Янчилин Василий Леонидович

Неопределённость, гравитация, космос. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 248 с.

ISBN 5-354-00379-2

Рецензент - профессор МГУ С. Э. Шноль

© В. Л. Янчилин, 2003

Предисловие к фрагментам из книги «Неопределенность, Гравитация, Космос»

В конце девятнадцатого века австрийский физик Эрнст Мах выдвинул гипотезу, что огромные массы Вселенной существенно влияют на движение тел в земной лаборатории. И на протяжении двадцатого века было сделано немало попыток построить на ее основе физическую теорию. Но все эти попытки остались безрезультатными.

Я думаю, что мне удалось построить теорию, включающую в себя гипотезу Маха. Так это или нет, читатель сможет решить, прочитав фрагменты из книги «Неопределенность, Гравитация, Космос» (Предисловие, главы 1 – 4; 7, 8, Заключение).

Наше пространство можно сравнить с экраном монитора. На мониторе высокого качества различимы линии на расстоянии долей миллиметра. В то время как на плохом мониторе такие линии “размываются” в одну. Наше пространство – это “монитор” высочайшего класса. Но всё же оно не идеально. На малых расстояниях (порядка размера атома) траектории движения частиц размазываются. Вследствие этого электрон (который является неделимой частицей) может пройти через два близко расположенных отверстия одновременно! Именно поэтому микромир называют странным.

Качество монитора определяется работой фокусирующих систем, направляющих пучки электронов на экран. В пространстве роль таких систем играют звёзды и галактики, заполняющие нашу Вселенную. Воздействуя своей огромной массой на элементарные частицы, звёзды и галактики ограничивают неопределённость и произвол в их движении. И благодаря этому протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит всё (в том числе и мы с вами), не размазываются по пространству, как по экрану плохого монитора.

Эффект гравитации – это исключительно квантовый эффект: большая масса ограничивает неопределённость в движении частицы и в результате притягивает её.

Оглавление книги «Неопределённость, Гравитация, Космос»

Предисловие рецензента


От редактора


Три проблемы фундаментальной физики

Проблема 1. Принцип Маха

Проблема 2. Корпускулярно-волновой дуализм

Проблема 3. Гравитация и квантовая механика


Глава 1. Гравитация и современная физика


§ 1.1 Тяготение

§ 1.2 Гравитационный потенциал Вселенной

§ 1.3 Однородность гравитационного потенциала

§ 1.4 Особенности гравитации

§ 1.5 Закон инерции

§ 1.6 Принцип Маха

§ 1.7 Специальная теория относительности

§ 1.8 Масса и энергия

§ 1.9 Общая теория относительности

§ 1.10 Квантовая механика

§ 1.11 Фундаментальные постоянные

§ 1.12 Вопросы современной физики


Глава 2. Построение Новой теории


§ 2.1 Постановка задачи

§ 2.2  Эксперимент за пределами Вселенной

§ 2.3 Виртуальный кирпич

§ 2.4  Набросок новой картины Мира

§ 2.5 Необходимое замечание

§ 2.6 Новый закон природы

§ 2.7 Постоянство скорости света

§ 2.8 Экспериментальная проверка Нового закона

§ 2.9 Постоянная тонкой структуры

§ 2.10 Постоянная Планка в гравитационном поле


Глава 3. Основы Новой теории


§ 3.1 Новая модель пространства-времени

§ 3.2 Инерция и гравитация

§ 3.3 Формула Эйнштейна

§ 3.4 Масса в гравитационном поле

§ 3.5 Чему равна потенциальная энергия?

