понедельник, 10 ноября 2014 г.

Конфликт квантовой механики и общей теории относительности

2-я Книга Федора. Файл 1-Б
Файл 1-А. http://artefact-2007.blogspot.ru/2015/02/2-1.html
    Ф. Дергачев

    Еще 29 апреля 2014 в своем блоге «Гугл+» я оставил следующий комментарий:
    «Цитирую: «...Четырех фундаментальных сил Вселенной - электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие и гравитация. Квантовая механика в состоянии объяснить все это за исключением гравитации".
    Изложенная в публикации гипотеза, может быть, и неверна, но статья привлекает внимание к интересному факту: гравитация как фундаментальная сила противоречит квантовой механике. Похоже, что всё здание теоретической физики построено на песке...»
    Теперь хочу раскрыть тему более подробно.

    В чем конфликт общей теории относительности и квантовой механики?

    Космос

    «Несмотря на наши успехи в описании работы внутренних механизмов вселенной, в наших знаниях зияют некоторые дыры. Где теория великого объединения или общая теория всего? Почему общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна противоречит квантовой механике? Почему мы при всем этом хотим их объединить?
    Практически все, что мы знаем о физике, можно положить в два тазика. В одном будет квантовая механика, на основе которой мы разработали Стандартную модель, включающую все фундаментальные частицы, которые мы обнаружили, а также три из четырех взаимодействий: электромагнетизм, слабые и сильные ядерные силы.
    В другом тазике лежит эйнштейновская общая теория относительности, которая описывает четвертую силу, гравитацию, и дает нам черные дыры, расширение Вселенной и потенциал для путешествий во времени.
    Могут эти тазики объединиться в один? Мы частенько говорим о том, что общая теория относительности не работает с квантовой механикой. Недалекие люди вовсе говорят, что «Эйнштейн ошибался» и начинают делать выводы, «а значит, скорость света не максимальна». Почему все так?
    Заранее отметим, что пока никто не знает, как именно квантовая механика и общая теория относительности объединятся в теорию «квантовой гравитации». И хотя есть некоторые интересные идеи, о которых мы постараемся рассказать, начнем с того, зачем вообще нужна теория квантовой гравитации.

    Два царства

    Квантовая механика и теория относительности работают на совершенно разных масштабах. Квантовая механика, например, была неизвестна науке так долго потому, что приобретает [большое] значение только в атомарных масштабах. Если вы умны, вы можете вообразить, когда квантовая механика управляет судьбой кошки, но это будет пример с большой натяжкой.
    Относительность, с другой стороны, становится важной только в сильных гравитационных полях. Время, например, замедляется вблизи поверхности Земли по сравнению со временем далекого космоса; свет искривляется вокруг скоплений галактик. Эти эффекты в значительной степени игнорируются, если только мы не говорим о поверхности нейтронных звезд и тому подобных вещах. Другими словами, общая теория относительности распространяется в пределах космоса и ее эффекты измеряются в соответствующих масштабах - от звезды до всей вселенной.
    Тем не менее, существуют очень интересные уголки пространства-времени, где ОТО и квантмех сталкиваются.
    Черные дыры, как правило, являются отличными астрофизическими лабораториями, в первую очередь потому, что они одновременно малы и обладают мощным гравитационным полем. Первые попытки успешного соединения гравитационных и квантовых эффектов проявились на границах черных дыр в виде знаменитого излучения Хокинга, которое полностью испарит любую черную дыру (за квадриллионы лет) и приведет к неизбежной тепловой смерти Вселенной.
    Снаружи у нас все хорошо. Но по мере того, как мы продвигаемся все дальше и дальше в центр черной дыры, у нас все меньше и меньше знаний о том, как работает физика на самом деле.

    Сингулярности

    Как только вы уроните что-нибудь в черную дыру за горизонт событий, оно не только не сможет выбраться, но и будет неумолимо засосано внутрь. Результатом этого становится то, что в мире с единственным королем - гравитацией - все, что попадает в черную дыру, стягивается в бесконечно малую и бесконечно плотную буквальную точку, так называемую сингулярность. У момента Большого взрыва та же проблема: была невероятно высокая плотность (из-за сильной гравитации), заключенная в очень небольшом пространстве. В тот самый первый момент, как предполагается, бесконечно малом пространстве.
    Мы никогда не видели так называемую «голую сингулярность» напрямую (и есть веские основания полагать, что никогда не увидим), что не очень хорошо для понимания этого явления, но достаточно хорошо с точки зрения не быть разорванным под влиянием приливных гравитационных сил.
    Из картины общей теории относительности вытекает то, что ядра черных дыр буквально обладают нулевым радиусом, но квантовая механика говорит нечто совершенно иное. В квантовой механике есть «принцип неопределенности», который, ко всему прочему, гласит, что вы никогда не сможете определить точное положение чего-либо. На практике это означает, что даже то, что мы называем «частицами» не может быть сколь угодно малым. Согласно квантовой механике, масса, например, нашего Солнца никогда не сможет быть заключена в область меньшую, чем 10^-73 м.
    Бесконечно малую, но не нулевую.
    Если бы это было единственное столкновение между квантовой механикой и гравитацией (да многие из вас и так это знали), можно было бы простить людям разочарование от масштаба проблемы. Но самый суровый конфликт между квантмехом и ОТО начинается глубже, чем 10^-73 м.

