Pyataya sila: mif ili real'nost'?
2.03.1994 17:09 | V.K. Milyukov/Vselennaya i My

Nachalo 1986 goda bylo otmecheno ves'ma znamenatel'nym dlya fiziki sobytiem. V pervom nomere zhurnala "Physical Reviev Letters" byla opublikovana stat'ya amerikanskih fizikov E. Fishbaha i ego kolleg iz universiteta Pard'yu, rabotayushih v oblasti fiziki elementarnyh chastic, v kotoroi soobshalos', chto imeyutsya eksperimental'nye dannye, pozvolyayushie vydvinut' predpolozhenie o sushestvovanii v prirode ranee neizvestnogo fizicheskogo vzaimodeistviya. Do sih por fiziki imeli delo tol'ko s chetyr'mya vzaimodeistviyami - sil'nym, elektromagnitnym, slabym i gravitacionnym, poetomu soobshenie o sushestvovanii novogo, pyatogo vida fizicheskogo vzaimodeistviya (ili "pyatoi sily"), bezuslovno, nosilo harakter sensacii. V techenie neskol'kih let eta tema byla pod pristal'nym vnimaniem fizikov. V mnogochislennyh publikaciyah vyskazyvalis' dovody kak podderzhivayushie ideyu novogo vzaimodeistviya, tak i stavivshie ego sushestvovaniya pod ser'eznoe somnenie. Dlya odnih eta novaya pyataya sila byla kak pyatoe koleso - komu ona nuzhna? Dlya drugih eto bylo eksperimental'nym podtverzhdeniem nekotoryh modelei kvantovyh teorii polya. Proshedshie pyat'-shest' let byli vremenem intensivnoi postanovki (bylo vypolneno neskol'ko desyatkov!) eksperimentov, v kotoryh fiziki- eksperimentatory pytalis' bolee tshatel'no i na bolee vysokom urovne tochnosti proverit' gipotezu o sushestvovanii pyatoi sily. Byli takzhe razvity mnogochislennye teoreticheskie modeli, v kotoryh predlagalos' sushestvovanie ne tol'ko pyatoi sily, no i shestoi!

Teper', po proshestvii semi let so dnya publikacii, mozhno s udovletvoreniem otmetit', chto nalet sensacionnosti bystro ischez. Ego smenil, kak i sledovalo ozhidat', delovoi ton obsuzhdeniya problemy, kotoryi, v svyazi s otsutstviem yavnyh polozhitel'nyh eksperimental'nyh dannyh v pol'zu pyatoi sily, v nastoyashee vremya nosit skoree skepticheskii harakter.

Poprobuem i my razobrat'sya kak v eksperimental'nyh faktah, tak i teoreticheskih podhodah, na kotoryh stroilas' vozmozhnost' novogo vzaimodeistviya.

KAK BYLA "OTKRYTA" PYaTAYa SILA

V nachale 80-h godov E.Fishbah s kollegami rabotali nad interpretaciei chrezvychaino zaputannyh eksperimental'nyh rezul'tatov, poluchennyh v Laboratorii im. Fermi pri izuchenii raspada elementarnyh chastic, tak nazyvaemyh neitral'nyh K-mezonov, pri vysokih energiyah. Povodom dlya "napadok" na obsheprinyatuyu fiziku posluzhilo to, chto ryad fundamental'nyh parametrov sistemy neitral'nyh K-mezonov okazalis', soglasno etim eksperimental'nym dannym, zavisyashimi ot energii, chto razrushalo svyashennuyu dlya fizikov Lorencevu invariantnost'.

Drugim naborom eksperimental'nyh dannyh, zastavivshih somnevat'sya v spravedlivosti sushestvuyushih fizicheskih zakonov, byli geofizicheskie izmereniya v Avstralii. V techenie neskol'kih let F. Steisi i ego kollegi iz universiteta Klivlenda provodili izmereniya sily tyazhesti v glubokih shahtah i burovyh skvazhinah. Esli gravitaciya menyaetsya soglasno zakonu tyagoteniya N'yutona, to v sfericheski simmetrichnom tele gravitacionnaya sila na rasstoyanii r ot centra tela zavisit tol'ko ot obshei massy vnutri sfery radiusom r i obratno proporcional'na r² (zakon obratnyh kvadratov). Massy vne etoi sfery ne vyzyvayut rezul'tiruyushei sily.

