Physik? Зачем нужно? И нужно ли?

Vielleicht, прежде чем говорить о квантовой гравитации, придётся поговорить просто о гравитации.

Гравитация, или тяготение, притяжение (к Земле) – это то, что каждый осваивает на собственном опыте едва на свет появившись. В школе мы узнаем, что на эту тему оказывается и теории существуют. Пожалуй каждый может рассказать историю про Ньютона и яблоко. Многие, wenn nicht alle, слышали также и про Эйнштейна, который такую простую и понятную вещь сумел запутать так, что добился всеобщего поклонения.

Что же такое гравитация в обычном, всем понятном представлении? Wie was – в каком бы месте мы, или любой предмет не находились, всюду имеется сила, стремящаяся привести нас в непосредственное соприкосновение с поверхностью земли, полом – со всем тем, что находится между нами и Землей. Да и стоя на поверхности, о наличии этой силы мы не забудем. Давит она вниз – und Punkt. В теории Ньютона эта сила называется гравитационной и имеется в любой точке (anders, natürlich) вне любого массивного тела. Она-то и удерживает такие тела, z.B, планеты и звезды рядом друг с другом. So, первая и привычная точка зрения на гравитацию – это представление о ней как о силе. Причем о силе всеобщей, которая действует на всё и вся вблизи Земли. И довольно особенной, потому что она никогда не отталкивает, а только притягивает.

Силы же нам знакомы разные. Самое обыденное представление о них возникает из необходимости применить эту самую силу, чтобы сдвинуть что-то с места, переместить. А что значит переместить? А значит это – изменить положение одного предмета относительно других, изменить расстояния до них. Es stellt sich heraus, Was изменение расстояний между предметами и есть указание на наличие, действие сил между ними?

В обыденной жизни нам также очень часто встречается одна особенная сила, которую называют силой инерции. Наиболее ярко она проявляется при встрече с каким-нибудь препятствием, was plötzlich (oder vielleicht nicht sehr plötzlich) erscheint auf dem Weg unserer Bewegung. Denken, Nur wenige Menschen in ihrem Leben haben Sterne in ihren Augen oder sogar eine Beule auf ihrer Stirn nach einer unerwarteten Begegnung mit einer Säule vermieden, Baum oder Wand. Und wieder haben wir es getan (sehr schnell) изменение расстояния между предметами. А ведь как хорошо бывает до встречи – движение может вовсе не требовать никаких сил. Wie Галилей сумел установить, даже если расстояния от предмета до других и меняются, но меняются определённым образом, то на этот предмет никакие силы не действуют. Nämlich, если тело движется равномерно и прямолинейно. Und wenn gleichmäßig und/oder nichtlinear, dann wirken die Kräfte.

Habe es herausgefunden? Kein solches Glück. Sagen wir, Bewegen Sie sich gleichmäßig und gerade am Waggon entlang, was auf der Bahn beschleunigt, огибающей гору. Действуют на вас силы или нет? То-то и оно. Движение по природе своей относительно. Относительно чего нужно двигаться равномерно и прямолинейно, чтобы на вас гарантированно не действовали никакие силы?

Первоначальный, во времена Ньютона, ответ на это вопрос был следующий: Есть некие, самые хорошие системы отсчёта (то есть тела, an dem alle Bewegungen gemessen werden müssen). Sie werden Trägheit genannt. Nun mit gleichmäßiger und geradliniger Bewegung relativ zu diesen, и только этих систем отсчёта и не действуют на предметы никакие силы. Если относительно таких систем отсчёта тело движется неравномерно и/или не прямолинейно, dann это и означает, что на него действуют силы. Настоящие, правильные силы. Если предмет движется относительно каких-то предметов, которые в свою очередь используются как тела отсчёта, но не составляют инерциальную систему отсчёта, то на него действуют фиктивные, инерциальные силы. И это помимо настоящих, правильных сил, которых, Im Algemeinen, может и не быть. И какие же силы настоящие? beispielsweise, электромагнитные. И еще гравитационные. Те самые, которые нам здесь интересны. Вот так.