    Классическая и квантовая теории

    Общая теория относительности известна как классическая теория поля, которая описывает вселенную как непрерывное распределение цифр - точных цифр, если ваши инструменты достаточно точны, чтобы измерить их, - которые расскажут вам все о кривизне пространства и времени. Кривизны, в свою очередь, полностью описываются распределением и движением массы и энергии. Как говорил Джон Уилер:
    «Масса говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит массе, как двигаться».


    Но квантовая теория совершенно другая. В квантовой теории частицы взаимодействуют, посылая между собой частицы. Электричество, например, посылает фотоны между заряженными частицами, сильное взаимодействие задействуют глюоны, а слабое - W- и Z-бозоны.
    Нам даже не надо нырять в черную дыру, чтобы увидеть конфликт между классической и квантовой теориями. Рассмотрим знаменитый эксперимент «с двумя щелями». Пучок электронов (или фотонов, или других частиц) пролетает сквозь экран с двумя тонкими щелями на нем. Из-за квантовой неопределенности невозможно предсказать, сквозь какую из щелей пролетит электрон. И он пролетает сразу через две щели. Это похоже на обман, но в контексте гравитации он еще более хитроумный. Если электрон проходит сквозь одну щель, он наверняка создает гравитационное поле, отличное от того, которое возникает при прохождении через другую щель.
    Все станет еще более странным, когда вы поймете, что согласно эксперименту Уилера с задержкой выбора, становится возможным настроить эксперимент так, что когда вы уже запустите его, вы сможете ретроспективно наблюдать систему и заставить электрон проходить через одну или другую щель (хоть вы и не можете выбрать, сквозь какую).
    Мир гравитации должен быть полностью детерминированным, но квантовая механика - совсем наоборот.


    Есть и другая глубокая проблема. В отличие от электричества, которое влияет только на заряженные частицы, гравитация влияет на все. Все формы массы и энергии взаимодействуют с гравитацией и создают гравитационные поля. И в отличие от электричества, не существует негативной массы, которая свела бы на нет положительную.
    Мы можем представить квантовую теорию гравитации в принципе. Как и с другими силами, будет частица-посредник под названием гравитон, которая переносила бы сигнал.
    Мы могли бы представить меньшие масштабы и увидеть, как все больше и больше виртуальных гравитонов снуют между частицами. Проблема в том, что на меньших масштабах возрастают энергии. Ядро атома требует больше энергии, чтобы разбиться на части, чем снятие электрона с орбиты, например.
    На малых масштабах рой высокоэнергетических виртуальных гравитонов будет производить невероятно плотную энергию, и вот тут начнутся проблемы. Гравитация вроде бы должна наблюдать все формы энергии, но здесь мы будем производить бесконечное число высокоэнергетических частиц, которые будут создавать мощное гравитационное поле. Возможно, вы видите, в чем сложность. К концу дня, все вычисления утыкаются в целый букет бесконечностей, витающих вокруг.
    В электромагнетизме и других квантовых взаимодействиях вычисления начинают спотыкаться на очень малых масштабах, известных как «планковская длина», примерно 10^-35 м - намного меньше атома. Отдавая дань традиции, отметим, что физики не имеют никакого понятия о том, как работает физика на масштабах меньше планковской длины. На этих масштабах, говорит квантовая механика, могут возникать черные дыры, там царит случайность, и само пространство-время покрывается рябью, когда вы смотрите на него так близко. Там дивный новый мир.
    Мы стараемся избежать этих столкновений теорий с помощью процесса, известного как «перенормировка». Перенормировка - это просто забавный способ выражения того, что мы проводим вычисления до определенного масштаба, а потом останавливается. Это позволяет избавиться от бесконечностей в большинстве теорий и спокойно вздохнуть. Поскольку большинство сил включают только различия между двумя энергиями, не имеет особого значения, вычислите вы полное число или нет.
    Однако не все так оптимистично смотрели на это. Великий Ричард Фейнман отмечал:
    «Игра, в которую мы играем, технически называется «перенормировка». Но каким бы умным словом она не называлась, я считаю, это бредовый процесс. Прибегая к такому фокусу-покусу, мы не можем доказать даже сами себе, что теория квантовой электродинамики математически самодостаточна. Удивительно то, что эта самодостаточность не доказана к настоящему моменту, и я подозреваю, что перенормировка не является математически легитимной»
    Опустим эти возражения. Все становится еще хуже, когда мы говорим о гравитации. Дело в том, что поскольку (в отличие от электромагнетизма) гравитация влияет на все частицы, бесконечные энергии будут означать разные кривые. Перенормировка даже в самом лучшем случае не подойдет. Мы не избавимся от бесконечностей.

