Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

Размышления о природе гравитации увлекли Эйнштейна, когда ему было немногим более 25 лет, и не оставляли в течение всех последующих 50 лет его жизни. Он довольно быстро уяснил себе глубокую связь, существующую между гравитацией и пространством. Более того, открытые незадолго до этого Лоренцем формулы для перехода от одной движущейся системы координат, к другой говорили, что пространство нельзя рассматривать отдельно от времени. Три пространственные координаты и время входили в эти формулы так симметрично, что можно было говорить об едином четырехмерном пространстве-времени. Но с каким конкретным свойством пространства-времени следует связать силу тяготения, оставалось неясным.

Помог профессор математики Цюрихского политехникума Марсель Гроссман, с которым Эйнштейн дружил еще в студенческие годы. Один их общий знакомый вспоминал впоследствии, как, приехав однажды в Цюрих, усталый, измученный безуспешными попытками найти адекватное математическое выражение своей идее, Эйнштейн обратился к своему другу:

— Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума!

Цюрихский математик слабо разбирался в физике, зато хорошо был знаком с теорией искривленных многомерных пространств, разработанной Риманом. Выслушав Эйнштейна, он сразу сообразил, что это как раз то, что ему нужно.

Чтобы создать теоретическую механику, Ньютону потребовалась совершенно новая область математики — дифференциальное и интегральное исчисление. Максвелл в основу своей электромагнитной теории положил новый математический аппарат — многомерные дифференциальные уравнения. Гравитационная теория продолжила эту тенденцию и ввела в физику многомерную риманову геометрию. Мощный математический аппарат помог Эйнштейну продвинуться очень далеко в понимании свойств гравитационного поля. Именно тогда Эйнштейн пришел к основным идеям общей теории относительности и к самой главной мысли о том, что силу тяготения следует связать с кривизной нашего пространства. Уравнения же этой теории вывел Гильберт.

Он был старше Эйнштейна почти на 20 лет, и это к нему по праву перешел от Гаусса негласный титул «короля математиков». Идеи Гильберта оказали на современную математику такое же влияние, как идеи Эйнштейна на физику. Но, пожалуй, самым важным, что сближало этих ученых, было то, что они оба стремились найти единую, цельную картину мироздания. Идеалом Эйнштейна была теория некоего единого поля, из которой, как частный случай, можно было бы вывести уравнения для всех известных нам частиц и связывающих их взаимодействий. Гильберт старался вывести всю математику и даже физику из нескольких максимально общих исходных аксиом. И хотя эти идеи оказались неосуществимыми — природу одной теорией описать нельзя,— метод Эйнштейна и Гильберта оставил глубокий след в науке.

Уравнения гравитационного поля Гильберт вывел почти одновременно с Эйнштейном; исходя из идей Эйнштейна, он опередил его всего лишь на две недели. Поэтому главные уравнения общей теории относительности мы называем уравнениями Гильберта—Эйнштейна (хотя сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании этой теории).

Уравнения Гильберта—Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Новые уравнения предсказывают и позволяют рассчитать огромное количество новых физических явлений, в том числе и самое грандиозное явление, которое мы можем сейчас себе представить — Биг Бэнг. И вместе с тем всего лишь несколько ее предсказаний могут быть проверены на опыте или с помощью астрономических наблюдений. Остальные же либо находятся за пределами точности наших приборов, либо относятся к космическим объектам, которые еще только предстоит открыть. Даже черные дыры еще по-настоящему не подтверждены наблюдениями. Поэтому главным козырем общей теории относительности в ее конкуренции с другими, более поздними теоретическими построениями, которые тоже согласуются со всеми наблюдаемыми фактами, могла бы быть лишь большая и логическая последовательность и внутренняя непротиворечивость. Но в этом смысле она небезупречна.

Теория эта завоевала признание не сразу — уж очень необычными были ее выводы. Но постепенно к ним привыкли, и теория прочно утвердилась в учебниках. Вместе с квантовой механикой она сегодня составляет основу наших представлений об окружающем мире. И как это иногда бывает, стрелка общественного мнения (а оно и в науке играет важную роль) качнулась в другую сторону: недоверие к теории сменилось преклонением перед ней. Ее стали рассматривать как некий идеал — образец для всех других физических теорий. «Ни один вопрос,— писал один известный физик,— не остаётся в ней без ответа, нигде нет трудностей или неясностей даже в малейших деталях; если бы вся теоретическая физика достигла такой завершенности, наступил бы «седьмой день творения» для ученых и, увидев, что созданное хорошо, они могли бы отдохнуть от принципиальных вопросов и навсегда посвятить себя приложениям!»