Но заметьте, фиктивные инерциальные силы могут обеспечить вам вполне реальную полноценную шишку на лбу, если вы о них забудете! aber, теория говорила именно так. Разделила силы на “настоящие” und “фиктивные”, системы отсчёта на “Gut” und “плохие”. UND, natürlich, встал вопрос – ну и какие же тела составляют хорошую, настоящую инерциальную систему отсчёта? Ответа на этот вопрос никто не нашёл! Jawohl, многие системы отсчёта претендовали на достаточно хорошее приближение к инерциальной. В начале двадцатого века наилучшим приближением к истинно инерциальной системе отсчёта считали удалённые звёзды. Но всё равно было достаточно ясно, что это не более, чем приближение. Jemand wird sagen – müßige Frage. Und die Stärke? Denn gerade mit der Lösung dieser Frage ist die Aufteilung der Kräfte in reale und fiktive Kräfte verbunden., Trägheitskräfte. Diese Frage ist also keineswegs müßig., а самый что ни на есть критический. Общая Теория Относительности и является попыткой ответа на этот вопрос. Ответ этот звучит так: Инерциальную систему отсчёта не нужно искать где-то далеко. В каждой точке пространства времени имеется целый набор инерциальных систем, локально инерциальных систем. И это есть один из постулатов теории. Основан этот постулат на наблюдении, что гравитация (напомню, одна из “настоящих” Kräfte!) вовсе не наблюдается в системе отсчёта, свободно падающей в гравитационном поле. Эйнштейн обычно пояснял это утверждение опытами, проводимыми в падающем лифте.

Так что же получается, согласно Эйнштейну, гравитация не настоящая сила, а всего лишь сила инерции, легко уничтожимая простым выбором правильной системы отсчёта? И так, и не так. Хотя и гравитация, и силы инерции оказываются практически неотличимы в очень малых областях пространства-времени, локально (dh. в данном месте), остаются две возможности провести между ними различие. Первая из них, менее принципиальная, связана с тем, что в большинстве случаев, с помощью выбора подходящей системы отсчёта силы инерции можно удалить из рассмотрения (занулить) не только в точке, но и в некоторой области. Вторая, фундаментальная, связана с тем, что гравитация имеет свои источники, dh. особые точки в пространстве времени, в которых находятся массы, создающие эти силы, притягивающие другие массы. EIN “истинно” инерциальные силы таких источников не имеют. И всё же, dann, что сила гравитации оказалась хотя бы локально уничтожима с помощью выбора подходящей Koordinatensysteme, является фундаментальным фактом. И факт этот не последний для понимания ответа на вопрос, который вынесен в заголовок этой статьи.

Общая Теория Относительности связывает проявление гравитационного взаимодействия с отличием значений компонент метрического тензора от тех величин, которые метрический тензор имеет в случае (псевдо)Евклидова пространства. Специальная Metriken (псевдо)Евклидова пространства при этом ставится в соответствие как раз той самой, идеальной, самой хорошей инерциальной системе отсчёта. Соотношение здесь взаимно однозначное – в инерциальной системе отсчёта (Koordinaten) метрика всегда (псевдо)Евклидова, umgekehrt, если метрика в некоторой системе координат (псевдо)Евклидова, то она инерциальная. Такие системы отсчёта должны быть чрезвычайно удалены от всяких тяготеющих масс. И чем ближе к некоторой массе мы находимся, тем сильнее метрика в этой точке отличается от (псевдо)Евклидовой. А что значит, метрика отличается от (псевдо)Евклидовой? Das heisst, Was wäre, wenn wir den gesamten betrachteten Bereich mit einem kontinuierlichen Koordinatengitter aus den Existenzlinien von Testkörpern füllen würden?, Referenzkörperpunkte, то она не будет состоять из параллельных и перпендикулярных линий. Где-то линии будут погуще, где-то пожиже. Notiz, метрика является образом тела отсчёта, с помощью которого и формируется система отсчёта.

