Что изучает классическая и квантовая физика, и какие в ней выявлены противоречия?
Пространство и время
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.
Чёрные дыры во Вселенной
Черные дыры невозможно наблюдать прямыми методами, как другие астрономические объекты, но факт их существования, подтверждённый множеством косвенных исследований, которые не вызывает сомнения.
Черной дырой называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, в том числе и кванты света.
При этом граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер – гравитационным радиусом. Черные дыры способны притягивать к себе материю, которая образовывает гигантскую быстро вращающуюся структуру вокруг черной дыры, которая именуется аккреционным диском.
Внутрь черной дыры попадает лишь часть материи, остальная отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, при этом у некоторых черных дыр скорость движения на 99% приближается к скорости света.
Изображение черной дыры, на плоскости вращения которой формируется аккреционный диск, а по оси вращения с двух противоположных сторон вырываются в виде плазмы мощные джеты
Согласно общепринятым гипотезам, существует четыре основных типа черных дыр.
К первому типу относится погасшая черная звезда, масса которой составляет не менее трёх солнечных масс.
Ко второму типу относится черная дыра средней величины, увеличивающаяся за счёт поглощения газовых скоплений и отдельных звёзд.
К третьему типу относятся сверхмассивные черные дыры с массой от ста до тысячи солнечных масс, которые находятся в центре Млечного пути и других галактик.
К четвертому типу относятся ультрамассивные черные дыры с массой, которая может в сорок миллиардов раз превосходит солнечную массу. Ученым удалось обнаружить этот объект в ходе наблюдения за движением звёзд в центре галактики Holm 15A.
Большинство ученых сегодня полагает, что черные дыры могут стать новыми окнами в мир физики за пределами теории относительности А. Эйнштейна.
В то же время пока не удаётся объяснить, что находится внутри них и можно ли происходящие в них физические явления описать с помощью математических формул.
И хотя черные дыры, являясь самыми массивными и плотными объектами во Вселенной, могут существовать очень долгое время, но в то же время они не вечны.
Так, согласно теории относительности, во Вселенной могут существовать так называемые точки сингулярности, обладающие бесконечно высокой плотностью и какой угодно массой.
Высказывается и предположение о том, что черные дыры могут являться частичным случаем проявления указанной сингулярности.
При этом данная сингулярность, в соответствии с принципом «космической цензуры» Пенроуза-Хокинга, находится внутри воображаемой сферы, из которой даже свет не сможет выбраться из-за сверхсильного притяжения черной дыры, вследствие чего ее невозможно увидеть.
Как отмечают авторы, исполнение этого принципа крайне важно для физики, так как открытие «голой сингулярности», хотя бы в теоретическом виде, будет означать, что вся современная физическая наука является искажённой и неверной.
В то же время ряд физиков теоретиков высказали мнение, что черные дыры не обязательно должны быть сингулярностью и они могут соединять кротовой норой или туннелем два разных пространства, однако подтверждения или опровержения данной идеи пока не найдено.
Стивен Уильям Хокинг (1942—2018) – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик, писатель, директор по научной работе Центра теоретической космологии Кембриджского университета.
Стивен Хокинг высказал мнение, что на горизонте событий рождается пара виртуальных частиц, одна из которых попадает внутрь чёрной дыры, а другая улетает, унося с собой часть ее массы.
А поскольку пара виртуальных частиц, имеющих противоположные заряды (соответствующие электрону и позитрону) рождаются одновременно, то на основе данной теории Хокинга уместно предположить, что именно позитроны, представляющие из себя антиматерию, в большей степени поглощаются из физического вакуума черной дырой и вступая в аннигиляцию с находящейся в ней материей, приводят к соответствующему уменьшению массы черной дыры.
В то же время другая улетающая от горизонта событий виртуальная частица являющаяся электроном, представляет основу окружающей нас материи и служит строительным материалом для образования межзвёздного газа в галактике, из которого в последствии под действием сил гравитации формируются звёзды.
При этом поглощение черной дырой виртуальных частиц из межзвездного физического вакуума происходит внутри рукавов Галактики, в которых формируются уплотнение скопления водорода, являющегося строительным звездным материалом.
Более подробно об этом написано в книгах: В. И. Жиглов. Теория поглощения антиматерии, Издательские решения, 2017; В. И. Жиглов. Духовные основы теории поглощения антиматерии, Издательские решения, 2017; с которыми можно ознакомиться на ЛитРес.
Следует отметить, что учёные астрономы зафиксировали ранее неизвестное загадочное явление, заключающееся в том, что в самых крайних областях Вселенной с регулярной частотой исчезают галактики.
Чтобы разобраться с причинами столь необычного явления, исследователи космического пространства решили провести анализ полученных данных. Предполагается, что результаты исследования приведут к прорыву в данной области.
Так сравнительно недавно учёные открыли гигантскую галактику в ранней Вселенной, в которой новые звезды прекратили формироваться всего через 1,3 миллиарда лет после Большого взрыва. При этом астрономы поясняют, что ее существование не укладывается в существующие теории, которые описывают смерть галактик и не могут объяснить, что могло послужить причиной данного явления.
Здесь следует высказать предположение, что согласно ранее опубликованной теории поглощения антиматерии, причиной прекращения формирования новых звёзд в указанной галактике могло произойти из-за резкого прекращения притока свежих звездных «стройматериалов» из межгалактической среды, вследствие прекращения существования массивной черной дыры, находящейся в центре этой галактики.
