
развития Вселенной, пути рождения и гибели Мира.
Эта книга не всегда все раскладывает по полочкам, до
чего-то вам придется доходить уже своим умом. Но она делает
- я надеюсь - самое главное: разбивает наше окостенелое
представление о застывшем, заморозившемся мире наших бытовых
представлений. Для того, чтобы понять ее, вполне достаточно
знаний по физике на уровне обычной школы, а то и того
меньше. Но она требует способности вообразить себе не очень
вообразимое и отказаться от тех привычных траекторий нашей
мысли, которые были вбиты в нас с детства. Наверное, этим и
отличаются великие физики от людей ординарных - умением
отказаться от общепринятых, "смерзшихся" понятий и
способностью взглянуть на вопрос "сверху".
Итак - приятного вам чтения и новых впечатлений.
M.
И.Л.Розенталь
ГЕОМЕТРИЯ, ДИНАМИКА, ВСЕЛЕННАЯ
Отв. ред. д-р ф.-м. наук А.Д.Линде
Москва, "Наука" 1987
ВНИМАНИЕ! В силу ограниченности шрифтов экрана и обычного
принтера нам придется ввести ряд условных обозначений. Схема
и иллюстрации будут воспроизведены по возможности.
~ - знак "около", "порядка".
~~ - две тильды одна под другой - "примерно равно".
~- - тильда над дефисом - "эквивалентно", надо полагать.
Скорее должно бы быть тильда над равно.
+- - "плюс-минус", т.е. минус под плюсом. Это может быть и в
надиндексе, как в W+- - бозоне.
** - знак возведения в степень. Иногда он делается в виде
надиндекса.
=< - меньше или равно
>= - больше или равно
~< - порядка или больше
>~ - порядка или меньше
/= - не равно
== - значок тождества, т.е. три черточки друг под другом.
--
> - значок "сумма"
--
-----------------,
\/ . . . . . - значок корня
---\
\
\ - значок интеграла.
\
\
\---
-> - стрелочка "переходит" или "стремится". Это же над
именем отрезка или латинской буквой - значок вектора.
^ - значок "дельта" (треугольничком)
ю - (в индексах) - греческая НЮ.
v - (в индексах) греческая ??? (V согнутая вверху налево).
A - (в индексах) - греческая "альфа".
ALPHA - греческая буква "альфа"
BETA - греческая буква "бета"
DL - дельта маленькое (этакое d в производных, но только с
загнутым хвостиком). В частных производных.
EPS - греческая буква "эпсилон" (?).
FI - греческая буква "фи"
GAMMA - греческая буква "гамма"
HP - постоянная планка - h с перечеркнутой палкой. Кажется,
что-то типа 1/247
LAM - греческая "лямбда" (или как там ее зовут, длина волны).
NU - греческая буква "ню".
OME- греческая "омега" большая.
PI - греческие "пи", длина окружности
PSI - такая греческая буква, кажется, читается "пси".
PSIG - "пси" большое
RO - буква "ро", обозначает обычно плотность чего-нибудь.
SIGM - греческая "сигма".
TAU - греческая буква "тау".
TETA - греческая буква "тета"
БЕСК - значок бесконечности (лежачая восьмерка)
<<...>> - выделенный текст (курсивом).
Надиндексы пишутся в верхней строке, подиндексы - в нижней,
в текущей же строке на этом месте ставится знак |. Будьте
аккуратны при разбиении на страницы.
Звездочка в знаке умножения означает точку; x означает
умножение крестиком (векторное и т.п.).
В сносках номер сноски заменен на ` . При этом сноска
следует сразу за текущим абзацем и выделена горизонтальными
линиями.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Микеланджело принадлежит высказывание, что искусство
скульптора состоит в умении отсекать лишнее. Известны
аналогичные высказывания классиков литературы о писательском
мастерстве.
Вряд ли многословие угрожает авторам книг по физике и
математике. Некоторые из этих книг состоят почти полностью
из формул. Но существует другая опасность - многомыслие,
возникающие из-за желания автора охватить максимальное число
фактов и теорий, относящихся к рассматриваемой проблеме.
Именно этой опасности, усугубляемой широтой избранной
темы, хотел избежать автор настоящей книги, поэтому он
старался по возможности ограничить круг привлекаемого для
рассмотрения материала.
Однако, это не всегда удавалось в полной мере. Дело тут
вот в чем. Тема этой книги - новые представления о структуре
физического пространства и происхождении Метагалактики,
пересмотр старых. Необходимость же подобного пересмотра в
отличие от специальной или общей теории относительности,
базирующихся на небольшом количестве бесспорно установленных
фактов (опыт Майкельсона, отклонение света в гравитационном
поле Солнца и смещение перигелия Меркурия), основывается на
многих относящихся к различным областям физики
экспериментальных фактах.
И еще одну опасность предстояло избежать автору -
пройти между Сциллой и Харибдой научно-популярной книги -
найти в излагаемом материале верное сочетание, необходимую
пропорцию между устоявшимся, уже вошедшим в обиход и новым,
только появившимся, остромодным.
Непрофессионалу, возможно, трудно представить себе,
насколько физики (как, вероятно, и представители других
наук) подвержены моде.
Так, 1980 - 1982 гг. прошли под лозунгом: "Даешь распад
протона". Строились огромные установки, вкладывались большие
средства, а эта "проклятая" частица все еще не хочет
распадаться. Автор далек здесь от иронии: обнаружение
распада протона стало бы эпохой в физике, но увы...
В 1983 г. были модны многомерные теории Калуца-Клейна.
В 1984 - 1985 гг. стали популярны "супертеории",
основанные на таких понятиях, как "супергравитация",
"суперсимметрия", "суперпространство", "суперструны" и т.д.
Как подтверждение суперсимметрии оптимисты трактуют
буквально с неба снизошедшее излучение двойной звезды
Syg-X3. Пессимисты же более осторожны в своих выводах.
При создании книги мы воспользовались рекомендацией
А.К.Толстого: "О том, что очень близко, мы лучше умолчим".
Чтобы оценить все эти "супертеории", нужна некоторая
временн`ая перспектива, да и сделать их изложение простым
достаточно сложно. Поэтому автор сосредоточил свое внимание
на многомерных теориях, благо прошло уже достаточно времени
(несколько лет) с тех пор, как они оказались в центре
внимания. Впрочем, чтобы не прослыть суперретроградом, автор
не мог порой удержаться от использования терминов с
приставкой "супер".
Трактовать современные представления о пространстве, не
упоминая классические их образы - пространства Минковского и
Римана, равносильно постройке большого здания на песке.
Казалось необходимым кратко напомнить их свойства. Это,
возможно, придало книге некоторую архаичность.
Как видно из предисловия, поводов для замечаний
предостаточно. Автор будет благодарен читателям за деловое
обсуждение затронутых им вопросов.
ГЛАВА 1. Г Е О М Е Т Р И Я
1. ЭМПИРИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ
Основы эмпирической геометрии, как науки о
непосредственно наблюдаемом пространстве были заложены в
глубокой древности: в Египте, Вавилоне и Греции. Итоги
многовековых размышлений о количественных соотношениях между
видимыми, непосредственно наблюдаемыми объектами были
подведены в III в. до н.э. Евклидом. В течение почти 2.5
тысячелетий евклидова геометрия является одним из столпов
школьной математики. практически в неизменной форме она
дошла до нашего времени. Случай этот уникален. почти забыта
физика Аристотеля, о математическом анализе Архимеда
вспоминают лишь историки математики. Школьная же геометрия
базируется на геометрии Евклида. Разница в основном лишь в
методике изложения.
В чем причины поразительной живучести евклидовой
геометрии? На наш взгляд, ответ на этот вопрос многозначен.
Во-первых, она хорошо отображает простейшие количественные
отношения форм реальных объектов, во-вторых, евклидову
геометрию характеризует поражающая логичность и методическая
завершенность, наконец, евклидова геометрия является
превосходной основой для воспитания логического мышления на
общедоступных примерах, имеющих широкие практические
приложения.
Поучительно подробнее разобрать приведенные аргументы.
Геометрия (как указывает ее название) родилась из
практических задач - измерения площадей земельных участков.
Например, простейший вопрос об отношении площадей круга и
квадрата нельзя решить без помощи геометрии (в рамках
элементарной математики). Именно задачи о сравнении площадей
земельных участков очень часто приходилось решать древним
геометрам.
Отметим, что актуальность решения подобных задач
сохраняется и поныне. Можно с уверенностью сказать, что
читатель сталкивается с вопросом о длинах, площадях и
объемах различных предметов. Основные понятия геометрии
Евклида прочно вошли в нашу жизнь. Образы точки (например, в
письме), плоскости (стены комнат) и объемов )дома, в которых
мы живем) - наша повседневная действительность.
Евклид (точнее, его геометрия) в достаточно общем виде
решил одну из важнейших практических проблем:
количественного сравнения реальных объектов с разными
формами. Созданная им геометрия была облечена в столь
безукоризненную изящную форму, что актуальная для
современности проблема "практического внедрения" была решена
без задержек.
Несомненно, что "живучести" геометрии Евклида и ее
быстрому "внедрению" способствовала ее адекватность
кинематике абсолютно твердых тел. Неизменность их формы при
перемещениях оптимально описывается в рамках евклидовой
геометрии.
Подчеркнем далее, что вместе с геометрией Евклида в
математику пришла абстракция. Для геометрии (по крайней мере
в ее привычной формулировке) безразлично, сравниваются ли,
например, объемы однородных предметов (двух комнат) или
различных (например, гаража и автомашины). Геометрия как
часть математики отвлекается от сущности объекта
исследования. И в этой особенности имеются как сильные, так
и слабые стороны.
Сила традиционной геометрии - в ее общности,
универсальности. Слабость - в абстрагировании, создающем
предпосылки для размытия основополагающих понятий геометрии,
размытия, затрудняющего их сопоставление с реальными
объектами, явлениями или процессами. До определенного
времени этому обстоятельству не придавали серьезного
значения, однако, когда наступила пора подвергнуть геометрию
критическому переосмысливанию, высветилась эта слабая
сторона геометрии. Возникла парадоксальная ситуация: самая
точная и, по-видимому, самая наглядная наука - геометрия -
базируется на понятиях, не поддающихся точным определениям.
Чтобы оправдать такое сильное утверждение, полезно напомнить
некоторые "школьные" истины.
Учитель, начиная обучение геометрии, произносит слова:
"Точка - объект, лишенный протяженности, линия - объект,
характеризуемый длиной, но лишенный ширины" - и затем
иллюстрирует эти определения, отмечая мелом на доске точку
и проводя линию. Однако, размеры такой точки ~ 1 мм, ширина
линии также ~ 1 мм - символ точечности? Это утверждение в
значительной степени базируется на авторитете учителя.
Если постараться, можно, используя тонкое перо, свести
размеры "точки" или "ширины" линии до ~0.1 мм, но и эта
величина не соответствует геометрическому определению точки
или линии.
Опираясь на весьма тонкие оптические методы, можно
уменьшить размеры точки до 10**-10 см. Данные о рассеянии
некоторых элементарных частиц свидетельствуют, что их
размеры ~<10**-16 см. Однако и в этом случае не исчезает
"проклятый" вопрос: можно ли объекты, характеризуемые столь
малыми величинами, полагать "точками"?
Те же трудности возникают при попытках эмпирически
воспроизвести другое основное понятие геометрии - прямую
линию. Обычно полагают, что эталоном прямой является луч
света, распространяющийся в пустом пространстве. Однако в
соответствии с основными принципами оптики и квантовой
механики ширина пучка света по порядку величины равна длине
волны LAM, а это значение невозможно свести к нулю.
Но главная проблема, пожалуй, не в конечности величины
LAM. Положение о прямолинейности распространения света в
пустоте (даже в пренебрежении значением LAM) само является
лишь постулатом, требующим независимого доказательства. В
нашем распоряжении нет априорно идеальной линейки, которая
позволила бы проверить прямолинейность распространения
светового луча. Следовательно, это утверждение имеет лишь
полуинтуитивное обоснование, основанное на том эмпирическом
факте, что в нашем распоряжении нет других методов,
позволивших прочертить абсолютно прямую линию между двумя
точками. Однако даже это свойство света не гарантирует его
прямолинейность. Допустим, что пространство имеет форму
сферы. Кратчайшее расстояние на сфере - отрезок большого
круга, отнюдь не тождественный прямой. Поэтому утверждение:
световой луч прочерчивает прямую эквивалентно тезису: наше
пространство плоское, евклидово. А этот тезис сам нуждается
в эмпирическом образовании.
К этому вопросу мы далее будем неоднократно
возвращаться.
2. ГЕОМЕТРИЯ
КАК ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ
ДИСЦИПЛИНА
До конца 20-х годов прошлого столетия евклидова
геометрия казалась незыблемой и единственной теорией
пространства.
В 1829 г. Н.И.Лобачевский опубликовал статью "О началах
геометрии". В этой статье, так же как и в письмо молодого
венгерского математика Я.Больяи, переданном К.Гауссу,
утверждалось, что возможно построение непротиворечивой
геометрии, не содержащей известный пятый постулат евклидовой
геометрии. Этот постулат, гласящий, что через точку, лежащую
вне данной прямой, можно провести одну и только одну прямую,
параллельную данной, казался наиболее уязвимым (или наименее
очевидным) априорным требованием евклидовой геометрии.
Однако попытки вывести его из других аксиом оканчивались
всегда неудачей. Поэтому был выбран другой путь - построение
геометрии, основанной на всех аксиомах и постулатах Евклида,
но в которой был заменен пятый постулат о параллельных:
через одну точку можно провести либо бесконечное множество
прямых, параллельных данной, либо ни одной.
Кажется не лишенным интереса следующий вопрос: почему в
течение тысячелетий геометрия Евклида сохранялась в
первозданной форме, а затем почти одновременно три человека
подвергли ревизии одно из основных ее положений? Разумеется,
на этот вопрос нет однозначного ответа. Однако разумно
допустить, что подобное совпадение не случайно. В ревизии
геометрии свою роль сыграл психологический климат,
характерный для общественной жизни того времени, явившийся
следствием происшедших революционных потрясений и
обусловивший стремление к критическому пересмотру
канонизированных учений. Даже библейские догматы, освященные
тысячелетней верой и поддерживавшиеся авторитарностью
церкви, подверглись критическому анализу (Б.Спиноза).
Лишь геометрия Евклида оставалась каноническим учением,
но, наконец, наступила и ее очередь.
Необходимо подчеркнуть важное обстоятельство. Отрицание
пятого постулата отнюдь не означает отрицания всей
Евклидовой геометрии. Все аксиомы его геометрии и сам дух
этой науки сохранились. Но отрицание даже одного утверждения
Евклида имело далеко идущие последствия: возникла мысль, что
геометрия Евклида не единственное и не последнее слово в
геометрии. А такая мысль могла быть расценена в то время не
иначе, как ересь. (Известно, что Гаусс не опубликовал своих
исследований по основам геометрии, опасаясь непонимания со
стороны своих коллег.)
Исключительно важным следствием скепсиса в отношении
пятого постулата является постановка вопроса о необходимости
его экспериментальной проверки. Непосредственная его
проверка весьма затруднительна. Представляется даже уместным
употребить слово "невозможна". Дело в том, что если (как
отмечалось ранее) нет экспериментального критерия (прямизны)
линии, то еще более сложно реализовать эмпирически несколько
прямых и убедиться, в отсутствии их пересечения на больших
расстояниях. Однако пятый постулат о параллельных
эквивалентен (в сочетании с другими аксиомами евклидовой
геометрии) утверждению, которое в принципе подвергается
непосредственной проверке. согласно этому утверждению сумма
углов треугольника равна PI. Измерение углов - операция
весьма разработанная, и поэтому проверку этого положения
можно проделать с относительно хорошей точностью.
Уже в первых работах по неевклидовой геометрии было
продемонстрировано, что отклонение суммы углов треугольника
от PI (при отрицании постулата о параллельных)
пропорционально площади треугольника. Поэтому казалось, что
если провести измерения углов достаточно большого
треугольника, то нетрудно проверить истинность (или
ложность) пятого постулата. К сожалению, такой
оптимистический вывод необоснован.
Истоки трудностей предложенного метода проверки
коренятся в принципиальной неопределенности термина "большое
само по себе". В точных науках имеет смысл лишь утверждение:
"большое относительно чего-то". В упомянутом же выше
утверждении отсутствует именно эталон, который вдохнул бы
полноценное содержание в утверждение о сумме углов
треугольника.
Лобачевский и Гаусс (независимо) в своих попытках
проверить евклидову геометрию, по-видимому, исходили из
убеждения, продиктованного античной философией: "человек -
мера всех вещей". Поэтому казалось, что достаточно выбрать
треугольник со сторонами, существенно превышающими размеры
человека. Например, Гаусс измерил сумму углов треугольника
со сторонами, во много раз (10**5) превышающими размеры
человека. В результате измерений оказалось, что в пределах
экспериментальных ошибок сумма углов треугольника равна PI.
Следует четко понимать, что в экспериментальном подходе
в проверку пятого постулата "нет" и "да" весьма
неэквивалентны. Метод, основанный на измерении суммы углов
треугольника, может продемонстрировать отклонение от
евклидовой геометрии, но не может доказать ее абсолютную
справедливость. Действительно. какой бы треугольник в
пределах наблюдаемой части Вселенной мы ни использовали в
качестве образца, всегда можно утверждать, что его площадь
мала, а точность наших приборов недостаточна для обнаружения
отклонений от евклидовой геометрии. Все же известная польза
от опытов Гаусса - Лобачевского (или аналогичных
экспериментов) существует: если и есть отклонения от
евклидовой геометрии, то они малы. Это вывод верен по
крайней мере для масштабов, существенно превышающих
привычные земные расстояния.
Итак, с одной стороны, евклидовость пространства
допускает опытную проверку. В другом аспекте - евклидова
геометрия как логическая система аксиом и теорем является
лишь одной из возможностей. В дальнейшем мы
продемонстрируем, что таких возможностей много, существенно
больше, чем полагали основоположники неевклидовой геометрии.
Тем не менее геометрия нашего пространства евклидова или
почти евклидова. Почему природа выбрала этот вариант
геометрии? На этот вопрос мы попытаемся ответить в гл.3.
Здесь же мы ограничимся замечанием, что среди всех
логически замкнутых геометрий система Евклида является
наиболее простой. Представляется, что, помимо простоты, эта
геометрия также и наиболее естественна. Впрочем, подобное
суждение лишь отражает субъективное мнение автора.
Для иллюстрации идеи неевклидовости пространства
полезно привести достаточно простой пример. Пусть
пространством является поверхность обычной двумерной сферы.
Отвлечемся прежде всего от привычного образа сферы,
вложенной в видимое трехмерное пространство, полагая сферу
самостоятельным автономным объектом. Будем полагать, что
"прямые" в таком сферическом пространстве - кратчайшие
расстояния между двумя заданными точками на сфере, т.е. дуги
большого круга. Положим, что бесконечным прямым в
евклидовом пространстве соответствуют окружности на сфере.
Здесь правильно будет говорить именно о соответствии, а не о
тождестве, поскольку окружность на сфере обладает лишь одним
свойством евклидовой прямой - отсутствием границ, но не
обладает другим ее свойством - бесконечной протяженностью.
Окружность на сфере безгранична, но конечна. Нетрудно,
далее, убедиться, что через любую точку сферы, не
находящуюся на данном большом круге, нельзя провести большой
круг, не пересекающий данный, т.е. "параллельную". Иначе
говоря, все "прямые" пересекаются.
Отметим также и другую важную особенность сферической
геометрии. Если вырезать из сферы достаточно малую площадку,
то геометрия будет имитироваться геометрией Евклида. Здесь
полезно подчеркнуть, что подобный прием - вычленение из
более сложной геометрии простейшей (в данном случае
геометрии Евклида) с помощью выделения малой части полного
пространства (здесь - сферы) - прием весьма распространенный
и мы далее столкнемся с ним не раз.
После открытия одного варианта неевклидовой геометрии в
последующем своем развитии геометрия как ветвь математики
прошла весьма значительный путь. Были развиты многие другие
неевклидовы геометрии (некоторые из них рассматриваются
далее в разд. 6 и 7 этой главы). В подобной эволюции
существенную роль сыграло внедрение в геометрию
аналитических методов. По существу, геометрия слилась с
алгеброй (точнее, с математическим анализом), оставив в
своем арсенале лишь одну (хотя и важную) привилегию -
определенную форму мышления, в которой большую роль играют
образность и наглядность.
3. ИДЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИБЛИЖЕНИЕ
Ранее мы упоминали о некоторой неопределенности в
основных понятиях геометрии: точка, линия и т.д.
Превосходной иллюстрацией такой неопределенности является
геометрический принцип двойственности. Суть этого принципа
заключается в том, что если поменять местами наглядные
образы точки и прямой, то в аксиомах и теоремах геометрии
почти ничего не изменится.
Покажем некоторые простейшие примеры проявления
принципа двойственности, для чего вначале приведем
стандартные положения геометрии, а затем попросим читателя
сделать усилие и в соответствующих фигурах совершить
взаимную замену точек и прямых.
1. <<Через одну точку можно провести бесконечное число
прямых. Любая прямая содержит бесконечное число точек.>>
Второе положение эквивалентно первому в следующем смысле:
нужно слово "провести" заменить на "содержит". Такая замена
имеет лишь семантический характер.
2. <<Через точку пересечения двух прямых a и b можно
провести бесконечное число прямых, расположенных между
прямыми a и b.>> Ясно, что и это положение сохраняет свою
силу при взаимной замене точек и прямых.
3. <<Треугольник -- это фигура, образованная тремя
прямыми, проходящими через три точки, не лежащие на одной
прямой.>> Легко проверить, что при взаимной замене точек и
прямых получается привычный треугольник.
Число иллюстраций принципа двойственности можно
существенно увеличить, он пронизывает всю геометрию. Отсюда
можно сделать вывод: интуитивные понятия "точки" и "прямой"
в значительной степени условны.`
------------------------------------------------------------
` Важно отметить, что в последнее время в физике микромира
развиваются представления о том, что основным элементом
геометрии - точкой - являются линейные элементы. Подробнее
об этом см. разд. 10, гл. 2.
------------------------------------------------------------
Из этого вывода следует естественный вопрос: как самая
точная наука - математика (точнее, одна из ее областей -
геометрия) может базироваться на системе не вполне
определенных понятий? Более того, при взаимной замене ее
основных определений большинство выводов сохраняют свою
силу.
Ответ на поставленный вопрос несложен, пока он
относится к чистой математике (а речь идет именно об этом
направлении).
Высшим критерием математической истины является
логическая замкнутость, непротиворечивость системы аксиом и
следующих из нее теорем. Чеканная логика - основной критерий
истины в математике.
Соответствие данной математической конструкции
эмпирическим наблюдениям или простым интуитивным
представлениям является критерием менее важным, чем
логическая завершенность.
Крупнейший математик Д.Гильберт посвятил значительную.
часть своей жизни совершенствованию аксиоматики геометрии.
Ему принадлежит известное основополагающее определение: "Мы
мыслим три различные системы вещей: вещи первой системы мы
называем точками о обозначаем A, B, C...; вещи второй
системы мы называем прямыми и обозначаем a, b, c..."`. Для
нас исключительно важно, что в этом фундаментальном
определении (так же как и во всей цитируемой книге
Гильберта) автор и не пытается представить наглядный образ
точки или линии. Он постулирует и уточняет лишь отношение
между этими объектами. Из этих отношений и следует
определенная геометрическая конструкция.
------------------------------------------------------------
` Гильберт Д. Основания геометрии. м.; Л.: Гостехиздат,
1948. С.57.
------------------------------------------------------------
Приведенная цитата лаконично подытоживает (в
определенном смысле) исследования центральных понятий
геометрии. Основные ее понятия - идеализированные объекты,
не обязательно связанные с конкретной реальностью или
интуитивными представлениями. "Точкой" может быть
идеализированный объект, лишенный протяженности во всех
измерениях или в части измерений (линия или плоскость).
Нулевые размеры точки не мешают ей обладать внутренней
структурой и т.д.
Важны лишь отношения между геометрическими объектами,
которые должны быть определены очень точно и
непротиворечиво. Этот критерий и ограничивает произвол в
выборе основных объектов. Подобную ситуацию можно назвать
сверхабстракцией или сверхидеализацией. Количественная мера
подобной идеализации не обязательна.
Здесь нужно особо подчеркнуть различие в отношении к
термину "идеализация" со стороны математиков и физиков.
Идеализация - прием, типичный для математики. Иногда он
даже не оговаривается. Однако идеализация - редкий гость в
физических концепциях. И хотя этот термин иногда встречается
в физических работах, он должен обязательно сопровождаться
количественным критерием этой идеализации. Должен! Однако
зачастую этот критерий не приводится. И тогда читатель
подвергается искушению отнести подобную работу всего лишь к
интересным математическим упражнениям. Иногда подобные
работы сопровождаются солидными математическими узорами,
однако подобное рукоделие не всегда поддается физической
расшифровке.
Кардинальное расхождение в оценке термина "идеализация"
со стороны физиков и математиков вполне закономерно. Оно
обусловлено разницей в высших критериях "истины" этих
дисциплин. Для математики важнейший критерий - логическая
завершенность, для физики же - опыт. Обычно лишь
экспериментальные исследования могут подтвердить или
опровергнуть правильность физических построений. Разумеется,
такая категоричность вывода не исключает более простую
возможность: данная теория неверна вследствие противоречия с
общепризнанными физическими принципами, логических неувязок,
математических ошибок и т.д. Однако для новой, пусть самой
красивой и формально безупречной теории высший критерий -
опыт. Поэтому физики предпочитают употреблять термин
"приближение".
Полезно привести пример экспериментального выбора между
двумя одинаково красивыми и логически безупречными
теориями, объединяющими электромагнитное и слабое
взаимодействия.`
------------------------------------------------------------
` О некоторых свойствах элементарных частиц и их
взаимодействиях см. Дополнение.
------------------------------------------------------------
На рубеже 60 - 70-х годов были предложены две альтернативные
теории электрослабого взаимодействия. В рамках одного
варианта теории оно осуществлялось посредством двух
+-
заряженных тяжелых частиц (W|| -бозонов). В соответствии с
другой теорией, помимо заряженных частиц - переносчиков
взаимодействия, должен был существовать также и тяжелый
0 +-
нейтральный Z| -бозон примерно с той же массой, что W||
-бозоны. Опыт: существование нейтральных токов (конкретно -
обнаружение рассеяния нейтрино на электронах) и, наконец,
открытие на ускорителе нового поколения всех трех типов
+- 0
частиц (W||- и Z| -бозонов) подтвердили правильность второго
варианта теории электрослабого взаимодействия, который
называется теорией Глешоу - Вайнберга - Салама. До названных
экспериментов логический анализ не мог произвести выбор
между двумя вариантами теории электрослабого взаимодействия.
Различие же высших критериев в обеих точных науках влечет за
собой и расхождение в требованиях точности определения
основных объектов, с которыми они оперируют.
Для краткости аргументами в пользу этого тезиса
целесообразно опереться на авторитеты.
Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц начинают свой курс теоретической
физики с определения материальной точки. Под этим названием
понимают тело, размерами которого можно пренебречь при
описании его движения".`
------------------------------------------------------------
` Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. М.:
Наука, 1973. Т.1. Механика, с.9.
------------------------------------------------------------
В этом определении центральное место занимает
физический критерий реализации "точечности" объекта.
Вероятно, в физике следовало бы все-таки во избежание
путаницы устранить термин "идеализация", заменив его на
"приближение".
Р.Фейнман (на наш взгляд, абсолютно правильно)
утверждал: "Чтобы понять физические законы, вы должны
усвоить себе раз и навсегда, что все они - в какой-то
степени приближения".`
------------------------------------------------------------
` Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир,
1965. Т.1. Современная наука о природе. Законы механики.
с.211.
------------------------------------------------------------
В физических книгах и работах обычно определяют некий
малый параметр, которым при четко определенных условиях
можно пренебречь. Как правило, приближение выражается в
форме неравенства, когда безразмерная величина, определяющая
приближение, становится малой сравнительно с единицей.
Приведем прекрасный пример приближенности теории.
Классическая механика Ньютона верна, если выполняются два
условия: v/c << 1 и HP/S << 1 (c - скорость света, v -
скорость тела, HP - постоянная Планка, S - действие).
Если же v/c ~ 1, то следует учитывать релятивистские
поправки, обусловленные теорией относительности. Если
HP/S ~ 1, то вступают в силу законы квантовой механики.
Напомним, например, что в соответствии с теорией
относительности масса M изолированной системы зависит от ее
скорости: M = M| [1-(v/c)**2]**(1/2), где M| - так
0 0
называемая масса покоя. При v/c << 1,
M ~~ M| ~- const(v) в соответствии с ньютоновской механикой.
0
Итак, основа математики - идеализация, в физике
царствует приближение. Несомненно, что сейчас такое деление
несколько условно. Дело заключалось в том, что само понятие
геометрии, предмета геометрии, несколько размылось.
Вероятно, этому расширенному толкованию геометрии следовало
бы посвятить специальную книгу и, быть может, не одну. Здесь
мы ограничимся кратким изложением авторской точки зрения на
предмет.Известный субъективизм в обсуждении основ геометрии,
по-видимому, знамение времени, обусловленное быстро
возрастающей ролью геометрии в физике. Происходит
взаимообогащение и взаимопроникновение обеих наук, что и
вызывает определенное смещение основных
физико-математических понятий. Это смещение не успевает
отслеживаться терминологией. В старые термины вкладывается
новое содержание. Отражением подобной неустойчивости или
неадекватности основных терминов и их содержания является
различие их определения даже в современных школьных
учебниках, написанных разными авторами.
По нашему мнению, сейчас сосуществуют три несколько
отличающиеся друг от друга геометрии.
Первая - математическая геометрия, предмет которой -
исследование свойств пространств безотносительно к
физической реальности.
Вторую можно условно назвать физико-математической
геометрией. В ее рамках геометрические методы используются
для устранения незамкнутости, непоследовательности
уравнений, описывающих квантовую теорию поля.
Физико-математическая геометрия непосредственно не
соприкасается с физической реальностью, однако имеет
существенное значение для построения единой
последовательной картины мира.
И наконец, последняя -- физическая геометрия, которая
является фоном для эволюции материи и ее непосредственного
описания.
Автор отлично понимает схематичность подобной
классификации, однако едва ли уместно давать в данной книге
более развернутую картину многих граней современной
геометрии.
В заключение следует подчеркнуть, что автор - физик и,
по возможности, придерживается круга понятий и терминов
физической геометрии.
4. СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ЕДИНСТВЕННАЯ
ФИЗИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ?
На заре нашего столетия А.Пуанкаре высказал мысль,
которая сделалась впоследствии почти нарицательной: опыт не
определяет порознь физику и геометрию. Он подтверждает
суммарно физику и геометрию в их взаимосвязи. Но если
наблюдения измеряют лишь сумму, то это означает, что каждое
из слагаемых имеет определенный произвол.
Наиболее ревностные последователи Пуанкаре пошли еще
дальше, полагая, что для описания физической реальности
можно выбрать любую геометрию, а к ней уже "подогнать"
соответствующую физику так, чтобы эмпирическая "сумма"
геометрия+физика оставалась неизменной. Другими словами:
выбор физической геометрии произволен и определяется вкусом
и удобством вычислений. Абсолютная физическая геометрия
отсутствует.
Правилен ли этот тезис? По нашему мнению, полный ответ
имеет сложную диалектическую форму. Однако нельзя
согласиться с полной релятивизацией физической геометрии.
Существует, по-видимому, единственная геометрия (или,
точнее, ограниченный класс геометрий), отвечающая полному
набору наблюдений. Эта геометрия имеет сложный характер, и
ее анализу посвящены две следующие главы книги. Здесь же
следует подчеркнуть, что речь идет о полном наборе
экспериментальных фактов и основополагающих физических
принципах, а не о единичных опытных данных, интерпретировать
которые без труда можно на основе произвольной геометрии.
Выступая против релятивизации геометрии для описания
физики, автор отдает себе отчет об ответственности оппонента
такому титану, как А.Пуанкаре. Но во-первых, подобная
оппозиция направлена прежде всего против чересчур ревностных
апологетов идеи релятивизации, а во-вторых, автор имеет
мощного союзника - время. С тех пор, как Пуанкаре высказывал
свои идеи, прошло около 80 лет, и физика изменила свой лик.
Прежде всего, на наш взгляд, существенно углубилось
понимание основного объекта - точки, адекватного общим
физическим принципам. И главное: колоссально возрос
эмпирический материал, сузивший произвол в выборе геометрии.
Иначе говоря, нам представляется, что существует
естественный (хотя и сложный) класс геометрий, в рамках
которого реализуется эмпирическая основа физики - динамики.
Чтобы иллюстрировать (весьма предварительно, поскольку этому
предмету посвящена вся книга) предопределенность геометрии
эмпирическим наблюдениями, мы рассмотрим простейший пример.
Допустим вначале, что распространение света или
радиоволн в межпланетной и межзвездной средах соответствует
прямой в смысле евклидовой геометрии. Параметры межпланетной
и межзвездной сред известны, и можно показать, что они
практически не влияют на направление распространения света
или радиоволн достаточно высокой частоты. Тогда различными
методами можно весьма точно измерять расстояния до солнца,
планет или многих звезд в Галактике. Определяя затем угол
между направлениями от Земли до двух космических объектов
(например, Солнца и одной из планет), можно вычислить сумму
углов треугольника, образованного Землей и этими двумя
объектами. И всегда, независимо от природы объектов, сумма
углов оказывается в пределах небольших экспериментальных
ошибок равной PI.` Таким образом, можно было бы сделать
вывод, что по крайней мере в пределах Галактики ее геометрия
- евклидова. Этот вывод правилен, но с одной оговоркой,
которую может использовать верный последователь Пуанкаре. В
этих рассуждениях допускалось, что направление
распространения фотонов в пустоте совпадает с прямой линией.
На чем основано это утверждение? Может быть, фотоны движутся
по кривой, а само пространство также кривое и обе кривизны
взаимно компенсируют друг друга, так что в результате
получается мнимое доказательство торжества евклидовой
геометрии?
------------------------------------------------------------
` Это утверждение верно с точностью до весьма малых
релятивистских поправок, которые можно учесть при
вычислении суммы углов.
------------------------------------------------------------
Ответ на это возражение базируется на анализе
совокупности физических фактов. Так, было проделано
множество опытов по определению параллаксов различных
космических объектов, расположенных на различных расстояниях
от Земли. Всегда сумма углов оказывалась равной PI.
Причем непосредственное изучение геометрии по свойствам
космических треугольников далеко не единственный метод
определения характеристик пространства.
В физике подробно изучены различные взаимодействия:
электромагнитное (в макро- и микроскопических проявлениях) и
микроскопические (слабое и сильное). Электромагнитное
взаимодействие исследовалось в огромных интервалах
расстояний: 10**-16 - 10**13 см. Самые малые расстояния
изучались с привлечением весьма тонких методов физики
элементарных частиц. В частности, измерялись рассеяния
электронов на электронах и электронов на позитронах.
Ценность этих опытов в том, что в них проявляется
практически только одно взаимодействие - электромагнитное. В
этих и аналогичных опытах с очень большой точностью (иногда
вплоть до десятого знака) было продемонстрировано, что
законы электродинамики справедливы. Электродинамика на самых
больших расстояниях проверялась с меньшей точностью
(радиолокация Солнца и планет, электродинамика Солнца).
Разумеется, с существенно большей точностью электродинамика
проверена в масштабах Земли (~10**9 см).
Законы микроскопических взаимодействий (слабого и
сильного) на малых расстояниях (10**-16 - 10**-13 см) также
хорошо (хотя и с меньшей точностью - до второго - пятого
знака) подтверждены опытом.
