Текст книги "Тайны открытий XX века"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 38 страниц)

Полеты не во сне, а наяву

Какие же частицы могли бы претендовать на роль «частиц гравитации»?

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предположил, что сила гравитации возникает за счет того, что тела обмениваются определенными частицами – гравитонами, которые не имеют массы и движутся со скоростью света. Например, Солнце удерживает Землю на орбите, потому что испускает поток гравитонов, поглощаемых нашей планетой. Однако эти частицы пока не обнаружены.

Быть может, гравитоны – это нейтрино, частицы, обладающие чрезвычайно малой массой и в огромном числе снующие повсюду? Нейтрино почти беспрепятственно проникают сквозь материю. За ними ведется наблюдение, но практически никто не исследовал связь между нейтрино и гравитацией.

Другой претендент – ультрадлинные радиоволны. Они тоже почти беспрепятственно проникают сквозь материю и, по знаменитой формуле Эйнштейна Е = тсс, обладают определенной массой. Однако доказать «права этого претендента» крайне трудно.

^{В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предположил, что сила гравитации возникает за счет того, что тела обмениваются определенными частицами – гравитонами}

В 2002 году французские физики Тибо Дамур и Антониос Папазоглу, а также их британский коллега Айен Коган предположили, что может существовать особый вид гравитонов, наделенных массой. Они нестабильны и, пролетая огромные расстояния, разделяющие галактики, исчезают, а потому сила притяжения галактик ослабевает и Вселенная расширяется. Однако и эти частицы существуют пока лишь в догадках ученых.

Если же когда-нибудь подтвердится правота гипотезы о «частицах гравитации», откроется путь к достижению невесомости в земных условиях, а значит, и к «полетам» наяву. Достаточно придумать экран, который надежно изолировал бы человека от действия «частиц гравитации». Под защитой этого экрана мы могли бы парить в воздухе, подобно птицам. Космические корабли, облицованные таким экраном, могли бы гораздо легче добираться до Луны.

Искусство мечтать о левитации

В последнее время стоит заговорить о попытках преодолеть гравитацию, неизбежно вспоминаются эффектные опыты, поставленные в минувшем десятилетии одним русским ученым.

В 1992 году Евгений Подклетнов, работавший тогда в Институте материаловедения при университете Тампере (Финляндия), случайно обнаружил, что вес предметов, помещенных над вращающимся диском из сверхпроводящей керамики (его диаметр составлял 15 сантиметров, а скорость вращения – 5000 оборотов в минуту), незначительно уменьшается, если диск находится в мощном магнитном поле. Это навело ученого на мысль, что силу тяжести можно экранировать.

Результаты опыта он изложил в статье, которую, впрочем, категорически отказались публиковать серьезные научные журналы. Когда же в сентябре 1996 года в одной из бульварных британских газет, вопреки воле ученого, появился сенсационный материал о «победе над гравитацией», на научной карьере пришлось поставить крест. Он был уволен из института, и даже вход в здание института, где осталась часть его приборов, был ему запрещен. В глазах коллег Подклетнов выглядел теперь шарлатаном. Многие видные ученые могли бы подписаться под словами Виктора Тихомирова, заведующего лабораторией ядерной оптики белорусского НИИ ядерных проблем: «Физических предпосылок для существования антигравитации в рамках официальной науки пока не найдено». Что же это был за опыт, вызвавший восторг профанов и гнев специалистов?

«Кто-то в лаборатории курил трубку, и мы заметили, что струйка дыма, медленно расплывавшаяся по комнате, едва достигнув вращавшегося диска, устремлялась вверх, словно ее что-то отталкивало. Тогда мы поместили на диск намагниченный шарик, соединив его с весами. Показания весов нас удивили, – вспоминал Евгений Подклетнов в интервью журналу «Wired». – Оказалось, что любой предмет, помещенный над диском, чуть-чуть терял в весе, а если диск вращать, этот эффект увеличивался. Подобрав определенную скорость вращения, удалось добиться максимального уменьшения веса предметов на два процента».

