Текст книги "PRO парадоксы науки"

Глава 7. Петлевая квантовая гравитация

Быть может, все эти мысли о струнах более подойдут математическим факультетам или даже богословским школам, чем факультетам физики? Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке? Сколько измерений в компактифицируемом многообразии, которое в 1030 раз меньше булавочной головки?

Ш. Л. Глэшоу.

Очарование физики

В конце прошлого столетия независимо был заложен фундамент двух наиболее популярных конкурирующих направлений в объединительной теории квантовой гравитации – петлевой квантовой гравитации (ПКГ) и теории струн. Для построения ПКГ важную роль сыграли новые оригинальные формы математического языка для описания пространства-времени. В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство предстает состоящим из мельчайших единиц в виде дискретных петлеобразных элементов. Вообще говоря, на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности.

В данной ситуации казалось, что моделям ПКГ и М-теории суждено остаться чисто умозрительными построениями. До этого физики-теоретики много раз пытались создать основы квантовой версии релятивистской гравитации, опираясь на то, что уравнения теории Эйнштейна предсказывают существование гравитационных волн и переносчиков сил тяготения – гравитонов. При этом теория говорила, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели и сопоставлялась с гравитоном!

Один из ведущих американских разработчиков ПКГ Ли Смолин рассказывает в статье «Атомы пространства и времени», что, согласно данной теории, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, т. е. объем изменяется отдельными порциями. Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины.

Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка очень мала: 10–33 см; она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, или 10–66 см². Наименьший возможный объем, отличный от нуля, – куб длины Планка, или 10–99 см³. Таким образом, согласно теории в каждом кубическом сантиметре пространства содержится приблизительно 1099 атомов объема. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).

Надо заметить, что в квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых «виртуальных» частиц и неисчерпаемым океаном энергии. В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные микрочастицы оказываются как бы в облаке бесчисленного количества виртуальных частиц. Классические частицы не могут порождать и поглощать другие, поскольку это могло бы нарушить законы сохранения энергии или импульса.

Сегодня многие физики-теоретики считают, что теория струн – это математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения и ее основная задача – объединить все фундаментальные взаимодействия в Теории Всего.

На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени, призванные разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и вполне возможно, что для ее осуществления потребуется еще одна революция в наших представлениях о структуре физической реальности.

Несмотря на прогнозы о близости окончательной победы над тайнами строения фундамента мироздания, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран – это даже не проверка их реальности, а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг островов, то теперь они слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «Теория Всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Скорее всего, тут речь может идти лишь о сверхмикроскопической области пространства-времени, где, по словам «суперструнного» теоретика Брайана Грина, уже видно, что неровности пространства становятся все более неистовыми.

На низшем уровне ткань пространства предстает в масштабе меньше планковской длины – миллионной миллиардной миллиардной миллиардной доли (10–33) сантиметра и становится кипящим котлом бурлящих флуктуаций. Обычные понятия пространственных измерений и направлений здесь так перепутаны ультрамикроскопической суетой, что теряют всякий смысл. Даже обычные понятия «до» и «после» делаются бессмысленными квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10–44) секунды. Подобно размытой фотографии, неистовые колебания делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог таков: на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени неприменимы.

Как на квантовых масштабах объединить все известные частицы и силы – один из главных вопросов, стоящих перед современными физиками, и тут скорее всего надо ждать появления не одной сверхуниверсальной теории, а нескольких взаимодополняющих моделей. Никто еще уверенно не знает, по какому пути надо идти, большинство современных попыток великого объединения далеки от простоты. В этом случае философы науки справедливо утверждают, что если подход Евклида систематизировал и в конечном счете упрощал геометрию, то современные теории пространства-времени часто только все запутывают.

