Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

СЕНСАЦИОННЫЕ «ВОЛНЫ ВЕБЕРА»

В самом конце шестидесятых годов прошлого века профессор физики Мерилендского университета (США) Джозеф Вебер сообщил о сенсационных результатах проводимых им гравитационных экспериментов. Американский ученый со всей определенностью заявил в статье, опубликованной в одном из научных журналов, что ему удалось обнаружить волны тяготения, пришедшие на Землю из центральной области Млечного Пути. До того времени было предпринято множество попыток опытного подтверждения одного из главных следствий теории гравитации Эйнштейна, но ни одна из них не была успешной. Это даже породило сомнение в справедливости некоторых выводов общей теории относительности, так что сама возможность детектирования волн тяготения стала считаться далеко не очевидной.

Вспомним теорию всемирного тяготения Ньютона. Из нее следует, что между всеми телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. Для сравнительно небольших тел «человеческого размера» гравитационные силы между ними малосущественны или даже несущественны, но в космических масштабах они определяют всю структуру Мироздания. Собственно и жизнь в глобальном масштабе определяется гравитационным полем нашей планеты, которая вращается вокруг Солнца. Ну а Солнечная система кружит вокруг галактического центра, Млечный Путь — вокруг общего центра местного галактического скопления, а оно — вокруг гипотетического сверхскопления скоплений звездных островов. И все это происходит в силу действия гравитационных сил.

Мы уже знаем, что общая теория относительности описывает вселенское кружение тел как следствие искажения массой вещества самой «ткани» пространства-времени. В общедоступной литературе по теории относительности обычно приводится упрощенная аналогия, в которой пространство наподобие эластичной пленки «прогибается» под действием масс небесных тел, образуя впадины и воронки. Например, модель Солнечной системы по Ньютону напоминает цепную карусель с планетами, удерживаемыми на своих орбитах цепями гравитации, а по Эйнштейну — это конусообразная чаша, продавленная Солнцем, наподобие кругового велотрека, в котором планеты-велосипедисты кружатся вокруг впадины центральной арены. Так общая теория относительности вводит парадоксальное представление, что кажущаяся сила тяжести на самом деле является проявлением искривления пространства-времени.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения, ведь, согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространства-времени. Волны тяготения проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью.

Гравитационные волны были теоретически предсказаны еще Эйнштейном. В их существовании физики мало сомневаются, но они всё еще дожидаются своего первооткрывателя (рис. 21 цв. вкл.).

Мир будущего — парение вне гравитации

Сверхскопление галактик

ГРАВИТАЦИОННАЯ РЯБЬ ВСЕЛЕННОЙ

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет периодически изменяться, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Величина волн, якобы зарегистрированных Вебером (и тут же получивших название «волны Вебера»), в миллионы раз превышала теоретическую величину, которая следовала из теории тяготения Эйнштейна. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрономы уже давно подозревали, что в центральной области Млечного Пути скрывается какое-то сверхмассивное тело, являющееся кандидатом в гравитационные коллапсары (рис. 22 цв. вкл.). Такая гипотетическая гигантская застывшая звезда или даже система из нескольких чудовищных черных дыр может постоянно поглощать множество окружающих звезд, выбрасывая при этом часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения. В начале нашего столетия астрофизики самым тщательным образом исследовали спектр излучения из центра нашей Галактики, подтвердив наличие кандидата в черные дыры и отринув обвинения предполагаемого коллапсара в космическом каннибализме. Таким образом, самые последние астрономические наблюдения никак не прояснили ситуацию. Тем временем вот уже полстолетия физики из всех стран мира пытаются экспериментально зафиксировать волны Вебера на разнообразных детекторах, вплоть до самых причудливых конструкций, без каких-либо значимых результатов.

Ученые до сих пор теряются в догадках, как объяснить удивительные результаты опытов Вебера. Однако надо признать, что усилия экспериментаторов не пропали даром, и хотя им не удалось непосредственно обнаружить гравитационные волны, интерес научной общественности к данной проблеме позволил начать строительство нескольких установок и даже запланировать полет космической гравитационной обсерватории. Оптимисты даже считают, что в отдаленном будущем гравитационное излучение будут не только наблюдать, но даже использовать для передачи энергии и информации.

Мощный источник гравитационных волн возник при рождении нашего мира в Большом взрыве, на стадии мгновенного расширения Вселенной — космологической инфляции. Этот процесс породил такие сверхмощные гравитационные волны, что их остатки должны были сохраниться до настоящего времени. Их открытие, несомненно, станет сенсацией, и его трудно будет переоценить, ведь в реликтовых волнах раннего этапа Большого взрыва закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной.

Реально обнаружить волны тяготения можно, найдя подходящий космический источник гравитационного излучения. В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Мощность гравитационного излучения такой системы возрастает, если траектории звезд сильно вытянуты, тем более если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.

НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ

В космосе существуют и иные периодические источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе (катастрофическом сжатии) массивных звезд, однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса мощность гравитационного излучения может составлять миллиарды миллиардов ватт! Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд. Это звезды, состоящие (кроме самого внешнего слоя — коры) не из атомов, а из элементарных частиц — нейтронов. Они образуются при очень сильном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных обычных (состоящих из газа) звезд, чья начальная масса превышает несколько масс Солнца.

Характерные размеры нейтронной звезды составляют десятки километров, а средняя плотность приближается к плотности атомных ядер (один кубический сантиметр весит тысячи тонн). Массы всех известных нейтронных звезд близки к массе Солнца. Скорость вращения нейтронной звезды может быть очень высокой и превышать 100 тысяч километров в секунду.

Из-за крошечного размера нейтронные звезды очень слабо видны даже в большие телескопы, но во многих случаях наблюдаются как источники рентгеновского излучения в тесных двойных системах звезд или пульсирующие радиоисточники (пульсары). По современным представлениям, большинство нейтронных звезд образуется при взрывах сверхновых. Наряду с черными дырами нейтронные звезды являются конечной стадией эволюции звезд большой массы.

Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками (датчиками давления) на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере.

Идея эксперимента Вебера была проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационной антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет исключить гравитационные импульсы от различного рода шумов.

В данной установке пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах вблизи абсолютного нуля.

Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Предполагается, что проходящая гравитационная волна будет деформировать пространство и изменять длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое.

Интерференционная картинка соответственно претерпит изменения, и это можно будет зарегистрировать. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — очень высокой.

Типы черных дыр

Сильным источником гравитационного излучения должны являться близко взаимодействующие черные дыры. Массы таких систем могут превышать массы тех же нейтронных звезд в миллиарды раз. Особенно интересные эффекты возникают в случае быстро вращающихся черных дыр.

АНТИГРАВИТАЦИЯ

По собственному опыту мы знаем, что материальные тела могут испытывать исключительно гравитационное притяжение. А может ли существовать в природе феномен антигравитации — отталкивания? К глубокому сожалению, современные газеты и журналы, не говоря уже о телевидении, буквально забиты подобной наукообразной рениксой. Здесь легко можно встретить весь набор глупейших заблуждений и самозабвенного фантазирования в духе барона Мюнхаузена, начиная с антигравитирующих торсионных полей и заканчивая паранормальной левитацией в «эфирных мирах». Создается впечатление, что внешне интеллигентные журналисты, пишущие на подобные темы, в действительности культурно необразованны и совершенно не знакомы с азами физической науки, не говоря уже о теории относительности Эйнштейна. Между тем пионерские исследования физиков-теоретиков полны настолько необычных, глубоко парадоксальных результатов, что рядом с ними совершенно блекнет самая изощренная фантазия.

