Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

На языке нынешней физики можно говорить о моменте, когда излучение в расширяющейся и остывающей Вселенной расцепилось с веществом и стало реликтовым. Можно говорить о более раннем времени, когда еще сцепленное с веществом излучение остыло настолько, что средней энергии фотона уже не хватало на образование пары барион-антибарион, то есть о моменте, когда закончилось накопление барионной асимметрии. Можно говорить о времени, прошедшем с тех пор до наших дней, близком к 13,7 миллиардам лет. Однако в физике нет пока слов, чтобы описать самый первый момент в истории Вселенной — ее «рождение». Поэтому начало отсчета времени — там, где «до н. э.» становится «н. э.», — можно связать с любым событием, кроме «рождения Вселенной», о котором науке ничего не известно.

Говорить же о «рождении Вселенной» на языке научно-популярном лучше всего, объясняя смысл самого выражения. Тогда не случился бы казус популярно-музыкальный и поучительный для научно-культурной публики. Несколько лет назад юная британская певица спела такую песенку:

Некий научный слушатель обиделся на непочтительную замену точного числа 13,7 на сомнительную догадку — 12 и выразил свою обиду в газете «Гардиан». В защиту песни высказались несколько читателей, в том числе и продвинутые в науке. Никто, правда, не сказал о проблеме cGh- края Вселенной, но и так свобода лирического слова победила.

Будь я читателем «Гардиан», я бы поддержал британскую певицу яблоком, помня его заслуги перед британской физикой. И сделал бы это примерно так.

Уподобим Вселенную яблоку в июле, когда оно еще растет в размерах. Предыдущие месяцы жизни яблока уподобим миллиардам лет жизни Вселенной, а на поверхности яблока разместим аналог земной цивилизации, соответственно уменьшенной. За века яблочной научной эры — занявшие пять — десять земных секунд — яблоко изменится так же мало, как и наша Вселенная за время от Архимеда до Хокинга. Но все же изменится, хоть тамошним ученым заметить это будет непросто. Сперва тамошний Гаусс решит проверить Евклидову геометрию, измерив углы в реальном треугольнике на поверхности яблока. И с удивлением обнаружит, что, если измерять с высокой точностью, то сумма углов окажется больше 180°! Из такого рода измерений яблочные ученые сделают вывод, что их Вселенная — поверхность яблока — не плоская, а подобна сфере, и вычислят ее радиус. Спустя некоторое время, увеличив точность измерений, физики обнаружат, что радиус этот увеличивается со временем. Теоретики установят закон расширения их Яблочной вселенной, а продолжая этот закон в прошлое, тамошний Хокинг заявит, что когда-то — пару земных месяцев назад — вся Яблочная вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса.

Сумеют ли тамошние физики догадаться, что яблоко начинается не с нулевой точки, а с цветка, внешне совершенно не похожего на яблоко? Для этого им понадобятся гораздо более глубокие понятия, чем обычные поверхностные представления… о яблоке.

В нашей земной цивилизации подобную догадку высказал три четверти века назад Матвей Бронштейн. Но до сих пор физики не придумали, как описать «цветок» квантовой гравитации в физике рождения Вселенной.

В 2004 году в издательствах Кембриджского и Оксфордского университетов вышли две солидные монографии с одинаковым лаконичным названием «Quantum Gravity». Монографию обычно пишут, чтобы подытожить исследования, изложенные в многочисленных статьях. В данном случае статей было так много, а проблема столь открыта, что монографии нарисовали весьма разные картины прошлого, настоящего и будущего. В частности, авторы по-разному восприняли главный вывод Бронштейна: один его попросту не заметил или не понял, а другой сочувственно процитировал, но не объяснил суть доводов о cGh -неизмеримости.

В том же, 2004 году нерожденная теория квантовой гравитации пережила также покушение на убийство. Совершил его знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон, предположив, что этот проклятый вопрос современной физики обречен на безответность, потому что «квантовая гравитация физически бессмысленна» и, значит, многолетние поиски следует прекратить, за отсутствием предмета поисков. Свое мнение обосновал он так:

Любая теория квантовой гравитации предполагает частицу «гравитон» — квант гравитации, точно так же как фотон — квант света. Наличие фотонов легко обнаружить, как показал Эйнштейн, по электронам, выбитым с поверхности металла под действием света. Но гравитационное взаимодействие неимоверно слабее электромагнитного, и, чтобы обнаружить гравитон по электрону, выбитому с поверхности металла под действием гравитационных волн, пришлось бы ждать дольше, чем позволяет возраст Вселенной. Но, если отдельные гравитоны невозможно наблюдать в эксперименте, значит, они не имеют никакой физической реальности. Можно считать их несуществующими, подобно эфиру девятнадцатого века. И тогда гравитационное поле, описываемое теорией Эйнштейна, — это чисто классическое поле безо всякого квантового поведения.

В девятнадцатом веке физики верили, что все объекты погружены в эфир, и мучились над вопросом, каким законам подчиняется эта универсальная, но неуловимая среда, в одних отношениях похожая на твердое тело, в других — на сверхразреженный газ. Мучения прекратил Эйнштейн, объяснив неуловимость эфира тем, что ловить попросту нечего и что без эфира можно прекрасно обойтись. Дайсон предложил последовать примеру Эйнштейна и отменить квантовую гравитацию. Есть, однако, важное отличие.

Неуловимый эфир можно назвать пережитком древнегреческой мифологии, в которой этим словом называли верхний — чистый и прозрачный — слой неба на вершине горы Олимп, где обитали греческие боги. Греческие философы разглядели идеально прозрачный эфир в устройстве надлунного мира, а две тысячи лет спустя физики этим словом назвали универсальную среду, в которой распространяется свет и другие электромагнитные взаимодействия.

Гравитон же — это, скорее, «недожиток». И причину неуловимости гравитона может понять даже школьник, который в «выбивании электронов с поверхности металла под действием света» узнает фотоэффект, давно вошедший в обыденную жизнь. Каждый пассажир метро, входя через турникет, прерывает фотоэффект на секунду-другую. Потому легко поверить, что обнаружить фотон — секундное дело. Легко также подсчитать, во сколько раз гравитационные силы слабее электрических, если вспомнить школьные законы Кулона и всемирного тяготения: F= e 2 /r 2и F= GmM/r 2, и взять из школьного учебника величины заряда и масс электрона и протона. В итоге окажется, что электрическая сила больше гравитационной примерно в 10 40раз. Так что, если обнаружить фотон — секундное дело, то для обнаружения гравитона надо время масштаба 10 40секунд, или 10 33лет, по сравнению с чем даже возраст Вселенной (~ 10 10лет) — ничтожная величина.