ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА

3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.

3.1. Пространственно-временные представления

квантовой механики.

Создание Эйнштейном специальной теории относительности не

исчерпывает возможности взаимодействия механики и

электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было

выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных

данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это

повлекло за собой рождение квантовой механики. Она положила

начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию

микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию

процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.

В конце XIX века физики начали исследовать, как

распределяется излучение по всему спектру частот. В тот период

физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи

энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить

эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но это не привело к успеху. Попытка решить проблему с позиции

термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и

эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с

помощью интерполяции:

8 h

------v

c

р = ------------- , где

hv

 exp(--) - 1

kT

v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная

Больцмана.

Полученная Планком формула была очень содержательной,

кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h,

которую Планк назвал элементарным квантом действия.

Справедливость формулы Планка достигалась очень странным

для классической физики предположением: процесс излучения и

поглощения энергии является дискретным.

C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло

представление о карпускулярно - волновом дуализме. Реальная

природа света может быть представлена как диалектическое

единство волны и частиц.

Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было

предложено множество противоречащих друг другу моделей. Выход был найден Н. Бором путём синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с

этим удалось справиться с помощь принципа соответствия Бора.

Этот принцип сводится к тому, что при описании любой

микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией, применяемой в макромире.

Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де

Бройля.  Он выяснил, что не только световые волны обладают

дискретной структурой, но и элементарным частицам материи

присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема

создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929

году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое

уравнение, носящее его имя.

Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения

Шредингера. Он показал, что это уравнение описывает амплитуду

вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана

квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на

соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше

неопределённость пространственной координаты, тем меньше

неопределённость значения импульса частицы. Аналогичное

соотношение имеет место для времени и энергии частицы.

Таким образом, в квантовой механике была найдена

принципиальная граница применимости классических физических

представлений к атомным явлениям и процессам.

В квантовой физике была поставлена важная проблема о

необходимости пересмотра пространственных представлений

лапласовского детерминизма классической физики. Они оказались

лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределённости в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h.

Квантовая механика была положена в основу бурно

развивающейся физики элементарных частиц, количество которых

достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не

создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных

частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё

большими трудностями. Оказалось, что микромир является

многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют

специфические виды взаимодействий и специфические свойства

пространственно - временных отношений. Область доступных в

эксперименте микроскопических интервалов условно делится на

четыре уровня: 1) уровень молекулярно - атомных явлений, 2)

уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,

3) уровень элементарных частиц, 4) уровень ультрамалых

масштабов, где пространственно - временные отношения

оказываюстя несколько иными, чем в классической физике

макромира. В этой области по-иному следует понимать природу

пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамике вакуум является сложной

системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов,

электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне

вакуум рассматривают как особый вид материи - как поле в

состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая

электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и

время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота"

- это одно из состояний материи.

Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц. Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но так как эти частицы летят во всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем.

В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц нарушается, движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания в вакууме начинают себя проявлять [4].

В физике микромира по одной из систематик на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на 3 класса: I класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, II - электрон и нейтрино, III класс - андроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезон - частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов [4].

Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты.

Во всяком случае современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.

Согласно одной из гипотез Вселенная, выйдя из исходного состояния, поначалу была вообще пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума.

Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 10⁵⁶ г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик [4].

Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы называем Вселенной. Физика микромира проникла в область явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10^-15 см, астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 10²⁸ см. Но какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. В то же время мы сами, как и все окружающие нас объекты, являемся частью мегакосмоса.

В работе "Относительность и проблема пространства"

Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия

пространства в общей теории относительности. Согласно этой

теории пространство не существует отдельно, как нечто

противоположное "тому, что заполняет пространство" и что

зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство

без поля не существует. Пространство-время существует не само

по себе, а только как структурное свойство поля".

Для общей теории относительности до сих пор актуальной

является проблема перехода от теоретических к физическим

наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три

общелелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены

конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было

педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их

прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект

красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей

теории относительности: геометризацию гравитации и

релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее

развитие пространственно-временных представлений современной

физики.

Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути

создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля

предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской

геометрии. Однако данное направление не привело к успеху. Были

попытки ввести пространства более высокой размерности. чем

четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана:

Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын -

бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не удавалось.

На пути пересмотра евклидовой топологии пространства -

времени строится современная единая теория поля - квантовая

геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теории обобщение

представлений о пространстве достигает очень высокой степени и

вводится понятие суперпространства, как арены действия

геометродинамики. При таком подходе каждому взаимодействию

соответствует своя геометрия, и единство этих теорий

заключается в существовании общего принципа, по которому

порожнаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие пространства.

Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается

квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещё

более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные

частицы в их единстве и гармонии.

Доэйнштейновские представления о Вселенной можно

охарактеризовать следующим образом: Вселенная бесконечна и

однородна в пространстве и стационарна во времени. Они были

заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство

и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель

казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые

попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам.

Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых

фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких положений в классической космологии четыре: стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории

относительности, связана с ревизией всех фундаментальных

положений классической космологии. Общая теория относительности

отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного

пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.

Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к

признанию её однородности. На основе этого постулата в

релятивистскую космологию вводится понятие мирового

пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и

время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и

изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую

кривизну. В применении к неевклидову пространству условия

однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и

здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой,

отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные

значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос

конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии

подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства

и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в

релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу -

замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно

является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна

конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако

стационарность вступала в противоречие с общей теорией

относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась

либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это

противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член

с помощью которого во Вселенную вводились новые силы,

пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы

притяжения и отталкивания.

Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со

статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель

была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства

оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная

расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э.

Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось,

что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и

подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L

- расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В связи с этим встают две важные проблемы: проблема

расширения пространства и проблема начала времени. Существует

гипотеза, что так называние "разбегание галактик" - наглядное

обозначение раскрытой космологией нестационарности

пространственной метрики. Таким образом, не  галактики

разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само

пространство.