Так, среди поразительных теоретических открытий современности можно встретить и модели антигравитационного силового воздействия. Пока еще их радиус действия определяется только микроскопическими масштабами, однако физики-экспериментаторы настойчиво ищут их проявление и на больших, макроскопических расстояниях. Насколько обоснованны выводы теоретиков? Не противоречат ли они известным законам природы? И почему до сих пор никто не обнаружил следов антигравитации?

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!

СУПЕРГРАВИТАЦИЯ

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.

Чтобы проверить барионную гипотезу, нужно оценить ожидаемое на ее основе различие в притяжении тел разного состава и сравнить с данными наиболее точных экспериментов. Практически на опыте гораздо удобнее сравнивать не взаимное притяжение двух тел в зависимости от их состава, а притяжение пробных тел к очень большому третьему телу. Впервые такой опыт поставил Галилей, измеривший ускорение свободного падения на Земле тел разного состава и веса. Если справедлив закон Ньютона, то есть если вес тела строго пропорционален его массе, то ускорение свободного падения должно быть величиной постоянной. Это и было установлено Галилеем с точностью порядка долей процента.

Отладка Большого андронного коллайдера (ЦЕРН, Женева)

Для проверки новых теорий тяготения и моделирования антигравитационных эффектов требуются новые, более сложные опыты на сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Серию таких экспериментов проводит международный коллектив физиков в Европейском центре ядерных исследований (Женева). Созданное там на Большом адронном коллайдере антивещество ученые хотят проверить на избыток веса, следующий из новых вариантов теории гравитации.

ОПЫТЫ ЭТВЕША

Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь, несомненно, пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу. Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов по проверке зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно определить, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом.

Прибор Этвеша настолько прост и в то же время точен, что во многих университетах его до сих пор используют для обучения будущих физиков тонкостям экспериментальной методики. В течение многих лет этот опыт считался одним из главных обоснований постулата о равенстве гравитационного заряда и массы тел.

Группа физиков заново проанализировала таблицы Этвеша — и, к своему удивлению, обнаружила… отчетливую зависимость изучавшегося эффекта от материала подвешенных на нитях грузов! По-видимому, она не осталась секретом для самого Этвеша, но он посчитал ее какой-то непонятной погрешностью эксперимента. Именно эти следы различий в ускорениях свободного падения и привлекли внимание авторов барионной гипотезы. Гипотеза взаимодействия через барионный заряд, по их мнению, дает ключ, с помощью которого можно попытаться разобраться в хаосе результатов Этвеша. Критический разбор барионной теории показал, что ожидаемое различие в притяжении тел разного состава может составлять тысячные доли процента, если расстояние между телами много меньше радиуса действия «пятой силы». Но в работах Этвеша пробные тела притягиваются к Земле, радиус которой в 30 тысяч раз больше предполагаемого значения радиуса действия. Это означает, что вклад в отталкивание вносят только ближайшие к пробным телам земные слои, в то время как притяжение вызывается всей массой Земли. Это обстоятельство дополнительно уменьшает ожидаемую разницу в ускорениях примерно в те самые 30 тысяч раз. Точный расчет эффекта практически невозможен, так как результат очень сильно зависит от карты распределения масс на поверхности и внутри Земли в окрестности пробных тел. Для модели Земли в виде однородного шара ожидаемый эффект в 16 раз меньше, чем полученный в опытах Этвеша.

Таким образом, дискуссия показала, что в опытах типа Этвеша (в их оригинальной постановке) ни знак эффекта, ни его величина не могут служить характерными признаками для проверки гипотезы барионного отталкивания. В пользу гипотезы говорит только само наличие эффекта и его закономерная связь с химическим составом пробных тел. Новая гипотеза прямым образом не вписывается в существующие наброски будущей объединенной теории. Поэтому экспериментальное открытие «пятой» силы привело бы к существенному пересмотру направлений поисков единой теории и, может быть, дало бы этим поискам новый решительный импульс. Физики-теоретики, складывающие мозаику экспериментальных фактов в единую картину мироздания, с надеждой ждут недостающих фрагментов, которые, быть может, окажутся ключевыми. Но надежды эти сочетаются с естественным недоверием, потому что большие открытия происходят редко. Ближайшее будущее покажет, что привлекло внимание исследователей — случайная тень на монолитном фундаменте физики или след потайного хода вглубь.

Когда речь идет об открытии такого фундаментального явления, как антигравитация, нужно семь раз проверить, прежде чем поверить. Нужны новые сложнейшие эксперименты и наблюдения, которые помогли бы выявить другие стороны явления. Например, для движущихся тел антигравитация должна быть сильнее. На быстро вращающееся кольцо на поверхности Земли должна действовать подъемная сила. Чем больше его радиус, тем большую скорость имеет его вещество; как на карусели — чем дальше от центра, тем быстрее движение. И для больших скоростей вращения и больших радиусов антигравитация будет весьма значительной.

А может, кто-то из молодых читателей станет физиком и придумает более остроумный и убедительный эксперимент? Сегодня над этой проблемой будущего размышляют во многих физических лабораториях мира.

Так, у американского писателя Р. Ф. Джоунса есть любопытное научно-фантастическое произведение «Уровень шума». Желая получить в свои руки новое оружие, военные руководители одной из противоборствующих стран решили «подстегнуть» мысль своих ученых. Группе ученых — специалистов в самых разнообразных областях науки — достоверно сообщают, что в некоторой лаборатории сделано сенсационное открытие антигравитации, но, к несчастью, изобретатель погиб при пробной демонстрации и унес тайну своего детища. В действительности все это было вымышленным тщательно продуманным сценарием, созданным психологами. Милитаристы сознательно ввели исследователей в заблуждение, сообщив, что якобы, по неопровержимым данным разведки, противная сторона овладела секретом антигравитационных сил, а это означает: считавшаяся неразрешимой задача на самом деле имеет решение и теперь надо только его найти. Ясно, оно должно быть каким-то совершенно необычным, парадоксальным, выходящим за рамки известных теорий, раз все они говорят, что это принципиально невозможно. Для убеждения ученых им предъявляют массу вещественных доказательств: библиотечку трудноразличимых обрывочных записей в разорванных и обгоревших лабораторных журналах, саму разрушенную лабораторию с массой совершенно искореженного и непонятного оборудования, противоречивые свидетельства очевидцев. Таким образом, вся художественно сконструированная ситуация основывается на вводе обширных пластов несистематизированной информации. Данные информационные посылки хаотически насыщены кажущимися случайными сведениями из разнообразных разделов науки и техники. Вообще говоря, искусственно моделируется ситуация «пересыщенного информационного раствора», основанная на развитии «квантовой» случайной психологии научного творчества.

И вот, будучи уверенными, что гипотетическое изобретение состоялось на самом деле, ученые уверенно берутся за поиск и восстановление несуществующих технических решений. И решение нашлось! Правда, это была не антигравитация, а новое отталкивающее поле, но это было уже неважно.

