К.В. » 13 фев 2011, 16:17
«Энергетический кризис» физики
В начале века в этой науке произошла революция. И дело не только в том, что физика в то время обогатилась большим количеством новых экспериментальных данных, интенсивный приток информации происходил и в девятнадцатом веке. Важно то, что на рубеже нашего века возникли противоречия в основах физической науки, когда новые экспериментальные факты выглядели как совершенно невозможные, недопустимые с точки зрения существовавших представлений. Их осознание потребовало выработки принципиально новых концепций, означавших более глубокое видение мира. Возникли идеи, которые выросли потом в теорию относительности и квантовую физику.
Современная ситуация совершенно иная. Хотя известно много фактов, для объяснения которых нет строгой теории, некоторые разделы физики элементарных частиц представляют собой «клубок» плохо стыкующихся моделей, тем не менее принципиальных противоречий между экспериментом и теорией нет. Это удивительно, но каждый раз, когда открывается новое явление, которое, казалось бы, опровергает существующие представления, всегда удается «выжать» из теории по крайней мере качественное его объяснение. Лежащие в основе современной физики релятивистские и квантовые законы охватывают чрезвычайно широкий круг явлений, за пределы которого физикам еще не удалось выйти. Даже такие экзотические объекты, как «частицы частиц» – кварки, и те подчиняются этим законам. И если иногда все же говорят, что «на наших глазах совершается революция в физике», то эти высказывания имеют скорее риторическое значение, подчеркивая факт необычайно быстрого развития этой науки.
Тем не менее все-таки существует вопрос, на который пока не удается найти удовлетворительного ответа и который действительно может привести к революции в наших взглядах на окружающий мир. Это вопрос о смысле энергии в общей теории относительности.
У физиков нет единого мнения, в каком направлении следует искать решение этой загадки. Часть ученых, следуя Эйнштейну, считает, что гравитационное поле вообще не имеет энергии. Эта точка зрения станет более понятной, если вспомнить, что в соответствии с теоремой Нетер физические процессы в неоднородном, несимметричном пространстве должны протекать так, как если бы само пространство воздействовало на находящиеся в нем тела. Так вот, в теории Эйнштейна, где пространство и время имеют сложную искривленную форму, этот эффект проявляется как гравитационная сила. Из формул, полученных Эйнштейном, следует, что везде, где есть кривизна пространства-времени, там обязательно возникает тяготение. А раз так, то можно предположить, что отличие от электромагнитного и других полей, представляющих собой пространственное распределение материи, поле тяготения – это чисто геометрическое свойство нашего мира, и поэтому понятия массы и энергии к нему не применимы.
Это очень радикальная идея, одна из тех «сумасшедших» идей, которые приводят к революции в науке. Но вот как последовательно провести эту идею и обойти все возникающие здесь трудности – это пока не совсем ясно. По мнению многих ученых, энергия и масса – слишком фундаментальные величины, чтобы можно было от них отказаться, не изучив других возможностей. Следует помнить о «бритве Оккама».
Недавно группой советских физиков – академиком А.А. Логуновым и его сотрудниками – разработан новый вариант общей теории относительности, который согласуется с опытом не хуже теории Эйнштейна, но не имеет трудностей с энергией. Эти физики рассматривают гравитацию не как проявление кривизны пространства-времени, а как материальное поле с массой и энергией, подобное другим известным нам полям. Специфической особенностью гравитации является ее общность – она порождается всеми материальными объектами, обладающими массой, и поэтому играет роль всеобщего фона, на котором происходят физические явления. Под влиянием этого фона взаимодействие тел протекает так, как если бы оно происходило в пустом, но искривленном пространстве-времени. Образно говоря, кривизна – это как бы след присутствия гравитационного поля. Само гравитационное поле действует в плоском, не искривленном пространстве и времени (фоном оно является для других полей, но не для самого себя), поэтому закон сохранения энергии выполняется точно.
