Фейнмановские лекции по гравитации

Наконец, существует вопрос о том, как должны быть исключены члены в лагранжиане, включающие в себя производные выше второго порядка от тензора ℎ_μν. В лекциях Фейнмана этому вопросу уделено очень мало внимания, за исключением замечания в разделе 6.2, что включение членов с двумя производными (или менее) приведёт к ”наипростейшей” теории. (См. также в разделе 10.3 связанное с этим замечание в слегка другом контексте.) Фейнман, по-видимому, не предвосхитил современную точку зрения [Wein 79], что члены с более высокими производными обязательно присутствуют в лагранжиане, но эти члены оказывают пренебрежимо малое влияние на предсказания теории, когда кривизна пространства-времени мала. Философия, лежащая в основе этой точки зрения, состоит в том, что лагранжиан эйнштейновской теории является просто ”эффективным лагранжианом”, который описывает низко-энергетическую феноменологию более фундаментальной теории - теории, которая могла бы включать в себя новые степени свободы (суперструны?) на масштабах длины порядка планковской длины 𝐿_𝑃=(𝐺ℏ/𝑎²)

^½≃10^-33 см. В эффективном лагранжиане допускаются все члены, согласованные с общими принципами, включая члены с произвольным числом производных. Тем не менее, основываясь на соображениях размерности, член с более высокими производными имеет коэффициент, пропорциональный более высокой степени 𝐿_𝑃

. Таким образом, в процессе, включающем в себя характерный радиус кривизны порядка 𝐿, члены в лагранжиане с четырьмя производными дают эффекты, которые подавлены по сравнению с эффектами, вызываемыми членами со второй производной, подавлены множителем порядка (Lp/L)

², который чрезвычайно мал для любых разумных процессов. В таком случае мы можем понять, почему усечённая теория, включающая только члены со второй производной и ниже, была бы в замечательном согласии с экспериментом.

С другой стороны, то же самое рассуждение также приводит к ожиданию появления ”космологического” члена (в котором нет производных) с коэффициентом порядка 1 в единицах 𝐿_𝑃. То, что космологическая постоянная является фактически необычайно малой сравнительно с такими наивными ожиданиями, остаётся одной из великих неразрешённых тайн физики гравитации [Wein 89].

Геометрия

После проведения исследований в целях построения разумной теории, которая описывает взаимодействия безмассовых полей спина 2 в плоском пространстве, Фейнман не отказался от того, чтобы высказать восхищение (как в разделе 8.4), что получившаяся в результате теория имеет геометрическую интерпретацию: ”… этот факт состоит в том, что поле спина 2 имеет геометрическую интерпретацию; это не является чем-то легко объяснимым, это является просто удивительным.” В лекциях 8-10 при развитии теории используется геометрический язык, который является более традиционным, чем тот подход, который использовался в его более ранних лекциях.

В разделе 9.3 Фейнман замечает, что он не знает геометрической интерпретации тождества Бианки, и он кратко описывает, как можно было бы обнаружить этот геометрический смысл. Геометрическая интерпретация, которую он представляет, была в явном виде описана в работе французского математика Эли Картана в 1928 году [Cart 28]; тем не менее, она была неизвестна широким кругам физиков, даже кругам профессиональных релятивистов в 1962 году. Эта геометрическая интерпретация была высказана на языке дифференциальных форм, на котором Фейнман не говорил. Интерпретация Картана состояла в том, что ”граница границы равна нулю”, как было в конце концов извлечено из идей Картана Чарльзом Мизнером и Джоном Уилером в 1971 году, что сделало эту интерпретацию широко доступной; см. например, часть 15 монографии [MTW 73] на техническом уровне и часть 7 книги [Whee 90] на популярном уровне.

Космология

Некоторые из идей Фейнмана о космологии имеют современное звучание. Хороший пример - это его внимание к вопросу о происхождении материи. Идея о непрерывном образовании вещества в стационарной космологической модели серьёзно не раздражает его (он замечает в разделе 12.2, что в космологии Большого Взрыва существует проблема (причём довольно неприятная), как объяснить, откуда берётся вся материя в самом начале). В разделе 1.2 и вновь в разделе 13.3 он подчёркивает, что полная энергия вселенной могла бы быть в действительности равной нулю, и что образование вещества возможно, поскольку энергия покоя вещества на самом деле сокращается энергией гравитационного потенциала. ”Дух захватывает от мысли о том, что ничего не стоит образовать новую частицу…”. Это близко к популярному взгляду на то, что вселенная есть ”бесплатный обед”, ничто или почти ничто взрывается до космологического размера, проходя через чудо инфляции [Guth 81]. Фейнман беспокоился более о необходимости несохранения барионного числа, если вселенная возникает из ”ничего”.