Итак, попытка ревизии давних экспериментов Этвеша не дала никакого определенного результата, причем общественное научное мнение явно склоняется к отрицательной оценке возможности поиска здесь новых сил отталкивания. Так может или не может существовать в природе таинственное антигравитирующее вещество, которое мы встречаем в романе Герберта Уэллса «Первые люди на Луне»? Здесь великий английский фантаст описывает полет на Луну исследователя Кейвора и писателя Бедфорда, от лица которого и ведется повествование. Кейвор с присущей ученому-энтузиасту энергией и отрешенностью от каких-либо меркантильных соображений стремится к открытию вещества, «непроницаемого для всех форм лучистой энергии». Благодаря этому фантастическому свойству, «преграждающему влияние притяжения», это вещество может защитить летательный аппарат от силы тяготения небесных тел.

Итак, Кейвор получает такое вещество (в результате случайного нарушения температурного режима и последующего сильнейшего взрыва!), Уэллсом указана даже дата этого фантастического открытия — 14 октября 1899 года. Чудесный материал получает название по имени своего создателя — «кейворит». С его помощью становится возможным космическое путешествие на Луну. В результате двое землян поднимаются ввысь и летят «так же быстро, как снаряд, пущенный в бесконечное космическое пространство». Перед ними открываются новые миры, они осваивают невесомость среди «безвоздушного, усеянного звездами неба». Затем, маневрируя кейворитовыми заслонками-экранами, они опускаются на поверхность Луны…

Если бы имелось такое вещество, то с его помощью можно было бы не только легко путешествовать по звездным мирам, самоускоряясь до субсветовых скоростей, но и создать неиссякаемые источники энергии, воплотив мечту человечества о вечном двигателе. Но вот может ли, хотя бы в принципе, существовать такой природный элемент…

Крутильные весы Этвеша

Основную часть прибора составляет легкое горизонтальное коромысло, подвешенное на тонкой платиноиридиевой проволоке. К коромыслу прикреплены два грузика, один из которых расположен ниже другого. Наблюдая за шкалой в бинокль, можно обнаружить самый незначительный поворот коромысла.

Полет шара из кейворита (Герберт Уэллс, «Первые люди на Луне»)

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ МАССА

Попробуйте задуматься — в чем же может заключаться сущность антигравитации, и после некоторых размышлений вы наверняка придете к удивительному понятию тел с отрицательной массой. Мы уже отмечали поразительное сходство ньютоновского закона всемирного тяготения и закона Кулона для взаимодействующих электрических зарядов. В одном — массы, в другом — заряды, все остальное одинаково. Поразительное сходство законов сразу наводит на мысль о том, что масса — это гравитационный заряд. Вот только почему он всегда одного знака, ведь электрические заряды бывают положительными и отрицательными, а гравитационные — только положительными. Может быть, это просто локальное свойство окружающего нас пространства и где-то в глубинах космоса существуют области антитяготения? Но тогда по каким признакам астрономы и физики должны вести поиск антигравитационной материи?

С первого взгляда может показаться, что различия в свойствах плюс- и минус-вещества не больше, чем у положительных и отрицательных электрических зарядов. Однако физический анализ показывает, что вселенные из плюс- и минусгравитирующего вещества обладали бы существенно различными свойствами. Чтобы убедиться в этом, вспомним о школьном втором законе Ньютона: ускорение тела равно действующей на него силе, поделенной на массу. У обычного и антигравитирующего вещества оно будет направлено в разные стороны, и если оттолкнуть предмет с отрицательной массой, он, наоборот, начнет приближаться. Любопытно было бы наблюдать полеты самолетов и ракет в таком мире! Все их движение происходило бы соплами вперед, а винты и турбины захватывали бы воздух в кормовой части и выбрасывали перед кабиной пилотов. А какое странное вооружение носили бы воинственные аборигены антигравитационных миров! Луки с тетивой, натягиваемой вперед, катапульты, выбрасывающие ядра назад, и очень необычное огнестрельное оружие, построенное по принципу безоткатных орудий и выбрасывающее вместе с пороховыми газами снаряды через затворную часть.

В общем, жить на планете с антигравитирующим веществом было бы совсем не просто. Известно, как трудно космонавтам научиться обращаться с предметами в невесомости, привыкнуть же к отрицательным массам было бы несравненно труднее! Получается, что законы механики в антигравитационном мире как бы имеют обратное действие, давая прекрасный сюжет для научно-фантастического повествования! Тем не менее подобная удивительная реальность вполне возможна и не противоречит ни физике, ни логике.

Чтобы понять все парадоксы мира антигравитации, надо вспомнить о двух типах физических масс: гравитационной, входящей в закон всемирного тяготения, и инертной из формулы, связывающей ускорение с силой. Создавая свою общую теорию относительности, Эйнштейн вывел очень важный принцип эквивалентности обеих масс. Этот принцип проверялся множество раз с все более возрастающей точностью, и ученые до сих пор не нашли отличия гравитационных сил от механических инерционных.

Рассмотрим взаимодействие двух тел, причем первое создает гравитационное поле и притягивает второе, как говорят, пробное тело. Ускорение пробного тела равно силе, поделенной на инертную массу, а сила притяжения пропорциональна произведению гравитационных масс обеих тел. Поскольку гравитационная и инертная массы пробного тела одинаковы, они сокращаются, и в результате получается, что его ускорение полностью определяется массой первого тела. Получается, что обычное вещество притягивает все тела независимо от того, какая у них масса, положительная или отрицательная, а вот антигравитирующая материя отталкивает от себя все другие тела, вне зависимости от вида массы. Самое же любопытное происходит при встрече обычного и антигравитирующего тел. Первое тело тянет антигравитанта к себе, а тот всячески отталкивается! Если усилия такого тандема направлены в одну сторону, то пара начинает двигаться как бы сама по себе, да еще и с ускорением!

Вот таким образом можно было бы сконструировать современный прообраз ковра-самолета или семимильных сапог. Откуда же будет браться энергия для подобных сказочных чудес? Закон сохранения энергии составляет фундамент современной физики, и любое его несоблюдение мгновенно уничтожает проекты не только до сих пор многочисленных лжевечных двигателей, но и красивых физических идей.

Однако, как это ни странно, никакие законы сохранения не нарушаются при движении системы из положительных и отрицательных гравитационных зарядов. Рассмотрим общую энергию нашей необычной системы тел. Для равных масс обычного и антигравитирующего тел суммарная энергия всегда остается равной нулю, независимо от того, движется эта пара или покоится. Отрицательная кинетическая энергия ковра-антигравитанта будет компенсировать положительную кинетическую энергию его седока, и в целом закон сохранения энергии не нарушится. В мире с отрицательными массами возникновение энергии «самодвижения» всего лишь означает ее перераспределение. Правда, в мире антигравитации должно наблюдаться множество необычных физических эффектов. К примеру, при облучении обычного вещества потоком элементарных частиц вещество тормозит частицы или даже задерживает их в себе. А вот антигравитирующие частицы при прохождении обычной материи будут только ускоряться, а их собственная отрицательная энергия возрастать по абсолютной величине. Обычное тело может стать своеобразным ускорителем элементарных частиц — антигравитантов!

