Нераскрытые тайны природы - [57]

При изучении элементарных частиц можно полностью пренебречь гравитационными силами. Электрон и протон объединяются в атом водорода не за счет взаимного гравитационного притяжения, а под действием значительно более сильного электромагнитного взаимодействия, причем электрические силы превосходят гравитационные примерно в 1040 (единица с сорока нулями!) раз. Французский физик и писатель вьетнамского происхождения Трин Хуан Туан замечает по этому поводу: «Если бы электрическое взаимодействие отсутствовало, то атом водорода под воздействием гравитационной силы стал бы «разбухать» и «размазываться» по всей Вселенной. Гравитационное притяжение настолько слабо, что оно удерживало бы электрон и протон на расстоянии в десятки миллиардов световых лет».

Лишь в случае немыслимо большого количества собранных вместе атомов возникают достаточно заметные гравитационные силы. Притяжение между горой Эверест и человеком совершенно ничтожно. Те очень смелые или очень глупые люди, которые любят лазить по горам, должны полагаться лишь на собственные силы. Поднимаясь на вершину, они преодолевают тяготение не Эвереста, а всей планеты. Именно притяжение Земли может сорвать альпиниста со скалы и даже лишить его жизни, но с физической точки зрения гравитационные силы играют незначительную роль. Листок бумаги спокойно лежит на столе, несмотря на притяжение всей массы Земли. Гравитация — самое слабое из четырех известных типов взаимодействий, однако именно она по иронии судьбы создает одну из самых сложных проблем современной физики.

Дело в том, что квантовая физика, на которой основана теория Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, предсказывает наличие определенного единства лишь трех фундаментальных взаимодействий, которые принято называть слабыми, сильными и электромагнитными, тогда как гравитация (и в ньютоновской, и в эйнштейновской трактовке) оказывается в изоляции. Между тем физики мечтают об объединении гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в «теорию всего сущего». Физики уже затратили массу усилий, чтобы включить в квантовую механику электромагнитные силы. Для этого пришлось разработать специальные методы «перенормировки», позволяющие избежать появления в расчетах так называемых расходимостей, т. е. бесконечно больших величин, бич современной физики. Ныне покойный Ричард Фейнман, не только блестящий физик, но и автор популярных и остроумных книг, когда-то даже пошутил, что Нобелевскую премию ему присудили за то, что ему удалось «убрать бесконечности подобно тому, как хозяйка заметает мусор под коврик».

Однако для гравитационных сил методы перенормировки оказываются неэффективными, и Дэвид Линдли [2] пишет по этому поводу: «Для удаления двух тел друг от друга необходимо затратить энергию, которая должна выделяться при их сближении. Но согласно знаменитому результату Эйнштейна, энергия эквивалентна массе, а масса участвует в гравитационном взаимодействии. Получается, что гравитация сама себя порождает». Иными словами, масса и энергия взаимосвязаны сложным образом, и возникающие в случае гравитации расходимости, используя выражение Фейнмана, никак не удается «замести подобно мусору под коврик».

Проблема снова возвращается к вопросу, который Ньютон задал своим читателям: что является средой, переносящей гравитационные силы через пустое пространство? Многие физики уверены, что ответ связан с существованием гипотетической субатомной частицы — гравитона (квантовой частицы, аналогичной фотону, который является переносчиком света). И хорошо известный физикам фотон, и гипотетический гравитон относятся к классу частиц-переносчиков взаимодействия, именуемых бозонами. Можно утверждать, что гравитон обязан существовать, поскольку в противном случае придется переосмысливать или кардинально преобразовывать квантовую механику.

Обнаружение гравитона давно стало самой заветной мечтой физиков. Взрывы сверхновых звезд, столкновения галактик и другие события, происходящие во Вселенной, порождают гравитационные волны, которые достигают Земли. Для их регистрации и исследования в штатах Луизиана и Вашингтон были созданы две крупные гравитационные обсерватории (с антеннами размером около 3,5 км). Особенно большие надежды ученые возлагают на установку LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatories), которая, возможно, позволит наконец зарегистрировать таинственные гравитоны. Однако сейчас мы знаем о переносчике гравитационных сил не больше, чем Исаак Ньютон.

Литература для дальнейшего чтения

1. Greene, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Прекрасная книга, в которой с предельной ясностью (когда материал это позволяет) излагаются новейшие идеи физики. Автор, профессор Колумбийского университета, является сторонником «теории струн» (см. гл. 20). Содержание книги может показаться сложным, но в ней очень удачно отражены драматические моменты в истории физики.

2. Lindley, David. The End of Physics: The Myth of Unified Theory. New York: Basic Books, 1993. Книга направлена против многих абстрактных теорий в современной физике типа упомянутой выше теории струн. Подобно другим критическим работам она читается и воспринимается легче, чем книги, посвященные поддержке новейших идей и теорий, и поэтому удачно дополняет книгу Б. Грина, несмотря на идейные разногласия.