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

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.

«…Квантовая гравитация физически бессмысленна»?

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= 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.