1.4. Теории гравитации

1.4.1. Полевая или геометрическая – чья возьмет?

Что ни голова – то теория.

(говорят)

Гравитация, как полагают историки, была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Не важно, что Аристотель ошибался, утверждая, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Важно то, что гравитация была под прицелом ученых древности.

В XVII в. благодаря учениям Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона и других сподвижников науки, произошел качественный прорыв в изучении проблемы гравитации.

Кульминацией изучения феномена гравитации стало открытие самого закона всемирного тяготения, к которому много вопросов, и к нему будем регулярно обращаться на страницах данной книги.

Далее такими учеными, как Лоренц, Планк, Эйнштейн, и другими были разработаны новые красивые подходы к разрешению проблемы гравитации, но, увы, она осталась нерешенной.

В наше время теоретики тоже не сидят, подпирая подбородок кулаками, они ежедневно, час за часом стучат по клавишам клавиатур и уже написали столько, что одних только гипотез перевалило далеко за сотню, а написанное исчисляется тысячами томов.

На сегодня, как говорит Википедия, вырисовалось три перспективных направления к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция. Но если подойти еще более обобщенно, то можно выделить два основных направления – это полевая и геометрическая теории гравитации.

Напомню кратко читателю, что это за направления и где ищут ученые те самые неуловимые гравитоны.

Опыты Галилея и математические законы движения небесных тел Кеплера заложили фундамент для теории гравитации Ньютона. С некоторой натяжкой можно отнести данную теорию к первый полевой теории. Почему с натяжкой? Причина одна – электромагнитные волны были открыты намного позднее, уже после смерти Ньютона. В средине XVIII в. Фарадей экспериментально обосновал и развил свою концепцию полевой природы материи и единства физических сил природы. Далее, как образно отметил Р. Мелликэн: «Только Максвелл облек плебейски обнаженное тело фарадеевских представлений в аристократические одежды математики» [8].Первая статья Максвелла по теории электромагнитного поля так и называлась: «О силовых линиях Фарадея».

Другая половина теоретиков, привлекающих геометрию в свои идеи построения теорий гравитации, считают, что на сегодняшний день любая фундаментальная физическая теория содержит в своей основе некоторый комплекс геометрических идей. Возникло и уже оформилось целое направление геометрического описания гравитации и других фундаментальных взаимодействий в многомерной схеме Калуцы—Клейна.

На сегодняшний день самой известной и, даже можно сказать, признанной теорией гравитации является общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна. Согласно данной теории, гравитация обусловлена искривлением пространства, создаваемого гравитирующими телами, где геометрические свойства пространства выступают в роли реально действующих сил. Любая масса искривляет пространство-время вокруг себя, другая масса, попадая в данную область искривления, двигается по склону притяжения. То есть склон выступает неким эквивалентом силы притяжения. Наглядно можно представить действие гравитации по принципу гамака.

Эйнштейн начал с 4-мерного пространства-времени. Затем Т. Калуца в своей классической работе 1921 г. предложил геометризовать электромагнетизм, объединив его с гравитацией путем повышения размерности пространства-времени на единицу. Калуца постулировал независимость геометрических величин от 5-й координаты, получивших название «чудес Калуцы» [9].

Потом к чудесам физики начали привыкать и координаты стали размножаться. После относительного спада в середине XX в. интерес к многомерным геометрическим моделям снова возрос в 1970—1980-е гг. Это соотносят, прежде всего, с прогрессом исследований электрослабых и сильных взаимодействий.

В дальнейшем были попытки построения многомерных теорий поля, которые должны были объединить ОТО с теориями электромагнитного, электрослабого и даже сильного взаимодействий. Появилась 6-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, содержащая основные элементы модели электрослабых взаимодействий Вайнберга—Салама. Далее – 7-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, описывающая основные элементы классической (не квантовой) хромодинамики. И наконец, была построена 8-мерная модель грависильных взаимодействий в метрическом варианте, в которой бозонный и фермионный секторы взаимосогласованы.

Эйнштейна можно отнести к числу фантастов-прагматиков. Его творчество началось в начале прошлого столетия, а в то время население Земли было гораздо меньше, было меньше фантастов, соответственно, их было меньше и среди физиков. В начале XX столетия общемировая численность населения Земли составляла 1,625 млрд чел. Сегодня эта численность составляет 7,5 млрд чел. Росло не только общее число людей, но росло и число физиков. Видимо, по этой причине, как считают сами ученые, гипотезы по гравитации имеют явный переизбыток. Но задача-то осталась нерешенной, а поиск истины с каждой новой гипотезой расширяется в геометрической прогрессии, и это еще больше усугубляет данную проблему.

Продолжают с большей интенсивностью муссироваться идеи так называемого пушинга (приталкивания). Не находя прямого ответа, некоторые физики заходят сзади материи и начинают ее приталкивать и толкать для создания видимости притяжения. Но откуда взять такую энергию? Разве что привлечь опять Бога, так атеизм не позволяет.

Эфир – непонятный, бесконечный и нескончаемый! Несмотря на то, что в начале XX в. эфир был исключен из поставщиков энергии, физики, видя, что все аргументы материи в части гравитации исчерпаны, вновь обращаются к вакууму, т.е. к эфиру. А чтобы его материализовать, придумали, что вакуум не пустой, а «физический», а если физический, то и материальный, субстанциональный и, соответственно, энергонасыщенный. Эфир стали применять как «приталкиватели», так и «притягиватели». На эфир набросились, он стал нужен всем, как спасительная соломинка, когда ухватиться уже не за что.

Эфировые теории отвергают ОТО потому, что данная теория отрицает существование самого эфира, соответственно, отвергаются Большой Взрыв и существование черных дыр. Тем самым отвергается акт появления Вселенной 13,7 млрд лет тому назад. Вселенная, таким образом, признается вечно существующей. Тогда, исходя из признания вечности Вселенной, возникают два запрета: 1) нельзя постулировать, что гравитоны необратимо преобразуются в какой-либо иной вид энергии или материи, 2) нельзя постулировать, что какой-либо вид материи необратимо преобразуется в гравитоны. В первом случае через какое-то, достаточно большое, время исчезнут все гравитоны, а во втором случае исчезнет вся материя и останутся одни гравитоны.

Что будем выбирать? А выбора нет!

Многие гравитонные теории гравитации основываются на гипотезе Ж.-Л. Лесажа. В 1756 г. Лесаж предложил простую кинетическую теорию гравитации, которая давала объяснение силы в уравнении Ньютона. Из гипотезы Лесажа вытекал закон тяготения в формулировке Ньютона. Кроме того, из данной гипотезы следует конечность радиуса действия сил гравитации, так как на расстоянии, большем длины свободного пробега гравитона, тяготение практически исчезает. В основе гипотезы Лесажа лежит предположение о существовании в природе хаотично движущихся с большими скоростями частиц, которые очень редко сталкиваются между собой, легко проходят через тела, изредка поглощаясь ими или теряя часть энергии при столкновениях с частицами тела. В дальнейшем такие частицы стали называть гравитонами.

Еще немного, и можно окончательно запутаться в дебрях гравитационных гипотез, поэтому нужно закончить этот короткий обзор полевой и геометрической систем подхода к проблеме гравитации, но есть еще одно весьма популярное направление – это теория струн и М-теории, о которых также следует вкратце упомянуть.

1.4.2. Струны

Появление струнной теории гравитации относят к 1968 г., когда два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов. Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.

В каждом конкретном случае ее обычно вычисляют лишь с некоторым приближением.

Венециано и Сузуки установили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов с высокой точностью можно вычислить с помощью бета-функции, которую в 1730 г. придумал Леонард Эйлер. Данную функцию используют редко, и церновские физики наткнулись на нее случайно, просматривая математические справочники. Событие вызвало немалый интерес среди других физиков, так как было установлено, что амплитуда пион-пионного рассеяния задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз совпадает с формулой Венециано—Сузуки.

Стоило зацепиться, и, как говорят, пошло-поехало.

В 1970 г. квартет физиков: Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили интересное совпадение. Они вывели ту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

В начале зарождения теории струн предполагалось, что она математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Но потом в нее был введен спин, и ее пространство-время сократилось до 10 (девять пространственных измерений и одно временное). Вот тут физики удивились тому, что теория сама выбрала размерность.

Но чего-то опять не хватало для триумфа, тогда, решая струнные уравнения, разомкнутые концы струн замкнули, и получились кольца, которым соответствовали не известные науке безмассовые частицы со спином 2.

В 1974 г. физики Шварц и Шерк заявили, что таинственная и безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Эти же господа подсчитали и длину данной струны: она, по их мнению, должна составлять 10^—33см! С такими размерами объектов наука еще не встречалась.