Глава 8. Волны тяготения

Гравитационные волны – это рябь на поверхности кривизны, на ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Будучи предсказанными Эйнштейном в общей теории относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены. Однако косвенным образом они были идентифицированы в движении двойных пульсаров. Эти волны интенсивно излучаются компактными и массивными астрофизическими объектами, например, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, когда, как правило, нет электромагнитного излучения. Гравитационные волны значительно глубже, чем электромагнитные, проникают и меньше поглощаются. Это – наиболее обещающая проба сильного гравитационного поля, темной стороны Вселенной…

К. Торн.

Черные дыры и гравитационные волны

Все грандиозные катаклизмы, составляющие многие из нерешенных задач астрономии и астрофизики, тесно связаны с релятивистским искажением окружающего пространства. Обнаружение подобной ряби пространства-времени составляет важнейшую нерешенную задачу не только астрофизики, но и физики в целом, поскольку затрагивает фундамент величайшего творения Эйнштейна.

История экспериментального исследования гравитационных волн, предсказанных теорией тяготения Эйнштейна, началась с сенсационного сообщения, поступившего в конце 1969 года от профессора физического факультета университета американского штата Мэриленд Джозефа Вебера. Он утверждал, что сумел обнаружить на своем детекторе, расположенном в университетском бункере – бывшем бомбоубежище времен холодной войны, – самые настоящие волны тяготения, пришедшие из неведомых глубин Вселенной. Поскольку Вебер имел репутацию известного физика-экспериментатора, к его сообщению отнеслись вполне серьезно, хотя все предыдущие попытки, проводимые в разных частях света, не давали ни малейшего результата.

Теоретически источниками гравитационных колебаний могут служить всяческие движения массивных материальных тел, неоднородно изменяющие гравитационное поле в окружающем пространстве. Например, источником волн тяготения может быть очень массивное несимметричное тело, сильно раскрученное вокруг оси, не проходящей через центр тяжести. В этом случае гравитационное поле станет периодически изменяться, испуская в стороны волны тяготения.

Сегодня распространено два типа детекторов гравитационных волн. Один из них, наподобие того что применял Вебер, представляет собой гравитационную антенну в виде массивной металлической конструкции, охлажденной до низкой температуры. Размеры детектора при падении на него гравитационной волны изменяются, и, если частота волны совпадает с резонансной частотой антенны, амплитуда колебаний антенны может стать настолько большой, что колебания можно детектировать.

Модель гравитационных волн вблизи системы из двух массивных тел

В эксперименте Вебера гравитационная антенна представляла собой алюминиевый двухметровый цилиндр метрового диаметра на проволочном подвесе. Резонансная частота антенны составляла 1660 Гц, а амплитудная чувствительность пьезодатчиков – 10–16 метров. Вебер использовал два детектора, работавших на совпадения, но когда многие ведущие лаборатории тут же попытались повторить данные опыты, их ждало глубокое разочарование. Так «волны Вебера» пополнили кунсткамеру невоспроизводимых экспериментов. Причем и теоретически амплитуда якобы зафиксированных Вебером колебаний более чем в миллион раз превышала расчетную величину из уравнений общей теории относительности. Между тем сам Вебер долгое время упорно отстаивал полученные результаты и даже доказывал, что ему удалось идентифицировать источник гравитационных колебаний, расположенный где-то в центре нашей Галактики.

Периодически появляются сообщения о новых схемах гравитационных телескопов или об их новых космических источниках. Это вновь и вновь поднимает интерес к волнам Вебера. Примером может служить астрономическая сенсация о нахождении в центре нашей Галактики кандидата в сверхгигантский коллапсар. Если подобный монстр действительно существует в реальности, то он должен постоянно поглощать тысячи звезд, генерируя при этом мощное гравитационное излучение. Эксперименты по поиску волн Вебера из центра Галактики возобновились, но опять-таки не принесли какого-либо результата. Сегодня на новом витке поиска признаков «ряби пространства-времени» планируется перенести систему очень чувствительных лазерных детекторов в открытый космос.

