Вселенная - это бесконечная симфония струнного оркестра.
(неизвестный автор из интернета)
Струны Вселенной
глава 5
Гравитация
- Как давно я тебя не видела, - взволнованно говорила по телефону Наташа, моя соседка.
- Конечно, после полугодового отсутствия мы, наконец, можем...
- Встретиться! - перебив меня, воскликнула Наташа. - Ну вот, я теперь здесь, рядом, и жду, не дождусь, когда мы с тобой пойдём в наш парк. Сегодня вечером обещали хорошую погоду. Увидимся?
- Договорились. Там же, тогда же.
Наши прогулки продолжались всю зиму, но оборвались после отъезда Наташи, а сейчас была уже осень. Вместе с нашими домашними любимцами - моей Юлькой-Юлечкой, золотистым ретривером, и Наташиным терьером Лушей - мы участвовали в необыкновенных дискуссиях, которые были не о кулинарии, погоде или ещё о чём-то привычном. Это были беседы, как ни странно, о строении Вселенной, но на нашем уровне - уровне домохозяек.
Я давно любила и не пропускала передачи о Вселенной по телевидению, потом стала читать лекции учёных на эту тему, и однажды на прогулке в парке совсем чуть-чуть рассказала об этом Наташе. Ей понравилось, и наши увлекательные "научные беседы" продолжились.
Юлька, увидев Лушу, обрадовалась, завиляла хвостиком, и, радостно лая, забегала вокруг неё. Луша обрадовалась также. Мы обнялись, Наташа взяла меня под руку.
В парке, что в десяти метрах от дома, было тихо и по-осеннему грустно. Нас окружал царственный наряд деревьев, ещё не сбросивших золото пожелтевшей листвы, но землю уже покрыли опавшие листья.
- Ты не представляешь, как часто я вспоминала наши прогулки и твои рассказы. Помню теорию струн, помню о коллайдере под Женевой, о Тёмной материи и Тёмной энергии. Не веришь? - Наташа посмотрела на меня и улыбнулась. - Ну... не всё конечно помню, но главное не забыла.
- Вот и хорошо. Тогда сегодня я расскажу о недостающем звене в модели Вселенной.
- Неужели такое звено есть? Хотя мы знаем, Вселенная бесконечна. Остаётся только сказать волшебное слово, - Наташа рассмеялась. - Итак...
- Итак, - продолжила я, - как ты думаешь, если спросить любого взрослого человека о гравитации, что он ответит?
- Он ответит, что гравитация - это всемирное тяготение.
- Верно. Гравитация - это притяжение между двумя любыми объектами во Вселенной. И некоторые наверняка скажут о том, что зная массу тел и расстояние между объектами, можно определить силу гравитации, которая пропорциональна массе объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Из школьной программы мы знаем, что сила гравитационного поля, окружающего объект, зависит от его размеров. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше вес попавшего в него тела и выше его ускорение.
- И так как лунная сила притяжения в шесть раз меньше земной, - продолжила Наташа, - то вес космонавта на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.
- Совершенно верно. Самым сильным гравитационным полем обладают Чёрные дыры Вселенной, гравитация которых настолько огромна, что из неё не может вырваться даже свет.
При малых по сравнению со скоростью света скоростях и слабом гравитационном взаимодействии, т.е. в рамках классической механики, гравитационное притяжение описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Однако...
- Как всегда вмешивается это однако. Значит, открыли что-то новое, - произнесла Наташа.
- Наука не стоит на месте, - согласилась я. - Около века назад Альберт Эйнштейн предложил Общую теорию относительности.
Он отбросил понятие ньютоновской гравитации как простого притяжения между объектами и описал материю и энергии, искривляющие пространство и время. Общая теория относительности объясняла гравитационное взаимодействие в макроскопическом масштабе. Но когда физики пытались вычислить кривизну пространства мельчайших объектов, например вокруг электрона, математика становилась невозможной. Это говорило о необходимости новой теории, выходящей за рамки Общей теории относительности.