Для того чтобы более наглядно представить себе, как все это получается, обратимся к похожему явлению – рассмотрим, почему протоны, точечные частицы в строгой теории, на самом деле взаимодействуют между собой как пространственно-протяженные объекты. Это объясняется тем, что только в теории протон можно отделить от мезонного поля и считать его изолированной, «голой» частицей. В действительности взаимодействие протона всегда происходит на фоне создаваемого им мезонного поля, и этот фон проявляется в эксперименте как пространственная размазка заряда и массы частицы. Можно сказать, что при столкновении протонов мезонное поле играет роль посредника. Аналогичную роль «посредника» играет гравитационное поле. Оно не размазывает ни массу, ни заряд взаимодействующих тел, но зато искажает, делает неоднородным, искривленным пространство и время в окрестности этих тел.
Говорят, что физика утратила свою наглядность, что используемые ею образы и понятия можно выразить лишь языком математики. Это не совсем так. Просто старую, ньютоновскую физику мы легковое принимаем потому, что можем сопоставить ее с нашей повседневной практикой, а для того, чтобы наглядно представить себе идеи и образы современной физики, приходится прибегать к аналогиям и примерам, которые сами требуют еще определенного навыка и привычки. Это как в музыке – классическую пьесу воспринять труднее, чем танцевальный ритм, для этого необходима подготовка, определенная музыкальная культура.
Возвращаясь к проблеме энергии, можно сказать, что она еще далека от ясности. Безусловно, будет еще немало споров и острых дискуссий вокруг различных подходов к ее решению. Теория, разработанная академиком Логуновым и его сотрудниками, – только одна из возможностей в этом направлении. Да и теория Эйнштейна, несмотря на противоречия, содержит много привлекательного и не собирается так просто сдавать свои позиция. Здесь сейчас одна из самых горячих точек физики, и как знать, может быть, отсюда возьмет свое начало новая физика – уж очень глубокие вопросы здесь затронуты.
Вот каким сложным оказался «школьный» вопрос, сохраняется ли энергия!
[b]«Энергетический кризис» физики[/b]
В начале века в этой науке произошла революция. И дело не только в том, что физика в то время обогатилась большим количеством новых экспериментальных данных, интенсивный приток информации происходил и в девятнадцатом веке. Важно то, что на рубеже нашего века возникли противоречия в основах физической науки, когда новые экспериментальные факты выглядели как совершенно невозможные, недопустимые с точки зрения существовавших представлений. Их осознание потребовало выработки принципиально новых концепций, означавших более глубокое видение мира. Возникли идеи, которые выросли потом в теорию относительности и квантовую физику.
Современная ситуация совершенно иная. Хотя известно много фактов, для объяснения которых нет строгой теории, некоторые разделы физики элементарных частиц представляют собой «клубок» плохо стыкующихся моделей, тем не менее принципиальных противоречий между экспериментом и теорией нет. Это удивительно, но каждый раз, когда открывается новое явление, которое, казалось бы, опровергает существующие представления, всегда удается «выжать» из теории по крайней мере качественное его объяснение. Лежащие в основе современной физики релятивистские и квантовые законы охватывают чрезвычайно широкий круг явлений, за пределы которого физикам еще не удалось выйти. Даже такие экзотические объекты, как «частицы частиц» – кварки, и те подчиняются этим законам. И если иногда все же говорят, что «на наших глазах совершается революция в физике», то эти высказывания имеют скорее риторическое значение, подчеркивая факт необычайно быстрого развития этой науки.
Тем не менее все-таки существует вопрос, на который пока не удается найти удовлетворительного ответа и который действительно может привести к революции в наших взглядах на окружающий мир. Это вопрос о смысле энергии в общей теории относительности.
