10.Понятие массы в современной физике. Его поливалентность. Принцип эквивалентности. Философские аспекты геометризации пространства.

Ма́сса (от греч. μάζα) — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес. Тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя).

В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а концепцию «массы» можно трактовать несколькими способами:

• Пассивная гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.

• Активная гравитационная масса показывает, какое гравитационное поле создаёт само это тело — гравитационные массы фигурируют в законе всемирного тяготения.

Инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.

Гравитационная и инертная массы равны друг другу (с высокой точностью — порядка 10−13 — экспериментально[1][2], а в большинстве физических теорий, в том числе всех, подтверждённых экспериментально — точно), поэтому в том случае, когда речь идёт не о «новой физике», просто говорят о массе, не уточняя, какую из них имеют в виду.

Принцип эквивалентности

«Все явления в гравитационном поле происходят точно так же, как в соответствующем поле сил инерции, если совпадают напряжённости этих полей и одинаковы начальные условия для тел системы».

Гравитационная масса — характеристика тел в классической механике, являющаяся мерой их гравитационного взаимодействия. Отличается по определению от инертной массы, которая определяет динамические свойства тел.

Как установлено экспериментально, эти две массы пропорциональны друг другу. Не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, поэтому новых единиц измерения для инерционной массы не вводят (используют единицы измерения гравитационной массы) и коэффициент пропорциональности считают равным единице, что позволяет говорить и о равенстве инертной и гравитационной масс.

Можно сказать, что первая проверка пропорциональности двух видов массы была выполнена Галилео Галилеем, который открыл универсальность свободного падения. Согласно опытам Галилея по наблюдению свободного падения тел, все тела, независимо от их массы и материала, падают с одинаковым ускорением свободного падения. Сейчас эти опыты можно трактовать так: увеличение силы, действующей на более массивное тело со стороны гравитационного поля Земли, полностью компенсируется увеличением его инертных свойств.

На равенство инертной и гравитационной масс обратил внимание ещё Ньютон, он же впервые доказал, что они отличаются не более чем на 0,1 % (иначе говоря, равны с точностью до 10−3)[4]. На сегодняшний день это равенство экспериментально проверено с очень высокой степенью точности (чувствительность к относительной разности инертной и гравитационной масс в лучшем эксперименте на 2009 год равна (0,3±1,8)·10−13)[1][2].

Следует различать «слабый принцип эквивалентности» и «сильный принцип эквивалентности». Сильный принцип эквивалентности можно сформулировать так: в каждой точке пространства-времени в произвольном гравитационном поле можно выбрать локально-инерциальную систему координат, такую, что в достаточно малой окрестности рассматриваемой точки законы природы будут иметь такую же форму, как и в не ускоренных декартовых системах координат, где под «законами природы» подразумевают все законы природы.

Слабый принцип отличается тем, что слова «законы природы» заменяются в нем словами «законы движения свободно падающих частиц». Слабый принцип — это не что иное, как другая формулировка наблюдаемого равенства гравитационной и инертной масс, в то время как сильный принцип представляет собой обобщение наблюдений за влиянием гравитации на любые физические объекты.

Геометризация природы

Мы убедились, насколько близка к реализации мечта Эйнштейна о построении единой теории поля на основе геометрии. В современном варианте теории Калуцы-Клейна все силы природы, подобно гравитации, рассматриваются как проявление структуры пространства-времени. То, что мы обычно называем гравитацией, обусловлено кривизной четырехмерного пространства-времени, тогда как остальные силы обусловлены кривизной пространства более высокой размерности. Все силы природы выступают просто как проявление скрытой геометрии. Еще в 1870 г. математик У. К. Клиффорд, обращаясь с мемуаром «О пространственной теории материи» в престижное Кембриджское философское общество, писал:

Небольшие участки пространства напоминают холмы на ровной в среднем поверхности... Подобные деформации (или искривления) непрерывным образом, точно волна, переходят из одной области пространства в другую... Изменение кривизны пространства и есть то явление, о котором мы говорим как о движении материи. Вообще в физическом мире не происходит ничего, кроме такого изменения.

