Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
1J J. A. Wheeler, Физический факультет, Университет штата Техас, Остин Техас.
536
Дж. Уилер
в электрическом поле заряженных ядер, описываемое волновым уравнением Шредингера, полностью объясняет все происходящее. Сотня закономерностей химии не требует для своего объяснения сотни законов физики. Все объясняет одна простая картина. Во многих случаях детально, а в других — в принципе мы объясняем с единых позиций столь различные свойства природы как устойчивость воды и спиральную конформацию фермента, существование валентности и природу кислотности, энтропию плавления и поглощение кислорода гемоглобином.
Несколько простых элементов — и все, что происходит или может произойти, выводится из этих простых элементов. Это пример всеобъемлющего описания Вселенной, которого так часто ждут от физики. Такое описание, если оно может быть дано, должно выяснить, какие типы сил и частиц могут существовать в природе. Принимая без доказательства наши современные представления о химии и твердых телах, жидкостях и газах, оно должно дать столь же детальное объяснение структуры и реакций ядер и элементарных частиц. Однако оно должно дать значительно больше. Оно должно выяснить, в каком отношении пространство и время являются изначальными концепциями, а в каком они являются вторичными, производными и приближенными понятиями. Является ли размерность 3 + 1 пространства-времени точным или только приближенным описанием действительности? И является ли Вселенная вечной, или время ее существования конечно?
Если успешное применение квантовой теории к химии и физике и впечатляющие достижения астрофизики заставляют нас задать эти далеко идущие вопросы, то необходимо со всей прямотой сказать, что физика в своем современном виде еще далека от возможности ответить на них. В настоящее время в нашем распоряжении нет окончательного представления о силах или частицах или о том, как возникла Вселенная. Еще менее ясно, какая простая, убедительная и кратко сформулированная идея лежит в основе кванта, исходя из которой можно предвидеть необходимость квантового принципа при построении мира и вывести структуру самого квантового принципа. Таким образом, фраза «квант и Вселенная» резюмирует главные неизвестные, которые предстают перед каждым, кто стремится ответить на старый вопрос об исчерпывающем описании действительности.
При рассмотрении вселенной частиц и полей естественно обратиться на мгновение ко вселенной растительных и животных форм. В этих двух царствах жизни можно увидеть изумительный порядок и симметрию. Тем не менее все эти закономерности после Дарвина были объяснены как результат случайных
//. Квант и Вселенная
537
мутаций и слепого выбора эволюции. (Cm., в частности, [9, 10].) Сегодня в физике мы также вынуждены задавать себе вопрос: «Быть может закономерности сил и полей не указывают на изначальный порядок, а возникают из субстрата, не обладающего такими закономерностями?» В особенности следующие два свойства физических законов заставляют задавать такой вопрос: 1) не вполне однозначный вывод этих законов из весьма скудных симметрийных соображений и 2) имеющиеся указания, что каждый закон, как бы широка ни была область его применимости, тем не менее может терять силу при наложении достаточно экстремальных условий. Эти «соображения о симметрии» и «изменчивости» требуїрт более внимательного рассмотрения.
Симметрия
Достижения математической физики в последние десятилетия привели ко многим заключениям, но нет более общего утверждения* чем следующее: каждый закон физики допускает наиболее компактную и наиболее простую формулировку в понятиях симметрии. Однако чрезвычайная простота такого описа* ния скрывает внутренние механизмы, которые лежат в основе этого закона. Например, простые рассуждения на основе теории групп говорят, что упругие свойства однородного изотропного вещества описываются двумя и только двумя упругими постоянными. В этом результате нельзя усмотреть никаких следов того хорошо известного обстоятельства, что эти упругие постоянные определяются вторыми производными потенциальной энергии взаимодействия множества различных атомов и молекул твердого тела. Все механизмы, обусловливающие упругость, оказываются скрытыми при ее теоретико-групповом описании. При переходе от упругости к некоторым из наиболее фундаментальных сил, которые нам известны,— гравитации, электромагнетизму и силам Янга — Миллса [41], которые, как полагают, связывают кварки в мезонах и элементарных частицах,— мы обнаруживаем столь же экономный вывод основного закона и такое же умалчивание относительно механизмов, которые обусловливают его наличие. На пространственно-временной диаграмме, изображенной на рис. 1, в\ есть «начальная пространственноподобная гиперповерхность», на которой мы полагаем заданными поле, а также сопряженный с ним импульс. Эти «начальные данные» плюс знание гамильтониана поля позволяют предсказать значения, которые поле и сопряженный с ним импульс будут иметь на последующей пространственноподобной гиперповерхности аг. Хойман и др. [22, 23] отметили, что переход от начальной гиперповерхности к конечной, как можно ожидать, будет осуществляться либо через последовательность
