CC BY
571 ^^ СТРАСТИц ЧАСТЬ 1. [КАПУСТ )НУ ХИГГСА ЩЕН МИР ¿7 Л? /тч /Л/Ь\ ¿7 /ЯоУТГЛ /^ч СУЯЪЯ/® лгч
продолжение (птч&ш в № 2 3) за 1 ¡/да ¡2 цещ М6 г. и № 1 ( ШКшммЩШ
М. И.Турбина
Всё сущее во все века Без счёта вёрст Невидимый связует мост, И не сорвать тебе цветка, Не стронув звёзд. Френсис Томпсон (1859 - 1907 гг.)
Маргарита Ивановна Турбина,
криолитолог
Изучение строительных блоков материи, несомненно, помогает нам понять устройство и свойства окружающего нас мира. Частицы взаимодействуют друг с другом, образуя все известные в мире объекты. Поэтому мы должны знать, как это происходит, какие силы на них влияют, благодаря чему материя, в целом, остаётся единой, и существуют наблюдаемые явления, каким закономерностям они подчиняются [1, 2].
Было ясно, что в Природе действуют силы или фундаментальные взаимодействия. В течение послед-
них двух столетий физики накопили огромное количество доказательств того, что все взаимодействия между различными телами, а также другие, происходящие ежедневно и приводящие в действие механизм Вселенной, могут быть сведены к сочетанию четырёх основных типов, не имеющих на первый взгляд никакого сходства друг с другом. Одним из них является гравитационное взаимодействие. Три других - это электромагнитное, слабое и сильное [3, 4].
Гравитация была первым фундаментальным взаимодействием,
На фото вверху - полярное сияние - природное явление, возникающее вследствие взаимодействия электрически заряженных частиц солнечного ветра с атомами и молекулами верхних слоёв атмосферы. Часть энергии столкновения преобразуется в видимый свет (http://spacegid.com/wp-content/ upíoads/2014/03/mGydxncwgr8.ipg)
описанным на языке математики1 [7]. Гравитационные силы, открытые во времена Кеплера (1571 - 1630 гг.) и Ньютона (1643 - 1727 гг.), и сейчас остаются наиболее загадочными. Гравитация - самая слабая из четырёх сил, но её действие простирается на дальние расстояния [3, 7]. Она удерживает Солнечную систему как единое целое и движет планеты по их небесным орбитам. Благодаря гравитационным силам наши ноги твёрдо стоят на земле2, воздух, которым мы дышим, не улетучивается в космос. Без силы гравитационного взаимодействия взорвалось бы Солнце, в котором точно уравновешиваются сила гравитации, пытающаяся сдавить
звезду, и сила ядерного взаимодействия, стремящаяся разорвать её [3, 9]. Мерой влияния, которое оказывают на тело гравитационные силы, является масса. Она же определяет меру гравитационных сил, создаваемых самим телом. «Как сообщил нам ещё Ньютон, именно масса является источником гравитации» [10, с. 390].
Гравитационное взаимодействие, по теории Эйнштейна, не является такой же силой, как другие3. В рамках общей теории относительности (ОТО), выражающей тяготение через геометрию4 пространства-времени, постулируется, что «...гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел
1 Закон всемирного тяготения Ньютона был опубликован 1687 г. Не всем известно, что «...сам Ньютон формулу... закона не писал. Он лишь утверждал, что притяжение пропорционально количеству вещества и обратно пропорционально квадрату расстояния» [5, с. 109]. Однако не Ньютон сказал первым о закономерности изменения силы от расстояния. «Самыйранний"разговор" о силе, обратно пропорциональной квадрату расстояния, состоялся в книге французского астронома Буйо в 1645 году. Автор чтил Коперника, Галилея и Кеплера, но планетную силу - не по Кеплеру - уподобил освещённости, убывающей с расстоянием от источника света именно таким образом. Но затем, в той же самой книге, Буйо отверг само существование движущей силы» [5, с. 112]. Неубедительные слова о силе, обратно пропорциональной квадрату расстояния, тем не менее вошли в историю и спустя десятилетия дошли до Ньютона. Идея «обратныхквадратов» стала важной лишь в сочетании с другими, появившимися позже [5]. Чтобы вывести закон гравитации, надо было слово «притяжение» сделать физическим понятием, доступным для экспериментальной проверки, и связать это понятие с измеримыми величинами, прежде всего с самим движением. Это и сделал Ньютон, но оставалось нечто, о чём он очень сожалел: «Причину свойств гравитации я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю» [цит. по 5, с. 117]. Но, как выяснилось позже, его сожаления были напрасными. Р. Фейнман писал: «...гравитацию не удавалось объяснить законами движения, и даже сегодня она стоит обособленно от всех прочих теорий. Гоавитацию пока нельзя объяснить никакими другими явлениями» [6, с. 11].
Несмотря на мировую славу Ньютона, ему предъявляли моральные претензии в том, что он не разделил соавторства с выдающимся физиком-экспериментатором Робертом Гуком (1635 - 1703 гг.), считавшим, что именно он сообщил Ньютону ключевую гипотезу, доказать которую сам не мог и обратился в 1679 г. к «славному своей математической мощью» учёному. Однако Ньютон отвергал претензию Гука на соавторство и указывал, что о притяжении, обратно пропорциональном квадрату расстояния, говорили до Гука, начиная с Буйо, и дело не в словесных гипотезах, а в точных количественных соотношениях. И сегодня эти, а также другие доводы Ньютона не убеждают многих историков [5].
2 «Гравитация... стала важнейшим фактором эволюции живого, причём, если говорить о двигательной системе млекопитающих, то она появилась именно как результат борьбы живых организмов с гравитационным полем. Развились скелет, важнейшая система мышц, система управления движениями, а также информационные системы, способные обеспечить точность движений в условиях гравитации» [8, с. 16].
3 Метод унитарности (см. сноску 36) дал возможность предположить, что гравитация похожа на все другие силы, хотя и в неожиданном ракурсе: «.она ведёт себя как "двойная копия" силы сильного ядерного взаимодействия, которая удерживает вместе компоненты ядра. Сила сильного ядерного взаимодействия передаётся частицами, называемыми глюонами; гравитация должна передаваться частицами, известными как гравитоны. Новое здесь в том, что каждый гравитон ведёт себя как два глюона, "пришитые" друг к другу. Эта концепция выглядит довольно неожиданно, и даже специалисты пока не имеют ясного представления, что она означает. Тем не менее свойства такой двойной копии позволяют иначе взглянуть на то, каким образом гравитацию можно было бы объединить с другими известными силами. ... На сегодня критический вывод заключается в том, что гравитация, возможно, не столь уж сильно отличается от других сил природы» [11, с. 21 - 22]. Более того, новые методы вдохнули новую жизнь в единую теорию, которую физики забросили навсегда в 1980-е годы.
4 «Физика всегда была в той или иной степени связана с геометрией. В XIX веке Лобачевский и Риман (см. сноски 5, 6. -Прим. М. Т.) предсказывали, что законы физики получат окончательную формулировку в геометрических понятиях (см. сноску 7. - Прим. М. Т.). Однако впервые геометрия вошла в физику существенным образом в теории тяготения Эйнштейна, созданной в 1916 году. Этому предшествовало изменение понимания роли локальных полей и структуры пространства-времени, начатое Максвеллом и окончательно формулированное в специальной теории относительности Лоренца - Пуанкаре - Эйнштейна в самом начале XX века» [16, с. 474] (см. сноски 10 - 12. - Прим. М. Т.).
5 Лобачевский Николай Иванович (1792 - 1856 гг.) - русский математик, один из создателей неевклидовой геометрии (https:// ru.wikipedia.org/wiki/Лобачевский,_Николай_Иванович).
6 Риман Георг Фридрих Бернхард (1826 - 1866 гг.) - немецкий математик, механик и физик. За свою короткую жизнь он преобразовал сразу несколько разделов математики (https://ru.wikipedia.org/wiki/Риман,_Бернхард).
7 Великие математики Гаусс (см. сноску 8), Риман и Лобачевский показали возможность искривления пространства, откуда естественно возникал вопрос: в каком пространстве мы живём или - что определяет форму пространства? Считается, что точно на него ответил Эйнштейн в 1915. На самом деле впервые в общих чертах ответ был предложен Риманом ещё в 1854 г.: «Вопрос обоснованности геометрии... связан с вопросом внутренней причины метрических взаимоотношений пространства. ... нам следует искать причину этих метрических взаимоотношений вне самого пространства, во внешних силах, воздействующих на него...» [цит. по 12, с. 213]. Риман значительно обогнал своё время в ответе на вопрос: что отталкивает объекты друг от друга или сближает их. Он не мог развить внятную теорию на основе своего прозрения. В то время невозможно было даже оценить применяемые им термины. Однако шестнадцать лет спустя на них всё-таки обратил внимание известный английский математик Уильям Клиффорд (1845 - 1879 гг.), представивший в 1870 г. Кембриджскому философскому обществу статью под названием «О пространственной теории материи», в которой смело заявил: «Яутверждаю: 1. Малые объекты пространства подобны в своей природе небольшим холмам на поверхности, которая в целом плоская; 2. Свойство кривизны, или искажения, подобно волне, постоянно передаётся от одной области пространства к другой и далее; 3. Переменность кривизны пространства - вот
и полей13, находящихся в пространстве-времени, а связано, в частности, с присутствием массы-энер-деформацией самого пространства-времени14, что гии» [22, с. 288].
