Читать книгу Квантовая теория гравитации - Устин Чащихин - Страница 2

1. Отойдем от шаблонного мышления

Теория гравитации Ньютона содержит только одну мировую константу – гравитационную постоянную G. Релятивистская теория гравитации – общая теория относительности (ОТО) – содержит 2 постоянные – гравитационную G и скорость света в вакууме c. А квантовая теория гравитации должна содержать все три фундаментальные мировые константы – G, c и постоянную Планка h. Это – теория, которая должна объединить квантовую теорию и ОТО. Именно такая теория и создана мной и представлена в этой книге. Здесь описаны гравитационное взаимодействие и гравитационное поле на квантовом уровне, выведены максимальная плотность квантовой материи и максимальная кривизна пространства-времени, решена проблема сингулярностей в ОТО, а также предсказана неизбежность Большого взрыва в результате Большого сжатия.

При этом, несмотря на отсутствие экспериментальных наблюдений, была выдвинута гипотеза гравитона – предполагаемого кванта гравитационного поля, по аналогии с фотоном – квантом электромагнитного поля, которое описывается в квантовой электродинамике как бозе-конденсат виртуальных фотонов. Однако на протяжении более века с момента создания ОТО все попытки описать гравитационное поле как бозе-конденсат виртуальных гравитонов наталкивались на фундаментальные трудности и все эти теории оказались неперенормируемы, и петлевая квантовая гравитация и геометродинамика также не решили проблему [1—21]. Из недавних обзоров проблемы квантования гравитационного поля можно отметить [16]. При этом, что особо примечательно, единственный перенормируемый вариант [17] использует фейковые частицы, т.е. такой подход изначально заведомо ошибочен экспериментально. И гравитон до сих пор не обнаружен экспериментально [22—28].

И многие физики признают необходимость принципиально новых подходов для создания квантовой теории гравитации:

«для создания квантовой гравитации могут быть нужны радикально новые идеи» [10]

«Нам могут понадобиться радикальные перемены в наших вглядах или полностью новые идеи для решения задачи (квантовой гравитации).» [11]

Для создания великих научных открытий великие ученые всегда вынуждены были идти против общепринятого мнения, против догм, бросая вызов толпе – например:

* Коперник и Галилей доказывали гелиоцентризм, пока все верили в геоцентризм. И они оказались правы!

* Колумб поплыл на Запад в поисках Индии с убеждением в шарообразности Земли, когда весь мир считал Землю плоской. И Колумб тоже оказался прав!

Кого ни возьми – Магеллан, Ньютон, Максвелл, Планк и иные гении – ни один из великих ученых не был догматиком, не подчинялся стадному инстинкту. Потому что догматизм держится за старое и мешает создать и даже понять уже созданное новое научное открытие. Именно поэтому догматики не только не совершают открытий, но даже и не понимают первопроходцев.

Аналогично для реализации научного открытия, прорыва в любой области нам придется поступить как все гении – отойти от толпы и перебороть свой стадный инстинкт – ведь мы же не стадо баранов, чтобы идти за толпой, а мыслящие люди. Поэтому руководствоваться мы должны разумом, а не животным стадным инстинктом.

Для формирования такого подхода нам нужны критическое мышление и отход от шаблонов, привычных стереотипов в мышлении:

«Человек с некритическим умом склонен первое пришедшее ему в голову решение задачи рассматривать как окончательное…

Гибкость ума, под которой разумеется свобода мысли от предвзятых предположений и шаблонных способов решения, способность находить новые решения при изменении обстановки и условий задачи.

Гибкость ума выражается не только в свободе от сковывающего влияния трафаретных приёмов, но и в уменье разнообразить попытки решения, не повторять тех попыток, неправильность которых уже обнаружилась. Многие люди плохо справляются с решением задач, главным образом, потому, что в поисках решения они снова и снова возвращаются к способу, который первым пришёл им на ум, хотя всякий раз убеждаются в том, что этот способ ни к чему не приводит. Здесь обнаруживается своего рода «инертность» мысли: человек не умеет сдвинуть свою мысль с того пути, по которому она однажды пошла.» [29]

Поэтому давайте постараемся отойти от стадного инстинкта и шаблонного мышления.

2. Причина квантования электромагнитного поля – наличие элементарного электрического заряда

Для создания квантовой теории гравитации я применяю принципиально новый, инновационный подход – поиск элементарной массы и элементарного тензора энергии-импульса, по аналогии с элементарным электрическим зарядом в квантовой электродинамике.

Физической причиной квантовая электромагнитного поля является то, что существует минимальный, элементарный электрический заряд e, – такой, что все остальные заряды кратны ему:

(1)

В природе не существует электрического заряда, который бы не был кратен заряду электрона, все заряды ему кратны. Заряд любой элементарной частицы кратен заряду электрона. Электрический заряд не принимает ни хаотических, ни бесконечно малых значений, а только строго дискретные значения, кратные заряду электрона.

Поэтому протон и электрон, имея одинаковый по модулю заряд, могут обменяться одним виртуальным фотоном. Элементарный электрический заряд может излучить элементарное электромагнитное поле – его квант – виртуальный фотон.

Именно значение элементарного электрического заряда и входит в уравнения квантовой электродинамики.