    Что мы знаем?

    У нас нет теории квантовой гравитации, но есть некоторые идеи о том, какой должна быть успешная теория. Например, должен быть гравитон, и поскольку гравитация, похоже, распространяется на все пространство, гравитон (как и фотон) должен быть безмассовым. Переносчики массы (как W- и Z-бозоны) действуют только на небольшом расстоянии.
    Но и это еще не все. Оказывается, существует единственная связь между классической и квантовой теорией. К примеру, электромагнетизм порождают электрические заряды и токи. Источники математически описываются как векторы, и выясняется, что векторы порождают частицу-посредник со спином 1. Получается, посредники с нечетным спином будут производить силы, которые будут отталкивать одинаковые частицы. И действительно, два электрона отталкиваются друг от друга.
    ОТО, с другой стороны, известна как «тензорная теория», потому что в ней есть все виды источников, относящиеся к давлению, расходу и плотности распределения энергии. Квантовые версии тензорной теории будут обладать частицами-посредниками со спином 2. Как вы догадываетесь, у гравитона будет спин 2. И как вы догадались, эти частицы будут притягиваться. Как ни странно, частицы притягиваются гравитационно.
    Мы знаем немного о том, какими должны быть гравитоны. Но что делать со всеми этими бесконечностями, никто не знает». (14 августа 2013 в 13:00). 

    Сможем ли мы объединить квантовую механику с общей теорией относительности?

    Общая теория относительности (ОТО)

    «Чаще всего вопросы, которые задают в течение дня, поставлены довольно конкретно. Вы обедали? Который час? Слышали новую песню Джастина Бибера? Но когда мы начинаем задумываться о куда более серьезных вопросах - например, могут ли быть объединены квантовая механика и общая теория относительности - наша самоуверенность падает. Что делает квантмех с планетами? Только в ОТО энергия эквивалентна массе, умноженной на квадрат скорости света? Погодите, массе или движению? Или минуты. Это минуты, разве нет?
    Не переживайте. Хотя на этот вопрос крайне сложно ответить, сам вопрос прост, как поиск смысла в попсовой песне. Прежде чем мы начнем решать неразрешимую вселенную, давайте разберем компоненты.
    Для начала возьмем квантовую механику. С нее хорошо начать, потому что она изучает нечто крайне малое - вещество и излучение на атомных и субатомных уровнях. Когда ученые начали понимать атомы, стало понятно, что старая физика нуждается в поправках. Потому что когда ученые смотрели на атомы, они вели себя не так, как вселенная. К примеру, электроны не вращаются вокруг ядра подобно планете, вращающейся вокруг солнца - если бы это было так, они бы уже упали на ядро.
    Стало очевидно, что классическая физика не работает на атомных масштабах. Квантовая механика возникла от необходимости понять, почему маленькие явления случаются не так, как большие в науке. В результате этого мы выяснили, что фотон может выступать в качестве частицы (которая несет массу и энергию) и волны (которая несет только энергию). Это стало прорывом. Фотон может быть в двух формах одновременно. А это значит, что самые маленькие части Вселенной ведут себя непредсказуемо.

    Все относительно

    Теперь мы понимаем, что квантовая механика существенно подорвала наше понимание вселенной (особенно на мелких масштабах). Частицы, к примеру, могут быть волнами. Ко всеобщему удовольствию появился и принцип неопределенности квантовой механики, который подсказывает, что мы не можем знать одновременно положение частицы и скорость ее движения.
    Эйнштейну это крайне не понравилось. Сама идея того, что мы не можем определить, где частица или что она делает, должна быть очень тревожной для физика, который пытается определить, как работает вселенная - что и делал Эйнштейн, работая над общей теорией относительности.
    И опять: не переживайте. У общей теории относительности было две больших идеи: одна о пространстве и времени, другая о гравитации. Как мы видим, пространство и время находятся в фоновом режиме. Они фиксированы. Они существуют хронологически (и отчасти монолитны). В общей теории относительности пространство и время представляют собой одно целое, так называемое пространство-время. Но если пространство-время и может быть большим и единым, оно не находится в фоновом режиме. В общей теории относительности на пространство-время может влиять материя. Это означает, что вы и существующая материя меняете пространство и время…
    Не совсем. На самом деле, только большие вещи создают пространство-временные искривления. Солнце, например. Что это означает? Меньшие планеты «падают» на Солнце. И это приводит нас к гравитации. В самом деле, общая теория относительности означает не только то, что Эйнштейн похлопал Ньютона по спине и сказал «да, сэр, гравитация это круто!». Напротив, Эйнштейн дал нам причину для гравитации - искривление пространства-времени, которое вызывает гравитацию и заставляет вселенную быть такой, какая она есть.
    В чем же проблема? Эйнштейн показал нам умопомрачительную картину работы вселенной, квантовая механика показала нам, как работают частицы на атомном и субатомном уровне. К сожалению, одно не объясняет другое. Значит, должна быть большая теория, которая объединит их… или нет.