Существуют масштабы, которые хранят самые большие тайны Вселенной о законах природы. Это невероятно маленькие величины и явления на атомном и субатомном уровне. Это мир планковских величин.
- Я знаю, был известный физик Макс Планк. О планковских величинах слышу впервые.
- Макс Планк - один из величайших учёных мира, основатель квантовой физики.
В 1899 году он предложил систему «естественных единиц измерений», которая была основана на четырёх универсальных постоянных: скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Больцмана, постоянная Планка. Мир планковских величин настолько выходит за рамки традиционного понимания «маленький», что представить их невозможно.
- Почти как Тёмную энергию?
- Да, речь идёт о невообразимых размерах.
Планковская длина равна 1,616 х 10-35 м, это в 1020 раз меньше диаметра ядра атома водорода.
Планковское время - 5,391 х 10-44 секунды. В физическом смысле - это время, необходимое частице, двигающейся со скоростью света, на преодоление планковской длины. Это минимальный отрезок времени, доступный наблюдению.
Планковская температура - 1,41679 х (10 х 32) К (141 нониллион 679 октиллионов кельвинов). Такую температуру имела Вселенная в планковское время после Большого взрыва, значение её трудно представить. Для современной физической теории невозможна величина температуры выше планковского значения.
Планковская масса — 2,176 х 10-8 кг, это величина максимально тяжёлой элементарной частицы. Гипотетическую частицу, наделённую подобной массой назвали максимон.
Есть и другие планковские величины.
- Почему, говоря о гравитации, нужно знать о планковских величинах?
- Чтобы перейти к квантовой физике, в понятиях которой гравитация изучается в настоящее время, нужно понимать насколько малы величины планковского мира.
- Но что такое квант?
- Квант (от лат. quantum — «сколько») — это неделимая часть какой-либо величины в физике.
В основе понятия "квант" лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (физики обычно говорят, что "физическая величина квантуется").
Кроме того, «квантом действия» называют постоянную Планка.
Кванты некоторых полей имеют специальные названия:
фотон — квант электромагнитного поля;
глюон — квант векторного глюонного поля, обеспечивающий сильное взаимодействие;
бозон Хиггса — квант поля Хиггса;
фонон — квант колебательного движения кристалла;
гравитон — гипотетический квант гравитационного поля
Квантовая физика - раздел теоретической физики, изучающий квантовую механику и квантовую теорию поля.
Квантовая теория поля изучает поведение квантовых систем с бесконечно большИм числом степеней свободы — квантовых (или квантованных) полей; она является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Именно на квантовой теории поля базируется вся физика высоких энергий и физика элементарных частиц.
Квантовая механика описывает физические явления, в которых действие сравнимо по величине с планковскими величинами.
- А теперь вспомним о фундаментальных взаимодействиях. Не забыла? - обратилась я к Наташе.
- Я помню. Их всего четыре.
- Верно. В настоящее время известны четыре фундаментальные взаимодействия, которым подчиняются все частицы и образованные из них тела во Вселенной:
гравитационное взаимодействие, управляющее движением планет,
электромагнитное взаимодействие между зарядами,
сильное взаимодействие, объясняющее устойчивость ядра,
слабое взаимодействие, связанное с радиоактивностью.
- Наверное, нужно связать все взаимодействия с квантовой физикой? - спросила Наташа.
- Совершенно точно. Такие попытки в прошлом столетии делались не раз и учёные достигли больших успехов. Три взаимодействия - электромагнитное, слабое и сильное - были проквантованы. Например, все знают фотон - квант электромагнитного поля. Но гравитационное взаимодействие проквантовать, т.е. соединить классическую и квантовую теории в данном случае не получилось. Хотя гипотетический квант гравитационного поля в 30-х годах прошлого века получил название гравитон.
Проблема построения квантовой теории гравитации осложняется тем, что гравитационные силы по сравнению с силами взаимодействия, которые связывают материю в атомы, настолько слабы, что шансов обнаружить их мало. Слабость гравитонов объясняет, почему нужны астрономические массы чтобы через гравитацию влиять на другие массивные тела. Поэтому гравитационные эффекты мы видим на огромных масштабах.
