Geum.ru

Три проблемы фундаментальной физики

Вид материалаДокументы

Содержание


Проблема 2. Корпускулярно-волновой дуализм
Проблема 3. Гравитация и квантовая механика
Подобный материал:
Три проблемы фундаментальной физики


Для того чтобы лучше понять, о чём пойдёт речь в книге, давайте ознакомимся с тремя очень интересными и нерешёнными проблемами фундаментальной физики.

Проблема 1. Принцип Маха


Ещё Ньютон обратил внимание на тот факт, что существует два вида движений: относительное и абсолютное. Прямолинейное движение тела является относительным движением, а вращательное – абсолютным. Мы не сможем сказать, с какой скоростью мы движемся (например, с какой скоростью движется планета Земля), если не укажем другое тело, относительно которого будем рассматривать наше движение. Но мы всегда сможем узнать, с какой скоростью мы вращаемся (например, с какой скоростью вращается Земля). Это возможно потому, что во вращающемся теле возникают центробежные силы, которые деформируют тело. По величине центробежных сил или по вызванной ими деформации всегда можно определить скорость вращения тела.

При этом возникает вопрос: а относительно чего, собственно говоря, тело вращается?

В конце девятнадцатого века австрийский физик Эрнст Мах выдвинул интересную гипотезу (названную впоследствии принципом Маха): тело вращается относительно неподвижных звёзд. И вследствие какой-то пока невыясненной связи между огромной массой звёзд и вращающимся телом и возникают центробежные силы. Но как проверить такое предположение? Вот что писал об этом, например, такой известный физик, как Ричард Фейнман: “В настоящее время у нас нет способа узнать, существовала бы центробежная сила, если бы не было звёзд и туманностей. Не в наших силах сделать такой эксперимент – убрать все туманности, а затем измерить наше вращение; значит, тут мы ничего сказать не можем” [7,с.286]. В 1979 году в Берлине состоялась международная научная конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения Альберта Эйнштейна. На ней обсуждались наиболее фундаментальные проблемы современной физики. В том числе говорилось и об отношении принципа Маха к общей теории относительности. Вот несколько строк из резюме по данному вопросу: “Известно, что Эйнштейн не только принимал этот неортодоксальный принцип и восхищался им, но и надеялся привести свою теорию в согласие с системой идей Маха. Эйнштейн пытался всеми возможными средствами включить общую теорию относительности в принцип Маха, или наоборот. Поэтому он видоизменил первую классическую формулировку общей теории относительности. В этом направлении и по сей день предпринимаются попытки, – неустанно, порой с обескураживающими результатами, часто с помощью весьма остроумных манипуляций, – достичь цели, к которой стремился Эйнштейн” [15;с.293].

И всё-таки проблему, связанную с принципом Маха, можно решить! Но для этого нужно проделать следующее.

Во-первых, раскрыть его физическое содержание (которое пока не ясно). Во-вторых, построить новую физическую теорию, которая содержала бы в себе, кроме известных физических законов, также и принцип Маха. До настоящего времени такой теории не было. В-третьих, рассчитать (а значит, и предсказать) принципиально новые следствия, которые вытекают из новой теории и которые можно экспериментально проверить в земных условиях (естественно, не трогая неподвижные звёзды). И в результате определить, верен или нет принцип Маха.

Проблема 2. Корпускулярно-волновой дуализм


В физике существуют такие понятия как частица и волна. Эти понятия – антагонисты. Свойства частицы и свойства волны взаимоисключают друг друга. Тем не менее, квантовые объекты ведут себя то как волны, а то как частицы. Например, электрон, с одной стороны (то есть при одних условиях проведения эксперимента), является частицей. Более того, неделимой частицей. Никто никогда не наблюдал, скажем, пол-электрона или какую-либо его часть. Но, с другой стороны (то есть при других условиях проведения эксперимента), электрон запросто может пройти сразу через два (и более) отверстия! Тот, кто этого ещё не знает, скорее всего, в это не поверит. Ничего удивительного! В своё время такой выдающийся физик как Альберт Эйнштейн (который, кстати, очень много сделал для создания квантовой механики) так и не принял до конца квантовую механику. Он считал, что физическая теория не должна так радикально расходиться со здравым смыслом.

В настоящее время волновая природа электрона – хорошо проверенный экспериментальный факт. Желающие прочитать чёткий и ясный рассказ об этом могут обратиться к Фейнмановским лекциям по физике. Нужно отметить, что квантовая механика прекрасно описывает “странное” поведение квантовых объектов. Но описать – не означает объяснить. До сих пор никто не знает, откуда в микромире взялась неопределённость, и как неделимый электрон ухитряется пройти через два отверстия одновременно. Вот что писал о таком “странном” поведении квантовых объектов Ричард Фейнман: “Но мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает” [11;с.117].

Проблема 3. Гравитация и квантовая механика


Всё, что существует в природе, притягивается друг к другу. С другой стороны, всё, что существует в природе, подчиняется законам квантовой механики, в основе которой лежит принцип неопределённости. Благодаря этому принципу каждая частица обладает волновыми свойствами. Но в современной теории гравитации – теории тяготения Эйнштейна (впрочем, как и в теории тяготения Ньютона) – нисколько не учитывается этот фундаментальный принцип, то есть совсем не учитывается то, что частицы обладают волновыми свойствами. Поэтому естественным образом возникает следующий вопрос. Можно ли объединить теорию гравитации и квантовую механику таким образом, чтобы при гравитационном взаимодействии учитывались волновые свойства частиц? На сегодняшний день такой квантовой теории гравитации не существует.


Как будет видно в дальнейшем, все эти три проблемы связаны между собой. И когда нам удастся понять физический смысл принципа Маха, мы поймём, откуда взялась неопределённость в микромире. А, поняв причину происхождения неопределённости в микромире, мы поймём, почему тела притягиваются друг к другу. Решению этих проблем и посвящена эта книга. Забегая вперёд, можно сказать, что, оказывается, в основе гравитационного взаимодействия лежит принцип неопределённости, то есть гравитация – это исключительно квантовый эффект!