Когда здесь упоминались законы взаимодействий, то они,
разумеется, понимались как совокупность динамических
уравнений и геометрии пространства, в котором существуют
материальные точки. Во всех упомянутых опытах делалось одно
априорное предположение: пространство евклидово. Вероятно,
можно для интерпретации отдельных опытов придумать
объяснение на основе геометрий, отличных от евклидовой, но
допущение, что вся огромная совокупность экспериментов
объясняется на базе неевклидовой геометрии, представляется
невероятной.
В заключение отметим, что современные представления о
структуре Метагалактики (Вселенной) также свидетельствуют,
что в ее пределах (размер ~10**28 см) пространство евклидово
или близко к нему (см. разд. 6 и 8 гл. 3).
Таким образом, весь исключительно богатый набор
экспериментальных фактов согласуется с допущением: в
интервале расстояний 10**-16 - 10**28 см физическая
геометрия близка или тождественна евклидовой геометрии
трехмерного пространства. Нам представляется этот факт
доказательством единственности геометрии в этом интервале
расстояний. Однако с точки зрения чистой логики нельзя
отвергнуть и другой тезис: нет доказательств, что нельзя
построить всю физику на основе геометрии, существенно
отличной от трехмерной евклидовой. Да, действительно
строгого логического доказательства такого утверждения нет.
Однако пока не сделаны хотя бы попытки построить физики в
существенно измененном пространстве, все утверждения о
произволе геометрии имеют абстрактный, а не физический
характер.
Оговоримся в заключение, что под существенным
изменением геометрии мы понимаем кардинальную вариацию ее
параметров, например размерности. В дальнейшем мы не раз
будем останавливаться на связи геометрии (в частности,
размерности) и динамики. Далее будет продемонстрировано, что
один из основных параметров пространства - его размерность -
предопределяет в значительной степени динамику.
И еще одно замечание. Раздельный анализ геометрии и
динамики возможен лишь для трех взаимодействий:
электромагнитного, слабого и сильного. В рамках
эйнштейновской теории гравитации динамика и геометрия
сливаются в единое целое, и тогда простота сделанных выше
заключений утрачивается. К этому усложненному пониманию
взаимосвязи геометрии и физики мы вернемся позже.
5. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ
Аналитическая геометрия сводит понятие точки к набору
чисел - координат. Координаты - расстояния до некоторой
системы линий, называемых осями координат. Простейший
способ системы координат - набор взаимно ортогональных осей
- система декартовых координат (названная в честь основателя
аналитической геометрии Р.Декарта). Полезно перечислить
крупнейшие достижения аналитической геометрии. Существенно
уточнено понятие точки (набор чисел). Появилась возможность
оперировать с пространствами любой целочисленной
размерности. В пространстве N измерений точку определяют N
чисел. Значение этого достижения аналитической геометрии в
полной мере начали осознаваться сравнительно недавно. Лишь
основываясь на ее методах (или модификациях этих методов),
можно анализировать многомерные пространства, которые
казались математической экзотикой, а сейчас приобрели
большую актуальность.
Преимущества аналитических методов при отображении
многомерных пространств проявляются в отсутствии
необходимости наглядно себе их представлять или моделировать
реально в нашем пространстве - особенностях, обусловленных в
первую очередь нашей психологической ограниченностью.
Человек привычно представляет фигуры с размерностью N=<3, но
не способен вообразить объект большей размерности.
Для аналитической же геометрии размерность N=3 лишь
одна из бесконечного набора возможностей (1= dx|**2 (8)
-- i
i=1
Такие поверхности называются римановыми и обладают свойством
ds**2 > 0 (положительно определенная матрица).
Теория относительности внесла коррективы в это
определение. Эта теория выдвинула идею нового типа
пространств - пространств Минковского когда интервал ds**2
может иметь оба знака (ds**2 >= 0 или ds**2 =< 0), метрика
таких пространств называется индефинитной, а сами
пространства псевдоевклидовыми.
Метрика псевдоевклидовых пространств размерности N
имеет вид:
N| N|
1 2
-- --
ds**2 = > dx|**2 - > dx|**2 (9)
-- i -- k
i=1 k=1
причем N|+N|=N. Обобщением псевдоевклидова пространства
1 2
является псевдориманово пространство, которое локально
представляется псевдоевклидовой метрикой.
7. РАССЛОЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВА
Уже упоминалось ранее, что точка иногда определяется
как геометрический объект, не имеющий протяженности. Поэтому
напрашивался вывод, что точка в таком понимании не имеет
структуры. Однако критический анализ основных понятий
геометрии, а также внутренние, имманентные законы развития
дифференциальной геометрии стимулировали создание и развитие
нового математического образа - расслоенного пространства.
Первые работы, в которых формировались основные понятия
расслоенных пространств и их связи с другими разделами
математики, относятся к 30 - 50-м годам и принадлежат
выдающимся математикам: Э.Картану, Х.Уитни, Ш.Эресману,
Ш.Черну.
Вначале казалось, что этой новой ветви математики
уготована участь многих ее разделов: служить красивой
абстракцией, не связанной с физической реальностью.
Основания для подобных прогнозов были. Фундаментальное
понятие точки у расслоенных пространств отличалось от
интуитивного образа бесструктурной точки. Однако эволюция
физики, и в первую очередь квантовой теории поля, физики
элементарных частиц и космологии, привела к сближению
представлений о точках в физике и расслоенных пространствах.
Постепенно начал вырисовываться абрис синтеза
фундаментальной физики и геометрии на базе расслоенных
пространств. По нашему мнению, можно высказать и более
сильное утверждение: существует "истинное" физическое
пространство, которое реализуется в терминах расслоенных
пространств.
Если такая несколько претенциозная формулировка
выглядит экстремистской, то более ограниченное утверждение:
объединенная теория взаимодействий допускает геометрическую
интерпретацию на базы расслоенных пространств - кажется
бесспорным. Необходимость такого заключения оказалась для
физики несколько неожиданной. Даже творцы теории
элементарных частиц оказались неподготовленными к вторжению
математики расслоенных пространств в физику. В этом аспекте
характерен диалог физика Ч.Янга с одним из основоположников
геометрии расслоенных пространств Ш.Черном.
Янг: "Это (расслоенные пространства. - И.Р.) приводит в
трепет и изумление, поскольку вы, математики, выдумали эти
понятия из ничего".
Черн: "Нет, нет! Эти понятия вовсе не выдуманы. Они
существуют на самом деле".'
------------------------------------------------------------
' Янг Ч. Эйнштейн и физика второй половины XX века // УФН.
1980. Т.132. С.174. О расслоенных пространствах см. также
ст.: Даниэль С., Виалле М. Геометрический подход к
калибровочным теориям типа Янга - Миллса // УФН, 1982.
Т.136. С.377-420; Бернстейн Г., Филлипс Э. Расслоения и
квантовая теория // УФН. 1982. Т.136. С.665-692.
------------------------------------------------------------
Этот диалог весьма примечателен. Математики часто
строят конструкции, кажущиеся физикам абстрактными, не
связанными с физическими ценностями. Разные подходы
математиков и физиков приводят к недооценке адекватности
некоторых "абстрактных" математических методов физическим
проблемам. В результате эти методы заново переоткрываются
физиками. Пожалуй, классический пример подобной ситуации -
переоткрытие В.Гейзенбергом в 1925г. матричного исчисления,
которое он использовал для создания квантовой механики. Лишь
после бесед с М.Борном он узнал, что теория матриц - хорошо
разработанный раздел математики практически не используемый
физиками.
После этих предварительных замечаний целесообразно
перейти к изложению основных идей геометрии расслоенных
пространств. Начнем с представления основных образов
(картин) расслоенных пространств.
Первый связан с обобщением понятия точки. Точка в
расслоенном пространстве эквивалентна автономному
пространству. Иначе говоря, можно наглядно представить, что
точка в расслоенном пространстве эквивалентна точке в смысле
Евклида (объект, лишенный протяжения), к которой
"прикреплено" (или лучше: которой соответствует) свое
пространство. Можно представить расслоенное пространство в
целом. Оно представляет совокупность большого числа (как
правило, бесконечного множества) пространств, из которых
одно, называемое базой, играет особую роль. Каждая точка
этого пространства взаимно однозначно связана со своим
пространством, называемым слоем над базой. Каждой точке в
базе соответствует свое пространство (слой), отражающий
структуру точки.
Приведем некоторые простейшие примеры расслоенных
пространств. Пусть база - прямая, т.е. евклидово одномерное
1
пространство' R|. Каждой точке базы - прямой - соответствует
1
окружность S|, расположенная в плоскости, перпендикулярной
базе, центром которой является данная точка базы. Радиусы
всех окружностей одинаковы. Расслоенное пространство
определено однозначно. В данном случае размерности слоев и
базы одинаковы и равны 1. Полное расслоение пространства
представляет цилиндр и его ось.
------------------------------------------------------------
' Символом R часто обозначают риманово пространство, частным
случаем которого является пространство Евклида. Индекс
вверху обозначает размерность пространства . Символ S
1
соответствует сферическим пространствам: S| - окружность,
2
S| - двумерная сфера и т.д.
------------------------------------------------------------
Можно привести пример расслоенного пространства, в
котором размерности базы и слоев различны. Пусть база -
3
трехмерное евклидово пространство R|, а слои - двумерные
2
сферы S|.
Подчеркнем принципиальную разницу между обоими
примерами. В первом случае и слой и база - одномерные
фигуры. Полное расслоенное пространство - фигура трехмерная
(цилиндр+прямая), и ее нетрудно вообразить воочию.
Второй пример расслоенного пространства не поддается
такой наглядной интерпретации. Каждый его элемент - сфера с
точкой базы в центре. Однако совокупное расслоенное
пространство имеет пять измерений. Представление о нем как о
множестве сфер, расположенных в трехмерном пространстве,
неправильно. Слои-сферы находятся в дополнительных
измерениях, и поэтому расслоенное пространство в целом
нельзя изобразить адекватно на бумажном листе. Представление
пространства доступно лишь с помощью аналитических методов.
===РИС.1
===РИС.2
В простейшем случае точки базы и слоев - действительные
числа. Можно представить, что пространство слоев состоит из
точек - мнимых чисел. Например, можно представить себе слой
в виде сферы, каждая точка которого - мнимое число.
Приведем еще один пример. База - круг радиуса r
(рис.1). Над базой находится цилиндрический объем, ось
которого проходит через центр базового круга перпендикулярно
плоскости, в которой он расположен. В данном случае слоями
являются прямые, расположенные внутри цилиндра,
перпендикулярные основанию. Например, слою aa| соответствует
1
точка; слою bb| - точка B.
1
Во всех приведенных примерах все слои одинаковы. От
замены одного слоя на другой геометрия расслоенного
пространства не изменится. Такой простейший случай
называется простым произведением пространства базы на
пространство слоя. Например, первое из приведенных выше
1 1 2 2
пространств обозначается R| x S|; второе - R| x S| и т.д.
Возникает вопрос: как математически определить те
простейшие расслоения, о которых шла речь выше. До сих пор
мы рассматривали примитивные расслоенные пространства -
простые произведения. Существуют и менее тривиальные
произведения.
Как уже упоминалось, наглядно можно представить лишь
расслоенные пространства малой размерности (полная
размерность N=<3).
1 1
Вначале рассмотрим простейшее расслоение R| x S|.
1
Допустим, что слой - окружность S| - находится в плоскости,
1
перпендикулярной базе - прямой R|. Радиус всех слоев положим
для простоты равным 1, что не уменьшит общности
рассмотрения, поскольку единицы измерения - в ведомстве
физики, а не математики. Положение радиус-вектора из любой
1 1
точки прямой R| в соответствующую точку окружности S| будем
характеризовать углом ALPHA, отсчитываемым от некоторой
1
прямой, перпендикулярной базе R|. В простейшем случае
интервал определяется соотношением
ds**2 = dx**2 + d ALPHA**2. В более общем случае n-мерного
n 1
евклидова пространства со слоем S| (R| x S|) метрику можно
1
записать в виде матрицы:
! SIGM|| 0 !
! ik !
g|| = ! ! (10)
юv ! !
! 0 1 ! ,
i,k = 1,2,...,n; ю,v = 1,2,...,n+1=N; SIGM|| = 1 при i=k;
ik
n
--
SIGM|| = 0 при i /= k; ds**2 = > dx|**2 + d ALPHA**2 .
ik -- i
i=1
Такую простую форму интервал имеет при специальном
выборе системы координат (смешанная система: n координат -
декартовы, а (n+1)-я описывается в одномерной сферической
системе). Разумеется, в общем случае метрика имеет более
сложный вид. Однако в одном важном для нас частном случае,
1
когда окружность S| описывается в комплексной плоскости,
соотношение (10) сохраняется. Этот вывод следует из двух
фактов, лежащих в основе теории комплексных чисел:
iA
1) функция f(ALPHA) = e|| описывает в комплексной плоскости
окружность с радиусом, равным единице, и 2) модуль функции
*
f(ALPHA) равен единице: f| (ALPHA) * f (ALPHA) = 1 .
Приведем пример нетривиального трехмерного расслоения.
С этой целью рассмотрим аналог рис.1. Рассмотрим вначале
1
простое произведение окружности S| на цилиндрическую
поверхность, которую можно получить путем простого
склеивания прямоугольной полоски бумаги так, чтобы краевые
1 1
точки A и B, A| и B| совпали (рис.2,а). Однако можно полоску
1
перекрутить так, чтобы точка A совпала бы с точкой B|, а
1
точка B - с точкой A| (рис.2,б). В результате получается
поверхность, называемая листом Мёбиуса. Такая поверхность
может быть совокупностью слоев над базой - окружностью.
Однако ясно, что при перемещении вдоль окружности-базы слои
утрачивают свое равноправие. Так, слой AB остался
неизменным: он перпендикулярен плоскости, в которой
находится окружность. Другие же слои повернулись на
некоторый угол, который зависит от от расстояния от линии
AB. В общем случае расслоенное пространство - сравнительно
сложная конструкция. Мало задать пространство базы и
пространство слоев. Нужно еще и зафиксировать отношения
между ними. Идея определения этого отношения заимствована из
дифференциальной геометрии, где эта идея - лишь одна из
возможностей измерения отклонения пространства от евклидова.
Для расслоенных пространств общего вида описанный ниже
метод, пожалуй, основной.
Ранее мы упоминали, что искривленное пространство
характеризуется различными величинами: отклонением суммы
углов треугольника от PI (неевклидовость), отличием метрики
пространства от евклидовой метрики и, наконец, кривизной
пространства. Однако существует сравнительно наглядная
характеристика искривленности, называемая связностью. Для
обычного (нерасслоенного) пространства связность
определяется совокупностью углов между данным малым линейным
элементом поверхности и всеми соседними малыми элементами.
Чтобы сделать это наглядное определение математически
более строгим, необходимо сформулировать общее правило
параллельного переноса векторов.
В евклидовой геометрии параллельный перенос отрезка
прямой линии - стандартная операция с достаточно очевидным
результатом. Если переносить этот отрезок параллельно самому
себе вдоль замкнутого контура, то в результате полного
обхода контура конечная прямая совпадет с первичной. Однако
такой результат неочевиден (и даже неверен) для кривой
поверхности.
Чтобы понять дальнейшие рассуждения, следует сделать
некоторое усилие и отрешиться от привычных и наглядных
представлений о параллельных в евклидовом пространстве.
Прежде всего определим для кривой поверхности
однозначный аналог прямой между двумя точками. Уже
упоминалось, что в общем случае этого требования
недостаточно для однозначного определения "прямой" между
двумя точками. Оно оказывается достаточным, если обе точки
расположены близко друг к другу. Тогда кратчайший отрезок,
соединяющий обе точки, называется геодезической линией. Если
нужно провести геодезическую линию (аналог прямой) для двух
произвольных точек, то ее составляют из отрезков -
геодезических, соединяющих близкие точки.
Процедура параллельного переноса была предложена
итальянским ученым Т.Леви-Чивита. возьмем на поверхности две
1
бесконечно-близкие точки M и M| и рассмотрим в точке M
вектор поверхности a (лежащий в касательной плоскости к
поверхности). Если перенести вектор a параллельно самому
1
себе (в евклидовом смысле) в точку M|, то он не будет лежать
1
в касательной плоскости в точке M| поверхности и не будет
вектором поверхности. Спроектируем вектор a на касательную
1 1
плоскость к поверхности в точке M|, тогда получим вектор a|,
1
лежащий в касательной плоскости к поверхности в точке M| и
1
являющийся вектором поверхности. По определению, вектор a|
1
является параллельно перенесенным в точку M| вектором a.
Если точки M и N отстоят на бесконечном расстоянии, то их
следует соединить кривой, лежащей на поверхности, разбить ее
на бесконечно малые участки и к каждому применить процедуру
параллельного переноса. Получающийся в результате вектор
зависит от вида соединяющей исходную и конечную точки
кривой. Если кривая замкнута, то при возвращении в исходную
точку параллельно перенесенный вектор не будет совпадать с
исходным, а составит с ним некий угол BETA. Этот угол равен
нулю, если параллельный перенос производится вдоль
геодезической линии. Это связано с тем, что при параллельном
переносе угол между переносимым вектором и геодезической
линией не меняется.
===РИС.3
На рис.3 изображена сферическая поверхность, на которой
демонстрируется описанная процедура параллельного переноса.
В результате параллельного переноса "прямой" вдоль
окружности на сфере между первичным и конечным векторами
возникает угол BETA /= 0 .
Можно предложить простую "экспериментальную"
иллюстрацию параллельного переноса. Проведем краской на
плоскости несколько параллельных прямых. Прокатим далее по
этой плоскости конус, постулируя отсутствие трения между
конусом и плоскостью, в том смысле, что трение не меняет
первоначальное направление движения конуса, но достаточно
велико, чтобы нанесенные на плоскость прямые отпечатались бы
на конусе. Эти отпечатки и будут параллельными на конусе.
Относительное положение двух близких отпечатков отражает
параллельный перенос на конусе.
Уже упоминалось, что связность отлична от нуля для
кривого пространства. Поэтому связность - одна из нескольких
характеристик искривления (отклонения от евклидовости)
геометрической фигуры.
До сих пор мы придерживаемся сравнительно привычных
представлений. Пространства с обычными понятиями "точка"
всегда можно хотя бы упрощенно иллюстрировать в виде
двумерной поверхности. Сейчас наступило время перейти к
расслоенным пространствам. Такой переход связан с некоторой
психологической перестройкой. Хотя простейшие расслоенные
пространства также можно мысленно представить в виде
геометрических фигур, но всегда, когда оперируют с
расслоенными пространствами, следует помнить, что они -
множество пространств, находящихся в неравноправном
положении. Одно из них - база - занимает особое место.
Если среди характеристик простых пространств связность
занимает рядовое место ( одна из нескольких характеристик),
то в теории расслоенных пространств обобщенное понятие
связности, пожалуй, основная характеристика. Связность в
расслоенных пространствах играет ключевую роль: она
характеризует отношения между базой и слоями и между
соседними слоями.
В общем случае определение связности имеет довольно
сложный вид.' Мы здесь ограничимся простым и наглядным
примером определения связности и некоторыми важными для
физики приложениями.
------------------------------------------------------------
' См. кн.: Дубровин Б.А., Новиков С.П., Фоменко А.Т.
Современная геометрия. М.; Наука, 1979, Т.1.
------------------------------------------------------------
Вернемся снова к рис.3. Круг и цилиндр на нем -
расслоение полусферы, изображенной в верхней его части.
Построим на полусфере треугольник, образованный
геодезическими линиями - отрезками больших кругов.
Разумеется (поскольку сфера - неевклидова поверхность),
сумма углов треугольника не равна PI. Спроецируем точки
треугольника на круг (базу), параллельный основанию
полусферы. Прямые, осуществляющие проецирование, будем
полагать слоями расслоенного пространства.
Произведем далее операцию параллельного переноса на
полусфере вдоль контура треугольника. Поскольку полусфера -
неевклидова поверхность, то при полном обходе треугольника
(возвращение вектора в точку, совпадающую с началом вектора
a) между направлениями первичного и конечного векторов
(стрелки на рисунке) образуется некоторый угол - связность.
Обобщим это понятие на расслоенное пространство. С этой
целью спроецируем треугольник на круг (базу). Прямые,
осуществляющие проекцию, - слои пространства. Проекции
начального и конечного векторов на полусфере образуют на
круге некоторый угол v /= 0, который является компонентой
связности в базе.
Чтобы определить связность в слоях, введем расстояние
от начала слоя (отрезка), которое является, вообще говоря,
произвольной точкой отсчета. Важно лишь, чтобы во всех слоях
были бы одинаковые точки отсчета. Иначе говоря, любой круг,
пересекающий слои и параллельный основанию полусферы, мог бы
определить точки отсчета. Естественно (но не необходимо)
отождествить точки отсчета с точками круга - базы. Будем
далее измерять угол между векторами во время параллельного
переноса в произвольных единицах (например, радианах) и
откладывать этот угол на прямых - слоях пространства. В
результате операции полный обход периметра треугольника на
сфере будет соответствовать некоторому подъему величины
проекции в слое. Этот подъем определяется смещением векторов
в полусфере при возвращении в точку, совпадающую с началом
вектора a после полного обхода контура. В пространстве слоев
1
начало обхода на полусфере соответствует точке a|, конец -
1 1 1
d| (см. рис.3). Таким образом, расстояние a|d| характеризует
связность в слое.
Расслоение полусферы на круг и линейное пространство -
одно из простейших расслоений, позволяющих дать наглядную
интерпретацию связности расслоенного пространства. В общем
случае подобная наглядность утрачивается. Идея введения
общего определения связности близка к основной идее
дифференциальной геометрии: в малом объеме метрика
пространства евклидова или псевдоевклидова. В расслоенных
пространствах также постулируется простота пространства в
малом. Полагается, что в малом расслоенное пространство
можно представить простым произведением, частным случае
которого и было расслоение полусферы.
В результате обхода микроконтура в полном пространстве
или базе определяется компонента связности в базе. Далее в
соответствии с приведенным выше примером операция обхода
микроконтура количественно отображается в пространстве
слоев, определяя таким образом связность в этом
пространстве.
В заключение сделаем одно замечание, имеющее, как мы
увидим далее, прямое отношение к физике (динамике). Хотя
значение связности определяется однозначно, однако операция
ее вычисления неоднозначна. Это утверждение - следствие
1
неоднозначности в выборе начальной точки отсчета a|.
Сделанный нами выбор: начало обхода контура соответствует
пересечению слоя (прямой) и базы (круга) - обусловлен
1
простотой. Точку a| можно было бы сместить вдоль
соответствующей прямой (слоя) на произвольную величину.
1
Связность определяется не положением точки a|, а разностью -
1 1
отрезком a|d|.
ГЛАВА 2. Д И Н А М И К А
1. ВРЕМЯ
Классическая геометрия (Евклида, Лобачевского, Римана)
по своему существу статична. И хотя в ее пределах правомочна
операция переноса фигур, но она имеет лишь одно
предназначение: установление их равновеликости. Поэтому этот
перенос (как правило, мысленный) может осуществляться
бесконечно быстро или сколь угодно медленно. Скорость
переноса, а следовательно, и его время геометров не
интересовали. Геометрия была вне времени. Видимо, время было
тем фактором, который более всего способствовал тому, что до
конца прошлого столетия геометрия и физика существовали
раздельно.
Можно точно указать годы, когда зарождалось
представление об общности геометрии и времени и когда это
представление приобрело ясную и недвусмысленную
формулировку. Идея единства пространства-времени была
сформулирована Г.Минковским в 1907 г., ей предшествовало
создание специальной теории относительности А.Эйнштейном,
А.Пуанкаре и Х.Лоренцом в 1904-1905 гг.
Разумеется, нельзя абсолютизировать (даже в
историческом плане) утверждение о независимости геометрии и
времени. Геометрические образы - неизменное сопровождение
механики, а время - ее основополагающее понятие. Как только
возникало слово "время", так от классической,
дорелятивистской геометрии следовал переход к динамике.
Время - неизбежный спутник динамики.
После создания теории относительности статус времени
существенно изменился: оно стало равноправным партнером
пространства. Возникла новая геометрия - геометрия
пространства-времени. После создания общей теории
относительности (ОТО, 1915-1916 гг.) геометрия и динамика в
рамках ОТО слились воедино.
После краткого вступления уместно задать вопрос: что
такое время? Казалось бы, что ответ на этот вопрос ясен;
достаточно использовать какое-либо признанное определение,
заимствованное из бесчисленного количества книг, посвященных
пространству-времени или исключительно времени. Имея в виду
такое решение, автор обратился к двум современным,
специально посвященным времени изданиям: книгам
Ф.С.Заславского "Время и его измерение" (М.: Наука, 1977) и
Дж.Уитроу "Структура и природа времени" (М.: Знание, 1984).
В этих книгах можно найти множество интересных сведений.
Например, о представлении времени у обезьян и небольших
индейских племен, о методах измерения времени в древности и
в эпоху средневековья, есть здесь и мысли древних философов
о времени, и многое другое. Однако предмет поиска -
определение физического времени - в этих книгах
отсутствовал.
Разумеется, можно было бы продолжить поиски
единственного и правильного определения, однако после
зрелого размышления сделалась очевидной их бессмысленность.
Представилось очевидным, что определение времени - задача
совсем не простая. Вероятно, не худшим выходом было решение
упомянутых выше авторов книг о времени сделать вид, что
вопроса не существует.
Тем не менее кажется необходимым дать если не
определение, то по крайней мере описание понятия физического
времени. Известно, что определить понятие означает подвести
под него другое более широкое понятие. Но время - настолько
широкая категория, что, быть может, лишь Вселенная и материя
являются более объемными понятиями. Не претендуя,
разумеется, на единственность и абсолютную правоту
приведенного далее определения, можно все же сделать попытку
в этом направлении.
Итак, физическое время - это количественная мера
упорядоченной эволюции материального объекта как целого от
его возникновения до гибели.
Это определение нуждается в пояснениях, из которых
естественно следует, что лаконичность - не синоним простоты.
В определениях неявно фигурируют следующие допущения.
1. Объект характеризуется целостностью в том смысле,
что у него есть единое время.
2. У каждого объекта собственное время, которое, вообще
говоря, не совпадает с временем других объектов.
3. Все объекты рождаются и умирают.
Требует пояснения также и понятие "упорядоченной
эволюции".
Начнем комментарии по порядку.
1. Макроскопический объект, т.е. тело, состоящее из
нескольких (>=2) частей, априорно не должно
характеризоваться единым временем. Наш повседневный опыт как
будто подтверждает существование единого времени,
характеризующего эволюцию объекта как целого. Однако такое
заключение несколько иллюзорно и связано с тем, что в рамках
повседневного опыта относительная скорость v отдельных
частей макроскопического тела удовлетворяет условию v/c << 1
(c - скорость света). Если v/c ~ 1, то в соответствии с
теорией относительности каждая часть тела обладает своим
собственным временем. Однако при обычных скоростях условие
v/c << 1 выполняется, и постулат о целостности достаточно
оправдан.
2. В соответствии со сказанным ранее два тела можно
рассматривать как составные части одного, и, следовательно,
они характеризуются своим собственным временем. Однако наша
Метагалактика во всех ее частях характеризуется единым
временем в том смысле, что в любой момент все свойства
(характеристики) Метагалактики одинаковы.
3. Постулат о рождении и смерти всех всех объектов
является следствием опытных данных. Рождается и погибает
все, начиная от элементарных частиц и кончая галактиками и
их скоплениями. Исключение составляет Метагалактика в целом,
в том смысле, что никто не наблюдал ни ее начала, ни конца.
Но никто из специалистов не сомневается в том, что когда-то
(примерно (15-20)*10**9 лет назад) было рождение
Метагалактики и когда-то ее не станет.
Таким образом, все сформулированные постулаты
выполняются с достаточной точностью. Более того, из
комментария ко второму допущению следует, что <(существует
единое метагалактическое время, которое можно принять за
эталон времени всех находящихся в ней объектов)>. Если бы
дело обстояло иначе, Метагалактика не обладала бы
однородностью во всех ее точках и время протекало бы
по-разному в разных ее частях, что, вероятно, привело бы к
различию в физических закономерностях, а это, в свою
очередь, к нарушению мировой гармонии и путанице -
невообразимому усложнению физических законов.
Особого анализа требует понятие упорядоченной эволюции.
Ясно, что рождение предшествует смерти, причина - следствию.
Причинно-следственные связи реализуются в том, что время
имеет определенное направление от прошлого к будущему. Время
является одномерным вектором, направленным от прошлого к
будущему. Бытовая реализация этой основной характеристики
сводится к делению времени на три относительные эпохи:
прошлое, настоящее и будущее. Для единого тела,
характеризуемого единым временем, это деление абсолютно, и
его можно провести всегда. Для тела, состоящего из частей,
это деление усложняется: вследствие конечности скорости
света существует отрезок времени, когда четкое разделение
провести нельзя (см. разд.4 гл.2).
Любопытно, как проблема деления времени на прошлое,
настоящее и будущее нашла отражение в афоризме Аристотеля:
"Времени почти нет, ибо прошлого уже нет, будущего еще нет,
а настоящее длится мгновение". Прошлого действительно нет,
оно - было, так же как и будущее - будет. Об этом
свидетельствуют многочисленные эмпирические факты,
относящиеся к компетенции физики. Строго говоря, Аристотель
ошибся, утверждая о существовании настоящего (хотя бы и
мимолетного), понимаемого в эйнштейновском смысле. Как уже
говорилось, для сложных тел нет абсолютного времени, а
следовательно, о настоящем можно говорить лишь условно, в
пределах неопределенности, определяемой разностью времен для
частиц, составляющих сложное тело.
Подведем некоторые итоги. Можно дать краткое
определение физического времени. Однако оно содержит
понятия, сами нуждающиеся в доопределениях, которые, в свою
очередь, требуют разъяснений, и так ad infinitum. Вероятно,
такая ситуация - отражение фундаментальности времени. Тем не
менее дать пусть даже неполное определение времени было
необходимо. Иначе трудно (или, скорее, невозможно) обсуждать
взаимосвязи пространства-времени и динамики.
И в заключение еще одно замечание. Существует вопрос,
который на разном уровне обсуждается в литературе: можно ли
выделить начало отсчета времени. Этот вопрос задавался
практически со времени возникновения цивилизации. Как
правило, начало отсчета связывалось с предполагаемым актов
рождения мира. У народов Ближнего Востока начало отсчета
(рождение мира) полагается 6-8 тыс. лет назад. Более
рационально мыслящие римляне точку отсчета отождествляли с
основанием Рима (753 г. но н.э.). На Западе сейчас
повсеместно летоисчисление ведут от предполагаемого дня
рождения Христа, которое было "вычислено" римским монахом
Дионисием в 524 г., а затем канонизировано.
Для нас, пожалуй, важен не калейдоскоп начал отсчета
или эпох, а другой факт, имеющий глубокий смысл. Как
человеческая история, так и физические явления не зависят от
точки отсчета времени. В этом отражается его исключительно
важное свойство - трансляционная инвариантность:
независимость физических законов от точки отсчета. На языке
математики эта инвариантность означает неизменность
физических законов при преобразовании типа
t' -> t+a, a=const (11)
Мы, со своей стороны будет стараться по возможности
придерживаться "физического" летоисчисления, принимая за
точку отсчета (t=0) время возникновения Метагалактики (15-20
млрд лет назад). Иногда в физической литературе этот момент
отождествляется с временем возникновения Вселенной.
Встречаются также утверждения, что вообще говорить о времени
до возникновения Метагалактики (при t<0) бессмысленно. Нам
представляется, что эти утверждения неверны и далее (гл.3)
мы приведем аргументы, подтверждающие нашу точку зрения.
2. КЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА И ЕЕ ГЕОМЕТРИЯ
Предмет классической динамики (ньютоновской механики) -
определение изменения состояния (положение, скорость и т.д.)
тел во времени. Абстрагируясь от влияния смежных физических
дисциплин, можно сказать, что ньютоновская динамика
занимается определением движения материальных точек при
заданном положении внешних тел.
Решение основной проблемы классической механики
предполагает априорное определение физического пространства,
в котором движутся материальные точки. В рамках ньютоновской
физики оно отождествляется с пространством Евклида.
Одна из задач механики - вычисление траектории тела
(материальной точки) в этом пространстве.
Траектория описывается математической кривой, однако не
тождественна ей. Математическая кривая - образ, существующий
безотносительно к другим объектам или системам координат.
Этот образ возник задолго до создания аналитической
геометрии. Иное дело - физическая траектория. Это понятие
имеет лишь относительный смысл: траектория материальной
точки определяется относительно другого тела, обычно
называемого телом отсчета.
Абсолютного движения не существует. По этой причине
физики предпочитают говорить не о системе координат, а о
системе отсчета, подразумевая, что это понятие включает
также и тело отсчета. Если оно может быть отождествлено с
материальной точкой, то его обычно принимают за начало
координат. Подчеркнем, что здесь мы встречаемся не с
терминологическими уточнениями. В отличие от начала
координат тело отсчета, как правило, влияет, а иногда и
определяет состояния исследуемого тела (материальной точки).
В классической динамике пространство определяет
взаиморасположение тел в данный момент времени в их
противопоставлении к пустоте (в классическом смысле).
Несколько перефразируя определение времени, данное в
предыдущем разделе, можно сказать, что пространство есть
мера неупорядоченной эволюции относительно состояния тела.
Это определение, так же как и предшествующее, нуждается в
некоторых комментариях.
Пространственные соотношения характеризуют
относительное положение материальных тел, включая и тело
отсчета. Временные же соотношения также включают точку
отсчета, но эта точка относится к тому же самому телу, время
эволюции которого определяется.
Но кардинальным физическим отличием пространства от
времени является факт, что первое не содержит аналога
принципа причинности. Расстояния между двумя произвольными
точками A и B пространства (взятые безотносительно ко
времени) эквивалентны: AB=BA. Временные же интервалы t|t| и
1 2
t|t| (t| > t|) существенно неэквивалентны. Время t| -
2 1 2 1 2
будущее относительно времени t. Иллюстрацией этих положений
является система двух событий (At|, Bt|), причинно-связанных
1 2
между собой. Событие At| влияет на событие Bt|, обратное
1 2
влияние отсутствует. Однако тела, расположенные в точках A и
B, симметричны. Их пространственная характеристика - вектор
-> ->
AB эквивалентен вектору BA.
В основе ньютоновской механики находится понятие
инерциальных систем отсчета, играющее особую роль,
поскольку, строго говоря, законы Ньютона относятся именно к
этому классу систем отсчета. К сожалению, как это часто
бывает с основополагающими понятиями, определения
инерциальной системы многообразны и не полностью отражают ее
свойства, что может привести, а иногда и приводит к
недоразумениям.
Однако полный анализ понятия инерциальной системы
отсчета выходит за рамки основной темы, и далее мы
ограничимся лишь кратким его рассмотрением. Пока же примем
наиболее популярное определение инерциальной системы
отсчета, представленное в классическом курсе теоретической
физики Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица: "...можно найти такую
система отсчета, по отношению к которой пространство
является однородным и изотропным, а время однородным. Такая
система называется инерциальной".`
------------------------------------------------------------
` Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. М.,
Наука, 1973. Т.1. Механика. С.14.
------------------------------------------------------------
Из этого определения следует ограниченность понятия
инерциальной система отсчета. Оно приложимо к
(квази)точечным телам - материальным точкам.
Макроскопическое тело, состоящее, по определению, из многих
точечных тел, само выделяет из первичного пространства
Евклида объем, нарушающий его однородность и изотропию.