F. Steisi so svoei gruppoi izmeryali vysokotochnymi gravimetrami velichinu sily tyazhesti na raznyh glubinah v stvolah shaht. Odnovremenno provodilis' tshatel'nye zamery plotnostei porod, okruzhayushih shahtu (kak na glubine, tak i na poverhnosti). Estestvenno, chto izmerennye znacheniya sily tyazhesti menyalis' s glubinoi, tak kak menyalos' rasstoyanie do centra Zemli i menyalis' massy vnutri etogo radiusa (Zemlya ne odnorodna!). Poskol'ku oni znali gravitacionnuyu silu na dannoi glubine, a takzhe plotnost' okruzhayushih porod, sledovatel'no, oni mogli predskazat' sootvetstvuyushuyu silu nemnogo vyshe ili nemnogo nizhe etogo sloya.Mnogochislennye izmereniya, provedennye etoi gruppoi, pokazali, chto izmenenie s glubinoi izmerennoi sily tyazhesti otlichaetsya ot predskazannyh znachenii. Izmerennye znacheniya sily tyazhesti na poverhnosti byli priblizitel'no na 1% men'she, chem ozhidalos' po izmereniyam na glubine. Eto rashozhdenie mozhno bylo by ob'yasnit', esli dopustit' sushestvovanie neizvestnoi slaboi ottalkivayushei sily.

Fishbah predpolozhil, chto priroda anomalii, obnaruzhennyh v sovershenno raznyh eksperimentah - geofizicheskih izmereniyah i sisteme neitral'nyh K-mezonov - odna i ta zhe, i predlozhil ob'yasnit' ih sushestvovaniem novoi ottalkivayushei sily, kotoraya voznikaet v rezul'tate vzaimodeistviya giperzaryadov (dlya obychnogo veshestva giperzaryad raven summe mass protonov i neitronov, t.e. priblizitel'no raven masse, a dlya K-mezonov on raven kvantovomu chislu, nazyvaemomu "strannost'yu"). Chtoby ponyat' mehanizm etogo vzaimodeistviya, davaite otoidem nemnogo v storonu i popytaemsya razobrat'sya, kak voobshe opisyvayutsya fizicheskie vzaimodeistviya na yazyke kvantovoi mehaniki.

KVANTOVAYa MEHANIKA I FIZIChESKIE VZAIMODE'STVIYa

V samoi idee sushestvovaniya novoi sily, vyskazannoi Fishbahom, ne bylo nichego osobenno sensacionnogo ( sensaciei byli eksperimental'nye dannye, podtverzhdayushie etu ideyu). Delo v tom, chto vse sovremennye popytki ob'edinit' gravitaciyu s drugimi fundamental'nymi vzaimodeistviyami v soglasovannuyu edinuyu kvantovuyu teoriyu predskazyvayut sushestvovanie novyh vzaimodeistvii, po sile sravnimyh s gravitaciei, chto, estestvenno, dolzhno privesti k ryadu novyh effektov.

Kvantovomehanicheskie predstavleniya korennym obrazom izmenili teoriyu polya. S klassicheskoi tochki zreniya energiya i impul's perenosyatsya polem. Soglasno kvantovoi mehanike, energiya i impul's peredayutsya diskretnymi porciyami, nazyvaemymi kvantami, kotorye opisany kak chasticy. Sledovatel'no, v kvantovoi teorii polya sily poyavlyayutsya v rezul'tate obmena takimi chasticami. Eti chasticy imeyut opredelennuyu massu pokoya i spin (sobstvennyi uglovoi moment), kotoryi mozhet prinimat' celye ili polucelye znacheniya. Vse izvestnye vzaimodeistviya - gravitacionnoe, elektromagnitnoe, slaboe (v osnovnom otvetstvennoe za nekotorye vidy radioaktivnogo raspada) i sil'noe (kotoroe svyazyvaet sostavlyayushie atomnyh yader) - perenosyatsya chasticami s celym spinom i vyzyvayut sily, oblast' deistviya kotoryh obratno proporcional'na massam etih chastic. Dlya elektromagnitnogo vzaimodeistviya takaya promezhutochnaya chastica nazyvaetsya fotonom, a dlya gravitacionnogo vzaimodeistviya - gravitonom. Soglasno teorii, obe eti chasticy ne imeyut massy pokoya i, sledovatel'no, eti vzaimodeistviya imeyut beskonechnyi radius deistviya. Sila vzaimodeistviya dvuh elektricheskih zaryadov ili dvuh mass padaet obratno proporcional'no kvadratu rasstoyaniya mezhdu nimi.