что на самом деле происходит в процессе того явления, которое мы называем движением материи» [цит. по 12, с. 214]. К столь подробным выводам Клиффорда привела интуиция, но у него не было теории. «Клиффорда, Римана и Эйнштейна вела одна и та же математическая мысль: если объекты в свободном движении перемещаются по прямым, характерным для евклидова пространства, могут ли возникнуть другие виды движения, обусловленные кривизной неевклидова пространства?» [12, с. 214 - 215]. Теорию, которую не смогли развить математики, через много лет с помощью логических умозаключений, основанных на физике, а не на математике, удалось построить Эйнштейну.
Суть физического принципа Эйнштейна, который не сумел открыть Риман, такова: деформация пространства напрямую связана с количеством энергии и материи, содержащихся в этом пространстве. Однако Эйнштейну, который сформулировал свой принцип, не зная о трудах Римана, не хватало математического языка для его выражения. Три долгих года (1912 - 1915 гг.) он лихорадочно искал формулы. Отчаявшись, Эйнштейн написал близкому другу математику Марселю Гроссману: «Гроссман, помоги или я свихнусь!» [цит. по 9, с. 142]. Роясь в библиотеке в поисках подсказок, Гроссман случайно наткнулся на труды Римана. Так Эйнштейн узнал о метрическом тензоре Римана. Позднее Эйнштейн вспоминал, что Гроссман «...обратился к литературе и вскоре обнаружил, что эта математическая задача уже решена Риманом, Риччи (см. сноску 9. - Прим. М. Т.) и Леви-Чивитой (1873 - 1941 гг. - Прим. М. Т.) ... Риман справился с ней успешнее всех» [цит. по 9, с. 142]. «Эйнштейн был потрясён, увидев в знаменитом докладе, представленном Риманом в 1854 году (см. сноску 7. - Прим. М. Т.), ключ к решению задачи. Оказалось, что работу Римана можно целиком включить в новую формулировку принципа. Великий труд Римана, повторенный почти дословно, обрёл законное место в изложении принципа Эйнштейна. Этой работой Эйнштейн особенно гордился. Физическая интерпретация доклада, прочитанного Риманом в 1854 году, теперь называется общей теорией относительности, а уравнения поля, записанные Эйнштейном, причислены к наиболее основополагающим идеям в истории науки» [9, с. 142 - 143].
Значительным вкладом Римана было введение понятия метрического тензора (математического объекта, не изменяющегося при преобразовании системы координат). «В планы Эйнштейна входила разработка теории гравитационного поля по примеру Максвелла. Предмет его поисков, поле, которое описывало бы гравитацию, удалось обнаружить буквально на первой странице доклада Римана. По сути дела, метрический тензор Римана представлял собой именно фарадеево поле применительно к гравитации. . теперь мы видим, как близко подступил Риман к открытию теории гравитации, едва не опередив Эйнштейна на 60 лет. Весь математический аппарат теории гравитации существовал уже в 1854 году. Уравнения Римана достаточно точно описывали самые сложные искривления пространства-времени в любом измерении. Но ему не хватало физической картины (того, что материя-энергия определяет кривизну пространства-времени).» [9, с. 143].
Использование метрического тензора, определяемого в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел, позволило Эйнштейну выразить основную идею теории: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. «Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что "гравитационное поле равно нулю", мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида справедлива» [13, с. 150].
8 Гаусс Карл Фридрих (1777 - 1955 гг.) - немецкий математик, механик, физик, астроном и геодезист. Считается одним из величайших математиков всех времён, «королём математиков» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Гаусс,_Карл_Фридрих).
9 Грегорио Риччи-Курбастро (1853 - 1925 гг.) - итальянский математик. Создал «абсолютное дифференциальное исчисление» (тензорное исчисление), широко используемое в общей теории относительности, дифференциальной геометрии, теории многообразий и т. д. Его именем назван поток Риччи, который является основным математическим инструментом в доказательстве гипотезы Пуанкаре (использован Г. Перельманом. - Прим. М. Т.) и в проблеме геометризации 3-мерных многообразий - т. н. гипотезы Тёрстона (1946 - 2012 гг.) (https://ru.wikipedia.org/wiki/Риччи-Курбастро_Грегорио).
10 «Специальная теория относительности (СТО) - теория Эйнштейна, отправная точка которой состоит в том, что законы науки должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скоростей» [15, с. 500]. «Специальная теория относительности - дальнейшее развитие принципов классической механики и электродинамики. Теория обобщает их для тел, движущихся с субсветовыми скоростями. При сравнительно (со скоростью света) малых скоростях перемещения уравнения СТО переходят в свои классические аналоги. Вводит понятие нового континуального многообразия -четырёхмерного пространства-времени, где и описываются все события релятивистской физики» [16, с. 279].
11 Лоренц Хендрик Антон (1853 - 1928 гг.) - нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902 г., совместно с Питером Зееманом). Лоренц близко подошёл к созданию теории относительности, но так и не сделал необходимого шага в сторону от классических физических законов (https://ru.wikipedia.org/wiki/Лоренц,_Хендрик_Антон).
12 Пуанкаре Жюль Анри (1854 - 1912 гг.), франц. математик, физик и философ. Тр. по дифференц. ур-ям, теории аналитических функций, топологии, небесной механике, матем., физике [14]. Знаменитая формула Е = тс2 впервые предложена А. Пуанкаре в 1900 г.
13 Поле, в понимании физиков, это нечто, имеющее физическую величину, определённую во всех точках пространства (в отличие от частицы, существующей только в одной точке в каждый момент времени). Эта величина принимает в каждой точке некоторое значение, которое может изменяться во времени [17, 18]. (Подробнее о поле - в следующем номере журнала).
14 В статье, опубликованной в 1967 г., А. Д. Сахаров показал, что «...суть гравитации не в существовании кривизны пространства-времени, а в наличии большой "метрической упругости", противодействующей сильному искривлению пространства-времени всюду, за исключением мест, где сконцентрировано очень много вещества» [19, с. 63]. Сахаров высказал предположение, что гравитационное взаимодействие не является фундаментальным. Его расчёты привели к вопросу, не является ли теория Эйнштейна всего лишь некой эффективной теорией поля, описывающей длинноволновый предел (т. е. область низких энергий) более общей теории, выглядящей совершенно иначе в малых масштабах [19]. (См. также сноску 31). Гипотеза Сахарова привлекла физиков с самого начала, но тогда теоретическое понимание материальных полей не позволяло серьёзно проанализировать реализацию этих идей [19]. В наше время всё чаще видные физики-теоретики выдвигают предположение о том, что «...теория Эйнштейна представляет собой всего лишь эффективную, но неокончательную и не полную теорию гравитации» [20, с. 92]. Один из крупнейших физиков-теоретиков, математиков и специалистов по теории струн Э. Виттен говорит: «Возможно, есть какие-то фундаментальные концепции, фундаментальные основы, но пока мы ещё не понимаем, что они могут представлять собой. Сейчас я полагаю, что даже пространство и время в какой-то степени являются производными от чего-то более общего - так же как производными категориями являются струны и поля, элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, проявляющие себя в пространстве-времени» [21, с. 53].
«В описании гравитационного поля квантовой теорией очень много непонятного, но то немногое, что известно, связано с возмущениями, которые распространяются сквозь пространство в виде гравитационных волн»15 [34, с. 124].
Следующее хорошо известное взаимодействие -электромагнитное. Слово «электромагнитный» появилось в 1820 г, когда датский физик Эрстед (1777 -1851 гг.) обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями [35]. Основы электромагнетизма
15 Термин «гравитационная волна» (ГВ) был предложен в 1905 г. А. Пуанкаре. В ОТО (см. сноску 16) и в большинстве других современных теорий гравитации показано, что движение массивных тел с переменным ускорением порождает распространяющиеся изменения пространства-времени, получившие название «гравитационные волны». Они проявляют себя как колебания гравитационного поля [24]. ГВ пробегают с одного конца галактики на другой, не ослабляясь проходимой ими толщей вещества. Один из главных мировых экспертов по ОТО Кип Торн (см. сноску 17) поясняет: «Под действием гравитационных волн вещество, лежащее на их пути, поочерёдно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны» [цит. по 25, с. 20]. Однако подобное сжатие и растяжение минимально, и мы его не замечаем. Чрезвычайно малая амплитуда ГВ вызвала у Эйнштейна сомнения в возможности когда-либо наблюдать гравитационные волны. Попытки их обнаружить были безуспешными в течение примерно полувека [25].
