Больше информации на эту тему на сайте http://top-formula.net
ГЛАВА 3.
КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ
3.11 Медленно. А, может, быстро?
В этой книге мы в основном рассматриваем две теории гравитации: “старую”, более-менее привычную общую теорию относительности и новую – квантовую теорию гравитации.
В каком-то смысле квантовая теория гравитации – более дерзкая, с несколько шокирующими результатами. Но шокирующими лишь поначалу, потому что мы по инерции продолжаем рассуждать по-прежнему. Если учёные по двадцать-тридцать лет думали по-старому, рассуждали категориями общей теории относительности, то им, конечно, трудно сразу же, без колебаний поверить в какую-то новую теорию. Её, скорее, легче примут молодые, не отягощённые старыми догмами и сохранившими ещё свежесть восприятия. Вполне возможно, что 95% (а, может, даже и больше) учёных старого поколения откажутся понимать и принимать новую теорию. И не потому, что они найдут ошибки в ней. Тем более что при более пристальном рассмотрении эти ошибки могут оказаться лишь непониманием основ и следствий новой теории. Просто, как правило, для учёных старого поколения дорого то, во что они долго верили и чему, возможно, даже посвятили свою жизнь.
Но наука должна идти вперёд, невзирая на препятствия. Поэтому вернёмся к новой теории и поймём, чем она отличается от ОТО.
Главный вывод квантовой теории гравитации состоит в том, что такие фундаментальные постоянные как скорость света, постоянная Планка и массы элементарных частиц напрямую зависят от величины гравитационного потенциала, создаваемого всей материей Вселенной. Вблизи тяжёлого тела скорость света возрастает, значение постоянной Планка уменьшается, массы частиц также уменьшаются.
В основе общей теории относительности лежит совсем другое представление: вблизи массивного тела время замедляется, и именно это причина многих явлений. Например, фотоны, испускаемые Солнцем, приходят на Землю с более низкой частотой, “покрасневшими”. ОТО объясняет этот феномен так. Время на Солнце течёт медленнее, чем на Земле. Поэтому мы и видим фотоны покрасневшими. Но понижение частоты не произошло по дороге, пока фотон летел от Солнца к нашей планете. Этот феномен результат того, что время на Солнце и на Земле течёт по-разному. Вспомним, что частота фотона в общей теории относительности – постоянная величина и не изменяется при движении частицы. Это означает, что энергия фотона тоже не изменяется при движении в гравитационном поле. Получается, когда фотон, преодолевая гравитационное притяжение, вылетает из поля тяготения Солнца, его энергия не изменяется!
Квантовая теория гравитации объясняет это явление иначе. Частоты излучения атомов на Солнце не ниже, а выше, чем на Земле. Это есть следствие того, что физические процессы на Солнце протекают быстрее, чем на Земле. Но по дороге, пока фотон пролетает большое расстояние, его частота понижается. Это происходит потому, что по мере удаления от Солнца квантовая частица теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения. Это и приводит к тому, что фотоны прилетают к нам от Солнца покрасневшими.
В шестидесятых годах прошлого века проводился такой эксперимент. Внизу башни возбуждённые ядра железа испускали вверх фотоны. На вершине башни с помощью таких же ядер (используя эффект Мёссбауера) ловили эти фотоны. В результате было обнаружено, что на вершину башни фотоны приходили более “красными”, то есть с меньшей частотой. Частоты частиц, испущенных внизу, и частоты частиц, зарегистрированных наверху, были разными. Частота испущенных фотонов была выше, чем частота пойманных наверху. Такой результат сторонники общей теории относительности объясняли однозначно: внизу башни время течёт медленнее, чем наверху. Из-за этого и происходит красное смещение.
Чтобы лучше понять, как рассуждали учёные, объясняя эксперимент с фотонами, рассмотрим другой эксперимент.
Пусть внизу башни стоит человек с колоколом. Его задача – бить в колокол каждые шесть минут. То есть, за один час звонарь должен ударить десять раз. А на вершине башни стоит другой человек, его задача – принимать звуковые сигналы, посланные снизу.
Прошёл один час. Звонарь ударил в колокол положенные десять раз. Однако наблюдатель наверху услышал всего девять ударов. Какой вывод он может сделать из этого? Что часы у звонаря идут медленнее, чем его: время внизу башни течёт медленнее, чем наверху.