По современным представлениям материальные поля подобны поплавкам на поверхности пространства-времени. Гениальная идея Эйнштейна заключалась в том, что в поле тяготения пространство искривляется и все тела движутся по кратчайшим (геодезическим) линиям. Получается, что пространство-время искривляют массы, создающие поле тяжести и в таком пространстве возможны разные геометрические парадоксы, так, два угла в треугольнике могут быть прямыми. Если пространство искривлено и все тела движутся по геодезическим линиям, это означает, что тела разной природы будут двигаться по одинаковым траекториям, т. е. естественно объясняется независимость ускорения свободного падения от природы тела.

Согласно теории гравитации Эйнштейна, тяготение определяется самим рельефом пространства-времени, в свою очередь формируемым распределением массивных тел и потоков энергии во Вселенной. При этом различные вселенские катаклизмы, сотрясающие пространственно-временной рельеф, по идее должны порождать колебания гравитационного поля, проявляемые некой пространственно-временной рябью.

Почти одновременно с Эйнштейном уравнения гравитационного поля получил немецкий математик Давид Гильберт, опоздав с публикацией своих расчетов всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта – Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании этой теории.

Уравнения Гильберта – Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий в различных областях пространства. Получается, что в перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.

Энергия – одна из самых фундаментальных физических величин, тем более что для слабых гравитационных полей можно построить теорию в плоском пространстве, в которой гравитация обладает свойствами обычного материального энергетического поля – такого же, как электрическое или магнитное. Такую теорию в середине тридцатых годов прошлого века создал советский физик М. П. Бронштейн. Физические тела в ней притягиваются, обмениваясь квантами гравитационного поля – частицами-гравитонами.

Проблема энергии составляет главную, но не единственную трудность общей теории относительности. Например, она приводит к парадоксальному выводу о том, что очень массивные тела под действием собственной силы тяжести должны неудержимо сжиматься в точку – коллапсировать, практически исчезая из окружающего их пространства. Теория говорит, что такая судьба ожидает все тяжелые звезды после того, как иссякнет ядерное горючее и давление излучения от непрерывных термоядерных реакций станет недостаточным для поддержания равновесия. В принципе подобным образом могут сжиматься целые миры. И наоборот, как показал в двадцатые годы прошлого века петербургский физик А. А. Фридман, при определенных условиях из математической точки может развиться новая Вселенная с мириадами звезд и галактик.

Сама по себе идея гравитационной детекции ряби пространства-времени довольна проста. Она основана на том, что гравитационная волна сжимается и растягивает абсолютно все материальные тела на своем пути. К примеру, гравитационным детектором может служить тот же «цилиндр Вебера», который предположительно вибрировал вдоль своей продольной оси, выступая в качестве антенны, передающей колебания сил тяготения через пьезоэлектрические детекторы в электрические импульсы.

Сегодня подобные гравитационно-волновые антенны намного усовершенствовались и включают разнообразные сверхчувствительные детекторы вроде криогенных вибродатчиков, работающих в диапазоне сверхнизких температур. Все чаще применяются и интерференционные детекторы колебаний на основе различных лазеров. Принцип их работы основывается на том, что приходящие из космоса гравитационные колебания будут деформировать пространство, меняя длину оптических плеч интерферометра, растягивая одно плечо и сжимая другое на пути, который преодолевает свет от призмы до зеркала. Суммарная картина наложившихся световых волн, соответственно, должна зафиксировать все произошедшие изменения.

Не так давно международная научная коллаборация Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) рискнула объявить на весь мир, что наконец-то удалось обнаружить признаки гравитационных колебаний самой основы мироздания – пространства-времени….

Слухи об этом знаковом открытии «дыхания Вселенной» стали распространяться летом 2015 года. Затем последовало триумфальное подтверждение результатов наблюдений и нобелевский приз 2017 года, присужденный американским ученым Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Берри Бэришу за решающий вклад в проект LIGO, а также «за наблюдение за гравитационными волнами».

