Антигравитация — Миф или реальность?

По собственному опыту мы знаем, что гравитация — это всегда притяжение. А может ли быть антигравитация — отталкивание? Общая теория относительности Эйнштейна говорит «нет», однако недавние исследования физиков-теоретиков обнаружили силы, которые способны играть роль антигравитации. Вопрос в том, насколько они велики и где проявляются — только лишь в микромире или же их можно заметить и на больших, макроскопических расстояниях.

Насколько обоснованы выводы теоретиков? Не противоречат ли они известным законам природы? И почему до сих пор никто не обнаружил следов антигравитации?

Почему теория Эйнштейна говорит «нет»

Вспомним, что закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона для взаимодействия двух заряженных тел имеют почти одинаковый вид. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона - их массы, да еще тем, что формула Ньютона содержит постоянный коэффициент — так называемую гравитационную постоянную. Ее величина зависит от выбора системы единиц, и ее можно сделать равной единице. Тогда законы вообще не различаются. Получается, что, наряду с электромагнитными, тела имеют гравитационные заряды, которые в точности равны их массам.

Этот факт сразу обращает на себя внимание, и на уроках физики часто задают вопрос: почему это так — случайность или тут есть какая-то глубокая причина?

То, что в закон всемирного тяготения входят массы тел, первым установил Ньютон. Он даже ставил специальные опыты, чтобы выяснить, насколько это точно. Не нашли отклонений от этого правила и другие физики, применявшие значительно более точные приборы.

С помощью этого закона на десятки лет вперед точно, день в день, предсказывается появление комет, рассчитываются траектории планет, а теперь н спутников. Поэтому, создавая свою гравитационную теорию (ее принято называть общей теорией относительности), Эйнштейн предположил, что равенство гравитационного заряда и массы выполняется абсолютно точно и для всех видов материи.

Любой учебник физики говорит, что масса — это мера устойчивости, инертности тела по отношению к изменению его движения. Чем массивнее тело, тем труднее его остановить или ускорить. Это каждый знает из повседневных наблюдений. Понятно, что масса — положительная величина, физических тел с отрицательной массой не бывает. Их движение происходило бы «шиворот-навыворот»: вы отталкиваете тело, а оно, наоборот, катится вам навстречу!

Постулируя равенство гравитационного заряда и массы, общая теория относительности Эйнштейна с самого начала считает, что в отличие от электрических гравитационные заряды у всех тел одного и того же знака. Поэтому и действующие между ними силы всегда направлены на сближение тел. Силы противоположного направления, антигравитация, исключены там изначально — по определению. Уж так устроена эта теория!

После ее создания было открыто много новых видов материи — антивещество, «странные» и «прелестные» частицы, различные типы глюонов и кварков, однако вера физиков в теорию Эйнштейна и в ньютоновский закон всемирного тяготения была так велика, что ставить опыты по поиску антигравитации считалось излишним: и так, мол, ясно, что ее быть не может! Измерения были выполнены лишь для пучка нейтронов из атомного реактора (изучалось его отклонение в земном поле тяготения) и для медленных электронов. Ничего неожиданного они не принесли, и это еще более укрепило уверенность физиков в том, что антигравитации место лишь на страницах научно-фантастических рассказов.

Однако абсолютных запретов, применимых всегда и всюду, в природе не бывает. Любой закон имеет ограничения, и часто удается найти окольные пути. Не зря шутят: закон — все равно что столб, через него нельзя перепрыгнуть, но зато можно обойти!

В одном из научно-фантастических рассказов я как-то читал о том, что, желая получить в свои руки новое оружие, военные руководители одной из противоборствующих стран решили «подстегнуть» мысль своих ученых. Они сознательно ввели их в заблуждение, сообщив, что, якобы по неопровержимым данным разведки, противная сторона овладела секретом антигравитации, а это означает, что считавшаяся неразрешимой задача на самом деле имеет решение и теперь надо только его найти. Ясно, оно должно быть каким-то совершенно необычным, парадоксальным, выходящим за рамки известных теорий, раз все они говорят, что это принципиально невозможно. И решение нашлось! Правда, это была не антигравитация, а новое отталкивающее поле, но это уже неважно — стереотип мышления был сломлен и цель достигнута.

