() 62К
advertisement
Возражения, высказанные против квантовой теории гравитации, и ответы на них 1. В настоящее время предсказания специальной теории относительности проверены с высокой степенью точности как при изучении микромира (физики элементарных частиц), так и при изучении макромира. Основные уравнения Новой теории гравитации (2.1) и (2.9) противоречат специальной теории относительности, так как они не инвариантны относительно преобразований Лоренца. Действительно, скорость света есть инвариант этих преобразований (так же как и постоянная Планка), в то время как гравитационный потенциал является компонентой тензора гравитационного поля (подобно тому, как кулоновский потенциал является компонентой 4-векторного электромагнитного потенциала в теории Максвелла) и при этих преобразованиях трансформируется через другие компоненты. Ответ. Специальная теория относительности экспериментально проверена и применима только локально, то есть в малых областях пространства, когда изменением гравитационного потенциала можно пренебречь. Она не применима в гравитационном поле: “В пространстве, где есть поле тяготения, симметрия полностью исчезает, поэтому в нём не выполняется принцип относительности” (Физическая энциклопедия, том 3, М. 1992, с.392). Основное отличие квантовой теории гравитации от общей теории относительности в данном вопросе состоит в том, что с точки зрения общей теории относительности скорость света вблизи большой массы уменьшается, а с точки зрения квантовой теории гравитации, наоборот, возрастает. 2. Насколько я знаю, эксперименты с часами на самолётах и ракетах уже проводились и подтвердили эффект, предсказанный общей теорией относительности, время вблизи Земли всетаки замедляется. В экспериментах скорость хода атомных часов возрастала с увеличением высоты над земной поверхностью. При этом учитывались и эффекты специальной теории относительности. Ответ. Каким образом можно учесть эффекты специальной теории относительности? Ведь её уравнения в гравитационном поле не применимы . Поэтому эксперименты с движущимися часами – это косвенные эксперименты, результаты которых можно интерпретировать по-разному. Чтобы однозначно выяснить, как изменяется скорость времени в гравитационном поле, нужно проводить эксперимент с неподвижными часами, то есть свести эффекты специальной теории относительности к минимуму. 3. Эксперименты с часами по проверке общей теории относительности проводились неоднократно. Это эксперименты ПаундаРебкиСнайдера, эксперимент Бролта, эксперимент Дженкинса, эксперименты по измерению скорости хода атомных часов (цезиевых и рубидиевых) на самолетах, эксперименты с мазерами на ракетах. Более подробную информацию об этих экспериментах можно найти в книге К. Уилла “Теория и эксперимент в гравитационной физике” [64]. Даже в самом грубом эксперименте с цезиевыми атомными часами на реактивном самолёте относительное отклонение от предсказаний общей теорией относительности не превышает 0.1. В большинстве же экспериментов это отклонение находится в пределах от 0.01 до 0.0001. Все эти эксперименты доказывают факт замедления времени в гравитационном поле. В то время как с точки зрения Новой теории время в гравитационном поле, наоборот, должно ускоряться. Ответ. Все эти эксперименты это эксперименты по измерению гравитационного красного смещения. Уилл представляет величину красного смещения z в следующем виде [64,с.35]: z = (1 + ) c2 (13.1) В общей теории относительности коэффициент равен нулю, и цель данных экспериментов – оценить максимальное значение модуля . В самом грубом эксперименте с цезиевыми атомными часами на реактивном самолёте || < 0.1, а в более точных экспериментах отклонение модуля от нуля не превышает 0.010.0001. Именно эффект красного смещения Уилл считает доказательством замедления времени в гравитационном поле [64,с.34]. Доводы, приводимые им, аналогичны доводам, приводимым Мизнером, Торном и Уилером (эти доводы изложены в § 8.5). Как уже отмечалось, ошибочность этих доводов состоит в том, что электромагнитные волны рассматриваются по аналогии со звуковыми волнами в среде, что неверно. 