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.

---

Пожалуй, здесь мы встречаемся с единственным по-настоящему фундаментальным противоречием современной физики, устранение которого, возможно, потребует каких-то принципиально новых концепций. В физике много неясных моментов; некоторые ее разделы до сих пор представляют собой клубок плохо стыкующихся моделей, тем не менее принципиальных противоречий между экспериментом и теорией или между отдельными ее разделами там нет. Лежащие в основе современной физики релятивистские и квантовые законы охватывают чрезвычайно широкий круг явлений, за пределы которого физикам еще не удалось выйти. Даже такие экзотические объекты, как глюоны и кварки, и те подчиняются этим законам. Но вот как обойтись без энергии, чем ее заменить — этот вопрос выводит нас далеко за рамки известных физических идей. Единого мнения, в каком направлении следует искать разгадку «энергетического парадокса», у физиков нет. Часть из них, следуя Эйнштейну, считает, что гравитационное поле вообще не имеет энергии в отдельных точках. Эта концепция станет более понятной, если мы вспомним, что в соответствии с теоремой Неттер физические процессы в неоднородном несимметричном пространстве должны протекать так, словно само пространство воздействует на находящиеся в нем тела. В теории Эйнштейна, где пространство и время имеют сложную искривленную форму, этот эффект проявляется как гравитационная сила. Из формул, полученных им, следует, что везде, где есть кривизна пространства-времени, непременно возникает тяготение. А раз так, то можно предположить, что в отличие от электромагнитного и других полей, представляющих собой пространственное распределение материи, поле тяготения — это чисто геометрическое свойство нашего мира, и поэтому понятия массы и энергии, к нему не применимы.

Гравитационное взаимодействие тел, их тяготение осуществляется волнами кривизны пространства-времени. Идея непривычная. Волна, не имеющая сама энергии, замедляет или ускоряет движение тел, то есть в конечном счете изменяет их энергию. Это одна из тех «сумасшедших» идей, которые могут привести к революции в физике. Но вот как последовательно довести эту идею до логического завершения и обойти все возникающие на ее пути препятствия, пока неясно. По мнению многих ученых, энергия и масса — слишком фундаментальные величины, чтобы можно было от них отказаться, не изучив всех возможностей. Не будем забывать о бритве Оккама! Тем более что для слабых гравитационных полей можно построить теорию в плоском пространстве, где гравитация обладает свойствами обычного материального, энергетического поля — такого же, как электромагнитное, мезонное и все другие известные нам поля. Такую теорию в середине 30-х годов создал советский физик М. П. Бронштейн. В ней физические тела притягиваются, обмениваясь квантами гравитационного поля — гравитонами.

Мысль о том, что гравитация обладает энергией, подсказывает современная теория суперобъединения, где гравитационное поле — всего лишь особое проявление единого поля. Поскольку другие его проявления имеют энергию, то кажется естественным, что она должна быть и у тяготения.

В общем, сомнений и трудностей, которые порождает отказ от энергии в общей теории относительности, много. Чтобы понять, как можно было бы их обойти, рассмотрим подробнее исходную идею Эйнштейна о чисто геометрической (пространственно-временной) природе сил тяготения. Великий физик пришел к ней, размышляя над особенностями свободного падения тел. Такие тела, например, человек в стремительно спускающейся кабине лифта, приобретают невесомость. При этом тяготение исчезает для всех тел одинаково, независимо от их массы и внутренних свойств. Получается, что гравитационное поле можно полностью уничтожить, сделать равным нулю простым преобразованием системы координат — путем перехода от неподвижной системы, связанной с. Землей, к движущейся системе типа лифта. А так как материальную субстанцию преобразованием координат устранить нельзя — она будет существовать независимо от того, с какой платформы, движущейся или неподвижной, мы ее наблюдаем,— из этого, казалось бы, неизбежно следует вывод о совершенно особой, «невещественной» природе поля тяготения.

Теперь остается только шаг, чтобы окончательно связать гравитацию с геометрией, ведь четырехмерное пространство-время — единственная известная нам «нематериальная сущность» природы, и если гравитация не материя, то, значит, она действительно чисто геометрического происхождения.