И вот недавно физики, разрабатывающие так называемую супергравитационную теорию — дальнейшее развитие общей теории относительности Эйнштейна, неожиданно для себя обнаружили, что в природе, по-видимому, действительно должно быть «антигравитационное поле», в котором постулат о равенстве гравитационного заряда и массы «не работает».

Предсказания теоретиков

За последние двадцать — тридцать лет в физике элементарных частиц накоплен огромный экспериментальный материал. Анализируя его, физики постепенно осознали, что слабые (распадные), сильные (ядерные) и электромагнитные силы — это разные проявления одного и того же взаимодействия. Как будто мы в тумане с разных расстояний смотрим на один и тот же фонарь. Вблизи он ослепительно белый, отойти подальше — становится желтым, а издали выглядит тусклой красноватой точкой.

У теоретиков есть основания думать, что гравитация — тоже «часть» этого универсального взаимодействия. И хотя теория пока далека от завершения, а физики еще блуждают среди ее различных вариантов, есть выводы, которые получаются практически во всех случаях.

Таков вывод о том, что в природе действуют несколько типов гравитационных полей, а не одно-единственное, как мы привыкли думать. На малых расстояниях они тесно связаны между собой, изменение одного сразу вызывает изменения других, и их нельзя оторвать друг от друга, как нельзя оторвать, например, переменное электрическое поле от магнитного. Это единое целое. Все вместе они образуют «суперполе», или, как говорят физики, супергравитационный мультиплет — семейство нескольких взаимопревращающихся полей-компонентов. Расщепляются и становятся практически независимыми они только на больших расстояниях.

Знакомый писатель, которому я рассказал об этой теории, заметил, что в его представлении гравитация и супергравитация соотносятся как простой цветок и махровый. Неожиданная, но весьма образная аналогия!

Новые супергравитационные компоненты, дополняющие известное нам гравитационное поле,— пока только гипотеза. Но уж очень естественно возникают они в современной теории! И из самых различных соображений. Будет очень странно, если окажется, что это — простое совпадение.

Читатель, наверное, уже знает, что кванты полей похожи на крохотные волчки, вращение которых характеризуется величиной, называемой спином. Расчеты показывают, что все гравитационные кванты с дробными спинами — заведомо очень тяжелые и могут передавать взаимодействие лишь на малых расстояниях, глубоко в недрах элементарных частиц. Связанные с ними силы — чрезвычайно короткодействующие. Радиус их действия в сотни, тысячи, а может быть, даже в миллиарды раз меньше размера протона. Другое дело — кванты с целым спином. Жестких ограничений на величину их массы в теории нет. Не исключено, что это — очень легкие частицы, которые могут передавать силы на далекие расстояния. Вот эти кванты и представляют для нас особый интерес.

Три типа гравитации

Один из них — известное нам гравитационное поле, которое описывается общей теорией относительности Эйнштейна и подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Кванты этого поля, их называют гравитонами, всегда движутся со скоростью света — с максимальной скоростью, которую могут иметь материальные объекты. Их нельзя ни затормозить, ни ускорить. Вся их масса связана с энергией движения, как у частиц света фотонов. Своей собственной, «затравочной» массы у них нет. В этом" смысле гравитоны можно назвать «бестелесными» частицами — как свет.

Еще один вариант — теория гравитации, предложенная советским физиком академиком А. А. Логуновым и его сотрудниками. О недостатках и достоинствах конкурирующих между собой гравитационных теорий читайте в статье «Великая тайна всемирного тяготения», N1 за 1987 год.

Впрочем, гравитон пока тоже — «чисто теоретический объект». Хотя земное тяготение знакомо нам с первых дней жизни, его кванты-гравитоны еще никто не «видел». Убежденность в их существовании основана на квантовой механике, которая говорит, что все поля состоят из элементарных порций — квантов. Никаких исключений из этого правила мы не знаем. Трудность «увидеть», зафиксировать физическими приборами отдельный гравитон обусловлена его чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом. Оно более чем в 1040 раз (десятичная дробь, у которой сорок нулей после запятой!) слабее электромагнитного. Взаимодействие гравитона неизмеримо слабее (снова десятичная дробь с десятками нулей после запятой!) даже по сравнению с нейтрино, которое считается невидимкой среди других" элементарных частиц. Силу тяжести мы ощущаем лишь благодаря присутствию сразу огромного числа ее квантов — целой гравитационной реки, которая переливается между взаимодействующими телами.

