Современное состояние теории гравитациии ее роль в физике
В физике XX в. ОТО сыграла особую и своеобразную роль.
Во-первых, она представляет собой новую теорию тяготения, хотя, возможно, и не вполне завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит в том, что гравитация — это вид энергии, и поэтому она сама является собственным источником энергии; гравитация как физическое поле сама обладает (как, например, и электромагнетизм) энергией и импульсом, а значит, и массой. Следовательно, уравнения теории нелинейны, т.е. нельзя просто сложить известные решения для простых систем, чтобы получилось полное решение для сложной системы. С этим связаны, например, трудности в интерпретации содержания тензора энергии — импульса. Математический аппарат теории настолько сложен, что почти все задачи, кроме самых простейших, оказываются неразрешимыми. Из-за таких трудностей (возможно, они скорее технического характера, но может быть и принципиального) ученые до сих пор — спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, — все еще пытаются разобраться в ее смысле.
Поэтому вполне закономерно, что и в XX в. физики продолжали попытки создания альтернативных теорий тяготения. Их создано уже более 20 (Т.Калуца, Г.Вейль,Э.Картан и др.).Некоторые из них, как и теория Эйнштейна, исходят из геометрического толкования гравитации, а другие — из понятия поля, заданного в плоском пространстве-времени, третьи рассматривают «гравитационную постоянную» как функцию, зависящую от времени. Почти все эти альтернативные теории не предсказывают новых экспериментов и потому их эвристическое значение практически равно нулю. Кроме того, ни одна из них не обладает такой эстетической привлекательностью, красотой и изяществом, как теория Эйнштейна. Физики давно признали, что ОТО дает наилучшее из известных описание пространства-времени и гравитации.
В о - в т о р ы х, на основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризированные единые теории поля; релятивистская космология (см. 11.6).
Успешная геометризация гравитации заставила многих физиков задуматься над вопросом о сущности физики в ее отношении с геометрией. Здесь сложились две противоположные точки зрения:
1) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно-временного континуума. Он сам служит лишь ареной их проявления. Поля и частицы чужды геометрии мира и их надо добавить к геометрии, чтобы вообще можно было говорить о какой-либо физике;
2) в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнетизм и другие поля являются лишь проявлением искривленного пространства. Физика есть геометрия.
ОТО оказалась переходной теорией между первым и вторым подходами. В ОТО представлен смешанный тип описания реальности: гравитация в ней геометризирована, а частицы и поля, отличные от гравитации, добавляются к геометрии.
Многие ученые (в том числе и сам Эйнштейн) предпринимали попытки объединить электромагнитное и гравитационное поля в рамках достаточно общего геометрического формализма на базе ОТО. С открытием разнообразных элементарных частиц и соответствующих им полей естественно встала проблема включения и их в рамки подобной единой теории. Это положило начало длительному процессу поисков геометризированной единой теории поля, которая, по замыслу, должна реализовать второй подход — сведение физики к геометрии, создание геометродинамики.
Важным результатом на этом пути явилось включение в физику структур современной алгебраической топологии. В геометродинамике доказано, что флуктуации гравитационного поля могут измерять топологический характер пространства. Особенно перспективны протяженности с переменной топологией — так называемые топосы. Основные трудности на этом пути связаны с решением проблемы эмпирической интерпретации топологии на очень больших и очень малых расстояниях.
Анализ показывает, что там, где проявляются изменения тополоческой структуры мира, топологии пространственно-временного континуума, там фиксируется кажущееся изменение фундаментальных законов природы. Так, происходит кажущееся нарушение причинности, когда при падении в «черную дыру» исчезают элементарные частицы. В связи с изменениями топологии теряет свой однозначный смысл понятие расстояния (загадочная неоднозначность расстояний до квазаров — их движение относительно друг друга происходит со скоростями, которые чуть ли не в 25 раз (!) превышают скорость света). С вариациями топологических структур, возможно, связаны и квантовые процессы.
Возникновение и развитие квантовой физики
Гипотеза квантов
Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.
Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ — соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны λ и температуры Т- то
где φ(λ, Т) — некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.
Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ = 1; тогда универсальная функция φ(λ, Т) равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции φ(λ, Т), а лишь отметил некоторые ее свойства.
При определении вида универсальной функции φ(λ, Т) естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.
Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом равновесии между колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти вся энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.
В 80-е гг. XIX в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции φ(λ, Т) стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вином в 1896 г., Дж. Рэлеем и Дж. Джинсом в 1900 г. были предложены две различные формулы. Как показали экспериментальные результаты, формула Вина асимптотически верна в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея — Джинса асимптотически верна для длинных волн, но не применима для коротких.
В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре серного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если опустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а пределенными порциями — квантами (ε). Более того, ε не является любой величиной, а именно, ε = hν, где h — определенная константа, a v — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.
Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддаваясь описанию на основе представлений классической физики.
Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было ведение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вместе с созданием и развитием квантовой механики.