Следовательно, использование понятия инерциальной системы
применительно к макроскопическим телам, вообще говоря,
неоправданно. И действительно, существует ряд парадоксальных
физических ситуаций (релятивистское преобразование
температуры, выбор формы электромагнитного тензора
энергии-импульса в макроскопических телах и т.д.), когда
отсутствует однозначное решение четко и корректно
сформулированной проблемы. На наш взгляд , эта
неоднозначность обусловлена чрезмерно широким употреблением
понятия инерциальной системы. Но подробнее обсуждение этой
проблемы находится вне основной линии книги. Мы лишь во
избежание недоразумений будем использовать инерциальные
системы для (квази)точечных тел.
Здесь уместно напомнить основные свойства инерциальных
систем отсчета. В этих системах законы ньютона имеют
наиболее простой вид (отсутствуют силы инерции). Все
механические явления, происходящие в двух инерциальных
системах, движущихся с постоянной скоростью друг
относительно друга, протекают одинаково.
Иначе говоря, законы движения в двух инерциальных
системах координат инвариантны при переходе от одной системы
отсчета к другой. Отмеченную инвариантность уместно выразить
на языке линейных преобразований. Для простоты ограничимся
двумерным евклидовым пространством. Пусть в инерциальной
системе I точка (событие) представлена координатами x|, y|,
1 1
а система II (координаты x|, y|) движется с постоянной
2 2
скоростью v относительно системы I. Тогда из свойств
евклидова пространства и инерциальных систем отсчета
следует, что уравнения движения в этих системах должны быть
инвариантны относительно замены:
x| = x| cos ALPHA + y| sin ALPHA + vt cos BETA + a ,
2 1 1
y|= -x| sin ALPHA + y| cos ALPHA + vt sin BETA + b , (12)
2 1 1
где ALPHA - произвольный угол поворота системы отсчета I,
BETA - угол между направлениями O|O| и O|x|. Постоянные a и
1 2 2 2
b отражают однородность (трансляционную инвариантность)
евклидова пространства. Условие (12) является обобщением
аналитического определения статического евклидова
пространства. Евклидово пространство однородно и изотропно.
Следовательно, при произвольном преобразовании декартовой
системы координат осуществляются соотношения:
x| = x| cos ALPHA + y| sin ALPHA + a ,
2 1 1
y|= -x| sin ALPHA + y| cos ALPHA + b , (13)
2 1 1
Таким образом, инерциальные системы отсчета - основа
динамики - являются обобщением статического евклидова
пространства. Это обобщение отражается включением членов,
содержащих множитель vt, обуславливающих равноправие всех
инерциальных систем отсчета.`
------------------------------------------------------------
` Более подробно о взаимосвязи между ньютоновской динамикой
и евклидовым пространством см. в кн.: Яглом И.М. Принцип
относительности Галилея и неевклидова геометрия. М.:
Наука. 1969.
------------------------------------------------------------
Пожалуй, интересно отметить, что в течение многих
столетий доминировала механика, в которой допустимые
преобразования представлялись соотношениями (13). Эта
механика была унаследована от Аристотеля, который полагал,
что любое движение (в том числе и равномерное) обусловлено
внешним воздействием. Потому в рамках такой механики
существовала единственная привилегированная система отсчета
- та, к которой тело покоилось. Естественно, что геометрия,
соответствующая подобной механике, была тождественна
геометрии Евклида.
Преобразование (12) подчеркивает особенность
классической механики. Время t и скорость v никак не связаны
с пространственными координатами и могут принимать любые
значения. Поэтому, хотя пространство, представленное
геометрией Евклида, имеет определенную метрику (в данном
случае x**2 + y**2 = const), совокупность времени и
пространственных координат такой определенной метрикой не
обладает.
3. "ВЫВОД" КЛАССИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ
ИЗ СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВА
Почти во всех учебниках физики характеристики
пространства и уравнения движения излагаются независимо.
Поэтому создается впечатление, переходящее в убеждение, о
независимости этих основных элементов физики. В
действительности же свойства пространства (евклидовость)
практически предопределяют классическую динамику.
Ограничимся (как условились ранее) анализом системы
двух тел, одно из которых будем полагать телом отсчета,
а другое материальной точкой, положение которой
характеризуется вектором r и временем t. Из определения
инерциальной системы отсчета следует, что они являются
единственной привилегированной системой отсчета, поскольку
она отражает наиболее общие свойства пространства -
изотропию и однородность. Для системы двух тел существует
единственное выделенное направление - вектор r, соединяющий
тело отсчета и материальную точку.` Поэтому все динамические
и кинематические величины будут направлены вдоль вектора r.
Обозначим меру воздействия на материальную точку символом Ф.
По определению, воздействие, а следовательно и сила,
инвариантно относительно равномерного движения инерциальной
системы. Поскольку существует единственное выделенное
направление r, то функция Ф определяется вектором r или его
производными dr/dt, d**2 r/dt**2, d**3 r/dt**3...
(предполагается, что они параллельны). Действие в принципе
может зависеть от констант m|, m|,... , характеризующих
1 2
материальную точку
dr d**2 r
Ф = Ф (m|, m|, ... , r, ---- , -------- , ...) . (14)
1 2 dt dt**2
Однако при учете свойств инерциальной системы это выражение
сильно упрощается. Действительно, в общем случае аргументы r
и v = dr/dt исключаются вследствие эквивалентности
инерциальных систем. Всегда можно выбрать систему, в которой
в данный момент v=0. Производные высших порядков:
d**3 r/dt**3, d**4 r/dt**4,... в общем виде также не могут
определять движение, поскольку в этом случае, помимо
выделенного класса систем отсчета (соответствующего
v=const), существовали бы и другие привилегированные системы
отсчета, удовлетворяющие условиям a = d**2 r/dt**2=const или
b = d**3 r/dt**3=const и т.д. Поскольку рассматривается
материальная точка, то естественно допустить, что она
характеризуется единым параметром m=m|. Поэтому (14) можно
1
записать в форме
d**2 r
Ф = Ф (m , -------- ) . (15)
dt**2
Величина m - внутренняя характеристика тела, вторая
производная d**2 r/dt**2 определяется взаиморасположением
тела отсчета и материальной точки. В рамках ньютоновской
механики обе величины абсолютно независимы. Поэтому
естественно предположить, что они входят в выражение (14) в
виде произведения
d**2 r
Ф = Ф (m -------- ) . (16)
dt**2
Назовем силой функцию F, обратную функции Ф, тогда получаем
основной закон
d**2 r
F = m -------- . (17)
dt**2
------------------------------------------------------------
` Строго говоря, здесь пренебрегается возможным вращением
системы. Обобщение рассуждений, учитывающих вращение, не
представляет трудностей.
------------------------------------------------------------
Из свойств пространства вытекают характеристики
дальнодействующих сил, составляющих основу классической
механики.
Назовем дальнодействующими (макроскопическими) силами
такие воздействия, которые в статическом случае (т.е. когда
тело отсчета неподвижно) можно характеризовать силовыми
линиями, начинающимися в теле отсчета, но не изменяющимися в
пустом пространстве. Иными словами, в пустом пространстве
силовые линии - прямые. Если же силовые пересекают
материальную точку, то они взаимодействуют с ней, прекращая
свое существование.
Заметим, что "прямолинейность" силовых линий -
нетривиальное допущение, которое характерно исключительно
для дальнодействующих сил. Для микроскопических
взаимодействий силовые линии либо запутываются,
взаимодействую друг с другом, утрачивая прямолинейность
(сильное взаимодействие), либо обрываются (слабое
взаимодействие). На современном языке необходимыми и
достаточными условиями дальнодействия сил являются
неравенства
ALPHA << 1, m| = 0 ,
c
где ALPHA - безразмерная константа взаимодействия, m| -
c
массам обменной частицы (см. Дополнение). Далее в этом
разделе ограничимся исключительно дальнодействующими
макроскопическими силами.
Поскольку силовое воздействие является точечным и
осуществляется в месте расположения материальной точки, то
единственная характеристика сил, обусловленная этим
расположением, есть плотность d силовых линий. Поэтому сила,
действующая на материальную точку, пропорциональна плотности
силовых линий: F~d. Но в силу изотропии и однородности
пространства полное число силовых линий неизменно, а
плотность силовых линий неизменно, а плотность силовых линий
макроскопического взаимодействия обратно пропорциональна
площади сферы с центром, расположенным в начале координат
(теле отсчета). Эта сфера проходит через материальную точку.
поскольку площадь сферы в трехмерном евклидовом пространстве
пропорциональна r**2 (r - расстояние между телом отсчета и
материальной точкой), то
F~1/r**2. (19)
Мы получили выражение для макроскопических сил: силы Кулона
и силы Ньютона.
Таким образом, оба закона - следствие особых свойств
трехмерного евклидова пространства.
Следовательно, как механика Ньютона, так и выражение
для статических (классических) сил зависят от свойств
пространства. Подчеркнем, что, несмотря на демонстрацию
тесной связи основ динамики и свойств пространства, нельзя
полностью свести физику к логическим умозаключениям,
основанным не геометрии. Разумеется, лишь опыт может
позволить заключить о макроскопичности данного типа сил.
Можно (как это происходило в действительности) на опыте
измерить зависимость (19), на более современном уровне
установить соотношения (18), которые также являются
следствием экспериментов.
Однако общие соотношения отражают свойства
пространства, и наша цель - демонстрация тесной связи этих
свойств и простейшей динамики.
4. ПРОСТРАНСТВО
СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
(ПРОСТРАНСТВО МИНКОВСКОГО)
Теории относительности посвящено огромное число книг,
написанных на разных уровнях. Поэтому нецелесообразно
представлять здесь систематическое изложение этой теории.
Идея этого и следующего разделов несколько скромнее:
очертить лаконично идею взаимосвязи геометрии и динамики,
обусловленную созданием теории относительности, которая
изменила сам стиль этой взаимосвязи. Ранее (в ньютоновской
механике) эта взаимосвязь проявлялась как бы неявно: в
определении инерциальной системы, мельком упоминалась при
выводу законов сохранения и т.д. После утверждения теории
относительности единство геометрии и динамики стало
краеугольным камнем физики.
Специальная теория относительности базируется на двух
постулатах.
1. Существует класс эквивалентных инерциальных систем
отсчета. (Этот постулат оправдывается свойствами
пространства: изотропией и однородностью.)
2. Скорость света в пустоте постоянна и не зависит от
движения его источника или приемника.
К этому постулату, выдвинутому А.Эйнштейном в 1905 г.,
мы привыкли. А привычка часто является синонимом
тривиальности. В действительности он связан с двумя
нетривиальными допущениями. Во-первых, скорость света c не
подчиняется обычному классическому правилу сложения
скоростей: v| = v| + v| (v| - суммарная скорость, v| -
3 2 1 3 1
скорость источника, v| - скорость испущенной материи, в
2
данном случае скорость света). И, во-вторых, этот постулат
также связан с утверждением об евклидовости пространства.
Отсутствие однородности или неизотропия пространства также
привели бы к его нарушению. Физической иллюстрацией
возможности подобного нарушения евклидовости является
существование макроскопических тел и сильных (>=10**13 Гс)
электромагнитных полей. В областях, где находятся эти
объекты, скорость света отличны от c. Поэтому при
формулировании второго постулата особо подчеркивается
свойство среды, в которой распространяется свет (пустота).
Верные традиции этой книги, мы остановимся на простейшей
системе, состоящей из тела отсчета и материальной точки
(пробного тела).
В математическом плане второй постулат специальной
теории заключается в том, что время распространения света t
между началом координат O и точкой (x, y, z) определяется
уравнением
(ct)**2 - x**2 - y**2 - z**2 = 0 (20)
или в дифференциальной форме
(cdt)**2 - dx**2 - dy**2 - dz**2 = 0 (21)
Соотношения (20) и (21) кардинально отличаются от связи
между пространством и временем в классической физике (см.
(12)). В последнем соотношении пространственные и временные
координаты выступают как независимые переменные. Равенства
(20) и (21) жестко связывают пространство и время.
Пространство и время образуют единый физико-математический
континуум. Иногда (особенно в период ранних дискуссий о
теории относительности) наиболее ревностные ее апологеты
утверждали, что Эйнштейн и Минковский полностью уравняли
пространство и время. Это утверждение неверно. В
соотношениях (20) и (21) временная и пространственные
координаты выступают с разными знаками, что отражает их
фундаментальное различие: время (в отличие от пространства)
- направленный вектор: существует принцип причинности,
различающий будущее и прошлое.
В соответствии с обозначениями дифференциальной
геометрии выражение (21) записывается в форме
ds**2 = (cdt)**2 - dx**2 - dy**2 - dz**2 = 0 (22)
Второй постулат теории относительности можно
сформулировать на геометрическом языке как утверждение, что
для света (в пустоте) интервал ds**2 инвариантен
относительно вращений и трансляций в 4-мерном континууме
пространства-времени.
Инвариантность интервала ds**2 нетрудно обобщить и на
случай тела и системы отсчета, движущейся со скоростью v/=c.
Из опыта известно, что скорость света в пустоте максимальна.
Поэтому это неравенство следует уточнить так: v c
выполняется (22), то и в общем случае ds и ds' могут
отличаться лишь постоянным множителем. Из изотропии и
однородности пространства следует, что этот множитель равен
1`. Следовательно, интервал
ds**2 = (cdt)**2 - dx**2 - dy**2 - dz**2 = const (23)
относительно вращений и трансляций.
------------------------------------------------------------
` Подробнее доказательство этого утверждения представлено в
кн.: Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. 6-е изд. М.:
Наука, 1973, С.16.
------------------------------------------------------------
Геометрия, в которой интервал имеет вид (23),
называется псевдоевклидовой. Из равенства малых интервалов
следует также и инвариантность конечных интервалов.
Инвариантность интервалов ds или s - математической
отражение принципиально нового подхода к взаимосвязи
пространства и времени. Пространство и время образуют единый
математический континуум. Формально это выражается в том,
что они составляют пространство Минковского.
Инвариантность интервала ds или s является основой для
вывода важнейших следствий теории относительности. чтобы
упростить дальнейшие рассуждения, мы ограничимся одной
пространственной координатой x. Обобщение на трехмерное
пространство (x, y, z) не представляет труда, все сделанные
далее выводы при этом сохраняются.
===РИС.4
Отметим прежде всего, что теория относительности
существенно изменяет наши повседневные представления о
прошлом, будущем и настоящем. Из-за конечности скорости
света c причинно-следственные связи определены лишь при
значении интервала s>=0. Чтобы представить себе наглядно
неопределенно неопределенность ситуации при s<0, допустим,
что в момент чтения книги в отдаленной части галактики
произошел взрыв звезды, а читатель никак не ощутил этот
взрыв и не имеет возможности получить о нем какую-либо
информацию. Это типичный пример, отражающий ситуацию при
s<0.
Графически можно можно все пространство-время (x,t)
разделить на четыре области (рис.4). Пусть две
пересекающиеся линии соответствуют уравнениям x = +-ct.
Тогда области внутри угла AOB соответствуют будущему; внутри
угла COD - прошлому, а углам AOC и BOD - неопределенной
ситуации, которая в общем случае зависит от движения системы
отсчета. В этом смысле надо понимать сделанное выше
замечание относительно тезиса Аристотеля (отсутствие
настоящего). Настоящее, соответствующее одновременно
происходящим в разных точках пространства событиям, есть
понятие относительное. Оно зависит от движения системы
отсчета.
Рассмотрим далее преобразование координаты x и времени
t при переходе от одной системы отсчета (x,t) к другой
(x',t'), движущейся со скоростью v относительно первой.
Условие, определяющее это преобразование, -
инвариантность интервала s=s'. Это условие определяет
преобразование, которое является единственным с точностью до
тривиального переноса начала системы отсчета
x' = x ch PSI + ct sh PSI,
(24)
ct' = x sh PSI + ct ch PSI,
PSI - аналог угла поворота декартовой системы в евклидовом
пространстве (ср. с преобразованием (13)). В формуле (24) ch
и ch - гиперболические функции в отличие от обычных
тригонометрических функций в соотношении (13). Эта разница
определяется тем, что в евклидовом (двумерном) пространстве
Inv = x**2 + y**2 - окружность, а в псевдоевклидовом
пространстве Inv = t**2 - x**2 - гипербола.
Положим для простоты x=0. Это допущение не уменьшает
общности рассуждений, однако сильно упрощает выкладки. Тогда
x' = ct sh PSI, ct' = ct ch PSI. (25)
Учитывая, что x'/t'=v, из (25) следует, что th PSI = v/c.
Используя известные соотношения для гиперболических функций,
легко получить
sh PSI = (v/c) [1-(v/c)**2]**(-1/2),
(26)
ch PSI = [1-(v/c)**2]**(-1/2),
после чего из формул (24) и (26) следуют преобразования
Лоренца:
x+vt
x' = ------------------ ,
-------------,
\/ 1-(v/c)**2
(27)
t+vx/c**2
t' = ------------------ .
-------------,
\/ 1-(v/c)**2
Из соотношений (27) следует:
1. При v/c<<1 преобразования Лоренца переходят в
преобразования Галилея (12).
2. Интервалы длины и времени преобразуются
соответственно:
^x
^x' = ------------------ ,
-------------,
\/ 1-(v/c)**2
(28)
^t
^t' = ------------------ .
-------------,
\/ 1-(v/c)**2
Наметим далее вывод из метрических свойств пространства
Минковского уравнения движения материальной точки
p=mu, (29)
где u - скорость частицы.
В ньютоновской механике v = dx/dt; m=const (t -
абсолютное время). Чтобы обобщить импульс в рамках теории
относительности, нужно проделать две операции, специфические
для теории относительности: 1) условиться о системе отсчета,
в которой определяется время; 2) обобщить 3-мерные векторы
ньютоновской физики на 4-мерное пространство Минковского.
Иначе говоря, следует ввести 4-мерный вектор, который при
v/c -> 0 переходил бы в 3-мерный евклидов вектор, а в рамках
теории относительности был бы аналогом 4-вектора (t,x,y,z).
Найдем 4-мерный аналог скорости v=dx/dt. В русле идей теории
относительности существует выделенная (собственная) система
отсчета, связанная с материальной точкой. Действительно, в
этой системе величина dx=const и время t=TAU однозначно
связано с инвариантным интервалом ds. В том же случае, когда
тело "истинно" точечное (dx=0), то ds=c d TAU. Поэтому
естественно в формуле для скорости положить
u=dx/d TAU (23)
и на основании (23)
v|||||
x,y,z
u||||| = ------------------ ,
x,y,z -------------,
\/ 1-(v/c)**2
где индексы x, y, z отмечают компоненты по соответствующим
осям.
Чтобы величина u была бы 4-вектором, нужно
доопределить четвертую компоненту. В нашем распоряжении есть
единственная величина, имеющая размерность скорости:
скорость света c. Поэтому аналог временной компоненты
4-скорости:
c
u| = ------------------ . (32)
t -------------,
\/ 1-(v/c)**2
Тогда выражение (29) для импульса можно записать в
форме
p| = m|u|,
i 0 i
ult m| - масса в собственной системе отсчета. Индекс i
0
отмечает номер компоненты 4-скорости. Легко проверить, что
величины p| (i=1,2,3,4 или t,x,y,z) образуют 4-вектор.
i
Действительно,
(p|)**2 - (p|)**2 -(p|)**2 -(p|)**2 = (m|c)**2 = Inv . (34)
t x y z 0
По существу (34) есть частное следствие общего
определения пространства Минковского: квадрат 4-вектора -
инвариант относительно поворотов и трансляций в этом
пространстве. Другим важнейшим примером этого правила
является инвариантность интервала. Отличие от векторного
определения пространства Евклида сводится к правилу знаков:
квадрат временно-подобной компоненты берется со знаком "=",
а квадраты пространственно-подобных компонент - со знаком
"-". Если потребовать сохранения формы (29) для выражения
импульса в релятивистской механике через обычную скорость,
то следует изменить определение массы, положив
m
m = ------------------ . (35)
-------------,
\/ 1-(v/c)**2
Все выводы релятивистской динамики, и в частности
формулы (33) - (35), превосходно согласуются с
экспериментальными данными, полученными на ускорителях.
Точнее, они служат основой для конструирования больших
ускорителей, образуя новую область, лежащую на стыке
фундаментальной физики и инженерных дисциплин:
релятивистскую инженерную физику.
5. ЭЙНШТЕЙНОВСКАЯ ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ
Специальная теория относительности, геометрический
образ которой воплощен в пространстве Минковского, вызывает
невольные ассоциации с величайшими творениями искусства.
Сочетание величия человеческого духа и лаконичности придают
этой теории те качества, которые отличают настоящие
ценности.
Тем не менее специальная теория относительности -
отражение законов природы и поэтому, как и вся физические
принципы, характеризуется определенными границами.
Произведение искусства - автономно, научная теория неизбежно
ограничена невидимыми (а зачастую и зримыми) проявлениями
прогресса экспериментальной физики и логикой.
И у специальной теории относительности есть границы
применимости. Они проявляются довольно отчетлива, однако (и
в этом одна из причуд истории науки) их не принято детально
обсуждать. В этом нет, вероятно, никакой злонамеренности.
подобная ситуация имеет простую психологическую подоплеку. В
первые десятилетия после создания теории относительности у
нее существовало столько принципиальных и беспринципных
противников, что борьба велась не по линии теории ценных
деталей, а по вопросу: быть или не быть теории
относительности. И когда экспериментальные данные блестяще
подтвердили специальную теорию относительности, а ее
противники оказались полными банкротами, в общественном
мнении возобладала антитеза отрицания - ее полная
абсолютизация.
Однако беспристрастный анализ продемонстрировал, что и
у специальной теории есть свои проблемы, которые частично
были блестяще использованы Эйнштейном при создании общей
теории относительности, а частично вообще ускользнули из
поля зрения научной общественности.
Для того, чтобы изложить эти проблемы, мы будем
опираться на мысленные эксперименты, которые так часто
"проводились" в начале столетия. В частности, на них
опирался Эйнштейн в процессе создания теории
относительности.
Трудно скрыть известную ностальгию по этой почти
ушедшей эре, когда в физике царила наглядность, а формальные
аспекты были на втором плане. К сожалению, в науке не всегда
возможен стиль "ретро", но все-таки будем стремиться к
максимальной наглядности. Вообразим систему отсчета, в
которой движутся два тела (1 и 2) с разными скоростями.
Тогда в области расположения тела 1 в соответствии с
формулами (28) о сокращении масштабов пространство будет
искажено: его однородность будет нарушена. Следовательно,
будет нарушено основное условие определения инерциальной
системы отсчета. Фактически многочастичное макроскопическое
тело своим объемом нарушает однородность и изотропию
пространства. Тем самым подрываются основы определения
инерциальной системы координат. Макроскопическое
(неточечное) тело нарушает свойства пространства
Минковского: его однородность и изотропию. Поэтому
становится проблематичным его использование для описания
макроскопического тела.
Это рассуждение - пример мысленного эксперимента. В
нашем распоряжении нет твердых тел, которые можно разгонять
до релятивистских скоростей, и поэтому непосредственная
экспериментальная проверка выводов теории относительности
применительно к макроскопическим телам затруднительна.
Теоретические же рассуждения на эту тему (релятивистские
преобразования температуры) лишены убедительности и
однозначности, характерных для специальной теории
относительности точечных тел.
Но закроем глаза на эти проблемы, уводящие в сторону
от основной линии книги, и попробуем применить эту теорию к
конкретному макроскопическому телу - вращающемуся диску,
знаменитому диску Эйнштейна. Пусть диск, являющийся
абсолютно твердым телом, вращается равномерно вокруг своего
центра. Очевидно, что линейные скорости точек диска,
расположенные на разных расстояниях от центра, будут
различны (пропорциональны расстояниям r). Тогда в
соответствии с формулами (29) в этих точках будет различное
сокращение. Пространство станет неоднородным, а
следовательно, неевклидовым. Вращение диска есть
неинерциальное ускоренное движение. Из этих двух фактов
Эйнштейн заключил, что ускоренное движение нарушает
евклидовость (псевдоевклидовость) пространства.
В случае равномерного вращения диска и соответствующего
постоянному во времени ускорению легко оценить, как меняется
метрика пространства, заполненного диском, в зависимости от
расстояния r. Вычислим, в частности, 4неевклидовость"
пространства на расстоянии r, если задана угловая скорость
вращения OME. Если OME = 0, то пространство евклидово, т.е.
d/r = 2 PI. (d - длина окружности в системе покоя диска).
Если OME /= 0 , то в направлении по радиусу диска масштаб
останется несмещенным, следовательно, длина окружности
увеличится в [1-(OME r/c)**2]**(-1/2) раз. Во вращающейся
d' d -1/2
системе координат --- = --- [1-(OME r/c)**2] > 2 PI,
r r
что и является мерой неевклидовости.
Нетрудно установить и метрику, соответствующую угловой
скорости OME /= 0 . В цилиндрических координатах при OME = 0
интервал
ds**2 = (c dt)**2 - dr**2 - (r dFI)**2 , (36)
где FI - азимутальный угол.
Если OME /= 0, то r=r'? FI=FI+OME t , и интервал имеет
вид
(ds')**2 = [c**2-(OME r')**2 (dt)**2 - 2 OME (r'**2 dFI' dt
- (r' dFI')**2 - (-r')**2 . (37)
По какому бы закону ни преобразовывалось время, метрика
(37) является римановой метрикой (6). Из того факта, что при
ускоренном движении (вращение диска) возникает
неевклидовость, которая представляется римановой метрикой,
естественно допустить, что ускоренные движения изменяют
метрические свойства пространства, а постоянно ускорение
(OME = const /= 0) приводит к обобщению пространства
Минковского - пространству Римана. Именно эта идея Эйнштейна
(взаимосвязь геометрии и динамики) кардинально изменила наши
представления о неком абсолютном континууме
пространства-времени. Даже пространство Минковского было в
известном смысле абсолютно (независимость метрики от
динамики). Общая теория относительности уничтожила эти
остатки абсолютизации. Однако ограничиваться утверждением,
что динамика влияет на свойства пространства, - это почти
ничего не сказать. Это общее утверждение, а физики
базируется на конкретных уравнениях. Чтобы их
сформулировать, Эйнштейн придумал второй мысленный
эксперимент (лифт Эйнштейна). Основная его идея базируется
на факте (опыты В.Г.Брагинского и сотрудников),
установленном с фантастической точностью (до двенадцатого
знака): равенство гравитационной и инертной массы. из этого
утверждения и законов Ньютона следует, что любое тело
движется в однородном гравитационном поле с одинаковым
ускорением. А мы видели, что такое движение приводит к
изменению метрики пространства. Однако (и это составляет
суть второй гипотезы Эйнштейна) пространство всегда остается
римановым. Следовательно, интервал не зависит от системы
отсчета: ds**2 = (ds')**2 .
Третья кардинальная идея Эйнштейна и основывается на
первых двух. Риманова метрика определяется расположением тел
в пространстве. Как обычно, фундаментальное физическое
уравнение следует записать на языке инвариантов. Не
останавливаясь на цепи рассуждений, отметим лишь, что
уравнения гравитации следовало бы сформулировать на языке
кривизн и тензора энергии импульса. Уравнение Эйнштейна
имеет вид
R|| - 1/2 g|| R = (8 PI G / c**4) T|| , (38)
юv юv юv
где R|| - тензор кривизны, R - скалярная кривизна, T||
юv юv
тензор энергии-импульса:
T|| = (EPS+p) u| u| - pg|| , (39)
юv юv
здесь EPS - плотность энергии, p - давление, u - 4-скорость.
Инвариантные характеристики кривизны R|| и R определяются
юv
компонентами метрического тензора и его производными по
времени. Мы не будем здесь выписывать эти довольно
громоздкие выражения, которые можно найти в любой
монографии, посвященной общей теории относительности.
Таким образом, расположение частиц материи (тензор T||)
юv
определяет характеристики Риманова пространства (R||, R).
юv
Однако это влияние взаимно. Движение частиц, в свою очередь,
определяется геометрией. Частицы движутся в римановом
пространстве (гравитационном поле) по кратчайшим расстояниям
- геодезическим.
Сделаем некоторые комментарии к уравнению (38).
1. Уравнение Эйнштейна не является полной
геометризацией динамики. В правой части находится тензор
T||, отражающий свойства материи. Уравнение (38) лишь
юv
отражает тесную связь между геометрией и динамикой.
2. При нашем весьма упрощенном подходе к уравнению (38)
мы, следуя Эйнштейну, опирались на весьма идеализированные
мысленные эксперименты. Этот подход неоднократно подвергался
критике и модифицировался. Однако почти всегда и при более
рафинированном подходе получали уравнения гравитации в форме
(38) или близкой к ней.
3. Уравнение (38) прекрасно согласуется со всеми
(правда, немногочисленными) экспериментальными данными.
4. Вывод уравнений Эйнштейна на основе (более строгих"
аргументов в известной мере бессмыслен. На поверку
оказывается, что и эти строгие аргументы также содержат
дополнительные постулаты. Этот факт отражает наше убеждение,
что строгий "вывод" фундаментальных уравнений едва ли
возможен. Об этом свидетельствует не только опыт вывода
уравнений Эйнштейна, но и выводы основных уравнений
электромагнитного поля (Максвелл) или уравнений электронов и
позитронов (Дирак). В обоих случаях авторы исходили из
аргументов, которые впоследствии критиковались. Однако
уравнения Максвелла, Дирака и Эйнштейна - основа современной
физики. Их справедливость была обусловлена в значительной
степени красотой (симметрией), логичностью аргументации и
гениальной интуицией авторов. Совершенствовать аргументацию
фундаментальных уравнений физики - дело праведное, отрицать
же их величие - верх нелепости. По нашему мнению, последняя
оценка относится и к попыткам их канонизации - отрицанию
ограниченности любой самой великой теории.
6. ОБЪЕДИНЕННАЯ ТЕОРИЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Одна из основных (а быть может, и главная) задач
современной физики - построение объединенной теории
взаимодействий. В настоящее время достаточно хорошо изучены
четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное,
слабое, электромагнитное и сильное (см. Дополнение).
Конечная цель заключается в том, чтобы написать единое
уравнение, описывающее все четыре взаимодействия. Эта задача
включает три элемента: 1) описание объединенного
взаимодействия с помощью одной или нескольких констант
взаимодействия, 2) включение в уравнение общих характеристик
взаимодействий, 3) исключение из теории бесконечных величин,
которые с неизбежностью возникают при использовании
изолированных, необъединенных взаимодействий.
Рассмотрим эти составляющие объединенной теории более
детально. На первый взгляд первая задача - описание разных
взаимодействий с помощью единой константы - утопия.
Константы различных взаимодействий имеют разные величины,
отличающиеся друг от друга на много порядков.
Однако такое категорическое утверждение кардинально
неверно. Дело в том, что константы всех взаимодействий
зависят от передаваемого во время взаимодействия импульса
массы m. При такой операции зависимость константы от
передаваемой массы (импульса) существенно различна для
разных взаимодействий. Константа ALHPA|, характеризующая
e
электромагнитное взаимодействие, зависит от передаваемой
массы чрезвычайно слабо, и мы будем в дальнейших
рассуждениях этой зависимостью пренебрегать, полагая
ALPHA| (m) = const.
e
Константа ALHPA| сильного взаимодействия, описываемого
s
квантовой хромодинамикой, зависит от передаваемой массы
приблизительно логарифмически. При условии m >> m|
p
(m| ~~ 10**-24 г - масса протона) теоретическая зависимость
p
ALPHA| (m) имеет вид
s
ALPHA| ~ (ln m\m|)**-1 (40)
s p
Константы ALPHA| ALPHA| слабого и гравитационного
w g
взаимодействий квадратично (~m**2) зависят от передаваемого
импульса (массы).
Именно разные энергетические зависимости констант
ALPHA (m) и определяют потенциальную возможность их
совпадений при некоторых значениях m. Здесь следует
подчеркнуть именно потенциальность возможности существования
значения m, при котором произойдет пересечение трех или
четырех констант при едином значении m. Подобная ситуация
отличается от предсказаний относительно совпадения двух
констант, когда вполне естественно ожидать пересечения двух
кривых ALPHA| (m) и ALPHA| (m) в одной точке.
1 2
Таким образом, возможность объединения взаимодействий -
совпадения констант ALPHA при определенном значении m
apriori не очевидна. Лишь расчеты зависимостей ALPHA (m)
могут подтвердить или опровергнуть возможность объединения
констант. Здесь речь идет именно о расчетах, поскольку (как
мы увидим ниже) масштабы масс, при которых происходят
объединения трех и четырех взаимодействий, намного
превосходят возможности современных или даже будущих
ускорителей.
Чтобы оценить масштабы масс, при которых происходит
объединение, следует приравнять выражения ALPHA|, ALPHA|,
w s
ALHPA| значению ALPHA|~0.01, которое (как мы отмечали ранее)
g e
можно полагать постоянной. Тогда получаем следующие значения
масс, объединяющих различные взаимодействия (см. таблицу).
Значение массы, при
Объединение взаимодействий котором происходят
объединения (m|)
p
Электромагнитное-слабое 10**2
Электромагнитное-слабое-сильное 10**15
Электромагнитное-слабое-сильное-гра- 10**19
витационное
Из этой таблицы следует ряд примечательных следствий.
Во-первых, объединение трех и четырех взаимодействий в
принципе возможно, поскольку существуют значения масс, при
которых происходит слияние трех и четырех констант.
Во-вторых, в объединенных теориях возникают огромные
масштабы масс - 10**15 m| и 10**19 m|. Например, для
p p
представления об этих величинах достаточно напомнить, что
гипотетический кольцевой ускоритель с размером, равным
диаметру Земли, мог бы ускорять частицы до энергии ~10**7
m|. И наконец, третье: электрослабое взаимодействие
p
характеризуется "человеческими" масштабами: ~100 m|. Эти
p
энергии уже достижимы на самых больших современных
ускорителях. И действительно, в 1983 г. на ускорителе ЦЕРНа
-Коллайдере были открыты переносчики слабого взаимодействия
+- 0
- W||- и Z|-бозоны со значениями масс, точно
соответствующими теории Глешоу-Вайнберга-Салама, описывающей
это взаимодействие.
Следует, пожалуй, пояснить причину возникновения
масштабов масс в теориях, объединяющих электромагнитное,
слабое и сильное взаимодействия (большое объединение) и все
четыре взаимодействия (супергравитация). В большом
объединении этот масштаб возникает из-за вялой,
логарифмической зависимости ALPHA|(m) (см. (40)).
s
Приравнивая ALPHA| = ALHPA|, получаем массу объединения
s e
m|~~10**15 m|. Масштаб характерной массы супергравитации
x p
(объединении всех взаимодействий) - следствие малости
постоянной Ньютона, обуславливающей в свою очередь малость
значения ALPHA| в низкоэнергетическом пределе: m~m|.
g p
Перейдем далее к определению общности свойств функций,
описывающих состояние систем. Разумеется, речь идет о
фундаментальных свойствах, общих для всех систем достаточно
широкого класса (например, материальных точек).
На математическом языке это означает, что уравнения,
определяющие изменение функций состояния во времени,
инвариантны относительно определенных групповых
преобразований.` Простейшим примером такой инвариантности
является трансляционная инвариантность. Простейшим примером
такой инвариантности является трансляционная инвариантность
уравнений Ньютона. Ни уравнения, ни физическое состояние
системы не меняются при замене x' -> x+a, где a - некое
постоянное число. Можно привести и другой пример групповой
инвариантности. Рассмотренное ранее в гл.1 вращение системы
координат также оставляет уравнения механики инвариантными.
Группа, соответствующая вращению N-мерной сферы, называется
группой вращения. Можно сказать, что уравнения механики
(впрочем, это относится также и к электродинамике,
хромодинамике и ко всем взаимодействиям, кроме
гравитационного) инвариантны относительно преобразований
группы трехмерных вращений, что отвечает изотропии
трехмерного пространства Евклида.
