Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович опубликовал статью «Классификация элементарных частиц „в изложении для пешеходов“». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович и цитировал их:

В самом конце шестидесятых годов прошлого века профессор физики Мерилендского университета (США) Джозеф Вебер сообщил о сенсационных результатах проводимых им гравитационных экспериментов. Американский ученый со всей определенностью заявил в статье, опубликованной в одном из научных журналов, что ему удалось обнаружить волны тяготения, пришедшие на Землю из центральной области Млечного Пути. До того времени было предпринято множество попыток опытного подтверждения одного из главных следствий теории гравитации Эйнштейна, но ни одна из них не была успешной. Это даже породило сомнение в справедливости некоторых выводов общей теории относительности, так что сама возможность детектирования волн тяготения стала считаться далеко не очевидной.

Вспомним теорию всемирного тяготения Ньютона. Из нее следует, что между всеми телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. Для сравнительно небольших тел «человеческого размера» гравитационные силы между ними малосущественны или даже несущественны, но в космических масштабах они определяют всю структуру Мироздания. Собственно и жизнь в глобальном масштабе определяется гравитационным полем нашей планеты, которая вращается вокруг Солнца. Ну а Солнечная система кружит вокруг галактического центра, Млечный Путь — вокруг общего центра местного галактического скопления, а оно — вокруг гипотетического сверхскопления скоплений звездных островов. И все это происходит в силу действия гравитационных сил.

Мы уже знаем, что общая теория относительности описывает вселенское кружение тел как следствие искажения массой вещества самой «ткани» пространства-времени. В общедоступной литературе по теории относительности обычно приводится упрощенная аналогия, в которой пространство наподобие эластичной пленки «прогибается» под действием масс небесных тел, образуя впадины и воронки. Например, модель Солнечной системы по Ньютону напоминает цепную карусель с планетами, удерживаемыми на своих орбитах цепями гравитации, а по Эйнштейну — это конусообразная чаша, продавленная Солнцем, наподобие кругового велотрека, в котором планеты-велосипедисты кружатся вокруг впадины центральной арены. Так общая теория относительности вводит парадоксальное представление, что кажущаяся сила тяжести на самом деле является проявлением искривления пространства-времени.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения, ведь, согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространства-времени. Волны тяготения проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью.

Гравитационные волны были теоретически предсказаны еще Эйнштейном. В их существовании физики мало сомневаются, но они всё еще дожидаются своего первооткрывателя (рис. 21 цв. вкл.).

Мир будущего — парение вне гравитации

Сверхскопление галактик

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет периодически изменяться, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Величина волн, якобы зарегистрированных Вебером (и тут же получивших название «волны Вебера»), в миллионы раз превышала теоретическую величину, которая следовала из теории тяготения Эйнштейна. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрономы уже давно подозревали, что в центральной области Млечного Пути скрывается какое-то сверхмассивное тело, являющееся кандидатом в гравитационные коллапсары (рис. 22 цв. вкл.). Такая гипотетическая гигантская застывшая звезда или даже система из нескольких чудовищных черных дыр может постоянно поглощать множество окружающих звезд, выбрасывая при этом часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения. В начале нашего столетия астрофизики самым тщательным образом исследовали спектр излучения из центра нашей Галактики, подтвердив наличие кандидата в черные дыры и отринув обвинения предполагаемого коллапсара в космическом каннибализме. Таким образом, самые последние астрономические наблюдения никак не прояснили ситуацию. Тем временем вот уже полстолетия физики из всех стран мира пытаются экспериментально зафиксировать волны Вебера на разнообразных детекторах, вплоть до самых причудливых конструкций, без каких-либо значимых результатов.