4. Существуют современные эксперименты, выполненные в 2002 году, с одними единственными часами, роль которых выполняет криогенный резонатор. Эффект связан с разностью гравитационного потенциала, создаваемого Солнцем, в перигелии и афелии земной орбиты. Адрес статьи в интернете [68]. Суть эксперимента состоит в следующем. Пусть на Земле установлены атомные часы. Когда Земля проходит вблизи перигелия своей орбиты, абсолютная величина гравитационного потенциала создаваемого Солнцем, максимальна, и атомные часы должны идти медленнее согласно общей теории относительности и быстрее согласно квантовой теории гравитации. И наоборот, когда Земля проходит афелий своей орбиты, атомные часы должны идти быстрее согласно общей теории относительности и медленнее согласно квантовой теории гравитации. Этот эксперимент подтвердил предсказания общей теории относительности с точностью 4%. Ответ. Для того чтобы определить скорость хода каких-либо часов, нужно сравнить их скорость со скоростью хода других часов, которые приняты в качестве эталона. В данном эксперименте роль такого эталона времени играл лазер. То есть в данном эксперименте скорость хода часов сравнивалась с частотой электромагнитных колебаний. Как оказалось, при движении Земли по своей орбите скорость хода часов изменялась точно так же, как и частота электромагнитных колебаний, генерируемых лазером. Авторы эксперимента полагали, как само собой разумеющее, что частота электромагнитных колебаний вблизи перигелия должна понижаться. Исходя из этого ошибочного предположения, они и сделали неверный вывод о том, что скорость хода часов в перигелии также понижается. Можно ещё раз напомнить, что частота фотонов, излучаемых в гравитационном поле, не понижается, а, наоборот, повышается вопреки общей теории относительности. Частота фотонов понижается только тогда, когда они, преодолевая гравитационное притяжение, вылетают из гравитационного поля. 5. В 70-х годах 20-го века было разработано большое количество теорий гравитации, которые отличались от общей теории относительности. Для их проверки К. Уиллом и его коллегами была разработана схема параметризованного постньютоновского формализма. В рамках этого формализма был сформулирован ряд тестов, которым должна удовлетворять альтернативная теория гравитации, чтобы соответствовать имеющимся экспериментальным данным. В настоящее время четко установлено, что теория, уравнения которой отличаются от уравнений общей теории относительности в первом порядке по величине гравитационного потенциала (то есть на величину порядка /с2), не соответствует существующим экспериментальным данным. Именно одной из таких теорий и является квантовая теория гравитации. Достаточно сильными конкурентами общей теории относительности в настоящее время являются скалярно-тензорные теории гравитации типа теории Бранса-Дикке. Именно поэтому в настоящее время огромное внимание уделяется проверке уравнений общей теории относительности с квадратичной точностью (с точностью до членов порядка 2/с4). Для этого Европейское Космическое Агентство и НАСА готовят новые запуски спутников. Существуют и Российские проекты, в которых планируются подобные эксперименты. Ответ. В случае слабого поля уравнение движения в квантовой теории гравитации совпадает с уравнением движения в общей теории относительности с точностью до членов порядка 2/с4 (см. § 7.7). Таким образом, все эксперименты, подтверждающие общую теорию относительности, подтверждают также и квантовую теорию гравитации. 6. На самом деле, с квантовой механикой согласована общая теория относительности, а не квантовая теория гравитации. В приближении сплошной среды из квантовой механики следует, что частицы распространяются в соответствии с принципом наименьшего действия. Поэтому максимальной должна быть именно длинна дуги (интервал) в 4-х мерном пространстве-времени, что соответствует максимуму собственного времени, а не минимуму, как утверждается в квантовой теории гравитации. Ответ. Принцип наименьшего действия, максимум интервала, минимум собственных колебаний за пройденный путь – всё это различные формулировки одного и того же физического принципа. В общей теории относительности принцип максимума интервала ошибочно трактуется как максимум собственного времени. Такая принципиальная ошибка вызвана неправильной интерпретацией временных пределов интегрирования в уравнении движения. Эта тема подробно обсуждается в §§ 8.78.9. 