Самым сильным гравитационным полем обладают Чёрные дыры, где по идее должна была бы раскрыться квантовая природа гравитации, но исследовать эти области Вселенной с помощью современной аппаратуры невозможно.
- Что сейчас происходит в науке о гравитации?
- В 80-е годы двадцатого века была предложена гипотетическая петлевая квантовая теория гравитации.
Согласно этой теории, пространство и время квантуются, т.е. состоят из дискретных частей. Эти мельчайшие, планковских размеров квантовые ячейки пространства соединены друг с другом определённым способом так, что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время.
Состояние квантовых петлевых ячеек пространства определяется полем, в котором они существуют. По предположению, величина этого поля играет роль внутреннего времени для этих ячеек, а переход от более слабого поля к сильному устроен так, как влияние прошлого на будущее. Ячейки, плотно соединяясь между собой, образуют сплошное пространство-время. Петлевая квантовая теория гравитации позволяет отследить процесс эволюции Вселенной вплоть до её начала и увидеть, что было до Большого взрыва и как появилось само время.
В настоящее время многие физики видят два пути решения проблем гравитации.
Первый состоит в предположении, что модель гравитации сложнее и кроме кванта гравитона существуют другие неизвестные элементарные частицы, влияющие на гравитационное взаимодействие.
Второй путь предполагает связать гравитационное взаимодействие с теорией струн.
Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10-35 м. Данный подход приводит к более глубокому взгляду на строение материи.
- Для изучения гравитации, наверное, нужны невероятные, очень сложные и очень дорогие устройства.
- Совершенно верно. И огромные. Такие, как БАК - Большой адронный коллайдер или как ЛИГО.
- ЛИГО? Никогда не слышала.
- ЛИГО, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Это - поражающая воображение, грандиозная современная обсерватория, она изучает мельчайшие пространственные объекты. 11 февраля 2016 года коллаборации LIGO и Virgo объявили об обнаружении гравитационных волн, произошедшем 14 сентября 2015 года на установках LIGO, за что в 2017 году учёным была присуждена Нобелевская премия по физике.
- А что о Теории всего? - спросила Наташа. - Помнишь, мы говорили о ней в нашей первой беседе о Вселенной.
- Теория всего — это гипотетическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия, кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц.
В стремлении объединить фундаментальные взаимодействия в общую теорию учёные пытаются использовать различные подходы: теорию струн, М-теорию и петлевую квантовую теорию гравитации. Теории гравитации сталкиваются с множеством проблем, т.к. их экспериментальное подтверждение является очень сложным.
Физики надеются, что квантовая теория гравитации позволит понять проблемы высоких энергий и минимальных размеров пространства, даст понимание процессов, происходящих в Чёрных дырах и при рождения Вселенной.
- Исследования продолжаются! - подвела итог Наташа.
Луша и Юлька вначале весело бегали, не удаляясь слишком далеко, но под конец прогулки шли рядом, видимо решив послушать о Вселенной.
Сентябрьский день короток, и в парке зажглись фонари, освещая тропинки, аллеи и сказочной красоты деревья в золотом осеннем сиянии.
Шуршали опавшие листья. На тёмном небе появились луна и звёзды среди миров...
Среди миров, в мерцании светил ***
Одной Звезды я повторяю имя,
Не потому, чтоб я Её любил,
А потому, что я томлюсь с другими.
И если мне сомненье тяжело,
Я у Неё одной ищу ответа,
Не потому, что от Неё светло,
А потому, что с Ней не надо света.
- Причём здесь стихи о любви?
- Трудно сказать...
информация о Квантовой теории гравитации взята из лекций:
Дмитрий Казаков - физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, член-кор. РАН
Алексей Старобинский - физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН
Дмитрий Гальцов - физик-теоретик, доктор физико-математических наук
Алексей Семихатов - физик-теоретик, доктор физико-математических наук
а также из Википедии и других открытых источников Интернета
*** Среди миров - Иннокентий Анненский