Итак, в мире антитяготения действуют все те же законы сохранения, однако в природе существуют и другие фундаментальные запреты. Наиболее подозрителен с этой точки зрения принцип причинности, запрещающий объединение событий в замкнутые петли, когда, двигаясь вперед по времени, тем не менее удается попасть в прошлое. Например, больше скорости света может стать скорость движения центра тяжести двух разлетающихся в противоположные стороны тел. Если они состоят из обычного вещества, их центр тяжести всегда располагается между ними и его скорость никогда не бывает больше световой. Однако если одно из тел имеет отрицательную массу, то центр тяжести будет располагаться снаружи пары и его скорость тем больше, чем ближе по абсолютной величине массы разлетающихся тел. Для равных масс его скорость вообще будет стремиться к бесконечности. Разгадка этого парадокса связана с принципом «сверхсветового зайчика» или мнимых «сверхсветовых ножниц». Дело в том, что даже небольшое перемещение антигравитирующей массы приводит к очень резкому сдвигу центра тяжести, подобно тому как небольшое покачивание зеркальца в солнечном луче выражается в гигантских скачках светового блика — зайчика или легкое движение ручек воображаемых ножниц приводит к сверхбыстрому движению их сверхдлинных концов, скорость которого вполне может превысить световую.

Однако все эти умозрительные парадоксы нисколько не нарушают основополагающий принцип причинности. Ведь теория относительности запрещает сверхсветовое перемещение материи, энергии и информации, так как только такие процессы воздействуют на тела и происходящие с ними события. Ну а поскольку ни солнечный зайчик, ни воображаемый рычаг сверхдлинных ножниц не несут с собой ни материи, ни энергии, ни информации, то с их помощью невозможно нарушить «логику физических событий». Таким же образом движется и центр тяжести пары положительного и отрицательного гравиазарядов, напоминая перемещение мнимой математической точки.

Итак, непреодолимых запретов для антигравитирующей материи пока еще теоретически не выявлено, и есть все основания продолжать разработку данной удивительной концепции. Существует научный принцип познания окружающей природы, гласящий: все, что не противоречит известным нам законам, имеет право на существование. С этой точки зрения поиск вещества с отрицательной массой вполне оправдан. Только вот где его искать?

Впервые идея антигравитирующей материи появилась много лет назад в работах выдающегося английского физика Поля Дирака, который пытался объединить квантовую механику с теорией относительности. Он посчитал найденные решения ошибочными, поскольку они содержали отрицательные значения энергии и массы. В связи с этим идея отрицательных гравитационных зарядов долго не имела дальнейшего развития, как призрак возникая и исчезая в различных физических теориях.

В середине прошлого века исследования возможности построения теории антигравитации проводили известный английский теоретик Г. Бонди и советский физик Я. П. Терлецкий. В свое время Бонди прославился своими исследованиями звездной аккреции (падения вещества на поверхность звезд) и разработкой теории стационарной Вселенной, что и наложило отпечаток на его концепцию антигравитирующей материи. Впрочем, однозначного и убедительного ответа на вопрос о том, может ли подобное вещество существовать в природе, данные ученые так и не смогли сформулировать.

Сравнительно недавно появились новые публикации в научных журналах, возвращающие нас к интригующей загадке отрицательных масс. По мнению группы английских физиков, не исключено, что миллиарды лет назад в новорожденной Вселенной положительные и отрицательные гравитационные заряды были хаотически перемешаны. В последующем под влиянием гравитационных сил положительная материя собралась в комки планет, звезд и галактик, а отрицательная, отталкиваясь от всего на свете, распределилась более или менее однородно, образовав космические пустоши на границе Метагалактики. Если это так, то распределение вещества в мире должно быть похожим на гигантские соты с ячейками, заполненными разреженной антигравитирующей материей, и пограничными стенками из сконденсированного обычного вещества. Любопытно, что астрономы действительно наблюдают нечто похожее и не нашли еще однозначного объяснения такой субструктуре Метагалактики.

Впрочем, вполне возможно, что антигравитирующей материи в нашей Вселенной просто не осталось к настоящему времени по той же причине, почему нет небесных тел из антивещества. Эту загадку решил в свое время академик Андрей Дмитриевич Сахаров, обратив внимание на то, что античастицы при очень высоких температурах вступают в реакции чаще частиц, и поэтому при формировании материи после Большого взрыва они просто выгорели без остатка. Подобным образом могут вести себя в условиях сверхвысоких температур и разноименные гравитационные заряды, взаимодействуя с различной скоростью реакций. Поэтому вполне вероятно, что антигравитирующее вещество до наших дней практически не сохранилось.

Не вполне также ясно, почему частицы-антигравитанты никогда не рождаются в столкновениях обычных быстрых элементарных частиц. При бомбардировке мишеней разогнанными на ускорителях протонами образуются мощные ливни вторичных частиц. Среди них часто находят античастицы, но ни разу не была зарегистрирована антигравитирующая частица. Может быть, это связано с тем, что рождающиеся частицы по закону сохранения количества движения всегда движутся в одну сторону и мгновенно при этом аннигилируют? Однако очень точные и тонкие методы наблюдения в современной атомной и ядерной физике позволяют фиксировать и гораздо более быстрые процессы аннигиляции виртуальных частиц… Конечно, можно предположить, что положительные и отрицательные гравиазаряды крайне слабо взаимодействуют между собой — и поэтому в обычных столкновениях элементарных частиц антигравитанты практически никогда не рождаются. К сожалению, все это мало подкреплено теоретическими разработками и больше напоминает гадание на кофейной гуще… (рис. 24 цв. вкл.).

Ускоритель ядерных частиц

Некоторые эксперименты ставились лишь для изучения отклонений медленных нейтронов в поле земного тяготения. Ничего неожиданного они не принесли, и это еще более укрепило уверенность физиков в том, что антигравитации место лишь на страницах научно-фантастических произведений.

Космические соты Метагалактики

Многие ученые связывают образование «вселенских сот» с влиянием так называемых космических струн — необычайно тяжелых и очень тонких мембран, оставшихся от сверхплотного первичного состояния Вселенной и сыгравших роль центров, вокруг которых под действием сил всемирного тяготения происходила концентрация первоначально однородной материи. Однако некоторые теоретики считают, что антигравитация также могла сыграть свою роль, ведь существование космических струн не подтверждено экспериментами и астрономическими наблюдениями.

В ПУЧИНЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

В последние годы появилось довольно много новых космологических сценариев Большого взрыва и даже досингулярного периода. Разумеется, все они сугубо умозрительны и по-научному спекулятивны, однако среди них встречаются оригинальные обобщения теории относительности, основанные на математической теории симметрий. Подобные концепции предсказывают, что вскоре после рождения нашего мира в катаклизме первичной флуктуации он вполне мог разделиться на две части. Материальная составляющая этих половинок мира во всех отношениях должна быть подобна, так что взаимодействовать между собой они могли только с помощью гравитационного поля. Все другие заряды, отвечающие ядерным, слабым и электромагнитным взаимодействиям, у них имеют разную природу и принципиально не взаимодействуют друг с другом. Вполне возможно, что такие части расщепленной Вселенной могли бы иметь различные гравитационные заряды, оправдывая гипотезу о не взаимодействующих между собой обычных и антигравитирующих частицах.