По словам Подклетнова, уменьшение веса наблюдалось и на втором этаже здания, прямо над экспериментальной установкой. Если же два диска ставили один над другим, вес предметов над ними уменьшался уже на четыре процента. Кроме того, ртутный барометр, помещенный над диском, показал, что атмосферное давление уменьшилось на 4 миллиметра ртутного столба.

В 1995 году Подклетнов повторил свой эксперимент в Москве, использовав кольцо из сверхпроводящего материала диаметром 28 сантиметров и толщиной 1 сантиметр. Он вновь констатировал, что предметы, помещаемые над диском на расстоянии до трех метров, немного теряют в весе. Максимальный эффект составил 2 процента при скорости вращения 3500 оборотов в минуту. Даже над неподвижным диском предметы становились легче примерно на несколько сотых долей процента. Эффект потери веса также наблюдался, когда между сверхпроводящим кольцом и исследуемым объектом помещали толстую металлическую пластину.

Идеями Подклетнова заинтересовалось немало энтузиастов – и теоретиков, и практиков.

Джованни Моданезе из Туринского университета и Нинг Ли из Алабамского университета даже разработали теорию, которая объясняет, почему возможен эффект Подклетнова. Так, по мнению Ли, элементарные частицы внутри вращающегося сверхпроводника создают особое поле, которое меняет силу гравитации.

В НАСА потратили более 600 тысяч долларов, чтобы построить «антигравитационную установку», но в конце концов признали метод Подклетнова «изначально ошибочным». Затем «бороться с гравитацией» взялись руководители американской аэрокосмической компании «Боинг». Поговаривают, что подобными идеями увлеклись и военные, а потому вся информация по антигравитации, хранившаяся в библиотеках, внезапно исчезла…

Чем реже встречаются новые сообщения об антигравитации, тем чаще вспоминаются давние поборники этой идеи. Немало их было в СССР.

Так, академик В.Н. Челомей в 1960-е годы опытным путем установил, что при вибрационном воздействии массивные тела, погруженные в воду, всплывают, а легкие, наоборот, тонут.

В 1980-е годы кандидат технических наук Генрих Талалаевский предложил модель гравитолета, напоминавшего летающую тарелку. Наружная часть корпуса гравитолета стремительно вращалась и якобы противодействовала силе тяжести.

Возможно, подобные аппараты когда-нибудь и заменят космический и авиационный транспорт. Пока же все их проекты существуют лишь на бумаге. Недаром многие ученые склонны сравнивать поиски антигравитации с конструированием перпетуум-мобиле – вечного двигателя.

В поисках гравитационных волн

В любом случае до подобных полетов еще далеко. «Частицы гравитации», похоже, – самые неуловимые из элементарных частиц. Пока же ученые пытаются обнаружить другой феномен, связанный с гравитацией, – гравитационные волны.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как «геометрическое искривление динамического пространства-времени», предсказал их существование. «Волны, эти завитки искривленного пространства-времени, доносят до нас тайные весточки мироздания – подобно тому, как акустические волны доносят до публики информацию об оркестре», – поясняет известный американский физик Кип Торн.

^{При столкновении черных дыр возникают гравитационные волны. Перед вами компьютерная модель подобной коллизии} 

Согласно общей теории относительности, действие гравитации распространяется не мгновенно, а со скоростью света. И, подобно тому, как в электромагнитной теории Максвелла ускоренно движущиеся заряды порождают электромагнитные волны, так и ускоренно движущиеся массы должны создавать гравитационные волны – своего рода «сотрясения», периодические колебания пространства-времени.

Подобные волны пронизывают пространство, словно сейсмические волны – Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща материи, лежащая на их пути, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн материя, лежащая на их пути, – поясняет Торн, – поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он изменился бы на миг всего… на один диаметр атома.

Попробуйте уловить подобные – неощутимые – колебания! Теоретики убеждают нас в том, что доказать существование гравитационных волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как это сделать, и… кивают на практиков. Только как измерить все эти волны? Порой кажется, что прибор подобной чувствительности построить нельзя. Легко советовать: «Возьмите груз и детектор…»

Легко говорить: «Представим себе мост, выстроенный от Земли до…»

* * *

Астрономы делят источники гравитационных волн на несколько классов.