7. В квантовой теории гравитации используется такое понятие, как “масса фотона”. Но фотон не имеет массы. Об этом, например, написано в Физической энциклопедии в статье “масса”. Имеется также ряд разъяснительных статей на эту тему в журнале Успехи Физических Наук [69,70], в которых объясняется, почему фотон не имеет массы. Ответ. С формально-логической точки зрения это вопрос об определениях. Например, можно везде вместо “масса фотона” написать “энергия фотона, делённая на квадрат скорости света”. Но с физической точки зрения вопрос о массе фотона имеет смысл. Авторы упомянутых статей, в том числе и статей в УФН, исходят из истинности общей теории относительности. С точки зрения общей теории относительности энергия фотона, когда он удаляется от гравитирующей массы, не изменяется. И с этой точки зрения можно говорить о том, что фотон не имеет массы. Как уже отмечалось, такое предположение не имеет никакого экспериментального основания. С точки зрения квантовой теории гравитации энер-гия фотона, когда он удаляется от гравитирующей массы, уменьшается. С этой точки зрения фотон, конечно, имеет массу. Именно масса фотона сохраняется при его движении в гравитационном поле. Поэтому простой эксперимент с часами (§ 8.3;8.12) по проверке квантовой теории гравитации позволит также однозначно ответить на вопрос о массе фотона. 8. Чёрные дыры в настоящее время реально открыты астрономами, вопреки утверждению Новой теории об их не существовании. Это открытие один из триумфов общей теории относительности. Ответ. Действительно, в средствах массовой информации периодически появляются сообщения о том, что обнаружена чёрная дыра. Но это не так. О том, что чёрные дыры до сих пор не обнаружены, ясно говорилось, например, на научной сессии Отделения общей физики и астрономии РАН, состоявшейся 28 февраля 2001 г. в Физическом институте им. П.Н. Лебедева [43]. Пока обнаружены только массивные объекты (около сотни), которые с большой вероятностью могут оказаться чёрными дырами, конечно, при условии применимости уравнений общей теории относительности в сильных гравитационных полях. 9. Одним из отличительных признаков правильной физической теории является возможность получать на ее основе точные результаты и предсказания. Такой теорией, несомненно, является общая теория относительности. Например, чёрные дыры возникают в ней как точные решения уравнений Эйнштейна, с вполне определенными и проверяемыми при наблюдениях свойствами. Предсказания же Новой теории остаются на уровне натурфилософских рассуждений, не подкреплённых какими-либо конкретными формулами. Ответ. Квантовая теория гравитации предсказывает совершенно чётко и ясно, что время вблизи большой массы ускоряется, а не замедляется, вопреки общей теории относительности. Это можно проверить экспериментально (§ 8.3). А чёрные дыры, предсказанные общей теорией относительности, до сих пор не обнаружены. И пока чёрные дыры не будут обнаружены, они будут не триумфом общей теории относительности, а серьёзным изъяном. 10. Согласно общепринятому в науке подходу, любая новая самосогласованная физическая теория должна удовлетворять принципу соответствия, то есть переходить в уже известную теорию в определённом приближении. Специальная и общая теории относительности удовлетворяют этому условию: они переходят в ньютоновскую механику и ньютоновскую теорию тяготения в пределе бесконечной скорости света. Аналогично, квантовая механика переходит в классическую при стремлении к нулю постоянной Планка. Новая теория гравитации этому принципу не удовлетворяет, поскольку в её основных уравнениях переход к таким пределам приводит к бессмыслице: скорость света равна нулю в пустом пространстве. Ответ. Принцип соответствия имеет очень простой физический смысл. Допустим, “старая” теория была проверена при определённых условиях с точностью 0,1%. Это означает, что “новая” теория должна отличаться от “старой” при тех же физических условиях не более чем на 0,1%. То есть, новая теория отвергает старую, но она не отвергает “старых экспериментов”, а только иначе их интерпретирует. Квантовая теория гравитации удовлетворяет принципу соответствия, так как в случае слабого гравитационного поля она приводит к тем же самым уравнениям движения, что и общая теория относительности (§ 7.7), а для нерелятивистских частиц – к закону Всемирного тяготения Ньютона (§ 7.6). Но если устремить к нулю постоянную Планка, то электроны упадут на ядра [6,§1], атомы, а, значит, и все тела разрушаться, и мы придём к полной бессмыслице, а совсем не к классической механике. Ничуть не лучше будет, если устремить к бесконечности скорость света, так как в этом случае энергия любого тела будет равна бесконечности. 