3. Новый подход к квантовой гравитации

Аналогичным образом для вывода уравнений квантовой гравитации я предлагаю попробовать новый подход – поискать и измерить элементарные, минимальные значения массы, энергии и импульса. И эти элементарные массу, энергию и импульс можно будет считать источником предполагаемого гравитона.

И только после измерения элементарных значений массы, энергии и импульса эти величины можно будет использовать в уравнениях квантовой теории гравитации.

Хочу обратить внимание читателя на важный факт по поводу квантования энергии и импульса.

В общей теории относительности источником гравитационнго поля является тензор энергии-импульса – мера плотности энергии и импульса в объеме:

Поэтому для нахождения кванта гравитационного поля – предполагаемого гравитона – нам надо найти минимальные, элементарные величины энергии и импульса.

Да, энергия и импульс квантованы:

(3)

И обычно физики полагают, что именно факт квантования энергии и импульса (а значит, и тензора энергии-импульса в ОТО) является очевидным аргументом в пользу гравитона и квантовой природы гравитационного поля. Но любые попытки создания квантовой теории гравитации наталкиваются на непреодолимые трудности – все эти модели неперенормируемы.

Значит, здесь тупик? В чем же проблема?

Дело в том, что вопрос квантовая энергии и импульса на самом деле гораздо сложнее.

Постоянная Планка, в отличие от электрического заряда, не является ни элементарной энергией, ни элементарным импульсом.

А частота и длина волны в выражениях (3) могут принимать самые разные значения. Да, электромагнитные волны квантованы, но квант ИК света имеет меньшую энергию, чем УФ-квант, а квант УФ света имеет меньшую энергию, чем квант рентгеновского диапазона.

Следовательно, квант электромагнитного излучения (3) еще пока не является элементарной минимальной энергией, поскольку в природе существуют меньшие по значения кванты излучения других длин волн.

Поэтому вопрос существования элементарной энергии упирается не только в постоянную Планка, но также и в вопрос существования элементарной частоты.

Именно на этом вопросе я и хочу заострить внимание читателя. Именно этот вопрос надо решить для создания квантовой теории гравитации.

Поэтому мой подход – как для построения КЭД необходим элементарный электрический заряд, также и для построения квантовой гравитации необходимы элементарные минимальные значения массы, энергии, импульса и частоты.

Для более полного понимания рассмотрим графики зависимости электрического заряда, энергии и импульса.

Электрический заряд квантован.

Энергия и импульс квантованы по n, но они не квантованы по частоте.

Квантованный спектр энергий по n и

непрерывный спектр энергий по частоте.

4. Существует ли минимальная элементарная масса?

Самые легкие частицы с массой покоя – электрон и позитрон. Является ли масса электрона элементарной массой – минимальной массой, которой кратны все остальные массы? Есть ли здесь такая же ситуация, как и в случае с электрическим зарядом?

Для ответа на этот вопрос достаточно рассчитать отношения масс всех элементарных частиц к массе электрона. Если все эти отношения будут равны натуральным числам, тогда можно будет утверждать, что масса электрона – элементарная масса.

Однако, проделав эти рассчеты, мы увидим, что эти отношения не являются натуральными числами, например, отношение масс мюона и электрона равно ~206,768, отношение масс протона и электрона равно ~1836,1527 и т. д.

Вы можете перепроверить эти рассчеты для всех частиц с массой покоя. В результате этих простых вычислений можно легко убедиться в том, что, в отличие от электрического заряда, массы элементарных частиц отнюдь не пропорциональны массе электрона.

(4)

Какие выводы следуют из этих фактов? Можно ли на основе этих фактов утверждать, что масса электрона – это элементарная масса? Не правда ли, что скорее напрашивается противоположный вывод?

Значит, мы уже не можем описать гравитационное взаимодействие между электроном и протоном как обмен одним виртуальным гравитоном. Протон тяжелее электрона и его гравитационное поле сильнее, чем у электрона. Причем сильнее в нецелое число раз.

Правильно ли мы рассуждаем? Может быть, есть масса у нейтрино и она является минимальной и элементарной массой? Или, может быть, существует некая элементарная частица – носитель минимальной элементарной массы? Тогда логично предположить, что все остальные частицы, обладающие массой покоя, должны быть построены из нейтрино или из такой частицы – носителя элементарной массы. Но тогда при столкновениях элементарных частиц на коллайдерах должна была бы появляться эта частица с массой меньше массы электрона. Однако опыты скорее опровергают, чем подтверждают такой ход мыслей [17—19].

Можно ли на основе этих данных утверждать наличие элементарной массы?

5. Существует ли элементарная масса в теории относительности?

Даже если бы мы и нашли элементарную массу в нерелятивистской теории, то в теории относительности попытки квантования массы осложняются тем, что в ней масса зависит от скорости:

Следовательно, в теории относительности вопрос существования элементарной массы зависит от существования элементарной скорости.

Если скорость неквантована, недискретна, если нет элементарной минимальной величины скорости, если скорость имеет непрерывный спектр значений, то и масса также неквантована, недискретна, имеет непрерывный спектр значений.

6. Дискретна ли скорость?

Как решить вопрос о квантовании, дискретности скорости? Влияет ли предполагаемая дискретность пространства-времени на вопрос о дискретности скорости?

Рассмотрим сначала классический случай. Скорость равна v=s/t, где s – путь в пространстве, а t – время.