§ 3.6 Масса элементарной частицы

§ 3.7 Современная физика и принцип Маха

§ 3.8 Резюме


Глава 4. Новая интерпретация общей теории относительности


§ 4.1 Основы общей теории относительности
§ 4.2 Кривизна пространства-времени
§ 4.3 Расстояние и время
§ 4.4 Релятивистские гравитационные эффекты
1. Движение перигелия Меркурия
2. Гравитационное смещение спектральных линий
3. Отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца
4. Эффект Шапиро
5. Замедление времени
§ 4.5 Границы общей теории относительности
§ 4.6 Принцип эквивалентности
§ 4.7 Отклонение световых лучей
§ 4.8 Распространение электромагнитных волн
§ 4.9 Показатель преломления
§ 4.10 Смещение спектральных линий
§ 4.11 Чёрные дыры
§ 4.12 Задержка радиосигнала

Глава 5. Парадоксы квантовой механики

§ 5.1 История квантовой механики
§ 5.2 Волновая Ψ-функция
§ 5.3 Две интерпретации квантовой механики
§ 5.4 Интерференция электронов
§ 5.5 Спор Эйнштейна и Бора
§ 5.6 Виртуальные фотоны
§ 5.7 Квантовая механика и здравый смысл
1. Закономерность и случайность: вероятностный характер квантово-механических законов
2. Определённость и неопределённость
3. Корпускулярно-волновой дуализм
4. Нелокальность квантовой механики

Глава 6. Новая интерпретация квантовой механики

§ 6.1 Хаос - граница пространства и времени
§ 6.2 Дискретное движение
1. Хаотическое движение
2. Непрерывное движение
§ 6.3 Соотношение неопределённостей
§ 6.4 Модель электрона
§ 6.5 Редукция волновой Ψ-функции
§ 6.6 Расщепление волнового пакета
§ 6.7 Нелокальность квантовой механики
§ 6.8 Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
§ 6.9 Почему время необратимо?
§ 6.10 Корпускулярно - волновой дуализм

Глава 7. Квантовая теория гравитации



§ 7.1 Главный недостаток общей теории относительности с точки зрения квантовой механики
§ 7.2 Что означает “квантовая теория гравитации”?
§ 7.3 Механизм Всемирного тяготения
§ 7.4 Принцип наименьшего действия
§ 7.5 Уравнение движения в квантовой теории гравитации
§ 7.6 Закон тяготения Ньютона
§ 7.7 Теория тяготения Эйнштейна
§ 7.8 Отличие квантовой теории гравитации от общей теории относительности
§ 7.9 Гравитационные аномалии
§ 7.10 Атом в гравитационном поле
§ 7.11 Преимущества квантовой теории гравитации

Глава 8. Время и Гравитация

§ 8.1 Пространственно-временной масштаб
§ 8.2 Неоднородность времени
§ 8.3 Эксперимент по проверке квантовой теории гравитации
§ 8.4 Эксперименты с движущимися часами
§ 8.5 Фотоны в гравитационном поле
§ 8.6 Время и общая теория относительности
§ 8.7 Частица в гравитационном поле
§ 8.8 Физический смысл интервала
§ 8.9 Как расставить пределы интегрирования в уравнении движения?
§ 8.10 Две интерпретации красного смещения
§ 8.11 Новая интерпретация красного смещения
§ 8.12 Скорость времени

Глава 9. Проблемы современной космологии

§ 9.1 Измерение расстояний
1 Тригонометрический параллакс
2 Метод движущегося скопления
3 Цефеиды
4 Закон Хаббла
5 Сверхновые звёзды
§ 9.2 Расширение Вселенной
§ 9.3 Λ-член

§ 9.4 Скрытая масса

§ 9.5 Возраст Вселенной

§ 9.6 Барионная асимметрия Вселенной

§ 9.7 Квазары

§ 9.8 Ускорение галактик

§ 9.9 Инфляция


Глава 10. Космология и квантовая теория гравитации


§ 10.1 Эволюция Вселенной

1 Скорость света и постоянная Планка

2 Масса Вселенной

3 Энергия Вселенной

4 Вселенная замкнута

5 Элементарные частицы

6 Вещество и излучение

§ 10.2 Куда исчезло антивещество?

