Устин Валерьевич Чащихин
Квантовая теория гравитации
© Устин Чащихин, 2022
ISBN 978-5-0051-1835-6
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Раздел 1. Квантование гравитационного поля
Аннотация
Впервые выведены уравнения квантовой теории гравитации, содержание все три фундаментальные постоянные – G, c и h.
Использован принципиально новый подход для вычисления кванта гравитационного поля – через поиск элементарных масс, энергии и импульса.
Теория полностью согласуется с экспериментами.
1. Отойдем от шаблонного мышления
Классическая теория гравитации Ньютона, созданная в 1687 году, содержит только одну мировую константу – гравитационную постоянную G, и имеет две границы применимости – релятивистскую и квантовую.
Релятивистская теория гравитации – общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна (1915—16) – содержит две фундаментальные постоянные – гравитационную G и скорость света в вакууме c. И потому она применима для релятивистских явлений, но имеет только одну границу применимости – квантовую.
А квантовая теория гравитации по определению должна содержать все три фундаментальные мировые константы – гравитационную постоянную G, скорость света c и постоянную Планка h. И должна быть применима для любых явлений природы, включая квантовые и релятивистские. Это – теория, которая должна объединить квантовую теорию и ОТО. Именно такая теория и создана мной и представлена в этой книге. Здесь в части 1 описаны гравитационное взаимодействие и гравитационное поле на квантовом уровне, а в части 2 выведены максимальная плотность квантовой материи и максимальная кривизна пространства-времени, решена проблема сингулярностей в черных дырах, выяснена причина Большого взрыва и предсказана неизбежность очередного Большого взрыва в результате Большого сжатия.
При этом, несмотря на отсутствие экспериментальных наблюдений, ранее была выдвинута гипотеза гравитона – предполагаемого кванта гравитационного поля, по аналогии с фотоном – квантом электромагнитного поля, которое описывается в квантовой электродинамике как бозе-конденсат виртуальных фотонов. Однако на протяжении более века с момента создания ОТО все попытки описать гравитационное поле как бозе-конденсат виртуальных гравитонов наталкивались на фундаментальные трудности и все эти теории оказались неперенормируемы, и петлевая квантовая гравитация и геометродинамика также не решили проблему [1—21]. Из недавних обзоров проблемы квантования гравитационного поля можно отметить [16]. При этом, что особо примечательно, единственный перенормируемый вариант [17] использует фейковые частицы, т.е. такой подход изначально заведомо ошибочен экспериментально. И гравитон до сих пор не обнаружен экспериментально [22—28].
И многие физики признают необходимость принципиально новых подходов для создания квантовой теории гравитации:
«для создания квантовой гравитации могут быть нужны радикально новые идеи» [10]
«Нам могут понадобиться радикальные перемены в наших вглядах или полностью новые идеи для решения задачи (квантовой гравитации).» [11]
Для создания великих научных открытий великие ученые всегда вынуждены были идти против общепринятого мнения, против догм, бросая вызов толпе – например:
* Коперник и Галилей доказывали гелиоцентризм, пока все верили в геоцентризм. И они оказались правы!
* Колумб поплыл на Запад в поисках Индии с убеждением в шарообразности Земли, когда весь мир считал Землю плоской. И Колумб тоже оказался прав!
Кого ни возьми – Магеллан, Ньютон, Максвелл, Планк и иные гении – ни один из великих ученых не был догматиком, не подчинялся стадному инстинкту. Потому что догматизм держится за старое и мешает создать новое и мешает даже понять уже созданное другими новое научное открытие. Именно поэтому догматики не только не совершают открытий, но даже и не понимают первопроходцев и тормозят развитие научного прогресса своими догмами.
Аналогично для реализации научного открытия, прорыва в любой области нам придется поступить как все гении – отойти от толпы и перебороть свой животный стадный инстинкт, признав его таким же атавизмом, как и потливость рук. Ведь мы, представители Человека Разумного – не стадо баранов, чтобы идти за толпой, подчиняясь стадному инстинкту, а мыслящие люди. Поэтому руководствоваться мы должны человеческим разумом, а не животным стадным инстинктом.
Для формирования такого подхода нам нужны критическое мышление и отход от шаблонов, привычных стереотипов в мышлении:
«Человек с некритическим умом склонен первое пришедшее ему в голову решение задачи рассматривать как окончательное…
Гибкость ума, под которой разумеется свобода мысли от предвзятых предположений и шаблонных способов решения, способность находить новые решения при изменении обстановки и условий задачи.