Если воспользоваться наглядной моделью, то гравитон напоминает летящий со скоростью света винтообразный вихрь энергии. По сравнению со всеми другими гравитон — наиболее быстро «вращающаяся» частица, ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.

Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного нам поля земного притяжения.

Кванты двух других гравитационных полей имеют спины, равные единице, как у фотона, и нулю. Их называют гравифотоном и гравискаляром. (Скалярными физики называют все «невращаюшиеся» частицы с нулевым спином.) Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но в отличие от него — это массивные частицы с собственной «затравочной» массой. Они могут ускоряться и замедляться, а переносимые ими силы гравитации обрываются в пространстве более резко, чем гравитонные. В этом отношении новые, предсказываемые теоретиками гравичастицы похожи на мезоны, переносящие ядерные силы. Только мезоны — весьма тяжелые частицы — в триста раз массивнее электрона, масса же гравичастиц точно неизвестна, пока можно сделать лишь приближенные оценки. Скорее всего, они чрезвычайно легкие, может быть, даже в сотни триллионов раз легче электрона. Чтобы лучше почувствовать, как это мало, следует сопоставить секунду и сотню миллионов лет. Соотношение примерно такое же.

Из формул квантовой механики следует, что радиус сил, переносимых столь легкими частицами, составит десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут небольшим добавком к «ньютоновской гравитации», который до сих пор остался незамеченным.

В то же время на больших расстояниях дополнительных гравитационных сил быть не может, так как иначе они бы сказывались на движении планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение отлично .рассчитывается на основе обычной ньютоновской теории, без всяких дополнительных членов. Отклонения давно были бы замечены астрономами и астрофизиками. Поэтому сотая, в крайнем случае несколько тысячных триллионной доли массы электрона — предел для гравичастиц. Более легкими они быть не могут.

Зато они могут быть очень тяжелыми — в сотни и тысячи раз массивнее протона (Для сравнения напомним, что протон примерно в две тысячи раз массивнее электрона). Тогда их влияние будет проявляться лишь на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современному эксперименту. Такую возможность тоже нельзя исключить. Если окажется, что это так, то новые силы будут интересовать лишь специалистов-физиков.

Как видим, здесь еще много неясностей, избавит от которых нас лишь эксперимент, и его результаты могут оказаться весьма неожиданными. А пока в зависимости от степени своего оптимизма можно по-разному смотреть на проблему — с волнением ожидать «открытия века» или считать все это просто игрой ума досужих на выдумки теоретиков, ведь сколько их гипотез не подтвердилось на опыте... Не зря сами физики шутят, что теоретик работает в основном на мусорную корзину!

Но как бы там ни было, нельзя отрицать, что проблема новых гравитационных сил — один из интереснейших вопросов современной физики, А самое интересное в том, что здесь есть возможность для антигравитации. Оказывается, что гравифотонные силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это зависит от того, из чего состоят взаимодействующие тела — из вещества или из антивещества. Вещество и антивещество притягивают друг друга подобно тому, как это происходит в поле обычных гравитационных сил. А вот куски вещества, как показывает расчет, должны отталкивать друг друга!

Результат удивительный. Казалось бы, необычных сил следует ожидать между веществом и антивеществом, а получается наоборот — антигравитация возникает в веществе. Под действием гравитационных сил куча песка и куль муки должны разлететься, как при взрыве. Ничего похожего мы не наблюдаем, поэтому можно было бы думать, что дальнодействующих гравифотонных сил в природе вообще нет или же они несравненно слабее гравитонных. И, казалось бы, жар-птица антигравитации снова выпорхнула из наших рук...

Однако есть еще одна возможность. Антигравитация может быть велика, но ее компенсирует гравискалярная сила, которая, подобно обычной гравитации, во всех случаях притягивающая. Как в известном стихотворении Чуковского, где страшные волки скушали друг друга! Остается лишь одна гравитонная сила притяжения.