Drugie dve sily, sil'nogo i slabogo yadernyh vzaimodeistvii, deistvuyut tol'ko v ochen' korotkoi oblasti. Ih velichina, v dobavlenie k obychnoi r^-2 zavisimosti, umen'shaetsya s rasstoyaniem eksponencial'no v harakternoi dlya dannogo vzaimodeistviya oblasti, oboznachaemoi (radius deistviya sily). Matematicheski eti sily menyayutsya proporcional'no . Poetomu kazhdoe iz etih vzaimodeistvii peredaetsya massivnymi chasticami. Dlya slabogo vzaimodeistviya eto tak nazyvaemye W⁺, W^- i Z⁰ bozony (otkrytye v 1983 godu) i dlya sil'nogo vzaimodeistviya - "glyuony". Vse oni imeyut massy v priblizitel'no 100 raz bol'she, chem proton, i svyazanye s nimi sily imeyut harakternuyu oblast' deistviya 10^-15 sm (men'she razmerov nuklonov).

Teper' izvestno, chto spin polya svyazan s prirodoi sil: polya s nechetnym spinom mogut vyzyvat' kak prityagivayushie, tak i ottalkivayushie sily; polya s chetnym spinom - skalyarnye (spin 0) ili tenzornye (spin 2) - obuslovlivayut tol'ko sily prityazheniya. Elektromagnitnoe vzaimodeistvie, naprimer, mozhet byt' opisano kak vektornoe pole so spinom 1 (t.e. sila perenosimaya fotonom, imeyushim spin 1). Sila etogo polya budet prityagivayushei dlya protivopolozhno zaryazhennyh chastic i ottalkivayushei dlya odnoimennyh zaryadov.

Po-vidimomu, teoriya gravitacii dolzhna byt' postroena isklyuchitel'no na skalyarnyh i tenzornyh polyah, perenosimyh chasticami s chetnym spinom. Odnako popytki kvantovaniya obshei teorii otnositel'nosti v vide teorii s tenzornym polem imeyut opredelennye matematicheskie trudnosti (v vychisleniyah poyavlyayutsya beskonechno bol'shie velichiny). Eto zastavilo fizikov iskat' puti rasshireniya kvantovaniya gravitacii.

OT TEORII VELIKOGO OB'EDINENIYa K PYaTO' SILE

Odnim iz predpochtitel'nyh podhodov k kvantovaniyu gravitacii sluzhit klass teorii, osnovannyh na opredelennom tipe vnutrennei simmetrii i izvestnyh kak kalibrovochnye teorii. V nastoyashee vremya oni shiroko primenyayutsya dlya opisaniya sil'nogo i elektroslabogo vzaimodeistvii (fizikam udalos' postroit' udovletvoritel'nuyu teoriyu, ob'edinyayushuyu dva vzaimodeistviya) i yavlyayutsya "kandidatami" v tak nazyvaemuyu teoriyu velikogo ob'edineniya, kotoraya dolzhna ob'edinit' vse izvestnye vzaimodeistviya.

Uspeh kalibrovochnyh teorii daet nadezhdu, chto matematicheskie trudnosti v kvantovanii obshei teorii otnositel'nosti (OTO) mogut byt' preodoleny vvedeniem tak nazyvaemoi lokal'noi supersimmetrii. V bol'shinstve versii takih modelei polagayut, chto chastica s polucelym spinom yavlyaetsya partnerom dlya kazhdoi chasticy s celym spinom, i naoborot. Sozdaetsya takim obrazom kaleidoskop novyh chastic: graviton so spinom 2 imeet partnera so spinom 3/2, kotoryi v svoyu ochered' imeet partnera so spinom 1 (gravifoton), ego partner - so spinom 1/2, kotoryi imeet partnera so spinom 0 (graviskalyar). (V nekotoryh modelyah opisyvayutsya neskol'ko partnerov dlya kazhdogo znacheniya spina).

Eti partnery podobny novym kvantovym sverhsostoyaniyam gravitona, i po-vidimomu, ih sushestvovanie garantiruet, chto teorii supergravitacii soderzhat vpolne priemlemye (v pervom priblizhenii) svoistva kvantovogo polya. Vo vsyakom sluchae, vse rassmatrivaemye teper' kalibrovochnye teorii kvantovoi gravitacii soderzhat supersimmetrichnye sostoyaniya.

S odnoi storony, chasticy s polucelym spinom v etih, tak nazyvaemyh teoriyah supergravitacii, veroyatno, dolzhny byt' ochen' massivnymi. Energiya, sootvetstvuyushaya ih masse pokoya, dolzhna byt' ne menee 10¹² eV (v 1000 raz bol'she massy protona).