    Состоит ли наш мир из струн?

    Мы не можем понять, как квантовая механика и общая теория относительности могут объединиться, если они еще не сделали этого до сих пор. Потому что если одна из сторон права, другая не будет работать как нужно.
    Эйнштейн сказал, что пространство-время гладко и равномерно, и только большие вещи могут искажать его. Квантовая механика говорит, что мельчайшие частицы вселенной постоянно и непредсказуемо флуктуируют и меняются.
    Если квантовая механика верна и все находится в постоянном движении, гравитация не будет работать так, как предсказывал Эйнштейн. Пространство-время будет находиться в постоянном противоречии со всем вокруг и будет вести себя соответствующим образом. Кроме того, квантовая механика говорит, что вы не сможете установить порядок с полной уверенностью. Вы будете предсказывать вероятности.
    С другой стороны, если ОТО верна, материя не флуктуирует так дико и постоянно. В какой-то момент у вас будет возможность знать, где находится материя и куда движется. Но это противоречит квантовой механике.
    Но не переживайте, ученые и физики все еще пытаются найти способ примирить два враждующих лагеря. Одним из фаворитов является теория струн, в которой говорится, что вместо частицы действует точка, на самом деле являющаяся струной. Это означает, что она может волноваться и двигаться, и скручиваться и многое другое. Также она может передавать гравитацию на квантовом уровне. Это дает возможность нащупать ходы для объединения квантмеха с ОТО. Но имейте в виду, что теория струн никогда не была подтверждена ни одним экспериментов - и много дебатов разворачивается на тему, может ли она в принципе подтвердиться…» (29 января 2014 в 19:00).  

    Текст, конечно, очень упрощенный, но вследствие этого понятный людям без технического образования. В том числе персонам, имеющим вес при принятии решений - к примеру, королеве Великобритании или Президенту США.

    Когда подружатся квантовая механика и общая теория относительности?

    «Знаменитый во всем мире физик-теоретик Грин Брайан, который является профессором Колумбийского Университета и ярым приверженцем теории струн, призывает физиков со всего мира подружить квантовую механику и общую теорию относительности. Две эти, казалось бы, несовместимые составляющие современной физики вполне могли бы подружиться, по мнению профессора, однако упорно продолжают воевать. А все потому, что современные физики изучают или очень маленькие и легкие объекты, такие как атомы и их составляющие, или же гигантские и массивные, такие как звезды, галактики и галактические скопления, но почему то не изучают эти два вида объектов одновременно, как нечто единое целое.
    Это и приводит к тому, что ученым часто достаточно использовать либо только квантовую механику или же обходиться лишь общей теорией относительности в рамках своих исследований, что опять приводит к «войне» и «несовместимости» двух направлений. Но ведь по сути,  наша Вселенная это нечто единое, великое, но в  тоже время она состоит из разных компонентов, как малых так и сверхмассивных и чтобы ее понять, нужно объединять оба «несовместимых» направления...» (10 марта 2014, 13:42:09).  

    Альберт Эйнштейн и квантовая механика

    Так или иначе, тщательно скрываемое официальной наукой противоречие между ОТО и квантовой механикой уходит корнями в работу Альберта Эйнштейна по созданию единой теории поля. В связи с этим интересно, что признавая создателя теории относительности величайшим гением физики, историки науки при этом стараются не делать акцент на его скептическое отношение к квантовой механике.  

    В этом месте считаю необходимым озвучить свое личное отношение к озвученной проблеме. Итак, считаю ли я верной теорию относительности Эйнштейна? Да, считаю. Далее: согласен ли я с истинностью квантовой механики? Да, согласен, но только в областях ее применения. Теперь самый острый вопрос: почему официальная наука тщательно обходит конфликт общей теории относительности и квантовой механики, поднимая на щит непроверенную теорию струн и совершенно сырые гипотезы квантовой гравитации? Причем под лейблом «новой физики» эти гипотезы выдаются за «последний писк», самые достоверные достижения физической мысли. Между тем гипотезы квантовой гравитации – самые новые, но никоим образом не самые достоверные, постоянно опровергаются результатами экспериментов.
    Так в чем же причина такой подмены понятий? «А ларчик просто открывался». Дело в том, что, получив кредит доверия от правительств ведущих государств мира, руководители научных учреждений никак не могут показать себя хоть в чем то сомневающимися, хоть чего-то не знающими. Как они считают, любое теоретическое противоречие поставит под сомнение их дутый авторитет. В результате в СМИ постоянно публикуется масса экзотических гипотез – мало обоснованных, но весьма серьезно обсуждаемых.      
     Между тем возможен принципиально другой подход к описываемому конфликту. Великий физик Поль Дирак в своей книге «Воспоминания о необычайной эпохе» писал:

    «Я не исключаю возможности, что в конце концов может оказаться правильной точка зрения Эйнштейна, потому что современный этап развития квантовой теории нельзя рассматривать как окончательный. …Современная квантовая механика - величайшее достижение, но вряд ли она будет существовать вечно. Мне кажется весьма вероятным, что когда-нибудь в будущем появится улучшенная квантовая механика, в которой мы вернемся к причинности, и которая оправдает точку зрения Эйнштейна. Но такой возврат к причинности может стать возможен лишь ценой отказа от какой-нибудь другой фундаментальной идеи, которую сейчас мы безоговорочно принимаем. Если мы собираемся возродить причинность, то нам придется заплатить за это, и сейчас мы можем лишь гадать, какая идея должна быть принесена в жертву».

