на главную
Главная » Наука » Мир как вакуум

ТЗ-1: Алло, алло!

АГ: Да, тут есть вопрос от нашего телезрителя. Прошу вас.

ТЗ-1: Да, у меня вопрос. Не могли бы вы пару слов сказать о современном состоянии теории? Потому что тот рассказ, который мы выслушали, относится больше к физике первой половины 20-го века. Те проблемы, с которыми физики столкнулись сейчас, это только что упомянутая Теория Великого Объединения, это противоречие, доказанное по-моему Бронштейном в классической квантовой теории и теории относительности Эйнштейна – невозможность квантования гравитационного поля – ну вот на эти темы, если можно пару слов..

РП: Ну я могу..

ВШ: Простите, если можно я попробую на эти вопросы, за исключением вопроса квантования поля – это скорее к вам вопрос..

РП: Да. да.

АГ: У меня только одна просьба: к вам и к вам и к нашим уважаемым слушателям и зрителям. Давайте все таки учтем, что некоторая часть нашей аудитории, она – как там у вас – с планковской или с какой другой частотой включается и выключается.

РП: Да, канал с переменной передачей..

АГ: Можете перевести на простой русский язык – вот мне – вопрос, который раздался от нашего телезрителя?

ВШ: Ну давайте я попробую. Но для начала, чтобы ответ был понятен, я немного прокомментирую из того что говорил Ростислав Феофанович, и вы, Александр. Вы сказали, что надо менять все понятия. Это не так! Вы сказали, что надо выбрасывать на свалку все наши обычные представления о мире вот нашего повседневного человеческого уровня, ту же теорию Ньютона, на которой базируется вся техника, электроника.. Нет, это совсем не так.

Мы рассматривали самый глубокий уровень понимания природы материи. Строго говоря теми же формулами квантовой механики, или квантовой электродинамики, или даже квантовой хромодинамики можно даже описать вот этот стакан с соком. Но это непроизводительно, неэффективно. Потому что множество всех тонких эффектов, они будут взаимоуничтожаться при этом описании, компенсироваться во всем этом макроскопическом объеме. Поэтому для описания такого грубого большого объекта как стакан с соком или та же табуретка достаточно вполне старых формул, классических или в крайнем случае квантово-механических. Для стакана достаточно классической механики, для атомной бомбы – достаточно квантовой механики и теории относительности. А квантовая теория поля – это уже следующий этап. Поэтому мы говорим о следующем этапе развития понимания структуры материи. Это некая преамбула.

Теперь о том, что касается современного положения теории. Я бы сказал так: героический период физики высоких энергий (она же физика элементарных частиц, она же физика структуры материи) несколько притормозился в последние два десятка лет. Где-то к концу 70-х, или даже 80-х приктически произошел переход в новую парадигму, который заключается в том, что возник следующий уровень понимания структурности материи. Атом, ядро, составляющие ядра – это относится к первой половине 20-го века. Затем возникло понимание, что адроны – протоны и нейтроны – не являются элементарными, а являются составными частицами. Возникло понимание кварковых частиц. Кварки должны вместе с тем взаимодействовать друг с другом – возникло понимание о квантах этого взаимодействия [калибровочные частицы], глюонах.

Далее, речь идет о сильных взаимодействиях. Следующая задача, которая была поставлена – это вопрос о том, что такое слабое взаимодействие, которое ответственно за распад ядерных частиц. Они стоят особняком и от электромагнитных и от сильных взаимодействий, и большие усилия были предприняты двумя поколениями послевоенных физиков, чтобы понять что электромагнитное взаимодействие и слабое – это разные проявления одного и того же взаимодействия – электрослабого. Возникло объединение понятий.

Наконец возникает Теория Великого Объединения, которая призвана описать одними формулами кроме электрослабого еще и сильное взаимодействие [а в перспективе и гравитационное]. Сейчас термин "единая теория поля" или "великое объединение" заменяется более скромным названием. Сейчас это именуется "стандартная модель" (всего навсего). Но гравитация пока что, с моей точки зрения – может Ростислав Феофанович со мной не согласится, – она остается за рамками такого объединения, что не позволяет считать такую создающуюся теорию – это стандартную модель, в основе которой лежит квантовая хромодинамика плюс электрослабые взаимодействия – считать ее истинной единой теорией поля или единой теорией описывающей материю.