------------------------------------------------------------
` Напоминаем, что группой называется совокупность
математических объектов, для которых определена некая
операция, иногда называемая умножением. Группа определена,
если выполняются следующие условия: 1) если a, b -
элементы группы, то произведение a*b - также элемент
группы; 2) (a*b)*c=a*(b*c); существует единичный элемент
I, такой, что для любого элемента выполняется равенство
I*a=a*I=a; существует обратный элемент a**-1: a*a**-1=I.
------------------------------------------------------------
Однако основная идея объединения взаимодействий
относится не к макроскопическому пространству Евклида, а к
"внутреннему" пространству элементарных частиц, отражающему
их квантовые числа (см. Дополнение). Это пространство проще
всего отождествить с расслоенным пространством, где база -
пространство Минковского, а пространства, соответствующие
квантовым числам элементарных частиц (спину, изотопическому
спину и цвету - см. Дополнение), являются слоями. Слои можно
представить как сферы, "прикрепленные" к каждой точке базы.
Векторы состояний вращаются внутри сфер-слоев в соответствии
с правилами квантовой механики.
Вообще говоря, нет априорных правил выбора этих слоев,
и в частности их размерности. Видимое отсутствие этих правил
отражает известный произвол в выборе квантовых чисел частиц
- переносчиков взаимодействия. Поэтому на первый взгляд
выбор этих квантовых чисел и масс частиц-переносчиков
является лотереей, в которой выигрыш - счастливая
случайность. Такой подход можно назвать феноменологических в
том смысле, что в нем отсутствует руководящий принцип,
ограничивающий выбор частиц-переносчиков. Однако сейчас
господствует убеждение, что такой принцип существует. Это
принцип калибровочной инвариантности, и его изложению и
геометрической интерпретации будет посвящена значительная
часть книги.
Пока же мы ограничимся замечанием, что выбор общей
группы и является одной из трех проблем объединения
взаимодействия. Наконец, последняя из перечисленных проблем,
решение которых необходимо для создания объединенной
теории взаимодействия, - устранение бесконечностей из
результатов вычислений. Желательно, чтобы эти бесконечности
отсутствовали бы и в промежуточных выкладках, однако
необходимое условие замкнутости теории - отсутствие
бесконечностей в окончательных результатах
(перенормируемость теории). Сравнительно недавно
существовала лишь одна перенормируемая теория - квантовая
электродинамика. Объединение слабого и электромагнитного
взаимодействия (теория Глешоу-Вайнберга-Салама) привело к
тому, что рассматриваемая изолированно неперенормируемая
теория слабого взаимодействия оказалась лишь частью целого -
красивой, перенормируемой теории электрослабого
взаимодействия. Удалось построить такую теорию, что
бесконечности скомпенсировали друг друга; в результате
получились конечные результаты, превосходно согласующиеся с
экспериментом.
Квантовая гравитация - существенно неперенормируемая
теория. Можно сказать, что это свойство гравитации глубоко
внутренне присуще ей. Естественный путь преодоления этого
дефекта видится в построении теории, объединяющей все четыре
взаимодействия - супергравитации, когда бесконечности,
существующие в каждой изолированной теории, скомпенсируются.
На этом пути есть определенные достижения, но расстояние до
окончательной цели - построения полностью перенормируемой
супергравитации - кажется еще весьма большим.
7. КАЛИБРОВОЧНАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ -
ОСНОВНОЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП
В предыдущем разделе мы сформулировали три
основополагающих принципа построения объединенной теории.
Однако первый (требование единства константы) и третий
(устранение бесконечностей) принципы имеют ясно очерченный
алгебраический характер (единое число, конечность
теоретических выражений), то второй - единый тип симметрии -
кажется менее определенным. В самом деле, симметрий,
воплощенных в теорию групп, бесконечно много, и совершенно
не очевидно, чем следует руководствоваться при их выборе.
Правда, ясны общие принципы, связанные с симметрией
наблюдаемого 4-пространства Минковского (изотропия и
однородность). Эти пространственные симметрии являются, как
известно, первопричиной основных законов сохранения: закона
сохранения энергии-импульса, закона сохранения момента
импульса и инвариантности уравнений движения относительно
преобразований Лоренца. Однако пространственно-временной
симметрии и обусловленных ею законов сохранения совершенно
недостаточно для обнаружения руководящей нити в безбрежном
море возможных симметрий.
Такая ситуация (отсутствие основной идеи) продолжалась
сравнительно долго, и частично она была причиной неудач в
попытках Эйнштейна и других выдающихся физиков построить
единую теорию поля. Однако в последние два десятилетия
постепенно намечались, а затем четко очертились контуры
руководящего принципа поиска "истинной" симметрии
динамических уравнений. Эта симметрия, известная под
названием калибровочной инвариантности, была обнаружена
очень давно - со времен первых исследований электромагнитных
явлений, однако вначале она казалась излишеством. Затем, в
двадцатых годах XX в., в особенности после работ немецкого
математика и физика Г.Вейля (крестного отца этого типа
симметрии), к ней привыкли, но не придавали ей
сколько-нибудь решающего значения. Лишь после успехов в
создании теории объединенного электрослабого взаимодействия
и квантовой хромодинамики - теории сильного взаимодействия -
среди специалистов возникло общее убеждение: калибровочная
инвариантность есть основной динамический принцип.
Констатация широкой популярности калибровочного
принципа при длительном непонимании его важности не есть
просто дань риторике. Вероятно, подобная ситуация -
отражение узловых парадоксов физики, являющихся двигателем
ее прогресса. Уверенность в важности калибровочного
принципа возникла на пересечении двух течений физики,
которым, казалось, никогда не слиться в единое русло.
В 1954 г. работающие в США физики Ч.Янг и Ф.Миллс
исследовали новый тип уравнений, описывающих безмассовые
поля на основе калибровочного принципа. Но поскольку
единственной в те времена известной безмассовой частицей -
переносчиком взаимодействия был фотон - основная частица
электромагнитного взаимодействия, то уравнения Янга-Миллса
посчитали физико-математической экзотикой.
В 1964 г. при полном отсутствии какой-либо видимой
связи с уравнениями Янга-Миллса независимо М.Геллман и
Г.Цвейг выдвинули весьма экзотическую по тем временам теорию
кварков. Исключительная необычность этой теории заключалась
в дробном (сравнительно с электроном) значении
электрического заряда. Таких частиц никто и никогда не
наблюдал, хотя их обнаружение по величине ионизационных
потерь было бы весьма простым делом. Поэтому к модели
кварков вначале было отношение двойное: с одной стороны -
привлекало ее исключительное изящество и простота, с другой
- видимое противоречие с экспериментом (отсутствие реальных
кварков) подрывало привычную для физических теорий основу -
экспериментальное обнаружение фундаментальных объектов.
Однако с годами число косвенных подтверждений гипотеза
кварков быстро увеличивалось, что привело к возросшему числу
верящих в нее. И примерно в начале 70-х годов возникла
необходимость в описании взаимодействия между кварками.
Тогда вспомнили о теории Янга-Миллса, которая качественно
объясняла невылетание кварков из реальных адронов`.
Оказалось также, что эта теория, примененная к модели
кварков, и количественно объясняет многие экспериментальные
факты. Постепенно создавалось убеждение, что теория
Янга-Миллса составляет основу интерпретации взаимодействия
кварков. Эта теория применительно к кваркам получила
название квантовой хромодинамики по аналогии с квантовой
электродинамикой. Замена "электро" на "хромо" объясняется
тем, что кварки (как и любые сильно взаимодействующие
частицы) характеризуются цветовым (chromo) зарядом, подобно
тому как электроны и протоны характеризуются электрическим
зарядом (см. Дополнение). Уже упоминалось, что теория
Янга-Миллса (квантовая хромодинамика) базируется на
калибровочной инвариантности. Эта же симметрия лежит в
основе объединенного электрослабого взаимодействия. Поэтому
возникло убеждение, что именно калибровочная симметрия -
базис единого взаимодействия.
------------------------------------------------------------
` Количественно эта проблема не решена полностью и сейчас,
хотя невылетание кварков реализуется в рамках некоторых
упрощенных моделей.
------------------------------------------------------------
В этом разделе мы изложим элементарные представления о
калибровочной симметрии и ее фундаментальной роли.
Верные нашей схеме, мы рассмотрим простейшую систему,
состоящую из двух тел. Первое, тяжелое, определяет систему
отсчета, воздействует на второе тело и создает статическое
(независящее от времени) поле. Движение второго тела
(частицы) определяется этим полем. Движение второго тела
(частицы) определяется этим полем. Понятие калибровочной
инвариантности основано на постулате существования некоторой
неизмеряемой на опыте функции состояния системы, но
определяющей это состояние. В частном случае статического
электрического поля такой функцией состояния является
потенциал FI. Известно, что абсолютное значение FI не
определяет никакие физические характеристики системы.
Простейшее проявление этого принципа - безопасность
прикосновения к одному из двух проводов, по которым
протекает ток. Более сложным выводом является утверждение,
что энергия системы, или работа, реализуемая при перемещении
из точки x| в точку x|, определяется не абсолютными
1 2
значениями потенциалов FI(x|) и FI(x|), а исключительно их
1 2
разностью FI(x|) - FI(x|). Следовательно, значение
1 2
потенциала определено с точностью до аддитивной постоянной.
Если во всем пространстве (для статической системы) изменить
потенциал на одну и ту же величину b, то физическая ситуация
останется неизменной.
Этот пример - простейшее и давно известное проявление
калибровочной инвариантности. Однако из данного выше общего
определения калибровочной инвариантности следует
неоднозначность постулируемой функции состояния.
Действительно, если функция определяет состояние в точке x,
но не измеряется на опыте, то все физические характеристики
должны зависеть от производных этой функции или (как в
случае статического поля, рассмотренного выше) от разности
FI(x|) - FI(x|). В обоих случаях прибавление к функции FI
1 2
величины b
FI' -> FI+b (41)
не меняет физическую ситуацию.
Различают два вида калибровочной инвариантности: 1)
величина b=const(x), т.е. постоянна во всем пространстве (в
этом случае говорят о глобальной калибровочной
инвариантности); b=b(x) (этот случай соответствует локальной
инвариантности
Мы остановимся в основном на более простом первом
случае. Далее мы продемонстрируем простейшее приложение
калибровочного принципа - вывод закона Кулона и закона
сохранения в электростатике.
Простейшие соображения таковы. Поскольку
рассматриваемая система состоит из двух тел, то вектор силы,
действующий на пробное тело, должен быть направлен по линии,
соединяющей оба тела. Единственный вектор, удовлетворяющий
этому условию и калибровочной инвариантности, есть grad TI =
d FI / dr. В частности, работа, производимая такими силами,
равна интегралу
r|
2
---\
\ d FI
\ ---- dr = FI (r|) - FI (r|) .
\ dr 1 2
\
\---
r|
1
Существенно, что в рамках электростатики осуществляется
глобальное (а не локальное) калибровочное преобразование.
Отсюда можно вывести важное следствие: если потенциал нашей
системы представляется некоторой функцией FI(r), то
калибровочное преобразование (изменение потенциала в каждой
точке на постоянную величине b) не изменяет основного
свойства пространства: изотропию и однородность. Поскольку
наша система относительно тела отсчета была
сферически-симметричной, то, следовательно, все наблюдаемые
физические величины (энергия, сила, действующая на пробное
тело) также должны характеризоваться сферической симметрией.
Таким образом, величины grad FI или FI(x|) - FI(x|)
1 2
определяют наблюдаемые физические величины. Отсюда следует,
что работа, произведенная калибровочным полем, однозначно
определяется разностью FI(x|) - FI(x|) и не зависит от пути,
1 2
по которому двигалась пробная частица. Тогда можно показать,
что число силовых линий статического калибровочного поля
остается неизменным в пространстве (во времени оно неизменно
вследствие условия статичности). Действительно, существуют
две возможности изменения числа силовых линий: 1) их "обрыв"
на границе некоторой пространственной области и 2)
пересечение, "взаимодействие" силовых линий в некоторых
точках x|, x| ,... /= x|, x| . Обе возможности противоречат
3 4 1 2
следствию о независимости работы от пути, проходимого
частицей. Действительно, рассмотрим первое допущение.
Работа, производимая при переносе тела из точки x| до
1
границы области, зависит от точки границы x|, а работа,
k
производимая при переносе тела из точки x| в точку x|, равна
k 2
нулю. Следовательно, суммарная работа зависит от пути, что
противоречит основному постулату.
Если же силовые линии пересекаются, то силы,
действующие на пробную частицу, зависят от конкретной формы
пересечения силовых линий в некоторых точках x|, ... , x|.
1 k
Это должно также привести к зависимости работы от пути.
Следовательно, число силовых линий калибровочного поля
(FI' -> FI+b) точечного источника в статическом случае
взаимодействия в том смысле, который указан в разд.3 этой
главы. Для такого случая выполняется закон F~1/r**2.
Вывод о неизменности числа силовых линий можно получить
из калибровочной инвариантности и несколько иным путем.
Поместим в начало отсчета две заряженные частицы, обладающие
зарядами e| и e|, характеризующими их силовые поля.
1 2
Суммарное поле FI на расстоянии r можно представить в общем
виде:
FI[(e|+e|),r]=FI|(e|,r)+FI|(e|,r)+FI|(e|,e|,r) . (42)
1 2 1 1 2 2 3 1 2
Произведем калибровочное преобразование, соответствующее
каждому из зарядов:
FI'[(e|+e|),r] -> FI[(e|+e|),r] + b ,
1 2 1 2
FI'(e|,r) -> FI|(e|,r) + b , (43)
1 1 1
FI'(e|,r) -> FI|(e|,r) + b .
2 2 2
Уравнения (42) и (43) совместны, если
FI(e|,e|,r) = -b = const(r), что соответствует глобальному
1 2
калибровочному преобразованию. Иначе говоря, из него следует
принцип суперпозиции:
FI[(e|+e|),r]=FI|(e|,r)+FI|(e|,r) , (44)
1 2 1 1 2 2
который также отражает слабость взаимодействия.
Мы до сих пор рассматривали систему из двух частиц.
Однако вследствие принципа суперпозиции все выводы нетрудно
обобщить на статическую систему, состоящую из любого числа
частиц.
Таким образом, электростатика, базирующаяся на законе
Кулона, - следствие калибровочной инвариантности. Очевидно
(к этому мы привыкли из школьного курса физики) и обратное
утверждение: глобальное калибровочное преобразование -
следствие закона Кулона. Калибровочная инвариантность
взаимосвязана с электростатикой. Далее мы проиллюстрируем
общность взаимосвязи динамики и калибровочной
инвариантности.
Остановимся на другом важнейшем следствии калибровочной
инвариантности. Опираясь на факт существования функции
FI(x), которая определяет работу при перемещении пробного
тела из точки x| в точку x|, можно сделать вывод о
1 2
сохранении заряда (пока в рамках электростатики).
Действительно, по определению, заряд - мера воздействия тела
(в нашем примере тела отсчета) на силовое поле или мера
реакции пробного тела на величину силового поля. Пусть по
пути из точки x| в точку x| заряд пробного тела изменится, а
1 2
заряд тела отсчета останется неизменным. Тогда работа не
будет определяться исключительно разностью FI(x|)-FI(x|).
Аналогичное рассуждение можно провести, полагая, что заряд
тела отсчета изменится.
Однако в силу принципа суперпозиции (см.(44)), если оба
тела соприкоснутся, заряд с одного тела может перейти на
другое тело. Принцип суперпозиции вполне консистентен
переходу заряда от одного тела к другому при условии
сохранения суммы зарядов.
Таким образом, мы продемонстрировали закон сохранения
заряда для системы, состоящей из двух тел. Далее мы поясним
этот закон в общем случае и в случае нестатических систем.
До сих пор мы анализировали простейшую физическую ситуацию -
электростатику. Однако вид калибровочной инвариантности
однозначно определяет и самые общие уравнения движения и
форму квантовой теории полей. Здесь же мы лишь наметим
аргументацию этого утверждения. Дело в том, что его
доказательство в полном объеме требует хорошего знакомства
с квантовой теорией поля. Но даже и на таком уровне весь
комплекс вопросов, основанный на принципе калибровочной
инвариантности, на наш взгляд, изложен в литературе
(особенно учебной) неполно. И этот факт прискорбен. Хотя, по
нашему мнению, аксиоматическое изложение физики невозможно,
однако выявление основных принципов и дедуктивное ее
изложение кажется весьма целесообразным как с
дидактических позиций, так и с точки зрения выявления общих
граней разнородных физических объектов и теорий. Сейчас же в
учебной литературе (в том числе в курсах теоретической
физики) калибровочный принцип излагается походя, как бы
между прочим. В специальной же литературе, посвященной
калибровочной теории, обычно затрагиваются не все аспекты
этого принципа. Мы попытаемся дать лаконичное и поэтому не
слишком строгое изложение основных сторон этого принципа.
Калибровочный принцип обуславливается типом частицы -
переносчика взаимодействия. Достаточным условием
калибровочной инвариантности является равенство нулю массы
частиц-переносчиков.
Рассмотрим классическое движение, которое, как
известно, определяется уравнениями Лагранжа. Уравнения
Лагранжа определяются вариацией лагранжиана, который должен
быть функцией от скаляров, которые естественно являются
релятивистскими инвариантами.
Рассмотрим простейшее калибровочное поле -
электромагнитное. Допустим, что электромагнитное поле
представляется релятивистским 4-вектором A|. Тогда из
i
векторов можно образовать только два типа скаляров
i i
(скалярных произведений): eA|dx| и aA|A| (здесь индекс i
i i
пробегает значения i=1,2,3,4; e,a - постоянны). Пусть все
реальные физические величины инвариантны относительно
калибровочного преобразования:
A|' -> A| + DLf/DLx| , (45)
i i i
где f - некоторая произвольная функция при калибровочных
преобразованиях от 4-координат. Тогда можно написать
следующее равенство:
i DL(ef) i
eA| dx| + -------- dx| = eA|dx| + d(ef) , (46)
i DLx| i i
i
где d(ef) - полный дифференциал от функции ef.
Однако прибавление полного дифференциала к лагранжиану не
изменяет уравнения движения. Замена же (45) в квадрате
i
вектора A|A| приводит к изменению лагранжиана, и,
i i
следовательно, член A|A| нарушает калибровочную
i
инвариантность уравнений движения. Следовательно, лагранжиан
i
не может содержать скаляры типа A|A|. В теории поля
i
демонстрируется, что эти члены могут появиться в том случае,
когда частицы - переносчики взаимодействия - характеризуются
ненулевой массой. Следовательно, чтобы удовлетворить условию
(46), достаточно, чтобы масса частицы-переносчика была бы
строго равна нулю. В электродинамике такой частицей является
фотон. Экспериментально установлено, что масса фотона
m||||| < 4.5*10**-16 эВ/с**2, это в 10**21 раз меньше массы
GAMMA
самой легкой частицы - электрона. Естественно полагать, что
в соответствии с принципом калибровочной инвариантности
m|||||=0 .
GAMMA
С другой стороны, из принципа неопределенности следует,
что радиус действия сил, обусловленных частицей-переносчиком
~HP/mc . Для электродинамики это означает, что
электромагнитные силы - дальнодействующие. Их радиус
r|~~HP/m|||||c при m||||| = 0 равен бесконечности. Этот факт
GAMMA GAMMA
для электростатики следовал из простых физических
соображений (см. выше).
Ввиду исключительной важности калибровочного принципа
мы здесь наметим другой вывод уравнения электродинамики в
рамках квантовой теории.
В квантовой механике состояние представляется волновой
функцией PSIG. Вообще говоря, функция PSIG - комплексное
число; среднее значение какой-либо динамической величины A
равно интегралу
---\
\ *
= \ PSIG| (x) A PSIG (x) dx , (47)
\
\
\---
x - точка в пространстве Минковского. Ясно, что значение
величины инвариантно относительно преобразования
i ALPHA
PSIG'(x) -> e||||||| PSIG (x) . (48)
Инвариантность величины - следствие тождества
i ALPHA -i ALPHA
e||||||| * e|||||||| = 1 и того, что комплексно-сопряженная
. .
* *
функция PSIG| (x) преобразуется по закону PSIG| (x) ->
-i ALPHA *
e|||||||| PSIG| (x) . Следовательно, состояние системы,
*
которое определяется произведениями PSIG| A PSIG ,
инвариантны относительно преобразований (48), которые
характеризуются изменениями фазы ALPHA. Существенно, что в
приведенном примере ALPHA = const (x) . Поэтому
преобразование (48) называется глобальным фазовым
(калибровочным) преобразованием.
В известном смысле глобальное фазовое преобразование не
согласуется с основным принципом теории относительности -
конечностью скорости передачи информации. Действительно, в
нашем распоряжении нет возможности согласовать этот принцип
с синхронизацией какой-либо величины (в том числе и фазы
ALPHA) во всем бесконечном пространстве. Здесь не случайно
сделана оговорка "в известном смысле", так как на практике
обычно рассматриваются конечные области пространства. Однако
принципиальный вопрос остается. Поэтому целесообразно
обобщить инвариантность (48), требуя, чтобы фаза ALPHA
зависела от положения системы ALPHA = ALPHA (x) /= const (x)
, а функция PSIG преобразовывалась по закону
i ALPHA(x)
PSIG'(x) -> e|||||||||| PSIG (x) . (49)
Инвариантность такого типа называется локальной
калибровочной инвариантностью. Оказывается, что требование
уравнений динамики относительно локальной калибровочной
инвариантности однозначно определяет уравнения поля.
Остановимся сначала на уравнениях электродинамики. Как
известно, ее уравнения (уравнения Максвелла или Дирака)
определяются значением функций (полей) и их первыми
производными. Выше отмечалось, что физические величины не
зависят от значения фазы ALPHA. Однако эта независимость
сохраняется для производных лишь при условии ALPHA=const(x),
т.е. при глобальных преобразованиях. В общем случае
(ALPHA=ALPHA(x)) производная
DL PSIG i ALPHA(x) DL PSIG(x)
--------- -> e|||||||||| [ ------------ +
DL x DL x
DL ALPHA (x)
+ PSIG (x) -------------- ] (50)
DL x
и, следовательно, неинвариантна относительно локальных
калибровочных преобразований.
Однако можно показать, что эта инвариантность
восстанавливается, если наряду с преобразованием (48) при
ALHPA = ALHPA (x) ввести одновременно калибровочное
преобразование потенциалов
A|'(x) -> A|(x) + DL ALPHA (x) / DL x , (51)
ю ю
с которыми мы уже сталкивались (см. (45)). Иначе говоря,
уравнения электродинамики (или их квантовый эквивалент -
уравнения Дирака) инвариантны относительно совокупности
обоих калибровочных преобразований (49), (51).
С другой стороны, из этих преобразований однозначно
следуют уравнения электродинамики: классические и квантовые.
Калибровочные преобразования (49), (51) - необходимые и
достаточные условия уравнений электродинамики.
Сделаем в заключение три важных замечания.
1. Вывод о калибровочной инвариантности (соотношение
46)) базируется на допущении о неизменности фактора e при
калибровочных преобразованиях. Ясно из определения этого
фактора, что он играет роль электрического заряда. Таким
образом, неизменность величины e отражает неизменность
электрического заряда, т.е. его сохранение. Закон сохранения
заряда никак не связан с видимым 4-мерным пространством. Он
определяется калибровочной инвариантностью. Далее, в разд.9
этой главы мы продемонстрируем связь геометрии с
калибровочной инвариантностью и, следовательно, законом
сохранения заряда. Однако эта геометрия весьма отличается от
геометрии Евклида или Минковского.
2. В соотношении (45) вектор A и функция f или ALPHA
зависят от четырех координат (t,x,y,z). Этим калибровочное
условие (45) или (51) существенно отличается от
калибровочного соотношения (41), в котором величина b не
зависит от координат.
3. Таким образом, можно установить эквивалентность
следующих утверждений:
уравнения движения (поля) - калибровочно инвариантны,
заряд в замкнутой системе сохраняется,
силы в статическом случае дальнодействующие,
масса частицы переносчика взаимодействия m|||||=0 .
GAMMA
Последнее свойство является важной особенностью
калибровочной инвариантности, а также и всех остальных ее
следствий. Дело в том, что частицы с нулевой массой обладают
особым свойством: у таких частиц существует всего два
направления поляризации в отличие от частиц с массой m /= 0
, у которых имеются три три направления поляризации. Это
особое свойство безмассовых частиц и есть первопричина
калибровочной инвариантности.`
------------------------------------------------------------
` Наиболее просто взаимосвязь условия m||||| = 0 и
GAMMA
калибровочной инвариантности показана в ст.: Вайнберг С.
Свет как фундаментальная частица//УФН. 1976. Т.120. С.677.
Подробнее о калибровочной инвариантности см. в кн.:
Коноплева Н.П. Попов В.Н. Калибровочные поля. М.:
Атомиздат. 1980; Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц.
М.: Наука, 1984.
------------------------------------------------------------
8. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
СОСТОЯНИЙ
Рассмотрим пример: систему невзаимодействующих частиц,
движущихся по классическим траекториям. Каждой частице в
момент времени t соответствуют свои координаты и проекции
импульса. Таким образом, каждой точке видимого пространства
соответствует значение вектора импульса. Можно рассматривать
движение системы частиц в этом пространстве, не придавая
совокупности импульсов никакого геометрического смысла.
Кроме того, можно полагать, что вся совокупность координат
играет роль базы, а векторы импульсов - слоев. При
отсутствии взаимодействия подобное расслоенное пространство
тривиально, а использование в данном случае образа
расслоенного пространства и его несколько непривычных для
физиков понятий - ненужное усложнение. Разумнее
рассматривать изолированно два пространства:
конфигурационное (координаты) и импульсное.
Однако ситуация меняется, если пытаться
интерпретировать внутренние квантовые числа элементарных
частиц. Здесь мы остановимся на геометрической интерпретации
спина, изотопического спина и цвета (об этих квантовых
числах см. Дополнение).
Введем вектор, характеризующий состояние системы,
которую для определенности мы будем отождествлять с
частицей. В первом приближении под состоянием следует
понимать значения ее координат и вектора импульса.
Однако если пытаться включить в понятие состояния
значения внутренних квантовых чисел, то элементарная
(привычная) наглядность состояния частицы утрачивается. Если
понятие спина частицы можно отождествить с вращением вектора
состояния в обычном конфигуральном пространстве (например,
пространстве Минковского), то уже при попытке наглядно
геометрически интерпретировать изотопический спин возникают
определенные трудности. Формализмы обычного и изотопического
спинов тождественны. Они соответствуют вращениям вектора
состояния в трехмерном пространстве`. В интерпретации спина
проблем нет. Это наше привычное евклидово пространство.
Однако в каком пространстве вращается вектор изотопического
спина? Со времен введения понятия изотопического спина
(Гейзенберг, 1932) произносили слова, похожие на заклинание:
вектор изотопического спина вращается в воображаемом
"зарядовом" пространстве.
------------------------------------------------------------
` На теоретико-групповом языке изотопический и обычный спины
соответствуют неприводимым представлениям группы SU(2) (SU
- аббревиатура слов: специальная, унитарная. Символ 2
обозначает, что группа соответствует двумерному
комплексному пространству).
------------------------------------------------------------
Однако, используя язык расслоенных пространств, этому
заклинанию можно придать некоторый физико-геометрический
смысл. Допустим, что изотопическое пространство является
слоем над базой - пространством Евклида (Минковского). Иначе
говоря, мы представляем реальное физическое пространство как
расслоенное пространство с базой - видимым пространством и
слоем - изотопическим (зарядовым) пространством. Нам нужно,
чтобы свойства этого слоя удовлетворяли двум условиям: 1)
слой должен быть трехмерной сферой (аналог пространства, в
котором вращается вектор обычного спина), 2) размеры этой
сферы должны быть очень малы, во всяком случае, много
меньше расстояний 10**-16 см, хорошо изученных на опыте.
Если бы радиус слоя превышал 10**-16 см, то слой -
изотопическое пространство - проявлялся бы на экспериментах,
в основе которых лежат представления о реальном физическом
пространстве. Этот эффект, например, проявлялся бы в
отклонении наблюдаемого сечения рассеяния позитронов на
электронах от вычисленного значения сечения. Поскольку такое
отклонение отсутствует, то следует сделать вывод, что если
изотопическое пространство и реально, то его размеры
(размеры слоя) весьма малы. В дальнейшем, в гл.3, мы оценим
эти размеры.
Исключительная малость размеров изотопического
пространство делает в известном смысле иллюзорной попытку
провести грань между словами "реальное" и "воображаемое"
пространство. На опыте это пространство ненаблюдаемо, а
слова: "изотопическое пространство есть слой над базой -
видимое пространство" - имеют в значительной степени
филологические смысл.
===РИС.5
Подобная квалификация кажется тем более оправданной,
поскольку простая геометризация изотопического спина никак
не увязывается с взаимодействием частиц. Чтобы реализовать
связи в треугольнике геометрия - изотопический спин -
взаимодействие, нужна руководящая идея. Пока мы ограничимся
постулированием такой идеи, а в гл.3 подробно изложим
аргументы в ее пользу.
В настоящее время представляется, что основой
сформулированного выше "треугольника" является калибровочная
инвариантность. В качестве предварительного оправдания
подобного постулата можно привести довод: калибровочная
симметрия (правда, в различных модификациях) лежит в основе
четырех известных взаимодействий.
Можно наглядно (но упрощенно) представить
геометрическую интерпретацию изотопического спина (рис.5). К
каждой точке прямой "прикреплена" сфера произвольного
(единичного) радиуса, в которой вращается вектор состояния,
зависящий от координаты. Разумеется, реально точка базового
пространства имеет три, а не одно измерение, однако
представить наглядную 4-мерную конструкцию невозможно.
9. МНОГОМЕРНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Для понимания дальнейшей процедуры геометризации
взаимодействия нужно четко представить следующие положения:
1. Взаимодействие обуславливается свойствами частиц -
переносчиков взаимодействия, и в частности их изотопическим
спином (см. Дополнения).
2. Состояние представляется вектором, вращающимся в
слое расслоенного пространства.
3. Взаимодействие определяется характеристиками
расслоенного пространства, и в частности связностью.
4. В основе взаимодействия лежит калибровочная
инвариантность.
Эти положения носят программный характер. Дальнейшее
представляет их конкретную реализацию. Для простоты
ограничимся вначале электродинамикой. Как упоминалось ранее,
уравнения электродинамики однозначно определяются
характеристиками фотона - частицы, переносящей
электромагнитное взаимодействие. Масса и изотопический спин
фотона равны нулю. Это обстоятельство приводит к фазовой
инвариантности функции состояния
i ALPHA(x)
PSIG'(x) -> e|||||||||| PSIG(x) и калибровочной
инвариантности потенциалов A'(x) -> A(x) + DL f (x) / DL x .
Важно, что в формуле для преобразования функция ALPHA(x) -
простое (хотя, возможно, и комплексное) число, а не матрица.
Это свойство определяется нулевым значением изотопического
спина фотона. Если бы изотопический спин частицы-переносчика
был отличен от нуля, то коэффициент ALPHA представлялся бы
матрицей, что кардинально изменяло бы ситуацию. Этот случай
будет рассмотрен далее.
Вернемся теперь к соотношению инвариантности функции
PSIG в электродинамике и будем геометрически
i ALPHA(x)
интерпретировать фазовый множитель e|||||||||| . Рассмотрим,
как и ранее, простейший случай статического поля. В этом
случае ALPHA(x) = const. Однако (и это обстоятельство играет
важнейшую роль) ALPHA может иметь любое действительное
значение.
Напомним еще раз, что вследствие теоремы Эйлера функция
i ALPHA
e||||||| соответствует точке в плоскости комплексного
переменного:
i ALPHA
e||||||| = cos ALPHA + i sin ALPHA (52)
Таким образом, cos ALPHA есть значение действительной,
i ALPHA
а sin ALPHA - мнимой части комплексного числа e||||||| .
i ALPHA
Модуль комплексного числа ! e||||||| ! = 1 . С
геометрических позиций эта интерпретация эквивалентна
i ALPHA
утверждению, что функция e||||||| есть точка в двумерной
декартовой плоскости с абсциссой, равной cos ALPHA, и
ординатой sin ALPHA. Эта точка лежит на окружности с
радиусом, равным единице. Учтем далее, что ALPHA принимает
произвольное действительное значение. следовательно, число
i ALPHA
e||||||| при любом значении ALPHA образует окружность с
единичным радиусом. Инвариантность относительно
преобразования (49) означает, что вектор состояния PSIG
может находиться на такой окружности, которая обозначается
1
символом S| (сфера размерности единица). Поэтому естественно
1
допустить, что окружность (сфера S|) и является слоем над
базой - привычным пространством Минковского. Напомним, что в
данном случае рассматриваются только электромагнитные силы,
поэтому следует отождествлять базовое пространство с
пространством Минковского. При совместном действии
электромагнитных и гравитационных сил следовало бы базой
полагать пространство Римана.
Нетрудно определить и связность расслоенного
пространства, соответствующего данному статическому случаю.
Как обычно, начало координат отождествим с заряженным телом
отсчета. Пусть расстояние до данной точки в пространстве
Минковского (Евклида) равно R. Тогда следует слой (плоскость
окружности) расположить перпендикулярно вектору R,
проходящему через центр окружности. Характеристикой
расслоенного пространства, связывающего взаиморасположение
соседних слоев и физическую ситуацию, является плотность
центров окружностей (слоев) на окружности в базе с радиусом
R. Следует положить, что эта плотность равна потенциалу
!e!/R , где e - заряд тела отсчета.
Естественно, что, вводя слои-окружности, мы увеличиваем
на единицу размерность пространства. Нужно четко представить
(вообразить), что слой - это не геометрическое место точек в
базе, а автономная геометрическая конструкция над базой.
Наше мышление устроено таким образом, что реально
представить это дополнительное, пятое измерение мы не в
состоянии. Поэтому некоторое упрощенное представление о
дополнительном измерении может дать двумерная плоскость
(база), к каждой точке которой "прикреплена" окружность с
центром в этой точке. Плотность слоев убывает с увеличением
расстояния от начала координат - тела отсчета с зарядом e.
Хотя наши рассуждения относились к простейшему
статическому случаю, однако геометрическая интерпретация
электромагнитного взаимодействия на основе расслоенного
1
пространства со слоем S| сохраняется и в общем,
нестатическом случае с единственным различием: связность
такого расслоенного пространства определяется не только
скалярной функцией FI, но и 4-векторным потенциалом A|, в
ю
котором функция FI является лишь временной компонентой.
Трактовка потенциалов как связностей оправдывается и тем,
что связности определены неоднозначно. Например, связность,
представленная на рис.3, определена с точностью до
трансляционной инвариантности в слое.
Здесь полезно сделать одно отступление. Хотя мы
исходили из концепции расслоенного пространства, однако
исторически геометрическая интерпретация электромагнетизма,
основанная на введении пятого дополнительного измерения,
была введена Т.Калуцей в 1921 г. задолго до формирования
идей расслоенного пространства.
В ту далекую эпоху вследствие торжества общей теории
относительности (количественное согласие предсказаний ОТО с
наблюдениями отклонения света в гравитационном поле Солнца)
возникла идея объединения известных тогда взаимодействий
(гравитационного и электромагнитного) на геометрической
базе. С этой целью предпринимались попытки модифицировать
физическую геометрию, обобщая 4-мерную геометрию Римана.
В частности, Калуца пытался объединить взаимодействия,
введя пятое измерение в рамках многомерной римановской
геометрии, т.е. обобщая метрику Римана. В этой теории
простейшая метрика объединенного взаимодействия имела вид:
! g|| + A|A| A| !
! юv ю v ю !
g|| = ! ! (53)
AB ! A| 1 !
! v !.
Индексы ю,v пробегают значения 1,2,3,4. Компоненты
метрического тензора g|| представляют риманово пространство
юv
ОТО. Индексы A,B могут иметь значения от 1 до 5. A| -
ю
4-вектор - потенциал электромагнитного поля.