Это, конечно, преувеличение. Курт Гёдель еще полвека назад доказал теорему о том, что в любой теории, какой бы стройной и самосогласованной она ни была, обязательно есть внутренние противоречия и вопросы, на которые она не может ответить, и общая теория относительности — не исключение. Серьезные трудности обнаружились сразу же после ее создания. Первым на них натолкнулся молодой австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Из его расчетов вытекало, что некоторые простые тела, например материальная точка или шар, создают вокруг себя поле тяготения, которое, однако, не имеет энергии — она равна нулю во всех пространственных точках. Сила тяготения есть, а энергии нет!

Еще более удивительный результат получил немецкий физик Бауэр. Он показал, что если в совершенно пустом пространстве прямоугольные декартовы координаты заменить полярными, то там сразу же появится гравитационное поле, да еще с бесконечно большой энергией. Другими словами, если в качестве системы отсчета выбрать прямоугольный угол комнаты, то тяготения не будет, а если за начало координат взять круглую люстру на потолке и характеризовать положение тел, отсчитывая от нее лучи-отрезки, то пространство немедленно оказывается заполненным гравитацией. Ничего не нужно делать, только мысленно (заметьте—мысленно!) поменять систему координат, и пожалуйста: была нулевая энергия, стала бесконечная!

Эти парадоксы были хорошо известны и самому Эйнштейну. Устранить их ему удалось лишь очень дорогой ценой. Пришлось допустить, что гравитационное поле не имеет энергии в отдельных пространственных точках. Сохраняющейся энергией обладает лишь все поле в целом, сразу во всем бесконечном пространстве. Но и этого было еще недостаточно. Пришлось запретить полярную систему координат и вообще все системы, которые не переходят на бесконечности в декартову. Но это уже плохо — чем полярная система координат хуже декартовой? Ведь результаты расчетов не должны зависеть от точки зрения наблюдателя и от способа, какими их выполняют. По мнению многих ученых, проще предположить, что формула гравитационной энергии, послужившая основой для парадоксальных выводов Шрёдингера и Бауэра, еще недостаточно точна. Быть может, исправить положение удастся в будущем?

Прошло, однако, более полувека, а все попытки найти непротиворечивое выражение для энергии тяготения — а их за это время было немало — потерпели неудачу. Неудача, правда, не обескуражила физиков. Они уже привыкли к тому, что на первых порах физическая теория часто бывает противоречивой. Так, если с помощью квантовой теории рассчитать массу или электрический заряд электрона, то в ответе получится бесконечность. Квантовая теория, оказывается, не умеет рассчитывать такие величины, и с этим пока приходится мириться. На этом фоне трудности с энергией в общей теории относительности Эйнштейна выглядели не слишком уж страшными, и многие физики считали, что их устранение можно отложить до лучших времен, тем более что гравитационное взаимодействие намного слабее других взаимодействий. Например, сила кулоновского отталкивания двух электронов в 1042 раз больше их гравитационного притяжения. Это означает, что если бы электромагнитные силы, притягивающие электрон к атомному ядру, вдруг ослабли до уровня гравитационных, то атом водорода вырос бы до размеров чуть ли не всей Вселенной.

Можно, можно подождать! Звездолеты, которым для навигации понадобилась бы общая теория относительности, летают пока лишь на страницах научно-фантастических романов; теория имеет, скорее, философское, нежели физическое значение.

Так думали долго. Но в последние десятилетия начали возникать и физические вопросы, на которые нельзя ответить без этой теории. Без нее нельзя рассматривать развитие Вселенной в первые минуты после Большого взрыва, когда устанавливался химический состав и распределение вещества и антивещества в нашем мире (не говоря уж о более ранних периодах «кристаллизации» правещества). Формулы, теории относительности нужны для описания свойств квазаров, для расчетов опытов с гравитационными волнами, для решения проблем «суперобъединения» гравитационного и других полей. Вопрос об энергии поля тяготения стал одним из основных.