Конечно, можно лишь гадать, как рассуждал сам Эйнштейн, но, если судить по его статьям и книгам, мы, надо надеяться, не слишком отклонились от истины.

Насколько же убедительными и непоколебимыми являются все эти рассуждения с современной точки зрения? Нет ли другой возможности для объяснения происходящих вокруг мае гравитационных явлений?

Прежде всего заметим, что исходное положение о полном уничтожении тяготения подходящим выбором системы координат неточно. Это можно сделать лишь теоретически, если допустить, что сила тяготения совершенно одинакова во всех точках Вселенной. Иначе полной компенсации тяготения не получается: уничтожив его в одном месте, мы сохраним и даже усилим его в других. Например, скорость пикирования самолета, достаточная для создания невесомости на Земле, слабо скажется па весе его пассажиров в условиях массивной планеты Юпитер. Более того, теперь нам известно, что некоторые виды вещества «чувствуют» гравитацию в любой системе координат, независимо от ее скорости. Такими свойствами обладают, в частности, массивные быстро вращающиеся резонансы с большим спином. Действующие на них гравитационные силы зависят от их вращения, и полностью невесомыми эти частицы никогда не бывают.

Ну а если полная компенсация гравитационного поля невозможна, то и вывод о его геометрической природе теряет убедительность 1. Это не твердое следствие эксперимента, а всего лишь гипотеза. Она может быть верной, а может и ошибочной. В принципе теорию допустимо строить на основе и других гипотез.

Советские физики, академик А. А. Логунов и его сотрудники, считают гипотезу Эйнштейна о чисто геометрической природе тяготения неверной. По их мнению, сегодня нет достаточных оснований отказываться от энергии. Они убеждены, что гравитация — такое же вещественное поле как электромагнитные волны или нейтрино. Его особенность лишь в том, что все без исключения известные нам виды материи имеют гравитационный заряд (массу) одного и того же знака, и поэтому и гравитационные взаимодействия одинаковы. Тяготение играет роль некоего всеобщего фона, на котором происходят все физические процессы.

Исходя из этих соображений, можно построить новую теорию гравитации, у которой будет замечательное свойство. Оказывается, если из ее уравнений исключить поле тяготения, в них останется его «отпечаток» — уравнения будут выглядеть так, будто искривилось, стало изогнутым первоначально плоское пространство. Другими словами, в новой теории есть две равноценные возможности: либо вещественное гравитационное поле в плоском пространстве, либо искривленное пространство-время, но уже без поля.

Но как же возможна замена гравитационного поля пространственной кривизной? Вспомним одно схожее, но более простое и наглядное явление. В строгой теории элементарных частиц невзаимодействующие, изолированные протоны — точечные объекты. Однако, изолировать, полностью заэкранировать от всех других частиц их можно лишь теоретически: на самом деле протоны всегда взаимодействуют с мезонным полем. Вся их «жизнь», все процессы, в которых они принимают участие, протекают на фоне порождаемого ими поля мезонов, и этот фон, облако окружающих их мезонов, проявляется как пространственная «размазка» их заряда и массы. Тут тоже есть две возможности: можно иметь дело с точечными протонами и связывающим их мезонным полем или же забыть об этом поле и рассматривать столкновение протонов-шариков. В «жизни» протонов мезонное поле играет роль посредника.

Вот такую же роль посредника в теории Логунова выполняет и гравитационное поле. Оно не размазывает ни массы, ни заряда тел, но зато искривляет, делает неоднородным пространство и время в их окрестности.

В новой гравитационной теории нет трудностей с энергией. От одного тела к другому взаимодействие передается с помощью вполне материальных, обладающих энергией и импульсом гравитационных волн. А в предельном случае, когда тяготение становится достаточно слабым, общая теория смыкается с упоминавшейся выше теорией гравитонов Бронштейна.

Итак, мы видим, что «простой» вопрос, сохраняется ли энергия, оказывается очень непростым. Многое здесь неясно. Проблема гравитационной энергии — настоящая загадка. Безусловно, будет еще немало споров и острых дискуссий вокруг различных подходов к ее решению. Теория, разработанная Логуновым и его сотрудниками, — только одна из возможностей в этом направлении. Да и теория Эйнштейна, несмотря на противоречия, содержит много привлекательного и не собирается сдавать свои позиции.