Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Мы уже отмечали, что закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона для взаимодействия двух заряженных тел имеют почти одинаковый вид. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона — их массы, ну и еще константами: диэлектрической проницаемостью и гравитационной постоянной. В общем случае величина констант зависит от выбора системы единиц, и их легко можно свести к единице. Тогда законы вообще не различаются. Получается, что наряду с электрическими зарядами тела как бы имеют своеобразные гравитационные заряды, которые в точности равны их массам.

Это совершенно удивительный факт окружающей нас природы. На лекциях по физике часто приходится слышать вопрос: насколько случайны эти замечательные совпадения и не скрыта ли здесь какая-то новая фундаментальная физическая закономерность? Мы уже знаем, что факт наличия масс взаимодействующих тел в законе всемирного тяготения впервые установили Гук и Ньютон. Ньютон даже ставил специальные опыты, чтобы выяснить, насколько это соответствует действительности. Не нашли отклонений от этого правила и другие физики, применявшие значительно более точные приборы. С помощью закона всемирного тяготения можно предсказать (и этим широко пользуются астрономы) на десятки лет вперед точно, день в день, появление комет, траектории планет и многочисленных искусственных спутников. Поэтому, создавая свою гравитационную релятивистскую теорию, Эйнштейн предположил, что равенство гравитационного заряда и массы выполняется абсолютно точно и для всех видов материи.

Постулируя равенство гравитационного заряда и массы, общая теория относительности Эйнштейна с самого начала считает, что в отличие от электрических гравитационные заряды у всех тел одного и того же знака. Поэтому и действующие между ними силы всегда направлены на сближение тел. Силы противоположного направления, антигравитация, исключены там изначально, так устроена эта теория!

После создания теории относительности физики открыли много новых видов материи, включая антивещество, странные и прелестные частицы, различные типы глюонов и кварков. Однако ничего похожего на уэллсовский кейворит — фантастический материал, экранирующий гравитацию, — в разнообразнейших опытах встречено не было. Какие только измерения не выполняли ниспровергатели теории тяготения! Изучали отклонения в земном поле пучков нейтронов из атомного реактора и медленных электронов, измеряли вес сверхпроводящих дисков и хитроумных гороскопов. Результат был один, вернее, полное его отсутствие. Тут следует заметить, что в науке отсутствие результата является также не менее важным результатом. Во всяком случае, все это еще более укрепило уверенность физиков в том, что антигравитации место лишь на страницах научно-фантастических произведений.

Однако абсолютных запретов, применимых всегда и всюду, в природе не бывает, и сравнительно недавно физики, разрабатывающие варианты дальнейшего развития общей теории относительности Эйнштейна, совершенно неожиданно обнаружили, что в природе, по-видимому, действительно должно быть «антигравитационное» поле, для которого постулат о равенстве гравитационного заряда и массы принимает специфический вид.

Все эти исследования связаны с миром элементарных частиц, для которого физики накопили огромный экспериментальный материал. Анализируя его, ученые постепенно осознали удивительный факт, что слабое силовое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в атомном ядре, и электромагнитные силы являются проявлениями одного и того же физического поля. Большие надежды физики связывают с перспективой превращения силового трио в квартет путем добавления в теорию четвертого взаимодействия — гравитации. Предварительные результаты уже показывают, что в природе вполне могут действовать несколько типов гравитационных полей. На сверхмалых расстояниях они тесно связаны между собой и изменение одного сразу вызывает изменения других. Это единое поле содержит супергравитационный мультиплет — семейство нескольких взаимопревращающихся силовых компонентов. Расщепляются и становятся практически независимыми они только на больших расстояниях. Новые супергравитационные компоненты, дополняющие известное нам гравитационное поле, — пока только гипотеза, но уже сейчас они составляют один из интереснейших вопросов современной физики. А самое интересное в том, что здесь есть возможность для антигравитации. Оказывается, что такие силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это зависит от того, из чего состоят взаимодействующие тела — из вещества или из антивещества. Вещество и антивещество притягивают друг друга подобно тому, как это происходит в поле обычных гравитационных сил. А вот куски вещества, как показывает расчет, должны отталкивать друг друга!

Результат удивительный. Казалось бы, необычных сил следует ожидать между веществом и антивеществом, а получается наоборот — антигравитация возникает в веществе. Под действием гравитационных сил куча песка и куль муки должны разлететься, как при взрыве. Ничего похожего мы не наблюдаем, поэтому можно было бы предположить, что таких дальнодействующих гравитационных сил в природе вообще нет.

Вспомним, как много столетий назад Галилео Галилей изучал падение различных предметов с Пизанской башни, опровергая господствовавшее в то время мнение, что легкие тела падают быстрее тяжелых. И вот оказывается, что в вывод Галилея, возможно, придется внести уточнения!

Что касается зависимости силы от расстояния, то закон Ньютона с огромной точностью подтверждается астрономическими наблюдениями. Количественная мера притяжения, то есть гравитационная постоянная, измеряется в лаборатории, но с гораздо меньшей точностью. И вот уже некоторые экспериментальные исследования бросают тень сомнения на безупречную зависимость силы от расстояния! Умозрительные неклассические модели тяготения обсуждались теоретиками давно. В попытках уличить тяготение в отклонении от закона Ньютона во многих странах проводились тщательные измерения зависимости силы от расстояния. Оказалось, что в диапазоне от сантиметра до десяти метров величина гравитационной постоянной остается неизменной с точностью до десятой доли процента. Однако на иных — меньших и больших — расстояниях сохраняется принципиальная возможность того, что существуют отклонения от закона Ньютона.

Здесь ученых привлекли результаты многолетних измерений ускорения свободного падения тел в шахтах на разных глубинах. Такие измерения при условии хорошего знания геологических структур в окрестности шахты дают возможность независимого определения гравитационной константы, которая оказалась примерно на процент больше, чем измеренная в лаборатории с помощью весов Кавендиша. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании силы отталкивания с радиусом действия около двухсот метров, пропорциональной барионному заряду вещества. Эта гипотеза подверглась проверке данными классических экспериментальных работ. Обнаруженное эффектное согласие предсказаний гипотезы с опытом произвело в научном мире сенсацию и вызвало поток предложений новых путей проверки обнаруженного эффекта.

В теоретической физике сегодняшнего дня наиболее распространены модели, в которых все известные в природе силы возникают вследствие обмена между взаимодействующими телами некоторыми частицами — квантами действующего поля. Так, электромагнитные и гравитационные силы передаются частицами с нулевой массой покоя — фотонами и гравитонами с бесконечно большим радиусом действия, а внутриядерные сильное и слабое взаимодействия вызваны обменом массивными частицами — адронами и векторными бозонами, что делает такие силы чрезвычайно короткодействующими: лишь в пределах атомного ядра. «Пятая сила», вводимая обсуждаемой гипотезой по этой же схеме, предполагает существование частиц с исключительно малой, но все-таки отличной от нуля массой покоя. Чтобы радиус взаимодействия измерялся сотнями метров, масса частицы должна быть на 15 порядков меньше массы электрона! Таких частиц физика не знает, но обнаружение «пятой силы» как раз и означало бы их открытие. Таким образом, закон тяготения оказывается в тесной связи с физикой элементарных частиц.