АГ: Ну почему же гравитация себя так плохо ведет?

РП: Ну гравитация или теория тяготения была геометризована в общей теории относительности. У Ньютона все тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. В этом смысле движение Земли вокруг Солнца бесконечно сложно, потому что оно отзывается на все другие звезды и планеты. Но эту сложную видимость можно объяснить одним простым законом тяготения.

Суть в том, что можно свести все множество явлений к одному или нескольким простым принципам. Все физические законы, которые управляют динамикой, можно свести к одному принципу экстремума действия. Когда мы складываем, пока можно складывать все эволюции, тогда природа сама нащупывает ту эволюцию, где так называемое действие, которое есть сумма разностей кинетической и потенциальной энергий, имеет минимум или максимум. Это как бы резонанс, который нащупывает сама природа при этой эволюции.

Вообще, мир, как говорили древние греки, начался из хаоса, но потом родил космос. Каким образом? Вот если мы натянем струну – ну туго натянутая струна или пленка барабана может быть каким-то праобразом [образом] вакуума, а вся видимая материя – это какие-то слабые возбуждения, которые по ней бегут, – то выживает на этой струне только определенный тон, как бы мы ни возмутили, звучание будет одно и то же: значит, данная нота, потом октава, кварта, квинта и т.д. Если у нас протопланетное облако [электронное], то там выживают только резонансные круговые орбиты и шаровые формы планет, т.е. мир сам симметризуется...

ВШ: он сам структурирует себя.

РП: ...И вот эта идея симметрии – есть великая идея, которая определяет все физические взаимодействия. И даже вся динамика – эта попытка компенсировать ту несиметрию, которая возникает. Скажем, бросить в воду камень – волны расходятся, а потом все успокаивается.

ВШ: Красиво. А, скажите, гравитацию почему нельзя так объяснить?

РП: Гравитацию тоже можно так объяснить. Так вот, как Эйнштейн геометризовал гравитацию? Вещество прогибает пространство-время [в следующем измерении] и никакой силы тяготения ньютоновской нет, а есть движение по инерции но в кривом пространстве. Ну например, Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду (вот мы сейчас сидим и путешествуем. Даже было объявление в позапрошлом веке: "Кто хочет путешествовать со скоростью 30 км/с". Ну люди заплатили, им и говорят: "Сидите спокойно, вы уже путешествуете"...

ВШ: Земля летит.

РП: Да, Земля летит, не волнуйтесь) – это вдоль пространства 30 км/с, а вдоль времени – 300 тыс. км/с (скорость света), в 10 тысяч раз быстрее, и получается что Земля летит по инерции но траектория винтовая, а искривляет ее Солнце. Значит, это гравитация, она свелась в кривизне пространства-времени.

Как геометризовать все остальные физические взаимодействия?

ВШ: Здесь есть очень существенный момент. Вот это прогибание пространства под действием гравитации, или лучше сказать идентичное действию гравитации, оно создает нелинейность, которая не позволяет квантовым образом адекватно описывать явления. И в этом плане, так автоматически встроить квантовую гравитацию в квантовое описание других сил – это дополнительная проблема. Нелинейность сильно усложняет..

РП: Ну, физика находится только на пути к этой геометризации [пока предложена идея модели]. И интуитивные ходы мысли здесь такие: если по Демокриту мир был из атомов, которые уже имели какую-то структуру, а по Платону – это континуум, поле (а у него пространство по существу было эквивалентно материи), то... как соединить эти два различных подхода? Они были соединены в квантовой механике, где все частицы одного рода совершенно тождественны. И для того, чтобы описать все физические взаимодействия, было предположено что не точки являются основой природы мира – как у Платона. У Демокрита атомы, а у Платона [и Евклида] точки: движение точки рождало линию, движение линии рождало поверхность, движение поверхности рождало объем, и все остальное. И числа структурировали эти формы. И тогда только принципы симметрии определяют, как эти нуль-мерные бесструктурные точки сопрягаются. И тут только кривизну можно ввести. Как непрерывная поверхность изгибается, мы можем себе наглядно представить. А из бесструктурных точек мы физику по большому счету построить не можем. И поэтому чтобы геометризовать все другие взаимодействия кроме гравитации было предположено, что элементом мира является уже структурированный каким-то образом элемент – струна, которая заметает в пространстве-времени какую-то полоску, или если ее концы замкнуты – какую-то трубку. И появилась Теория Струн.