Эти мысли звучат удивительно пророчески, если вспомнить об общей теории относительности, примерно полвека спустя созданной Эйнштейном. Однако Клиффорд, по-видимому, пошел дальше общей теории относительности, предположив, что не только силы, но и частицы вещества в сущности представляют собой всего лишь «кочки» и «ухабы» пустого пространства.

Есть глубокие основания предполагать, что вся Вселенная, включая, по-видимому, «твердое» вещество, воспринимаемое нашими органами чувств, – это всего лишь проявление извилистого ничто. Мир в конечном итоге окажется слепком абсолютной пустоты, самоорганизованным вакуумом. Геометрия сыграла роль повивальной бабки науки. Кропотливая работа многих поколений астрономов, наносивших на карты звездного неба траектории небесных тел, привела в конечном счете к ньютоновской научной революции и объяснила движение небесных светил с помощью сил и полей. Теперь круг замыкается: поля и взаимодействия получают объяснение на языке геометрии.

В начале 60-х годов американский физик-теоретик Джон Уилер, обобщив труды Клиффорда и Эйнштейна, попытался создать всеобъемлющую теорию, основанную лишь на геометрии пустого пространства-времени. Он назвал свою программу геометродинамикой. Ее цель состоит в объяснении природы как частиц, так и взаимодействий на основе геометрии.

Хорошей иллюстрацией общих идей, лежащих в основе теории Уилера, может служить его модель электрического заряда. По мнению Уилера, заряженная частица представляет собой нечто вроде входа в крошечный туннель, соединяющий друг с другом точки пространства и проходящий через другое измерение. Противоположный конец туннеля предстает перед нами как другая частица с зарядом противоположного знака. Таким образом, два конца уилеровской «кротовой норы» могли бы соответствовать, например, паре электрон – позитрон. Физики прошлого века сказали бы, что электрические силовые линии сходятся к заряженной частице и заканчиваются на ней, а в теории Уилера эти линии просто концентрируются в норе, вновь появляясь с другого конца (рис. 28). Согласно этим представлениям, в источниках электрического поля вообще нет необходимости: нужны лишь «дыры» в пространстве, засасывающие в себя электрические поля.

Геометродинамика обладает множеством подобных замечательных свойств, однако эта теория никогда не пользовалась особым успехом. Сам Уилер писал, что «наиболее очевидным недостатком теории является то, что в ней вообще нет естественного места для спина 1/2, и для частицы нейтрино в частности».

В дальнейшем Уилер пришел к убеждению, что вообще никакая теория, в которой изначально принимается существование пространства-времени, не может объяснить само это понятие. В частности, размерность пространства-времени привносится с самого начала в такую теорию и потому не может быть следствием. Любая законченная теория природы должна объяснить существование «исходного материала» – самого пространства-времени, – из которого далее строится геометродинамический мир.

Уилер предположил, что электрическая заряженная частица могла бы представлять собой торец крохотной трубки – «кротовой норы», проходящей через другое измерение пространства и соединяющейся с привычным нам трехмерным пространством в том месте, где во Вселенной находится частица с противоположным зарядом.

Уилер полагает, что подобная теория может основываться лишь на идеях квантовой физики, и предвидит время, когда мы поймем, каким образом именно квант (а не пространство-время) служит основным «кирпичиком» мироздания.

Теперь нам уже ясно, что неудача теории Уплера отчасти обусловлена тем, что она ограничивается четырьмя измерениями. При полном числе измерений, равном одиннадцати, резко возрастает разнообразие и сложность физических структур, которые удается построить. В теории Калуцы-Клейна частицы рассматриваются не как «кротовые норы», а как возбуждения пространства с одиннадцатимерной геометрией. Остается только надеяться, что саму эту геометрию удастся объяснить с помощью квантовых явлений, как это предлагается программой Уилера.