Книга: Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Назад: Расширяется Вселенная или стареют фотоны?
Дальше: Звуки физики Джаз-банда

Три фундаментальные константы c, Gи h

На космологию и на передний край физики Бронштейн смотрел, можно сказать, свысока — с такого высока, откуда видно «отношение физических теорий друг к другу и к космологической теории». Так он назвал раздел в статье 1933 года «К вопросу о возможной теории мира как целого». В размышлениях об этом вопросе, привлекая историю физики и «географию» применимости разных теорий, он опирался на особую роль трех физических констант: c, Gи h  — скорость света, гравитационная постоянная и постоянная Планка. Константы эти входят в формулировки фундаментальных теорий, необходимых, в принципе, для описания любого физического явления. Ими можно пренебречь лишь из практических соображений, если не нужна слишком высокая точность. Константы c, Gи h можно назвать фундаментальными, встроенными в фундамент мироздания. Но так было не всегда.
Скорость света c , введенная Галилеем и измеренная Ремером еще в семнадцатом веке, стала фундаментальной лишь в 1905 году в теории относительности. Гравитационная постоянная G,фактически измеренная Кавендишем в конце восемнадцатого века, а вошедшая в физику в начале девятнадцатого, обрела фундаментальность в теории гравитации-пространства-времени, завершенной в 1916 году. А постоянная h , введенная Планком в 1900 году, обрела фундаментальный статус в квантовой механике, завершенной к 1927 году.
Именно тогда, в середине 1920-х годов, Матвей Бронштейн входил в науку и вырабатывал свой cGh -взгляд на мир теоретической физики. С этой точки зрения, указанные фундаментальные теории можно называть c - теорией, cG- теориейи h - теорией. А теорию гравитации Ньютона — G - теорией. Принимая за исходный пункт исторического развития Ньютонову механику как теорию упругого удара, или физику бильярда, Бронштейн представил схемы преемственного развития и смены теорий, которые образуют cGh -карту фундаментальных теорий или (вместо глобуса) cGh -куб, изображенные на рисунке, где полужирный шрифт и сплошные рамки соответствуют теориям, уже созданным к началу 30-х годов.
cGh-карта фундаментальной физики

Иллюстрации из статьи М. Бронштейна 1933 года

 

 

 

N-теория (HM) — Ньютонова механика,
G-теория (ГН) — Гравитация Ньютона,
c-теория (ТО) — Теория относительности,
cG-теория (ГЭ) — Гравитация Эйнштейна,
h-теория (КМ) — Квантовая механика,
ch-теория (КЭ) — Квантовая электродинамика,
cGh-теория (КГ) — Квантовая гравитация.

(Полужирный шрифт и сплошные рамки соответствует теориям, уже созданным к началу 30-х годов.)
Три схемы, изображенные слева, образуют грани cGh-куба фундаментальных теорий (справа).
Что же касается теорий, создания которых ожидали, физики о них думали по-разному.
Из уважения к заслугам Эйнштейна начнем с него, хотя к началу 30-х годов его взгляды мало кто разделял. Как ни удивительно, физик, столько сделавший для развития квантовой теории и получивший Нобелевскую премию в основном за это, тогда уже, по существу, не признавал фундаментальный характер постоянной h . Уже лет десять Эйнштейн искал так называемую единую теорию поля, в которой гравитация и электромагнетизм — проявления некоего единого поля, и надеялся, что следствием этой теории станет квантовая теория и сама величина h . В 30-е годы у него остались лишь считанные сторонники.
Все другие теоретики считали h не менее фундаментальной константой, чем c , и ожидали ch -теорию для явлений, где важны h -свойства, а скорости близки к c . Таким, в частности, был гипотетический эффект покраснения фотонов, который Бронштейну удалось оценить и отвергнуть. Однако при всем почтении перед величайшим достижением Эйнштейна надо сказать, что роль гравитации в насущных проблемах тогдашней физики считалась — и вполне резонно — несущественной. Поэтому константа G в качестве основной выглядела гораздо менее убедительно, чем, например, элементарный электрический заряд, а также массы электрона и протона, из которых, как считалось к началу 30-х годов, построено все вещество.
Почти все теоретики, работавшие на переднем крае физики, свое внимание сосредоточивали на одной ch -грани cGh -куба, не заглядывая на cG -грань, на которой находились гравитация и космология. Да и Риманова геометрия, необходимая в теории гравитации, настолько отличалась от языка остальной физики, что лишь немногие ее освоили. Среди этих немногих был Бронштейн. Он понимал, что космология требует теорию явлений, в которых существенны и кванты и гравитация, то есть cGh -теорию.
Главная проблема космологии радикально отличается от обычных проблем физики и астрофизики, которые касаются многочисленных явлений, наблюдаемых в разных реализациях и с разных сторон. А Вселенная не только абсолютно единична, но — если верить теоретическим моделям Фридмана — Леметра — может быть в принципе не охватываема наблюдениями в силу своей бесконечности.
Оценить это отличие помогает пример Владимира Фока — выдающегося российского теоретика и виднейшего специалиста в теории гравитации. Он учился у Фридмана и его знаменитые статьи по космологии перевел по просьбе автора на немецкий язык для публикации в Германии. Не сомневаясь в математической правильности решений Фридмана, он не мог признать эти решения описанием Вселенной в целомименно потому, что целоеэто недоступно наблюдению.
Бронштейн студентом слушал лекции Фока и впоследствии с ним общался близко, однако космологию считал законной областью для размышлений физика-теоретика.
Для физика труднейший вопрос космологии: почему из множества возможных решений осуществилось то, которое мы наблюдаем, — расширение с определенной скоростью, радиусом кривизны и плотностью? В обычных задачах физики ответ на такого рода вопрос сводится к начальным условиям и к законам, управляющим данным явлением. В космологии ключевая проблема — как описать то начальное состояние, что привело к нынешнему — наблюдаемому — состоянию. Идея Леметра о первичном атоме и его «радиоактивном» распаде заменила формально-математическое начало яркой, но неопределенной физической метафорой. Чтобы превратить эту метафору в физику, надо было бы ответить на каверзные вопросы: почему радиоактивный распад, известный лишь для микромасштабов атомного ядра, может произойти и в мегамасштабном «ядре» всей Вселенной? Как в результате подобного распада возникла наблюдаемая однородность распределения вещества во Вселенной? И, главное, какая физическая теория управляла тем первоначальным распадом?
По мнению Бронштейна, управлять могла лишь cGh -теория.
Назад: Расширяется Вселенная или стареют фотоны?
Дальше: Звуки физики Джаз-банда

Урюк
магнитное поле влияет на свет (с) не влияет. у фотона заряд ноль. возможно имеется ввиду эффект Фарадея, но это немного другая история