Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик Страница 70

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= e²/r² и F= GmM/r², и взять из школьного учебника величины заряда и масс электрона и протона. В итоге окажется, что электрическая сила больше гравитационной примерно в 10⁴⁰ раз. Так что, если обнаружить фотон — секундное дело, то для обнаружения гравитона надо время масштаба 10⁴⁰ секунд, или 10³³ лет, по сравнению с чем даже возраст Вселенной (~ 10¹⁰ лет) — ничтожная величина.

Это и имел в виду Дайсон, прекрасно понимая, на что поднимает руку. Свое мнение он высказал в рецензии на популярную книгу о теории струн и элегантной Вселенной. За последние десятилетия изданы сотни книг о квантовой гравитации, опубликованы многие тысячи статей тысяч авторов. Не слишком ли много для теории, которой нет? Так, похоже, думает Дайсон. Он издалека следит за странными струнными идеями молодых коллег и кажется им старым чудаком, отставшим от скорого поезда прогресса. Ему самому когда-то подобными чудаками казались Эйнштейн и Дирак.

Однако физик Дайсон поставил ясный вопрос, зажав гравитон между фотоном и эфиром. А о фотоне он знает больше других, как один из создателей квантовой электродинамики, которой подчиняется каждый фотон. Поскольку никто из физиков не ответил на его критический довод, предложу свой историко-научный взгляд.

В конце 1940-х годов, когда Дайсон пришел в науку, уже давней историей были жаркие споры вокруг «релятивистской теории квант», от которой ожидали революционную перестройку масштаба теории относительности и квантовой механики. Те споры завершились признанием возможности частичного успеха — в квантовой электродинамике. Успех пришел пятнадцать лет спустя, когда, при участии Дайсона, была построена эта на сегодняшний день самая точная из физических теорий. Поэтому и его критический взгляд на квантовую гравитацию, в свете наилучшей теории… света, заслуживает внимания.

Ответить на его критику помогает работа Бронштейна, первым осознавшего глубину проблемы. Естественной кажется аналогия между фотоном и гравитоном, и слова эти рифмуются, и закон Кулона похож на закон всемирного тяготения, однако квантовая электродинамика принципиально отличается от квантовой гравитации. Отличие это подрывает понятие «гравитон» как самостоятельное и равноправное с понятием «фотон». Коренится отличие в опытном факте, открытом Галилеем и ставшем первым фундаментальным законом современной науки, а три века спустя — основой теории гравитации. Речь идет о законе свободного падения, о равенстве инертной и гравитационной масс и о принципе эквивалентности.

Фотон, или «частица света», вполне определенным образом соответствует электромагнитной волне, которая точно следует из уравнений электродинамики. А гравитационная волна — лишь приближенное следствие уравнений гравитации. Поэтому гравитон — не столь же органическая часть еще не созданной теории квантовой гравитации, как фотон — часть квантовой электродинамики. Не всякая волна связана с каким-то квантом: волна на поверхностности моря не связана с «квантом волнения», который можно было бы назвать частицей «поверхон».

Главное, Дайсон не объяснил, что делать с двумя принципиальными физическими явлениями — с началом космологического расширения и с завершением коллапса звезды. Какой теории, если не квантовой гравитации, эти явления можно поручить? Необходимость такой теории наступает за cGh‑рубежом, как впервые обнаружил Бронштейн, хоть масштаб cGh-границ, очень далекий от возможностей нынешних экспериментов, действительно ставит проблему.