Кварки, протоны, Вселенная

Барашенков Владилен Сергеевич

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.

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?