Нераскрытые тайны природы

С развитием физики роль ньютоновской гравитации стала более скромной. Во времена Ньютона гравитационные силы, управляющие движением звезд и планет, казались наиболее существенным фактором. Однако современная наука выяснила, что гравитация, хотя и играет важную роль, способствуя определенному порядку во Вселенной, оказывается лишь одним из четырех видов взаимодействий, существующих в природе, причем самым слабым. Для характеристики этих сил представим себе бейсбольный матч на стадионе, электроснабжение которого обеспечивает атомная станция. Движение мяча по стадиону определяется гравитационными силами Земли, работу светящегося табло на стадионе обеспечивают электромагнитные силы, а электричество вырабатывается на АЭС под действием ядерных сил (они проявляются при распаде атомных ядер). И наконец, всё на этой картине (включая зрителей, поедаемые ими бутерброды, скамейки, скамьи, биты, мячи и т. д.) построено из атомов, включающих атомные ядра, внутри которых существует сильное взаимодействие.

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.