И всё-таки ГВ были «засечены», хотя и не напрямую. В 1974 г. американские физики Р. Халс (1950 г. р.) и Д. Тейлор (1941 г.р.) обнаружили двойную систему, состоящую из вращающихся на очень близких орбитах нейтронных звёзд (пульсаров). Согласно ОТО такая система теряет энергию, испуская гравитационные волны. Это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения по мере сближения звёзд. В 1991 году Халс и Тейлор смогли измерить это изменение, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала ОТО. В 1993 году учёные были удостоены Нобелевской премии «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» [13, 2б].
Первым, кто предположил существование сверхгравитационного события, которое можно зафиксировать, был наш знаменитый физик Я. Б. Зельдович (1914 - 1987 гг.). Учёный считал, что вращающиеся чёрные дыры (см. сноску 18) будут излучать гравитационные волны, которые можно обнаружить. Расчёты, проведённые К. Торном и С. Хокингом, показали, что Зельдович не ошибался. «А если представить себе, что две такие дыры сталкиваются, - рассуждал Торн, - мы получим один из самых сильных гравитационных спазмов Вселенной!» [цит. по 30]. Такие «судороги» прокатываются по Вселенной с огромной скоростью. Гравитационные волны уносят часть выделяющейся при этом энергии. ГВ возникают также при крупных космических катастрофах, например, взрывах сверхновых, слиянии двойных или нейтронных звёзд19 (рис. 3, 4), вызывающих ускоренное движение громадных масс вещества [25].
Теоретические предпосылки обнаружения ГВ были известны давно. Ещё в 1962 г. советские учёные В. И. Пустовойт и М. Е. Гер-ценштейн описали принципы использования интерферометров (разнесённых в пространстве антенн и приёмников) для фиксации ГВ. Затем появились работы американских учёных [29, 31].
Технологии, необходимые для осуществления проекта по обнаружению ГВ, появились только к 1990-м годам, когда можно было проводить пробные работы. Идея заключалась в использовании характерного свойства гравитационной волны изменять метрику пространства особым образом - расширять её в одном направлении и сжимать в ортогональном. Такое воздействие могут почувствовать две световые волны, распространяющиеся перпендикулярно друг к другу. Для этого используются лазерные интерферометры. «В грубом приближении это должно было выглядеть так: луч лазера разбивается на два перпендикулярных друг к другу луча, и они начинают бегать между своими зеркалами, встречаясь в приёмнике и интерферируя между собой. Гоавитаци-онная волна меняет интерференционную картину, что уже может быть зафиксировано» [31, с. 7 - 8].
Возникшая идея детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) осуществлена длительной и кропотливой работой большого коллектива учёных из разных стран, в том числе и России. Были сооружены громадные установки, протянувшиеся на километры. К 2015 г. чувствительность детекторов LIGO была повышена более чем в десять раз [32]. И вот, наконец, 14 сентября 2015 г. в США двумя гравитационными детекторами, размещёнными в Хэнфорде (рис. 5) и Ливингстоне (расстояние около 3000 км), впервые был зарегистрирован сигнал в звуковом диапазоне длительностью около 150 мс с постепенно увеличивающейся частотой от 35 до 250 Гц [29]. Обнаружение сигнала, оценка его достоверности, определение параметров, а также выводы - всё это осуществлялось по программе российского учёного С. Клименко (http://tass.ru/nauka/2660918). Как показали выполненные ранее теоретические исследования, сигнал с такими параметрами должен генерироваться при слиянии двух чёрных дыр, обращающихся вокруг общего центра масс. Подобное событие произошло 1,3 млрд лет назад. Его отзвук и наблюдали учёные. Открытие подтвердило, что физики правильно понимают механизм генерации ГВ таким экзотическим объектом, как двойная чёрная дыра (рис. 6). Была также оценена верхняя граница гипотетического гравитона (она оказалась не более 2,1 ■ 10-58 кг) [29].
«Гоавитационные волны, эта "дрожь пространства-времени", порождены квантово-механическими причинами. Они вызваны квантовыми флуктуациями гравитационного поля, т. е. гипотетическими частицами гравитации - гравитонами. Теперь ... учёные ощутили, насколько реалистична идея квантовой гравитации» [25, с. 26]. Известный шведско-американский космолог М. Тегмарк считает, что «...пожалуй, впервые квантовая гравитация хоть как-то проявила себя в эксперименте» [25, с. 27].
С помощью детекторов LIGO можно наблюдать за высокочастотными волнами. Другие детекторы позволят зафиксировать гравитационные волны, возникшие в момент предполагаемого экспоненциального расширения Вселенной. Открытие этого вида гравитационных волн позволит окончательно доказать или отвергнуть теорию космической инфляции [32]. Отрадно отметить, что большой вклад в открытие гравитационных волн внесли российские учёные В. Брагинский (физфак МГУ) и А. Сергеев (Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород) [33].
16 «Принято считать, что излучение гравитационных волн движущимися массивными объектами объясняется исключительно общей теорией относительности. Однако нобелевский лауреат 1905 года Филипп Ленард при помощи своих вычислений убедительно обосновал этот эффект в статье "О распространении света в небесном пространстве", не прибегая к релятивистским теориям» [23, с. 92].
17 Кип Торн (1940 г. р.) - американский физик и астроном; лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн» (совместно с Р. Вайссом и Б. Баришом) (http://www.interfax.ru/ business/582411).
18 В чёрную дыру превращается умершая звезда. Ранее считалось, что этот объект всё поглощает, но ничего не выпускает
наружу, становясь невидимым. Однако в 1974 г. С. Хокинг показал, что чёрные дыры характеризуются определённой температурой, а квантовые эффекты способны вызывать «испарение» чёрных дыр - испускание ими частиц как обыкновенными горячими объектами [27, с. 88]. «С тех пор физики глубоко озадачены. Температура - свойство совокупности частиц, но из каких частиц состоят чёрные дыры?!» [28, с. 24].
были заложены трудами физиков-первооткрывателей XIX в. «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через десять тысяч лет) самым значи-
тельным событием XIX столетия, несомненно, будет, открытие Максвеллом законов электродинамики»20 [42, с. 27].
Если две чёрные дыры оказываются рядом, они начинают вращаться вокруг общего центра масс. Возникает идеальный источник ГВ. Излучая волны, две чёрные дыры ещё больше сближаются. Чем меньше расстояние между их центрами, тем больше орбитальная скорость и угловая скорость вращения, а значит, больше мощность излучаемых ГВ. Всё заканчивается столкновением и слиянием чёрных дыр [29]. На рисунках 1 и 2 представлены варианты визуализации процессов сближения двух чёрных дыр.
Рис. 1. Столкновение двух чёрных дыр, Рис. 2. Изображение процесса слияния черных
вызывающее гравитационные волны. Результат дыр, обнаруженного в эксперименте LIGO
численного моделирования по проекту Simulating (Права: NASA, США) extreme Spacetimes (SXS) [24, с. 2]
19 Последний прорыв гравитационной астрономии - наблюдение волн, рождённых слиянием нейтронных звезд (рис. 3, 4). 17 августа 2017 г. земные гравитационно-волновые обсерватории (LIGO и VIRGO - обсерватория, подобная LIGO, располагается в Италии) зарегистрировали уже пятую с начала наблюдений гравитационную волну, а наблюдения с помощью обычных телескопов показали, что источник ГВ был также источником электромагнитного излучения. Его наблюдали сотни телескопов, наземных и орбитальных, во всех диапазонах. Эти и предыдущие гравитационно-волновые измерения принесли впечатляющие результаты (https://www.popmech.ru/science/392662-5-bolshih-otkrytiy-sdelannyh-v-processe-izucheniya-gravitacionnyh-voln/; https://nplus1.ru/ material/2017/10/17/neutronic-gold).
Рис. 3. Учёные лабораторий LIGO-VIRGO Collaboration зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд, которое произошло примерно 130 млн лет назад (http://meteopathy.com/meteofaktory/zafiksirovany-gravitacionnye-volny-ot-stolknoveniya-dvux-nejtronnyx-zvezd/)
Рис. 4. Визуализация слияния двух спирально сближающихся нейтронных звёзд.