Можно показать, что метрика (53) соответствует
4 1
расслоенному пространству - произведению R| x S| - и
представляет совместное действие гравитационного и
электромагнитного полей`.
------------------------------------------------------------
` Вывод уравнений электродинамики из метрики (53) см. в ст.:
Ходос А. Теории Калуцы-Клейна: общий обзор // УФН. 1985.
Т.146, #4, С.647.
------------------------------------------------------------
Несмотря на красоту идей Калуцы, к концу 30-х годов
интерес к пятимерным теориям был практически утрачен.
Физиков (в том числе и Эйнштейна), занимающихся объединением
взаимодействий на базе многомерного пространства, посчитали
чудаками, а само это направление бесперспективным. Для
подобной пессимистической оценки было немало оснований.
Перечислим их в том порядке, который (по мнению автора)
отражает их важность.
1. К тому времени четко определилось воззрение, что
электромагнитное и гравитационное взаимодействия не
исчерпывают все силы в природе. Появились доказательства
существования сильного и слабого взаимодействий, кардинально
отличных от первых двух. Для вновь открытых взаимодействий
не было места в оригинальной схеме Калуцы или в схемах его
современников.
2. В схеме не было оснований для выбора размеров
окружности слоя. Было лишь ясно, что эти размеры очень малы
(<<10**-13 см, т.е. много меньше радиуса действия ядерных
сил), однако никакие столь малые характеристические размеры
не имели теоретических основ.
3. Схема Калуцы не приводила ни к каким новым
предсказаниям или интерпретациям фундаментальных фактов.
4. Физическое пространство в рамках этой теории имело
довольно странный вид: три пространственных координаты имели
огромную протяженность (~10**26 см - размеры Метагалактики),
четвертая же координата имела циклический замкнутый характер
с очень малыми размерами.
Все эти соображения привели к тому, что многомерными
теориями занимались очень немногие физики.
Исключительно эффективная реставрация идеи многомерного
физического пространства произошла через тридцать лет после
описываемых событий, в середине 70-х годов. Можно назвать
несколько важных причин этой реставрации.
Во-первых, значительные успехи в теории объединения
взаимодействий. Правда, в основе этих успехов лежали идеи,
существенно отличные от идей Калуцы - Эйнштейна. Объединение
основывалось на квантовой теории поля.
Во-вторых, появилась теория, претендующая на объяснение
сильного взаимодействия. Эта теория базировалась на идее
существования кварков (квантовая хромодинамика; см. разд.6
гл.2).
В-третьих, в рамках теорий, объединяющих три или все
четыре взаимодействия, появились очень малые масштабы.
Первый масштаб (большое объединение трех взаимодействий)
равен 10**-28 - 10**-29 см. Второй масштаб возник в рамках
супергравитации (объединение всех четырех взаимодействий).
Этот масштаб, так называемая планковская длина`,
HP G 1/2 -33
l| ~ ( ------ ) = 10 см . (54)
p c**3
Эти расстояния - следствие огромных масштабов масс
объединения (см. таблицу в разд.6).
------------------------------------------------------------
` Планковские величины были впервые предложены М.Планком в
докладе на заседании немецкой Академии наук в 1899 г.
Подробно история возникновения планковской системы единиц
была изложена в ст.: Горелик Г.Е. Первые шаги квантовой
гравитации и планковские величины // Эйнштейновский
сборник, 1978-1979. М.: Наука, 1983, С.334.
------------------------------------------------------------
И наконец, последнее: появилось некоторое понимание
природы размерности макроскопического пространства (N=3).
Коротко (подробнее см. гл.3) можно сказать, что значение N=3
- результат некоторых случайных процессов, природа которых
до конца не установлена. Однако можно допустит ь, что
"истинная" размерность пространства в различных областях
Вселенной не одинакова, поэтому "странная" геометрия Калуцы
оказывается в определенном смысле естественной.
До сих пор мы почти одновременно говорили о совместной
геометрической интерпретации электромагнитного и
гравитационного взаимодействий и существовании других
(слабого и сильного) взаимодействий, которые как будто не
укладываются в схему Калуцы.
Ранее указывалось, что решение этой проблемы появилось
в результате создания теории взаимодействия кварков
(квантовая хромодинамика) и успехов в объединении
электромагнитного и слабого взаимодействий (теория Глешоу -
Вайнберга - Салама). Наша формулировка неточна. На самом
деле квантовая хромодинамика не вошла в арсенал достижений
физики как теория, интерпретирующая взаимодействие кварков.
Оказалось, что уравнения Янга - миллса хорошо хорошо
описывают взаимодействие кварков в определенных границах,
которые по существу являются пределами применимости
квантовой хромодинамики. Частица со свойствами, весьма
близкими к частице Янга - Миллса, получила название глюона и
оказалась переносчиком сильного взаимодействия между
кварками (см. Дополнение).
В основе теории Янга - Миллса лежат калибровочные
соотношения
i g T(x) 1 DL a
PSIG' = PSIG e|||||||| , A' -> A + [aA] - --- ------ , (55)
g DL x
g=const , a=a(x) .
Соотношения (55) определяют уравнения Янга - Миллса и
очень похожи на условия (48), (49) калибровочной
инвариантности в электродинамике. Однако есть и два
существенных отличия: 1) в уравнениях (55) T(x) не число, а
квадратная матрица и 2) в условие преобразования
вектор-потенциала A входит дополнительный член [a,A]
(наличие такого члена приводит к тому, что вектор A не
только инвариантен относительно смещения, но и относительно
вращения в изотопическом пространстве). Эти две, казалось
бы, несущественные особенности радикально отличают уравнения
Янга - Миллса от уравнений электродинамики.
Отметим в них то, что нам потребуется в дальнейшем.
Во-первых, свойства матриц T существенно отличаются от
свойств алгебраических чисел ALPHA. Числа характеризуются
свойствами коммутативности (ALPHA|ALPHA| - ALPHA|ALPHA| =
1 2 2 1
0). Матрицы этим свойством не обладают (вообще говоря,
T|T| - T|T| /= 0).
1 2 2 1
Инвариантность (55) функции PSIG требует введения уже
1
не одномерного пространства S|, а многомерного. Например,
если матрица T двумерна, то соответствующее ей пространства
3
- трехмерная сфера S| . Соотношение между размерностями
матрицы (n) и соответствующего ей пространства (N)
определяется квантовомеханическим условием унитарности:
N=n**2-1 (n>=2).
Для понимания дальнейшего целесообразно вначале
ограничиться геометрической интерпретацией электрослабого
взаимодействия.
Известно, что слабое взаимодействие характеризуется
+- 0
тремя частицами-переносчиками - тяжелыми W||- и Z|-бозонами,
образующими изотопический триплет. Изотопический триплет
соответствует трем независимым направлениями вектора
состояния в изотопическом пространстве. Поэтому для своего
геометрического описания этот триплет требует трехмерную
3
сферу S| .
Электромагнитное взаимодействие (изотопический спин фотона
1
равен нулю) описывается сферой S| . Поэтому может
показаться, что для совместного описания электрослабого
3
взаимодействия могут потребоваться и сфера S| и сфера
1 3 1
(окружность) S| (прямое произведение S| x S|). Однако ясно,
3 1
что сфера S| уже включает окружность S| - она состоит из
бесконечной совокупности окружностей. Поэтому может опять
возникнуть неверное впечатление, что для описания
3
электрослабого взаимодействия достаточно одной сферы S|, уже
1
включающей окружность S| . В действительности такая
процедура слишком упрощена. Выше отмечалось, что окружность
1
(сфера S|) обладает среди сфер уникальной особенностью: лишь
1
в пределах сферы S| два последовательных вращения
коммутативны, что отражается в разнице правил коммутации
двух чисел и двух матриц. Суммарное вращение в пределах
окружности не зависит от порядка, в котором вращается вектор
состояния. Окончательный результат не зависит от того, в
каком порядке пробегает вектор состояния два угла (ALPHA|,
1
ALPHA|) вдоль окружности. Суммарный угол в любом случае
2
равен ALPHA| + ALPHA| = ALPHA| + ALPHA| .
1 2 2 1
Совершенно иная ситуация возникает при вращении в
N
сферах S| (N>=2) высших размерностей. В этом случае
суммарное вращение зависит от порядка, что символически
можно записать в форме ALPHA| + ALPHA| = ALPHA| + ALPHA| .
1 2 2 1
Подобное различие в свойствах коммутативности обуславливает
кардинальную разницу между уравнениями электродинамики и
1
уравнениями Янга - Миллса. Поэтому включение окружности S| в
3
сферу S| неправомочно.
Однако вполне оправдана несколько иная операция:
1
выделения некоторой окружности S| и использования ее в
3
дальнейшем для построения сферы S| . Иначе говоря, разбиения
3 1 2
сферы S| на две: S| и S| . В стандартных обозначениях такое
3 1 2
разбиение имеет вид S| = S| + S| . Это произведение двух
сфер и есть геометрическая интерпретация электрослабого
взаимодействия. Наглядно ее можно попытаться представить как
пространство Минковского (Римана), в каждой точке которого в
определенном взаимоотношении "прикреплены" окружности и
сферы одинакового радиуса.
По аналогии с геометрической интерпретацией
электрослабого взаимодействия можно геометрически
интерпретировать объединение сильного, слабого и
электромагнитного взаимодействия (большое объединение).
Квантовая хромодинамика определяется группой SU(3),
соответствующей 3-мерному комплексному пространству (матрица
T 3-мерна). Учитывая квантовое условие унитарности (см.
выше), размерность соответствующего пространства равна
восьми. Эту размерность можно уменьшить до семи, используя
свойства проективных пространств, когда одна из размерностей
стягивается в точку. В проективной геометрии все точки,
координаты которых пропорциональны (отличаются одним и тем
же числовым множителем), принимаются за одну точку. Иначе
говоря, все точки с координатами bx|, bx|, ..., bx| (b -
1 2 N
действительное число, принимающее различные значения)
рассматриваются как одна. Это означает, что в рамках
проективной геометрии прямая эквивалентна точке, что
является отражением принципа двойственности. Поэтому
проективное пространство с размерностью N в известном смысле
эквивалентно обычному пространству с размерностью N+1, а
2 2 1 1
произведение пространств CP| x S| x S| (CP| - проективное
двумерное комплексное пространство, эквивалентное 4-мерному
действительному пространству) эквивалентно изотопическим
пространствам, отражающим все три взаимодействия: сильное
1
(SU(3)), слабое (SU(2)) и электромагнитное (S|).
Итак, изотопическое пространство большого объединения
интерпретируется 7-мерным компактным ограниченным по объему
2 2 1
пространством CP| x S| x S| . Здесь возникает естественный
2 2 1
вопрос, является ли компактный слой CP| x S| x S|
единственным геометрическим отображением всех
взаимодействий, кроме гравитационного. На этот вопрос
следует отрицательный ответ, имеющий два аспекта:
геометрический и физический.
Геометрический сводится к тому, что представление трех
2 2 1
взаимодействий в виде произведения CP| x S| x S|
неоднозначно. Их можно представить, например, в виде
произведения двух сфер разной размерности, но так, чтобы
суммарная размерность была бы больше шести. Динамическая
неоднозначность определяется опытом. Нет доказательств
отсутствия сверхслабых (незарегистрированных до сих пор)
взаимодействий, которые могут усложнить структуру слоев.
Таким образом, объединение всех четырех взаимодействий
можно интерпретировать как расслоенное пространство с базой
- 4-мерным пространством Римана и 7-мерным слоем чрезвычайно
малых размеров. Эти размеры определяются по порядку величины
из соображений размерности (величина, имеющая размерность
длины и образованная из универсальных фундаментальных
постоянных G, h и c) и значения константы объединенного
взаимодействия. Оба подхода приводят к значению радиуса r|
c
компактных компактных размерностей, равного планковским
размерам (см.(54)). Разумеется, значение r| ~ l| ~ 10**-33
c p
см - это лишь порядок величины и причем весьма грубый,
компактных слоев. Нельзя, например, исключить, что
r| ~ l|/ALPHA| ~ 10**-31 см.
c p e
Возникает вопрос, можно ли (хотя бы в принципе оценить
на опыте значение величины r| . Пока просматривается лишь
c
единственный подход - обнаружение распада протона. Если это
явление будет обнаружено, то можно утверждать, что
приведенная геометрическая интерпретация верна при
r| ~< 10**-30 см. В противном случае (r| >> 10**-30 см)
c c
теоретические оценки времени жизни протона становятся
неправомочными. Непосредственное же измерение величины r|
c
(например, на ускорителях), кажется нереалистичным. Сейчас
исследовалась динамика вплоть до расстояний ~10**-16 см.
Увеличить эти оценки на два-три порядка очень сложно, хотя
принципиально и возможно. Путей же к исследованию на
ускорителях свойств пространства на расстояниях
<< 10**-20 см сейчас не видно.
В этой связи возникает вопрос, полезен ли акцент на
исследование "истинной" физической геометрии. Это важнейший
вопрос. И краткий ответ на него таков. Да, нужно. Нужно
потому, что, хотя в нашем распоряжении и нет прямых методов
изучения компактных размерностей, существует много косвенных
доводов в пользу того, что наблюдаемое физическое
пространство (и в первую очередь его размерность) не есть
"истинное" пространство Вселенной. Анализу этих аргументов
посвящается гл.3 книги. Следовательно, есть серьезное
основание полагать, что многомерное расслоенное пространство
с компактными размерностями есть физическая реальность.
10. ПЛАНКОВСКАЯ ФИЗИКА.
ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ТОЧКА ОСНОВНЫМ
ЭЛЕМЕНТОМ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ?
Сейчас, по всеобщему убеждению специалистов, при
планковских параметрах l~l|, t~t|, M~M| формируется
p p p
"истинная" физика в том смысле, что понимание происходящих
процессов в этой области приведет к построению единой теории
поля, квантовой теории гравитации, созданию теории
происхождения Метагалактики (а может быть, и Вселенной) и
количественному представлению физической геометрии. Меньше
внимания (и, по мнению автора, незаслуженно) уделяется
перспективам понимания природы фундаментальных физических
констант.
Возникает видимое противоречие между нашими
стремлениями завершить стройную конструкцию физики и
наблюдательными возможностями, весьма скромными сравнительно
с планковскими параметрами.
До сих пор физический эксперимент и теория дополняли
друг друга. Однако идея об определяющем значении планковских
параметров (которую мы назовем планковской физикой) обрекает
нас, по крайней мере в настоящее время, на разрыв с этим
принципом, на котором базировалась физика как эмпирическая
наука.
Сейчас можно наметить лишь некоторые косвенные
эмпирические подходы к планковским параметрам. Прежде всего
следует отметить гипотетический распад протона. Если нам
повезет и распад будет обнаружен, то мы приоткроем окно в
мир энергий ~10**15 ГэВ и расстояний ~10**-29 см, что
"всего" на три-четыре порядка отличается от планковских
параметров. Если нам повезет вдвойне и окажется, что на
характеристики распада протона влияет гравитация, то это
может послужить эмпирическим базисом для изучения
планковской физики.
Второй подход связан с уникальностью значений
фундаментальных постоянных, в том числе и размерности
пространства. Если вся физика формируется при планковских
параметрах, то и хорошо изученные на опыте фундаментальные
постоянные также должны быть связаны с этими параметрами.
Многие теоретики возлагают большие надежды на третий
подход к "экспериментальному" исследованию фундаментальной
физики при планковских параметрах. Крайне вероятно, что
Метагалактика в процессе своей эволюции прошла через
область, принадлежащую компетенции планковской физики.
Изучение реликтовых следов этого процесса должно
способствовать проверке планковской физики. Частично этот
подход рассматривается в гл.3 нашей книги.
К сожалению, все отмеченные подходы к проверке
планковской физики имеют более или менее косвенный характер.
Самая прямолинейная проверка - эмпирическое воспроизведение
акта рождения Метагалактики - выше человеческих
возможностей.
Однако на путях создания объединенной теории поля и
подступах к планковской физике возник в некотором смысле не
физический, а математический подход. Его нельзя назвать
совершенно новым, поскольку в иной модификации он появился
вместе с рождением квантовой теории поля много десятилетий
тому назад. Кратко его можно сформулировать в одной фразе:
"Правильная теория не должна содержать бесконечностей". Этот
тезис появился на заре создания квантовой электродинамики.
Частично решение проблемы устранения бесконечностей было
найдено в конце сороковых годов Р.Фейнманом, Ю.Швингером и
С.Томонагой (так называемый метод перенормировок). Однако
предложенный метод не устранял полностью все бесконечности,
да и сами логические его основы оставляли желать лучшего. По
меткому замечанию одного из создателей новой электродинамики
- Р.Фейнмана, метод перенормировок - это способ "убирания
мусора под ковер". За истекшие десятилетия продвижение в
устранении бесконечностей в рамках квантовой электродинамики
как изолированной теории было сравнительно невелико.
Однако известный прогресс наметился в процессе создания
единой теории взаимодействий, когда суммирование
бесконечностей от разных взаимодействий привело к конечным
результатам. Этот факт вселил надежду, что объединенная
теория не должна содержать бесконечностей. конечность всех
результатов - критерий истинности объединенной теории.
Математическая форма этого критерия, с одной стороны, и
относительно малый эмпирический фундамент планковской физики
- с другой, стимулировали огромный поток работ, содержащих
новые гипотезы и развитие новых методов математической
физики. Выживаемость этих подходов может проверить только
время. Здесь мы упомянем лишь некоторые из них,
руководствуясь в первую очередь их доступностью и
популярностью.
Дж.Уилер полагал, что на малых расстояниях должна
существенно усложниться геометрия (топология) физического
пространства. В общем виде такая гипотеза кажется весьма
правдоподобной, однако конкретное ее воплощение,
предложенное Уилером, по-видимому, неверно, поскольку оно
не учитывает квантовых свойств элементарных частиц (в
частности, их спинов) и разнообразие типов взаимодействий.
М.А.Марков предложил модифицировать уравнения ОТО таким
образом, чтобы при M << M| модифицированные уравнения и
p
уравнения ОТО совпадали, а при M>~ M| гравитационное
p
взаимодействие исчезало и взаимодействие в уравнениях ОТО
описывалось бы исключительно LAM-членом, что соответствует
вакуумному состоянию (см. разд.5 гл.3).
Б. де Витт и С.Хокинг предлагают сложную процедуру
квантования с учетом различных возможных топологий в
планковской области.
Но, пожалуй, наиболее популярной в настоящее время
является гипотеза о том, что элементарным
физико-геометрическим объектом является не точка, а струна.
Реально сейчас говорят о так называемых суперструнах,
однако, чтобы чрезмерно не усложнять изложение введением
новых и весьма непривычных понятий, мы будем использовать
образ обычной струны. Одной из главных причин, вызвавших
появление этого образа, является известный экспериментальный
факт - ненаблюдаемость кварков. В соответствии с кварковой
гипотезой адроны состоят из кварков (см. Дополнение),
которые обречены на пленение в пределах адронов. Рассмотрим
для простоты бозон-систему, состоящую из двух кварков.
Тогда, полагая, что силы, связывающие оба кварка, подобны
натяжению струны, нетрудно объяснить невылетание кварков,
допуская, что натяжение пропорционально расстоянию между
кварками. В этом случае, чтобы раздвинуть кварки на
расстояние l, затрачивается энергия, пропорциональная l.
Следовательно, чтобы вынудить кварк покинуть адрон (что
соответствует расстоянию l, равному бесконечности), нужно
затратить бесконечную энергию, что и определяет невылетание
кварков.
Весьма популярный в настоящее время образ суперструн
аналогичен струнам, возникшим при описании сильного
взаимодействия, с одним существенным различием. Суперструны
- объекты с протяженностью порядка планковской длины, и они
соответствуют объединению всех взаимодействий, включая
гравитацию.
В рамках теории суперструн наметился известный прогресс
в устранении бесконечностей в теории поля, были получены
характеристики некоторых фундаментальных частиц и т.д.
Эти достижения вселяют надежду на то, что элементарным
блоком в физической геометрии является точка, а одномерное
образование - струна.
В струнной геометродинамике существует один
замечательный факт. На начальном этапе развития струнной
теории умели квантовать лишь в том случае, если струна
вложена в пространство с размерностью N=26.
Сейчас, после разработки более совершенных методов и
перехода к планковским масштабам, эту операцию научились
производить при критической размерности N=10. Такое значение
почти совпадает с размерностью N=11 пространства
Калуца-Клейна (см. разд.7 гл.3), соответствующего
геометрической интерпретации объединения всех четырех
взаимодействий.
Естественен вопрос: не являются ли струнная
геометродинамика и геометрическая интерпретация
объединенного взаимодействия a la Калуца-Клейна разными
проявлениями одной и той же субстанции?
Струна, свернутая в замкнутую окружность, образует
сферу S| . Из множества таких окружностей можно получить
1
сферу любой размерности или другие геометрические фигуры.
Возможность объединения обоих направлений (струнной
геометрии и геометрии Калуца-Клейна) является весьма
соблазнительной. И хотя оба направления развиваются почти
параллельно, кажется, что их слияние будет весьма серьезным
шагом на пути решения проблемы планковской физики. Сейчас
предпринимаются первые попытки в этом направлении.
ГЛАВА 3. В С Е Л Е Н Н А Я
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ СОВРЕМЕННОЙ
КОСМОЛОГИИ
История современной космологии уникальна. Вероятно, в
истории точных наук не было ни одной темы, которая на
протяжении сравнительно короткого срока (70 лет) подверглась
бы столь многочисленным кардинальным переоценкам. Едва ли
подобная ситуация - следствие случайных заблуждений и
прозрений. На наш взгляд, существовали глубокие причины
зигзагов в науке о мироздании. Кратко можно назвать три
такие причины. 1. Вера в неизменность Вселенной,
господствовавшая в течение многих столетий. 2. Вдохновляющая
грандиозность предмета космологии. 3. Скудость
наблюдательных данных о мире как целом, обуславливающая
отсутствие значительных барьеров для беспочвенных фантазий.
Можно точно назвать год рождения современной
космологии. В 1917 г. А.Эйнштейн пытался применить созданную
им общую теорию относительности (ОТО) к физической
интерпретации структуры мира.
Однако в отличие от всех остальных своих работ в данном
случае Эйнштейн не прислушался к голосу своей поразительной,
не признающей никаких авторитетов интуиции, а исходил из
многовековой догмы о неизменности Вселенной. Поэтому он
модифицировал уравнения ОТО, введя LAM-член. Из этих
модифицированных уравнений следовала статичность Вселенной,
что вполне соответствовало существовавшим в то время
установившимся догмам. Заметим, что введение LAM-члена
эквивалентно постулированию новых, постоянных в пространстве
сил, компенсирующих влияние гравитации. Взаимовлияние сил
гравитации и космологических сил, обусловленных LAM-членом,
компенсировало друг друга, что и обеспечивало статичность
Вселенной. Но вскоре после публикации работ Эйнштейна,
посвященных ОТО и космологии, произошел крутой поворот
космологии.
В начале 20-х годов в труднейших условиях
послереволюционного Петрограда горстка энтузиастов, по
существу дилетантов в современной им физике, начала изучать
ОТО. В эту группу входил и А.А.Фридман - математик и
метеоролог.
А.А.Фридман (столетие со дня рождения будет отмечаться
в 1988 г.) решал уравнения ОТО без LAM-члена и получил
удивительный по тем временам результат: Вселенная должна
быть нестационарной. Она должна изменять свои размеры со
временем.
Необходимо подчеркнуть два аспекта в работе Фридмана.
Первый - математический: решение уравнений ОТО, вошедшее
теперь во многие учебники по космологии. Второй -
принципиальный: Фридман в полном противоречии с
установившейся традицией положил начало идее
нестационарности Вселенной. Нам представляется, что,
несмотря на исключительное изящество решения, полученного
Фридманом, именно второй аспект (констатация возможности
нестационарной Вселенной) имеет непреходящее значение.
Математическое решение могли получить другие математики, в
частности, выдающиеся математики Д.Гильберт и Г.Вейль,
сделавшие очень много для создания ОТО несомненно могли бы
получить эти решения. Однако не им, а Фридману выпала честь
сказать первое слово о нестационарности Вселенной.
Признание к работам Фридмана пришло не сразу. Вскоре
после их публикации Эйнштейн высказал сомнение в
правильности решения Фридмана. Однако через очень короткое
время великий физик, человек исключительной
принципиальности, написал статью, опровергавшую эти
сомнения и признающую правильность выводов Фридмана.
Однако на данном этапе дискуссия велась пока на чисто
теоретическом уровне и имела, так сказать, академический
интерес. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих
нестационарность Вселенной, не было.
Кардинальный сдвиг в этом пункте наметился в 1929 г.,
когда американский астроном Э.Хаббл обнаружил красное
смещение в спектрах всех наблюденных им галактик. Именно то
обстоятельство, что все спектры были смещены в одну и ту же
сторону (покраснение) свидетельствовало, что все галактики
уходят, разбегаются от нашей Солнечной системы. А это и было
доказательством нестационарности Вселенной. Наступила,
правда кратковременная, эра торжества модели Фридмана,
которому, однако, не пришлось быть ее свидетелем.
А.А.Фридман скончался в 1926 г.
Очередной зигзаг космология совершила в 30-х годах,
когда выяснилось, что наблюдательные данные количественно не
согласуются с предсказаниями модели Фридмана при
использовании данных Хаббла. В соответствии с ними время
существования Вселенной было (2-3)*10**9 лет, в то время как
наблюдения старых звезд свидетельствовали, что их время
жизни ~10*10**9 лет. Простое сопоставление приведенных цифр
приводило к явной нелепости: звезды существовали дольше, чем
Вселенная.
К этому физическому нонсенсу добавились случайные
обстоятельства: пара неудачных фраз в основополагающих
работах Фридмана, принадлежность одного из основоположников
теории нестационарной Вселенной - аббата Ж.Леметра к
Ватиканской академии, президентом которой он стал
впоследствии, и т.д. В результате теория Фридмана частью
ученых была объявлена ересью, занятие которой было не только
бесперспективно, но и могло иметь некоторые последствия,
поскольку на ней лежала печать фидеизма.
Модель Фридмана недолго подвергалась остракизму. Вскоре
после войны данные Хаббла уточнились и основное противоречие
было устранено. Оказалось, что по новым данным в рамках
модели Фридмана Вселенная существует ~10*10**9 лет`.
Блестяще подтвердились и другие выводы, которые следовали из
модели Фридмана.
------------------------------------------------------------
` В соответствии с современными данным время существования
Вселенной (15-10)*10**9 лет. Подробнее о модели Фридмана см.
в кн.: Вайнберг С. Первые три минуты. М.: Энергоиздат, 1981;
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.
------------------------------------------------------------
К таковым следует отнести существование реликтового
излучения, предсказанного в рамках фридмановской модели
Г.Гамовым в 1948 г. В соответствии с этим предсказанием во
Вселенной должно было существовать микроволновое изотропное
излучение с температурой 1-10 K. В 1965 г. американские
инженеры-радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили
изотропное излучение с температурой 2.7 K, которое и было
названо реликтовым.
Большим успехом Фридмановской космологии явилась
количественная интерпретация доли гелия во Вселенной (~25%
по массе).
В середине 60-х годов в Советском союзе на базе
фридмановской космологии были выдвинуты идеи объяснения
барионной асимметрии Вселенной: существования протонов при
отсутствии антипротонов. Эти идеи разрабатывались
впоследствии в рамках объединенной теории поля и
количественно подтвердились наблюдаемыми данными барионной
асимметрии.
Успехи фридмановской космологии привели к очередному
крену в научном общественном мнении, когда эта модель была
"канонизирована" и многими объявлена истиной в конечной
инстанции. Но как раз в этот период (конец 70-х годов)
начали подробно выяснять самосогласованность фридмановской
теории, и оказалось, что наиболее интересная часть эволюции
Вселенной, и в частности первые мгновения, прошедшие после
начала ее расширения, очень плохо согласуются с духом и
буквой фридмановской модели. Возникла, и вполне закономерно,
необходимость в ревизии фридмановской концепции описания
"возникновения" Вселенной. К этому же выводу с неизбежностью
подводит также и прогресс в теории элементарных частиц и
особенно в той ее части, которая касается объединения
взаимодействий. Описанию синтеза физики элементарных частиц
и космологии будут посвящены разд.6-9 этой главы.
Итак, подводя итоги, можно сказать, что фридмановская
модель хорошо описывает эволюцию Вселенной на всем ее
протяжении, кроме, пожалуй, первых самых интересных
мгновений.
В заключение следует сделать еще одно поучительное
замечание. Фридман свои основополагающие работы сделал на
основе ОТО. Однако в 1934 г. английские астрофизики Е.Милн и
В.Маккри продемонстрировали, что основные методы
фридмановской космологии можно получить и в рамках
ньютоновской теории тяготения.
Нам вообще кажется, что фактором, определяющим закон
эволюции Вселенной, является не динамический закон, а ее
геометрия. Динамика расширения следует из геометрических
особенностей Вселенной. Изложению этой точки зрения будет
посвящен разд.3.
2. НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ О ТЕРМИНОЛОГИИ
Едва ли в какой-либо еще науке существует бо'льшая
путаница в терминологии, чем в космологии. Вероятно, это не
случайно. Определение понятия - операция подведения его под
более широкое понятие. А что может быть шире понятия
"Вселенная"? Именно поэтому авторы серьезных монографий и
популярных статей вкладывают в это понятие свое содержание,
как правило, не давая себе труда пояснить его. Для
дальнейшего попытка определения (или по крайней мере
пояснения) основных понятий необходима.
Обычно под понятием "Вселенная" подразумевается все
сущее, но часто вкладывают и другое содержание: Вселенная -
это область, наблюдаемая нашими приборами. Размеры этой
области приблизительно равны 10**28 см. Но здесь неизбежен
вопрос. Почем то, что мы наблюдаем, и есть все сущее? Не
является ли подобное отождествление отражением
атавистического инстинкта, который был свойственен человеку,
впервые задавшему себе вопрос о природе его "мира"? Для
первобытного человека этот мир отождествляется с областью
его проживания. Затем, уже после возникновения зачатков
цивилизации, под Вселенной понималась Солнечная система,
окруженная хрустальной сферой с находящимися на ней
звездами.
Лишь после создания Галилеем телескопа удалось
показать, что сфера - лишь красивая фантазия и расстояния до
звезд вовсе не одинаковы.
Только в начале этого столетия астрономы пришли к
заключению о существовании гигантских островов звезд -
галактик.
И наконец, сравнительно недавно поняли, что галактики
не самые большие объекты. Существуют скопления галактик
(радиус 10**24 - 10**26 см), которые располагаются в области
с размерами ~10**28 см. Соответствующий объем иногда (а
астрономы обычно) называют Метагалактикой.
Из этого краткого исторического экскурса следует, что
"все сущее" для человека обычно отражает уровень его знаний
(или заблуждений), и поэтому тождество: Вселенная == всему
сущему == наблюдаемому миру абсолютно необосновано. Поэтому
необходимо далее условиться о терминологии. Мы будем
называть наблюдаемую приборами область Метагалактикой. Под
Вселенной мы будем понимать "все сущее" или, более
конкретно, все, что можно представить себе на основе
современных теоретических воззрений. Очевидно, что такая
"теоретическая Вселенная" отнюдь не должна совпадать с
наблюдаемым объемом. "Все сущее" отражает уровень знаний о
природе; мы будем включать в это понятие не только
наблюдаемую область пространства, но и все, что можно
окинуть мысленным взором.
В дальнейшем мы приведем аргументы в пользу того, что
такая Вселенная существенно превышает размеры Метагалактики,
но, вероятно, и она - лишь отражение уровня наших знаний.
Отметим также, что модель Фридмана описывает не
Вселенную в целом, а эволюцию Метагалактики. Мы будем
использовать ее только для этой цели.
3. ЭВОЛЮЦИЯ МЕТАГАЛАКТИКИ
КАК ОТРАЖЕНИЕ ЕЕ ГЕОМЕТРИИ
Как известно, любая математическая формулировка
физической задачи содержит, кроме уравнений, описывающих
эволюцию состояния во времени, также постулирование
начальных и граничных условий. Физическая космология - наука
об эволюции Метагалактики - не является исключением. Кроме
использования уравнений ОТО, следует сформулировать
начальные и граничные условия.
В наиболее четкой форме впервые подобная операция была
сделана Фридманом, который предположил, что Метагалактика
всегда была изотропной и однородной. иначе говоря, в любой
момент своей эволюции в Метагалактике все направления
равноправны (изотропия), а плотность материи одинакова.
Прообразом такой Метагалактики является двумерная сфера,
плотность вещества которой постоянна для любого момента
времени. Здесь полезно отметить, что условия Фридмана
неравноправны для пространства и времени.
В приведенном выше примере плотность вещества постоянна
в пространстве (вдоль поверхности сферы) но не во времени. С
течением времени вследствие расширения или сжатия плотность
вещества изменяется.
Граничные и граничные условия в форме, предложенной
фридманом, получили в дальнейшем название космологических
постулатов.
Космологические постулаты, выдвинутые вначале из
соображений простоты и критериев эстетики (симметрия),
впоследствии неоднократно подвергались опытной проверке.
Изложим кратко результаты этих проверок.
Изотропия Метагалактики прекрасно подтверждается в
процессе исследования углового распределения реликтового
излучения. Оно заполняет всю Метагалактику и поэтому может
служить критерием ее симметрии. С высокой степенью точности
никаких отклонений от изотропии Метагалактики до сих пор (на
конец 1986 г.) обнаружено не было.
Хуже обстоит дело с постулатом однородности. Известно,
что Метагалактика неоднородна. Существуют острова высокой
концентрации вещества: звезды, галактики, скопления
галактик. Однако наибольшие масштабы таких островов в
10**2 - 10**3 раз меньше размеров Метагалактики. Поэтому с
такой точностью (10**-3 - 10**-2) можно полагать
Метагалактику однородной. Мы вместе с другими космологами
примем этот постулат однородности.
Основные космологические постулаты, на которых
базировался Фридман, в высшей степени нетривиальны. Прежде
всего их нужно согласовать с основным принципом теории
относительности - принципом причинности, о чем речь пойдет
дальше. Здесь нас будет интересовать другой аспект,
связанный с космологическими постулатами. Оказывается,
космологические постулаты - настолько сильные предположения,
что из них следуют многие основные черты эволюции
Метагалактики. Разумеется, такие силы существуют. Но если
допустить справедливость космологических постулатов, то эти
силы должны соответствовать закону всемирного тяготения или
его обобщению - ОТО`.
------------------------------------------------------------
` Подчеркнем, что это утверждение также включает допущение:
силы, действующие между частицами, являются силами
притяжения.
------------------------------------------------------------
Здесь мы не будем рассматривать полную аргументацию
этого заключения, а лишь наметим его вывод.
Отметим прежде всего, что космологические постулаты
чрезвычайно сильно сужают выбор геометрии Метагалактики.
Наблюдаемая Метагалактика трехмерна, а трехмерное
пространство может соответствовать космологическим
постулатам лишь в трех случаях: если пространство
характеризуется постоянной отрицательной кривизной
(пространство Лобачевского), если пространство имеет нулевую
кривизну (пространство Евклида), если пространство
характеризуется постоянной положительной кривизной
(трехмерная сфера).
Представить на бумаге все эти трехмерные фигуры
невозможно. Однако хорошим наглядным аналогом трехмерной
сферы является двумерная сфера. В дальнейшем мы и будем
пользоваться для наглядности этим образом.
Выберем далее в нашем изотропном и однородном
пространстве три точки A, B, и C, расположенные на малых
расстояниях друг от друга.