Эти исследования начались еще в девяностых годах прошлого века, когда группа энтузиастов из двух крупнейших американских научных центров – Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов – предложила обширный проект по созданию сети обсерваторий, оснащенных лазерными интерферометрами. Проект был ориентирован на эксперименты по нелинейной гравитации, поиску черных дыр и квантов гравитации – гравитонов, позволив наконец-то сделать предварительные заключения о величине собственного момента количества движения этой в высшей степени таинственной частицы. Основное преимущество проекта ЛИГО перед аналогичными экспериментами состояло в возможности использования сразу нескольких лазерных интерферометров.

Дальнейшие открытия показали, что подобные уникальные установки открывают новое направление развития гравитационных телескопов, что в конечном итоге позволит получить сенсационные результаты, приближающие нас к разгадке многих нерешенных задач науки. Анализируя разницу во времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн от одного и того же удаленного источника, ЛИГО позволит наконец-то определиться и в вопросе о скорости распространения сил тяготения.

Следующим этапом в исследовании «гравитационного прибоя Вселенной» может стать совместный эксперимент НАСА и Европейского космического агентства ЛИЗА (LISA – космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра). В настоящее время эксперимент находится в стадии проектирования, а его предполагаемое начало отнесено на 2020 год. Космическая миссия ЛИЗА должна будет продлиться пять лет, а при наличии положительных результатов пролонгируется еще на пятилетие или даже десятилетие.

Проект ЛИЗА нацелен на исследование гравитационных волн посредством лазерной интерферометрии на астрономических расстояниях. Измерения будут проводиться при помощи трех космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника. Две стороны этого треугольника длиной пять миллионов километров будут образовывать плечи гигантского лазерного интерферометра. Когда гравитационная волна исказит структуру пространства-времени между двумя космическими аппаратами, появится возможность измерить относительные изменения длины плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча, несмотря на малость этого эффекта.

Целью проекта является не только детектирование гравитационных волн, но и измерение их поляризации, а также направления на их источник. Таким образом, в конечном итоге миссия ЛИЗА направлена на построение карты неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов путем исследования низкочастотного гравитационного излучения.

Глава 9. Антигравитация

Сегодня еще невозможно предсказать дальнейшую судьбу эйнштейновской теории гравитации. Феномен гравитации ставит перед нами большое количество загадок. Тем не менее непреходящим остается тот факт, что Эйнштейн научил нас смотреть на гравитационные силы под совершенно новым углом зрения.

У. Каспер.

Тяготение, загадочное и привычное

Несомненно, поиск принципов «тяготения наоборот», или антигравитации, является актуальнейшим из нерешенных задач современной науки. Обыденный опыт подсказывает, что гравитация всегда означает только притяжение. Но как только закон всемирного тяготения стал общепризнан, сразу же появился вопрос – а может ли существовать антитяготение?

Ньютонова теория ничего определенного на этот счет не говорила, а вот гравитация Эйнштейна принципиально отрицает подобную возможность. Тем не менее в печати с завидным постоянством появляются сообщения о том, что та или иная группа физиков создала устройство, способное хоть отчасти преодолеть силы тяготения. Обычно при этом в качестве ключевых элементов упоминаются всяческие вращающиеся диски и балансиры, включая всевозможные гироскопы. К глубочайшему сожалению, пока еще нет ни малейшего повода сомневаться в правильности общей теории относительности, однако и теоретики и экспериментаторы настойчиво ищут силы, которые хотя бы отчасти напоминали антигравитацию. При этом поиск идет и на сверхмикроскопических дистанциях, и в масштабах метагалактики.

Поле тяготения на подобных сверхмалых масштабах выходит из-под контроля общей теории относительности, приобретая совершенно новые черты супергравитации, включающей составляющую антитяготения. Здесь еще очень многое непонятно, но общая идея теоретических построений вполне ясна: необходимо объединить квантовую механику и релятивистскую гравитацию неким суперсимметричным образом.

