Виктор Комаров - Тайны пространства и времени

В принципе возможен и контрольный проверочный эксперимент. Как было отмечено выше, и гравифотонные, и гравискалярные силы должны работать на притяжение. Поэтому в поле тяготения Земли антивещество должно весить больше, чем вещество. Соответствующий эксперимент может быть осуществлен на ускорителях элементарных частиц.

Разумеется, от гравифотонного отталкивания до создания антигравитационного космического корабля еще так же далеко, как от воздушного змея до реактивного авиалайнера. Однако важен сам факт. Главное, что антитяготение, судя по всему, существует. А остальное, как говорится – дело техники.

Кроме того, если бы все, о чем только что говорилось, подтвердилось, мы узнали бы много нового и о структуре нашего пространства.

Как известно, значение научных теорий заключается в том, чтобы намного опережать экспериментальные и наблюдательные исследования. И в этом плане на одном из первых мест в современной теоретической физике стоит теория «симметрии», которые были квалифицированы Е. Вигнером как высший уровень понимания физических явлений, устанавливающий или, лучше сказать, «отражающий» связь между законами природы.

На первый взгляд, понятие «симметрии» выглядит довольно элементарно, с ним хорошо знакомы все, кто проходил курс школьной геометрии. С их проявлениями мы встречаемся буквально на каждом шагу – зеркальная, центральная, осевая… а физики в свое время заинтересовались симметриями в связи с изучением геометрических свойств различных кристаллов. Однако в дальнейшем выяснилось, что симметрии имеют не только чисто геометрический, но и более глубокий смысл – они отражают глубинные, сокровенные физические связи между явлениями. И с этой точки зрения Вигнер совершенно прав!

В современной физике симметрия – это неизменность (или инвариантность) основных свойств материальной системы и происходящих в этой системе процессов и взаимодействий при тех или иных ее преобразованиях, изменениях ее характеристик. Известна, например, симметрия всех явлений природы при замене всех частиц на соответствующие античастицы.

Изучение подобных симметрии позволяет связать доступные наблюдению физические процессы с теми явлениями, которые протекают в глубинах микромира или в отдаленных областях пространства, а также с теми процессами, которые происходили в далеком прошлом, в первые мгновения существования Вселенной.

Еще один пример физической симметрии – симметрия между неподвижными системами и системами, движущимися равномерно и прямолинейно. Да, с точки зрения физики, это тоже симметрия, поскольку (это было замечено еще Галилеем) все физические процессы в таких системах протекают совершенно одинаково и независимо от того, с какой скоростью они движутся.

И вот что важно: каждой симметрии соответствует какая-либо сохраняющаяся физическая величина. Это значит, что симметрии тесно связаны с законами сохранения, определяющими течение любых процессов и явлений и составляющими фундаментальную основу наших физических представлений о природе. Потому-то физики и придают симметриям столь важное значение. Как образно заметил один известный физик, симметрии и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится все здание физической теории.

Чрезвычайно важную роль в истории изучения симметрии сыграло одно драматическое событие. Молодой и необыкновенно талантливый французский математик Эварист Галуа в ночь перед дуэлью решил, словно предчувствуя ее трагический исход, изложить на бумаге свои размышления о совершенно новой области науки. Именно в ту ночь и была создана теория симметрии! Так состоялся гениальный взлет человеческого разума, который дал в руки ученым мощное оружие, ставшее фундаментом современной физики силовых полей и элементарных частиц.

Из рассуждений Галуа, в частности, следовало, что каждой симметрии соответствует семейство физических объектов, которые не только имеют общую природу, но и переходят при преобразованиях этой симметрии друг в друга. Более того, формулы, выведенные Галуа, позволяют объединять различные элементарные частицы в замкнутые семейства, названные «мультиплетами». По сути дела, каждый мультиплет – это совокупность различных состояний одной и той же частицы. При этом с помощью теории, построенной Галуа в ту роковую ночь, можно вычислить все мультиплеты, соответствующие данной симметрии, даже те, которые еще не обнаружены экспериментально. Своеобразная «таблица» элементарных частиц, не уступающая по своему значению знаменитой периодической системе Менделеева.

Вот почему открытие каждой новой симметрии необычайно важно для дальнейшего развития физической науки. Возникает реальная возможность проникновения в тайны мироздания.

Обнаружение мультиплетов поставило перед физиками новую задачу: необходимость различать, в каких состояниях находятся в данный момент эти взаимопревращающиеся объекты. Решение было найдено – наложение на систему определенного физического поля. Так, например, наложение электрического поля сразу выделяет «положительные», «отрицательные» и «нейтральные» частицы. Положительно заряженные начинают двигаться к отрицательному электроду, отрицательно заряженные – в противоположном направлении, а нейтральные продолжают вести себя по-прежнему. Сразу становится ясно, «что есть что». Физические поля, способные играть подобную роль, получили название «калибровочных». Они служат своеобразными «сепараторами», сортирующими физические объекты. И не только объекты.

В качестве примера рассмотрим конкретный случай – упомянутую выше физическую симметрию, существующую между неподвижными системами и системами, движущимися равномерно и прямолинейно. С нею связан знаменитый «принцип инерции Галилея» – никакими внутренними наблюдениями и экспериментами невозможно обнаружить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Представим себе, что мы находимся в закрытом вагоне, который плавно и совершенно бесшумно перемещается по абсолютно прямым рельсам с абсолютно постоянной скоростью. Без того, чтобы выглянуть в окно или каким-либо иным способом получить информацию извне, мы не сумеем определить, движется наш вагон или стоит на месте.

Однако и такой симметрии соответствует вполне определенное внешнее «калибровочное» поле, с помощью которого можно отличить покой от движения. Это – гравитационное поле. Оно сообщает равномерно и прямолинейно движущимся объектам определенные ускорения. Для покоящихся же объектов это ускорение будет разно нулю. А ускорение всегда можно обнаружить. Более того, наложение гравитационного поля позволяет даже различать равномерные движения с разными скоростями.