Фишки физики. Короткие посты с описанием интересных физических феноменов в двух словах.

Позднее Ctrl + ↑

Существует ли пространство-время?

#φuωkα

Когда Эйнштейн работал над общей теорией относительности, он столкнулся с одной проблемой. Получавшаяся геометрия пространства-времени существенно зависела от выбранной системы координат, и сделать её координатно-независимой (ковариантной) никак не получалось.

Выходило так, что с заданными начальными условиями система могла эволюционировать в две разные геометрии (а то и больше), и теория никак не предсказывала, какая именно должна получиться.

Промучившись с этой проблемой целых два года, Эйнштейн наконец решил посмотреть, как будут вести себя частицы в этих разных вариантах пространства. И выяснилось, что точки, где частицы взаимодействуют друг с другом, имеют один и тот же гравитационный потенциал во всех альтернативах, несмотря на то, что траектории частиц выглядели по-разному. Более подробный анализ показал, что никакими наблюдениями отличить одну альтернативу от другой невозможно, а значит они эквивалентны и описывают одну и ту же реальность.

Отсюда он сделал вывод, что точки пространства-времени не имеют физического смысла сами по себе, пока отсутствует материя, которая через эти точки движется. Или другими словами: только встреча в одной точке двух и более материальных объектов имеет физический смысл. Таким образом пространство-время как бы строится из взаимодействий, из причинно-следственных связей.

Не все согласились с такой точкой зрения, и до сих пор ведутся жаркие дебаты. Но, кажется, это очень важный пункт для успешных теорий квантовой гравитации. Например, в теории причинной динамической триангуляции четырёхмерность пространства-времени автоматически возникает из взаимодействия элементарных симплексов — квантов пространства-времени.

Подробная история вопроса (по-английски).

Частицы с массой и без

#φuωkα

Частицы с ненулевой массой не могут разогнаться до скорости света. Происходит это потому, что чем больше скорость частицы, тем меньше ускорение, создаваемое одной и той же силой. Т. е. чем больше скорость, тем труднее частицу дальше разгонять. При приближении к скорости света это ускорение стремится к нулю, какую силу ни приложи. Ну или так: если вдруг частица разгонится до скорости света, то в формуле расчёта энергии произойдёт деление на ноль, и энергия окажется бесконечной. А это, как понимаете, невозможно.

Другое дело частицы без массы. У них, наоборот, ноль (масса) оказывается в числителе, и энергия получается нулевой. А раз нет энергии, то нет и частицы. Единственный способ выкрутиться — это летать со скоростью света. Тогда в формуле будет деление нуля на ноль, а это — неопределённость, результат может быть любым. Поэтому энергия фотона рассчитывается по другой формуле, через частоту, а не через массу, которой нет.

Математическая модель открывает также возможность для гипотетических частиц с мнимой массой — тахионов. Они, наоборот, могут двигаться только со сверхсветовой скоростью. И чем медленнее, тем больше их энергия. Но их существование под вопросом, т. к. они нарушают принцип причинности.