§ 10.3 Источник энергии квазаров

§ 10.4 Происхождение радиоактивных элементов

§ 10.5 Плотность материи во Вселенной

§ 10.6 Космологическое красное смещение

§ 10.7 Постоянная Хаббла

§ 10.8 Физический вакуум

§ 10.9 Масса и размеры Вселенной

§ 10.10 Эксперимент по измерению скорости расширения Вселенной

§ 10.11 Экспериментальная астрофизика

1 Скорость расширения Вселенной

2 Поиски чёрных дыр

3 Плотность Вселенной


Глава 11. Эксперименты с часами в гравитационном поле


§ 11.1 Предисловие

§ 11.2 Создание и хранение времени

§ 11.3 Global Positioning System и общая теория относительности

§ 11.4 Недостающее звено в интерпретации красного смещения

§ 11.5 Две частоты электромагнитной волны

§ 11.6 Отличие квантовой частоты от классической

§ 11.7 Трудности проведения экспериментов с часами

§ 11.8 Выводы


Глава 12. Критический обзор общей теории относительности


§ 12.1 Принцип общековариантности

§ 12.2 Безосновательность принципа эквивалентности

§ 12.3 Основные принципы физики

§ 12.4 Максимум интервала в специальной теории относительности

§ 12.5 Максимум интервала в гравитационном поле

§ 12.6 Ошибки при запуске космических кораблей

§ 12.7 Искривление или сжатие?

§ 12.8 Когда говорится, что общая теория относительности подтверждена экспериментально, то что имеется в виду?

§ 12.9 Атом и проблемы с энергией

§ 12.10 Основные ошибки, содержащиеся в общей теории относительности


Приложение


Глава 13. Возражения, высказанные против квантовой теории гравитации, и ответы на них


Глава 14. Вопросы, возникшие при знакомстве с квантовой теорией гравитации, и ответы на них


Хаос и Время


Список литературы



Три проблемы фундаментальной физики

(Предисловие)


Для того чтобы лучше понять, о чём пойдёт речь в книге, давайте ознакомимся с тремя очень интересными и нерешёнными проблемами фундаментальной физики.



Проблема 1. Принцип Маха


Ещё Ньютон обратил внимание на тот факт, что существует два вида движений: относительное и абсолютное. Прямолинейное движение тела является относительным движением, а вращательное – абсолютным. Мы не сможем сказать, с какой скоростью мы движемся (например, с какой скоростью движется планета Земля), если не укажем другое тело, относительно которого будем рассматривать наше движение. Но мы всегда сможем узнать, с какой скоростью мы вращаемся (например, с какой скоростью вращается Земля). Это возможно потому, что во вращающемся теле возникают центробежные силы, которые деформируют тело. По величине центробежных сил или по вызванной ими деформации всегда можно определить скорость вращения тела.

При этом возникает вопрос: а относительно чего, собственно говоря, тело вращается?

В конце девятнадцатого века австрийский физик Эрнст Мах выдвинул интересную гипотезу (названную впоследствии принципом Маха): тело вращается относительно неподвижных звёзд. И вследствие какой-то пока невыясненной связи между огромной массой звёзд и вращающимся телом и возникают центробежные силы. Но как проверить такое предположение? Вот что писал об этом, например, такой известный физик, как Ричард Фейнман: “В настоящее время у нас нет способа узнать, существовала бы центробежная сила, если бы не было звёзд и туманностей. Не в наших силах сделать такой эксперимент – убрать все туманности, а затем измерить наше вращение; значит, тут мы ничего сказать не можем” [7,с.286]. В 1979 году в Берлине состоялась международная научная конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения Альберта Эйнштейна. На ней обсуждались наиболее фундаментальные проблемы современной физики. В том числе говорилось и об отношении принципа Маха к общей теории относительности. Вот несколько строк из резюме по данному вопросу: “Известно, что Эйнштейн не только принимал этот неортодоксальный принцип и восхищался им, но и надеялся привести свою теорию в согласие с системой идей Маха. Эйнштейн пытался всеми возможными средствами включить общую теорию относительности в принцип Маха, или наоборот. Поэтому он видоизменил первую классическую формулировку общей теории относительности. В этом направлении и по сей день предпринимаются попытки, – неустанно, порой с обескураживающими результатами, часто с помощью весьма остроумных манипуляций, – достичь цели, к которой стремился Эйнштейн” [15;с.293].

И всё-таки проблему, связанную с принципом Маха, можно решить! Но для этого нужно проделать следующее.