Рассмотрим сначала две точки A и B. Вектор r|| является
AB
единственным выделенным направлением в нашем изотропном
пространстве. Поэтому скорость v|| движения этих двух точек
AB
имеет только относительный характер, причем оба вектора
коллинеарны. Иначе говоря, в пространствах постоянной
кривизны осуществляется равенство
v|| = H(r,t) r|| (56)
AB AB
где функция H(r,t), казалось бы, зависит от обоих аргументов
r и t. Но далее, несколько модифицируя рассуждения Е.Милна,
мы покажем, что в действительности вследствие симметрических
свойств пространства функция H=H(t), т.е. она не зависит от
вектора r. Для этого рассмотрим точки A, B, C. Поскольку мы
предполагаем, что размеры области w малы, то ее можно
локально описывать геометрией Евклида. Тогда справедливы
правила векторного сложения:
r|| = r|| + r|| , (57)
AB AC CB
v|| = v|| + v|| . (58)
AB AC CB
Но очевидно, что равенства (57), (58) можно совместить с
соотношением (56) лишь в случае, если H=H(t), т.е. зависит
исключительно от времени.
===РИС.6
В наших рассуждениях неявно предполагалось, что
эволюция области w автономна; оставшаяся область V-w (V -
объем всей сферы) не влияет на динамику малой области w.
Однако это предположение также является следствием основных
космологических постулатов или симметрии пространств
постоянной кривизны. Действительно, если выбрать малый объем
в форме сферы, то, допуская, что силы, действующие между
частицами, - силы притяжения, нетрудно понять (рис.6), что
любому элементу F большой сферы, действующему на микросферу,
будет соответствовать элемент G, уравновешивающий это
притяжение. Поскольку это рассуждение верно для любых пар
элементов F и G, то это означает, что объем V-w не действует
на объем w и, следовательно, эволюция последнего происходит
самостоятельно и независимо от объема V. Поэтому,
рассматривая эволюцию малого объема, мы моделируем эволюцию
всего объема. Итак, в пределах объема w
v|| = H(t) r|| (59)
AB AB
для любых пар точек A и B. Уравнение (59) можно переписать в
форме
dr|| / dt = H(t) r|| (60)
AB AB
Рассмотрим далее два случая.
1. Функция 1/H(t) разлагается в ряд Тейлора в
окрестности t=0.
2. Функция 1/H(t)=const, т.е. не разлагается в ряд
Тейлора.
Первый случай. Пусть 1/H(t)=a|+b|t+...(a|,b| -
1 1 1 1
постоянные) Допуская, что b /= 0 и используя трансляционную
инвариантность времени Вселенной, т.е. совершая замену
a|+b|t -> b|t , получаем уравнение dr|| / dt = (br|| / t)
1 1 1 AB AB
(b=1 / b=const), решением которого является функция
b
r|| ~ t| . (61)
AB
Поскольку точки A и B произвольны, то зависимость (61)
отражает известную степенную зависимость масштабного фактора
от времени в модели Фридмана. Далее можно, постулируя
статистические свойства материи в Метагалактике, определить
численное значение параметра b, а основываясь не свойствах
симметрии пространства, вывести полное решение, полученное
Фридманом на основании ОТО (напомним, что зависимость (61)
получена для малых значений времени t| , отсчитываемого от
k
начала расширения).
Теперь рассмотрим второй случай, когда H(t)=const. Он
также соответствует двум различным физическим картинам.
1. H /= 0. Тогда решение уравнения (60) имеет вид
Ht
r|| ~ e|| . (62)
AB
Расстояние между двумя точками очень быстро
(экспоненциально) увеличивается с ростом времени. Можно
показать, что в этом случае плотность материи остается
неизменной: RO = const (t) .
Зависимость (62) была получена на заре космологии де
Ситтером`, но была отвергнута научной общественностью именно
из-за странной зависимости RO(t). Было неясно, каким образом
быстрое изменение объема системы не приводит к изменению
плотности. Для всех известных тогда форм материи (вещество,
излучение) оба основных вывода, следующих из модели де
Ситтера, противоречили друг другу. Лишь сравнительно недавно
выяснилось, что существует третья форма материи - физический
вакуум, который удовлетворяет обоим выводам, следующим из
стационарной (RO=const) модели де Ситтера.
------------------------------------------------------------
` Модель Вселенной была разработана нидерландским астрономом
В. де ситтером в 1917 г. на основе общей теории
относительности. Подробное изложение модели де Ситтера в
ее первоначальной интерпретации содержится в кн.: Толмен
Р. Относительность, термодинамика и космология. М.: Наука,
1974.
------------------------------------------------------------
2. Наконец, остается последний случай H=0. Этот случай
соответствует равенству r|| = const(t) . Все взаимные
расстояния (также как и другие физические характеристики) не
изменяются со временем. Метагалактика полностью статична,
что соответствует космологической модели Эйнштейна.
ТАким образом, мы привели аргументы (которые при более
детальном анализе можно сделать более строгими) в пользу
того, что космологические постулаты о геометрии
Метагалактики (Вселенной) в значительной степени
определяют динамику ее эволюции.
4. ПРОБЛЕМЫ ФРИДМАНОВСКОЙ КОСМОЛОГИИ
Фридмановская космология согласуется со всеми
наблюдательными данными. Однако при анализе замкнутости,
самосогласованности фридмановской модели возникают многие
проблемы, на которые предпочитали не обращать внимания,
концентрируя акценты на ее достижениях.
Здесь мы остановимся на двух (из многих) проблемах,
которые нам представляются наиболее существенными.
С_и_н_г_у_л_я_р_н_о_с_т_ь. Решение (61), которое
соответствует модели Фридмана, приводит к заключению, что
при t|=0 радиус Метагалактики был равен нулю, и,
u
следовательно, плотность RO вещества в этот момент равнялась
бесконечности. Такая ситуация называется сингулярностью.
Этот результат противоречит всему физическому опыту. При
решениях многих физических задач в решениях возникают
бесконечности, однако оказывается, что в уравнениях,
описывающих данное явление, допущена идеализация. При
увеличении одного (или нескольких) параметров возникают
новые процессы, которые препятствуют возникновению
бесконечности. Типичное проявление подобного феномена -
кулоновское взаимодействие на малых расстояниях.
Прямолинейное использование формулы F = e**2 / r**2 для
описания взаимодействия двух электронов с зарядом e приводит
к ошибочным результатам при расстояниях между электронами
меньше 10**-11 см. В случае r < 10**-11 см начинают играть
роль квантовые поправки, которые требуют применения
квантовой электродинамики. Однако, как теоретически показали
Л.Д.Ландау, И.Я.Померанчук и Е.С.Фрадкин, при r ~< 10**-32 -
10**-33 см квантовая электродинамика становится также
неприменимой. По всеобщему убеждению, при столь малых
расстояниях нужно учитывать все взаимодействия, в том числе
и гравитационное, что должно привести к ликвидации
сингулярности в рамках квантовой интерпретации закона Кулона
при r -> 0 . В соответствии с приведенными соображениями
нельзя использовать закон Кулона при r -> 0 .
Проблема сингулярности не нова. Еще А.Эйнштейн
сомневался в применимости классической (неквантовой) теории
- ОТО при очень больших плотностях. Однако он не мог
предложить количественных оценок для пределов применимости
ОТо. Строго говоря, и сейчас нет их точного определения.
Однако, по всеобщему убеждению, ОТО неверна при приближении
к планковским величинам: длина l| ~ (HP * G / c**3)**(1/2) ~
p
10**-33 см, время t| ~ (HP * G / c**5)**(1/2) ~ 10**-43 с и
p
плотность RO| ~ c**5 / HP * G**2 ~ 10**94 г/см**3 .
p
Последняя величина чудовищно велика: масса метагалактики
равна "только" 10**55 г. Подчеркнем, однако, что нарушение
ОТО при планковских величинах полагают обязательным.
Происходит ли оно существенно ранее - неизвестно, поскольку
экспериментальные данные весьма далеки от планковских
величин. Напомним еще раз, что наименьшие измеренные
расстояния r ~~ 10**-16 см.
Избавиться от сингулярности путем прямолинейного
отказа от основных космологических постулатов невозможно.
Как показали английские физики Р.Пенроуз и С.Хокинг, при
весьма общем и естественном условии - выполнении
энергодоминантности EPS+p>0 (EPS - плотность энергии, p -
давление) сингулярность в рамках ОТО неизбежна.
П_р_о_б_л_е_м_а г_о_р_и_з_о_н_т_а. В соответствии с
теорией относительности информация от одного объекта к
другому распространяется со скоростью v =< c .
Следовательно, если в некоторый момент времени t=0 два
объекта располагались в одной точке, то через некоторое
время t=t| они будут причинно связаны лишь при условии, если
1
расстояние r между ними удовлетворяет условию r =< ct|.
1
Пусть величина t| = t| (t| - время существования
1 u u
Метагалактики), тогда расстояние R=ct| есть максимальное
u
расстояние, причинно связывающее две произвольные точки в
метагалактике, например Землю и некоторую галактику.
Расстояние R=ct| называется горизонтом. Если подставить в
u
выражение для R значение t| ~~ 3*10**17 с, вычисленное в
u
соответствии с моделью Фридмана или по времени существования
старых звезд, то легко получить, что R ~~ 10**28 см, что
совпадает с наблюдаемой областью Вселенной - Метагалактикой.
Расширение реализуется медленно. В формуле (61),
определяющей зависимость размеров R Метагалактики от
времени, b<1 , и, следовательно, расширение происходит
медленнее, чем увеличение размеров горизонта. Поэтому если
сейчас обе величины совпадают, то это означает, что ранее
Метагалактика была разбита на множество причинно не
связанных областей. Этот факт превращается в серьезную
проблему, если его сопоставить с поразительной изотропией
Метагалактики. Как различные части Метагалактики, причинно
не связанные между собой, могли подстроиться друг к другу
так, чтобы возникла совершенная изотропная (сферическая или
квазисферическая) геометрия?
Этот вопрос и составляет проблему горизонта.
5. ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ
Общепризнанно, что физическая терминология достаточно
несовершенна. Вероятно, есть две основные причины,
порождающие недоразумения.
Во-первых, историческая: когда явление только начинает
изучаться и возникает его название, отражающее лишь малую
часть его истинной сущности. Затем термин прочно входит в
быт физики, после чего выясняется, что суть явления совсем
иная, чем это полагалось вначале. Типичным примером
подобного недоразумения является введенный Г.Вейлем термин
"калибровочная инвариантность", отражавший первоначальное
представление его автора об электродинамике как явлении,
которое остается неизменным при изменении
пространственно-временных масштабов.
Другой общей причиной несовершенства терминологии
является принципиальная неадекватность слов (терминов) и
глубинной сути явлений. Здесь вполне уместно напомнить
знаменитый афоризм Тютчева: "Мысль изреченная есть ложь".
Термин "физический вакуум" несовершенен по обеим
причинам. Прежде всего, еще из школьной физики мы помним,
что он используется для определения весьма разреженных
газов. Кроме того, с середины 20-х годов и особенно после
замечательной работы П.Дирака, предсказавшего в 1928 г.
существование позитрона, термин "физический вакуум"
завоевывает узаконенной положение в совершенно иной области
- в квантовой теории поля. В первоначальной трактовке Дирака
физический вакуум - система частиц, в которой отсутствуют
позитроны. В рамках квантовой электродинамики это означает,
что система электронов и фотонов включает также и физический
вакуум. В трактовке Дирака, которая, на наш взгляд,
сохранила свое значение в рамках электродинамики и до сих
пор, физический вакуум - это бесконечная совокупность
электронов с отрицательной энергией. Такая система обладает
бесконечной энергией, и ее непосредственно никто не
наблюдал. Однако это свойство Дирак возвел в ранг постулата.
В соответствии с такой картиной Дирак предсказал
существование позитрона - "дырки" в физическом вакууме. Эта
картина казалась настолько фантастичной, что до 1032 г.,
когда был открыт позитрон, картину, нарисованную Дираком,
большинство физиков полагали курьезным заблуждением.
Ситуация в общественном мнении полностью изменилась после
открытия позитрона. Физический вакуум сделался хотя и не
наблюдаемой, но физической реальностью. Однако определения
или, точнее, представления о физическом вакууме
модифицировались. Сохранилась идея, что вакуум - система, в
которой отсутствуют реальные частицы данного сорта. Однако
содержание этого понятия существенно обогатилось. Кроме
электронно-позитронного вакуума, ввели представления о
вакууме для других частиц. Наиболее глубокое развитие
понятие вакуума получило после обобщения вакуума Дирака на
любые фермионы (помимо электронов), а также и на бозоны.
Сейчас подразделяют физический вакуум на бозонный и
фермионный.
Выяснилось также, что физический вакуум может
соответствовать не только полному отсутствию реальных
частиц, но и понятию минимальной энергии системы.
В случае дираковского вакуума оба определения
совпадают. Однако для некоторых бозонных полей оба
определения могут быть не вполне эквивалентны. частицы
данного сорта могут существовать как реальные объекты,
однако система в целом включает и вакуумное состояние.
Необходимо лишь, чтобы энергия системы как функция поля была
минимальной.
Вероятно, наиболее впечатляющим доказательством
существования вакуумной материи является беспрецедентное по
точности предсказание взаимодействия реальных частиц с
вакуумом. С первого взгляда может показаться, что автор
запутался в дефинициях. Как реальная частица может
взаимодействовать с ненаблюдаемыми частицами? Оказывается,
может.
В рамках классических представлений сомнение в
подобном взаимодействии вполне правомочно. Однако в
квантовой теории поля существуют виртуальные частицы, время
жизни которых определяется принципом неопределенности:
t ~ HP / m*c**2 , где m - масса вакуумной частицы. Например,
для электрона t~~10**-21 с. Это время слишком мало, чтобы
частицы (В данном случае электроны с отрицательной энергией)
можно было наблюдать непосредственно. Однако этого времени
вполне достаточно, чтобы наблюдать взаимодействие реальных
частиц с коллективом вакуумных частиц. Это взаимодействие
проявляется в изменении характеристик реальных частиц. Так,
аномальный магнитный момент электрона (отклонение магнитного
момента электрона от боровского магнетона), обязанный
взаимодействию электрона с вакуумом и вычисленный по
правилам квантовой электродинамики, совпадает с наблюдаемой
величиной с точностью до одиннадцатого знака!
В результате взаимодействия электрона, находящегося в
атоме водорода, с вакуумом возникает спектральная линия. Ее
расчетное значение v| = 1057.91 +- 0.01 МГц,
t
экспериментальное - v| = 1057.90 +- 0.06 МГц.
e
Таким образом, физический вакуум - это новый тип
реальной существующей материи.
Возникает вопрос: можно ли наглядно интерпретировать
свойства вакуума, не прибегая к понятию частиц с
отрицательной энергией, которые не наблюдаются
непосредственно в природе? По-видимому, для фермионов эта
трудность остается. Однако для бозонов можно моделировать
вакуум, используя известные представления, заимствованные из
квантовой физики макроскопических тел`.
------------------------------------------------------------
` В дальнейшем изложении модели вакуума мы следуем ст.:
Киржниц Д.А., Линде А.Д. Фазовые превращения в физике
элементарных частиц и космологии // Наука и человечество.
М.: Знание, 1982, С.165.
------------------------------------------------------------
Бозоны, находясь в основном состоянии, обладают
следующим уникальным свойством. С увеличением числа даже
электронейтральных частиц и в пренебрежении гравитационными
силами увеличивается их взаимное притяжение. Иначе говоря,
совокупность таких бозонов стремится увеличить свою
концентрацию. Это свойство обусловлено квантовомеханическими
особенностями бозонов, а сам ансамбль таких частиц
называется бозе-конденсатом.
Подобные системы нередко реализуются в макроскопической
физике. Например, сверхпроводимость при низких температурах
обусловлена свойствами бозе-конденсата. В бозе-конденсате
увеличение концентрации частиц в основном состоянии
определяется не увеличением сил притяжения, а уменьшением
эффективного давления в системе. Давление уменьшается,
следовательно, уменьшается препятствие к увеличению
концентрации. Такая парадоксальная ситуация приводит иногда
к весьма непривычному уравнению состояния
p = -EPS . (63)
Обычно в уравнениях состояния, связывающих давление p и
плотность энергии вещества EPS , обе величины имеют
одинаковый знак. Отметим, что полная плотность энергии
материи остается неизменной, если выполняется уравнение
состояния (63).
Эти свойства вакуума (постоянная плотность и
справедливость уравнения (63)) в рамках ОТО аналогичны
описываемым взятом с соответствующим знаком LAMDA-членом в
уравнении Эйнштейна.
Далее возникает вопрос, существуют ли частицы, которые
четко реализуют основные свойства бозе-конденсата, и в
частности уравнение состояния (63). Оказывается, что
гипотетические частицы Хиггса, являющиеся неотъемлемым
элементом объединенной теории электрослабого взаимодействия,
хорошо моделируют описанные свойства бозе-конденсата.
Спин частиц Хиггса равен нулю, и именно они
обеспечивают наличие массы у переносчиков слабого
+ 0
взаимодействия: W|- , Z|-бозонов. Частицы Хиггса пока не
были обнаружены на ускорителях из-за их большой массы и
(или) слабости взаимодействия с другими частицами.
Отметим, что в отличие от частиц с отрицательной энергией
нет никаких принципиальных трудностей в наблюдениях частиц
Хиггса. Полагают, что их массы превышают 100 ГэВ и поэтому
на современных ускорителях их нельзя воспроизвести. На рис.7
(кривая 1) представлена типичная зависимость потенциала
взаимодействия хиггсовских частиц V(FFI) от значения
описывающего их поля. На этой кривой легко заметить два
минимума: один соответствует значению поля FI=0, второй
соответствует значению FI=FI|/=0. Важно отметить, что
0
V(0)>V(FI|). Следовательно, в принципе система из состояния
0
FI=0 может спонтанно "скатиться" в состояние FI=FI|,
0
обратный же процесс без внешнего воздействия невозможен.
Значение FI=FI| соответствует абсолютно устойчивому
0
состоянию вакуума скалярных частиц Хиггса.
===РИС.7
Д.А.Киржниц и А.Д.Линде показали, что зависимость V(FI)
существенно зависит от температуры конденсата T| . При Т>T|
c c
минимум при FI=FI| исчезает (кривая 2) и остается один
0
минимум - при FI=0. Кривая V(FI) становится симметричной
относительно прямой FI=0, перпендикулярной оси абсцисс. На
кривой 1, соответствующей T -> 0, такая симметрия
отсутствует. По современным воззрениям, возникновение
асимметрии скалярного вакуума приводит к появление массы у
частиц.
Любопытная ситуация возникает при изменении (например,
уменьшении) температуры T. При высоких температурах
реализуется симметричная зависимость 2; по мере уменьшения
температуры при некотором критическом значении T=T|
c
появляется второй минимум, соответствующий кривой 1.
Симметрия системы (вакуума) изменилась, т.е. в ней произошел
фазовый переход.
Любопытная ситуация возникает при изменении (например,
уменьшении) температуры T. При высоких температурах
реализуется симметричная зависимость 2.; по мере уменьшения
температуры при некотором критическом значении T=T|
появляется второй минимум, соответствующий кривой 1.
Симметрия системы (вакуума) изменилась, т.е. в ней произошел
фазовый переход.
В заключение нужно отметить, что ситуация с пониманием
физического вакуума далека от завершения. Введенная Дираком
бесконечность энергии вакуума полностью не устранена до сих
пор. Большие надежды возлагают на так называемые
суперсимметричные теории. в которых энергии бозонных и
фермионных вакуумов взаимно компенсируют друг друга так, что
суммарная энергия вакуума обращается в нуль. Однако эта
весьма красивая и привлекательная идея наталкивается на одну
трудность. В наблюдаемом нами мире симметрия между
фермионами и бозонами отсутствует. Не обнаружено ни
малейшего соответствия между наблюдаемыми совокупностями
бозонов и фермионов. Обычно говорят о нарушении
суперсимметрии при очень больших энергиях. К сожалению, в
настоящее время отсутствует убедительный критерий,
определяющий масштаб нарушения суперсимметрии.
6. РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
И РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ
ФРИДМАНОВСКОЙ КОСМОЛОГИИ
Существование новой формы материи - вакуума открывает
широкие возможности для анализа начальных стадий эволюции
Метагалактики. Основная идея базируется на реализации в
природе космологического решения де Ситтера (62), которое
ранее отвергалось из-за характерного для него уравнения
состояния (63). Это уравнение состояния не встречается в
привычных формах материи (вещество, излучение), но
свойственно физическому вакууму.
Решение (62) обладает несколькими особенностями: 1) оно
несингулярно: при любом t (кроме t = -БЕСК) масштабный
фактор не обращается в нуль; 2) масштабный фактор
возрастает со временем очень быстро; 3) из-за необычного
уравнения состояния (63) экспоненциальное расширение
неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго.
Полезно отметить, что быстрое расширение и уравнение
состояния (63) взаимосвязаны. Соотношение (63) означает
существование отрицательного давления, т.е. сил,
способствующих разбеганию частей системы, в данном случае
частей Вселенной. Через сравнительно малый промежуток
времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме
происходит перестройка - фазовый переход, в процессе
которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и
кинетическую энергию расширения Метагалактики (или, точнее,
метагалактик).
Все эти особенности деситтеровского решения, видимо,
послужили причиной несколько неожиданных поворотов в истории
космологии. На ее заре решение де Ситтера казалось весьма
привлекательным вследствие его совершенной симметрии. В
данной модели объем, занимаемый "Вселенной", изотропен в
четырехмерном пространстве Минковского в отличие от
фридмановской модели, в которой изотропия проявляется в
трехмерном пространстве. Однако необычное уравнение
состояния (63) резко ограничило пределы применимости этой
модели. Ее обычно применяли к нереалистическому случаю:
p = EPS = 0, т.е. к пустому пространству.
Далее, к концу 40-х годов английские астрофизики
Х.Бонди и Ф.Хойл выдвинули гипотезу о существовании
стационарной Метагалактики, в которой постоянно рождается
вещество из "ничего", так что RO = const (t), и выполняется
уравнение состояния (63) при p /= 0 ; EPS /= 0 . Однако
экспериментальные данные об эволюции звездных объектов и,
главное, отсутствие заметного числа античастиц в космическом
пространстве (рождающееся вещество должно быть
электронейтральным) противоречили теории стационарной
Метагалактики, которая постепенно потеряла
конкурентоспособность с фридмановской моделью.
Очередная переоценка деситтеровской модели была
обусловлена прогрессом в понимании физического вакуума и
объединения взаимодействий. Зависимость потенциала V(FI),
представленная на рис.7, существенно расширила возможности
для интерпретации начальных стадий эволюции Метагалактики
(Вселенной) на основе модели де Ситтера. Но теперь эта
теория не была альтернативной к модели Фридмана, а дополняла
ее. Произошел синтез обоих моделей. Успешное развитие этих
представлений определилось большим коллективом ученых (А.Гус
(США), А.Д.Линде (СССР), А.А.Старобинский (СССР) и многие
другие видные физики).
Необходимо подчеркнуть, что детали новой модели,
вызванной раздувающейся Вселенной, далеки от завершения и
различаются у разных авторов, однако сейчас (1986 г.)
существует единство взглядов о существенной роли
деситтеровского расширения на начальной стадии (<10**-35 с)
эволюции Вселенной. Расхождение в деталях не удивительно.
Во-первых, потенциал V(FI), представленный на рис.7, далеко
не единственный, описывающий вакуум, - в разных вариантах
объединенной теории существуют различные формы потенциалов.
Зависимость V(FI) - одна из возможностей описания
единственного скалярного (бозонного) поля. Можно допустить
влияние и других бозонных и фермионных полей, изменяющих
зависимость V(FI). Однако, во многих вариациях потенциала,
как правило, остаются две его особенности, представленные на
рис.7. Во-первых, при T -> 0, кроме минимума при FI=0, в
зависимости V(FI) существует один или несколько минимумов
при FI .= 0, лежащие ниже минимума при FI=0. И, во-вторых,
при T -> БЕСК остается один минимум в зависимости V(FI) при
FI=0. Поэтому зависимости, изображенные на рис.7, можно
считать типичными.
Общим для большинства современных моделей является
главное - допущение, что в течение времени от планковского
T| до T|~~10**-35 с (время, характерное для большого
p u
объединения, определяет окончание фазового перехода и имеет
грубо оценочное значение) Вселенная развивалась по де
Ситтеру и увеличила свои размеры от планковского
(l|~~10**-33 см) до гигантского радиуса, существенно
p
превышающего размеры Метагалактики. В некоторых простых
моделях размер пузыря, возникающего на деситтеровской
стадии, достигает 10**(10**6) см (эту цифру полезно сравнить
с размерами Метагалактики 10**28 см). Именно поэтому к
такому пузырю можно применить понятие "Вселенная", которое и
в данном случае отражает пределы нашего знания о мире в
целом. Заметим, что огромные размеры пузыря определяются
значением показателя экспоненты Ht в формуле (62).
Действительно, полагая, что величина H определяется
фундаментальными постоянными HP, G и c, нетрудно получить из
соображений размерности, что H ~ t|**-1 ~~ 10*43 с**-1 .
p
Поэтому оказывается, что произведение Ht >> 1 и в процессе
раздувания размеры пузыря становятся невообразимо большими,
даже если в начале этого процесса его размеры ~l| .
p
Итак, в течение t| < 10**-23 с Вселенная развивается по
u
де Ситтеру. Время этой стадии определяется конкретной формой
потенциала V(FI). Приведенная здесь цифра отражает (причем
грубо) только порядок величины. Что же происходит с
гигантским пузырем при t >~ 10**-23 с? Вследствие
неустойчивости системы, которая характеризуется уравнением
состояния (63), она распадается на множество малых областей,
которые являются зародышами метагалактик, развивающихся в
дальнейшем по Фридману. Во время перехода от деситтеровской
стадии к фридмановской происходит полная перестройка
вакуума. Заключенная в нем огромная энергия переходит в
реальные частицы и кинетическую энергию расширения
метагалактик.
Таким образом, можно представить следующий сценарий
(излюбленное слово космологов) эволюции Метагалактики.
Флюктуации вакуума в области с планковскими масштабами могут
приводить к началу экспоненциального расширения. Ему может
предшествовать нагрев вакуума, который в данной области
попадает в локальный минимум кривой 2 на рис.7. Далее в
течение времени t| ~~ 10**-35 с эти флюктуации развиваются
u
по экспоненциальному закону до пузыря огромных размеров,
который затем распадается на метагалактики, эволюционирующие
по Фридману.
===РИС.8
Схема таких переходов представлена на рис.8. Синтез
фридмановской и деситтеровской моделей в значительной
степени разрешает упомянутые трудности фридмановской
космологии. Как упоминалось, в решении (62) отсутствует
сингулярность, поэтому можно представить, что Вселенная
рождается в планковской области при отсутствии
сингулярности.
В изложенном сценарии решается также проблема
горизонта. Метагалактика - лишь небольшая часть Вселенной,
ее расширение на деситтеровской стадии происходило настолько
быстро, что причинная связь между различными областями
Метагалактики сохраняется вплоть до планковских масштабов,
когда весь анализ нужно проводить на совершенно иных,
квантовых основаниях.
Слияние обеих основных космологических моделей решает и
многие другие проблемы фридмановской космологии, о которых
здесь не упоминалось. А.Д.Линде в своей статье,
опубликованной в журнале "Успехи физических наук" (1984.
Т.144, вып.2), называет около десятка таких проблем.
7. ПРИНЦИП ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
Размерность физического пространства N = 3 занимает
среди геометродинамических характеристик особое место.
Изотропию и однородность физического пространства - его
евклидовость (псевдоевклидовость) - можно объяснить его
простотой. Эти свойства пространства характеризуют его
предельную симметричность. Пространство Евклида -
единственное максимально симметричное пространство с нулевой
(экстремальной) кривизной. Экстремальность симметрии (хотя и
в меньшей степени) характеризует и другие космологические
пространства (пространство Лобачевского или сферу).
Поскольку известно, что природа "любит" симметрию и
экстремальность, то кажется естественным, что ее выбор
остановился на симметричных пространствах.
В рамках модели раздувающейся Вселенной евклидовость
пространства Метагалактики естественно интерпретируется в
духе основных геометрических идей. Метагалактика - малая
часть Вселенной, а малые области достаточно гладкого
пространства можно хорошо описать с помощью евклидовой
геометрии.
Совершенно иная ситуация возникает при попытке подойти
к размерности физического пространства с математических
позиций. Значение N = 3 практически невыделенное число. В
натуральном ряду экстремальную величину имеют значения N = 1
(или при более общем подходе к геометрии N = 0) и N = БЕСК.
Тем не менее хорошо известно, что размерность физического
пространства в исследованных интервалах
10**-16 ~< r ~< 10**28 см не равна этим значениям.
Разумеется, спор о "фундаментальности" тех или иных
величин имеет несколько схоластический характер, тем не
менее можно привести один аргумент в пользу того, что
размерность более фундаментальное понятие, чем, например,
изотропия и однородность, и тем более другие характеристики
пространств. Действительно, всем симметричным пространствам
соответствует свое определенное значение N. Однако любому
N >= 3 соответствует множество симметричных пространств,
число которых возрастает с N. Число же пространств
переменной кривизны для любого N вообще произвольно.
Итак, значение размерности N, по-видимому, самая
значительная характеристика физического пространства. Но
тогда остается вопрос: почему наблюдаемая размерность
Метагалактики N=3 ?
На наш взгляд, попытка искать ответ на этот вопрос,
оставаясь лишь в пределах математики, обречена на неудачу.
Ответ может содержаться, как нам представляется, в одной
важной, но малоразработанной области физики, связанной с
численными значениями фундаментальных постоянных. С первого
взгляда кажется, что обращение к этой области - уход в
сторону. Однако хорошо известно, что в физике
прямолинейность отнюдь не является синонимом краткости.
Итак, будем искать природу размерности нашей
Метагалактики в физической (динамической) выделенности
размерности N = 3. Разумеется, в подобном подходе мы будем
полагать неизменным другое его свойство - евклидовость,
которое кажется вполне естественным вследствие его простоты.
8 дальнейшем будем опираться на полузабытую работу
П.Эренфеста "Как проявляется трехмерность пространства в
фундаментальных законах физики", значение которой можно
оценить лишь в настоящее время. Сейчас рассуждения Эренфеста
кажутся настолько простыми, что мы ограничимся лишь
качественными соображениями`. В этой работе содержатся две
взаимосвязанные кардинальные идеи, развитие которых и будет
положено в основу нашего анализа природы пространства и
физических закономерностей на современном уровне.
------------------------------------------------------------
` Подробно труднодоступная работа Эренфеста излагается в
кн.: Горелик Г.Е. Почему пространство трехмерно. М.:Наука,
1982
------------------------------------------------------------
Первая идея заключается в доказательстве отсутствия
некоторых основных устойчивых связанных состояний при
изменении численного значения фундаментальных постоянных.
Вторая - в утверждении: чтобы понять, почему мир
устроен так, а не иначе, необходимо варьировать, изменять
фундаментальные постоянные.
Заметим, что в работе Эренфеста эти утверждения не
содержатся в таком явном виде, однако использованный им
метод неявно опирается на обе идеи.
Подчеркнем исключительную нетривиальность этих идей не
только для времени написания этой работы (1917 г.), но даже
и для современной эпохи. Физики привыкли к тому, что
фундаментальные постоянные в лабораторной физике имеют
фиксированные значения, которые в многочисленных таблицах
представлены с колоссальной точностью. Поэтому даже
мысленные манипуляции с фундаментальными постоянными, к
которым в первую очередь следует отнести размерность N,
вызывают, как правило, в лучшем случае сомнение, а в худшем
- отрицание. Однако автор надеется, что последующая часть
его книги поможет убедиться в правомерности подхода
Эренфеста.
Перейдем далее к изложению его идей.
Рассмотрим устойчивость системы, связанной в N-мерном
евклидовом пространстве дальнодействующими силами и
состоящей из двух тел. Для простоты буем полагать, что одно
тело неподвижно, а движется лишь второе. Это означает, что
константы взаимодействия первого тела (например, масса)
существенно превышают константы взаимодействия второго и
первое тело можно полагать неподвижным. В таком случае
полная потенциальная энергия U| системы в N-мерном
N
пространстве определяется выражением
-C M**2
U| = ---------- + -------------- . (64)
N r**(N-2) 2 * m * r**2
В этом соотношении C - константа взаимодействия, r -
расстояние между двумя телами, член C/r**(N-2) -
потенциальная энергия, соответствующая статическому
взаимодействию. Этот член - обобщение законов Кулона и
Ньютона для евклидового пространства с произвольной
целочисленной размерностью (см. связь этих законов с
евклидовой геометрией в разд.3 гл.2), M - момент количества
движения, m - масса движущегося тела, член M**2 / 2mr**2 -
центробежная энергия системы.
Из теории устойчивости следует, что система может
находиться в устойчивом состоянии, если энергия U| имеет
N
минимум при r /= 0 или r /= БЕСК.
Мы приведем окончательные результаты исследования
выражения (64) на экстремум при различных значениях N.
Оказывается, что:
при N > 4 минимум существует лишь при r=0, это
соответствует падению легкого тела на тяжелое;
при N = 4 минимум отсутствует;
при N = 2, 3 возможны минимумы при конечном значении r;
при N = 1 система абсолютно устойчива, т.е. всегда
связана (эта особенность отражает отмеченный ранее факт (см.
разд.10 гл.2), что невылетание кварков эффективно
определяется одномерной геометрией).
Таким образом, устойчивые связанные состояния,
определяемые дальнодействующими силами, могут существовать
лишь в пространствах с размерностью N =< 3 .
Эренфест доказал это положение в рамках классической
динамики и боровской модели атома. В дальнейшем
(Ф.Тангерлини, Л.Э.Гуревич, В.М.Мостепаненко) аналогичное
доказательство было проведено в рамках квантовой механики.
Таким образом, в многомерных евклидовых пространствах
(N >= 4) не могут существовать аналоги атомов или планет.
Далее мы приведем аргументы, поясняющие причины того,
что пространство Метагалактики имеет размерность N /= 1, 2.
Здесь же мы подчеркнем важный вывод из анализа Эренфеста. В
многомерных евклидовых пространствах невозможно
существование устойчивых связанных состояний, обусловленных
дальнодействующими силами. Необходимо отметить, что
доказанный факт, изолированный от физической науки как
целого, может рассматриваться скорее как курьез. Единичный
факт, происхождение которого непонятно и может быть отнесено
к компетенции счастливого случая, едва ли может служить
убедительной основой для понимания столько глубокой
характеристики, как размерность N. Вероятно, поэтому работа
Эренфеста была прочно забыта, и о ней вспомнили совсем
недавно в связи с развитием космологии и физики элементарных
частиц, развитием, воплощенным в принцип целесообразности и
антропный принцип, о которых речь пойдет далее. В рамках
прогресса физики и космологии последних десятилетий можно
оценить по достоинству идеи Эренфеста. Далее мы остановимся
на принципе целесообразности, который является развитием
основных идей Эренфеста.
Принцип целесообразности - это констатация факта, что
существование основных устойчивых состояний обусловлено всей
совокупностью физических закономерностей, включая
размерность пространства и другие численные значения
фундаментальных постоянных. Для существования основных
устойчивых состояний физические закономерности не только
достаточны, но и необходимы. Наш мир устроен очень хрупко,
небольшое изменение его законов разрушает его элементы -
основные связанные устойчивые состояния, к которым можно
отнести ядра атомов, атомы, звезды и галактики.