Ich betone, классическое описание гравитации есть описание отличия системы отсчёта от некой эталонной, инерциальной, евклидовой (etwas präziser, pseudoeuklidisch).

Wie können wir dann Gravitationskräfte im Quantenfall beschreiben?? Schließlich hat niemand Bohrs Komplementaritätsprinzip aufgehoben, der etwas ganz Natürliches formuliert hat – alle Maße, которые мы производим, делаются классическими приборами. Это ведь не что иное, Wie утверждение о том, что любая наша система отсчёта является классической. Именно поэтому все попытки “квантовать” метрику обречены на неудачу. Метрика понятие сугубо классическое. Вот и нет до сих пор “квантовой гравитации”.

Где же выход? Электромагнитные силы хорошо описываются в квантовом приближении. Außerdem, в квантовом приближении ( там и тогда, когда взаимодействуют сравнительно небольшое число частиц) обнаружились ещё и другие силы, а точнее взаимодействия – так называемые слабые и сильные. Они тоже уже неплохо описываются в квантовом приближении. А гравитационные как же? Надо ведь и гравитационные тоже научиться описывать в этом приближении, разве нет?

Надо ли? Посмотрим на имеющуюся у нас картинку повнимательнее. В классическом приближении нам хорошо известны только две силы. Электромагнитная и гравитационная. Причём вторая в некотором смысле более общая, чем первая. In diesem Sinne, что наличие в некоторой области электромагнитных энергии-импульса обязательно означает отличие метрики в этой области от псевдоевклидовой, а значит и наличие в ней гравитации. А наоборот – Nein! Гравитация, описываемая метрическим тензором, согласно Эйнштейну есть непременный атрибут именно энергии-импульса. Электромагнитные силы накладывают некоторый отпечаток на метрику, aber sie selbst werden nicht durch die Metrik beschrieben. Einsteins Versuche, und nicht nur er, Versuche, mithilfe geometrischer Strukturen eine Beschreibung elektromagnetischer Kräfte zu konstruieren, waren nicht erfolgreich. Grund, meiner Meinung nach, была изначально неправильная интерпретация физического смысла метрики, которую отождествили с потенциалом гравитационного поля. Неизбежно появившуюся в теории аффинную связность mit Stärke identifiziert. Aber es sollte genau das Gegenteil sein. Außerdem, aufgrund erfolgreicher Anwendung zur Beschreibung der Schwerkraft, Die Metrik schien primär zu sein, absolut notwendigerweise vorhandene Struktur unter allen Umständen. Wenn die Aufmerksamkeit in der Theorie auf die Eigenschaften der affinen Verbindung gelenkt wird, легко и естественно удаётся включить в общую схему классического описания и электромагнетизм. А метрика при этом оказывается очевидным образом сугубо классическим (существующим и работающим только в классическом приближении) полем.

So, электромагнитные (лучше сказать – электрослабые) взаимодействия имеют классическое проявление. Сильные же взаимодействия в классическом приближении не имеют вообще никакого аналога. А гравитационные – не имеют аналога в квантовом приближении. О чём-нибудь это говорит?

In der Quantennäherung, всё то, что при переходе к классическому порождает метрику и электромагнитный потенциал, уже метрикой не описывается. Но продолжает описываться аффинной связностью. И классификация свойств связности при этом получается несколько другая. Свойства эти как раз те, что сейчас называются сильными взаимодействиями. In der Tat, Wir haben tatsächlich bereits eine Beschreibung der Quantengravitation. Wir nennen einfach das beste Modell, das für diese Quantenchromodynamik verwendet wird.

© Gavryusev V.G..
Die auf der Website veröffentlichten Materialien können gemäß den Zitierregeln verwendet werden.