Во-первых, раскрыть его физическое содержание (которое пока не ясно). Во-вторых, построить новую физическую теорию, которая содержала бы в себе, кроме известных физических законов, также и принцип Маха. До настоящего времени такой теории не было. В-третьих, рассчитать (а значит, и предсказать) принципиально новые следствия, которые вытекают из новой теории и которые можно экспериментально проверить в земных условиях (естественно, не трогая неподвижные звёзды). И в результате определить, верен или нет принцип Маха.



Проблема 2. Корпускулярно-волновой дуализм



В физике существуют такие понятия как частица и волна. Эти понятия – антагонисты. Свойства частицы и свойства волны взаимоисключают друг друга. Тем не менее, квантовые объекты ведут себя то как волны, а то как частицы. Например, электрон, с одной стороны (то есть при одних условиях проведения эксперимента), является частицей. Более того, неделимой частицей. Никто никогда не наблюдал, скажем, пол-электрона или какую-либо его часть. Но, с другой стороны (то есть при других условиях проведения эксперимента), электрон запросто может пройти сразу через два (и более) отверстия! Тот, кто этого ещё не знает, скорее всего, в это не поверит. Ничего удивительного! В своё время такой выдающийся физик как Альберт Эйнштейн (который, кстати, очень много сделал для создания квантовой механики) так и не принял до конца квантовую механику. Он считал, что физическая теория не должна так радикально расходиться со здравым смыслом.

В настоящее время волновая природа электрона – хорошо проверенный экспериментальный факт. Желающие прочитать чёткий и ясный рассказ об этом могут обратиться к Фейнмановским лекциям по физике. Нужно отметить, что квантовая механика прекрасно описывает “странное” поведение квантовых объектов. Но описать – не означает объяснить. До сих пор никто не знает, откуда в микромире взялась неопределённость, и как неделимый электрон ухитряется пройти через два отверстия одновременно. Вот что писал о таком “странном” поведении квантовых объектов Ричард Фейнман: “Но мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает” [11;с.117].


Проблема 3. Гравитация и квантовая механика


Всё, что существует в природе, притягивается друг к другу. С другой стороны, всё, что существует в природе, подчиняется законам квантовой механики, в основе которой лежит принцип неопределённости. Благодаря этому принципу каждая частица обладает волновыми свойствами. Но в современной теории гравитации – теории тяготения Эйнштейна (впрочем, как и в теории тяготения Ньютона) – нисколько не учитывается этот фундаментальный принцип, то есть совсем не учитывается то, что частицы обладают волновыми свойствами. Поэтому естественным образом возникает следующий вопрос. Можно ли объединить теорию гравитации и квантовую механику таким образом, чтобы при гравитационном взаимодействии учитывались волновые свойства частиц? На сегодняшний день такой квантовой теории гравитации не существует.


Как будет видно в дальнейшем, все эти три проблемы связаны между собой. И когда нам удастся понять физический смысл принципа Маха, мы поймём, откуда взялась неопределённость в микромире. А, поняв причину происхождения неопределённости в микромире, мы поймём, почему тела притягиваются друг к другу. Решению этих проблем и посвящена эта книга. Забегая вперёд, можно сказать, что, оказывается, в основе гравитационного взаимодействия лежит принцип неопределённости, то есть гравитация – это исключительно квантовый эффект!


Хаос и Время

(Заключение)


Мы рассмотрели такие явления, как неопределённость в микромире и гравитация. Как выяснилось, неопределённость и гравитация – это две стороны одного и того же явления: большая масса ограничивает неопределённость в движении частицы и, как результат, притягивает её. Поэтому новая теория гравитации является по своей сути квантовой теорией гравитации.

Основная физическая идея, лежащая в основе Новой теории – это идея о существовании Хаоса за пределами гравитационного поля Вселенной. С новой точки зрения время и пространство, в котором мы живём, существуют только внутри Вселенной и только благодаря огромным массам, заполняющим Вселенную. Наша Вселенная – это остров, окружённый Хаосом.