Конечно, абсолютно полной, так сказать, стопроцентной компенсации быть не может. Свойства гравифотонного и гравискалярного полей во многих отношениях различаются, и можно найти явления, в которых эти различия становятся заметными. Особенно, если учесть, что современная экспериментальная техника позволяет намного повысить точность многих старых опытов с полем тяготения Земли.

Верен ли закон всемирного тяготения?

Сомнения появились несколько лет назад, когда измерения величины гравитационной постоянной, выполненные на различных высотах и в глубоких шахтах (они важны для геофизики, космонавтики и для других прикладных разделов науки), дали несколько различающиеся между собой значения. Различия невелики — доли процента, но измерения были очень точными, они учитывали форму Земли, местные аномалии ее плотности и массу других поправок, поэтому расхождения трудно объяснить погрешностями эксперимента.

Все становится на свои места, если допустить, что в законе всемирного тяготения есть еще один член — небольшой остаток, как говорят физики, «хвост» от почти полностью скомпенсировавшихся гравифотонной и гравискалярной сил. Радиус действия этих сил получается равным нескольким сотням метров.

Что это — первое наблюдение антигравитации или все- таки тут есть какой-то экспериментальный просчет? Вопрос слишком сложен, чтобы можно было говорить об открытии. Еще рано. Пока более вероятной кажется методическая погрешность. Нужны новые, более «чистые» опыты.

Один из таких опытов готовится в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований. Предполагается использовать антивещество. Ведь если верна теория, то при взаимодействии вещества с антивеществом обе силы, как гравифотонная, так и гравискалярная, вызывают притяжение и вместо компенсации происходит их усиление. Антивещество в поле тяготения Земли должно весить больше вещества.

Антипротоны, образующиеся при бомбардировке мишени лучком протонов высокой энергии, будут с помощью электромагнитного поля отделяться от других частиц и накапливаться в специальной ловушке, изолированные магнитным полем от соприкосновения с веществом. Когда их накопится достаточно много, антипротонным сгустком выстрелят в расположенную сверху мишень-детектор. Если время движения антипротонов к мишени будет больше, чем для протонов, это станет прямым доказательством дополнительной гравитационной силы. Тогда должна существовать и антигравитация.

Интересно, что аналогичные опыты много лет назад были выполнены с электронами. Изучалось движение электронного сгустка внутри вертикальной металлической трубы, откачанной до высокого вакуума, чтобы молекулы воздуха не мешали движению электронов. Поскольку электроны входят в состав атомов, из которых состоим мы сами и окружающие нас предметы, обычно считается само собой разумеющимся, что электроны принадлежат к веществу, а их положительно заряженные близнецы-братья позитроны — к антивеществу. Однако с точки зрения теории дело обстоит как раз наоборот. Именно позитроны, а не электроны объединяются в одно семейство с кварками, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах окружающего нас вещества. А раз так, то в гравитационном поле Земли электроны должны быть тяжелее позитронов и двигаться в трубе медленнее. В опыте действительно было установлено десятипроцентное запаздывание.

К сожалению, неясно, какая его часть связана с дополнительной гравитационной силой, а какая обязана тормозящему действию электромагнитного поля, порожденного наведенным током в стенках металлической трубы. На легкие электроны это поле оказывает весьма заметное действие.

Когда выполнялся этот опыт, достаточно серьезных оснований сомневаться в законе всемирного тяготения не было, поэтому большого интереса он не вызвал и результаты его так и остались до конца не разобранными.

Сколько весит килограмм урана?

Для того чтобы расщепить дейтрон на составляющие его протон и нейтрон, нужно затратить энергии ровно столько, сколько ее выделилось, когда протон и нейтрон объединились в дейтрон. Это так называемая энергия связи. С ней соотносится определенная масса (вспомним знаменитую фор- ' мулу Эйнштейна Е=мс2!), поэтому масса дейтрона тоже несколько меньше суммарной массы протона и нейтрона. Правда различие мало — всего около десятой процента. Дейтрон — рыхлая, слабо связанная система. Для ядра урана разность масс свободных и связанных частиц почти вдесятеро больше — около процента.