Здесь, разумеется, возникает вопрос: что означает слово
"небольшое"? С первого взгляда может показаться, что в
физике нет количественного критерия "величины" изменения
закономерностей. Однако такая точка зрения совершенно
неправильна. Оказывается, что в действительности такие
критерии существуют и опираются на экспериментально хорошо
изученные явления. В этой книге мы ограничимся немногими
иллюстрациями`. На наш взгляд, наиболее впечатляющим
примером является неустойчивость структуры Метагалактики
относительно значения массы m| электрона. Действительно, при
e
температурах T < 10**10 K атом водорода в Метагалактике -
абсолютно стабильный элемент. Эта стабильность
обеспечивается самым суровым ограничением - законом
сохранения энергии, запрещающим реакцию
-
p+e| -> n+v (65)
(p, n, e|, v - соответственно протон, нейтрон, электрон и
нейтрино). Однако, используя значения превосходно измеренных
масс частиц, участвующих в реакции (65), легко убедиться,
что при увеличении массы m| более чем в 2.5 раза реакция
e
(65) осуществлялась бы при сколь угодно малых температурах.
А это означало бы, что при увеличении массы m| атом водорода
e
коллапсировал бы в нейтрон и нейтрино.
------------------------------------------------------------
` Полное изложение аргументации неустойчивости физической
структуры Метагалактики приводится в кн.: Розенталь И.Л.
Элементарные частицы и структура Вселенной. М.: Наука,
1984.
------------------------------------------------------------
Нетрудно очертить сценарий эволюции метагалактик, в
которой электрон был бы тяжелей "нашего" в 2.5 раза, а все
остальные законы (в том числе и константы) имели бы прежнюю
форму.
В процессе эволюции Метагалактика при t| ~~ 10**6 лет
u
существует эра нейтрального водорода, когда формируются
галактики, поэтому эта эра играет исключительно важную роль.
Однако в метагалактике с утяжеленным электроном почти все
вещество в соответствии с реакцией (65) превратилось бы в
нейтроны и нейтрино. Это означает, что в таком мире
существовали бы исключительно нейтронные звезды и
бесмассовые нейтральные частицы. Мир кардинально изменил бы
свой лик. Этот факт мы и называем неустойчивостью структуры
Метагалактики (в данном случае относительно значения массы
m|).
e
Далее следует задаться вопросом: велико или мало
изменение значения массы m| в 2.5 раза? В физике подобная
e
абстрактная постановка вопроса бессодержательна. Физический
смысл имеют лишь относительные величины: велико или мало
относительно некоторого эталона. Для значения массы m| мы
e
обладаем таким эталоном. На ускорителях надежно измерено
распределение примерно 300 элементарных частиц по их массам.
===РИС.9
На рис.9 представлено распределение dN / d log (m / m|)
p
элементарных частиц по массам. Поскольку разброс масс
превышает четыре порядка, распределение представлено в
логарифмическом масштабе. Из рисунка можно сразу же сделать
два вывода. Из спектра масс элементарных частиц выпадают две
+- 0
частицы: электрон в сторону малых масс и W|| (Z|)-бозон в
+- 0
сторону больших. Выброс, связанный с W|| (Z|)-бозоном, мы
рассмотрим далее, а здесь сосредоточим внимание на
исключительной малости массы электрона m|. Отношение
e
m| / m| ~ 1 / 2000 (m| - масса протона, равная примерно
e p p
средней массе элементарных частиц). Для самой легкой после
электрона частицы - мюона это соотношение m| / m| ~ 1 / 10 .
ю p
Именно с этими цифрами и следует сравнивать гипотетическое
увеличение массы m| в 2.5 раза. И в этом случае отношение
m| / m| ~ 1 / 800, т.е. останется чрезвычайно малым. В
e p
спектре масс элементарных частиц при практически небольшом
(в 2.5 раза) увеличении массы m| ничего не изменится, а
e
физическая картина мира изменится катастрофически.
Таким образом, исключительная малость массы m|
e
сравнительно с массами других частиц и катастрофа в
структуре мироздания вследствие гипотетического увеличения
m| свидетельствуют о неустойчивости структуры Метагалактики
e
относительно значения m| и о флюктуативности (большом
e
отклонении) фундаментальной постоянной m| в распределении
e
подобных величин (в данном случае масс элементарных частиц).
Аналогичные примеры неустойчивости структуры
Метагалактики относительно численного значения
фундаментальных констант можно существенно умножить. Мы
здесь ограничимся ссылкой на уже упоминавшуюся книгу автора,
где подобная аргументация приводится подробно. В пределах
приведенных интервалов структура Метагалактики не
изменяется. Вне этих интервалов одно или несколько основных
устойчивых связанных состояний должны отсутствовать.
Ниже в таблице помещены данные о всех постоянных,
которые, по нашему мнению, можно считать истинно
фундаментальными в том смысле, что остальные можно считать
истинно фундаментальными в том смысле, что остальные
константы, которые обычно приводятся в таблицах так
называемых "фундаментальных постоянных", как правило,
выражаются через постоянные, представленные в нашей таблице.
Например, характеристики атома водорода, звезд, галактик и
даже Метагалактики можно представить через величины,
помещенные в таблице (m|, m| - соответственно массы нейтрона
N p
и протона, ALPHA|, ALPHA|, ALPHA|, ALPHA| - безразмерные
e s w g
константы электромагнитного, сильного, слабого и
гравитационного взаимодействий, f|, f| - максимальное и
+ -
минимальное значения факторов, на которые нужно умножить
данную константу, чтобы сохранились все основные устойчивые
связанные состояния).
f| Константа f|
- +
? m| 2.5
e
0.4 m| - m| 1.6
N p
0.8 ALPHA| 1.6
e
0.9 ALPHA| 1.1
s
0.1 ALPHA| 10
w
? ALPHA| 10**4
g
1 N 1
Следует сделать несколько пояснений к таблице.
1. Отсутствует предел уменьшения значений m| и ALPHA|.
e g
Однако представляется, что сама необыкновенная малость обеих
величин (m| сравнительно с m| и ALPHA| сравнительно с
e p g
другими константами ALPHA) ограничивает дальнейшее
уменьшение этих величин.
2. Невозможность уменьшения величины размерности N
(f| = 1) есть гипотеза, несколько выходящая за пределы
-
принципа целесообразности. Как отмечалось выше, при N = 1, 2
устойчивость связанных состояний возрастает. Однако при N<3
резко уменьшаются возможности реализации сложных
геометрических, а следовательно, и физических структур.
Почти все реальные основные связанные состояния имеют
трехмерную структуру. Уменьшение размерности приводит не
только к радикальному изменению строения мира, но и к его
значительному упрощению. Едва ли в таком простом
пространстве возможно и образование сложных органических
структур (антропный принцип, о котором речь пойдет далее).
Отметим также, что в рамках идей общей теории
относительности при N = 1, 2 отсутствует гравитационное
притяжение.
3. В таблице отсутствуют две постоянные, которые
безусловно следует отнести к разряду фундаментальных:
скорость света c и постоянная планка HP. Однако эти
постоянные входят в выражения для безразмерных постоянных
ALPHA, поэтому таблица в известном смысле отражает пределы
их изменения. Однако, на наш взгляд, ситуация с этими
постоянными еще сложнее и интереснее. Константы c и HP
определяют две фундаментальные теории: квантовую механику и
теорию относительности, в то время как значения m и ALPHA
характеризуют общее поведение определенных конкретных
систем. В этом смысле постоянные c и HP более
"фундаментальные", чем остальные постоянные, приведенные в
таблице.
Подведем предварительные итоги.
Структура Метагалактики устойчива при данных значениях
фундаментальных постоянных и неустойчива при иных.
Некоторые из этих постоянных (хотя речь шла об ALPHA| и
g
m|, но в действительности число примеров можно умножить)
e
являются огромными флюктуациями в ряду подобных себе
величин. Физические законы в Метагалактике обуславливают
устойчивость состояний, а некоторые вариации законов
разрушают устойчивость.
В 1937 г. американские физики К.Андерсон и С.Нидермайер
открыли в космических лучах мюон. На первых порах к этому
открытию отнеслись с недоверием. Было просто неясно, зачем
природе нужна частица, копирующая электрон во всех
свойствах, кроме массы (в первое время после его открытия
мюон называли тяжелым электроном). Сомнения в методической
достоверности опытов американских физиков были вскоре
устранены, однако поставленный вопрос остался. ЗАчем нужен
электрон - ясно; но тяжелый электрон - мюон - явное
излишество природы. Этот вопрос с течением времени не только
не разрешился, несмотря на многочисленные попытки объяснить
место мюона в ряду элементарных частиц, но даже усложнился.
В 1977 г. был открыт еще более тяжелый аналог электрона -
TAU-лептон. Кроме того, были открыты два типа нейтрино
(электронное V| и мюонное V|). Никто не сомневался и в
e ю
существовании третьего типа нейтрино V||| - партнера
TAU
TAU-лептона. В современной трактовке вопрос, зачем нужен
мюон, трансформировался в проблему: почему существует три
(e, NU, TAU) поколения лептонов?
В рамках чисто квантовых подходов не видно никаких
путей решения этой проблемы. Однако сочетание теории
большого объединения с принципом целесообразности позволяет
ответить на поставленный вопрос.
Чтобы понять дальнейший ход рассуждений, начнем
несколько издалека. Существование основных устойчивых
связанных состояний базируется на барионной асимметрии
Метагалактики: существование протонов и электронов при почти
полном отсутствии антипротонов и позитронов. Действительно,
если бы концентрации частиц и античастиц в Метагалактике
были бы равными, то произошла бы их аннигиляция, в
результате которой остались бы фотоны и нейтрино,
неспособные образовывать связанные состояния.
Барионная асимметрия обуславливает основные характерные
черты Метагалактики.
По всеобщему убеждению, для возникновения барионной
асимметрии необходимы два условия: распад протона и так
называемое СР-нарушение, когда для некоторых каналов распада
элементарных частиц нарушается равенство вероятностей
распада частиц и античастиц.
В рамках теории большого объединения распад протона
практически неизбежен, однако число поколений лептонов,
вообще говоря, произвольно. Но существует конкретная, хотя и
не единственная, схема большого объединения Кобаяши-Маскава,
которая предсказывает СР-нарушение при условии, что число
поколений лептонов не меньше трех. Поэтому есть все
основания полагать, что в нашей Метагалактике реализуется
одна из возможных схем большого объединения - модель
Кобаяши-Маскава, в которой данное число поколений лептонов
играет фундаментальную роль ("целесообразно").
Другая важнейшая не решенная в границах теории проблема
- так называемая иерархия масс. Эта проблема сводится к
вопросу: почему отношение M||| / m| ~ 10**2, а m| / m| ~
W,Z p X p
+- 0
10**15 (m||| - масса W||- , Z|-бозонов, m| - масса бозона,
W,Z X
определяющего большое объединение)? Как указывалось ранее,
массы почти всех частиц группируются вокруг значения m|, а
+- 0 p
W||- , Z|-бозоны значительно отступают от этого правила.
И эта проблема, которая не решается в рамках
существующих теорий, легко интерпретируется на основе
принципа целесообразности.
Мы ограничимся для краткости объяснением огромного
значения отношения m| / m| ~ 10**15. Аналогичные, но более
X p
сложные рассуждения можно провести и для отношения
m||| / m|. Мы сформулируем два аргумента в пользу того, что
W,Z p
отношение m| / m| должно быть очень большим.
X p
1. В соответствии с квантовой теорией поля значение
постоянных взаимодействий ALPHA должно зависеть от
передаваемого во время взаимодействия импульса q или массы
m, поэтому величины ALPHA называют бегущими константами.
Приводимые обычно значения констант ALPHA, и в частности
пределы их изменения, относятся к низкоэнергетической
области (q, m ~< m|). При m >> m| константы ALPHA
p p
изменяются, и это изменение можно с большой точностью
вычислить на основе современных теорий. Основные надежды на
построение большого объединения базируются на том, что все
три бегущие константы, характеризующие сильное и
электрослабое взаимодействия, сходятся в одной точке при
m| ~ 10**15 (рис.10)`. Если бы такое пересечение
X
отсутствовало, то большое объединение было бы построить
трудно, а может быть, и невозможно. Масса m| соответствует
X
точке пересечения бегущих констант ALPHA. Уменьшить массы
X-бозона m| при сохранении условия пересечения констант
X
ALPHA| (m) , ALPHA| (m) и ALPHA| (m) можно единственным
e w s
способом: изменить эти константы в низкоэнергетическом
пределе m ~< m| . А это сделать невозможно в силу принципа
целесообразности (см. только что рассмотренную таблицу).
------------------------------------------------------------
` Вследствие структуры электрослабого взаимодействия (оно
+-
передается четырьмя частицами: фотоном и W||- ,
0
Z|-бозонами) его следует характеризовать двумя
1 2
константами: ALPHA||| и ALPHA|||. На рис.10 представлены
we we
зависимости обеих констант от значения m.
------------------------------------------------------------
===РИС.10
2. Второй аргумент связан с предполагаемым распадом
протона. Вычисления, основанные на квантовой механике,
показывают, что время жизни t| протона пропорционально
p
m|**4. Поэтому при уменьшении массы m| на 4-5 порядков время
X
t| уменьшится на 15-20 порядков и сравнится с временем t|
p u
существования Метагалактики. Подобная гипотетическая
возможность привела бы практически к полному распаду
вещества. Оба аргумента показывают, что масса m| должна быть
X
очень большой.
Далее мы затронем вопрос о причинах доминантности
калибровочной инвариантности в нашем мире. Можно построить
множество калибровочно неинвариантных теорий, которые не
реализуются в природе. Почему же существующие теории
основываются на калибровочной инвариантности?
Ответ на этот вопрос можно дать из "целесообразности"
калибровочных теорий. В калибровочных теориях сохраняется
заряд, а закон сохранения заряда - основа стабильности
связанных состояний.
В заключение отметим еще один важный факт. Квантовые
числа элементарных частиц - спин, изотопический спин и даже
странность, необходимы для существования многообразия
устойчивых связанных состояний.
Для простоты ограничимся анализом роли спина.
Существование у элементарных частиц спина с полуцелым
значением (HP/2; 3/2 HP) запрещает фермионам находиться в
тождественных состояниях (принцип Паули). А принцип Паули
лежит в основе периодической системы элементов. Если бы спин
(а следовательно, и принцип Паули) отсутствовали, то все
орбитальные электроны перешли бы на основную орбиту и вместо
всего многоцветия периодической системы существовали бы
только водородоподобные элементы.
На этом, пожалуй, можно окончить рассмотрение
приложений принципа целесообразности и перейти к
рассмотрению антропного принципа.
В физическом плане Земля - заурядная планета. Как
известно, это положение в течение более полутора тысяч лет
господства геоцентрической системы Птолемея полагалось
научной и теологической ересью.
После победы учения Коперника в полемическом пылу
упустили одно обстоятельство. Да, действительно, ЗЕмля как
физическое тело ничем не выделена. Однако эта планета -
единственная обитель цивилизации. А возникновение носителя
цивилизации - человека вовсе не тривиально, а требует
сочетания определенных конкретных физических условий. Это
требование положено в основу антропного принципа.
Мысли о связи между возникновением цивилизации и
физическими законами начали высказываться (насколько
известно автору) в 50-х годах. Например, А.Л.Зельманов
утверждал, что во Вселенной возможно существование больших
областей, где физические процессы протекают без свидетелей.
Однако, по нашему мнению, антропный принцип как
отражение определенных физических закономерностей получил
права гражданства лишь после количественной интерпретации
некоторых физических фактов. Этот прогресс связан с именами
выдающихся английских и американских физиков и астрономов:
Р.Дикке, С.Хокинса, М.Риса, Б.Картера, Д.Барроу.
Наиболее лаконичное определение антропного принципа
принадлежит Картеру, изменившему известный декартовский
афоризм: "Я мыслю, следовательно, существую" (Cogito, ergo
sum) на утверждение: "Я мыслю, следовательно, мир такой,
какой он есть" (Cogito, ergo mundus talis est).
На наш взгляд, самые большие достижения антропного
принципа связаны с интерпретацией некоторых космологических
соотношений и флюктуативности (малости) константы ALPHA|
g
сравнительно с 1 . Приведем некоторые примеры успешного
применения антропного принципа.
Много десятилетий физики и астрономы размышляли над
удивительной характеристикой Метагалактики - временем ее
существования t| и константами микромира:
u
HP
t| ~ --------- ALPHA|**-1 . (66)
u m| c**2 g
e
Здесь и в дальнейшем речь идет о соотношениях по порядку
величины, однако, учитывая огромный разброс констант,
входящих в соотношение (66), к нему следует отнестись
достаточно серьезно.
В основе антропной интерпретации лежит утверждение, что
физические условия в Метагалактике максимально способствуют
возникновению жизни. Мы не знаем достаточных условий для
этого процесса, но можем сформулировать некоторые очевидные
необходимые условия. Ясно, что для возникновения жизни
необходимо длительное существование звезд и Метагалактики,
тогда оптимальным условием будет равенство времен жизни
звезд t| и Метагалактики t|. Напомним необходимый для
s u
понимания дальнейшего вывод фридмановской космологии: если
средняя плотность вещества RO в Метагалактике RO > RO|, то
c
Метагалактика закрыта в том смысле, что наблюденное сейчас
расширение Метагалактики сменится сжатием, если же RO < RO|,
c
то расширение будет продолжаться неограниченно (открытая
Метагалактика). Величина RO| ~~ 10**-29 г*см**-3 называется
c
критической плотностью. Допустим, что Метагалактика закрыта,
тогда по порядку величины время ее максимального расширения
t||||| ~ G M| / c**3 , (67)
u max u
где M| - масса Метагалактики, которую можно представить
через фундаментальные постоянные следующим образом:
M| ~ ALPHA|**-2 * m| . (68)
u g p
Соотношение (68) можно рассматривать как аппроксимацию
наблюдаемых данных о Метагалактике. Из теоретических
соображений следует, что время жизни звезды по порядку
величины представляется соотношением
t| ~ ALPHA|**-1 * HP / (m|*c**2) . (69)
s g e
Используя "антропное" равенство t| ~ t|||||, приходим к
s u max
равенству (66).
Другим успешным применением антропного принципа является
интерпретация эмпирического соотношения
RO ~ RO| . (70)
c
Почему среди бесконечного числа возможностей природа выбрала
именно соотношение (70)? Оказывается, что оно оптимально для
появления жизни. Действительно, если RO >> RO|, то, как
cс
показывают расчеты, время t||||| существования Метагалактики
u max
оказывается весьма малым (t||||| сильно убывает с
u max
увеличением RO) и жизнь не успевает развиться. Если же
RO << RO|, то опять же, как показывают расчеты, не могут
c
образоваться галактики, а следовательно, и звезды -
необходимые элементы возникновения жизни. Поэтому в
Метагалактике, в которой существует "наблюдатель", должно
выполняться соотношение (70).
И наконец, последнее. Давно, в 1937 г., П.Дирак обратил
внимание на удивительную малость величины ALPHA| ~~ 10**-38
g
сравнительно с 1 . До сих пор единственное успешное
объяснение связано с антропным принципом. Необходимое
условие возникновения "наблюдателя" - существование звезд.
Время t| жизни звезды пропорционально ALPHA|**-1 (см.
s g
формулу (69)). Поэтому, например, если увеличить ALPHA| на
g
порядок, соответственно уменьшается на порядок время
существования звезды. Из палеонтологии известно, что жизнь
на Земле возникла в эпоху, отстоящую от нашей примерно на
3*10**9 лет. Это время составляет всего 30% от времени жизни
Солнца. Цивилизация же возникла в Междуречье примерно 10**4
лет тому назад, что составляет ничтожную долю (10**-6) от
времени существования Солнца. Поэтому если бы Солнце
существовало 10**9 лет (на порядок меньше его
действительного времени жизни), то мы бы не имели
возможности обсуждать вопросы мироздания.
Таковы некоторые примеры успешного применения
антропного принципа.
В заключение полезно упомянуть об одной нерешенной
проблеме, имеющей непосредственное отношение к антропному
принципу. Несомненно, что устойчивость сложных молекул,
определяющих генетический код (например, молекул ДНК),
зависит от констант m| и ALPHA|. Подобная зависимость
предопределяется тем, что в конечном счете химические связи
обуславливаются параметрами атомов, входящих в состав
молекул. Основными параметрами атомов являются величины m| и
ALPHA|. Поэтому и устойчивость биологических молекул также
зависит от этих величин. Было бы полезно исследовать эту
устойчивость в зависимости от констант m| ALPHA|. Насколько
известно автору, подобная задача не решалась.
8. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ "ИСТИННОМ" ФИЗИЧЕСКОМ
ПРОСТРАНСТВЕ
Подведем некоторые итоги. Работа Эренфеста,
демонстрирующая, что в пространствах с размерностью N>=4
отсутствуют аналоги планет и атомов, и трактуемая
изолированно от всего прогресса физики, может
рассматриваться как некая экзотика. Однако этот курьез
превращается в основополагающий факт, если его рассматривать
в свете многочисленных приложений принципа целесообразности
и антропного принципа, а также геометрической интерпретации
калибровочных теорий.
Большая неустойчивость структуры Метагалактики к
численным значениям многих фундаментальных постоянных и их
флюктуативность в рядах подобных им величин может быть
интерпретирована на единственной физической основе. Эта
основа (если ее не связывать с вмешательством провидения)
базируется на гипотезе существования большого ансамбля
метагалактик со своими значениями фундаментальных
постоянных, в том числе и размерности физического
пространства N. Эти константы формируются в момент
возникновения метагалактик`. Наблюдаемое значение
размерности - лишь проявление случайных процессов,
сопровождающих рождение метагалактик. Размерность N и другие
"истинные" характеристики физического пространства
проявляются либо вблизи планковской области, либо при
расстояниях, превышающих размеры Метагалактики (10**28 см).
Физическое (наблюдаемое) пространство формируется
одновременно с другими характеристиками Метагалактики при
временах 0 < t| ~< 10**-43 с. Здесь нужно подчеркнуть одно
u
важное, принципиальное обстоятельство. Оставаясь лишь в
рамках математических представлений и закрывая глаза на
многочисленные связи между константами, их флюктуативность
и проблемы объединения теории поля, мы можем считать оба
современных описания физической реальности при N=3
(стандартный формализм Лагранжа) и N>3 (многомерная теория
типа Калуцы) равноправными. Сейчас отсутствуют противоречия
между экспериментальными данными об элементарных частицах и
их описанием, основанным на привычном лагранжевом формализме
в пространстве Минковского (Римана) с размерностью
пространственных координат N=3. Однако возникло слишком
много вопросов, которые такая теория не способна объяснить,
чтобы их можно было игнорировать.
------------------------------------------------------------
` Некоторые модели образования метагалактик рассматриваются
в следующем разделе.
------------------------------------------------------------
В настоящее время единственный способ решить эти
вопросы - допустить, что на малых (планковских) расстояниях
истинное физическое пространство имеет сложную структуру.
Кажется наиболее естественным, что эта структура в первом
приближении моделируется пространствами типа Калуца-Клейна.
Сейчас говорят о компактных сферических пространствах с
размерностью d=6 или 7, но представляется почти очевидным,
что подобное представление о физическом пространстве
отражает лишь уровень нашего понимания законов природы. В
действительности эти пространства могут иметь существенно
более сложную структуру природу и более высокую размерность.
Возможно, что говорить о конкретной размерности в
планковской области бессмысленно. В этой области, вероятно,
все флюктуирует, изменяется во времени и можно говорить
лишь об очень грубо усредненных величинах. Нельзя, например,
исключить, что в планковской области размерность имеет
дробное значение. Чтобы понять это утверждение, вообразим
ситуацию, когда близорукий человек издалека рассматривает
сильно изрезанный холмистый берег. Ему этот берег покажется
одномерной линией. Однако по мере приближения к берегу (или
при использовании оптических приборов) будут становиться все
более различимыми его неровные контуры, очертания холмов.
Рельеф (а следовательно, и размерность) будет зависеть от
ракурса и расстояния до берега. Усредняя "измеренную"
размерность по всем ракурсам и расстояниям, можно получить
нецелое число.
Приведенный пример - простейшая статическая иллюстрация
зависимости размерности от положения "наблюдателя" или
технических средств, находящихся в его распоряжении.
В планковской же области, по-видимому, пространство
дышит, оно нестатично, что является дополнительной причиной
изменения размерности и появления дробных ее значений. Если
бы в нашем распоряжении были приборы, позволяющие
исследовать геометрию при приближении к планковской области,
то, вероятно, нам представилось бы крайне любопытное
зрелище: характеристики пространства меняются со временем, а
с ними и наблюдаемые свойства объектов.
9. КАК ВОЗНИКАЮТ МЕТАГАЛАКТИКИ
Время от времени вспыхивают дискуссии на тему: можно ли
построить "окончательную" физическую теорию, описывающую
количественно любое физическое явление. Иначе говоря,
обсуждается вопрос: можно ли все физические законы
закодировать в единое уравнение или систему уравнений?
Вероятно, поставленный вопрос эквивалентен вопросу:
можно ли создать теорию происхождения и эволюции
Метагалактики и Вселенной? Если бы удалось построить такую
теорию, то она с неизбежностью могла бы описать все явления,
несомненно более простые, чем торжественный акт - рождение,
и развитие самых больших и сложных объектов, которые может
представить себе человеческая фантазия. Именно поэтому нет
ни теории происхождения Метагалактики, ни всеобъемлющей
физической теории. Существуют лишь отдельные ее фрагменты,
число которых, так же как связи между ними, быстро
возрастает со временем.
Еще больший оптимизм внушает то обстоятельство, что
сейчас можно сравнительно четко сформулировать те вопросы
(проблемы), которые нужно решить для создания теории
происхождения Метагалактики (Вселенной).
1. Создать последовательную квантовую теорию
гравитации, что, вероятно, эквивалентно созданию единой
теории поля.
2. Создать теорию физического вакуума, что,
по-видимому, является частью единой теории поля.
3. Создать теорию происхождения фундаментальных
постоянных. Вероятно, в первую очередь следует понять
происхождение значений масс частиц.
4. Ясно понять природу физического пространства, и в
первую очередь его размерности.
Несмотря на столь солидный список нерешенных
фундаментальных проблем, автор оптимистически оценивает
ситуацию, поскольку в физике ясная постановка вопроса
является действительно существенной предпосылкой его
успешного разрешения. Кроме того, уже существующие фрагменты
полной теории позволяют решить на модельном уровне часть из
сформулированных проблем.
Хотя отмеченные проблемы внешне кажутся независимыми
(кроме первых двух), все они связаны одним важнейшим
фактором - в большей или меньшей степени они относятся к
планковской области. Вероятно, создание планковской физики
означало бы и решение основных физических проблем.
Фундаментальные физические законы формируются в планковской
области, и в этом основная проблема. К этой области, кроме
моделирования начала Метагалактики и изучения нестабильности
протона, не видно никаких иных эмпирических подходов.
Нам представляется, что именно ясное понимание
взаимосвязи всех четырех проблем и роли планковской физики -
ключ к прогрессу создания единой теории, описывающей
возникновение Метагалактики. Сейчас эти проблемы
рассматриваются часто изолированно, и, на наш взгляд,
непропорционально мало внимания уделяется последним двум из
них.
В одной из немногих работ, в которых обсуждается
природа фундаментальных постоянных, в работе известного
американского физика С.Вайнберга (совместно с Ф.Канделасом)
затрагиваются в той или иной степени первая и две последние
проблемы, но вне всякой связи с происхождением
Метагалактики.
Вероятно, в настоящее время разрыв между желаемым
(объединением всех проблем) и реальностью (их
разобщенностью) закономерен и отражает уровень наших знаний.
Нужно, однако, ясно понимать, что конечная цель развития
физики состоит в объединении усилий по комплексному решению
всех проблем.
Далее мы кратко очертим те трудности, которые
непосредственно возникают при решении каждой из проблем в
отдельности. В решении проблемы создания квантовой теории
гравитации можно очертить два направления. В первом
используется сравнительно традиционная квантовая теория в
форме, предложенной Р.Фейнманом. Этот формализм применяется
к гравитации как изолированному взаимодействию, однако в
планковской области существенно усложняется пространство
сравнительно с пространством Минковского (Римана).
Трудности этого направления связаны со структурой
константы ALPHA|. Эта гравитационная безразмерная константа
g
пропорциональна m**2 (m - масса, передаваемая во время
взаимодействия). В этом отличие константы ALPHA| от ALPHA|,
g e
которая практически не зависит от m. Поэтому расходимости,
бесконечности сопровождают почти все теории гравитации,
трактуемой как изолированное явление. Сторонники первого
направления не заботятся чрезмерно об устранении
бесконечностей, возлагая надежды на то, что удачный выбор
пространства в планковской области и взаимовлияние различных
взаимодействий приведут в конечном счете к устранению
бесконечностей. Лидер этого направления, замечательный
физик С.Хокинг, сформулировал свое кредо в виде аналогии с
поиском ключей под фонарем, "потому что там светло"`.
------------------------------------------------------------
` Хокинг С. Пространственно-временная пена // Геометрические
идеи в физике / Под ред. Ю.И.Манина. М.:Мир, 1983. С.47.
------------------------------------------------------------
Другое направление в квантовой теории гравитации с
самого начала основывается на объединении всех
взаимодействий (и даже всех частиц) в надежде, что такое
суперобъединение приведет к компенсации бесконечностей. Пока
удалось выполнить эту программу лишь в первых приближениях.
Таким образом, квантовая гравитация - теория гравитации
в планковской области - далека от завершения, хотя в этом
направлении и имеется значительный прогресс.
В теории физического вакуума основной проблемой
является его чрезвычайно малая плотность энергии:
RO| ~< 10**-29 г*см**-3 . Эта цифра - следствие основного
v
космологического параметра - времени жизни Метагалактики и
естественного допущения, что вакуум, как и любая другая
форма материи, испытывает гравитационное притяжение. Эта
цифра на десятки порядков меньше любой оценки, сделанной на
основе теории размерности. Нельзя исключить, что RO| = 0.
v
Такое предположение привлекательно в том смысле, что именно
такое тождество появляется в теориях, где бозоны и фермионы
являются симметричными частицами (суперсимметрия, тождество
всех свойств, кроме спина). Энергии бозонного и фермионного
вакуумов имеют разные знаки, и поэтому их сумма обращается в
нуль. Однако, как отмечалось ранее, в мире наблюдаемых
частиц при массах m < 100 m| симметрия между фермионами и
p
бозонами отсутствует. Уже упоминалось, что современная
теория практически бессильна предсказать или
интерпретировать наблюдаемые фундаментальные константы, и в
особенности спектр масс частиц и его иерархическую
структуру.
В ряде работ (в частности, в упомянутой статье
Вайнберга-Канделаса) константа объединенного взаимодействия
ALPHA| связывается с размерами r| компактного пространства
u c
(планковскими) по формуле
ALPHA| = a * HP / (M| * c * r|) , (71)
u p c
где a - множитель порядка единицы - определяется числом
сортов частиц. Формула типа (71) - простейшее и поэтому
естественное безразмерное отношение основных параметров
планковской физики - квантовых размеров частицы с
планковскими параметрами. В число этих параметров входит и
масса M| = (HP * c / G)**(1/2) ~ 10**-5 г ~ 10**19 m|.
p p
Весьма активно разрабатываются модели компактификации
размерностей пространства. Хотя процесс компактификации
рассматривается как на квантовом, так и на классическом
уровне, тем не менее практически во всех моделях заложено
основное допущение - резкая анизотропия в начальных
условиях, а взаимодействие соответствует закону всемирного
тяготения или его обобщениям (например, ОТО). Чтобы понять
физику компактификации, рассмотрим эволюцию гравитирующего
эллипсоида (рис.11) с неизменной массой или энергией.
Точки A и B, находящиеся вначале существенно ближе друг
к другу, чем точки C и D, будут притягиваться значительно
сильнее, чем точки C и D (закон 1/r**2). Поэтому с течением
времени точки A и B будут сближаться, а точки C и D
удаляться. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока
расстояния между точками A и B достигнут планковских
размеров, что и означает компактификацию одной из координат.
Подобную процедуру нетрудно обобщить на пространство любой
целочисленной размерности N=D+d. D координат, расположенных
вначале далеко друг от друга, будут удаляться, образуя
пространство Евклида (Римана), а в d направлениях, в которых
первоначальное возмущение было сжато, произойдет
компактификация координат до планковских размеров.
===РИС.11
Из этого экскурса ясно, что мы далеки от законченной
теории в планковской области. Однако мы знаем вполне
достаточно, чтобы попытаться моделировать образование
метагалактик. При подобной процедуре следует учесть
следующие факторы:
1. Существование деситтеровской и фридмановской фаз
эволюции метагалактик.
2. Фазовый переход между обеими стадиями.
3. "Истинную" структуру физического пространства.
4. Принцип целесообразности и антропный принцип.
5. Флюктуативность фундаментальных констант в ряду себе
подобных.
Сделаем два предположения.
1. В пространстве N измерений (N>=11) всегда существует
физический вакуум. Для простоты можно базовое пространство
представить как многомерное пространство Минковского.
Разумеется, такое допущение простейшее, но не обязательное.
2. Плотность энергии вакуума как функция поля FI
представляется кривыми на рис.7.
Из этих предположений и сформулированных выше пяти
постулатов можно нарисовать следующую картину образования
Метагалактики. В метастабильном вакууме непрерывно возникают
возмущения, нестабильности. Вследствие наличия
потенциального барьера эти возмущения не успевают развиться.
По образному выражению Дж.Уилера и С.Хокинга, вакуум
пенится. Обычно возникают микровселенные с планковскими
размерами. Однако иногда происходит раздувание области, в
которой возникло возмущение, и последующая перестройка
вакуума.
В процессе развития анизотропных возмущений в вакууме
происходит компактификация размерности. Огромная энергия
вакуума расходуется на расширение метагалактик, образование
новых частиц большой энергии и нагрев Метагалактики. Эта
стадия представлена на температурной зависимости рис.8.
Перестройка вакуума сопровождается переходом от
деситтеровского расширения к фридмановскому режиму (рис.8).
Такой переход можно объяснить следующим образом. На
деситтеровской стадии плотность вакуума RO| >> RO| -
v м
плотности вещества и излучения. При фазовом переходе
плотность вакуума RO| резко уменьшается (RO| << RO|), и
v v м
возникают условия, необходимые для осуществления
фридмановской стадии.
Фундаментальные постоянные и физическое пространство
формируются на этих самых первых мгновениях эволюции
Вселенной и Метагалактики. Численные значения
фундаментальных постоянных в Метагалактике соответствуют
существованию в ней основных устойчивых связанных состояний.
Так на сегодня вырисовываются основные черты
грандиозного акта - рождения Метагалактики.
О Т Р Е Д А К Т О Р А
В начале 80-х годов в физике элементарных частиц
произошла подлинная революция, связанная с созданием единой
теории электромагнитных и слабых взаимодействий
Глешоу-Вайнберга-Салама. Дальнейшие события не заставили
себя ждать. В 1974 г. была предложена единая теория слабых,
сильных и электромагнитных взаимодействий. В 1976 г. была
предложена новая теория, названная супергравитацией, в
рамках которой впервые возникла реальная надежда на
построение единой теории всех фундаментальных
взаимодействий, включая гравитационные. В начале 80-х годов
особую популярность приобрели теории типа Калуцы-Клейна,
согласно которым размерность нашего пространства больше
четырех, но часть измерений "скомпактифицировано", так что
мы не можем двигаться в соответствующих направлениях. С
конца 1984 г. внимание всех физиков-теоретиков привлечено к
теории суперструн, согласно которой основным объектом теории
являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные
образования очень малого размера.
Бурное развитие этой области знаний сопровождалось
возникновением принципиально новых понятий (суперсимметрия,
спонтанная компактификация и т.д.) и обогащением лексикона
физиков-теоретиков целым рядом сложных математических
терминов. Полученные при этом результаты позволили с новой
точки зрения взглянуть на целый ряд проблем, давно стоявших
перед теоретической физикой.
В предложенной вниманию читателя книге сделана попытка
осмыслить и изложить на достаточно простом языке те основные
изменения, которые произошли в физике элементарных частиц и
космологии за последние годы. Можно надеяться, что эта книга
для многих окажется полезной и интересной.