Мы привыкли к пространству и времени и воспринимаем их как основу нашего мира, существующую независимо от материальных тел. Но это не так. Если бы во Вселенной не было огромных масс, то пространство и время разрушились бы в Хаос. Представить Хаос трудно, но всё же можно. Это неопределённость, наблюдаемая в микромире, которая увеличена до размеров Вселенной.

С новой точки зрения Космос – это равновесие и гармония между неопределённостью, которая есть результат влияния Хаоса, и Порядком, который возникает благодаря гравитационному взаимодействию, пронизывающему всю Вселенную.

Для того чтобы экспериментально убедиться в существовании Хаоса достаточно взять высокоточные атомные часы и установить их на разных этажах здания. Длительность одной секунды, создаваемой атомными часами, обратно пропорциональна частоте излучения атома. Часы, находящиеся на нижнем этаже, расположены ближе к Земле. Земля, также как и остальные массы Вселенной, участвует в гравитационном взаимодействии и ограничивает Хаос. Поэтому неопределённость в движении элементарных частиц, из которых состоят нижние часы, будет меньше. Следовательно, частота излучения атомов, находящихся в нижних часах будет выше, так как частота излучения атомов обратно пропорциональна величине постоянной Планка в третьей степени. Поэтому продолжительность одной секунды, создаваемой нижними часами, будет короче, чем продолжительность одной секунды, создаваемой верхними часами.

Таким образом, если Хаос существует, то нижние часы будут идти быстрее верхних, вопреки общей теории относительности. С точки зрения общей теории относительности быстрее должны идти верхние часы.

Эксперимент с неподвижными часами в гравитационном поле, вероятно, будет осуществлён уже в ближайшее время. И очень важно отметить, что квантовая теория гравитации предсказывает ускорение хода атомных часов вблизи большой массы, в то время как почти все убеждены в обратном.



Список литературы


  1. Эйнштейн А. Собрание научных трудов т. 1. М.: Наука, 1965

  2. Эйнштейн А. Собрание научных трудов т. 3. М.: Наука, 1966

  3. Бор Н. Избранные научные труды т.2. М.: Наука, 1971

  4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.: Наука, 1988

  5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1988

  6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Наука, 1989

  7. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике т.1,2. М.: Мир, 1977

  8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике т.3,4. М.: Мир, 1977

  9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике т.6. М.: Мир, 1977

  10. Фейнман Р., Мориниго Ф., Вагнер У. Фейнмановские лекции по гравитации. М.: Янус-К, 2000

  11. Фейнман Р. Характер физических законов. М.: Наука, 1987

  12. Киттель Ч., Найт В., Рудерман М. Берклеевский курс физики т. 1, Механика. М.: Наука, 1983

  13. Вихман Э. Берклеевский курс физики т.4, Квантовая физика. М.: Наука,1977

  14. Акоста В., Кован К., Грем Б. Основы современной физики. М.: Просвещение, 1981

  15. Проблемы физики: Классика и современность. М.: Мир, 1982

  16. Сборник: Эйнштейн и современная физика. М. 1956

  17. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. М.: Гостехиздат, 1955

  18. Физическая Энциклопедия в 5-и томах. М. 1988-1998

  19. Большая Советская Энциклопедия т.15. М.: «Советская энциклопедия», 1974, с.519

  20. Альтшулер Б. Л. Принцип Маха и современные представления о структуре вакуума // Сборник: Исследования по истории физике и механике 1993-1994 г. М.: Наука, 1997, с.60

  21. Hawking S. W. On the rotation of the Universe // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 1969, Vol. 142, № 2, p. 129-141

  22. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. М.: Наука, 1977

  23. Albrecht A., Magueijo J. (Time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles). Physical Review D 59 043516 (1999)

  24. Barrow J. (Cosmologies with varying light speed). Physical Review D 59 043515 (1999)

  25. Дирак П. Воспоминания о необычайной эпохе. М.: Наука, 1990

  26. Дикке Р. Гравитация и Вселенная. М.: Мир, 1972

  27. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация (в 3-х т.) М.: Мир, 1977

