Больше информации на эту тему на сайте http://top-formula.net
ГЛАВА 3.
КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ
3.9 Проверка связи
Чтобы теория была действительно верной, она не должна противоречить другим теориям, подтверждённым в многочисленных экспериментах. А противоречат ли друг другу общая теория относительности и квантовая механика?
Может показаться странным, почему вдруг мы решили сравнивать, казалось бы, совершенно разные области физики. Тем более что когда общая теория относительности уже вовсю создавалась, квантовая механика переживала период младенчества. И не все учёные готовы были воспринять эту сложную науку о маленьких частицах. Даже Эйнштейн до конца своей жизни так и не принял её. Он никак не мог смириться с тем, что нельзя точно описать движение мельчайших тел микромира.
Но независимость двух областей физики – кажущаяся. Мир нельзя разделить на изолированные друг от друга части. Нередко выясняется, порой на глубоком уровне, что эти части связаны. И если в чём-то, казалось бы, совершенно разные теории противоречат друг другу, значит, какую-то из них следует пересмотреть.
Согласно общей теории относительности, вблизи тяжёлой массы пространство-время искривляется. И чем тяжелее эта масса, тем сильнее искривлено пространство.
Вспомним ещё раз, что такое “искривление пространства”. Это изменение масштабов времени и расстояний. Выходит, чем сильнее гравитационное поле, тем сильнее изменяются эти масштабы. По общей теории относительности, чем “глубже” в гравитационном поле находятся часы, тем медленнее они идут. А расстояния вблизи большой массы, вроде Солнца, увеличиваются. Если по нашим часам прошла одна секунда, то вблизи сверхтяжёлой звезды, скажем, полсекунды – “парадокс близнецов”, чем-то похожий на аналогичный парадокс специальной теории относительности.
Допустим, один из близнецов остался на Земле, а другой улетел к сверхтяжёлой звезде. Из-за того что они живут в разных гравитационных полях, они состарятся “с разной скоростью”. Человек на Земле повзрослеет на 20 лет, его близнец вблизи звезды – всего на десять лет.
Метровая линейка вблизи звезды станет полуметровой. Получается, и расстояния вблизи этой звезды, измеренные такой уменьшенной линейкой, возрастут. Выводы, конечно, интересные, но какая здесь связь с квантовой механикой?
А связь очень даже естественная. В современной физике эталоны времени и длины определяют через квантовые процессы. Как создают секунду? Атомы цезия переводят в возбуждённое состояние. Напомним, что при возбуждённом состоянии атома один или несколько электронов находятся не на обычных для них орбитах, а на более высоких, то есть дальше от ядра. Возбуждённое состояние – это состояние с большей энергией.
Так вот, атомы цезия переводят в возбуждённое состояние. Затем они возвращаются в обычное, излучая избыток энергии в виде фотонов. Причём здесь секунда, спросите вы. Дело в том, что испущенные фотоны колеблются. За одно колебание максимум интенсивности этих частиц (максимум их количества) сменяется на минимум (минимум количества фотонов), а минимум снова превращается в максимум. Это и есть период колебаний фотонов. А время, в течение которого они колеблются 9 192 631 770 раз, как раз и принято считать одной секундой. Так происходит самое точное “производство” времени. Это принцип работы атомных часов. Другие часы, которые используют иные механизмы, гораздо менее точные.
По общей теории относительности, время вблизи тяжёлого объекта замедляется. Значит, периоды колебаний фотонов, испускаемых атомом цезия, увеличиваются, а частоты излучения, наоборот, уменьшаются. С другой стороны, в общей теории относительности такие фундаментальные постоянные, как скорость света, постоянная Планка, массы элементарных частиц, заряд электрона не изменяются вблизи большой массы. А в квантовой механике частота излучения атома полностью определяется этими фундаментальными постоянными. Получается, если фундаментальные постоянные не изменяются, то не изменяются и частоты излучения атомов. Но согласно общей теории относительности, частоты излучения атомов изменяются при “фиксированных” фундаментальных постоянных. Вот где противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой! В какую-то из этих двух теорий закралась ошибка.
В общей теории относительности время – самостоятельная величина, независимая от каких-либо процессов. Хотя время и определяется через конкретный процесс – период излучения в определенной спектральной линии атома цезия (вместо цезия можно взять другой атом, но цезий удобен по техническим причинам).
Расстояние, как и время, в общей теории относительности также считается самостоятельной величиной, не зависящей от процессов. Хотя в современной физике расстояние в один метр определяется как расстояние, которое проходит плоская электромагнитная волна (распространяющаяся со скоростью света) за 1/299 792 458 долю секунды. Получается, эталон длины определяется через эталон времени и скорость света. Чтобы идти “в ногу с современностью”, общая теория относительности не должна рассматривать время и расстояния отдельно от физических процессов, а, наоборот, связать их с фундаментальными физическими процессами, происходящими, например, в атоме.
Так как общая теория относительности была создана чуть раньше квантовой механики, то это в какой-то степени оправдывает тот факт, что время и расстояние в ней рассматриваются как величины независимые от процессов в микромире. Но сегодня, когда субатомный мир изучен достаточно хорошо, никак нельзя считать время и расстояние самостоятельными величинами.