Альберт Эйнштейн
    [Книга в работе...] 
    «2-я Книга Федора. Файл 2-А. «Суета вокруг квантовой механики. "Школа злословия" в физике»http://artefact-2007.blogspot.ru/2014/11/blog-post_12.html .

15 комментариев:

  1. Ну, да... ну, да... Все очень сложно, если не принимать во внимание, что (а вдруг) на планковских расстояниях исчезает пространство и остается только время. И наоборот - на "космических" расстояниях время исчезает, оставляя одно лишь пространство.
    Т.е., мы (в своем смасштабе) живем в неудобоваримом коктейле пространства и времени.
    Никто не пробовал в эксперименте "с двумя щелями" убрать к лешему пространство (в какую щель?) и оценить результаты, используя только время (в какой момент?)?
    Как вам такой пассаж? :))))

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте, Spacer.

      Пока я лишь обрисовываю проблему. Обсуждений в Интернете много, сначала я хочу ознакомиться только с теми, которые свидетельствуют о конфликте квантовой механики с общей теорией относительности Эйнштейна. Если найдете соответствующие ссылки, пришлите.

      Удалить
    2. "Круги по воде" в Иитернете

      Антон Трикстер "Белая дыра и граница миров" https://www.proza.ru/2017/01/21/16

      [В статье приведены цитаты из моей публикации, а также дополнительные материалы.]

      Удалить
  2. "Анонимный" в 19:09 прислал следующий комментарий:

    "Две неверные, высосанные из пальца, теории никогда не будут увязаны и не станут правильно взаимодополнять друг друга. Чем заниматься сизифовым трудом, почитайте-ка лучше честную физику... (ссылка)"

    [Ф.Д. Рискуя вызвать недовольство "Анонимного", я какое-то время все-таки не буду размещать ссылку на предложенный им сайт. Сделаю по-другому - предложу перепост одной из размещенных там статей:

    О.Х.Деревенский "Фокусы-покусы квантовой теории" http://newfiz.narod.ru/qua-opus.htm ]

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. [Ф.Д.: Хотя и явно маргинальная, но все-таки - попытка выйти из тупика.]

      Электромагнитная теория гравитации

      "Электромагнитная теория гравитации стартует из одного из фундаментальных законов сохранения и, в итоге, не выходя за рамки классической физики, выводится волновое уравнение. В полученном волновом уравнении, в отличие от общепринятых волновых уравнений, применяемых в современной физике, присутствует некая функция, которая объясняет смысл квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга и т.д., возвращая многие физические проблемы в лоно классической физике. Кроме того, было получено, что эффект притяжения периферийного тела к центральному формируют силы электромагнитной природы с конкретным видом электрической и магнитной составляющих. Также из анализа полученных результатов следует, что электромагнитное поле является переменным, причем электрическая и магнитная составляющие центрального тела колеблются по определенным законам, которые можно графически визуализировать..." (26 марта 2014). http://gravitus.ucoz.ru/news/ehlektromagnitnaja_teorija_gravitacii/2014-03-26-12

      Удалить
  3. "До сих пор остается неясной связь между общей теорией относительности (ОТО), описывающей физику макрообъектов, и квантовой механикой, описывающей физику микромира. Кроме того, остается невыясненной судьба информации о частице после падения частицы на черную дыру (ЧД). Для разрешения двух этих парадоксов учеными была предложена новая трактовка фундаментальной физики, основанная на весьма смелом предположении о том, что в нашей Вселенной существуют такие масштабы, на которых пространство и время попросту не существуют..." ("Альтернативные физические теории предлагают разрешение парадоксов черных дыр". 8 февраля 2015). http://intesn.blogspot.ru/2015/02/blog-post_68.html

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Сто лет теории относительности ("Project Syndicate", США)

      "...Несмотря на сходства, которые теория Эйнштейна имеет с другими теориями в физике, она уникальна своим отказом соотноситься с квантовой механикой, теорией, которая объясняет доминирующее поведение веществ в атомных и субатомных исчислениях.

      Согласно теории Эйнштейна, гравитация, в отличие от всех других физических сил, известных человеку, не квантуется. Она не подлежит знаменитому принципу неопределенности Гейзенберга. Электромагнитное поле частицы, которая проходит через двойную щель, может пройти через обе щели одновременно. Ее гравитационный эквивалент не может. Это несоответствие между нашим пониманием гравитации и квантовой теории материи представляет огромную загадку для физиков-теоретиков, так как это приводит к математическим противоречиям.