Справа - слияние вещества нейтронных звёзд, слева - искажение пространства-времени при столкновении. (Права Кран Жани, Технологический университет Джорджии, США). Есть также мнение, что это слияние привело к возникновению чёрной
дыры с промежуточной стадией в виде кварк-глюонной плазмы (Luciano Rezzolla et al. The missing
link: Merging neutron stars naturally produce jet-like structures and can power short Gamma-Ray Bursts, The Astrophysical Journal Letters 732(1), DOI: 10.1088/2041-8205/732/1/L6); (см. также [44])
20 «В истории науки эпоха Максвелла длилась всего несколько десятилетий. На смену ей пришли почти одновременно две эпохи, начатые открытиями Планка и Эйнштейна» [35, с. 121]. Теория Максвелла являлась классической. Её основные уравнения, описывающие электромагнетизм и свет, были сформулированы в 1865 г. В повседневной жизни для практических расчётов мы
Электромагнитное взаимодействие также дально-действующее и проявляется только между частицами с электрическим зарядом, такими, например, как электроны и кварки, но не влияет на нейтральные частицы типа нейтрино [18]. Именно электромагнитные силы в чистом виде удерживают электроны вблизи ядер, они преобладают на уровне атомов и молекул и ответственны за всё в химии и биологии [2, 6]. На микроскопическом уровне параметром, определяющим величину
Рис. 6. «Численное моделирование гравитационных волн, испускаемых при спиральном сближении (пунктирные линии) и слиянии двух чёрных дыр. Зелёные стрелки показывают их вращение. Цветные контуры вокруг каждой чёрной дыры представляют амплитуду гравитационного излучения» [24, с. 8]. Иллюстрация: C. Henze/NASA Ames Research Center
можем пользоваться классическими теориями, но понять поведение молекул и атомов можно только на основе квантовой версии электромагнетизма Максвелла [7, 36]. Необходимы были новые идеи, которые позволили бы объединить старую теорию электромагнитного поля и электродинамику Максвелла с квантовой механикой релятивистских частиц. Существовавшие методы квантовой физики позволяли с большим успехом описывать огромное количество явлений, связанных с атомами и молекулами, но они оказались непригодными для описания взаимодействия заряженных частиц с электромагнитным полем. Оставалась нерешённой проблема взаимодействия света и вещества [6, 37].
Формулировка теории объединения полей электронной волны с электромагнитными полями впервые в её согласованном виде была рассмотрена П. Дираком в 1920-х годах. Электромагнитное взаимодействие, описывающее, как воздействуют фотоны на электроны и протоны, отлично укладывалось в теорию Дирака благодаря предложенной Г. Вейлем (см. сноску 21) идее калибровки (см. сноску 22) [10, 36]. «И вот, наконец, в 1929 году рядом физиков была создана новая теория - квантовая теория взаимодействия света и вещества, получившая ужасное название "квантовая электродинамика"» (КЭД. - Прим. М. Т.) [6, с. 13]. Эта область науки включает все предсказания классической теории электромагнетизма, а также вклад частиц (квантов) в физические процессы, т. е. взаимодействия, порождаемые обменом или рождением квантовых частиц [38].
Однако КЭД прекрасно работала только как грубый ориентир, а при точных вычислениях получались очень большие поправки, в действительности равнявшиеся бесконечности. Таким образом, привычные для физиков расчёты давали бессмысленные выражения, и ничего нельзя было посчитать с высокой точностью [6].
Открытие нового пути произошло в 1948 г., когда к решению проблемы вычислений в КЭД независимо друг от друга пришли Р. Фейнман (1918 - 1988 гг.), Д Швингер (1918 - 1994 гг.) и С. Томонага (1906 - 1979 гг.) (Ноб. пр. 1965 г. совм.). Их труды привели к выработке принципа перенормировки (см. сноску 25).
Это был прорыв, необходимый квантовой электродинамике. Как объединить три теории в одну, было счастливым озарением Фримена Дайсона (см. сноску 27) - одного из ярких и парадоксальных интеллектуалов нашего времени. Его статья, вышедшая в 1949 г., произвела сенсацию. После опубликования этой работы Дайсона учёные наконец-то получили работоспособную квантовую теорию электромагнитного поля (см. сноску 28), объяснявшую поведение наиболее важных частиц во Вселенной - электронов и фотонов, или частиц света. Эта теория быстро получила признание, так как позволяла делать очень точные предсказания. Успех квантовой электродинамики определил направление развития теоретической физики элементарных частиц на оставшуюся часть ХХ в. Учёные решили расширить рамки квантовой теории поля и объяснить поведение других частиц, таких как субатомные частицы, из которых состоят ядра атомов. КЭД стала моделью для всех квантово-полевых теорий [2].
21 Вейль Герман Клаус Гуго (1885 - 1955 гг.), немецкий математик и физик-теоретик. Лауреат премии Н. И. Лобачевского (1927 г.) (https://ru.wikipedia.org/wiki/Вейль,_Герман).
22 Термин «калибровочная симметрия» имеет большую предысторию и, считаясь не очень удачным, не может быть изменён в настоящее время [36]. Физики начали использовать его ещё в конце 1800-х годов, взяв этот термин из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось изменение уровня или масштаба [38]. Примерно в 1920 г. Вейль ввёл своё понимание этого термина, пытаясь сформулировать теорию, способную объединить электромагнетизм и общую теорию относительности. «Вейль был первым, кто предложил теорию, которая оставалась инвариантной по отношению к произвольным расширениям или сжатиям пространства. В этой теории для каждой точки пространства-времени был принят различный масштаб длины и времени. Вейль сравнивал выбор соглашения о масштабе с выбором калибровочных блоков, т. е. стальных полированных блоков, употребляемых как стандарт длины» [36, с. 488 - 489]. В своей попытке объединения двух теорий Вейль сохранил все симметрии ОТО, добавив к ним, таким образом, симметрию относительно изменений масштаба [39]. С. Вайнберг поясняет: «Однако в 1920-х годах физики полагали калибровочную симметрию
электромагнитного воздействия частицы и её отклик на электромагнитное воздействие других частиц, является их электрический заряд. Он играет ту же роль, что и масса для гравитационного воздействия. На основе электромагнитного взаимодействия построена простейшая из доступных для исследований систем - это атом водорода, экспериментальное изучение свойств которого и их осмысление позволило в начале прошлого века сделать первые шаги в квантовой механике [2].
Электромагнитным силам мы обязаны комфортом современной жизни. Они используются в электрическом освещении, компьютерах, телевидении, телефонах, сети Интернет и др. Кроме того электромагнитные силы лежат в основе мощи грозовых явлений (рис. 7) и слабых разрядов при нежном прикосновении человеческой руки [3]. Это всё, что нам необходимо знать, пока мы не захотим «прощупать» структуру самого ядра [9].
Изучение ядер и частиц открыло существование двух других взаимодействий. Электромагнетизм не объяснял, как происходит бета-распад, а также как связаны протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Для выявления законов, управляющих базовыми элементами материи, учёным пришлось предположить, что внутри атома существуют два разных взаимодействия - слабое ядерное, ответственное за некоторые ядерные превращения, и сильное ядерное, отвечающее за связь между составными частями атомного ядра. Слабое и сильное взаимодействия менее известны, чем рассмотренные выше. Их сила быстро убывает с расстоянием и играет существенную роль только на субатомном уровне [2].
Рис. 7. Загадочное и очень красивое природное явление постоянно происходит на северо-западе Венесуэлы, там, где река Кататумбо впадает в озеро Маракаибо. Непрерывно сменяя друг друга, небо рассекают огромные электрические разряды до десяти и более километров длиной [39]. Примечание. Не фотошоп, а длинная выдержка (http://webdiscover.ru/40859.html)
Первым признаком существование слабого взаимодействия стала радиоактивность (самопроизвольный распад атомных ядер), открытая в конце XIX в. Это взаимодействие - слишком слабый фактор, чтобы удерживать атом как единое целое. Он позволяет ядру разделиться на более мелкие составляющие. Внутри Солнца слабое взаимодействие превращает водород в
не более чем формальным следствием перехода к квантовому описанию движения заряженных частиц. Должно было пройти немалое время, прежде чем учёные увидели в калибровочной инвариантности фундаментальный принцип, из которого можно вывести гораздо больше, нежели законы квантовой электродинамики» [цит. по 39]. В 1954 г. Янг (см. сноску 23) и Миллс (см. сноску 24) дали новое понимание калибровочной симметрии. «Теориями такого вида теперь описываются все основные силы природы. Свойства этих сил выводятся из симметрий или закономерностей, проявляющихся в законах физики» [36].
Калибровочная симметрия (калибровочная инвариантность) - принцип, согласно которому наблюдаемые физические величины не изменяются при определённых преобразованиях полей; при этом преобразования могут различаться в разных точках пространства и времени. Калибровочная симметрия является центральным понятием фундаментальной теории материи, так как все известные фундаментальные взаимодействия - сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное - основаны на этом принципе [40]. Калибровочная симметрия связана с законами сохранения, и правильный выбор калибровочной симметрии помогает сформулировать теорию поля, в которой соблюдается сохранение изучаемого свойства [2].
23 Янг Ч. (г. р. 1922), физик-теоретик, заложил (1954 г.) основы современной теории калибровочных полей (теория Янга - Мил-лса). Совместно с Ли Цзундао выдвинул (1956 г.) гипотезу о несохранении чётности в слабых взаимодействиях, в 1957 г. - гипотезу о несохранении комбинированной чётности (независимо от др.). Ноб. пр. (1957 г. совм. с Ли) [14].
24 Миллс Р. (1927 - 1999 гг.), американский физик, специализировался в области квантовой теории поля, теории сплавов и теории многих тел. Совместно с Ч. Янгом предложил (в 1954 г.) тензорное уравнение для того, что сейчас называется полем Янга -Миллса. Уравнения Максвелла являются частным случаем теории Янга - Миллса (https://ru.wikipedia.org/wiki/Миллс,_Роберт).
25 Перенормировка (ренормализация) - математический метод, разработанный для осмысления бесконечностей, возникающих в квантовых теориях. Начало этому методу положил Бете (см. сноску 26), а затем развивали и другие физики [7, 41].
26 Бете Х. А. (1906 - 2005 гг.), физик-теоретик. Фундаментальные труды по квантовой механике, ядерной физике, квантовой теории твёрдого тела, астрофизике. Ноб. пр. (1967 г.) [14].
27 Фримен Джон Дайсон (1923 г. р.), американский (британского происхождения) физик-теоретик, один из создателей квантовой электродинамики (https://ru.wikipedia.org/wiki/Дайсон,_Фримен). Дайсон не был удостоен Нобелевской премии только потому, что А. Нобель установил правило награждать не больше трёх учёных по одной научной дисциплине, а квантовую электродинамику создавали четверо (см. выше). Один из них - Фримен Дайсон.
28 Квантовая теория поля - инструмент, с помощью которого физики изучают частицы. Эта теория «.основана на вечных и вездесущих объектах, которые способны порождать и уничтожать эти частицы. Такими объектами являются "поля" квантовой теории поля» [38, с. 137]. Квантовая теория поля в применении к электромагнетизму - квантовая электродинамика. «Подобно классическим электромагнитным полям, квантовые поля - это объекты, заполняющие пространство-время. Но квантовые поля играют и другую роль. Они порождают или поглощают элементарные частицы. Согласно квантовой теории поля частицы могут рождаться или уничтожаться где угодно и в любое время. . Каждая частица рождается или уничтожается своим собственным полем. В квантовой теории поля не только электромагнетизм, но все силы и взаимодействия описываются с помощью полей, которые могут создавать новые или уничтожать уже существующие частицы» [38, с. 137].
дейтерий (тяжёлый водород) - сырьё для термоядерных реакций, благодаря которым наша звезда светится. В то время как радиус действия электромагнитной силы огромен, слабая сила ощущается только на расстоянии, равном одной стомиллионной доли нанометра (одна сотая диаметра атомного ядра). Это расстояние столь малое, что физики считают: слабая сила включается лишь при непосредственном контакте частиц [4]. Слабое взаимодействие было объяснено в рамках электрослабой теории, разработанной в 1960-х гг. [38].
Четвёртая сила природы - это самое мощное из всех и, наверное, самое малоизвестное - сильное ядерное взаимодействие. Как показали эксперименты, оно примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в сто тысяч раз сильнее слабого взаимодействия. Сильное взаимодействие, так же как и слабое, не имеет отношения к нашему повседневному опыту, но эта сила отвечает примерно за сотню элементов, которые заполняют Вселенную. [3, 18]. Сильное взаимодействие удерживает кварки в «склеенном» состоянии внутри протонов и нейтронов, оно же удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре. Без этой силы ядра разлетелись бы на части, атомы распались бы, а вся наша реальность «расползлась». Для описания сильных взаимодействий была предложена теория, которая носит название «квантовая хромодинамика» [3], поскольку она связана с динамикой цветовых зарядов кварков и представляет собой чрезвычайно эффективный способ описания сильных взаимодействий, основанный на кварковой модели. Эта теория прекрасно согласуется с экспериментами [22, 44].
Удивительной чертой этих четырёх сил является то, что все они принципиально отличаются друг от друга, обладая различными свойствами. Например, гравитация в 1036 раз слабее электромагнитного взаимодействия. Даже наша расчёска может поднять клочок бумаги с помощью статического электричества, преодолевающего силу гравитации. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения, и для них не происходит нейтрализации - чем больше вещества, тем сильнее будет гравитационное взаимодействие. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым [3, 4, 34]. Единственной причиной, по которой электромагнитные силы не доминируют полностью над гравитационными в окружающем нас мире, является то, что большинство тел состоят из одинакового числа положительных и отри-
цательных частиц, и в результате создаваемые ими силы нейтрализуют друг друга [3].
А как обстоят дела в микромире? Известно, что силы гравитации между электронами и атомным ядром невероятно малы по сравнению с электрическими, скрепляющими атом. Ещё большее их отличие от ядерных сил, которые удерживают вместе кварки в протоне. Общая теория относительности в малых масштабах элементарных частиц пока не проверена. Измерить воздействие сил тяготения на них невозможно - их масса для этого слишком мала. Тем не менее учёные пытаются оценить роль гравитации в атомной и ядерной физике, а также в физике частиц [3, 12, 34].
Обычно мы представляем себе элементарные частицы (например, электрон) как бесконечно малые точки в пространстве. «Но это не вся правда. Дело в том, что у элементарных частиц достаточно много свойств, которыми они различаются между собой. Некоторые из них имеют электрический заряд, а другие - нет. Кварки обладают, например, барионным числом29, изо-спином30... Частицы, подобно волчкам, вращаются вокруг своей оси. Нет оснований считать, что одна точка может обладать такой структурой и разнообразием свойств» [34, с. 212]. Большинство физиков-частичников уверены, что исследование частиц в невероятно малых масштабах позволит оценить устройство их внутреннего механизма. «Последние несколько лет мы собрали косвенные свидетельства того, что механизм внутри элементарных частиц имеет ни больше, ни меньше как планковские размеры. Теперь планков-ская длина (10-33 см) приобрела невероятное значение для физиков-теоретиков» [34, с. 213]. Обычно представляют, что гравитация совершенно несущественна для описания поведения элементарных частиц. «Однако это не так, когда частички материи сближаются друг с другом на планковскую длину. В этих условиях гравитация не только уравновешивается с другими силами, но и превосходит их. Всё это означает, что в глубине нашего мира, на расстояниях столь малых, что на них даже электроны имеют сложную структуру, гравитация может быть самой важной силой, скрепляющей частицы. . в планковском масштабе гравитация и квантовая механика могут работать совместно (см. сноску 31. - Прим. М. Т.) и объяснять свойства электронов, фотонов и всей этой честной компании. Нам, физикам, изучающим элементарные
29 Барионное число (барионный заряд) - сохраняющееся аддитивное квантовое число в физике элементарных частиц, определяющее количество барионов в системе ([44]; https://ru.wikipedia.org/wiki/Барионное_число).
30 Изоспин (изотопический спин) - одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/937297).
31 Например, «...применение принципа неопределённости к гравитации в описании теории Эйнштейна приводит нас к довольно диковинным выводам о геометрии пространства» [12, с. 312]. Здесь мы говорим о той области пространства, в которой возникает конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой. Эта область часто описывается как ультрамикроскопическая: расстояние порядка планковской длины. Поскольку ОТО на таких масштабах не проверена, физики предпочитают ставить под вопрос допущение Эйнштейна о том, что мельчайшие области пространства можно считать плоскими. Если гравитационное поле, как и любое другое, подчиняется принципу неопределённости, то оно флуктуирует в пространстве и времени, причём «...на субпланковском масштабе расстояний квантовые флуктуации становятся столь сильными, что приводят краз-рушению понятия гладкого искривлённого геометрического пространства, и это означает нарушение принципов общей теории относительности» [3, с. 106]. Таким образом, пространство крошечных областей нельзя считать плоским. Поэтому возникает вопрос о структуре пространства на ультрамикроскопическом уровне. Ключ к ответу, скорее всего, в идее, за которую подвергали
Ф #
частицы, очень нужно построить ясную теорию квантовой гравитации»32 [34, с. 213].
В современной картине микромира интерпретация силы, действующей между элементарными частицами, отлична от её представления в классической физике, где любая сила - это действие некоего силового поля, притягивающего или отталкивающего предметы и изменяющего характер движения тела [22]. На микроскопическом уровне, согласно КЭД, силы притяжения и отталкивания между электрически заряженными частицами передают частицы-переносчики взаимодействий. Например, частица материи (электрон или кварк) испускает частицу, переносящую взаимодействия, вследствие чего её скорость изменяется. Это подобно тому, как выстрел заставляет пушку откатываться назад. Частица-переносчик взаимодействия сталкивается с поглощающей её частицей материи, что вызывает изменение движения принимающей частицы (рис. 8). Незаряженные частицы типа нейтрино обходятся без такого обмена [12, 18].
В квантовой теории поля частицы, переносящие взаимодействие, названы калибровочными бозонами. В электромагнитных взаимодействиях калибровочная частица - фотон [3, 18]. Например, в результате обмена виртуальным33 фотоном возникает электромагнитная сила отталкивания между отрицательно заряженными электронами в точке наибольшего приближения. Электрон - частица материи и квант электрон-позитронно-го поля. Наименьшими компонентами слабого взаимодействия являются частицы, называемые слабыми
Рис. 8. Обмен частицами-переносчиками взаимодействий, приводящий к возникновению сил [14, с. 137]
калибровочными бозонами, а переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Обменное взаимодействие составляет основу Стандартной модели микромира, ставшей результатом десятилетий мучительной работы и исследований в области физики частиц. В настоящее время Стандартная модель способна структурировать все экспериментальные данные, имеющие отношение к этой области [4]. Она широко используется для практических целей «физиками-ядерщиками и элементарщи-ками» [22, 44].
