Мир вокруг нас - "Этэрнус". Страница 10

Итак, рассмотрим ключевые идеи этой теории:

Пространство-время

Одной из революционных идей, выдвинутых Эйнштейном, и положенных в основу теории относительности — было новое представление о пространстве и времени: благодаря Эйнштейну — они предстали в качестве реальных субстанций, а не просто абстрактных понятий, как раньше. Пространство и время — как бы вдруг «материализовались», при этом, они оказались неразрывно связанными друг с другом — в единое четырёхмерное пространство-время, заполняющее всё вокруг.

Будучи субстанцией, пространство-время — оказалось способно искривляться, растягиваться, сворачиваться и т. п. Это были совершенно новые, революционные представления, показавшие, в дальнейшем — свою пригодность, и ставшие основой для более глубокого описания окружающего Мира, и процессов в нём.

В теории Эйнштейна, как она понималась в начале 20-го века, присутствие вкраплений материи (т. е. любых объектов) в «ткани» четырёхмерного пространства-времени — вызывает его искривления. Например, элементарные частицы оказываются т. о. состоящими из материальных сердцевин (отсутствие последних, в начале 20-го века ещё не было показано), которые своим присутствием — неизбежно вызывают искривления пространства-времени вокруг себя.

Искривления пространства-времени, как нетрудно догадаться — и есть суть полей. Т. о. зарождается новое представление о полях, более глубокое (чем в теории поля), способное, в определённой степени, раскрыть природу полей:

Гравитационное поле, при этом — оказывается искривлением в пределах всех четырёх измерений пространства-времени (три измерения в котором — пространственные, а четвёртое — время). Однако рамки четырёх измерений — оказались слишком тесными для объяснения других видов полей. Поэтому в дальнейшем (Калуца, 1921 год), была введена дополнительная, пятая координата (принадлежащая пространству), и т. о. математическим путём получено пятимерное пространство-время, исходя из которого, естественным образом, непротиворечиво, следовало электромагнитное поле, как искривление пятимерного пространства-времени (пятое измерение которого, согласно теории Калуцы-Клейна, 1926 год, непосредственно не наблюдается, в масштабах макромира, из-за своей компактификации (= свёрнутости) на очень малых масштабах).

В дальнейшем, после открытия новых видов полей (полей 20-го века), для их объяснения, потребовалось ввести ещё большее число измерений. В итоге, к современности, пространство-время — считается, как минимум, одиннадцатимерным (7 из этих измерений — представляются свёрнутыми, как и в теории Калуцы-Клейна, чем объясняется отсутствие их проявлений в масштабах макромира).

В общем, согласно теории относительности (Эйнштейна, и её дальнейшим модификациям, или продолжениям (которые рассмотрим далее)), пространство-время окружающего нас Мира — является многомерным, а его искривления могут захватывать разное число измерений, что объясняет образование разных видов полей.

Геометродинамика

Геометродинамика (Уилер, и др.) — это расширение (усовершенствование, или продолжение) теории относительности, устраняющее вкрапления материи из первоначальной теории. В рамках геометродинамики (и её дальнейших модификаций), утверждается, что пространство-время — искривлено само по себе, извечно, а элементарные частицы — состоят т. о. лишь из искривлений пространства-времени (или их наборов (с совпадающими центрами)), и не содержат никаких материальных сердцевин, вызывающих эти искривления. Это — как раз соответствует тому, что примерно к середине 20-го века было показано, что вся энергия (и = масса) частиц — принадлежит чисто полям (которые в теории относительности и геометродинамике понимаются как искривления пространства-времени).

Итак, окружающий Мир, согласно представлениям геометродинамики — состоит т. о. лишь из искривлённого многомерного (к современности — 11-мерного) пространства-времени, и ничего больше не требует, для своего описания.

Струнные теории

Теория относительности (и её продолжения — теория Калуцы-Клейна и геометродинамика), а также квантовая механика — получили дальнейшее развитие в т. н. теориях струн (в т. ч. теориях суперструн, и М-теории). В струнных теориях, элементарные частицы — представляются подобными вибрирующим струнам, которые могут быть замкнутыми или открытыми, и существуют в рамках одиннадцати измерений пространства-времени. Различные способы колебания струн, теоретически, должны соответствовать (объяснять) спектр свойств элементарных частиц, включая массы (разные у разных частиц), заряды полей и т. п.

Итак, различные колебания одного и того же объекта, струны — представляют разные элементарные частицы, что показывает единую природу всех элементарных частиц (в т. ч. как квантов полей, т. е. ведёт к объединению полей).

В целом, частицы, в теориях струн, перестают представляться как точечные объекты (совпадающие центры напряжённости полей в теории поля, или центры искривлений пространства-времени в геометродинамике, и т. д.). Струны же, как протяжённые объекты, подверженные волновым процессам (колебаниям) — являются более глубоким представлением о частицах, т. к. позволяет говорить об их внутренней структуре, лежащей в основе наблюдаемых свойств.

Одиннадцатимерное пространство-время и существующие в нём, вибрирующие струны, конечно — «верх» отсутствия наглядности. Но ничего страшного в том нет, т. к. вся неклассическая картина Мира — лишена наглядности (а следовательно, и простоты). Зато рамки одиннадцати измерений — вмещают и непротиворечиво объясняют (или по крайней мере, описывают) все виды полей, а струнное представление об элементарных частицах — позволяет по-новому взглянуть на устройство элементарных частиц (как уже говорилось, струна предполагает определённую внутреннюю структуру элементарных частиц, и даёт возможность вывести (хоть как-то) спектр их свойств (которые, например, в квантовой механике (многие), не имеют объяснений, а только констатируются)). Т. о. вибрирующие струны, как суть элементарных частиц — имеют больший потенциал в объяснении окружающего Мира, в т. ч. элементарных частиц и (всех) полей.

В то же время, эффекты струнной структуры элементарных частиц — могут напрямую проявляться лишь на чрезвычайно малых расстояниях (порядка длины этих струн, которая близка к планковской длине (10^–33 см)), а также при очень высоких энергиях (недостижимых в имеющихся (современных) ускорителях). Поэтому точечное (для удобства) представление частиц — всё ещё является очень хорошим приближением, а струнные теории — оказывается крайне сложно проверить экспериментально, что представляется одним из основных недостатков последних.

В целом, представления о частицах и полях, в рамках струнных теорий, хотя и могут считаться наиболее продвинутыми, на неклассическом этапе — они ещё далеко недостаточно вскрывают суть вещей, и весьма далеки от реальности (что можно увидеть уже только на новом, постнеклассическом этапе, о чём — позже).

Искривления пространства и времени

Пространство, в теории относительности (и её продолжениях), как уже говорилось, имеет способность искривляться, что изображают, для удобства, на примере двухмерного пространства (искривлениями которого являются, например, холм, яма и т. п., в отличие от неискривлённого пространства — плоской поверхности). Аналогичным — считают и случай трёхмерного пространства (плюс одномерного времени, составляющего, вместе, четырёхмерное пространство-время), но только его искривление уже невозможно представить наглядно. Искривление четырёхмерного пространства-времени, а также пространства-времени больших размерностей (пяти- и даже одиннадцатимерного), можно, однако описать при помощи математических формул.

Поля, при этом, как видно — это искривления не только пространства (в рамках того или иного числа измерений), но также и искривление времени. Однако как можно представить искривление времени? Искривление времени — звучит весьма загадочно и странно, но на самом деле — это просто замедление или ускорение течения времени (тем не менее, немыслимое в рамках классических представлений).