У физиков нет единого мнения, в каком направлении следует искать решение этой загадки. Часть ученых, следуя Эйнштейну, считает, что гравитационное поле вообще не имеет энергии. Эта точка зрения станет более понятной, если вспомнить, что в соответствии с теоремой Нетер физические процессы в неоднородном, несимметричном пространстве должны протекать так, как если бы само пространство воздействовало на находящиеся в нем тела. Так вот, в теории Эйнштейна, где пространство и время имеют сложную искривленную форму, этот эффект проявляется как гравитационная сила. Из формул, полученных Эйнштейном, следует, что везде, где есть кривизна пространства-времени, там обязательно возникает тяготение. А раз так, то можно предположить, что отличие от электромагнитного и других полей, представляющих собой пространственное распределение материи, поле тяготения – это чисто геометрическое свойство нашего мира, и поэтому понятия массы и энергии к нему не применимы.
Это очень радикальная идея, одна из тех «сумасшедших» идей, которые приводят к революции в науке. Но вот как последовательно провести эту идею и обойти все возникающие здесь трудности – это пока не совсем ясно. По мнению многих ученых, энергия и масса – слишком фундаментальные величины, чтобы можно было от них отказаться, не изучив других возможностей. Следует помнить о «бритве Оккама».
Недавно группой советских физиков – академиком А.А. Логуновым и его сотрудниками – разработан новый вариант общей теории относительности, который согласуется с опытом не хуже теории Эйнштейна, но не имеет трудностей с энергией. Эти физики рассматривают гравитацию не как проявление кривизны пространства-времени, а как материальное поле с массой и энергией, подобное другим известным нам полям. Специфической особенностью гравитации является ее общность – она порождается всеми материальными объектами, обладающими массой, и поэтому играет роль всеобщего фона, на котором происходят физические явления. Под влиянием этого фона взаимодействие тел протекает так, как если бы оно происходило в пустом, но искривленном пространстве-времени. Образно говоря, кривизна – это как бы след присутствия гравитационного поля. Само гравитационное поле действует в плоском, не искривленном пространстве и времени (фоном оно является для других полей, но не для самого себя), поэтому закон сохранения энергии выполняется точно.
Для того чтобы более наглядно представить себе, как все это получается, обратимся к похожему явлению – рассмотрим, почему протоны, точечные частицы в строгой теории, на самом деле взаимодействуют между собой как пространственно-протяженные объекты. Это объясняется тем, что только в теории протон можно отделить от мезонного поля и считать его изолированной, «голой» частицей. В действительности взаимодействие протона всегда происходит на фоне создаваемого им мезонного поля, и этот фон проявляется в эксперименте как пространственная размазка заряда и массы частицы. Можно сказать, что при столкновении протонов мезонное поле играет роль посредника. Аналогичную роль «посредника» играет гравитационное поле. Оно не размазывает ни массу, ни заряд взаимодействующих тел, но зато искажает, делает неоднородным, искривленным пространство и время в окрестности этих тел.
Говорят, что физика утратила свою наглядность, что используемые ею образы и понятия можно выразить лишь языком математики. Это не совсем так. Просто старую, ньютоновскую физику мы легковое принимаем потому, что можем сопоставить ее с нашей повседневной практикой, а для того, чтобы наглядно представить себе идеи и образы современной физики, приходится прибегать к аналогиям и примерам, которые сами требуют еще определенного навыка и привычки. Это как в музыке – классическую пьесу воспринять труднее, чем танцевальный ритм, для этого необходима подготовка, определенная музыкальная культура.
Возвращаясь к проблеме энергии, можно сказать, что она еще далека от ясности. Безусловно, будет еще немало споров и острых дискуссий вокруг различных подходов к ее решению. Теория, разработанная академиком Логуновым и его сотрудниками, – только одна из возможностей в этом направлении. Да и теория Эйнштейна, несмотря на противоречия, содержит много привлекательного и не собирается так просто сдавать свои позиция. Здесь сейчас одна из самых горячих точек физики, и как знать, может быть, отсюда возьмет свое начало новая физика – уж очень глубокие вопросы здесь затронуты.
Вот каким сложным оказался «школьный» вопрос, сохраняется ли энергия!