Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Во второй половине XX века теория струн (физическая теория, описывающая элементарные частицы не как точки, а как одномерные вибрирующие объекты – струны) была предложена в качестве объединяющей теории основ физики. Однако теория струн не оправдала возложенных на неё ожиданий. Именно поэтому научному сообществу необходимо пересмотреть современные представления об элементарных силах и частицах.
С первых дней создания общей теории относительности (теория гравитации Эйнштейна, описывающая как результат искривления пространства-времени массой и энергией), ведущие физики, как Альберт Эйнштейн и Эрвин Шрёдингер, пытались объединить теорию гравитации и электромагнетизм. В течение XX века было предпринято множество попыток, в том числе Германом Вейлем.
Наконец, физики нашли единую концептуальную основу, позволяющую вписать теорию электричества и магнетизма в чисто геометрическую теорию. Это означает, что электромагнитные и гравитационные силы являются проявлениями возмущений и искривлений геометрии пространства-времени (единого четырёхмерного континуума, объединяющего пространство и время).
Мечты о единой теории поля и нелинейные уравнения Максвелла
Целью Эйнштейна было объяснить электромагнетизм как геометрическое свойство четырёхмерного пространства-времени.
Он продолжал эту работу до своей смерти в 1955 году, но так и не завершил её. Артур Эддингтон, Теодор Калуца и другие также предлагали свои теории объединения гравитации и электромагнетизма, но ни одна из них не стала общепринятой.
Шрёдингер, отец квантовой механики, представил свою единую теорию поля (гипотетическая физико-теоретическая концепция, призванная описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций) в 1940-х годах, но без успеха. Было предложено множество различных подходов, включая пятимерные теории и теории, основанные на асимметричных метриках.
В новом подходе электрический заряд и электрические токи, а также электромагнитные силы, рассматриваются как чисто геометрические и неотъемлемые (имманентные) свойства самого пространства-времени, а не как некие внешние объекты. Этот подход разделял физик Джон Уилер в своей концепции геометродинамики.
Оказывается, четырёхмерный электромагнитный потенциал действительно является составной частью метрического тензора пространства-времени (математический объект, который описывает геометрию пространства-времени, в частности, расстояния и временные интервалы между близкими точками).
Используя подход из вариационного исчисления, физики предложили эстетически привлекательную геометрическую формулировку электромагнетизма.
Когда вариация метрического тензора оптимизируется с помощью функциональных производных, необходимые условия оптимальности приводят к новому, нелинейному обобщению уравнений Максвелла (фундаментальные уравнения, описывающие электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в классической электродинамике).
В классической теории электромагнетизма уравнения Максвелла, управляющие электрическими и магнитными полями, являются линейными дифференциальными уравнениями в частных производных.
В новом подходе требуется, чтобы оптимальные метрики были гармоническими, что приводит к нелинейным уравнениям поля для электромагнитных потенциалов, а уравнения Максвелла выступают как частный линейный случай. Уравнения поля при этом корректно описывают динамику электромагнитного поля.
Обобщение геометрии решает загадку
Когда Альберт Эйнштейн формулировал свою теорию гравитации, он использовал математический аппарат, известный как псевдориманова дифференциальная геометрия (математическая основа общей теории относительности).
Во время нового исследования учёные обнаружили, что псевдориманова геометрия недостаточно обща для построения чисто геометрической теории электромагнетизма. Требовалась более общая дифференциальная геометрия.
Чисто локальная геометрия была изобретена в 1918 году известным немецким математиком Вейлем. Физики взяли идеи Вейля и объединили их со своими предыдущими исследованиями по этой теме, и, похоже, загадка начала поддаваться решению.
В геометрии Вейля (обобщение римановой геометрии, позволяющее локально изменять масштаб длин) длины являются локальными свойствами пространства-времени, что согласуется с принципами теории относительности.
Исследователи обнаружили, что геометрия Вейля позволила им исследовать локальное сжатие пространства-времени. Те же результаты были получены в их же исследовании с использованием так называемой геометрической алгебры. Таким образом, геометрическая алгебра и геометрия Вейля представляются одинаково применимыми для формулирования геометрической теории электромагнетизма.
Электрический заряд как локальное сжатие пространства-времени
Было обнаружено, что в дополнение к новым нелинейным уравнениям поля, электрический заряд связан с локальной дивергенцией (расхождением) или сжатием пространства-времени.
Следовательно, заряд — это поле, имеющее собственные законы движения. Показано, что известный закон силы Лоренца, определяющий силы, действующие на заряженные частицы, является условием движения пробной частицы по геодезическим (кратчайшим или экстремальным линиям в искривлённом пространстве-времени, аналог прямых линий в евклидовом пространстве), так же как и в общей теории относительности.
Эта особенность завершает геометрическое описание электромагнетизма.
Выводы
Новые результаты указывают на то, что свет и всё электромагнитное излучение на самом деле являются колебаниями самого пространства-времени.
Возвращаясь к старым теориям «эфира», похоже, Эйнштейн был прав, заключив, что «эфир» — это и есть пространство-время. Электрический заряд представляет собой локальное сжатие пространства-времени, а силы, действующие на электрические заряды, соответствуют движению по кратчайшим путям, то есть по геодезическим.
Теперь физики полагают, что доступна достаточно полная геометрическая теория электромагнетизма для дальнейших исследований. Более того, предположение о флуктуациях пространства-времени в метрическом тензоре на планковских масштабах (чрезвычайно малые масштабы порядка 10⁻³⁵ м и 10⁻⁴³ с, где, как ожидается, становятся существенными квантовые эффекты гравитации) приводит к случайно флуктуирующему электромагнитному полю в вакууме.
Модель предсказывает случайные флуктуации электромагнитного поля на планковских масштабах и, следовательно, случайное рождение и аннигиляцию заряда на планковском масштабе из-за случайной ковариантной дивергенции электромагнитного четырёх-потенциала.
Наконец, теория предсказывает «силы», действующие на заряды даже в отсутствие электромагнитного поля, то есть она объясняет и предсказывает эффект Ааронова — Бома (квантово-механическое явление, при котором на заряженную частицу влияет электромагнитный потенциал даже в области, где напряжённости электрического и магнитного полей равны нулю).
Поделись видео:
