Страница 47 из 48
Прошло, однако, более полувека, а все попытки найти непротиворечивое выражение для энергии тяготения — а их за это время было немало — потерпели неудачу. Неудача, правда, не обескуражила физиков. Они уже привыкли к тому, что на первых порах физическая теория часто бывает противоречивой. Так, если с помощью квантовой теории рассчитать массу или электрический заряд электрона, то в ответе получится бесконечность. Квантовая теория, оказывается, не умеет рассчитывать такие величины, и с этим пока приходится мириться. На этом фоне трудности с энергией в общей теории относительности Эйнштейна выглядели не слишком уж страшными, и многие физики считали, что их устранение можно отложить до лучших времен, тем более что гравитационное взаимодействие намного слабее других взаимодействий. Например, сила кулоновского отталкивания двух электронов в 1042 раз больше их гравитационного притяжения. Это означает, что если бы электромагнитные силы, притягивающие электрон к атомному ядру, вдруг ослабли до уровня гравитационных, то атом водорода вырос бы до размеров чуть ли не всей Вселенной.
Можно, можно подождать! Звездолеты, которым для навигации понадобилась бы общая теория относительности, летают пока лишь на страницах научно-фантастических романов; теория имеет, скорее, философское, нежели физическое значение.
Так думали долго. Но в последние десятилетия начали возникать и физические вопросы, на которые нельзя ответить без этой теории. Без нее нельзя рассматривать развитие Вселенной в первые минуты после Большого взрыва, когда устанавливался химический состав и распределение вещества и антивещества в нашем мире (не говоря уж о более ранних периодах «кристаллизации» правещества). Формулы, теории относительности нужны для описания свойств квазаров, для расчетов опытов с гравитационными волнами, для решения проблем «суперобъединения» гравитационного и других полей. Вопрос об энергии поля тяготения стал одним из основных.
Пожалуй, здесь мы встречаемся с единственным по-настоящему фундаментальным противоречием современной физики, устранение которого, возможно, потребует каких-то принципиально новых концепций. В физике много неясных моментов; некоторые ее разделы до сих пор представляют собой клубок плохо стыкующихся моделей, тем не менее принципиальных противоречий между экспериментом и теорией или между отдельными ее разделами там нет. Лежащие в основе современной физики релятивистские и квантовые законы охватывают чрезвычайно широкий круг явлений, за пределы которого физикам еще не удалось выйти. Даже такие экзотические объекты, как глюоны и кварки, и те подчиняются этим законам. Но вот как обойтись без энергии, чем ее заменить — этот вопрос выводит нас далеко за рамки известных физических идей. Единого мнения, в каком направлении следует искать разгадку «энергетического парадокса», у физиков нет. Часть из них, следуя Эйнштейну, считает, что гравитационное поле вообще не имеет энергии в отдельных точках. Эта концепция станет более понятной, если мы вспомним, что в соответствии с теоремой Неттер физические процессы в неоднородном несимметричном пространстве должны протекать так, словно само пространство воздействует на находящиеся в нем тела. В теории Эйнштейна, где пространство и время имеют сложную искривленную форму, этот эффект проявляется как гравитационная сила. Из формул, полученных им, следует, что везде, где есть кривизна пространства-времени, непременно возникает тяготение. А раз так, то можно предположить, что в отличие от электромагнитного и других полей, представляющих собой пространственное распределение материи, поле тяготения — это чисто геометрическое свойство нашего мира, и поэтому понятия массы и энергии, к нему не применимы.
Гравитационное взаимодействие тел, их тяготение осуществляется волнами кривизны пространства-времени. Идея непривычная. Волна, не имеющая сама энергии, замедляет или ускоряет движение тел, то есть в конечном счете изменяет их энергию. Это одна из тех «сумасшедших» идей, которые могут привести к революции в физике. Но вот как последовательно довести эту идею до логического завершения и обойти все возникающие на ее пути препятствия, пока неясно. По мнению многих ученых, энергия и масса — слишком фундаментальные величины, чтобы можно было от них отказаться, не изучив всех возможностей. Не будем забывать о бритве Оккама! Тем более что для слабых гравитационных полей можно построить теорию в плоском пространстве, где гравитация обладает свойствами обычного материального, энергетического поля — такого же, как электромагнитное, мезонное и все другие известные нам поля. Такую теорию в середине 30-х годов создал советский физик М. П. Бронштейн. В ней физические тела притягиваются, обмениваясь квантами гравитационного поля — гравитонами.
Мысль о том, что гравитация обладает энергией, подсказывает современная теория суперобъединения, где гравитационное поле — всего лишь особое проявление единого поля. Поскольку другие его проявления имеют энергию, то кажется естественным, что она должна быть и у тяготения.
В общем, сомнений и трудностей, которые порождает отказ от энергии в общей теории относительности, много. Чтобы понять, как можно было бы их обойти, рассмотрим подробнее исходную идею Эйнштейна о чисто геометрической (пространственно-временной) природе сил тяготения. Великий физик пришел к ней, размышляя над особенностями свободного падения тел. Такие тела, например, человек в стремительно спускающейся кабине лифта, приобретают невесомость. При этом тяготение исчезает для всех тел одинаково, независимо от их массы и внутренних свойств. Получается, что гравитационное поле можно полностью уничтожить, сделать равным нулю простым преобразованием системы координат — путем перехода от неподвижной системы, связанной с. Землей, к движущейся системе типа лифта. А так как материальную субстанцию преобразованием координат устранить нельзя — она будет существовать независимо от того, с какой платформы, движущейся или неподвижной, мы ее наблюдаем,— из этого, казалось бы, неизбежно следует вывод о совершенно особой, «невещественной» природе поля тяготения.
Теперь остается только шаг, чтобы окончательно связать гравитацию с геометрией, ведь четырехмерное пространство-время — единственная известная нам «нематериальная сущность» природы, и если гравитация не материя, то, значит, она действительно чисто геометрического происхождения.
Конечно, можно лишь гадать, как рассуждал сам Эйнштейн, но, если судить по его статьям и книгам, мы, надо надеяться, не слишком отклонились от истины.
Насколько же убедительными и непоколебимыми являются все эти рассуждения с современной точки зрения? Нет ли другой возможности для объяснения происходящих вокруг мае гравитационных явлений?
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 1. 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.
1
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.