В книге, как и в ряде предшествующих работ, автор
обсуждает еще один круг вопросов. Речь идет о проблеме
единственности Вселенной и о проблеме формирования
"фундаментальных постоянных".
Несомненные успехи теории горячей Вселенной, основанной
на однородной модели Вселенной Фридмана, постепенно привели
к убеждению, что Вселенная всюду устроена примерно так же,
как и в окрестностях Солнечной системы (хотя небольшие
вариации все-таки допускались). Это убеждение находилось в
полном соответствии с наблюдательными данными, согласно
которым относительные неоднородности плотности в масштабах
порядка размеров наблюдаемой части Вселенной весьма малы
(DL RO / RO ~ 10**-4). (((ЗДЕСЬ DL КАКОЕ-ТО ОЧЕНЬ СТРАННОЕ,
ЗАГНУТОЕ ХВОСТИКОМ В ДРУГУЮ СТОРОНУ, В НЕМ ЕСТЬ ЧТО-ТО ОТ
СИГМЫ))) Изредка высказывавшиеся гипотезы о сильной
неоднородности Вселенной в сверхбольших масштабах не имели
под собой никаких оснований. Это обстоятельство в
совокупности с не вызывавшим сомнений "фактом"
единственности вакуумного состояния приводило к убеждению,
что в подлинной теории элементарных частиц и свойства
вакуума, и свойства Вселенной должны быть
о_д_н_о_з_н_а_ч_н_о в_ы_ч_и_с_л_и_м_ы.
Вместе с тем изучение таблиц элементарных частиц и
анализ свойств наблюдаемой части Вселенной вовсе не
оставляют ощущения безусловной гармонии. Почему электрон в
2000 раз легче протона? Почему планковская масса
M| ~~ 10**-5 г, являющаяся единственным параметром
размерности массы в теории тяготения, в 10**19 раз больше
массы протона? Почему e**2 / (HP*c) ~~ 1 / 137 ? Почему
Вселенная почти однородна и в то же время в ней есть такие
немаловажные неоднородности, как планеты, звезды, галактики?
Все это вызвало в памяти известный вопрос Эйнштейна о том,
мог ли наш мир быть создан по-другому.
===РИС.12
Долгое время этот вопрос представлялся абсолютно
схоластическим, и поднимать его в серьезных научных работах
казалось неуместным. В последние годы ситуация резко
изменилась. Это изменение произошло в связи с созданием
единых теорий элементарных частиц и с развитием сценария
раздувающейся Вселенной. Согласно единым теориям свойства
наблюдаемого мира связаны с тем, каким именно образом
нарушается симметрия между разными типами взаимодействий и
какой из многих возможных вариантов компактификации
исходного многомерного пространства осуществляется в
окружающей нас части Вселенной. При этом сначала
подразумевалось, что и выбор типа нарушения симметрии, и
выбор способа компактификации должна происходить одинаково
во всей Вселенной. Однако дальнейшее изучение этого вопроса
показало, что в рамках сценария раздувающейся Вселенной
гипотеза о таком единообразии Вселенной является не только
ненужной, но и скорее всего несправедливой.
Наиболее простым и естественным вариантом сценария
раздувающейся Вселенной сейчас представляется так называемый
сценарий хаотического раздувания`. В отличие от сценария,
описанного в настоящей книге, сценарий хаотического
раздувания не основан на теории фазовых переходов и
расширения Вселенной в переохлажденном квазивакуумном
состоянии FI=0. Оказалось, что раздувание может
осуществляться, например, в обычной теории массивного
скалярного поля FI, характеризуемого массой m, и в целом
ряде других теорий, в которых потенциальная энергия V(FI)
поля FI при больших FI растет как любая степень поля:
V(FI) ~ FI**n.
------------------------------------------------------------
` Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // УФН. 1984. Т.144.
С.137.
------------------------------------------------------------
Поведение Вселенной зависит от начального распределения
классического поля FI, и в простейшей теории массивного
скалярного поля FI с V(FI) = m**2 FI**2 / 2 оно может быть
описано при помощи кривой на рис.12.
Область начальных значений FI >~ M|**2 / m является
p
запрещенной. Дело в том, что при
V(FI) = m**2 FI**2 / 2 >~ M|**4 квантовые флюктуации метрики
p
столь велики, что говорить о классическом
пространстве-времени нельзя.
В областях пространства, в которых поле FI изначально
находилось в интервале M| ~< FI ~< M|**2 / m , процесс
p p
уменьшения поля FI идет очень медленно. Вселенная в это
время расширяется приблизительно экспоненциально:
a(t) ~ e**(H(FI)*t), где a(t) - масштабный фактор ("радиус")
_ /--------,
2* \/ PI*m*FI
Вселенной, H(FI) = ------------------- . Эта стадия и
_ /-----,
\ / 3*M|
\/ p
называется стадией раздувания. В простейших моделях за время
раздувания размер Вселенной вырастает в
10**(10**5) - 10**(10**10) раз (!).
Когда поле FI уменьшается до FI ~ M|, оно начинает
быстро колебаться вблизи минимума V(FI), и при наличии
взаимодействия этого поля с другими физическими полями
накопившаяся в нем энергия переходит в тепло, т.е. Вселенная
становится горячей.
Более детально изучение этого сценария`, проведенное
недавно, показало, что в области
- /-------,
M| * \ / M| / m ~< FI ~< M|**2 / m за счет квантовых
p \/ p p
эффектов генерируются неоднородности поля FI с очень большой
длиной волны, причем амплитуда этих неоднородностей,
возникающих за характерное время ^t ~ H**-1 , больше, чем
общее уменьшение поля FI за это же время из-за "скатывания"
поля FI к минимуму V(FI). В результате за время ^t ~ H**-1
общий объем Вселенной увеличивается в e**3 раз (из-за
раздувания), и почти в половине этого объема поле FI не
уменьшается, а растет, причем скорость раздувания Вселенной
в областях с увеличившимся полем FI тоже увеличивается.
------------------------------------------------------------
` Linde A.D. Eternally existing self-reproducing
inflationary universe // Physical Letters. 1986.
Vol.175 B, N 4. P.395-400.
------------------------------------------------------------
Это приводит в кочном счете к тому, что б'ольшая часть
объема Вселенной, в которой изначально была хотя бы одна
- /-------,
область с FI >~ M| * \ / M| / m находится сейчас в
p \/ p
состоянии с максимально возможным полем FI (т.е. с
FI ~ M|**2 / m) и продолжает раздуваться. В этих областях
p
расширение Вселенной никогда не кончается, т.е. Вселенная
существует вечно. С другой стороны, те области Вселенной, в
которых поле FI становится меньше, чем
- /-------,
FI ~ M| * \ / M| / m , через некоторое время перестают
p \/ p
раздуваться, приобретая размер l >~ 10**(10*5) см. В одной
из таких областей мы и живем.
Важной особенностью этого сценария являются сильные
флюктуации метрики и всех других физических полей в большей
части объема Вселенной, в которой сейчас FI ~ M|**2 / m .
p
Эти флюктуации приводят к разбиению нашей Вселенной на
экспоненциально большие области со всеми возможными типами
вакуумных состояний (соответствующих локальным минимумам
V(Ф, FI), где Ф - все остальные типы скалярных полей,
присутствующих в теории) со всеми возможными типами
компактификации "лишних" измерений. В каждой из таких
областей свойства пространства-времени и низкоэнергетическая
физика элементарных частиц будут различными.
В некоторых из этих областей размерность
пространства-времени может быть отлична от четырех, вместо
слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий могут
существовать взаимодействия совершенно других типов с
другими константами связи, и т.д. Таким образом, согласно
этому сценарию, глобальная геометрия нашего мира кардинально
отличается от геометрии мира Фридмана. Вселенная оказывается
состоящей как бы из отдельных фридмановских мини-вселенных с
разными свойствами (рис.13), и жизнь нашего типа может
возникнуть лишь в части мини-вселенных, условия в которых
достаточно хороши для этого (антропный принцип).
===РИС.13
Сейчас еще трудно полностью оценить возможное значение
обсуждаемых результатов. Новая картина мира приводит к иной
постановке вопроса о том, возникла ли Вселенная из
сингулярного состояния (или "из ничего"), или она
существовала вечно, нескончаемо порождая все новые и новые
области экспоненциально большого размера. Как бы там ни
было, сейчас уже кажется все более правдоподобным, что наш
мир в целом гораздо более многообразен, чем это можно было
ожидать еще несколько лет назад. В основе этого многообразия
лежит единство всех типов фундаментальных взаимодействий,
высочайшая степень симметрии единых теорий, а также тот
факт, что чем выше исходная симметрия, тем большим
количеством разных способов она может быть нарушена. Что же
касается раздувания Вселенной, то оно, с одной стороны,
стимулирует переходы между состояниями с различными типами
нарушения симметрии, а с другой стороны, экспоненциально
увеличивает размеры возникающих областей с разными типами
нарушения симметрии, т.е. с разными свойствами пространства
и времени и разными свойствами элементарных частиц.
Подчеркнем, что в данном сценарии речь идет не о
возникновении разных Вселенных, а о возникновении
экспоненциально больших областей одной Вселенной с разными
свойствами пространства-времени и элементарных частиц внутри
каждой из них.
Д О П О Л Н Е Н И Е
К настоящему времени обнаружены и хорошо изучены четыре
типа взаимодействий:
Э_л_е_к_т_р_о_м_а_г_н_и_т_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й-
с_т_в_и_е отвечает за взаимодействие заряженных частиц.
Электромагнитное взаимодействие дальнодействующее в том
смысле, что в статическом случае оно представляется законом
Кулона: F ~ 1 / r**2 (r - расстояние между частями системы).
Безразмерная константа этого взаимодействия
ALPHA| = e**2 / (HP*c) ~ 1 / 137 , где e ~~ 10**-19 Кл -
e
заряд электрона (протона).
Г_р_а_в_и_т_а_ц_и_о_н_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е
является дальнодействующим, пропорциональным массам m|, m|
1 2
частиц системы. Сила соответствующего гравитационного
взаимодействия F = G * m| * m| / r**2 . Безразмерная
1 2
константа гравитационного взаимодействия
ALPHA| = G * m**2 / (HP * c) ; G = 6.7 * 10**-8
g
г**-1 * см**-3 * с**-2 - константа Ньютона.
Характеристической массой в выражении для константы ALPGA|
p
обычно полагают массу протона m| ~~ 10**-24 г. В этом случае
p
ALPHA| ~~ 10**-38 /
g
С_л_а_б_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е отвечает за
большинство распадов ядер и за взаимодействие нейтрино. Это
короткодействующее взаимодействие: радиус его действия
~10**-16 см. Оно характеризуется безразмерной константой
ALPHA| = g| * m**2 * c / HP**3 , где g| = 10**-49 эрг*см**3
w F F
- постоянная Ферми. При m=m| ALPHA| ~~ 10**-5 .
p w
С_и_л_ь_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е ранее
отождествлялось с ядерным взаимодействием между протонами и
нейтронами. Начиная с 70-х годов доминирует концепция, что
сильное (ядерное) взаимодействие обусловлено взаимодействием
кварков, составляющих протоны и нейтроны и другие адроны
(см. далее о классификации элементарных частиц). В
соответствии с современными представлениями сильное
элементарное взаимодействие - взаимодействие между кварками.
Взаимодействие между протоном и нейтроном отождествляется с
взаимодействием двух систем кварков, составляющих нуклоны.
Сильное взаимодействие между двумя кварками
короткодействующее. Его константа ALPHA| имеет сложную
s
зависимость от характеристической массы m. Эту зависимость
можно аппроксимировать в предельных случаях выражениями
/
! a
! ---------- , m >> m| ,
! ln(m/m|) p
ALPHA| = < p (Д.1)
s !
! ~1 , m ~ m| .
! p
\
Величина a зависит от числа сортов кварков. В грубом
приближении можно положить a~~1 .
Совокупность квантовых чисел полностью определяет
элементарную частицу. Некоторые квантовые числа имеют
аналоги в макроскопической физике; некоторые специфичны лишь
для представителей микрофизики элементарных частиц.
Существенно, что конкретная совокупность квантовых чисел
принадлежит только данной частице, изменение совокупности
изменяет ее сорт. Здесь мы остановимся на определении
некоторых из квантовых чисел, упомянутых в основном тексте
книги.
М_а_с_с_а. Каждая частица характеризуется в свободном
состоянии массой. Если частица входит в состав сложной
схемы, то ее масса может измениться. Поэтому хотя масса и
является важнейшим квантовым числом, тем не менее она не
является строго сохраняющимся квантовым числом.
З_а_р_я_д. Электрический заряд всех элементарных частиц
кратен заряду электрона e. Заряд - строго сохраняющееся
квантовое число.
С_п_и_н. Спин - число, характеризующее собственное
вращение элементарных частиц. Количественная его
характеристика - момент количества движения. Спин может
приобретать целое (в единицах HP: 0, HP, 2HP,...) или
полуцелое (1/2 HP, 2/3 HP,...) значения. Наглядно, но
неточно можно представить спин как вращение частицы в
обычном пространстве Минковского. Ошибочность такого
представления связана с точечностью некоторых элементарных
частиц, и в первую очередь электрона. Для точечной частицы
ее размеры r=0, следовательно, ее момент M = [rv] = 0. В
квантовомеханической интерпретации спин - собственное
вращение вектора состояния частицы в обычном пространстве.
И_з_о_т_о_п_и_ч_е_с_к_и_й с_п_и_н. Изотопический спин
характеризует вырождение элементарных частиц по массам.
Изотопический спин - характеристика семейств сильно
взаимодействующих частиц. В семейство частиц с одинаковым
изотопическим спином входят одинаково сильно
взаимодействующие частицы, но с различными электрическими
зарядами и близкими массами.
Количественно изотопический спин характеризуется целыми и
полуцелыми числами. Изотопический спин отражает вращение
вектора состояния в "воображаемом" зарядовом (изотопическом)
пространстве. Изотопический спин характеризуется двумя
числами: полным значением изотопического спина T и его
проекцией на одну из осей координат T|. Приведем два
z
типичных изотопических семейств.
Нуклоны включают протоны с массой m| = 938.2 МэВ и
p
нейтроны с массой m| = 939.5 МэВ. Изотопический спин
N
нуклонов T = 1/2. Для протона проекция T| = 1/2, для
z
нейтрона T| = -1/2 .
z
+-
Пионы - семейство, состоящее из трех частиц: PI||- и
0
PI|-пионов. Изотопический спин пионов T=1; проекции T|
z
+- 0
PI||-пионов равны +-1; проекция T| для PI|-пиона равна нулю.
z
Изотопический спин - приближенно сохраняющееся квантовое
число. Оно сохраняется в сильных и электромагнитных
взаимодействиях, но не сохраняется в слабых.
С_т_р_а_н_н_о_с_т_ь. Это квантовое число отражает
свойство некоторых элементарных частиц рождаться
исключительно парами.
Например, невозможна реакция:
0
p+n -> p+^Л| , (Д.2)
(((ЗДЕСЬ Л ОБОЗНАЧАЕТ ДОВОЛЬНО БОЛЬШОЙ ЗНАЧОК ^)
но возможна реакция
+ + 0
PI|+ + n -> K| + Л| (Д.3)
+ 0
(K| и Л| - символы K- и Л-частиц).
Объяснение этого явления основано на постулировании
наличия у некоторых (странных) элементарных частиц нового
квантового числа - странности S, которое может принимать оба
0 +
знака. Так, для Л|-частицы странность S=-1; для K|-частицы
S=+1. Странность также сохраняется лишь в сильных и
электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в
слабых. Обе реакции (Д.2) и (Д.3) определяются сильным
взаимодействием; поэтому в них странность S должна
сохраняться. В реакции (Д.2) странность не сохраняется
(слева S=0; справа - S=-1), поэтому эта реакция не
осуществляется. В реакции (Д.3) странность S=0 в обеих
частях равенства. Поэтому эта реакция наблюдается и хорошо
изучена.
Ц_в_е_т. Это количественная характеристика (заряд)
сильного взаимодействия. Поскольку носителями сильного
взаимодействия являются кварки, то цвет - характеристика
взаимодействия между кварками. В отличие от
электромагнитного взаимодействия, которое имеет два типа,
соответствующие положительному и отрицательному зарядам,
сильное взаимодействие характеризуется тремя модификациями.
Другое отличие заключается в том, что носители сильного
заряда - кварки - не встречаются в свободном состоянии.
Вследствие этих особенностей невозможно использовать
координатные оси для описания сильного заряда. В математике
положительная и отрицательная полуоси эквивалентны, что и
отражает полную эквивалентность положительных и
отрицательных зарядов. Три числа (например, +-1, 0) не
эквивалентны, следовательно, числовое представление
"сильных" зарядов неадекватно. Поэтому для их представления
был выбран физической образ - цвет. Известно, что в цветовой
гамме содержатся три дополнительных цвета (красный, желтый и
синий), которые в сумме дают белый цвет. Оба свойства
дополнительных цветов (число три и обесцвеченность) хорошо
представляют основные свойства сильного взаимодействия: три
модификации заряда и нейтральность (относительно сильного
взаимодействия) элементарных частиц, состоящих из кварков.
Подчеркнем еще раз, что, кроме общности символики, цвет
как заряд сильного взаимодействия не имеет ничего общего с
оптическими цветами.
В квантовой теории поля взаимодействие между частицами
f| и f| осуществляется передачей частицы-переносчика B.
1 2
Частица-переносчик может передать массу (энергию), импульс,
заряд, спин, изотопический спин, цвет и другие квантовые
числа.
Свойства частицы-переносчика и константа взаимодействия
полностью определяют все характеристики взаимодействия.
Наиболее хорошо изучена частица-переносчик фотон -
частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Его
изотопический спин, странность и цвет равны нулю. Поэтому
при электромагнитном взаимодействии переносится от частицы
f| к частице f| масса (энергия), импульс и спин. Цвет,
1 2
странность и другие квантовые числа не переносятся. Это
простейший пример предопределенности взаимодействия
свойствами частицы-переносчика.
В таблице сведены характеристики частиц-переносчиков
различных взаимодействий.
Тип взаимодей- Название Электри- Изотопичес-
ствия частицы- Спин ческий Цвет кий спин
переносчика заряд
Электромаг- Фотон 1 0 0 0
нитное
Слабое Бозон 1 +-1,0 0 1
Сильное Глюон 1 0 Три 0
цвета
Гравитационное Гравитон 2 0 0 0
Исключительно важной основой классификации частиц
является их спин. Частицы с полуцелым спином (HP/2,
(3/2) * HP...) называются фермионами, частицы с целым спином
(0, HP, 2*HP...) - бозонами.
Кардинальное отличие в поведении фермионов и бозонов
обусловлено разницей в симметрии волновых функций,
описывающих состояние системы в целом. Фермионы не могут
находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип
Паули), для бозонов такой запрет отсутствует. Более того,
система бозонов, находящихся в основном состоянии, стремится
увеличить число частиц в этом состоянии (явление
бозе-конденсации).
Частицы также классифицируются по силе их
взаимодействия. Частицы, участвующие в сильном
взаимодействии, называются адронами. Фермионы, не
участвующие в сильном взаимодействии, называются лептонами.
Как правило, лептоны легче адронов, однако есть и
исключение: масса TAU-лептона ~ 1.8*m|.
p
Число адронов (~300) существенно превышает число
лептонов. Сейчас обнаружено пять лептонов (e, NU, TAU, V|,
e
V|), однако почти несомненно существует и шестой лептон -
ю
TAU-нейтрино. (((НАПОМИНАЮ, ЧТО ю В ИНДЕКСЕ ОБОЗНАЧАЕТ NU)))
Адроны с полуцелым спином называются барионами; их
масса m > m| . Адроны с целым спином - мезонами.
p
Особое место занимают частицы-переносчики - бозоны. Их
+- 0
масса (кроме W||-, Z|-бозонов) равна нулю.
Подчеркнем, что почти все частицы испытывают все четыре
взаимодействия. Исключение составляют лептоны, которые не
взаимодействуют сильно, и частицы-переносчики, о которых
следует сказать особо. Фотон и W||-, Z|-бозоны переносят
электрослабое взаимодействие, глюоны - сильное. Все частицы
испытывают действие гравитации.
Гипотетический тяжелый X-бозон должен испытывать все
четыре взаимодействия.
Адроны имеют размеры ~10**-13 см. В соответствии с
современными представлениями "истинными" элементарными
частицами должны быть точечные. Быть может, в соответствии с
основным содержанием книги следовало бы говорить о
"планковских точках" размерами ~10**-33 см. Поэтому адроны
не являются "истинно" элементарными частицами, адроны
состоят из иных пра-частиц.
В 1964 г. Геллман и Цвейг выдвинули гипотезу: адроны
состоят из элементарных дробно-заряженных частиц - кварков.
При конструировании адронов (их характеристик) из кварков
следует руководствоваться следующими правилами: 1) все
квантовые числа кварков, кроме массы, аддитивны, 2) фермионы
состоят из трех кварков, бозоны из двух, 3) суммарный цвет
кварков в адронах всегда равен нулю.
Сейчас твердо обнаружено пять сортов кварков. В течение
последних лет появлялись сообщения о существовании шестого
кварка, однако убедительного доказательства его
существования нет. Обнаружение шестого кварка исключительно
важно для построения теории большого объединения. Она
базируется на допущении, что числа фундаментальных фермионов
(лептонов) и адронов (кварков) равны. Поскольку число
лептонов должно равняться (по крайней мере) шести, то должно
быть таким же и число кварков.
О Г Л А В Л Е Н И Е
Предисловие автора
ГЛАВА 1. ГЕОМЕТРИЯ
1. Эмпирическая геометрия
2. Геометрия как физико-математическая дисциплина
3. идеализация и приближение
4. Существует ли единственная физическая геометрия?
5. Аналитическая геометрия
6. Геометрия в целом и геометрия в малом
7. Расслоенные пространства
ГЛАВА 2. ДИНАМИКА
1. Время
2. Классическая динамика и ее геометрия
3. "Вывод" классической динамики из свойств пространства
4. Пространство специальной теории относительности
(пространство Минковского)
5. Эйнштейновская теория тяготения
6. Объединенная теория взаимодействия элементарных частиц
7. Калибровочная инвариантность - основной динамический
принцип
8. Геометрическое представление состояний
9. Многомерная интерпретация взаимодействий
10.Планковская физика. Является ли точка основным элементом
физической геометрии?
ГЛАВА 3. ВСЕЛЕННАЯ
1. Краткая история современной космологии
2. Некоторые замечания о терминологии
3. Эволюция Метагалактики как отражение ее геометрии
4. Проблемы фридмановской космологии
5. Физический вакуум
6. Раздувающаяся Вселенная и решение проблем фридмановской
космологии
7. Принцип целесообразности
8. Современные представления об "истинном" физическом
пространстве
9. Как возникают метагалактики
ОТ РЕДАКТОРА
ДОПОЛНЕНИЕ
....................
...... : ......
.. b1 : ..
. a1 o : .
. o : : .
!. : : : .
! .. : : : ..
! ...... : : ......
! ! .................... !
! ! ! ! !
! ! ! ! !
! !A !B ! !- один из слоев
! ! ! ! !
! ! ! ! !
! ! *********!********** !
! *!**** ! **!***
! ** ! ! ! **
!* ! o ! * - база
* o b ! *
* a ! *
** ! **
****** ******
********************
Рис 1. Простейший пример расслоенного пространства -
цилиндрический объем расслаивается на круг (база) и слои -
прямые, перпендикулярные базе.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
B B2 B1
!----------------------------------------------------!
! ! !
! ! !
! ! !
!----------------------------------------------------!
A A2 A1
а)
...................
...... ......
.. ..
. .
. .
!. .!
! .. B2 .. !
! ...... BB1 ...... !
! ! .................... !
! ! ! !
! ! ! !
! ! ! !
. ! ! .
. ! ! .
.. ! A2 ! ..
...... ! AA1 ......
: ....................
: :
: :
: :
: :
: :
: ............:.......
..:... : ......
.. : : ..
. : : .
. : : .
. : : .
.. : : ..
...... : ......
....................
C2
C(C2)
б) Это петля Мебиуса. Точки перегиба я показал
звездочками
A2
...............
... / ...
. / ..
. / ..
.* / ........ .
. ..... ... BA1 .
. . :B2 . .............
. . : ....! .
. . : .. ! .
. . : . !AB1 .
. . : .... ............ .
. . .... ... : . ....*
...*............ : .. .
: : .....
: :
: :
: :
: :
: :
: :
: :
: ............:.......
..:... : ......
.. : : ..
. : : .
. : : .
. : : .
.. : : ..
...... : ......
....................
C2
C(C1)
Рис. 2. Примеры расслоений.
а) тривиальное расслоение цилиндрической поверхности на
окружность (базу) и прямые (слои). Поверхность слоев
1 1
образуется простой склейкой сторон AB и A|B| прямоугольника.
1 1 2 2 2
Слою AB (A|B|) соответствует точка C (C|) в базе, слою A|B|
2
- точка C|;
б) нетривиальное расслоение. База - окружность, каждой точке
базы соответствует слой - отрезок, концы которого A и B
поменялись местами, сравнительно с отрезками - образующими
цилиндра, представленного на рис.2а. Каждый слой
пространства индивидуален, и конфигурация зависит от
1 1
расстояния до места склейки концов полоски. Слой AB (B|A|)
1
соответствует точке C (C|) в базе.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
c
л ********
*\*** b *****
*** \ л ***
** *''''' ! **
* ' '! *
* ' * *
* ' ' *
* ' ' *
* ''''*--->a *
* \ *
* \ *
* V *
* d *
* *
* *
* ******************** *
* ****** ****** *
* ** ** *
** **
* *
* *
** **
****** ******
********************
********************
****** : ******
** : : **
* : : *
* : : *
!* : : *!
! ** : : ** !
! ****** : ****** !
! ******************** : !
! : : !
! : : !
! : : !
! c1 : : !
! ''''''' : : !
! '' '': : !
! ' ' : !
! ' d1 :' : !
! ''' :'b1 : !
! ' : !
! ''' '': : !
! a1 ''''' : : !
! : : !
! : : !
! : : !
! .................... : !
! ...... ...... !
! .. .. !
!. .!
* *
* *
** **
****** ******
********************
********************
****** ******
** **
* *
* o___ *
* /v ___ *
** / ___ d2 **
****** / >*****
*****V**************
a2
Рис. 3. Расслоение полусферы на круг (базу) и прямые
(слои).
Связанность - изменение направления касательного вектора при
его параллельном переносе вдоль замкнутой кривой в полном
расслоенном пространстве, в данном случае - окружности,
расположенной на полусфере: вектор a - начальное положение,
вектор d - конечное положение. Связанность можно также
характеризовать изменением высоты проекции над базой при
1 1
полном обходе контура (расстояние a|d|) или углом v в базе.
1 1
Кривая a|d| проходит через цилиндрическое пространство
слоев.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
A t B
\ ! /
\ ! /
\ Будущее /
\ ! /
\ ! /
\ ! /
\ ! /
\ ! /
\ ! /
\!/O
----------------+----------------
/!\ x
/ ! \
/ ! \
/ ! \
/ ! \
/ ! \
/ Прошлое \
/ ! \
/ ! \
/ ! \
C D
Рис. 4. Схематическое представление пространства
Минковского.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
------ ******** /
/ ***Л ...***
/ ** \ .. / * **
/ ** .\. / * **
/ * .. \ / * *
/ * . o * *
/ * . / ** *
/ ** . / ** **
/ ** / *** **
/ ****** ***
/ / *********
Векторы / /
состояния -/ /
! /
/ /
/ /
/ /
/ /
/ /
/ /
/ /
/ /
\ /
\ /
\ /
****Л*** /
*** ! ...***
** !. / * **
** ...! / * **
* .. !/ * *
* . o * *
* . / ** *
** . / ** **
** / *** **
****** ***
/ *********
Рис. 5. Геометрическая интерпретация изотопического спина
как расслоенного пространства. Схема является существенным
упрощением, поскольку реальная база - трехмерное евклидово
пространство, а на рисунке представлена одномерная ось.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
<### ###>
### ###
###*,**A*****B**,*###
******** #,#o o#,# ********
**** ,,, ,,, ****
** ,,, **
** **
* ............. *
* ........... ........... *
* ..... ..... *
C* .. .. * F
o.. ..o
* *
* *
* *
* *
* *
* *
* *
*.. ..*
* ..... ..... *
** ....... ....... **
** ....................... **
**** ****
******** ********
*****************
Рис. 6. Расширение изотропной сферы. Расстояния от точек F и
G до элемента AB равны. Размеры этого элемента много меньше
всего объема сферы. (Жирные линии, изображающие вектора,
обозначены знаком #)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Л V(FI)
!
! ...
! .. ..
!.. .
! .
! .
! . 1 .......
! ./ .......
! . ........
! .. ........
! .. ...
!0 ..
!---------------------------------------------------------->
! FI| FI
! 0 ..
! ..
! ..
! ...
! 2 ....
! \ ......
! ......
! ......
! ......
!......
!
!
Рис. 7. Зависимость плотности энергии скалярного поля от
значения поля FI.
Кривая 1 соответствует температуре T -> 0, кривая 2 - T ->
БЕСК.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Л EPS|
! u
!........
! ........
! ........
! .........
! .... 1
! .. /
! ..
! .
! .
! .
! 10**-43 с . 10**-33 с
!---------------------------------------------------------->
! R| ........
! u ... \
! .. Фридмановская
! . стадия
! .
! Деситтеровская .
! стадия ... \
! \.......... 2
! ..........
! .........
!........
!
!---------------------------------------------------------->
! T| ...
! u . ...
! . ...
! . ....
! . .....
! . / .......
! . 3 ...
! ..
! ..........
!................
!
!
!---------------------------------------------------------->
t|
u
Рис. 8. Схема эволюции Метагалактики, синтезирующая модели
де Ситтера и Фридмана
Кривая 1 - зависимость энергии вакуума EPS| от времени t|
v u
ПРИМЕЧАНИЕ: Вероятно, здесь д.б. EPS| , но быть уверенным в
u
этом нельзя, поскольку на графике индекс не пропечатался, а
в подписи к рисунку указан, как v .
кривая 2 - зависимость размера Метагалактики от времени,
кривая 3 - зависимость температуры T от времени.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
^n |
--------- |
m |
^lg ---- |
m| |
p |
| o
100+ . .
| . .
| . .
| . .
| . .
| . .
|. .
|. .
|. .
| .
50+ .
| .
.| .
.| .
. | .
. | .
.o | o
.. | .o +-
o. | ... W
Злектрон .. | .... o
-+-------+---------+---------+---------+---------+----------
X -2 -1 0 1 2 m
lg ----
m|
p
Рис. 9. Распределение элементарных частиц по массам.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
!
!
!
8 +
!
!
+ ALPHA|
! . s
! .
6 + .
! ..
! ..
+ ..
! 1 ...
! ALPHA||| ...
4 + we ...
! .... ...
! ..... .....
+ ......... .....
! ......... ....
! .. .........
2 + 2 ..
! ALPHA||| ..........
! we .....................
+ ........
!
!
+------+------+------+------+------+------+------+------+-
10**4 10**8 10**12 10**16
m, ГэВ
Рис. 10. Зависимость констант взаимодействия от передаваемой
массы (импульса).
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
A
.....................
...... ......
... ...
.. ..
. .
. .
C . . D
. .
. .
.. ..
... ...
...... ......
......................
B
A
.....................
........ ........
....... .......
C... ...D
....... .......
........ ........
.....................
B
Рис. 11. Схема эволюции гравитационного эллипсоида (типичное
анизотропное возмущение). Анизотропия возрастает со временем
вследствие специфических особенностей закона всемирного
тяготения.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Л
!
4 ! *
M !....................................................*
p ! *
! *
! Л*
! / *
! О *
! / * .
! V * .
! * .
! * .
! * .
! * .
! * .
4 ! ** .
mM !........................................ ** .
p ! *** .
! О *** . .
! / **** . .
! V **** . .
2 2 ! **** . .
m M !................... **** . .
p ! ***** . .
! ***** . . .
! ***** . . .
+*****------------------------------------------------>
-----, 2
Mp Mp\/ Mp Mp
!---- ----
! m m
Для любых потенциалов V ~ FI**n раздувание идет во время
медленного уменьшения поля FI до FI ~ M|. В теории
p
массивного поля FI с V(FI) = (m**2 FI**2) / 2 область
--------,
M| \ / M| / m ~< FI ~< M|**2 / m - это область сильных
p \/ p
флюктуация скалярного поля FI, приводящих к нескончаемому
формированию раздувающихся областей Вселенной с
--------,
M| \ / M| / m ~< FI ~< M|**2 / m .
p \/ p
Рис. 12. Типичный вид потенциальной энергии V(FI) скалярного
поля FI в сценарии хаотического раздувания.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(((ЭТОТ РИСУНОК ВРЯД ЛИ УДАСТСЯ ВОСПРОИЗВЕСТИ ПРИСТОЙНО. В
НЕМ ЕСТЬ ЧТО-ТО ОТ РИСУНКА ПО БИОЛОГИИ - КЛЕТКИ И
СОЕДИНЯЮЩИЕ ИХ КАНАЛЫ ИЛИ ЧТО-ТО В ТАКОМ ДУХЕ. ТАКЖЕ МОЖЕТ
ИЗОБРАЖАТЬ ВОДУ В МОМЕНТ ЕЕ ЗАКИПАНИЯ В ЧАЙНИКЕ. ЭТАКИЕ
ПУЗЫРИКИ, СОЕДИНЕННЫЕ В ПРОИЗВОЛЬНОМ ПОРЯДКЕ КАНАЛЬЦАМИ. ЭТО
ВСЕ НА РАЗНЫХ СЛОЯХ И НА ФОНЕ СТРЕЛОЧКИ ВРЕМЕНИ t.)))
.####..............*.......................*******#######...
.####....##.........*.....#########........******.######....
..#...#######........*.**###############....*......#........
...#.#.######.......*****############...###*......#.... Л ..
....#....###....#...******#########*......*###...#..... ! ..
...#..........####....******.#......*.***#########..... ! ..
.######.####.#.###...........#.......****#########..... ! ..
.############...............#..........***#######...... ! ..
..####....###...............#..........*.........#..... ! ..
.........#...#..##........#####........*..........#.... ! .
....#####.....######...#########.......*.........#######! t.
.....#####....###################......#........########! .
....#..###.....###.......#..###........#.........#######! ..
....#......#.............#...........#########......#.. ! ..
....##########...........#..........###########....#... ! ..
***.#...######...........#............#######..#..#.... ! ..
***#*...**####............#.....................##..... ! ..
**#***********............#####.................#...... ! ..
######...*****..........########.........#########@@@.. ! ..
########...*..............####..........########@@@@@@@.....
..######....*............#...............####@@@@@@@@@@.....
...........*****........#..........@@@@@....#..@@@@@@.......
.....*************.....*.........@@@@@@@@...#....@..........
...**..********...*..****.......@..@@@@@.@@@@@@@@@..........
.**................******......@...........#.....@..........
(((Я ОБОЗНАЧИЛ ОСНОВНОЙ СЛОЙ #, СЛОИ ЛЕЖАЩИЕ ПОД НИМ *, А
СЛОИ, ЛЕЖАЩИЕ НАД НИМ - @, НО ЭТО ВСЕ УСЛОВНО, ПОСКОЛЬКУ
СЛОИ ПЕРЕХОДЯТ ДРУГ В ДРУГА.)))
Рис. 13. Рисунок, иллюстрирующий (в сильно упрощенном виде)
глобальную структуру Вселенной в сценарии хаотического
раздувания. Эволюция Вселенной в этом сценарии не имеет
конца и, скорее всего, не имеет единого (сингулярного)
начала. Свойства пространства-времени и законы
взаимодействия элементарных частиц в каждом "пузыре"
(мини-вселенной) могут быть различны.
