§ 13. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

Мы уже говорили выше, что эйнштейновский закон связи между энергией и массой (стр. 273), берущий свое начало в специальной теории относительности нашел наиболее важные применения в области физики элементарных частиц, ядер и электронов. Массы этих частиц представляют колоссальные концентрации энергии в очень малых областях пространства.

Поэтому следует предполагать, что эти частицы должны создавать большие местные искривления пространства и соответствующие гравитационные поля. Могут ли эти поля объяснить связывающие силы, удерживающие эти частицы в форме единого целого против действий отталкивания тех электрических зарядов, которые несут эти частицы?

Оценка двух противодействующих сил — электрического отталкивания и гравитационного притяжения — оказывается разочаровывающей. Рассмотрим два электрона, расположенных на расстоянии обе силы подчиняются закону

причем величина константы равна для электрической силы [формула (46), стр. 151] гравитационной [формула (26), стр. 68], где гравитационная постоянная. Их отношение

и поскольку " -стат. (мы используем размерность заряда, указанную на стр. 151), а мы получаем огромное число —3-1042. Это, казалось бы, означает, что гравитация слишком слаба, чтобы объяснить устойчивость электрона.

Несмотря на это, Эйнштейн спустя немного времени после завершения общей теории относительности приступил к работе над единой теорией поля, которая должна была объединить законы электромагнетизма и гравитации в единую систему формул. Он постоянно надеялся, что таким путем удастся добиться не только формального объединения теорий, но и объяснить

существование элементарных частиц и их странное поведение, обычно описываемое с помощью квантовой теории.

В рамках этой книги невозможно дать представление о квантовой теории (см. стр. 284). Мы должны удовлетворяться сообщением, что эта теория, заложенная Максом Планком в 1900 г., многими своими фундаментальными достижениями обязана самому Эйнштейну. Фактически тот же самый том (1905 г.) немецкого журнала «Annalen der Physik», в котором была опубликована первая и основная статья Эйнштейна по теории относительности, содержал и его наиболее важную статью по квантовой теории, превращающую эту теорию из странной гипотезы в утверждение, доступное экспериментальной проверке. Квантовая теория представляет собой обобщение классической механики в несколько ином направлении, чем теория относительности: тогда как последняя видоизменяет наши представления о пространстве и времени, квантовая теория меняет наше отношение к понятию причинности.

Классическая теория использует дифференциальные уравнения, носящие детерминистический характер, поскольку они позволяют предсказывать будущее, исходя из настоящих наблюдений, однозначным образом. Законы квантовой теории носят статистический характер и позволяют нам предсказывать лишь вероятности будущих событий. Эйнштейн сам сделал наиболее важные шаги в этом направлении. Но когда позднее эти идеи были систематизированы в форме так называемой квантовой механики, он не принял этого пути. Он считал, что законы квантовой механики дают лишь неполное описание природы и должны быть сведены к законам детерминистического типа.

Это убеждение послужило движущей силой его неустанных попыток разработать единую теорию, в которой он предполагал дать объяснение не только существованию протона и электрона, но также всем результатам, обычно описываемым квантовой механикой. Он опубликовал большой ряд единых теорий, опирающихся на обобщение его теории метрического поля. В том же направлении работали и другие выдающиеся ученые — Вейль, Эддингтон, Шредингер. Но в день смерти Эйнштейна (1956 г.) поставленная им цель казалась такой же далекой, как и раньше.

Большинство физиков относилось к этой работе скептически. Их основной аргумент вытекал из того факта, что были обнаружены новые элементарные частицы (например, нейтрон, различные мезоны, гипероны и т. д.), которые оказались нестабильными и подобно радиоактивным атомам распадались на другие частицы. Квантовая теория поля сопоставила каждой из этих частиц определенный тип поля (поля материальных волн по де Бройлю), и единая теория, как ее предвидел Эйнштейн, должна была бы охватить все эти виды полей. Таким образом,

центр тяжести проблемы сместился, и решение ее следует теперь искать в свете гораздо более общих представлений. Но все-таки именно Эйнштейну принадлежит честь осознания важности этой проблемы — проблемы установления всеобщих законов, объединяющих в одно целое весь физический мир.

Современная наука следует Эйнштейну на пути к этому объединению, хотя и не солидарна с его убеждением, что единые законы должны носить классический детерминистический характер. Исследования ведутся в двух направлениях. Одно направление опирается на специальную теорию относительности и пытается построить универсальные законы, исходя из фактов наблюдения, в частности из самых общих свойств симметрии, присущих обнаруживаемым на эксперименте взаимодействиям различных элементарных частиц. Основное свойство новых законов заключается в их «нелинейности»: это означает, что различные члены уравнений — функции, содержащие различные степени неизвестных величин. (В качестве иллюстрации этого момента напомним, что в классической физике все законы распространения волн — например, уравнение Максвелла — линейны; это утверждение означает, что волны могут проходить друг сквозь друга без взаимодействия. Нелинейности существуют, например, в гидродинамике, описывающей движение жидкостей и газов: в ней два потока не могут налагаться друг на друга, не вызывая взаимных возмущений.) При этом в критерий правильности законов включается требование их простоты. Таков, например, подход, избранный Гейзенбергом.

Другое направление стремится установить законы, которые были бы инвариантны относительно общих преобразований, следуя, таким образом, методам эйнштейновской общей теории от» носительности. Поскольку эйнштейновские законы гравитации нелинейны, этот путь введения нелинейности (испытанный, например, Грином) представяется наиболее естественным.

Приведет ли какой-либо из этих или других методов к желанному «мировому закону» — решать будущим исследователям.