ВШ: Это уже в рамках квантовой хромодинамики.

РП: И для того чтобы геометризовать квантовый аналог внутреннего момента, так называемый спин элементарной частицы, который тоже квантован, Теория Струн была обобщена до так называемой Теории Суперструн. И тогда получается, что точка [которую было принято считать первоэлементом мира] является на самом деле зерном пространства с дополнительной размерностью (если в теории струн общая размерность пространства – 26, то в теории суперструн – уже 10, из них 4 – на пространство-время и 6 – на эту внутреннюю размерность [степени свободы для полей и квантовых чисел]. И вот геометрия этих слоев – 6-мерных, – проецируется на наше пространство-время уже макроскопическое в виде дополнительных физических взаимодействий; и они все свернуты на уровне масштабов – планковского (10 в –33-й степени см) ну или чуть больше. Таким образом геометризация идет по пути существенного пересмотра даже такой вещи как размерность, истинная размерность пространства-времени.

Гравитация описывается уравнениями Эйнштейна, написанными в 1915 году, а Фридман в 22-м году нашел очень простое решение однородного уравнения, смысл которого в том, что материя расширяется. Ну потому что в масштабе сотен миллионов световых лет (а возраст нашей Вселенной около 15 миллиардов [соответственно и радиус в пространстве-времени]) ее можно считать однородной – так же как воздух, кажется непрерывным, а на самом деле отдельные молекулы, – и она расширяется. Значит 15 миллиардов лет назад это было все, грубо говоря, в одной точке (но там современная классическая физика уже неприменима). И вот в том минимальном состоянии сжатости была сверхвысокая температура и не было вообще геометрии, не было пространства-времени, и все частицы могли переходить друг в друга. Но когда это стало расширяться, стали отделяться одни размерности от других. Вакуум рвался. Значит, вакуум флуктуирует. Что представляет эта флуктуация? Там непрерывно рождаются пары: частица-античастица [с перетеканием энергии из проявленного мира в непроявленный], причем у каждого поля свой вакуум: электрон-позитронный, фотонный, кварк-глюонный вакуум и т.д.

И когда мир был сжат в такой объем – порядка планковского масштаба (1033 см), – то кривизна была такая, что приливные силы рвали эти виртуальные частицы, превращали их в видимые, реальные частицы. Вакуум таким образом распадался. И рождение частиц увеличивало энтропию, которая придавала этому процессу характер необратимости, уменьшала давление и создавала фазу инфляции – такого сверхбыстрого расширения, т.е. за первые 10 в –37 доли секунды (это 10 миллионов планковских времен) уже произошло такое сильное раздувание. При этом излучение и вещество таяли по-разному, потому что излучение убывает как расстрояние в –4, а вещество как расстояние в –3 степени (потому что пропорционально объему), и вещество стало отделяться от излучения. Сегодня мы наблюдаем остатки того первичного излучения с температурой около 3 К, это –270 по Цельсию, почти абсолютный нуль.

ВШ: так называемое реликтовое излучение.

РП: ...И сначала сверхэнергичные фотоны рождали эти пары – электрон-позитрон, потом они опять схлопывались. Потом, когда излучение ослабло, все что могло схлопнуться – схлопнулось, остался небольшой избыток электронов [вещества], которое мы сейчас наблюдаем во вселенной, и небольшое количество света. И так постепенно происходили релятивистские фазовые переходы вакуума, которые дали современную картину. Гравитацию действительно не удалось до сих пор полностью геометризовать, но предполагается что переносчиками гравитационного взаимодействия между суперструнами являются гравитоны, это безмассовые частицы, которые имеют скорость света, спиновое число равное двум (вот эта спираль, внутренняя закрученность).

Ну, каким образом происходит гравитация? Здесь первый шаг сделал Сахаров в теории индуцированной гравитации. Я уже сказал, что эволюция нащупывается, когда мы складываем все возможные эволюции, получается наиболее вероятная – резонанс в пространстве функций, то что описывается физическими уравнениями. Если мы движемся ускоренно, то у нас появляется горизонт событий, и в интеграл по путям всех возможных эволюций, те события которые оказываются за границей, в него не попадут, мы их никогда не увидим, [и они не могут повлиять хоть на одно событие в нашем мире], т.е. некоторые звезды мы никогда не увидим, если мы движемся с постоянным ускорением. И тогда меняется та общая сумма, из которой выключены дополнительные слагаемые. Если мы возьмем граничные условия, скажем две параллельные пластины, то они даже будучи нейтральными [в смысле электрического заряда], будут притягиваться на очень близком расстоянии [непонятная аналогия с горизонтом событий], с силой пропорциональной расстоянию в –4-й степени – это эффект Казимира [засчет "нулевых" колебаний полей, когда рождаются и тут же схлопываются "виртуальные" частицы. Если между пластинами поле флуктуирует на расстоянии меньшем длины волны флуктуации, то снаружи плотность энергии больше; эта "виртуальная" энергия и прижимает пластины]. Так вот, гравитация по Сахарову индуцированная этими граничными условиями [выключив влияние сил, за горизонтом событий, которые по идее могли бы удерживать вселенную в равновесии, система будет стремиться сжаться], является квантовым эффектом. Вообще любопытно, что то что мы находим в одной теории, находится на поверхности знаний, но уровень тех понятий с которым мы работаем не позволяет их использовать, а уже имплицитно, там находятся другие понятия, которые мы потом по необходимости выносим на поверхность

АГ: У меня один вопрос. До гравитации, то о чем вы рассказывали, почему гравитация не вписывается в единую теорию поля или стандартную модель, мы говорили о том, что флуктуации вакуума, вот эта рябь – эта вся видимая материя: вещество и поле. Но что мешает, или может возникнуть такой момент, когда те же силы, те причины, которые заставили вакуум рваться на части во время Большого взрыва, которые привели к этой флуктуации, начальной или не начальной – это уж дело терминологии, – могли повториться.

РП: Возможно.

ВШ: Это вопрос действительно коренной, Александр. И 100%-го ответа на него нет, это один из вопросов, который является предметом тщательного изучения, и зависит это от применяемой теории или парадигмы, от тех методов, которые формируют экспериментальное знание. Если говорить более конкретно, то вакуум (я не говорю о моменте Большого Взрыва) в нынешнем состоянии может рождать частицы. Почему это происходит? Почему у него такая глубина и откуда такая возможность порождения события?

Вакуум – это нестабильная структура, в нем происходят так называемые спонтанные нарушения. Причем это обусловлено самими свойствами вакуума. Ну вот я уже говорил о соотношении или о принципе неопределенности [вообще-то это принцип отражающий некорректность идеи точного измерения с помощью квантов. Хотя это тонкий философский момент, когда под реальностью можно понимать лишь то, что дано в ощущениях через взаимодействие форм; в отсутствии взаимодействия и влияний событий друг на друга может и нет смысла говорить о реальном положении дел. Если частицы вдруг перестали взаимодействовать друг с другом – ну просто летают сами по себе, не сталкиваясь и не чувствуя друг друга, – то можно сказать что мир перестал существовать, Сознание – как инструмент отражающий связи и сам работающий по принципу связности – умирает], который вызывает это, ну есть и дополнительные более глубокие соображения. Т.е. все время в нем возникают нарушения симметрии, он никогда не бывает мертвым, в нем по его существу, по его свойствам – в детали я не хочу вдаваться – происходят все время выплески, нарушения, перебросы, течения и т.д. Собственно это и делает его живым, бесконечно большим [я бы сказал скромнее: просто громадным] океаном. В начале существования, о чем говорил Стива, все это было просто в более концентрированном виде [отношение вещества к вакууму было больше, но и сжато все это было во многие миллиарды раз плотнее чем сейчас]. История первой секунды существования Вселенной в этой модели Большого Взрыва, она не менее увлекательна, не менее сложна и богата, чем вся остальная история десятка миллиардов лет после этого.

Назад Вперед
наверх

  Copyright © surat0 & taras 2002