Замечательная особенность новых гравичастиц состоит в том, что они не чувствуют массу, определяемую энергией связи. Их взаимодействие с атомным ядром зависит лишь от числа входящих в его состав протонов и нейтронов, а как они связаны — крепко или слабо, для них это неважно. Другими словами, в гравифотонном поле килограмм урана должен весить больше, чем килограмм водорода. (Только этот вес будет действовать не на пол, а на потолок комнаты!) А это означает, что ускорение свободного падения должно зависеть от химического состава падающих тел.

Четыреста лет назад Галилео Галилей, изучая падение различных предметов с Пизанской башни, опроверг господствовавшее в то время мнение, что легкие тела падают быстрее тяжелых. И вот оказывается, что в вывод Галилея, возможно, придется внести уточнения!

Пожалуй, наиболее точные опыты по проверке зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел выполнил семьдесят лет назад венгерский физик Роланд Этвеш. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно увидеть, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом. Прибор Этвеша настолько прост и в то же время точен, что во многих университетах его до сих пор используют для обучения будущих физиков тонкостям экспериментальной методики. Когда я учился в Московском университете, каждый студент-физик был обязан повторить опыт Этвеша. В течение многих лет этот опыт считался одним из главных обоснований постулата о равенстве гравитационного заряда и массы тел.

Результаты своих опытов с подробными таблицами измеренных величин Этвеш опубликовал в физическом журнале. Сегодня статьи физиков пишутся сверхкратким, как они говорят сами, «телеграфным» языком, а семьдесят лет назад, когда журналы были ещё не такими толстыми и физики еще не были знакомы с «информационным потопом», статьи писались подробно и обстоятельно, чтобы каждый мог точно воспроизвести опыт и сравнить свои результаты с опубликованными. И вот недавно группа американских физиков заново проанализировала таблицы Этвеша и, к своему удивлению, обнаружила... отчетливую зависимость изучавшегося эффекта от материала подвешенных на нитях грузов! Это пропорциональность числу протонов и нейтронов, как того и требует современная теория.

По-видимому, она не осталась секретом для самого Этвеша, но, посчитав ее какой-то непонятной методической погрешностью, он просто увеличил указанную им суммарную погрешность эксперимента.

Итак, еще одно отклонение от ньютоновской теории тяготения? Снова случайность, опять влияние каких-то неучтенных факторов? Или все же упорное проявление новой закономерности?

Нужны идеи

Когда речь идет об открытии такого фундаментального явления, как антигравитация, нужно семь раз проверить, прежде чем поверить. Возможно, все прояснится после опыта с антипротонами. Но нужны также новые эксперименты и наблюдения, которые помогли бы «высветить» другие стороны явления. Например, еще одна особенность гравифотонных сил состоит в том, что они зависят от скорости тел. Для движущегося тела антигравитация сильнее. На быстро вращающееся кольцо на поверхности Земли должна действовать подъемная сила. Чем больше его радиус, тем большую скорость имеет его вещество; как на карусели — чем дальше от центра, тем быстрее движение. И для больших скоростей вращения и больших радиусов антигравитация будет весьма значительной. Авторы научно-фантастических рассказов могут заменить надоевшие всем «летающие тарелки» на плавно стартующие с Земли и уходящие в космос звездолеты-кольца!

Ну а если говорить серьезно, то этот эффект может существенно сказаться на свойствах космических объектов, например пульсаров, быстро вращающихся тяжелых и очень компактных телах. Скорость вещества на их поверхности может составлять заметную часть скорости света, и свойства гравитационных сил там будут совсем не такими, как считает современная астрофизика.

Предлагаются опыты по измерению запаздывания сгустков ионов тяжелых атомов, выстреливаемых со дна глубоких шахт в длинные вертикально поставленные трубы. Запаздывание будет различным в зависимости от заряда, массового числа и энергии связи ядра иона.

А может, кто-то придумает более остроумный и убедительный эксперимент? Сегодня над этой проблемой размышляют во многих физических лабораториях мира.

При обсуждении идеи антигравитации в статье было упомянуто, что на сей раз она возникла при разработке так называемой супергравитационной теории. В редакцию за последние месяцы поступило немало писем, в которых читатели просят ученых рассказать об этом новом построении, в том числе остановиться на истории его создания и связи с существующими теориями, которым журнал посвятил в последнее время несколько публикаций. Эти статьи, объединенные заголовком «За пределами теории Эйнштейна», уже готовятся к печати и скоро появятся на наших страницах.