11. К настоящему времени в многочисленных экспериментах, поставленных в лабораторных условиях, были произведены измерения скорости света с точностью до многих знаков после запятой и показана ее независимость от выбора системы отсчёта. Результаты этих измерений никоим образом не зависят от времени года, в противоречии с предсказаниями квантовой теории гравитации. Ответ. Скорость света измерена с точностью до 1.2 м/с. Такая точность была достигнута ещё в 1973 г., и с тех пор эксперименты в этом направлении не проводились [18,т.4,с.548]. С точки зрения квантовой теории гравитации скорость света изменяется в течение года на величину 0.1м/с, а 0.1м/с меньше чем 1.2м/с. Кроме того, это изменение невозможно было бы обнаружить экспериментально даже в том случае, если повысили бы точность измерения скорости света до 1 см/с. Причина этого в том, что все эталоны времени и длины также будут изменяться в течение года (смотри § 8.1). 12. Из теории гравитационного потенциала известно, что он обращается в нуль не только вдали от всех масс, но и в центре Вселенной. Но в этом случае скорость света внутри Вселенной также должна равняться нулю. Ответ. Гравитационный потенциал в центре Вселенной максимальный по модулю. Также как, например, гравитационный потенциал, создаваемый Землёй, в центре Земли в полтора раза больше, чем на её поверхности. 13. Закон о равенстве квадрата скорости света гравитационному потенциалу, создаваемому всеми массами Вселенной, постулируется на основе “удивительного совпадения” этих двух величин. На самом деле, известна масса только наблюдаемой части Вселенной Метагалактики, причем чрезвычайно не точно (предполагается, что учёт скрытой массы может изменить это число в несколько раз). Ответ. Об “удивительном совпадении” и о величайшей тайне писал Ричард Фейнман (его цитата приводится в § 1.2). Я же только предлагаю объяснение этому совпадению. Мы знаем очень приближённо только массу наблюдаемой Вселенной. Возможно, что масса наблюдаемой Вселенной – это только ничтожно малая часть всей массы. Пока мы этого не знаем. Но мы можем экспериментально проверить Новый закон (2.1). И если он подтвердится экспериментально, то мы сможем достаточно точно оценить массу всей Вселенной. 14. Если законы физики зависят от величины гравитационного потенциала, то во Вселенной должно существовать выделенное направление, которое соответствует направлению на центр масс Вселенной. Это противоречит тому факту, что Вселенная изотропна и однородна в больших масштабах. Ответ. Из астрономических наблюдений известно, что наша Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна. Однако точность, с которой это известно, очень незначительна, как и вообще точность всех астрономических наблюдений. Например, на расстояниях, соответствующих красному смещению z 0.1, точность астрономических наблюдений составляет примерно 10%. Нетрудно оценить, что гравитационный потенциал Вселенной изменяется на таких расстояниях в процентном отношении существенно меньше, менее чем на 1%. Гравитационный потенциал Вселенной существенно изменяется только на космологических расстояниях. Например, на расстояниях, соответствующих красному смещению z 1, он изменяется примерно на 20%. В то время как точность астрономических наблюдений на таких расстояниях всего лишь порядка 50%. Тем не менее, уже обнаружены первые свидетельства анизотропии Вселенной на космологических расстояниях. Вот цитата из журнала Успехи физических наук: “Космическая плазма в присутствии магнитного поля является гиротропной средой: плоскость поляризации распространяющихся через плазму радиоволн поворачивается (эффект Фарадея). B. Nodland из Рочестерского университета и J. Ralston из Канзасского университета обнаружили дополнительное вращение плоскости поляризации излучения далёких радиогалактик. Поляризованное излучение возникает в галактиках по синхронному механизму. После вычета величин обычного фарадеевского вращения величина оставшегося дополнительного вращения оказывается пропорциональной расстоянию до галактики, определяемому по красному смещению. Из 160 исследованных галактик 71 имеет красное смещение z > 0,3. Это свидетельствует о космологической природе явления. Самым неожиданным оказалось наличие корреляции между величиной дополнительного вращения и направлением на галактику. Угловая зависимость имеет дипольный характер при отсчёте от некоторого выделенного направления. По мнению авторов открытия, новый эффект может свидетельствовать об анизотропии Вселенной в больших масштабах” [75]. Смотри также [72]. Причина этой анизотропии следующая. Предположим, одна галактика находится от нас по направлению к центру Вселенной, а