Когда речь заходит об общих принципах антигравитации, часто вспоминают, что закон всемирного тяготения формально весьма схож с законом Кулона для взаимодействующих зарядов. Различаются они лишь отсутствием в природе неких «гравитационных зарядов» и разными фундаментальными константами, поскольку формула Ньютона включает так называемую гравитационную постоянную. Впрочем, ее величина во многом зависит от используемой системы единиц, так что ее легко можно сделать единичной.

Можно сказать, что общая теория относительности Эйнштейна постулирует полное равенство массы и гравитационного заряда, полагая, что гравитационные заряды в отличие от электрических имеют только один знак. Отсюда и следует всеобщее притяжение всех тяготеющих тел в природе.

Первые проблески надежды на открытие антитяготения возникли после открытия широкого класса античастиц и гипотез о существовании антимиров. Однако вскоре выяснилось, что концепция антимира в общем-то не имеет никакого отношения к проблеме антигравитации! Вначале предполагалось, что в гипотетическом антимире могут существовать как притягивающие, так и отталкивающие силы. При этом они полностью зависят от рода взаимодействующих тел – «вещественных» или «антивещественных». Вещество и антивещество в теории должны притягивать друг друга точно так же, как это происходит в обычном гравитационном поле. Но при этом же выяснилось, что обычные тела должны еще и отталкивать друг друга! Естественно, в природе ничего подобного не наблюдается, и концепция антитяготеющего антимира не получила дальнейшего развития.

Вторая попытка выявить антитяготение связана с открытием новых качеств физического вакуума, оказавшегося в некоторых теоретических представлениях антигравитирующей субстанцией, ответственной за ускоренное расширение Вселенной. До сих пор ситуация крайне сложна и неоднозначна, поскольку в бурной полемике о природе космологической антигравитации столкнулось сразу несколько разных точек зрения.

Еще одна попытка разобраться с антигравитацией была предпринята из глубин микромира с теоретической платформы квантовой гравитации и основывалась она на том, что сами процессы на сверхмалых дистанциях в теории должны напоминать ступенчатые сдвиги не некоторой условной поверхности, шаг за шагом изменяя сам рельеф эйнштейновского пространства-времени. Есть место для антитяготения и в концепции петлевой квантовой гравитации, где пространство микромира предстает в образе пузырящейся поверхности, покрытой шапкой некоей «спиновой пены».

Принцип антитяготения в теории квантовой гравитации позволяет несколько по-иному взглянуть на изначальную эволюцию Вселенной, ведь силы, вызвавшие расширение нашего пространства, вовсе не самоочевидны, поскольку и сам Большой взрыв не имеет ничего общего с привычными взрывными процессами, разбрасывающими вокруг себя «взрывной силой» остатки химических реакций «взрывного горения». Дело в том, что около четырнадцати миллиардов лет назад произошло своеобразное «вспучивание с разрывом» самой метрики протопространства, и его последующий разлет, скорее всего, никак не мог обойтись без антигравитационной составляющей, известной сегодня как темная энергия.

Согласно современным представлениям гравитационное поле должно быть квантуемо и содержать гравитоны, движущиеся со скоростью света, и кванты электромагнитного поля – фотоны. Теория предсказывает, что, подобно фотонам, гравитоны являются безмассовыми частицами и не имеют собственной массы покоя. Некоторые теоретики считают, что концепция гравитонов таит в себе новые возможности для развития антигравитационных представлений. Например, существует теория антигравитации, где ее сила всецело зависит от скорости движения объектов. Получается, что на очень быстро вращающееся массивное кольцо в поле земного тяготения должна действовать некая подъемная сила. Однако все поставленные опыты совершенно не поддержали подобных теоретических построений, и данная весьма любопытная концепция в целом была признана несостоятельной.

При решении задач антигравитации очень важны некоторые аспекты теории квантовой гравитации, антигравитационные эффекты возникли на дистанциях эффективного рассеяния гравитонов – квантов поля тяготения. Гравитоны, движущиеся, как и фотоны, со скоростью света, должны проявлять свои уникальные качества лишь на очень малых дистанциях (меньших одной тысячной диаметра адронов).