Гравитационное взаимодействие, не включённое в Стандартную модель из-за отсутствия общепринятой
насмешкам струнных теоретиков. Например, Р. Фейнман при встрече в лифте с Д. Шварцем в шутку сказал: «Ну что, Джон, и в скольких измерениях вы живёте сегодня?» [5, с. 219; 44]. А идея в том, что «...в царстве ультрамикроскопичности есть, судя по всему, другие измерения, свёрнутые в себе самих, настолько малые, что, как и квант в 1899 году, остаются незамеченными. Они и есть ключевой ингредиент в спасительном снадобье для общей теории относительности. Именно о них размышлял, но позднее отбросил десятки лет назад сам создатель теории относительности» [12, с. 316].
Наиболее многообещающий вариант объединения гравитации и электромагнетизма возник у Эйнштейна в 1919 г., когда он размышлял над содержанием письма, полученного от безвестного математика Теодора Калуцы. Теория, которую автор письма разработал всего через три года после того, как Эйнштейн опубликовал окончательный вариант ОТО, предлагала новый подход к объединению гравитации и электромагнетизма, но она имела одну маленькую странность. «Идея создания [объединённой теории] посредством пятимерного цилиндрического мира никогда не приходила мне в голову.», - написал в ответ Эйнштейн [цит. по 12, с. 317]. Пятимерный цилиндр вызывал удивление. Однако в том же письме Эйнштейн добавил: «Мне чрезвычайно симпатична ваша мысль» [цит. по 12, с. 318]. В короткой статье Калуца предлагал объединить теорию гравитации Эйнштейна с теорией света Максвелла путём введения пятого измерении, т. е. добавив ещё одно - пространственное. Эйнштейн сомневался в теории Калуцы, ведь ещё никому не удавалось найти хоть какое-нибудь применение дополнительному измерению [9]. Однако после долгих раздумий в 1921 г. он все-таки помог Калуце опубликовать его теорию.
Подход Калуцы, дополненный шведским физиком О. Клейном (1894 - 1977 гг.) в 1926 г., состоял в том, чтобы переписать уравнения общей теории относительности для пяти измерений, предположив компактификацию «лишнего» пятого измерения пространства-времени. Калуца и Клейн попытались объединить электромагнетизм и гравитацию, выдвинув гипотезу, что электромагнетизм прячется в свернувшемся в крошечный круг измерении, размер которого совпадает с планковской длиной [13]. Проверке такое утверждение не подлежало. После 1930-х годов физики охладели к новой теории, и она многие годы не находила применения. Эйнштейн вернулся к ней в последний раз в 1938 г. Вплоть до 1970-х годов идею о возможности существования дополнительных измерений физики не воспринимали всерьёз [12, 38], когда к дополнительным пространственным измерениям обратились струнные теоретики [44].
32 «Квантовая гравитация - направление исследований в теоретической физике для самосогласованного квантового описания гравитационного взаимодействия и объединения гравитации с остальными тремя фундаментальными силовыми полями (электромагнитным, сильным и слабым) в построении теории всего» [22, с. 284].
33 Обменное взаимодействие тесно связано с понятием о непрерывно возникающих и исчезающих виртуальных частицах, занимающих в квантовой теории поля центральное место. В этой сложнейшей теории взаимодействия между микрочастицами и их взаимные превращения рассматриваются как процесс поглощения и генерации их виртуальных аналогов. В отличие от реальных эти частицы нельзя наблюдать с помощью детектора. Однако учёные знают о существовании виртуальных частиц, поскольку они вызывают поддающийся измерению эффект - взаимодействие между частицами материи, например, небольшие изменения энергии электронных орбит. Эти измерения с высокой степенью точности согласуются с теоретическими выводами [7, 18]. «Виртуальные частицы - прямое следствие неопределённости, присущей квантовым измерениям» [13, с. 155].
Рис. 9. Ричард Фейнман, читающий одну из своих знаменитых лекций (1950-е годы), и его диаграммы [42, с. 71]
теории квантовой гравитации (см. сноску 32), переносится гипотетической частицей гравитоном. Если такая частица существует, то это - не имеющий заряда безмассовый бозон со спином 2 [2]. (См. также сноску 15).
Процессы взаимодействия элементарных частиц постоянно происходят в окружающем нас мире. Частицы притягиваются друг к другу, отталкиваются, аннигилируют или даже превращаются в другие. Чтобы наглядно представить подобные квантовые процессы, в 1949 г молодой физик Р. Фейнман (рис. 9) предложил
& ж к
Рис. 10. Диаграммы Фейнмана, иллюстрирующие процесс, в котором два электрона разлетаются друг от друга [8, с. 121]
формализм, в результате которого, в частности, возникли «...так называемая «формулировка через интеграл по траекториям» и знаменитые диаграммы Фейнмана»34 [41] (рис. 10). В их основе лежат теоретические положения квантовой электродинамики, и они служат эффективным способом изображения процессов для всех областей квантовой теории поля [11, 45].
Диаграммы Фейнмана дают картину взаимодействия двух или более сталкивающихся или рассеивающихся друг на друге частиц во времени и пространстве (см. рис. 10). Чтобы сделать количественное предсказание, теоретик чертит ряд диаграмм, каждая из которых представляет собой один из возможных путей, по которому может пойти процесс в результате столкновения. Следуя набору подробных инструкций, которые сформулировал Фейнман с коллегами, в частности с Ф. Дайсоном, теоретики присваивают каждой диаграм-
34 Подход Фейнмана физикам в то время было трудно и постичь, и принять. Интегралы по траекториям, которые он изобрёл для суммирования путей частиц, не имели математического доказательства, кроме того местами были плохо определены. «А его наглядный метод извлечения ответов из его же теории, ныне именуемый диаграммами Фейнмана, не походил ни на что, виденное физиками прежде. Физики требовали доказательства. Они желали, чтобы математический вывод его формул исходил из обычных формулировок квантовой теории. Но он развил свой метод, применяя интуицию и физическую логику, а также множество проб и ошибок. Доказать его он не мог» [46, с. 25-26]. В 1948 г., представляя этот метод на конференции, Фейнман подвергся нападкам именитых физиков: Н. Бора, Э. Теллера (см. сноску 35) и П. Дирака. И всё же с ним пришлось считаться, так как Фейнман за полчаса делал теоретические расчёты, на которые даже у опытных физиков уходили месяцы. Но, наконец, другой молодой физик, Фримен Дайсон, показал, как подход Ричарда Фейнмана соотносится с обычным, и его метод постепенно прижился [46]. Двадцать лет спустя физики распространили технику фейнмановских диаграмм на силы ядерного взаимодействия (см. сноску 36) [11]. Нобелевский лауреат М. Гел-Манн называл диаграммы Фейнмана лабораторией теоретической физики [41].
35 Теллер Эдвард (1908 г. р.), американский физик. Участник создания американской атомной бомбы и руководитель работ по созданию водородной бомбы [14].
36 Однако для высокоэнергетических соударений сложность метода Фейнмана растёт лавинообразно. «Отдельные диаграммы Фейнмана часто представляют собой непостижимую картину в стиле барокко, и когда приходится жонглировать множеством таких диаграмм, мы теряем нить стоящей за ними физики» [11, с. 23]. В течение многих лет учёные пробовали большое количество разнообразных методов вычислений, и постепенно начали проявляться контуры альтернативы фейнмановским диаграммам, достигшим предела своей применимости. Поэтому физики разработали новый подход, называемый принципом унитарности, используя который можно почти полностью описать рассеяние частиц, более точно представить поведение обычных частиц в экстремальных условиях в БАК [11, 47]. Это должно помочь экспериментаторам в поисках экзотических частиц и сил. «Унитарность - это требование, чтобы вероятность всех возможных исходов в сумме составляла 100 %» [11, с. 23]. Унитарность подразумевается и в методике Фейнмана, но там она скрыта за сложностью вычислений. Идея основывать вычисления на свойстве унитарности появилась ещё в 1960-х годах, хотя впоследствии «впала в немилость». Однако отвергнутые идеи иногда возвращаются в новом облике [11].
ме число, определяющее вероятность того, что событие будет происходить именно так [11]. На фейнмановских диаграммах, представленных на рис. 10, показаны некоторые из возможных путей рассеяния друг на друге двух электронов с помощью электромагнитной силы. Прямые линии на них соответствуют путям электронов, волнистые - фотонов. Считается, что время идёт снизу вверх, а точки соединения линий соответствуют поглощению или излучению фотонов электроном.
Пора подвести итог Мы видим, что «...силы природы не сопоставимы, но тонко сонастроены» [46, с. 50]. Например, если бы сильное взаимодействие не было настолько мощнее электромагнитного, большинство ядер распалось бы. «Именно равновесие всех четырёх сил Природы, их относительная мощь и различные свойства позволяют Вселенной быть такой, какой мы её знаем» [46, с. 49].
Однако деление природных сил на четыре типа искусственно и, вероятно, явилось следствием недостатка наших знаний о них [7]. Эйнштейн первым37 поставил перед собой цель объединить четыре силы при помощи единой теории поля, начав с гравитации и электромагнитного взаимодействия. Он посвятил единой теории поля последние 30 лет жизни, но не добился успеха, потому что обогнал своё время. В то время слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную объединённую теорию поля [4].
После Эйнштейна поиск теории, которая совместила бы все четыре типа сил в едином законе, сочетающемся с квантовой теорией, и ответила бы на вопрос мироздания о причинах сонастроенности сил Природы, обрёл новую популярность [46]. Объединив в 1970-е годы слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия, физики начали думать, как включить в эту теорию и сильное ядерное взаимодействие. Появились несколько так называемых теорий Великого объединения (ТВО), но большинство из них предсказывало, что протоны - то, из чего мы созданы, - должны распадаться в среднем примерно через 1032 лет38 [7].
Поскольку ТВО не получила экспериментального подтверждения39, большинство физиков приняли теорию, названную Стандартной моделью [44]. Она включает в себя единую теорию электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику в качестве теории сильных взаимодействий. Стандартная модель оказалась весьма удачной. Она согласуется со всеми имеющимися наблюдениями, но в конечном счёте эта модель неудовлетворительна, так как не только не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, но и не охватывает гравитацию [7]. «Может показаться трудным объединить в одну теорию сильное взаимодействие с электромагнитным и слабым взаимодействиями, но эти проблемы ничто по сравнению с проблемой присоединения гравитационного воздействия к трём
37 Свой вариант единой теории поля пытался создать один из основателей квантовой теории В. Гейзенберг совместно с В. Паули. В 1958 г Гейзенберг объявил по радио, что им удалось, наконец, разработать единую теорию поля, не достаёт лишь некоторых технических деталей. Узнав об этом ошеломляющем заявлении, Паули пришёл в ярость из-за того, что Гейзенберг поспешил. «Паули отправил соавтору письмо, в которое вложил чистый лист бумаги с надписью:"Вот доказательство, что я умею рисовать, как Тициан. Не достаёт лишь технических деталей"» [цит. по 9, с. 198]. Позже, в том же году, Паули прочитал лекцию по единой теории поля Гейзенберга - Паули, на которой присутствовали физики, жаждущие услышать недостающие подробности. Лекцию восприняли неоднозначно. Наконец поднялся Нильс Бор и заявил: «Все мы единодушны в том, что ваша теория безумна. Мы расходимся лишь в вопросе о том, достаточно ли она безумна» [цит. по 9, с. 198].
38 Указанное время жизни очень долгое, если учесть, что возраст Вселенной всего около 1010 лет. «Но в квантовой физике, если мы говорим, что средняя продолжительность жизни частицы равна 1032 лет, то не имеем в виду, что большинство частиц живёт примерно 1032 лет: одни из них - чуть больше, другие - чуть меньше. Мы только хотим сказать, что ежегодно каждая частица может разрушиться с вероятностью один шанс из 1032. Это значит, что если вы наблюдаете за ёмкостью, в которой находится 1032 протонов на протяжении всего нескольких лет, то должны увидеть, как распадается несколько протонов. Изготовить такую ёмкость не так уж трудно, поскольку 1032 протонов содержится всего в тысяче тонн воды. ... Оказалось, что выявить распады протонов и выделить их среди похожих событий, которые вызваны космическими лучами, непрерывно льющимися на нас из космоса, - дело непростое. Чтобы минимизировать помехи, эксперименты проводились глубоко под землёй, например, в шахте... на глубине 3281 фут (около одного километра. - Прим. М. Т.) под горой, что в определённой степени давало защиту от космических лучей. В результате наблюдений, проведённых в 2009 году, исследователи пришли к выводу: если протоны вообще распадаются, то время их жизни превышает 1034 лет» [7, с. 127]. Это стало плохой новостью для ТВО.
Физики задают вопрос - являются ли объединённые взаимодействия истинным свойством Природы? Вычисления показывают, что объединение может быть достигнуто в таких, например, моделях: суперсимметричных, с дополнительными измерениями, с закрученными дополнительными измерениями [38]. В последние годы появилась новая концепция объединения гравитации и квантовой теории. Такое объединение является конечной целью исследователей, собравшихся под эгидой проекта, названного «It from Qubit» (Оно из кубита). Под «оно» учёные подразумевают пространство-время. Кубит - наименьшее возможное количество информации. Учёные подвергли пересмотру расхожее мнение, что пространство «не сделано ни из чего». Пространство или, точнее, в терминах ОТО, «пространство-время» - в действительности может состоять из крошечных частичек информации. Ключом к пониманию организации битов может послужить эффект квантовой запутанности [27]. «.в последнее время одно из удивительных предположений заключается в том, что ткань пространства-времени переплетена квантовой запутанностью независимо от расположения структурных элементов пространства-времени» [47, с. 121]. В 2006 году была обнаружена связь между эффектом квантовой запутанности и геометрией пространства-времени. Физики Х. Малдасена и Л. Сасскинд провели в 2013 году расчёты, которые показали, что две чёрные дыры, находящиеся в состоянии квантовой запутанности, могут сформировать кротовую нору - кратчайший путь в пространстве-времени. Таким образом, эффект квантовой запутанности оказался способным порождать объекты в пространстве-времени [27, 47]. Для понимания того, как этот эффект может привести к рождению пространства-времени, физики должны прежде всего постичь принципы его работы [47, 48]. Когда динамика квантовой запутанности станет яснее, учёные надеются понять, каким образом возникает пространство-время.
39 Учёные предполагают, что все силы природы объединяются при энергии порядка планковской (1019млрд эВ), которая в 1015 раз больше самой большой энергии, доступной сегодняшним ускорителям [9, 49].
другим или даже с созданием отдельной квантовой теории гравитации»40 [7, с. 128].
Нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт так оценивает сложившуюся ситуацию: «Гоавитационное поле, кажется, с неизбежностью приводит к квантовым теориям, которые не могут быть перенормируемы. На очень малых расстояниях (10-33 см) и при очень малых временах (10-44 с) становятся важными квантовые флуктуации пространства-времени, что уже само по себе ставит вопрос о самом смысле пространственно-временного континуума» [36, с. 512].
Тем не менее поиск продолжается. «Искусительно оно, это движение к единой теории...» [46, с. 50].
Примечание. Автор статьи благодарит зам. директора по научной работе ИФТПС СО РАН, академика АН РС(Я), д.т.н. Валерия Валерьевича Лепова за предоставленные рис. 2 и 4.
Продолжение следует
Список литературы
1. Кейн, Г. Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике /Г. Кейн; предисловие Э. Виттена; [пер. с англ. и научная редакция Е. А. Литвиновича]. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. - 232 с.
2. Бэгготт, Д. Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» / Д. Бэгготт ; [предисл. С. Вайнберга; пер. с англ. Т. М. Шуликовой ]. - М.: ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. - 255 с.
3. Грин, Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории / Б. Гоин ; [общ. ред. В. О. Малышенко ; пер с англ.]. - М. : Едиториал УРСС, 2004. - 288 с.
4. Каку, М. Параллельные миры : об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / М. Каку ; [пер с англ. М. Кузнецовой]. - М. : ООО Издательство «София», 2008. - 416 с.
5. Горелик, Г. Гравитация - первая фундаментальная сила / Г. Горелик // Знание - сила. - 2012. - № 7. -С. 109-117.
6. Фейнман, Р. КЭД - странная теория света и вещества / Р. Фейнман ; [пер. с англ.]. - М. : Астрель: Полиграфиздат, 2012. - 191 с.
7. Хокинг, С. Высший замысел / С. Хокинг, Л. Мло-динов ; [под ред. Г. Бурбы ; пер с англ. М. Кононова]. -СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2012. - 208 с.
8. Кокурина, Е. В поисках точки опоры / Е. Кокури-на // В мире науки. - 2016. - № 12. - С. 14-21.
9. Каку, М. Гиперпространство : Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение / М. Каку; [пер с англ.]. - М. : Альпина нон фикшн, 2014. - 502 с.