«Барстеры», кратковременные источники волн, в считанные доли секунды излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают барстеры при взрывах звезд и столкновении черных дыр. Их мощность достигает примерно 10⁴⁵ (десять в сорок пятой степени) ватт.

Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды (пульсары). Для их отслеживания нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров. В 2013 году для наблюдения за этими волнами планируется запустить в космос три зонда (в этом проекте участвуют европейские и американские ученые). В 50 миллионах километров от Земли они образуют равносторонний треугольник с длиной стороны 5 миллионов километров. Точность подобного детектора будет в миллионы раз выше, нежели наземных установок.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также при наложении слабых или очень отдаленных единичных событий. Можно назвать такие процессы, как: 1) столкновения первых звезд, возникших вскоре после Большого Взрыва, 2) процессы, протекавшие в молодой Вселенной и вызвавшие нарушения пространственно-временной структуры, 3) реликты Большого Взрыва, а также 4) гравитационное торможение – оно наблюдается, когда две звезды пролетают мимо друг друга.

^{2013 году для наблюдения за гравитационными волнами планируется запустить в Космос три зонда} 

Подсчитано, что длина гравитационной волны, создаваемая, например, сверхновой звездой, составляет около 300 километров, а частота – порядка 1000 герц. В принципе, эти волны находятся в акустическом диапазоне, но мы не слышим их из-за их крайне малой амплитуды.

^{В окрестностях Ганновера сооружена установка GEO-600 для наблюдения за гравитационными волнами} 

Американский инженер и физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета еще в конце пятидесятых годов размышлял о том, как измерить «пространственно-временные завитки». Он же первым стал оборудовать гравитационные детекторы. В его исполнении это были алюминиевые цилиндры длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. Каждый из них весил одну тонну. Когда гравитационная волна пересекает подобный цилиндр, его концы сжимаются и расширяются на неимоверно малую величину. Уэбер пытался измерить эти крохотные осцилляции. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его измерить. Однако ученый потерпел неудачу. Он не сумел зафиксировать эти неуловимые колебания.

Более тридцати лет назад советские ученые Герценштейн и Пустовойт, а также Райнер Вайс из Массачусеттского технологического института предложили использовать для измерения гравитационных волн лазерные интерферометры. Фиксируя разность фаз двух лазерных лучей, теоретически можно заметить деформацию пространства.

Первый опытный образец такого прибора построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories; руководил ими Роберт Форвард. В восьмидесятые годы целый ряд лабораторий обзавелись лазерными интерферометрами. Они появились в Калифорнийском технологическом, в университетах Токио и Глазго, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.

В начале нового века были сооружены сразу четыре крупных установки, предназначенных для поиска гравитационных волн: французско-итальянский лазерный интерферометр «VIRGO» близ Пизы; длина плеча – 3 километра; германо-британский интерферометр «GEO-600» к югу от Ганновера; длина плеча – 600 метров; «ТАМА-300», интерферометр японской Национальной астрономической обсерватории, расположенный близ Токио, и самая большая установка – «LIGO», Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory в США. В состав этой обсерватории входит два интерферометра; длина плеча каждого равна четырем километрам. Эти интерферометры разделяет расстояние в три тысячи километров: один расположен далеко на западе США, в штате Вашингтон, другой – на юге, в штате Луизиана. Один принадлежит Калифорнийскому технологическому, другой – Массачусетсскому технологическому.

По словам Кипа Торна, открытие гравитационных волн «станет лучшей проверкой законов Эйнштейна и лучшим доказательством того, что черные дыры в самом деле существуют. Быть может, волны помогут также расслышать шум Большого Взрыва». Наблюдение за ними позволит заглянуть в недра сверхновых, детально изучить процессы, протекающие в двойных звездных системах в момент их слияния, а также исследовать нейтронные звезды.

Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1993 году астрономы Рассел Хале и Джозеф Тейлор даже получили за эту работу Нобелевскую премию в области физики. За двадцать лет до этого, в 1974 году, в созвездии Орла были открыты две нейтронные звезды, вращавшиеся друг относительно друга. Удалось зафиксировать радиоизлучение, испускаемое с поразительной периодичностью одной из этих звезд – погрешность интервалов составляла всего три миллионные доли секунды. Поэтому данный пульсар, известный под названием «PSR 1913+16», можно было использовать в качестве точнейших «часов». С помощью этих «часов» впервые удалось проверить положения теории относительности, касающиеся мощных гравитационных полей. Кроме того, Ученые обнаружили, что скорость обращения этого пульсара постоянно убывает; очевидно, он излучает свою энергию в виде гравитационных волн.

Земля, кстати, тоже теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, но ввиду того, что ее масса по космическим меркам чрезвычайно мала, мощность излучаемых ею гравитационных волн составляет всего около 200 ватт, что практически невозможно обнаружить.

Измерена скорость гравитации?

Еще один вопрос, давно волнующий ученых: «Как быстро распространяется гравитация?» В январе 2003 года на очередном заседании Американского астрономического общества было сообщено, что впервые удалось сравнительно точно определить скорость распространения гравитации. Это сделали Сергей Копейкин из Миссурийского университета и Эдвард Фомалон из Национальной радиоастрономической обсерватории США. Эксперимент был поставлен в сентябре 2002 года, когда Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, проходил мимо мощного источника излучения – квазара J0842+1835, расположенного в 9 миллионах световых лет от Земли. Исследователи измерили положение квазара на небе относительно двух соседних квазаров и оценили, что под действием гравитационного поля Юпитера изображение квазара смещается на 1300 миллионных долей угловой секунды. Это и позволило вычислить скорость гравитации.

По теории Ньютона, сила гравитации распространяется мгновенно, а по теории Эйнштейна – со скоростью света. «Однако до настоящего времени, – подчеркнул Сергей Копейкин, – никто не измерил этот показатель». Российский астроном М.Е. Прохоров из ГАИШ так прокомментировал разницу между этими воззрениями: «Если бы Солнце мгновенно исчезло, то, по ньютоновской теории, Земля в тот же миг покинула бы свою орбиту, а, согласно общей теории относительности Эйнштейна, около восьми минут в ее движении не происходило бы никаких изменений».

У Копейкина и Фомалона все получилось почти по Эйнштейну. Скорость гравитации оказалась примерно равной 0,95 скорости света.

Впрочем, ряд ученых не согласен с интерпретацией результатов данного эксперимента. По их мнению, Копейкин и Фомалон при выбранном ими методе не могли измерять скорость гравитации. Так, японский физик Хидэки Асада считает, что ученые, сами того не подозревая, измерили скорость света, а не гравитации. «Безусловно, изящный эксперимент еще раз подтвердил общую теорию относительности. Но удалось ли измерить скорость гравитации, остается неясным», – считает Стивен Карлип из Калифорнийского университета. Что ж, исследования, очевидно, продолжатся. Однако уже сейчас мало кто из ученых сомневается в том, что скорость гравитации равна скорости света в вакууме.

1.7. БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА?

Тахионы – это гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. По одной из гипотез, воображаемый мир тахионов располагается «параллельно» нашей реальности. По другой, в мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое, и если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью. Возможно, исследование космического излучения поможет физикам XXI века определить, существуют ли тахионы.

Лежать на диване, в сумерках, с фонариком в руках и, позевывая, выводить узоры светописи на стене напротив, или мчаться в авто полутемными улицами и, выхватывая лучом фонарика что-то неясное, неотчетливое из тьмы, уноситься все дальше – нет, для физиков в том и другом опыте нет никакой разницы. Скорость света всегда одинакова – 299 792 458 метров в секунду, – движется ли источник света, или неподвижен, или – сумерки обволакивают вас, вас сковывает дремота, – медленно выскальзывает из рук, фонариком на пол.

Скорость света не меняется никогда. Странно, на ваш повседневный взгляд? Не правда ли? Именно размышления над этим парадоксом помогли Эйнштейну в создании частной теории относительности. Бесчисленные эксперименты, проведенные с тех пор, лишь подтверждали эту гипотезу. Сверхсветовые скорости не могут существовать. «Последствия, которые могла бы породить возможность передачи сигналов быстрее света, столь чудовищны, что о них даже не хочется думать», – писал известный британский астрофизик Артур Эддингтон. Тем не менее в последние годы ученые вновь и вновь рассуждают о том, можно ли передавать сигналы со сверхсветовой скоростью.

Где пролетают тахионы

Мы делим все элементарные частицы на две категории: «тардионы» и «люксоны». Первые обладают массой и движутся со скоростью ниже световой; вторые, лишенные массы покоя, мчатся так же быстро, как свет. К последним принадлежат, например, частицы света – фотоны, а также гипотетические гравитоны, якобы передающие действие силы гравитации.

В 1967 году американский физик Джеральд Фейнберг дал название еще одному классу частиц – «тахионы» (от греческого tachys, «быстрый»). Вот только сами тахионы с тех пор так и не попались на глаза ученым. Их свойства приходится описывать заочно, – скорее строя догадки, чем находя им подтверждение.

Предполагать же начали задолго до Фейнберга. Еще древнеримский поэт Лукреций писал о частицах, летящих быстрее, чем солнечный свет. Эти частицы, «неуклонно несясь туда, куда раз устремились, явно должны обладать быстротой совершенно безмерной, мчась несравненно скорей, чем солнца сияние мчится» (пер. Ф.А. Петровского).

В современную же физику эти невиданные и невидимые частицы ворвались в начале шестидесятых годов, когда сразу несколько ученых, развивая идею немецкого физика начала XX века Арнольда Зоммерфельда, предположили, что существуют частицы, которые с момента своего зарождения всегда движутся со сверхсветовой скоростью. Подобно всем известным частицам, они тоже не могут преодолеть световой барьер. Вот только находятся они по ту сторону этого барьера, в мире сверхсветовых скоростей. Как иронизировал физик Ник Герберт, «однажды тахион – навсегда тахион».

В академических справочниках тахионы и поныне случайные гости. С ними не церемонятся. Их нет; лишь их призрачные тени перелетают из одной гипотезы в другую. Вот что, например, говорится о них в шеститомном «Лексиконе физики», изданном недавно в Германии: «Тахионы – гипотетические элементарные частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. Их существование – излюбленный мотив писателей-фантастов, но в теоретической физике их не принимают в расчет, поскольку появление подобных частиц противоречит частной теории относительности».

Последнее, строго говоря, неверно, ведь, по теории Эйнштейна, лишь тела, обладающие массой, не могут обогнать свет.

Тахионы, лишенные массы покоя, вполне вписываются во все уравнения этой теории и разве только, как шутят физики, «противоречат ее духу».

Шутки шутками, но, если тахионы удастся обнаружить, в этом не будет ничего удивительного. В физике не раз бывало так, что элементарная частица, рожденная на кончике пера, вскоре начинала жить самостоятельной жизнью в лабораториях экспериментаторов. Так было с позитронами, антипротонами, нейтрино и кварками. Все они были вначале описаны, а потом найдены. Вот и свойства тахионов достаточно подробно предсказаны сторонниками их существования.

Тахионы, как и фотоны, не могут находиться в покое; их масса покоя является величиной мнимой.

Теряя энергию, тахион лишь увеличивает свою скорость. Когда его энергия близка к нулю, скорость движения становится бесконечно велика. Физики говорят в таком случае о трансцендентном состоянии: тахион одновременно находится почти повсюду. И, наоборот, поглощая энергию, тахион замедляет свое движение; теперь его скорость близка к световой.

В мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое. Быть может, если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью.

Тахионы – поистине неуловимые частицы. Невозможно заставить их двигаться хотя бы со световой скоростью. Расчеты показывают: чем быстрее мы будем преследовать тахион (вообразим такую ситуацию), тем быстрее он помчится относительно своих преследователей.

Непонятно, могут ли тахионы вообще взаимодействовать с тардионами.