Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

В теоретической физике сегодняшнего дня наиболее распространены модели, в которых все известные в природе силы возникают вследствие обмена между взаимодействующими телами некоторыми частицами — квантами действующего поля. Так, электромагнитные и гравитационные силы передаются частицами с нулевой массой покоя — фотонами и гравитонами с бесконечно большим радиусом действия, а внутриядерные сильное и слабое взаимодействия вызваны обменом массивными частицами — адронами и векторными бозонами, что делает такие силы чрезвычайно короткодействующими: лишь в пределах атомного ядра. «Пятая сила», вводимая обсуждаемой гипотезой по этой же схеме, предполагает существование частиц с исключительно малой, но все-таки отличной от нуля массой покоя. Чтобы радиус взаимодействия измерялся сотнями метров, масса частицы должна быть на 15 порядков меньше массы электрона! Таких частиц физика не знает, но обнаружение «пятой силы» как раз и означало бы их открытие. Таким образом, закон тяготения оказывается в тесной связи с физикой элементарных частиц.

Чтобы проверить барионную гипотезу, нужно оценить ожидаемое на ее основе различие в притяжении тел разного состава и сравнить с данными наиболее точных экспериментов. Практически на опыте гораздо удобнее сравнивать не взаимное притяжение двух тел в зависимости от их состава, а притяжение пробных тел к очень большому третьему телу. Впервые такой опыт поставил Галилей, измеривший ускорение свободного падения на Земле тел разного состава и веса. Если справедлив закон Ньютона, то есть если вес тела строго пропорционален его массе, то ускорение свободного падения должно быть величиной постоянной. Это и было установлено Галилеем с точностью порядка долей процента.

Отладка Большого андронного коллайдера (ЦЕРН, Женева)

Для проверки новых теорий тяготения и моделирования антигравитационных эффектов требуются новые, более сложные опыты на сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Серию таких экспериментов проводит международный коллектив физиков в Европейском центре ядерных исследований (Женева). Созданное там на Большом адронном коллайдере антивещество ученые хотят проверить на избыток веса, следующий из новых вариантов теории гравитации.

ОПЫТЫ ЭТВЕША

Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь, несомненно, пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу.

Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов по проверке зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. 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 определить, 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. В течение многих лет этот опыт считался одним из главных обоснований постулата о равенстве гравитационного заряда и массы тел.

Группа физиков заново проанализировала таблицы Этвеша — и, к своему удивлению, обнаружила… отчетливую зависимость изучавшегося эффекта от материала подвешенных на нитях грузов! По-видимому, она не осталась секретом для самого Этвеша, но он посчитал ее какой-то непонятной погрешностью эксперимента. Именно эти следы различий в ускорениях свободного падения и привлекли внимание авторов барионной гипотезы. Гипотеза взаимодействия через барионный заряд, по их мнению, дает ключ, с помощью которого можно попытаться разобраться в хаосе результатов Этвеша. Критический разбор барионной теории показал, что ожидаемое различие в притяжении тел разного состава может составлять тысячные доли процента, если расстояние между телами много меньше радиуса действия «пятой силы». Но в работах Этвеша пробные тела притягиваются к Земле, радиус которой в 30 тысяч раз больше предполагаемого значения радиуса действия. Это означает, что вклад в отталкивание вносят только ближайшие к пробным телам земные слои, в то время как притяжение вызывается всей массой Земли. Это обстоятельство дополнительно уменьшает ожидаемую разницу в ускорениях примерно в те самые 30 тысяч раз. Точный расчет эффекта практически невозможен, так как результат очень сильно зависит от карты распределения масс на поверхности и внутри Земли в окрестности пробных тел. Для модели Земли в виде однородного шара ожидаемый эффект в 16 раз меньше, чем полученный в опытах Этвеша.