К сожалению, вокруг проблемы антигравитации всегда была масса лженаучных слухов и выдумок. Мало того что подавляющее большинство «уфологов» считает делом чести оснастить свои призраки летающих блюдец всевозможными «антигравами» и «гравицапами», так еще и вполне респектабельные технические журналы изредка вносят свою лепту, публикуя заметки о «безумных изобретениях» малоадекватных изобретателей. Например, не так уж давно немецкий журнал «Пространство и время» опубликовал несколько заметок о совершенно фантастических опытах некоего английского инженера Д. Сэрла с быстро вращающимися дисками, состоящими из множества специальным образом сконструированных магнитов. Раскрученные до определенной скорости, такие диски якобы начинали далее вращаться сами по себе, без всяких видимых источников энергии, приобретали подъемную силу, стремительно взмывали в небо (один из них проломил даже крышу лаборатории) и, подобно таинственным НЛО, бесшумно перемещались на большие расстояния. Из приведенных в журнале свидетельств очевидцев следует, что края самораскручивающихся дисков нагревались и испускали какое-то свечение, а на месте их старта оставались вырванные комья земли. Такое впечатление, что английскому инженеру посчастливилось открыть какой-то неизвестный способ аккумуляции энергии или даже обнаружить какой-то новый вид полевых структур. Если принять на веру то, о чем сообщает журнал, то тут мы встречаемся с чем-то вроде откачки энергии из вакуума, в результате чего изменяется температура окружающего пространства, а управляемые изобретателем тела приобретают способность двигаться в любом направлении!

Неясно, как, в общем-то, респектабельный журнал мог опубликовать такую малопроверенную информацию, не имеющую к науке ни малейшего отношения. Когда журналисты из конкурирующего издания стали проверять факты, афера вокруг удивительных «дисков Сэрла» мгновенно лопнула. Оказалось, что, «к несчастью», в силу «ряда неприятных жизненных коллизий» диски были уничтожены, документация сгорела, а изобретатель хотя и вроде как бы жив, но находится в последней стадии слабоумия, так что ничем не может помочь горе-энтузиастам, рвущимся построить «дисколет Сэрла» и воспарить на нем в пространство. Тем не менее подобная чепуха порождает множество слухов и кривотолков.

Сообщения о попытках практического использования «антигравитационной энергии вакуума» можно найти и в других научных изданиях. Например, в некоторых индийских технических журналах сообщалось о «создании установки по извлечению электроэнергии прямо из пространства» инженером одной из работающих в Индии атомных электростанций. Подобно бутафорским «дискам Сэрла», она тоже использует магниты, проводящие диски и вращающиеся детали. В некоторых статьях приводятся даже некие «чертежи» машины. Но, судя по голодающим массам индийского народа (данные ООН), жуликам-инженерам не удалось добиться потока даровой энергии из «расщепленного вакуума» и создания «вакуумно-антигравитационного вечного двигателя».

Разумеется, мы прекрасно знаем, что состояние вакуума представляет собой не тривиальную пустоту, а один из видов материи с богатым внутренним содержанием, однако все попытки энтузиастов-дилетантов подручными средствами и уже сейчас овладеть его энергией априори выглядят очередным и заведомо ошибочным изобретением пресловутого «вечного двигателя». Для исследования и поиска инженерных решений здесь требуется принципиально иной технический уровень довольно отдаленного будущего, и это еще самый оптимистичный прогноз…

ЭФФЕКТЫ КАЗИМИРА

Задача сегодняшнего дня здесь — не выходить за рамки настоящей науки и тысячекратно перепроверять любое сомнительное достижение. Тем более что, как это ни удивительно, с отрицательной энергией вакуума, не зная того, мы встречаемся буквально на каждом шагу, перемещая предметы или двигаясь среди них. Речь идет о явлении, открытом в конце сороковых годов прошлого столетия голландским физиком Хендриком Казимиром. Эффект Казимира связан с воздействием вакуума на погруженные в него тела путем перераспределения энергии квантовых флуктуаций в промежутке между двумя очень близкими объектами. В своих исследованиях Казимир сравнил энергию бесконечно протяженного, не стесняемого никакими границами вакуума и его энергию в промежутке между двумя близкими пластинами. Подобно морской гавани за молом, вакуумные поля между пластинами колеблются с меньшей амплитудой, чем в открытом море «безбрежного пространства». Пластины мешают свободному рождению длинноволновых излучений (они просто не укладываются внутри щели), поэтому число флуктуаций — и, следовательно, суммарная энергия вакуума там несколько меньше. Теоретические расчеты подтвердили предположение голландского физика. Оказалось, что под действием вакуума пластины должны притягиваться друг к другу, и на малых расстояниях это притяжение оказывается значительно сильнее гравитационного, очень быстро возрастая при сближении пластин. Конечно, по бытовым меркам сила притяжения Казимира ничтожна, ведь на каждый квадратный метр полированных металлических пластин, отстоящих друг от друга на толщину человеческого волоса, действует такая же сила, какую испытывает чашка весов, на которой лежит мелкая песчинка. Впрочем, здесь важно, что повторить эффект Казимира в современных лабораториях не составляет особого труда. К тому же если бы удалось каким-либо образом сблизить пластины до атомарных расстояний, то сила притяжения сразу же выросла бы до сотен тысяч тонн на квадратный метр!

Получается, что окружающий нас вакуум содержит океаны энергии! И если энергию «открытого» вакуума принять за нулевой уровень, то его масса и энергия в промежутке между пластинами станут отрицательными. Другими словами, мы снова пришли к одному из видов антигравитирующей материи. Она образуется при любом ограничении вакуума между любыми физическими телами, а также при искривлении пространства гравитационным полем. Таким образом, получается, что наш мир буквально погружен в бездонный резервуар антигравитирующей материи! Конечно, в нашей повседневности вакуумная антигравитирующая материя совершенно незаметна, зато в масштабах элементарных частиц и Метагалактики ее влияние может оказаться весьма существенно.

Один из таких опытов готовится в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований. Предполагается взвесить… антивещество. Ведь если верна теория, то при взаимодействии вещества с антивеществом возникает усиленное притяжение и вместо компенсации происходит их усиление. Антивещество в поле тяготения Земли должно весить больше вещества. Антипротоны, образующиеся при бомбардировке мишени пучком протонов высокой энергии, будут с помощью электромагнитного поля отделяться от других частиц и накапливаться в специальной ловушке, изолированные магнитным полем от соприкосновения с веществом. Когда их накопится достаточно много, антипротонным сгустком выстрелят в расположенную сверху мишень-детектор. Если время движения антипротонов к мишени будет больше, чем для протонов, это станет прямым доказательством дополнительной гравитационной силы. Тогда должна существовать и антигравитация.

Может, получение энергии путем понижения уровня вакуума и не такая уж чушь, но сегодня гораздо актуальнее и не менее перспективно исследовать известное нам гравитационное поле, которое описывается общей теорией относительности Эйнштейна и подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Кванты этого поля, их называют гравитонами, всегда движутся со скоростью света — с максимальной скоростью, которую могут иметь материальные объекты. Их нельзя ни затормозить, ни ускорить. Вся их масса связана с энергией движения, как у частиц света фотонов. Своей собственной массы, «массы покоя», у них нет. В этом смысле гравитоны можно назвать безмассовыми частицами — как световые фотоны.

Разумеется, когда речь идет об открытии такого фундаментального явления, как антигравитация, прежде всего нужно помнить о критериях научности нового знания. При этом главным здесь, несомненно, является создание исчерпывающей экспериментальной базы. Нужны сотни и тысячи новых экспериментов и наблюдений, которые помогли бы выявить все стороны этого многогранного явления. Например, еще одна гипотетическая особенность гравитационных сил состоит в том, что они зависят от скорости тел. Для движущегося тела антигравитация сильнее, и этот эффект может существенно сказаться на свойствах космических объектов, например пульсаров — особого класса быстро вращающихся тяжелых и очень компактных звезд. Скорость вещества на их поверхности может составлять заметную часть скорости света, и свойства гравитационных сил там могут быть совсем не такими, как в земных условиях.

