Могущество самого грандиозного силового поля мироздания основывается на неисчислимом количестве ее всепроникающих квантов, составляющих всемирный океан гравитационной энергии, в потоках которой плывут взаимодействующие тела. Если воспользоваться умозрительной моделью, то гравитон будет подобен летящему со скоростью света винтообразно закрученному вихрю энергии, чем-то напоминающему микроскопический торнадо. По сравнению со всеми известными элементарными частицами гравитон, по предсказаниям теоретиков, должен быть самой «закрученной» частицей, ведь ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.
Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного для нас поля земного притяжения. Что же говорить о квантовых образах иных моделей гравитационных полей, иногда имеющих несколько компонентов с различными спинами? Примером могут служить гравифотоны и гравискаляры, здесь ситуация отдаленно напоминает электромагнитное поле с его магнитной и электрической компонентами. Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но в отличие от него это довольно массивные частицы с собственной массой покоя. Они могут ускоряться и замедляться, а переносимые ими силы гравитации обрываются в пространстве более резко, чем гравитонные. В этом отношении новые гравичастицы, предсказываемые теоретиками, похожи на мезоны, переносящие ядерные силы. Только мезоны являются довольно тяжелыми частицами, в 300 раз массивнее электрона. Масса же гравичастиц пока еще известна лишь приблизительно. Скорее всего, они чрезвычайно легкие, может быть, даже в сотни триллионов раз легче электрона. Для сравнения, электрон настолько же легче средней молекулы.
Из квантовой теории следует, что радиус сил, переносимых столь легкими частицами, как гравифотоны и гравискаляры, может составить десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут давать небольшую прибавку к классическому закону всемирного тяготения, которую, однако, физики-экспериментаторы пока не смогли идентифицировать. В то же время в космическом масштабе дополнительные гравитационные силы практически исчезают. Это наглядно демонстрируют детальнейшие астрономические наблюдения движения планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение отлично рассчитывается на основе обычной ньютоновской теории, без всяких дополнительных гравитационных компонентов. Здесь прослеживается четкая логическая связь, ведь если бы частицы поля тяготения были еще легче, то их радиус действия возрос бы настолько, что они были бы неминуемо замечены земными наблюдателями. В то же время некоторые из квантов гравитации могут быть очень тяжелыми, превосходя в тысячи раз протоны и нейтроны. Тогда их влияние будет проявляться лишь на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современному эксперименту. В этом случае возникают интереснейшие вопросы для специалистов-физиков. Каким образом подобная квантовая гравитация может влиять на процессы в макромире? Связана ли квантовая гравитация с таинственной «темной энергией» и какой вид могут иметь эти связи?
Как видно, здесь еще много неясностей, от которых нас избавит лишь эксперимент, и его результаты могут оказаться весьма неожиданными. В настоящий момент концепцию квантовой гравитации еще трудно соотнести с выводами других интенсивно развивающихся теорий: инфляционной Вселенной, многомировой интерпретации, Мультиверса и квантовой хронофизики. Так, в последней на вселенскую сцену также выходят «атомы пространства и времени», однако их образ возникает не феноменологическим путем, а в результате анализа фундамента квантовой теории — структуры планковского кванта действия. В начале прошлого века, незадолго после создания основ квантовой механики, Планк ввел несколько физических величин, получивших определение «планковские»: длину, массу и время. Среди физиков-теоретиков до сих пор не утихают споры о том, что же скрывается за мыслимым горизонтом сверхмалых планковских масштабов.
Сам Планк при выводе своих параметров руководствовался простым правилом размерностей, комбинируя известные тогда мировые константы, среди которых была и гравитационная постоянная. Это уже может служить одной из нитей, связывающих стандартную теорию с новейшими построениями (рис. 31).
Рис. 31. Кипящий вакуум виртуальных частиц
Что же лежит в глубинах мироздания? Одни видят там кипящий вакуум виртуальных частиц, из пены которого возникают новые миры, тут же проваливаясь в пропасть иных измерений, другие полагают, что континуум пространства-времени заполнен там мембранами из суперструн; а третьи мысленным взором охватывают бесконечные соты ячеек свернутых измерений.
Все эти представления о связи электромагнетизма, гравитации и геометрии окружающего нас пространства (правильнее было бы сказать — пространства-времени) показывают, как далеки современные модели мироздания от насыщенного электричеством эфира Теслы. Тут надо четко понимать, что сегодня физики однозначно относят теоретические измышления Теслы к совершенно неправильным — я бы даже сказал, непрофессиональным — построениям, которыми почему-то так часто грешат изобретатели и инженерно-технические работники, пытаясь поразить всех новыми фундаментальными взглядами на физическую реальность.
В научных кругах часто можно услышать высказывание, что выбор той или иной инновационной теории в физике является, прежде всего, делом вкуса ученого. Здесь можно в зависимости от степени своего оптимизма с нетерпением ожидать потока «открытий века» или считать все это просто блестящей игрой ума теоретиков, ведь за прошедшее столетие сколько их гипотез не получили опытного подтверждения…
Тем не менее, несмотря на скепсис в выборе конкретного пути исследования, сама по себе проблема новых гравитационных сил представляет один из интереснейших и актуальнейших вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья «Иллюзия гравитации», опубликованная в журнале «В мире науки»[1] одним из ведущих теоретиков квантовой гравитации Хуаном Малдасеной из эйнштейновского Принстонского института передовых исследований. Ее отрывки приводятся ниже.
«Для многих физиков квантовая теория гравитации — это чаша святого Грааля, потому что вся физика, за исключением сил тяготения, прекрасно описывается квантовыми законами. Примерно 80 лет назад квантовая механика была разработана для описания частиц и сил в атомных и субатомных масштабах, при которых становятся существенными квантовые эффекты. В квантовых теориях у объектов нет определенных положений и скоростей и все описывается вероятностями и волнами, занимающими определенные области пространства. В квантовом мире все пребывает в постоянном движении: даже “пустое” пространство заполнено такназываемыми “виртуальными частицами”, которые непрерывно появляются и исчезают.
Вместе с тем общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью».
С историческим экскурсом молодого аргентинского физика нельзя не согласиться, однако любопытна сама неявно высказанная позиция — общую теорию относительности надо менять. Или же можно присоединить ее к квантовой механике, но никак не наоборот. Между тем в историческом плане все выглядит несколько иначе. За истекший период времени развития новой физики именно квантовая теория испытала самые серьезные попытки реформации, к примеру, Бома, Эверетта и Уиллера. Впрочем, с общим анализом ситуации Малдасены трудно поспорить:
«В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.
Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10-35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Если мы предположим, что вещество повинуется законам квантовой механики, а гравитация подчиняется общей теории относительности, то столкнемся с математическими противоречиями. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации».