      Очевидно, что есть элементы в комбинации квантовой теории и гравитации, которые остаются неизвестными, а наше понимание пространства, времени и материи зависит от разгадки этой связи. Поиск описания гравитации, которое совместимо с нашим пониманием квантовой физики смогло бы революционизировать космологию, привести к новому пониманию первых моментов нашей вселенной, и обеспечить более глубокое понимание теории, на которой вся современная физика основана. Но, несмотря на огромный потенциал воздействия такого прорыва и усилия поколений физиков в ее достижении, мы все еще не знаем, какая теория является правильной.

      Вопреки тому, как вы чувствуете себя, когда пытаетесь вылезти из постели по утрам, гравитация на сегодняшний день является самой слабой фундаментальной силой из всех тех, которые мы определили. Она использует всего лишь статическое отталкивание нескольких электронов для того, чтобы заставить ваши волосы держать форму, преодолев гравитационное притяжение всей планеты. В атомном и субатомном мире, гравитация не имеет значения по сравнению с тем, что еще происходит в рамках квантовой теории..."

      Удалить
    2. Сто лет теории относительности ("Project Syndicate", США). (Окончание).

      "...Слабость силы тяжести делает ее очень трудной для измерения квантовых эффектов. В результате, у нас нет никаких экспериментальных данных для того, чтобы помочь физикам-теоретикам в развитии пропавшей теории. Для обнаружения «гравитона» — гипотетической частицы, составляющей часть гравитационного поля — потребуется коллайдер частиц, размером с Млечный Путь или детектор с массой Юпитера. Эти эксперименты так не соотносятся с нашими технологическими возможностями, что физики стали сосредотачиваться на попытке сначала устранить математические противоречия путем разработки подходов, таких как теории струн, петлевой квантовой гравитации, и асимптотически безопасной гравитации. Но для того, чтобы знать, какая теория описывает физическую реальность, в конце концов, нам придется разработать экспериментальные испытания.

      Именно поэтому, в течение последнего десятилетия физики начали искать косвенные доказательства квантовой гравитации. Вместо того, чтобы пытаться обнаружить квант гравитационного поля, исследователи ищут другие последствия, которые бы означали, что гравитация является квантовой. Эти тесты работают так же, как и те, которые используют стабильность атомов как косвенное доказательство квантования электромагнитной силы. Например, некоторые ученые ищут доказательства квантовых флуктуаций пространства-времени, которые могут размыть изображения удаленных звезд и привести к систематическим искажениям. Другие ищут нарушения определенных симметрий, которые позволили бы существовать запрещенным распадам частиц, необъяснимому шуму в детекторах гравитационных волн, или необъяснимым потерям квантовой когерентности.

      До сих пор этим попыткам не удалось обнаружить доказательства. Тем не менее, они привели к важным событиям, потому что отрицательные результаты исключают некоторые правдоподобные гипотезы. И, хотя исследователи не могут найти результаты, подтверждающие какую-то одну теорию, они продвинули науку за счет того, что лучше определяют наблюдательные критерии, которые любая квантовая теория гравитации будет принимать во внимание..." (7 марта 2015. 88 комментариев). http://inosmi.ru/world/20150307/226712148.html

      Оригинал статьи: "One Hundred Years of Relativity". (MAR 6, 2015). http://www.project-syndicate.org/commentary/einstein-relativity-quantum-physics-by-sabine-hossenfelder-2015-03

      Удалить
    3. "Создание универсальной теории, связывающей ОТО и квантовую механику, - основная задача большинства современных математических физиков - специалистов по теории струн. Главная задача теории - объединение всех четырех известных взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Описанием первых трех занимается квантовая теория поля (КТП), математическая модель современной физики элементарных частиц, последним — ОТО. При этом ОТО в целом не противоречит КТП, поскольку говорит о явлениях на других масштабах длин и энергий. Но если ОТО имеет дело с космологическими объектами огромных масс, то КТП применима на субатомном уровне.

      Проблема в том, что обе теории вступают в противоречие друг с другом на планковских масштабах, поскольку на них в ОТО необходим учет квантовых поправок. Так, в черной дыре квантовые эффекты приводят к ее испарению. Квантовая версия ОТО, получаемая аналогичным КТП образом, оказывается неперенормируемой, то есть наблюдаемые величины не удается сделать конечными. Решению данного вопроса и посвящена большая часть исследований в этой области. Сама же теория струн (M-теория) основана на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов - струн, возбуждения которых интерпретируются как элементарные частицы и их взаимодействия.