Вспомним, 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, да еще тем, что формула Ньютона содержит постоянный коэффициент — так называемую гравитационную постоянную. Ее величина зависит от выбора системы единиц, их можно выбрать так, что она станет единичной, тогда законы вообще не будут математически различаться. Этот факт сразу обращает на себя внимание, и на уроках физики любознательные ученики часто задают вопросы: что скрывает здесь природа — обыкновенное совпадение или еще не понятую универсальность физических законов? Исчерпывающие ответы на эти вопросы являются делом отдаленного будущего, поскольку пока еще все попытки объединить в одном законе электромагнитные и гравитационные силы ни к чему не привели.

Вообще говоря, один из главных постулатов общей теории относительности Эйнштейна, касающийся равенства гравитационных и инерционных масс, можно переформулировать как равенство неких гравитационных зарядов и соответствующих масс. Правда, тут надо сразу учесть, что в отличие от электрических зарядов их гравитационные аналоги все одного знака и всегда направлены только на сближение тел. Получается, что в соответствии с современными представлениями природа гравитационных сил описывается общей теорией относительности Эйнштейна, а подчиняются они закону всемирного тяготения Ньютона. Мы уже знаем, что кванты поля тяготения называют гравитонами, и теория предсказывает, что они должны всегда двигаться со скоростью света. Вся их масса связана с энергией движения, «масса покоя» у них, подобно частицам электромагнитного поля — фотонам, отсутствует, подобные частицы физики называют безмассовыми.

Появление квантовой механики (о которой рассказывалось в предыдущей главе) в начале прошлого века было связано с доказательством, что материя состоит из атомов. Квантовая физика требует, чтобы некоторые величины, такие, как энергия атома, могли принимать только определенные дискретные значения. Квантовая механика в точности описывает свойства и поведение атомов, элементарных частиц и связывающих их сил. Самая успешная в истории науки квантовая теория лежит в основе нашего понимания окружающего мира.

НОВЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Физики и математики очень много сделали для превращения классической теории относительности в квантовую. Например, сейчас у физиков популярна теория струн, согласно которой помимо трех хорошо известных пространственных измерений есть еще шесть или семь, которые до сих пор никому не удавалось заметить. Эти измерения очень компактно скручены наподобие пружин и «спрятаны» в глубине обычного пространства. Выявить их можно только при столкновении очень энергичных частиц. Такие эксперименты планируется провести на новых сверхмощных ускорителях элементарных частиц — коллайдерах. Теория струн также предсказывает существование множества новых элементарных частиц и сил, наличие которых еще ни разу не было подтверждено наблюдениями.

Созданная в начале прошлого века общая теория относительности в течение долгого времени оставалась самым величественным и сложным построением теоретической физики. Казалось, человеческая мысль достигла предельных высот, с которых можно обозревать мир от первых мгновений его жизни и до невообразимо далеких времен, когда он превратится в рой разлетающихся элементарных частиц. Расширяющееся во все стороны, «распухающее» пространство с провалами «черных дыр»… космические миры, спрятавшиеся внутри микрочастиц… области, в которых замирает время и секунда превращается в миллиарды миллиардов лет… толстые книги, заполненные вязью сложнейших математических формул… Казалось, куда уж дальше!

Однако новая теория квантовой гравитации позволяет совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что происходило не только сразу же после Большого взрыва, но и до него. Так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку мироздания — что же действительно предшествовало чудовищному космическому катаклизму Большого взрыва.

Таким образом, мы можем с интересом наблюдать, как в последние годы физики упорно строят грандиозное здание обобщенной теории относительности, внутри которого старая теория Эйнштейна будет занимать лишь один из множества залов. В свое время физико-геометрические идеи Эйнштейна и его предтечи Лобачевского потрясли ученый мир новыми фундаментальными представлениями об окружающей Вселенной. Какими же удивительными должны быть выводы сверхновой, более глубокой и общей теории!

В своей замечательной книге «Этюды о симметрии» американский физик-теоретик Юджин Поль Вигнер все наши знания по физике разделил на три уровня. Первый — сведения о различных явлениях, второй — объединяющие их законы и, наконец, третий, высший уровень — симметрии, которые устанавливают связи между самими законами.

Физики понимают симметрию как своеобразную «стойкость» материальной системы к внешнему воздействию на ее отдельные параметры. Можно говорить, например, о симметрии по отношению к пространственным сдвигам, о симметрии всех явлений природы при замене частиц на античастицы, о симметричности свойств частиц по отношению к какому-то типу взаимодействий и так далее.

Так вот, Вигнер считает, что симметрия — это самое главное, что есть в физике. И с ним трудно не согласиться. Ведь симметрии связаны с законами сохранения, на которых держится вся физическая наука. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и происходящие в ней процессы. Их знание чрезвычайно важно для понимания ее свойств. Образно говоря, симметрии и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится здание физической теории.

В фундаменте современной физики элементарных частиц лежит теория симметрии, обессмертившая имя французского математика Эвариста Галуа.

Подобно тому как периодическая система элементов Д. И. Менделеева дает возможность предсказывать существование элементов с конкретными свойствами, теория Галуа позволяет предсказывать существование еще неизвестных свойств микрообъектов с данной симметрией. Трудно переоценить пользу такой теории! Это похоже на то, как если бы, плутая в Королевстве кривых зеркал, мы вдруг нашли волшебные очки и прихотливо изогнутый, деформированный мир приобрел бы для нас четкие формы. Открытие новых мультиплетов элементарных частиц — очень важное событие в физике, порождающее лавину экспериментальных и теоретических исследований. Это поворотные пункты в развитии физической науки, когда она получает в свое распоряжение карту нового района Страны неизвестного. Но чтобы пользоваться этой картой, сначала нужно определить на ней масштабы расстояний и высот местности, то есть своеобразным образом ее прокалибровать.

Мы уже знаем, что четыреста с лишним лет назад великий Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат — неподвижной и равномерно движущейся вдоль прямой линии. Физические процессы протекают в них совершенно одинаково. Находясь внутри закрытой кареты, никакими опытами нельзя установить, стоит она на месте или равномерно движется. Галилей установил эту симметрию для небольших скоростей и только для механических процессов. Других возможностей у него не было. В начале прошлого века было доказано, что данная симметрия сохраняется при любых скоростях, вплоть до самых больших, близких к скорости света, и не только для механических, но вообще для любых физических процессов.

А можно ли найти еще более общую симметрию? Теория как бы подсказывает путь ее развития — нужно только открыть еще одну симметрию, но такую общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

Мы уже знаем, что квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии. С другой стороны, физики давно уже открыли у элементарных частиц своеобразное внутреннее «вращательное» движение и назвали его спином.

Вернемся теперь к квантовой теории тяготения, которая основывается на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света. Гравитон должен проявлять свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения в таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и создается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.

Излучение одного из кандидатов в коллапсары

Определенной проверкой для теории квантовой гравитации может служить загадка излучения черных дыр. Физики разработали модель черной дыры, излучающей энергию и элементарные частицы пропорционально площади ее поверхности. Вскоре знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры, особенно маленькие, должны излучать частицы и энергию, хотя затем он несколько изменил свои взгляды.

СУПЕРГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ

Эйнштейн в шутку как-то заметил, что с тех пор, как на его теорию навалились математики, он сам перестал ее понимать. Но по сравнению с теорией супергравитации общая теория относительности — легкое чтение! Можно было бы думать, что сегодня и в обозримом будущем супергравитационная теория будет иметь лишь чисто умозрительное значение, ведь когда еще мы доберемся до сверхмалых расстояний, где гравитино вносит заметный вклад! Однако у этой теории есть свойство, которое, когда его обнаружили, стало настоящей сенсацией и буквально приковало к себе внимание физиков.

Чтобы уяснить, в чем тут дело, вспомним прочитанное в предыдущих главах и перенесемся на много лет назад, к концу двадцатых годов прошлого века, когда только что созданная квантовая механика находила все новые и новые экспериментальные подтверждения, а физики были полны вдохновения и оптимизма.

В те далекие времена двое теоретиков, немец Вернер Гейзенберг и швейцарец Вольфганг Паули, применили идеи новой — квантовой — теории к электромагнитному полю. Теория получилась удивительно элегантной и позволила рассчитать много новых эффектов. Квантовая физика торжествовала еще одну победу. Казалось, удалось создать единую теорию вещества и поля, которая с высокой точностью описывает все явления микромира.

И тут неожиданно выяснилось, что для массы электрона, его электрического заряда и ряда других связанных с ними величин новая теория дает физически бессмысленные бесконечные значения!

В таком противоестественном состоянии квантовая наука существовала более полувека. Она умела с высокой точностью рассчитывать строение атомов и молекул, точно предсказывать вероятности различных процессов с элементарными частицами и вместе с тем была буквально нафарширована бесконечностями.

На помощь пришла суперсимметрия. Оказалось, что бесконечности, связанные с квантовой гравитацией, компенсируют друг друга. Это был выдающийся успех. Первая область квантовой физики, где злой дух бесконечностей был побежден и изгнан! Появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. И вот тут был сделан еще один важный шаг — выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг, то теперь острова слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «теория всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Речь может идти лишь об ограниченной, уже изученной его области (рис. 25 цв. вкл.).

Итак, нужна какая-то очень глубокая теоретическая идея. Вот тут ученые и вспомнили о странном результате, который в начале двадцатых годов получил работавший в Кенигсбергском университете польский физик Теодор Калуца.

Как и на других ученых, на Калуцу огромное впечатление произвел вывод Эйнштейна о том, что, являясь физической силой, тяготение тем не менее имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства-времени. Кроме гравитации в то время был известен еще только один тип сил — электромагнитные, и Калуца предположил, что они тоже имеют какое-то геометрическое происхождение.

Результат удивительный и… непонятный! Один из тех, о которых говорят: либо просто совпадение, математический фокус, либо отблеск чего-то очень далекого, что еще только предстоит открыть и понять. Эйнштейн, которого Калуца просил рекомендовать его статью в физический журнал, два года колебался, прежде чем удовлетворил просьбу.

Тут-то и пригодилась теория единого суперполя, все компоненты которого — родные сестры. Основываясь на идее Калуцы, всех их можно считать гравитацией в многомерном пространстве-времени. В физике такое бывает часто — развиваются, казалось бы, не имеющие ничего общего направления, испытывают трудности, заходят в тупик. И вдруг кто-то сообразит, что это — разные стороны одного и того же, причем каждая имеет как раз то, чего недостает другой.

Но почему тогда мы никак не ощущаем дополнительные измерения? Не приходим ли мы в противоречие с реальными фактами?

ПОИСК СКРЫТЫХ РАЗМЕРНОСТЕЙ

Можно придумать вселенную и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседнего. Многие писатели-фантасты давно уже продуктивно эксплуатируют подобные идеи.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается (хотя время от времени можно встретить газетные утки о якобы наблюдавшихся кем-то и где-то случаях мгновенной телепатии или телекинеза!). Самые тщательные, с огромной точностью выполненные опыты с элементарными частицами (а в этом случае можно получить наибольшую точность) не обнаружили никаких, даже самых малых, нарушений причинности.

Есть еще одно соображение, которое, казалось бы, убедительно говорит о том, что в нашем мире нет ни четвертого, ни более высоких пространственных измерений. Английский астрофизик Артур Эддингтон доказал, что в этом случае вообще не было бы атомного вещества, так как в мирах с числом измерений, большим трех, электрические заряды взаимодействуют слишком сильно. Электроны там не могут удержаться на орбитах, и атомы «взрываются внутрь» или коллапсируют. Может быть, такие своеобразные миры где-то и существуют вне нашей реальности, но в нашей Вселенной атомы устойчивы и потому, сделал вывод Эддингтон, никаких дополнительных пространственных измерений в ней просто нет. И тем не менее это все же не означает, что в нашем мире нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь глубоко в микромире, куда мы пока еще не можем заглянуть с помощью наших приборов.

Трудность с лишними пространственными измерениями была главной причиной подозрительного отношения физиков к идее Калуцы. Первую серьезную попытку справиться с ней предпринял шведский теоретик Оскар Клейн. По его мнению, четвертое пространственное измерение, постулированное Калуцей, существует реально и не ощущается нами лишь потому, что мир в этом направлении имеет микроскопически малый радиус, то есть представляет собой крошечную замкнутую окружность. Если бы мы могли двигаться в этом направлении, мы бы сразу же вернулись в исходную точку.

Хотя мысль о высших пространственных измерениях — неподтвержденная экспериментом гипотеза, в глазах физиков она выглядит весьма убедительной. Она обещает отрубить головы дракону бесконечностей, она как нить Ариадны ведет физиков к последовательной и самосогласованной теории вещества и поля. Трудно даже подумать, что столь плодотворная идея может оказаться всего лишь временной теоретической химерой.

Вспомним, что такое заряженный конденсатор, — это две металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние, много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий.

Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной в сторону, она упруго восстанавливает свою форму.

Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — стринги глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.

Стринги могут разрываться и слипаться, рождая дочерние и внучатые стринги. При этом образуются замкнутые струнные кольца и более сложные переплетающиеся фигуры. Стринги — объекты с очень сложной геометрией. Но самое важное состоит в том, что подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания — различные полевые обертоны. И так же, как звуковые волны, эти обертоны отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.

Интересно, что поначалу большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой другой страшный порок: в ней появились тахионы и духи. Тахионы — это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц никогда никто не наблюдал ни прямо, ни косвенно. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже для здравого смысла так называемые духи. Объяснить, что это такое, в обиходных терминах и понятиях просто невозможно, да и сами теоретики склоняются к мнению, что это понятие попало в нашу физику явно из «другой» вселенной.

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становились все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходилось извлекать скрытый смысл из природных явлений с помощью математических абстракций. Впрочем, довольно скоро, на протяжении второй половины прошлого столетия, физико-математический авангард теоретиков настолько сильно оторвался от основной массы исследователей, что практически потерял с ними связь. Однако при этом данная группа ученых встретилась уже со своими коллегами — математиками, решающими с помощью математических моделей различные реальные задачи, и вместе с ними ринулась на покорение следующих вершин науки.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного нам мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких-то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим числом координат. В одной из своих статей знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что-нибудь похожее на жука, осьминога или какое-либо другое земное существо.

Хромосомы мира

В середине семидесятых годов прошлого века физики пришли к мысли о том, что если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они тоже должны быть связаны струнами, которые не дают им разойтись на большие расстояния и делают их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри самих кварков и глюонов. Их стали называть стрингами («стринг» — по-английски «струна»). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе — как независимые «хромосомы мира».