Гибкость ума выражается не только в свободе от сковывающего влияния трафаретных приёмов, но и в уменье разнообразить попытки решения, не повторять тех попыток, неправильность которых уже обнаружилась. Многие люди плохо справляются с решением задач, главным образом, потому, что в поисках решения они снова и снова возвращаются к способу, который первым пришёл им на ум, хотя всякий раз убеждаются в том, что этот способ ни к чему не приводит. Здесь обнаруживается своего рода «инертность» мысли: человек не умеет сдвинуть свою мысль с того пути, по которому она однажды пошла.» [29]
Поэтому давайте постараемся отойти от стадного инстинкта и шаблонного мышления и попытаемся открыть свой ум для понимания новых горизонтов.
2. Причина квантования электромагнитного поля – наличие элементарного электрического заряда
Для создания квантовой теории гравитации я применяю принципиально новый, инновационный подход – поиск элементарной массы и элементарного тензора энергии-импульса, по аналогии с элементарным электрическим зарядом в квантовой электродинамике (КЭД).
Физической причиной квантования электромагнитного поля в КЭД является то, что в природе существует минимальный, элементарный электрический заряд e, – такой, что все остальные заряды кратны ему:
Электрические заряды абсолютно всех без исключения атомных ядер и всех элементарных частиц строго кратны элементарному заряду (у трех кварков в барионе один элементарный заряд на троих, как и у двух кварков в мезоне – один на двоих, но свободных кварков нет).
В природе не существует электрического заряда, который бы не был кратен заряду электрона, все заряды ему кратны.
Электрический заряд не принимает ни хаотических, ни бесконечно малых значений, а только строго дискретные значения, кратные заряду электрона.
Именно по этой причине протон и электрон, имея одинаковый по модулю заряд, могут обменяться одним квантом электромагнитного поля – одним виртуальным фотоном. Элементарный электрический заряд может и излучить и поглотить элементарное электромагнитное поле – его квант – виртуальный фотон.
Поэтому именно значение элементарного электрического заряда и входит в уравнения и классической и квантовой электродинамики.
3. Новый подход к квантовой гравитации
Аналогичным образом для вывода уравнений квантовой гравитации я предлагаю новый подход – поискать и измерить элементарные, минимальные значения массы, энергии и импульса. И эти элементарные массу, энергию и импульс можно будет считать источником предполагаемого гравитона.
И только после измерения элементарных значений массы, энергии и импульса эти величины можно будет использовать в уравнениях квантовой теории гравитации, чтобы описать гравитационное поле на квантовом уровне.
Хочу обратить внимание читателя на важный факт по поводу квантования энергии и импульса.
В теории гравитации Ньютона источником гравитации является масса. А в общей теории относительности источником гравитационнго поля является тензор энергии-импульса – мера плотности энергии и импульса в объеме:
Поэтому для нахождения кванта гравитационного поля – предполагаемого гравитона – нам надо найти минимальные, элементарные величины массы, энергии и импульса.
Да, все мы знаем, что энергия и импульс квантованы:
И обычно физики полагают, что именно факт квантования энергии и импульса (а значит, и тензора энергии-импульса в ОТО) является очевидным аргументом в пользу гравитона и квантовой природы гравитационного поля. Но любые попытки создания квантовой теории гравитации наталкиваются на непреодолимые трудности – все эти модели неперенормируемы.
Значит, здесь тупик? В чем же проблема?
Дело в том, что вопрос квантования энергии и импульса на самом деле гораздо сложнее.
Постоянная Планка, в отличие от электрического заряда, не является ни элементарной энергией, ни элементарным импульсом.
А частота и длина волны в выражениях (3) могут принимать самые разные значения. Да, электромагнитные волны квантованы, но квант ИК света имеет меньшую энергию, чем УФ-квант, а квант УФ света имеет меньшую энергию, чем квант рентгеновского диапазона.
Следовательно, квант электромагнитного излучения (3) еще пока не является элементарной минимальной энергией, поскольку в природе существуют меньшие по значения кванты излучения других длин волн.
Поэтому вопрос существования элементарной энергии упирается не только в постоянную Планка, но также и в вопрос существования элементарной частоты. Этот вопрос физики упускают из внимания.
Именно на этом вопросе я и хочу заострить внимание читателя. Именно этот вопрос надо решить для создания квантовой теории гравитации.
Поэтому мой подход – как для построения КЭД необходим элементарный электрический заряд, также и для построения квантовой гравитации необходимы элементарные минимальные значения массы, энергии, импульса и частоты.
Для более полного понимания рассмотрим графики зависимости электрического заряда, энергии и импульса.
Рис. 1. Электрический заряд квантован.
Рис. 2. Энергия и импульс квантованы по n, но они не квантованы по частоте.
Рис. 3. Квантованный спектр энергий по n и
непрерывный спектр энергий по частоте.