      Как это происходит и почему, физики не могут разобраться уже почти полвека..." ("Теоретическая физика Кипа Торна в фильме «Интерстеллар»". 24.11.2014). http://sci-dig.ru/statyi/teoreticheskaya-fizika-kipa-torna-v-filme-interstellar/

      Удалить
    4. "Недостающая часть: почему найти квантовую теорию гравитации так сложно?" (Начало)

      "Как работает современная теоретическая физика? Она строит теории, основанные на наборе предположений или аксиом, которые могут указываться неявно, а иногда вообще берутся как данность. Несмотря на это, будучи сформулированными в математических терминах, эти допущения становятся намного большим набором выводов, которые затем толкают физику вперед. Чтобы теория стала жизнеспособной в рамках нашей Вселенной, все эти выводы должны быть как внутренне непротиворечивы, не приводить к противоречиям, так и согласоваться с наблюдениями.

      Теории, которые сегодня описывают природу, представлены на самом фундаментальном уровне общей теорией относительности и Стандартной моделью физики элементарных частиц. Общая теория относительности - это классическая теория, тогда как Стандартная модель - это квантовая теория поля. Первая не следует принципу неопределенности Гейзенберга, вторая - следует. Обе теории вместе могут описать все наблюдения, которые у нас есть на текущий момент, хотя некоторые аспекты этого описания остаются неудовлетворительными, например, недостающая микроскопическая структура темной материи. Сочетание этих двух теорий согласуется с наблюдением, но большая беда в том, что оно внутренне противоречиво..."

      [Ф.Д.: Спасибо Олексію Кацаю за ссылку https://plus.google.com/u/0/103776276718868880639/posts/FXVnc41Nf5E ]

      Удалить
    5. (Окончание)

      "...Наиболее ярко это несоответствие демонстрируется проблемой потери информации черной дыры. Объединение общей теории относительности с квантовой теорией поля приводит к тому, что известно как квантовая теория поля в искривленном пространстве. Она частично классическая, частично квантованная теория, «полуклассическая гравитация». В этой комбинированной теории можно вычислить, что черные дыры излучают радиацию - излучение Хокинга, названное в честь его первооткрывателя.

      Излучение Хокинга - это спектр излучения абсолютно черного тела с одним-единственным параметром: температурой, которая зависит от изначальной массы черной дыры. Это означает, что все черные дыры с одной начальной массой испаряются до одного конечного состояния, вне зависимости от того, из чего сформировались. Процесс образования черной дыры и последующее испарение, таким образом, необратимы: даже если мы полностью знаем конечное состояние, мы не можем определить изначальное состояние. Информация потеряна. Проблема в том, что такой принципиально необратимый процесс несовместим с квантовой теорией поля, которую мы используем для получения процесса: это внутреннее противоречие, несоответствие, так быть не может, не должно. Математика приводит нас к такому выводу.

      Полуклассическая комбинация общей теории относительности и Стандартной модели приводит к другим проблемам. Мы не знаем, например, что происходит с гравитационным полем электрона, проходящего через двойную щель. Мы знаем, что волновая функция электрона в суперпозиции и проходит через обе щели, создавая статистическое распределение на экране при измерении. Мы также знаем, что электрон переносит энергию. И мы знаем, что энергия создает гравитационное поле. Но поскольку гравитационное поле - классическое, оно не может быть в суперпозиции и пройти через обе щели, подобно электрону. Что происходит с гравитационным полем электрона? Никто этого не знает, поскольку оно слишком слабое для измерения. Так просто и так сложно.

      Третья причина, которая убеждает физиков, что сочетание общей теории относительности и Стандартной модели является неполным описанием природы, приводит нас к образованию сингулярностей при достаточно общих условиях. Сингулярности - это скопления бесконечной плотности энергии и бесконечной кривизны. Они нефизичны и не должны появляться в здравой теории. Сингулярности также появляются в гидродинамике, например, когда сжимается капля воды. В таком случае, однако, мы знаем, что сингулярность — это артефакт использования приближения — гидродинамики, - которое не будет работать на субатомных расстояниях. На самых коротких расстояниях мы должны использовать более фундаментальные теории (теории квантованных, дискретных частиц), чтобы описать каплю воды, и, как ожидается, сингулярности исчезают.

      Считается, что квантование гравитации решит эти три проблемы, раскрывая структуру пространства-времени на очень коротких расстояниях. К сожалению, гравитация не квантуется подобно другим взаимодействиям в Стандартной модели. Применяя те же методы к гравитации, мы приходим к теории «эффективной квантовой гравитации», которая не может решить эти проблемы: она разрушается при сильной кривизне. Эта наивно («пертурбативно») квантованная гравитация никак не решает проблемы с сингулярностями и испарением черных дыр, поскольку работает только при слабой гравитации. Короче, в ней нет смысла. То, что физики называют «квантовой гравитацией», должно быть теорией, которая будет хороша вне зависимости от того, насколько сильной становится гравитация". ("Недостающая часть: почему найти квантовую теорию гравитации так сложно?" 21 мая 2015 в 12:30). http://hi-news.ru/science/nedostayushhaya-chast-pochemu-najti-kvantovuyu-teoriyu-gravitacii-tak-slozhno.html

      [Ф.Д.: Спасибо Олексію Кацаю за ссылку https://plus.google.com/u/0/103776276718868880639/posts/FXVnc41Nf5E ]