Следы темной материи и энергии

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

«Темные гравиконцентраты» и первые галактики

«Темные века» Вселенной закончились формированием гравитационных зерен светящейся и темной материи, из которых впоследствии возникли первые галактики.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием в Мегагалактике некой скрытой массы, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и теорфизиков (иногда к ним присоединяются и философы) не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи. Особенно сильно полемика о составе и роли темной материи во вселенских процессах разгорелась в последнюю четверть ушедшего века, когда ряд астрономов подвергли детальному изучению динамику вращения гигантских спиральных галактик. Вот тут выяснился еще один космический парадокс, на первый взгляд нарушающий законы небесной механики. Дело в том, что сравнительно высокая скорость вращения (по космическим меркам) должна была бы превратить «звездные острова» Метагалактики в своеобразные галактические центрифуги, выбрасывающие массы легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих паутиной окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некого пространственного галактического «твердого тела», «цементируемого» гравитацией темной материи (рис. 26 цв. вкл.).

Вообще говоря, темная часть вещества Метагалактики может включать и обычные небесные тела, не испускающие собственного излучения, например планеты — газовые гиганты, наподобие Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана.

Их существование достаточно надежно подтверждают уникальные снимки с космического телескопа Хаббла[Телескоп назван именем выдающегося американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла.], сделанные по результатам наземных наблюдений за светимостью ближайших звезд. В ходе подобных наблюдений астрономы иногда отмечают частичные затмения звезд, когда лучи света, идущего от них к нам, пересекают крупные планеты. Можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, — они получили название «массивных компактных галообъектов».

В последнее время среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики — осколки Большого взрыва — не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а, наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Сказать что-либо более определенное о материальной основе нашего мироздания пока еще очень трудно. Ведь она очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет и особенно видимый свет, чем и объясняется ее название. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, гравитационно взаимодействующей с «обычной» материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

Все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных «гравитационных зерен». Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, становясь зародышами будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходятся на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, они склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон окружена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации. Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку» и частицы залетают на Землю реже (рис. 27 цв. вкл.).

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшей бомбардировкой со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем.

В этом и состоит смысл своеобразного «галактического парадокса», долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик.

Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад, когда в результате взаимного проникновения отдельные галактики стали пронизывать друг друга со скоростью около пяти тысяч километров в секунду, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны.

Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще не должны участвовать в электромагнитном взаимодействии. Они не должны также участвовать и в сильном ядерном взаимодействии; им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер, и, конечно, гравитационное.

Спектр спиральной галактики

Если бы все вещество спиральной галактики было сконцентрировано в ее рукавах, где мы наблюдаем видимые звезды, то и атомы распыленного водорода, подчиняясь третьему закону Кеплера, двигались бы всё медленнее по мере удаления от центра галактической массы. Астрофизикам, однако же, удалось экспериментально выяснить, что на любом удалении от центра галактики водород движется с неизменной скоростью. Можно подумать, будто он «приклеен» к гигантской вращающейся сфере, состоящей из некоей невидимой «темной» материи.

Холодная темная материя вблизи далеких галактик

Массивные частицы слабого взаимодействия представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик в ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что по крайней мере часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких, как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи.

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия равномерно «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная стала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы начать приводить к обратному эффекту — замедлению разбегания галактик.

Видный исследователь черной энергии, имеющий свои собственные оригинальные взгляды на ее происхождение и эволюцию, профессор Артур Давидович Чернин считает, что такая картина в основном не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает ее от известных форм материи и делает исследование ее природы одной из главных задач современной фундаментальной физики.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются при космологических расстояниях и космологических временах.

Из таких гипотез вытекают далеко ведущие выводы об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Эта темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.

В одной из своих последних работ профессор А. Д. Чернин подчеркивает, что с темной энергией вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший (и, как кажется, самый правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему.

Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, и притом постоянной, физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов, так же как и профессор Чернин, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия — это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, из-за которого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем-то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума — это его основное и исключительное качество.

Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.

Сейчас мы знаем, что наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты — вещества и излучения — будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда не уже не будет преобладать во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее (рис. 28 цв. вкл.).

Распределение материи в Метагалактике

Вспышка очень далекой сверхновой звезды

Темную энергию открыли при наблюдениях далеких сверхновых звезд. Вспышки сверхновых можно наблюдать на очень больших космических расстояниях, а изменение их яркости позволяет определить расстояния до них. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, чем следует из стандартной космологической теории. Но это возможно тогда, когда расширение Вселенной происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Причину этого таинственного эффекта ускоренного разлета нашего мира и связывают с загадочной темной энергией.

Влияние темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

В последние годы появились данные, что сумма темной и обычной материи составляет только треть от всей массы Вселенной. С недостающими семьюдесятью процентами Метагалактики связали так называемый лямбда-член из уравнений Эйнштейна, долгое время считавшийся главной космологической ошибкой гениального ученого. Он и представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии. В то же время выяснилась еще более поразительная вещь — темная энергия действует как антигравитация, заставляя Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Далекие галактики, видимые сквозь гравитационную линзу

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш мир как целое к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не всегда предполагает равновесие сил — если речь идет о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными — благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды, подобно тому как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах — это не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной. Еще одно направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до «Страшного космического суда».

Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности — квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить в лаборатории хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать — даже странной для физики.

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хотя и детально не объясняет природу темной энергии, но само наличие схожей энергетической субстанции предсказывала еще несколько десятков лет назад. Это инфляционный сценарий расширения Вселенной, о котором мы уже рассказывали. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза получила существенные подтверждения, а некоторые астрофизики считают, что она вполне способна произвести своеобразный переворот в космологии. Суть инфляционного сценария заключается в следующем. Кроме колебаний напряженности электромагнитных полей, существуют также флуктуации энергии гравитационного поля. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их по идее можно было бы заметить, анализируя реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы. Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии — нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше, ведь мы видим только меньше одной сотой ее части.

Если считать, что главной причиной ускорения расширения пространства-времени является темная энергия, то будущее нашего мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики уйдут за горизонт Метагалактики и астрономы будущего никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. Но если темная энергия нестабильна, то возникают и более оптимистичные варианты будущего.

Разумеется, современным футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие-либо научные прогнозы. Тем не менее можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение. К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в Т-агрегатах и тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для плотности темной энергии во Вселенной, обеспечивающей ее ускоренное расширение: если темная энергия распределена равномерно, получается совершенно ничтожная величина, близкая к 10^-29 г/см³. Для обычного вещества такая плотность соответствует всего лишь десятку атомов в одном кубическом метре. Даже сверхразреженный межзвездный газ в несколько раз плотнее. Так что если этот путь к созданию машины времени и может стать реальным, то очень и очень не скоро.

Астрономам обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего мира состоит из обычного вещества, включающего известные и неизвестные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.

Происхождение гравитационных волн

Наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной можно представить в виде гигантских волн пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной. Тут достаточно вспомнить, что теория гравитации Эйнштейна вполне допускает существование своеобразной «мертвой зыби» из волн тяготения на ранних стадиях эволюции Мироздания. Тогда может иметь место космологический сценарий, по которому пространственно-временная рябь, образовавшаяся на самом раннем этапе рождения нашего мира, со временем превращается в гигантские гравитационные волны, ускоряющие разлет далеких галактик.