другая – на таком же расстоянии, но в противоположном направлении. В этом случае величина красного смещения в спектрах излучения первой галактики будет больше, так как фотоны, вылетая из центра Вселенной, будут терять энергию на преодоление гравитационного притяжения. И наоборот, при одинаковом красном смещении для разных галактик наименьшее расстояние будет до галактики, которая расположена в направлении центра Вселенной. Наибольшее расстояние, соответственно, будет до галактики, расположенной в противоположном направлении. Так как Nodland и Ralston определяли расстояние до галактик по красному смещению, то они и обнаружили анизотропное распределение дополнительного вращения плоскости поляризации. 15. Из-за расширения Вселенной гравитационный потенциал на удалённой галактике будет тем больше по модулю, чем дальше галактика находится от нас. Это происходит из-за того, что, глядя на далёкий объект, мы смотрим в прошлое Вселенной, когда материя во Вселенной находилась в более сжатом состоянии. Следовательно, с точки зрения квантовой теории гравитации скорость света на далёких галактиках будет больше, а постоянная Планка меньше, чем на Земле. Новая теория стабилизировала постоянную тонкой структуры = е2/сħ условием ħc = const. Но в этом случае постоянная Ридберга должна зависеть от расстояния через постоянную Планка. Следовательно, расстояния между линиями нейтрального водорода, измеренные на Земле, не совпадут с расстояниями между теми же линиями, измеренными для самых удаленных галактик. Но пока такого явления не обнаружено. Ответ. Такое явление всё-таки обнаружено. Это хорошо известное космологическое красное смещение в спектрах излучения далёких галактик. Например, при красном смещении z = 1 все длины волн в спектре излучения атома увеличиваются в 2 раза, соответственно, и все расстояния между линиями также увеличиваются в 2 раза. С точки зрения современной физики считается, что это явление вызвано исключительно эффектом Доплера. А с точки зрения квантовой теории гравитации частично этот эффект вызван тем, что на удалённой галактике скорость света и постоянная Планка, а, значит, и постоянная Ридберга имеют другие значения. Количественные расчёты космологического красного смещения с новой точки зрения приводятся в § 10.6. 16. Все современные физические теории имеют хорошо развитый математический аппарат. Новая теория гравитации не имеет такого аппарата и поэтому не может считаться физической теорией. (Несмотря на абсурдность этого возражения, оно достаточно часто звучало в адрес квантовой теории гравитации из уст сторонников математической физики.) Ответ. Цель и задача физики как науки – это, с одной стороны, объяснить уже существующие экспериментальные наблюдения, а, с другой стороны, предсказать новые. Для этого нужно уметь точно рассчитать число, которое покажет тот или иной физический прибор в данном конкретном эксперименте. И для того чтобы преобразовать физическую идею в число, как раз и нужна математика. Таким образом, математический аппарат, используемый в физике, нужен исключительно для того, чтобы преобразовывать физические идеи в числа, которые показывают физические приборы. И с этой задачей квантовая теория гравитации вполне справляется (несмотря на то, что новой теории ещё нет и двух лет). Можно отметить, что придумывать (открывать) новые физические идеи очень трудно. Вот что писал об этом Ричард Фейнман: “Новые идеи придумывать очень трудно. Для этого требуется совершенно исключительное воображение” [11,с.157]. Гораздо легче переписывать длинные и сложные математические формулы из книг по математике в книги по физике. 17. Самосогласованная квантовая теория гравитации в настоящее время существует, это так называемая теория струн. В этой теории гравитационное взаимодействие рассматривается на равных основаниях с другими известными взаимодействиями (электромагнитным, слабым, сильным...). Теория струн позволяет объединить их и найти их общий источник. По существу это единая теория поля, поискам которой посвятил значительную часть своей жизни А. Эйнштейн. Ответ. Одним из отличительных признаков правильной физической теории является возможность получать на ее основе точные результаты и предсказания. К сожалению, за 30 лет своего существования теория струн не сделала ни одного экспериментально подтверждённого предсказания. Поэтому навряд ли можно называть теорию струн физической теорией, это скорее математические вариации на тему “великого объединения”.