40 «Причина, по которой оказалось так трудно создать квантовую теорию гравитации, имеет нечто общее с принципом неопределённости Гейзенберга. Это не очевидно, но оказалось, что, согласно этому принципу, величина поля и скорость его изменения играют ту же роль, что и положение, и скорость частицы, то есть чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие из этого заключается в том, что такого образования, как пустое пространство, нет. Это потому, что пустое пространство подразумевает, что оба значения - величина поля и скорость его изменения - строго равны нулю (в противном случае пространство не было бы пустым). А поскольку принцип неопределённости не позволяет ни полю, ни скорости его изменения обладать точным значением, то пространство никогда не бывает пустым. Оно может находиться в состоянии минимальной энергии, которое называется вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию, или вакуумным флуктуациям, когда частицы и поля то появляются, то исчезают. Вакуумные флуктуации можно рассматривать как пары частиц, которые в какое-то время появляются вместе, разлетаются, потом соединяются и аннигилируют. На диаграммах Фейнмана они изображаются замкнутыми контурами. Эти частицы называются виртуальными (см. сноску 33. - Прим. М. Т.). Проблема в том, что у виртуальных частиц есть энергия, а поскольку виртуальных пар бесконечное множество, то они могут обладать бесконечным количеством энергии. В соответствии с теорией относительности это означает, что они могут искривить Вселенную до бесконечно малого размера, чего на самом деле не происходит. Эти проклятые бесконечности напоминают ту же проблему, что и в теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, кроме тех случаев, в которых перенормировка приводит к устранению бесконечностей. Но замкнутые контуры на диаграммах Фейнмана для гравитации порождают такие бесконечности, которые не могут быть поглощены перенормировкой, поскольку в общей теории относительности нет достаточного числа перенормируемых параметров, чтобы удалить из теории квантовые бесконечности. В результате мы остались с теорией гравитации, которая предсказывает, что определённые величины, такие как кривизна пространства-времени, являются бесконечными, что никоим образом не вписывается в пригодную для жизни Вселенную. Это означает, что единственная возможность получить практичную теорию - это каким-то образом избавиться от бесконечностей, не прибегая к перенормировке. В 1976 году было найдено возможное решение этой проблемы. Оно называется теорией супергравитации. ... "Супер" в данном случае относится к типу симметрии, присущему этой теории и называемому суперсимметрией (см. [44]. - Прим. М. Т.). ...Одно из важных значений суперсимметрии состоит в том, что силовые частицы и материальные частицы, а следовательно, сила и материя - всего лишь две грани одного и того же явления. Практически это означает, что каждая материальная частица, такая как кварк, должна иметь парную силовую частицу, а каждая силовая частица, такая как фотон, должна иметь парную материальную частицу. Здесь есть возможность для решения проблемы бесконечностей, так как оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров силовых частиц положительны, а бесконечности от замкнутых контуров материальных частиц отрицательны, а значит, бесконечности, возникающие из силовых частиц и из парных им материальных частиц, имеют тенденцию взаимно уничтожаться. К сожалению, расчёты, необходимые, чтобы выяснить, останутся ли в супергравитации бесконечности, избежавшие уничтожения, оказались столь длинными и сложными, а кроме того, подверженными столь большим возможностям возникновения ошибок, что никто не решился за них взяться, тем не менее большинство физиков поверили, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации в единую теорию с другими видами фундаментальных взаимодействий» [7, с. 128 - 131].
10. Пенроуз, Р. Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель / Р. Пенроуз ; [пер. с англ.]. - М. ; Ижевск : Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. - 912 с.
11. Берн, Ц. Петли, деревья и поиск новой физики / Ц. Берн, Л. Диксон, Д. Косоуэр // В мире науки. - 2012. -№ 7. - С. 18-27; 32.
12. Млодинов, Л. Евклидово окно. История геометрии от параллельных прямых до гиперпространства / Л. Млодинов ; [пер с англ. Ш. Мартыновой]. - М. : ЦуеЬоок, 2013. - 384 с.
13. Кэррол, Ш. Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведёт к границам нового мира / Ш. Кэррол ; [пер. с англ. Т. Лисовской]. - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2015. - 352 с.
14. Новый энциклопедический словарь. - М. : Большая Российская энциклопедия РИПОЛ классик, 2005. -1456 с.
15. Хокинг, С. Три книги о пространстве и времени / С. Хокинг ; [пер. с англ.]. - СПб. : Амфора. ТИД Амфора, 2012. - 503 с.
16. Фейгин, О. Парадоксы квантового мира / О. Фейгин. - М.: Эксмо, 2012. - 288 с. - (Серия «Тайны мироздания»).
17. Фаддеев, Л. Д. Калибровочная теория взаимодействия элементарных частиц /Л. Д. Фаддеев //Лекции лауреатов Демидовской премии (1993 - 2004). -Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2006. - С. 474-482.
18. Хокинг, С. Кратчайшая история времени / С. Хокинг, Л. Млодинов; [под ред. А. Г. Сергеева; пер. с англ. Б. Оралбекова]. - СПб. : Амфора. ТИД Амфора, 2006. - 180 с.
19. Адлер, С. Л. А. Д. Сахаров и индуцированная гравитация / С. Л. Адлер //Природа. - 1990. - № 8. -С. 62-65.
20. Фейгин, О. О. Стивен Хокинг. Гений чёрных дыр / О. О. Фейгин. - М.: Эксмо, 2010. - 336 с. - (Серия «Открытия, которые потрясли мир»).
21. Виттен, Э. «Пространство и время - это не фундаментальные категории!» / Э. Виттен // Знание - сила. - 2014. - № 10. - С. 50-53.
22. Фейгин, О. Теория всего / О. Фейгин. - М. : Эксмо, 2011. - 304 с. - (Серия «Тайны мироздания»).
23. Бояринцев, В. И. АнтиЭйнштейн. Главный миф XX века / В. И. Бояринцев. - М. : Изд-во «Яуза», 2005. -150 с.
24. Понятов, А. Они существуют! Гравитационные волны зарегистрированы / А. Понятов // Наука и жизнь. - 2016. - № 3. - С. 2-12.
25. Главная тема. Волны пространства-времени // Знание - сила. - 2014. - № 9. - 18-27.
26. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тейлор,_Джозеф_Хотон.
27. Малдасена, Х. Чёрные дыры, кротовые норы и секреты квантового пространства-времени / Х. Мал-дасена // В мире науки. - 2017. - № 1/2. - С. 82-89.
28. Малдасена, Х. Иллюзия гравитации / Х. Малдасена // В мире науки. - 2006. - № 2. - С. 19-24.
29. Черногор, Л. Ф. Гравитационно-волновой пульс Вселенной /Л. Ф. Черногор // Наука и техника. - 2016. -№ 4 (119). - С. 10-14.
30. http://subscribe.ru/group/chelovek-priroda-vselennaya/ 2599700/.
31. Покровский, В. Послания чёрных дыр / В. Покровский // В мире науки. - 2016. - № 3. - С. 6-9.
32. Волков, А. Волны гравитации достигают берегов Науки / А. Волков //Знание - сила. - 2016. -№ 6. - С. 68-74.
33. https://scientificrussia.ru/articles/gravitatsionnye-volny.
34. Сасскинд, Л. Битва при чёрной дыре. Моё сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики / Л. Сасскинд ; [пер. с англ.]. -СПб.: Питер, 2013. - 448 с.
35. Горелик, Г. Первая и единая теория поля / Г. Горелик // Знание - сила. - 2012. - № 9. - С. 114-121.
36. 'т Хоофт, Г. Калибровочная теория сил между элементарными частицами / Г. 'т Хоофт // УФН. -1981. - Т. 135, вып. 3. - С. 379- 512.
37. Смородинский, Я. А. К читателю (Предисловие ко второму русскому изданию) / Я. А. Смородинский // Характер физических законов / Р. Фейнман. - 2-е изд. (испр.). - М. : Издательский дом «Наука». - 1987.
38. Рэндалл, Л. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства / Л. Рэндалл ; [пер. с англ.; науч. ред. И. П. Волобуев]. -М. : УРСС. Книжный дом «Либроком», 2011. - 400 с.
39. Левин, А. Разговор с классиком / А. Левин // Популярная механика. - 2013. - № 1.
40. http://knowledge.su/k/kalibrovochnaya-simmetriya.
41. Фаддеев, Л. Поучительная история квантовой теории поля. Лекция на Фестивале публичных лекций Полит. ру (http://www.polit.ru/article/2014/11/25/faddeev_itog/).
42. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике. Том 5. Электричество и магнетизм /Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэнс; [пер. с англ.]. - М.: Мир, 2004. - 292 с.
43. http://interesno.cc/article/3019/molnii-katatumbo-prirodnyjj-fenomen-v-venesuehle.
44. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 1. Как устроен мир. Продолжение / М.Турбина // Наука и техника в Якутии. - 2016. - № 1 (30). -С. 105-113.
45. Клегг, Б. Квантовая теория / Б. Клегг ; [пер. с англ. О. И. Перфильева]. - М. : РИПОЛ классик, 2015. -160 с.
46. Млодинов, Л. Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни /Л. Млодинов; [пер. с англ. Ш. Мартыновой]. - Livebook Publishing LTD, 2014. - 113 с.
47. Московиц, К. Запутанные пространством-временем / К. Московиц // В мире науки. - 2017. - № 5/6. -С. 118-124.
48. Жизан, Н. Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса / Н. Жизан; [пер. с англ. К. Ефимовой]. - ООО «Альпина нон-фикшн», 2016. - 177 с.
49. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории / С. Вайнберг ; [пер. с англ. А. В. Беркова]. - М. : Едиториал УРСС, 2004. - 256 с.