      Удалить
    6. Об "Universal decoherence due to gravitational time dilation"

      "Они таки согласовали ОТО с квантовой механикой?" (Комм. "buchwurm" от 17 июн, 2015, 23:41 к посту "sergepolar" 17 июн, 2015 в 23:37). http://sergepolar.livejournal.com/3077535.html?thread=13242271#t13242271

      Удалить
  4. "Начинают потихоньку соломку подстилать" (из комментария к новости)

    "Команда исследователей, включающая физиков из Гейдельберского университета, Германия, продвинулась на несколько шагов вперед на пути к пониманию природы темной энергии и её взаимоотношений с теорией гравитации, анализируя данные, предоставленные космическим телескопом Planck Европейского космического агентства (ЕКА). Эти результаты показывают, что стандартная космологическая модель остается на сегодняшний день наиболее точно описывающей нашу Вселенную математической моделью. Однако при совместном изучении данных, собранных миссией Planck, с данными других астрономических наблюдений выявляется несколько отклонений от этой модели. Будущие исследования позволят установить, связаны ли эти аномалии с погрешностями измерений, или же они указывают на неизвестные до сих пор науке физические соотношения, которые могут противоречить гравитационной теории Эйнштейна.

    С 2009 по 2013 гг. спутник Planck ЕКА производил измерения так называемого реликтового излучения. Оно представляет собой лучи, возникшие около 13 миллиардов лет назад, спустя 380000 лет после Большого Взрыва. Благодаря расширению Вселенной, этот свет доступен сегодня для наблюдений в микроволновом диапазоне. За пять лет работы на орбите спутник Planck составил подробную карту реликтового излучения, и теперь по результатам анализа этих данных было опубликовано несколько научных работ, в том числе и эта работа, в которой принимали участие физики из Института теоретической физики Гейдельберского университета.

    На карте реликтового излучения имеются зоны, отвечающие более низким, по сравнению с окружающим фоном, температурам. Предыдущие исследования позволили выделить всего лишь шесть параметров, описывающих развитие нашей Вселенной после Большого Взрыва с относительно высокой точностью. Эта модель получила название стандартной космологической модели. Наблюдаемые температурные различия позволили астрономам определить эти параметры с высокой точностью. Один из таких параметров описывает так называемую темную энергию – таинственную субстанцию, предположительно, отвечающую за ускоренное расширение Вселенной.

    В новом исследовании, используя данные телескопа Planck, ученые проанализировали ряд теорий, включающих представление о темной энергии, и основанных на модифицированной теории гравитации — а значит, ставящих под сомнение доминирующую в настоящее время гравитационную теорию Эйнштейна — и выяснили, что гравитационная теория немецкого физика на сегодняшний день сохраняет свои позиции и не требует коренного пересмотра. Однако, отмечают ученые, некоторые небольшие отклонения от стандартной космологической модели все же были ими зафиксированы, и это ставит перед новыми исследованиями задачи по более строгой проверке полученных в результате наблюдений данных.

    Публикация появилась в журнале Astronomy & Astrophysics". (06 марта 2015, 07:10:18). http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=7000

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Общая теория относительности и квантовая механика несовместимы, когда дело доходит до гравитации

      "...Это исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review D, было проведено под руководством Цинди Вонгом, аспирантом кафедры физики и астрономии в UBC. Под руководством профессора Уильяма Унру (того самого, который предложил эффект Унру) и при помощи Чжэнь Чжу (другого аспиранта UBC), они бросили на темную энергию новый взгляд.

      Команда начала с рассмотрения несоответствий, возникающих из двух основных теорий, которые вместе объясняют все явления природы во Вселенной. Эти теории — не что иное, как общая теория относительности и квантовая механика — объясняют, как Вселенная ведет себя на самых больших масштабах (звезды, галактики, кластеры) и наименьших (субатомные частицы).

      К сожалению, две этих теории несовместимы, когда дело доходит до небольшого вопросика, известного как гравитация. Ученые до сих пор пытаются объяснить ее с точки зрения квантовой механики. Существование темной энергии и расширение Вселенной — еще одна точка разногласий. Во-первых, кандидатские теории вроде энергии вакуума, которые являют собой самые популярные объяснения темной энергии, имеют серьезные несоответствия.

      Согласно квантовой механике, энергия вакуума должна иметь невероятно большую плотность энергии. Но если это так, то из общей теории относительности вытекает, что эта энергия должна иметь невероятно сильный гравитационный эффект, которого было бы достаточно, чтобы Вселенная взорвалась в размерах.

      «Проблема в том, — считает профессор Унру, — что любой наивный расчет энергии вакуума выдает огромные значения...»" ("Флуктуации пространства и времени: предложено новое объяснение темной энергии". (29 мая 2017 года). https://hi-news.ru/science/fluktuacii-prostranstva-i-vremeni-predlozheno-novoe-obyasnenie-temnoj-energii.html

      Удалить