Гравитационные волны, конечно, тоже должны состоять из квантов, их называют гравитонами. Гравитоны, как мы говорили, должны иметь нулевую массу покоя и спин 2, их существования требует и теория калибровочной инвариантности, но до сих пор не просматривается никакая реальная возможность их непосредственного наблюдения.
В 1937 г. выдающийся астрофизик Фриц Цвикки (1898–1974) показал, что наблюдаемая масса галактик много меньше той, которая требуется для объяснения их вращения: центростремительная сила и скорость вращения должны убывать от центра к периферии, а они остаются постоянными. Более того, наблюдаемая по свечению масса никак не может уберечь галактики от разлетания.
Значит, в галактиках присутствует некая скрытая, несветящаяся масса, восполняющая наблюдаемую?
Наблюдавшиеся позже облака водорода в галактиках, потухшие звезды и т. д. были не достаточными для объяснения этих эффектов. У многих исследователей получается даже, что на обычную материю в галактиках приходится лишь около 5 % всей массы, а около 25 % — это несветящая материя, участвующая только в гравитационных взаимодействиях и никак себя в остальном не проявляющая. На роль такой материи выдвигаются массивные нейтрино и другие еще не наблюдавшиеся частицы.
Но и это еще не все. Основная проблема космологии — вопрос о расширении Вселенной после Большого взрыва. Здесь возможны, как мы говорили, три модели: расширение продолжается вечно, расширение в какой-то момент должно смениться сжатием (начнется новый цикл существования Вселенной, закрытая модель), Вселенная достигнет какого-то стационарного состояния (нулевой кривизны). Выбор между моделями соответствует средней плотности Вселенной. Для нулевой модели она должна составлять около 5 атомов водорода в куб. метре.
Светящаяся масса составляет почти в 100 раз меньше, т. е. как будто Вселенная должна безудержно расширяться. Но наблюдаемые данные никак с этим не согласуются.
Еще в 1917 г. Эйнштейн феноменологически ввел в свои уравнения так называемый лямбда-член, дополнительную силу отталкивания на больших расстояниях, которая могла обеспечить стационарность Вселенной. Но в 1922 г., после работ Фридмана он отказался от этого решения и даже признавал его своей самой большой ошибкой.
Однако к 1998 г. ряд наблюдений показал, что постоянная Хаббла не является постоянной, а как будто меняется со временем, точнее — Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения такого ускорения приходится постулировать существование темной, т. е. «скрытой» энергии пространства и т. д.
Все эти построения пока что далеки от какого-либо завершения и общего признания, существуют и другие возможности типа видоизменения Закона Всемирного тяготения. Поэтому ограничимся ссылкой на популярное изложение этих теорий[67].
Мы не можем предсказать общий тон науки будущего, так же как не можем предвидеть те открытия, которые принесет это будущее.
Дж. К. Максвелл
В теории частиц и полей и в космологии остается множество проблем, которые могут, в принципе, кардинально изменить лицо физики. Давайте просто перечислим некоторые из рассматриваемых сейчас возможностей, о которых ранее не упоминали или говорили слишком кратко.
Если Большой взрыв и последующее расширение Вселенной можно считать доказанными, то остаются такие возможности: расширение необратимо, и Мир будет продолжать всегда расширяться, возможно, с постепенным замедлением, или же расширение на каком-то этапе сменится сжатием с возможными повторениями, т. е. не исключено, что Вселенная осциллирует. Выбор между этими возможностями зависит от плотности материи во Вселенной, а для ее оценок нужно выявить всю «темную», несветящуюся материю. Как это сделать?
В момент Большого взрыва возник, точнее, развернулся мир с тремя пространственными и одной временной осью, но кто доказал, что этот мир 3 + 1 является единственно возможным?
Лет сто тому назад в околонаучной литературе были очень модными рассуждения о возможности четвертого пространственного измерения, которое мы, мод, не ощущаем, но которому можно приписать различные таинственные проявления. Вскоре, однако, было показано, что принцип Гюйгенса (он регулирует распространение волн) имеет место лишь в мирах с нечетным числом пространственных осей, т. е. четырехмерный мир невозможен.
Все же, можно предположить, что пространственных измерений на самом деле больше, но все остальные «свернуты», т. е. радиус трех из них пропорционален постоянной Хаббла, а радиус других остается на уровне микрочастиц. Тогда частицы можно рассматривать как окончания «струн», протянутых в этих свернутых измерениях. Некоторые из таких теорий обладают математически изяществом и позволяют строить непротиворечивые теории полей и частиц и избегать многих современных трудностей.
А в одной из теорий А. Д. Сахаров рассматривал случай возможности разворачивания и добавочных временных измерений. В другой, более ранней теории он строил гравитацию не как отдельное поле, а как результат поляризации пространства под действием вакуумных флуктуаций других полей.
Немало внимания уделяется и макроструктуре Вселенной: есть некоторые указания на то, что она отнюдь не однородна — можно выделить группы галактик, нечто вроде стенок между ними и т. д. А может, Больших взрывов было несколько?
Мы несколько раз говорили о том, что гравитационное взаимодействие уменьшает массу тел. Поэтому ее можно считать отрицательной, а тогда можно предположить, что полная масса Вселенной, масса «Папы-атома», равна нулю — масса (энергия) всех тел точно равна энергии их гравитационного взаимодействия. Далее, ясно, что полный электрический заряд Вселенной равен нулю — все тела вместе электрически нейтральны. А что же с остальными зарядами, барионным и лептонными?
Этот вопрос, проблема асимметрии Вселенной, очень беспокоит теоретиков: почему материи настолько больше, чем антиматерии, чему равнялся барионный заряд «Папы-атома»?
Реальны ли бозоны Хиггса, и каковы их свойства? Очень многое в теории покоится на гипотезе об их существовании. Существуют ли суперсимметричные партнеры известных частиц?
Есть, конечно, и теории, в которых строятся субкварковые поля, проверки которых можно ожидать с вводом в строй следующего поколения ускорителей. (Мы не упоминаем о существующих сложностях в уже более или менее развитых теориях — их немало, и их исследования могут радикально менять статус этих теорий.) Представляется, что вряд ли стоит ждать завершения фундаментальной физики в ближайшем будущем.
Отступление IIIКогда и почему подростки выбирают физику
При каждом внимательном взгляде; брошенном на мир, мы уже теоретизируем.
И. В. Гёте
Я всегда помнил, что будущую специальность, физику, выбрал после прочтения «Гиперболоида инженера Гарина» и газетного сообщения о какой-то совсем непонятной «атомной» бомбе, и произошло это в 1945 г., когда мне было 13 лет.
А через много лет, читая попадавшиеся автобиографии физиков и других ученых, я вдруг осознал, что и они этот выбор совершали примерно в том же возрасте. Вот несколько выписок, почти наугад.
Г.В. Лейбниц: «Когда я начал слушать логику, то был сильно поражен разделением и порядком мыслей, о чем узнал из нее. Я тотчас же начал замечать, насколько это доступно тринадцатилетнему мальчику, что тут кроется нечто значительное». Затем он описывает, как пытался претворить эти идеи в жизнь.
А. Эйнштейн: он вырос в нерелигиозной семье, но в детстве «пришел к глубокой религиозности, которая, однако, уже в возрасте 12 лет резко оборвалась». И далее: «В возрасте 12 лет я пережил еще одно чудо совсем другого рода: источником его была книжечка по евклидовой геометрии на плоскости, которая попалась мне в руки в начале учебного года».
Э. Ферми: в 13 лет к нему случайно попадает книга по физике, а затем он встречает друга отца, инженера Амедеи, который умно и тонко руководит его занятиями.
А.Б. Мигдал, известный физик-теоретик: «Мне было двенадцать лет, когда я раздобыл книгу Доната „Физика в играх“», — и далее описывает, как это увлечение сохранилось навсегда.
Я.Б. Зельдович, знаменитый теоретик-энциклопедист, физико-химик, физик-ядерщик, космолог: «Хорошо помню первый, еще детский (12 лет) выбор области знаний». И дальше он описывает, как физика казалась почти законченной, а потому выбиралась химия — в физику он пришел несколько позже, через химию.
А.П. Александров, физик, президент Академии наук СССР: в 13 лет «вступил в физико-химический кружок — отсюда пошло мое увлечение физикой и химией».
Н.Н. Боголюбов, знаменитый математик: «Еще с двенадцати лет заинтересовался некоторыми вопросами сперва элементарной, а затем и высшей математики».
А вот, не физик, а знаменитый и удачливый изобретатель Генри Форд: «Важнейшим событием моих детских лет была встреча с локомобилем, милях в восьми от Детройта, когда мы однажды ехали в город. Мне было тогда двенадцать лет. Вторым по важности событием, которое приходится на тот же самый год, были подаренные мне часы» — ведь именно Форд впервые построил конвейер на заводе и старался организовать его работу по часам.
Луи де Бройль: ему было ровно 13, когда его старший брат Морис измеряет в домашней лаборатории заряд электрона.
В возрасте двенадцати лет Макс фон Лауэ стал интересоваться физикой, и его мать предоставила ему возможность посещать «Уранию» — берлинское общество популяризации науки.
Но может быть, все эти воспоминания случайны? Выше мы специально отмечали случаи, когда люди попадали в физику позже и притом случайно: например, Дж. Чедвик и Р. Милликен.
Проводить опросы среди коллег, конечно, можно — большинство вспоминает, кстати, именно события в этом возрасте, но лучше поступить по-иному. Я взял для начала биографический справочник (Ю.А. Храмов. «Физики», Москва: Наука, 1983) и составил два графика: количества физиков, родившихся в каждом году после 1880 г. — отдельно для России-СССР и для остального мира.