S drugoi storony, chasticy s celym spinom, podobno gravitonu, perenosyat sily i dolzhny vyzyvat' effekty, velichina kotoryh skoree vsego men'she gravitacionnyh.Po-vidimomu, i gravifoton, i graviskalyar imeyut zametnuyu massu pokoya, poetomu ih oblast' deistviya dolzhna byt' konechnoi. Tem ne menee, graviskalyar sozdaet tol'ko prityazhenie, v to vremya kak gravifotonnye effekty zavisyat ot togo, yavlyayutsya li vzaimodeistvuyushie chasticy odinakovymi ili razlichnymi. Obmen gravifotonom mezhdu veshestvom i veshestvom (ili antiveshestvom i antiveshestvom) privedet k ottalkivaniyu, gravifotonnyi obmen mezhdu veshestvom i antiveshestvom vyzovet prityazhenie.

Interesno, chto pohozhie effekty byli predskazany v razlichnyh teoriyah, v kotoryh problema gravitacii rassmatrivalas' s drugih tochek zreniya. Nekotorye sovremennye metricheskie teorii bolee vysokoi razmernosti, chem obsheprinyatoe 4-mernoe prostranstvo-vremya, takzhe predskazyvayut poyavlenie novyh chastic. Etot podhod vozvrashaet nas k rabote bolee chem 60-letnei davnosti, vypolnennoi T. Kalucei i O. Kleinom, kotorye sozdali model' gravitacii v mnogomernom prostranstve-vremeni i zatem "proektirovali" ee na obychnoe prostranstvo-vremya v nadezhde poluchit' edinuyu teoriyu gravitacii i elektromagnetizma. Polveka model' Kaluci-Kleina prebyvala v zabvenii, no v poslednie desyatiletiya nekotorye fiziki-teoretiki vnov' obratilis' k nei, zadavshis' voprosom, chto proizoidet, esli ona budet rasshirena do eshe bolee vysokoi razmernosti. Ustanovleno, chto mnogomernyi graviton (spin 2) pri ego perevode v obychnye 4 izmereniya dolzhen imet' neskol'ko sostavlyayushih: 4-mernyi graviton (spin 2), dvumernoe vektornoe pole (spin 1), sootvetstvuyushee gravifotonu, i odnomernoe skalyarnoe pole (spin 0), sootvetstvuyushee graviskalyaru. Kak i v supergravitacii, v nekotoryh modelyah imeetsya neskol'ko partnerov s odinakovym spinom. Takim obrazom, nemetricheskie teorii supergravitacii i metricheskie teorii vysshih razmernostei imeyut porazitel'no pohozhie sledstviya.

V nastoyashee vremya imeetsya dovol'no shirokii klass i drugih teoreticheskih modelei, kotorye predskazyvayut sushestvovanie novyh slabyh makroskopicheskih sil.

Eti novye sily, perenosimye novymi massivnymi chasticami (takimi, naprimer, kak gravifoton i graviskalyar ) mozhno obobshit' v ponyatie pyatoi sily, ili, imeya v vidu ottalkivayushuyu i prityagivayushuyu komponenty - pyatoi i shestoi sil.

Tak zhe, kak i yadernye sily, oni menyayutsya proporcional'no . Poetomu pyataya sila dlya vzaimodeistviya dvuh material'nyh chastic mozhet byt' zapisana kak

(1)

Zdes' Q₁ i Q₂ oboznachayut "zaryady" (istochniki) pyatoi sily kazhdoi material'noi chasticy, a f² - konstanta vzaimodeistviya.

Sledovatel'no, novye effekty dlya vzaimodeistviya dvuh makroskopicheskih tel sostoyat v dobavlenii k obychnoi n'yutonovskoi sile chlena (ili neskol'kih chlenov!) vida (1). Velichina novoi sily harakterizuetsya tak nazyvaemoi effektivnoi konstantoi vzaimodeistviya, obychno oboznachaemoi , kotoraya pokazyvaet, kakuyu dolyu novaya sila sostavlyaet ot gravitacii. Takim obrazom, summarnuyu silu vzaimodeistviya dvuh mass m₁ i m₂ mozhno zapisat' tak (dlya prostoty tol'ko s odnim dobavochnym chlenom)

(2)

Zdes' Gm₁m₂/r² - obychnaya n'yutonovskaya sila (G - gravitacionnaya postoyannaya), a a, kak netrudno videt', est' otnoshenie

(3)

Soglasno Fishbahu, oblast' deistviya pyatoi sily dolzhna byt' poryadka neskol'kih sot metrov, sledovatel'no, massa chasticy-perenoschika dolzhna byt' poryadka 10^-9 eV (t.e. 10^-14 ot massy elektrona).

