ПЕРЕСМОТР ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Современные физики пытаются пойти дальше Эйнштейна.

Бейсбольный мяч и теория относительности Понятие пороговой энергии для проявления двойных релятивистских эффектов применимо только к элементарным частицам и неприменимо к состоящим из них макроскопическим объектам. Масса, эквивалентная энергии Планка, составляет всего 20 мкг. Масса бейсбольного мяча намного больше, но никаких странных «запланковских» эффектов в его поведении не наблюдается. Энергия частиц, из которых состоит этот мяч, может приблизиться к энергии Планка только при условии, что скорость полета мяча вплотную приблизится к скорости света. Только тогда будут заметны дважды частные релятивистские эффекты.

Частная теория относительности Эйнштейна, которой исполнилось 97 лет, – это одна из наиболее полных систем физических законов. В сочетании с квантовой механикой она составляет основу физики элементарных частиц, а объединившись с теорией гравитации, превращается в общую теорию относительности, которая описывает поведение черных дыр и расширение Вселенной и позволяет рассчитать поправки к траекториям спутников глобальной навигационной системы (GPS).

Время от времени какой-нибудь чудак заявляет, что дополнил или опроверг теорию относительности, но серьезные теоретики редко отваживаются поправить что-либо в самих ее основах. И все же недавно небольшая группа физиков выдвинула предположение, что назрела необходимость коренного пересмотра теории Эйнштейна.

Главное новшество – введение второй фундаментальной величины в дополнение к скорости света в вакууме, для которой принято обозначение c. Постулат о постоянстве c для всех наблюдателей – это краеугольный камень теории относительности. Когда скорость относительного движения объектов приближается к c, начинают проявляться замедление времени и сокращение расстояний.

В квантовой теории гравитации есть своя особая величина – энергия Планка, которая однозначно определяется скоростью света c в сочетании со степенью квантовых эффектов и напряженностью гравитационного поля. Для элементарной частицы энергия Планка намного превосходит любые энергии, когда-либо наблюдавшиеся в космических лучах или достигнутые в ускорителях. С приближением энергии частиц к энергии Планка существующие физические теории становятся неприменимыми, и эстафету принимает пока еще не выработанная теория квантовой гравитации, объясняющая такие удивительные явления, как «пенистость» самого пространства-времени. Теория относительности вдруг оказывается несостоятельной, поскольку по-разному движущиеся наблюдатели разойдутся во мнении о том, когда частица достигает планковского режима. Как может быть, что один наблюдатель видит частицу движущейся в обычном непрерывном пространстве-времени, а другой видит ее же скачущей через квантовую пену?

В конце 2000 г. Джованни Амелино-Камелия (Giovanni Amelino-Camelia) из Римского университета предложил пересмотренную теорию относительности, в которую было введено понятие минимального расстояния, называемого длиной Планка и соответствующего энергии Планка. Поскольку в его теории используются две абсолютные константы – c и длина Планка, – Амелино-Камелия назвал ее дважды частной теорией относительности. Согласно этой теории, короткие волны, длина которых приближается к длине Планка, становятся все более нечувствительными к эффектам сокращения расстояний. Это приводит также к тому, что свет с очень малыми длинами волн начинает двигаться несколько быстрее c. Проверкой для этой теории могут стать наблюдения космических частиц сверхвысоких энергий или гамма-лучей с помощью орбитального телескопа GLAST, запуск которого намечен на 2006 г.

Изменение скорости света исключается в более новой дважды частной теории относительности, которую предложили Ли Смолин (Lee Smolin) из Периметрического института теоретической физики в Ватерлоо (Онтарио, Канада) и Хояо Магуэйо (Joao Magueijo) из Имперского колледжа (Лондон, Великобритания). Эта теория изменяет представление о том, как частица накапливает энергию и импульс при ускорении до очень высоких энергий. Смолин и Магуэйо предположили, что энергия ускоряемой частицы асимптотически приближается к энергии Планка так же, как скорость ускоряемого макроскопического тела приближается к скорости света c. Изменения физики явлений, предсказываемые теорией Смолина–Магуэйо, существенно меньше, чем в модели Амелино-Камелия, и поэтому их едва ли удастся проверить в обозримом будущем. Существует еще целый класс дважды частных теорий относительности.

Преобразования энергии и импульса более понятны, чем эффекты дискретности расстояний. Вообразите себе использование линейки со шкалой в единицах длины Планка для измерения длины бейсбольной биты. Движущийся наблюдатель будет видеть биту укоротившейся вследствии релятивистского эффекта, но если длина Планка неизменна, то на линейку со шкалой в длинах Планка движение наблюдателя не повлияет. Длины по этой линейке нельзя складывать по простым правилам арифметики. Энергии суммируются по таким же усложненным правилам.

Специалист по квантовой теории гравитации Стивен Карлип (Steven Carlip) из Калифорнийского университета заявил, что дважды частная теория относительности – это интересная идея, но он опасается, что ее авторы «ищут слишком простого решения сложной задачи» в области квантовой гравитации. Правда, он добавил: «Надеюсь, что я ошибаюсь».

Оригинал - www.sciam.ru