Несмотря на все коллизии и трудности, разработка теории струн, как говорят теоретики, позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации.

Ну слава Богу, хоть что-то пошло на пользу. Поэтому данная теория продолжает и дальше разрабатываться, углубляясь в пучину математических и музыкальных метаморфоз. Появились мембраны, потом их для краткости стали называть просто браны, и опять пошел количественный отсчет: 2 браны, 3 браны, p-браны и т. д. Теория струн стала превращаться в теорию бран произвольной размерности – от 1 до 9.

Мембрана – это, очевидно, резонатор, где усиливается музыкальный звук, издаваемый струнами. Далее ждем смычка или медиатора, после чего должна зазвучать долгожданная мелодия гравитации.

Нет, не зазвучит, нужен самый важный элемент – музыкант.

Ждем-с… и того, и другого.

В 1960-х гг., когда ни одному теоретику не удалось доказать правильность созданной им общей теории, обществом физиков была принята так называемая Стандартная модель (СМ), которая описывала посредством квантовой механики сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Но гравитация с ее безмассовым гравитоном не вписывалась в рамки и этой СМ. Вот тогда и выступил П. Хиггс с предсказанием своей частицы, которая должна отвечать за массу в мире материи. Физики уцепились за данную идею, как за спасительную соломинку, которая должна спасти теорию, да и физику тоже.

Теоретики данного направления возлагали большие надежды на эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК): возможно, вылетит частица Бога с размерностью 10^—33см. Вылетела! В 2012 г., а в 2013 г. получила Нобелевскую премию (см. предыдущий раздел). Частица вылетела, и она оказалась более массивной (125 Гэв), но разглядеть ее толком не успели, так как время жизни бозона Хиггса ничтожно мало, он распадается сразу после своего рождения, не успев ни с чем толком провзаимодействовать.

В XX столетии физики имели дело с двумя фундаментальными физическими теориями – квантовой и общей теорией относительности (ОТО) (Lee Smolin) [9]. В рамках указанных теорий развивались и развиваются другие направления: причинная динамическая триангуляция, теория струн, петлевая квантовая гравитация. Кроме того, эпизодически всплывают на поверхность приверженцы Лесажа с его пушингом, эфиристы – с физическим вакуумом и т. п. Вся эта разноголосица привела к тому, что каждый «инструмент» в этом большом оркестре играет свою партию, не прислушиваясь к другим. Но у природы есть только одна теория и одна гравитация, попытки объединить квантовую механику с ОТО предпринимались самим Эйнштейном. Затем появились Стандартная модель, М-теория, F-теория – увы, результаты пока не увенчались успехом [10].

В физике теорий по гравитации наметился изящный, я бы даже сказал, вычурный стиль математики и экзотических терминов. Авторы пытаются перещеголять друг друга избытком теоретических тонкостей, порой совсем не относящихся к гравитации. Создание и развитие математического аппарата для описания физических взаимодействий мало способствовало, как показывает время, развитию самой теории гравитации. Зато какие красивые и непонятные названия: кривизна пространства-времени, геометрическая и калибровочная концепция физических полей, тензор энергии-импульса электромагнитного поля, фермионные вибрации струн, хамелеонное поле и т. п. Одним словом – схоластика, и далекий от реальности мир теорий уже существует сам по себе.

В данном обзоре я не ставил задачу охватить весь мир теорий по гравитации, существующих в полевой и геометрической форме, да это и невозможно. Был очерчен круг проблем и предполагаемые подходы и решения, существующие в физике. Сразу скажу, что мне они не подходят.

Заманчивость решения самой древней загадки тяготения, с ее обширным полем для научных фантазий, толкает теоретиков на сизифов труд написания новых гипотез. Появились новые направления: геометродинамика, эфиродинамика и т. д.

Заканчивая этот краткий экскурс по теориям гравитации, добавлю еще одно замечание. Человечество живет и существует с самого его зарождения в поле гравитации, но до сих пор не нашло внятного объяснения этому физическому явлению. Это говорит только об одном, что все существующие теории гравитации на самом деле не теории, а только гипотезы, с малой долей приближения к истине. На тривиальный вопрос, прозвучавший выше: «полевая или геометрическая – чья возьмет?», могу ответить: ничья не возьмет! Возьмет моя!