Читать книгу Новая физика многомерных пространств. Что находится за горизонтом событий квантового мира и из чего состоит темная материя - В. И. Жиглов, В. Жиглов - Страница 2

Как известно пространство и время являются основополагающими понятиями всех разделов физики и относятся к категориям обозначающим основные формы существования материи. При этом пространство выражает порядок существования отдельных событий, а время обозначает порядок смены рассматриваемых явлений.

Указанные физические понятия широко используются при конструировании теоретических моделей, которые позволяют интерпретировать экспериментальные данные и играют решающее значение при построении физической картины мира.

Демокрит (460—360 гг. до н.э.) – древнегреческий философ, ученик Левкиппа, один из основателей атомистики и материалистической философии

С исторической точки зрения развитие физических представлений о пространстве и времени происходило в тесной связи с различными философскими учениями и развивалось по двум направлениям.

В основе первого направления находились идеи Демокрита, который приписывал пустоте особый вид бытия. Данное направление наиболее полно воплотилось в физических теориях И. Ньютона, согласно которым абсолютное пространство и абсолютное время представляют собой самостоятельные сущности, не зависящие ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов.

Аристотель (384—322 гг до н.э.) – древнегреческий философ, ученик Платона и воспитатель Александра Македонского. Наиболее влиятельный из философов древности, основоположник формальной логики

В основе второго направления физических представлений о пространстве и времени находится философское учение Аристотеля, получившее развитие в трудах Г. В. Лейбница, который трактовал физические понятия пространства и времени, как определённые типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющие самостоятельного существования. В дальнейшем физическая концепция Лейбница была развита и воплощена в теории относительности А. Эйнштейна.

Исаак Ньютон (1642—1727) – английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики

Разработанная им специальная теория относительности установила зависимость пространство-временных характеристик исследуемых объектов от скорости их движения относительно определённой системы отсчёта, что позволило объединить пространство и время в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна установила зависимость метрических характеристик от распределения гравитационных масс, приводящих к искривлению пространственно-временного континуума. Исходя из сделанных выводов теории относительности, от плотности распределения масс зависят и такие фундаментальные свойства пространства-времени, как конечность и бесконечность, которые также являются относительными.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1716) – немецкий философ, логик, математик, механик, физик и изобретатель. Основатель и первый президент Берлинской Академии наук, член Лондонского королевского общества, иностранный член Французской Академии наук

Следует также отметить, что ещё в классической физике была установлена взаимосвязь в симметрии пространства и времени с законами сохранения физических величин. Так закон сохранения импульса оказался тесно связанным с однородностью пространства, закон сохранения энергии – с однородностью времени, а закон сохранения момента количества движения – с изотропностью пространства.

В специальной теории относительности эта связь обобщается в четырёхмерной пространство-временной физической концепции.

Однако провести указанные общерелятивистское обобщение последовательно пока так и не удалось.

Альберт Эйнштейн (1879—1955) – физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист

При этом серьёзные трудности возникли также при попытке использовать выработанные в классической и в релятивистской не квантовой, физике понятия пространства и времени для теоретического описания явлений в микромире.

Так в нерелятивистской квантовой механике оказалось невозможным говорить о траекториях микрочастиц и использовать физические понятия пространства и времени по отношению к теоретическому описанию микрообъектов. С указанными трудностями столкнулись и при попытке экстраполяции макроскопических понятий пространства и времени на микромир в квантовой теории поля.

Однако Альберт Эйнштейн до конца своих дней не оставлял попыток разработки единой теории поля. В своей нобелевской лекции, прочитанной 11 июля 1923 года он рассказал о своих первых попытках построить всеобъемлющую теорию:

«Теперь особенно живо волнует умы проблема единой природы гравитационного и электромагнитного полей. Мысль, стремящаяся к единству теории, не может примириться с существованием двух полей, по своей природе совершенно независимых друг от друга. Поэтому делаются попытки построить такую математически единую теорию поля, в которой гравитационное и электромагнитное поля рассматриваются лишь как различные компоненты одного и того же единого поля, причем его уравнения, по возможности, уже не состоят из логически независимых друг от друга членов».

С целью преодоления указанных трудностей был выдвинут ряд предложений по модификации смысла понятий пространства и времени по его квантованию, изменению сигнатуры метрики, увеличению размеренности, учёт геометродинамики и другие аналогичные теории.

При этом наиболее радикальной попыткой преодоления указанных трудностей релятивистской квантовой теории, является гипотеза о невозможности применения физических понятий пространства и времени к микромиру.

Аналогичные соображения высказываются также в связи с попытками осмысления природы начальной сингулярности в модели расширяющейся горячей Вселенной.

Однако большинство физиков убеждены в универсальности физических пространственно-временных понятий, в то же время признавая необходимость существенного изменения их смысла и наполнением их новым содержанием.

Что же касается вопросов о структуре пространства-времени глубокого микромира или о первых мгновениях Большого взрыва, то по мнению ряда учёных ответы на них будут найдены лишь в физике третьего тысячелетия.

В настоящее время установлено, что все элементарные частицы взаимодействуют между собой за счет четырех типов сил или четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного.

Стандартная модель физики объясняет гравитацию силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет гравитацию искривлением самого пространства-времени и поэтому ее еще называют геометрической теорией тяготения.

Действие каждой из описанных сил можно представить как обмен частицами-квантами данного взаимодействия, при этом сильное взаимодействие осуществляется глюонами, переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны, за электромагнитное взаимодействие отвечают фотоны.

Элементарные частицы стандартной модели: фермионы, состоящие из кварков и лептонов, составляют материю, в то время как калибровочные бозоны опосредуют три взаимодействия, охватываемые стандартной моделью. А обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечает за массы как фермионов, так и W +, W— и Z бозонов.

Стандартная модель элементарных частиц, сведённая в таблицу. Источник – Multinomial classification with neural networks in a search for t¯t-associated Higgs-boson production

Давней мечтой физиков является объединение всех четырех типов физических взаимодействия в одной Общей теории.

Ученые полагают, что при сверхвысоких энергиях все взаимодействия могут между собой объединяются в кратчайший период сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад. Но в последствии все взаимодействия разделились между собой и стали жить самостоятельной жизнью: сначала – гравитация, затем – сильное, а потом уже слабое и электромагнитное взаимодействия.

Так, если три типа физических взаимодействий могут быть описаны квантовой механикой, то Теория относительности, с помощью которой описывается гравитация, строится уже на основе других физических принципов.

Физические законы квантовой механики используются при изучении микромира, а Общая теория относительности применяется к гигантским массам и скоростям во Вселенной. При этом, если в квантовой механике мы можем знать только вероятность того, как будет вести себя тот или иной изучаемый физический объект, то с помощью Общая теория относительности может быть точно предсказано поведение изучаемого физического объекта.

И хотя квантовая механика и ОТО как бы не пересекаются между собой, но в то же время во Вселенной существуют физические объекты, при изучении которых они могут быть одновременно использованы. К таким физическим объектам могут быть отнесены черные дыры, которые одновременно обладают огромной массой и очень малыми размерами.

Поэтому учёные полагают, что переосмысление природы черных дыр явится путём к объединению квантовой механики и Общей теории относительности.