А теперь предположим, что внизу башни находится не колокол, а звуковая мембрана, которая колеблется, согласно часам в нижней части башни, с частотой 10 кГц, или десять тысяч колебаний в секунду. А наблюдатель наверху слышит эти звуковые колебания с частотой, допустим, 9 кГц (по своим часам). Какой он делает вывод отсюда? Что часы внизу идут медленнее, чем у него.
Аналогично рассуждали и учёные, проводя эксперимент с фотонами. Ведь фотоны – это электромагнитные волны. А раз они приходят покрасневшими, значит, время внизу течёт медленнее, чем наверху.
Но можно ли так рассуждать? Можно ли считать, что фотоны подобны звуковым волнам, и делать те выводы, которые они сделали?
Такие выводы делать нельзя. Имея дело с фотонами, нельзя забывать о том, что они также и частицы. Фотоны – и волны, и частицы. Когда экспериментатор наверху ловит фотон, он это делает с помощью детектора. При движении снизу вверх фотон теряет свою энергию, поэтому его частота уменьшается, что и показывает прибор.
При объяснении результатов эксперимента была допущена ошибка. Чтобы сделать какие-то выводы о скорости течения времени внизу и наверху, нужно провести “более однозначные”, очевидные эксперименты. Гораздо проще было бы использовать вместо фотонов сверхточные часы. Конечно, в шестидесятые годы ещё их не было, поэтому не было и возможности провести такой эксперимент.
Но зачем, спросите вы, нужна сверхточность часов? Дело в том, что если скорость времени и зависит от высоты (то есть от величины гравитационного поля), то эта разность в скорости времени наверху и внизу настолько мала, что далеко не каждые часы смогут её почувствовать. Для этого нужны сверхточные приборы. Сегодня такие часы есть. И, конечно, имеет смысл провести эксперимент по определению зависимости скорости времени от высоты (от величины гравитационного потенциала), но уже на более высоком уровне.
Итак, главное отличие квантовой теории гравитации от общей теории относительности в следующем. В ОТО время вблизи большой массы течёт медленнее. Значит, все физические процессы замедляются, скорость света уменьшается. А в КТГ наоборот – скорость света вблизи большой массы увеличивается, все физические процессы протекают быстрее, и время течёт быстрее.
Выводы прямо противоположные. Как же быть? Ведь общая теория относительности проверялась, а квантовая теория гравитации нет. На самом деле, один из самых главных выводов общей теории гравитации как раз и не проверялся. Вернее, как мы уже поняли, проводились косвенные эксперименты, которые подтверждали, что фотон, вылетая из гравитационного поля, краснеет. Но это не прямые эксперименты по измерению скорости времени в гравитационном поле. Более того, как оказалось, красное смещение фотонов можно интерпретировать по-разному. Общая теория относительности объясняет это явление одним способом, квантовая теория гравитации – другим. И пока не понятно, какое из этих объяснений действительно верное. Проводились, правда, ещё эксперименты с часами на самолётах. Но о достоверности их результатов сложно что-либо говорить, слишком много было ошибок (как случайных, так и систематических). По мнению некоторых учёных, фоновые шумы могли быть выше ожидаемого результата в несколько раз.
Самым убедительным должен стать всё-таки эксперимент с использованием неподвижных часов, расположенных на разных высотах, то есть в местах с большим и меньшим значениями гравитационного потенциала. Но до сих пор такой эксперимент не проводился. Одна из причин – не достаточно высокая точность часов. Сейчас такие сверхточные часы есть и хочется надеяться, что этот важный эксперимент будет всё же проведён. Наконец станет ясно, быстрее или медленнее течёт время вблизи тяжёлой массы. Во многом от этого эксперимента будет зависеть, по какому пути продолжится развитие науки.
Если окажется, что верна квантовая теория гравитации, это будет также означать, что время не однородно. Её скорость меняется каждый день и даже каждую секунду! Каждое мгновение не похоже на предыдущее. Каждое следующее мгновение больше предыдущего. Просто это изменение настолько мало, что мы его не чувствуем. А происходит такое постепенное замедление времени из-за расширения Вселенной. Каждую секунду мир увеличивается в объёме. Это приводит к уменьшению плотности материи. А, значит, уменьшению значения гравитационного потенциала, создаваемого всей вселенской материей в любой точке пространства. Это, в свою очередь, приводит к замедлению времени. Каждая следующая секунда длиннее предыдущей. Если бы мы жили миллион или миллиард лет, то смогли бы заметить такое изменение в скорости времени. Но мы не боги. По вселенским масштабам мы живём лишь мгновения. Но и за эти мгновения мы так много успеваем сделать!