Но можно ли визуально зафиксировать исчезновения массивной черной дыры в центре указанной галактики? Очевидно это можно сделать по изменению звездных орбит, находящихся рядом с центральной частью данной галактики, а также с возможным замедлением скорости вращения этой галактики в результате прекращения действия всасывающейся воронки, образуемой вокруг черной дыры.
Хавьер Ольмедо с соавторами на основе математической модели высказал предположение о том, что черные дыры являются окнами в будущее, в которых они будут выглядеть белыми дырами. Как показывают произведённые расчеты, белые дыры должны представлять собой квантовые тоннели, соединяющие центры черных дыр в далеком прошлом Вселенной с ее будущим, при этом материя, которая падает в черную дыру и пересекает горизонт событий, будет фактически мгновенно, благодаря гравитационному замедлению времени, попадать в будущее.
Как считает Карло Ровелли, следами этого процесса могут быть загадочные быстрые радиовспышки, открытые астрономами десять лет назад, а также космические лучи сверхвысоких энергий, природа которых пока остается загадкой для ученых.
Релятивистские струи, джеты
Джеты представляют из себя струи плазмы, вырывающиеся из центров астрономических объектов. К таким астрономическим объектам могут относится активные галактики, квазары, радиогалактики, а также черные дыры.
Астрономы чаще всего наблюдают у подобных космических объектов две струи джетов, направленные в противоположные стороны.
И хотя данное астрономическое явление остаётся недостаточно изученным, высказывается предположение, что причиной появления таких струй часто является взаимодействие магнитных полей с аккреционным диском вокруг чёрной дыры или нейтронной звезды.
При исследовании космических объектов было установлено, что большая доля компактных источников показывала сверхсветовое движение, при этом компактные сверхсветовые выбросы всегда следуют в том же самом направлении, что и более протяжённые выбросы.
В настоящее время в астрофизике черных дыр проблемы связанные с наблюдением сверхсветовых скоростей, как и вопрос о возникновении самих джетов полностью ещё не разрешены.
Внутренняя структура активной галактики
Гравитационные сингулярности во Вселенной
Гравитационная сингулярность – это точка или множество точек в пространстве-времени, через которые невозможно гладко продолжить входящую в неё геодезическую линию. В таких областях пространство-время рассматривается как гладкое многообразие без края.
В гравитационной сингулярности плотность энергии и другие величины, которые описывают гравитационное поле, становятся бесконечными или неопределёнными.
При решении математических уравнений Альберта Эйнштейна, гравитационная сингулярность является множеством особых точек.
В настоящее время, при нынешнем уровне развития физики, сингулярности не наблюдаются и являются лишь теоретическими представлениями.
Темная материя
Тёмная материя в астрономии и в теоретической физике – является гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии, вследствие чего она остаётся недоступной для прямого наблюдения.
Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Понятие тёмной материи введено для теоретического объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования.
Высказываются предположения, что находящееся в черной материи вещество значительно превышает массу обычной видимой материи.
Состав и природа тёмной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной тёмной материи.
Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц тёмной материи являются вимпы, которыми представляют из себя гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы.
Предполагается, что из четырёх фундаментальных взаимодействий вимпы участвуют только в слабом и гравитационном и их масса должна в несколько десятков раз превосходить массу протона.
Однако, несмотря на активные поиски, экспериментально обнаружить вимпы пока не удалось.
Тёмная материя представляет собой среду со средней космологической плотностью, которая в несколько раз превышающей плотность барионов. Она взаимодействует с окружающей ее барионной светящейся материей посредством гравитации, захватывая его в гравитационные ямы.
По расчетам ученых наша Вселенная состоит на 4,9% из обычной или барионной материи, на 26,8% из тёмной материи и на 68,3% из тёмной энергии. То есть на долю тёмной материи и тёмной энергии приходится 95,1% пока еще не изученных физических характеристик.
Трудности выявления частиц тёмной материи заключается в том, что все они являются электрически нейтральными и имеют чрезвычайной малое сечения взаимодействия с обычной барионной материей.
Темная энергия
Темная энергия это гипотетическая форма энергии, которая была введена в математическую модель Вселенной, чтобы обосновать причину ее ускоренного антигравитационного расширения.
В настоящее время имеется три разных варианта, объясняющие присутствие темной энергии во Вселенной.
При первом варианте существование тёмной энергии объясняется давлением вакуума, равномерно заполняющего пространство Вселенной, что отображается с помощью определенной космологической константы.
При втором варианте тёмная энергия отображается определённым динамическим полем, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
В третьем варианте тёмная энергия есть модифицированная гравитация, проявляющая себя на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.
И хотя измерения реликтового излучения подтверждают существование тёмной энергии, но окончательный выбор между указанными вариантами пока еще не определён.
Учёные полагают, что разрешение уравнения состояния для тёмной энергии, связанные с расширением Вселенной, является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.
Существующие ранее космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется, но новые, более точные наблюдения выявили ее расширение. И был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением за счёт существования неизвестного вида энергии с отрицательным давлением, которую назвали «тёмной энергией».
Измерения реликтового излучения показывают, что пространство-время во Вселенной имеет глобальную кривизну очень близкую к нулевой. Исходя из полученных результатов делается вывод, что некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70% плотности Вселенной.