просто сложить известные решения для простых систем, чтобы получилось
полное решение для сложной системы. С этим связаны, например, трудности в
интерпретации содержания тензора энергии — импульса. Математический аппарат
теории настолько сложен, что почти все задачи кроме самых простейших,
оказываются неразрешимыми. Из-за та ких трудностей (возможно, они
скорее технического характера, но может быть и принципиального) ученые до
сих пор — спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, — все еще
пытаются разобраться в ее смысле.
Во - вторых, на основе ОТО были развиты два фундаментальных
направления современной физики: геометризированные единые теории поля;
релятивистская космология.
Успешная геометризация гравитации заставила многих физиков задуматься над
вопросом о сущности физики в ее отношении с геометрией. Здесь сложились две
противоположные точки зрения:
I) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно-
временного континуума. Он сам служит лишь ареной проявления. Поля и частицы
чужды геометрии мира и их надо добавить к геометрии, чтобы вообще можно
было говорить о какой либо физике;
2) в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя,
заряд, электромагнетизм и другие поля являются лишь проявлением
искривленного пространства. Физика есть геометрия.
ОТО оказалась переходной теорией между первым и вторым подходами. В ОТО
представлен смешанный тип описания реальности: гравитация в ней
геометризирована, а частицы и поля, отличные от гравитации, добавляются к
геометрии.
Многие ученые (в том числе и сам Эйнштейн) предпринимали попытки
объединить электромагнитное и гравитационное поля в рамках достаточно
общего геометрического формализма на базе ОТО. С открытием разнообразных
элементарных частиц и соответствующих им полей естественно встала проблема
включения и их в рамки подобной единой теории. Это положило начало
длительному процессу поисков геометризированной единой теории поля,
которая, по замыслу, должна реализовать второй подход — сведение физики к
геометрии, создание геометродинамики.
Анализ показывает, что там, где проявляются изменения топологической
структуры мира, топологии пространственно-временного континуума, там
фиксируется кажущееся изменение фундаментальных законов природы. Так,
происходит кажущееся нарушение причинности, когда при падении в «черную
дыру» исчезают элементарные частицы. Поэтому изучение пространства и поиск
единой теории поля имеет глобальное значение.
2.1 Возникновение и развитие квантовой физики
Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения
тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает
независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к
тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на
спектры поглощения. При выясняется, что между излучением и поглощением тела
существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются
те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил
объяснение только в квантовой теории.
Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, который гласит что для
излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре
отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел
одинаково. Другими словами, если E?T и A?T – соответственно испускательная
и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны ? и температуры
T, то
[pic] где ?(?,T) – некоторая универсальная функция ? и T, одинаковая для
всех тел.
Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все
падающие на него лучи. При определении вида универсальной функции
естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими
соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман
показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела
пропорциональна четвертой степени его температуры, однако задача
конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и
исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не
привели к успеху. Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения
классических представлений: при термодинамическом равновесии между
колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти энергия
сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на
долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся
энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.
1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил
новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула
давала полное соответствие с опытом, но её физический смысл был не вполне
понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том
случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а
определенными порциями — квантами (е). Это вело к признанию наравне с
атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового
характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической
физики.
Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии
теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для
объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе
представлений классической физики.
Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение
понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и
использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований
были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн,
продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает
одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Становилось все
более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения
нельзя объяснить с позиций классической физики. В 1912 г. А.Пуанкаре
окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической
механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный
язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это
появилось позже — вместе с созданием и развитием квантовой механики.
2.2 Создание нерелятивсткой квантовой механики
Такие новые, представления и принципы были созданы плеядой выдающихся
физиков XX в. в 1925—1927 гг. В. Гейзенберг установил основы так называемой
матричной механики; Л. де Бройль, а за ним Э. Шредингер разработали
волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая
механика — различные формы единой теории, получившей название квантовой
механики.
В 1926 г. Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой
механики в матричной форме. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна
ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые
непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях
(«наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) — частотой
излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т.п.
«Ненаблюдаемые» величины, такие, как координаты электрона, его скорость,
траектория, по которой он движется, и т.д., не следует использовать в
теории атома.
Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна
определенным образом соответствовать классическим теориям, соотношения
величин новой теории должны быть аналогичными отношениям классических
величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую
ей квантовую величину и пользуясь классическими соотношениями, составить
соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами.
Такие соответствия могут быть получены только из операций измерения.
Анализируя закономерности измерения величин в квантовой метке, Гейзенберг
приходит к важному принципиальному результату о невозможности
одновременного точного измерения двух канонически сопряженных величин и
устанавливает так называемое соотношение неопределенностей. Этот принцип
является основой физической интерпретации квантовой механики.
Второе направление в создании квантовой механики сначала развивалось в
работах Л. де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных
частиц. На основании уже установленного факта одновременно и
корпускулярной, и волновой природы света, а также оптико-механической
аналогии де Бройль пришел к идее о существовании волновых свойств любых
частиц материи. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея
волн, связанных с материальными частицами, не обратили серьезного внимания.
Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с
«удивлением, к которому, несомненно, примешивать какая-то доля
скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно
сильное влияние идеи де Бройля оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в
них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г.
Шрёдингер, развивая идеи Бройля, построил так называемую волновую механику.
В квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Так,
например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну,
длина которой зависит от скорости. Там, где укладывается целое число длин
волн электрона, волны складываются и образуют боровские разрешенные орбиты.
А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют
впадины, там орбиты не будут разрешены.
Волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение в 1927
г., когда К.Дж. Дэвиссон и П. Джермер обнаружили явление дифракции
электронов. Кроме того, выяснилось, что правильно и количественное
соотношение для длин волн де Бройля. Квантовая механика — теоретическая
основа современной химии. С помощью квантовой теории удалось построить
также совершенные теории твердого тела, электрической проводимости
термоэлектрических явлений и т.д. Она дала основания для построения теории
радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики.
2.3 Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности
Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математический
аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие
