Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"

Автор книги: Владилен Барашенков

Жанры:

Физика

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 14 страниц)

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

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

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

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

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

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

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

Ну а если полная компенсация гравитационного поля невозможна, то и вывод о его геометрической природе теряет убедительность ¹1
Для читателя, который желал бы детальнее разобраться в этом вопросе, заметим, что важна именно полная компенсация, полное уничтожение поля. В небольшой, ограниченной области пространства выбором системы координат можно скомпенсировать не только гравитационное, но и другие, заведомо материальные поля, например, силу электростатического притяжения заряженной частицы между пластинами конденсатора или силы, действующие на железную пылинку в однородном магнитном поле.

[Закрыть]. Это не твердое следствие эксперимента, а всего лишь гипотеза. Она может быть верной, а может и ошибочной. В принципе теорию допустимо строить на основе и других гипотез.

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

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

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

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

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

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

***

Мы коснулись основных и, пожалуй, самых трудных проблем современной физической науки – там, где она углубляется в недра микромира и там, где выходит на просторы большого космоса. И оказалось, что все эти проблемы взаимосвязаны. Нельзя познать космос, не изучив законов микромира, и наоборот, новые идеи элементарных частиц проходят проверку в космологии.

Физика развивается стремительно. Строятся все более крупные и точные приборы. Современные исследовательские лаборатории стали похожи на большие промышленные предприятия. Огромные массивы получаемой в опытах информации обрабатываются на самых мощных и быстродействующих компьютерах. Более того, с помощью компьютера выполняются не только численные расчеты, но и сложнейшие алгебраические выкладки, которые не под силу даже большим коллективам ученых. А результатом всех этих исследований становятся не только новые технологические процессы, быстро изменяющие наш образ жизни, но и широкие мировоззренческие картины, которые ведут мысль человека к новым горизонтам научного знания. Этот процесс бесконечен и прекрасен. Как еще двадцать с лишним веков назад говорил греческий ученый Анаксагор, призвание человека – в обладании Знанием и проистекающей отсюда Свободой.