  28. Хунд Ф. История квантовой теории. Киев, 1980

  29. Клайн Б. В поисках. М.: Атомиздат, 1971

  30. Шимони А. (Реальность квантового мира). В мире науки № 3, 1988

  31. Хорган Дж. (Квантовая философия). В мире науки № 9-10, 1992

  32. Борн М. Размышления и воспоминания физика. М.: Мир, 1977

  33. Миттон С. Исследование галактик. М.: Мир, 1980

  34. Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1988

  35. Shapiro J. J. Phys. Rev. 119, 1743 (1960)

  36. Вейнберг С. Гравитация и космология. Волгоград: Платон, 2000

  37. Riess A. G. et al. Astron. J. 116, 1009 (1998)

  38. Perlmutter S. et al. Astrophys. J. 517, 565 (1999)

  39. Чернин А. Д. УФН т.171 11, с.1154 (2001)

  40. УФН т.170 № 4, с.446 (2000)

  41. УФН т.170 № 6, с.680 (2000)

  42. Фридман В. (Скорость расширения и размеры Вселенной) В мире науки № 1, 1993

  43. УФН т.171 № 8, с. 859-866 (2001)

  44. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976

  45. УФН т.167 № 7, с.796 (1999)

  46. УФН т.169 № 10, с.1148 (1999)

  47. УФН т.171 № 3, с.306 (2001)

  48. Phys. Rev. D 63 043007 (2001)

  49. Паули В. Теория относительности. М.: Наука, 1983

  50. Астрофизика, кванты и теория относительности. М.: Мир, 1982

  51. УФН т.169 № 8, с.916 (1999)

  52. Менский М. Б. УФН т.170 № 6, с.634 (2000)

  53. Aspect A. Nature (London) 390 189 (1999)

  54. Tittel W. et al. Europhys. Lett. 40 595 (1997)

  55. УФН т.169 № 1, с.48 (1999)

  56. УФН т.168 № 10, с.1128 (1998)

  57. Physics News Update, Number 391 http://www.hep.net/documents/newsletters/pnu/pnu.html#RECENT

  1. Pound R., Rebka G. Phys. Rev. Lett. 4 337 (1960); 4 275 (1960); 3 439 (1959)

  2. Pound R., Snider J. Phys. Rev. B 140 788 (1965); Phys. Lett. 13 539 (1964)

  3. Паунд Р. УФН т.72 с.673 (1960)

  4. Окороков В. В. “О противоречивости экспериментов, подтверждающих некото-рые выводы общей теории относительности”. Доклады Академии Наук (Физика) т.378, № 5, с.617-619 (2001)

  5. Окунь Л. Б., Селиванов К. Г., Телегди В. Л. “Гравитация, фотоны, часы”. УФН т.169, № 10, с.1141-1147 (1999)

  6. Okun L. B. “A Thought Experiment with Clocks in Static Gravity” Modern Physics Letters A, vol. 15, No. 32, 2007-2009 (2000)

  7. Уилл К. Теория и эксперимент в гравитационной физике. М., 1985

  8. http://www.vniiftri.ru/index.htmlp

  9. http://www.vniiftri.ru/standards/stand101.htmlp

  10. http://www.vremyamn.ru/cgi-bin/2000/854/12/2

  11. http://www.uni-konstanz.de/quantum-optics/qmet/cores/currentstatus.pdf

  12. Окунь Л. Б. “Понятие массы” УФН т.158, с. 512 (1989)

  13. Окунь Л. Б. УФН т.170, № 12, с.1366 (2000)

  14. Haefele J., Keating R. Science 117 168, 170 (1972); Vessot R., Levine M. Gen. Rel. Grav. 10 181 (1979); Alley C. et al., in Experimental Gravitation, Proc. Of the Conf. at Pavia (Ed. B. Bertotti) New York: Academic Press, September 1976

  15. http://xxx.lanl.gov astro-ph/9704196

  1. Борн М. Физика в жизни моего поколения. М., 1963

  2. http://www.livingreviews.org/Articles/index.html

  3. УФН т.167 № 6, с.688 (1997)

  4. Astrophys. J. Lett. 568 L75 (2000); http://cfa-www.harvard.edu/apjl/

  5. Nature 417 923 (2002)