EKSPERIMENTY, V KOTORYH MOZhET BYT' OBNARUZhENA PYaTAYa SILA

Obychno v fizicheskih teoriyah istochnikom skalyarnogo vzaimodeistviya (takzhe kak i tenzornogo) yavlyaetsya massa (energiya) chasticy. Poetomu, esli perenoschik pyatoi sily - skalyarnaya chastica (naprimer, graviskalyar), to zaryadom pyatoi sily takzhe, kak i dlya gravitacii, dolzhna byt' massa (energiya). Sledovatel'no, v etom sluchae, kak vidno iz formuly (3), effektivnaya konstanta vzaimodeistviya, budet deistvitel'no konstantoi, ne zavisyashei ot vzaimodeistvuyushih tel.

Naoborot, massa (energiya) ne yavlyaetsya zaryadom dlya vektornogo vzaimodeistviya. Poetomu zaryadom novogo vektornogo polya, kak predpolozhil Fishbah, mozhet byt' giperzaryad Y ili barionnyi zaryad B, chto dlya makroskopicheskih tel odno i tozhe. (Napomnim, chto barionnyi zaryad dlya obychnogo tela est' obshee chislo protonov Z i neitronov N, soderzhasheesya v atomah dannogo tela). Barionnyi zaryad priblizitel'no, no ne sovsem tochno, proporcionalen masse atomov. Vblizi centra tablicy Mendeleeva, gde yadernye sily sil'nee, chislo barionov na edinicu massy maksimal'no i ono umen'shaetsya k nachalu i koncu tablicy. Takim obrazom, effektivnaya konstanta vzaimodeistviya v etom sluchae uzhe ne yavlyaetsya postoyannoi velichinoi, a budet zavisit' ot himicheskogo sostava tel.

Dlya eksperimental'nogo podtverzhdeniya sushestvovaniya novyh sil, peredavaemyh novymi promezhutochnymi chasticami, my mozhem poluchit' izmeryaemye effekty v dvuh tipah fizicheskih eksperimentov:

- pryamoe proizvodstvo etih novyh chastic;

- obnaruzhenie novoi sily v makroskopicheskih gravitacionnyh eksperimentah.

Ochevidno, pervyi put' poka ne priemlem, tak kak ozhidaetsya, chto bol'shinstvo effektov, vyzyvaemyh novymi chasticami, budut proyavlyat'sya pri ochen' vysokih energiyah (10¹⁴ GeV i vyshe). V sovremennyh uskoritelyah vzaimodeistvie dvuh chastic mozhet byt' realizovano na gorazdo bolee nizkom energeticheskom urovne. Tak chto dlya obozrimogo budushego ostaetsya tol'ko vtoroi put'.

V klassicheskih gravitacionnyh eksperimentah mozhno vydelit' dve gruppy, v kotoryh mogut byt' obnaruzheny novye sily.

1. Proverka zakona obratnyh kvadratov V eksperimentah etogo tipa ishetsya anomal'naya sila (ne podchinyayushayasya zakonu obratnyh kvadratov) mezhdu probnym telom i massoi- istochnikom vzaimodeistviya pri izmerenii zavisimosti sily, deistvuyushei na probnoe telo, ot rasstoyaniya. Eti eksperimenty mogut takzhe rassmatrivat'sya kak izmerenie zavisimosti gravitacionnoi postoyannoi G ot rasstoyaniya. Deistvitel'no, vyrazhenie (2) mozhet byt' zapisano v obychnoi forme zakona N'yutona

(4)

no s effektivnoi gravitacionnoi postoyannoi G(r), zavisyashei ot rasstoyaniya

(5)

V etom vyrazhenii oboznachaet gravitacionnuyu postoyannuyu, harakterizuyushuyu vzaimodeistvie dlya ochen' bol'shih rasstoyanii. Ponyatno, chto v etih eksperimentah mozhet byt' obnaruzhena kak skalyarnaya sila (ona budet prityagivayushaya i napravlena tak zhe, kak i gravitacionnaya), tak i vektornaya (ottalkivayushaya). Esli odnovremenno sushestvuyut obe sily, to budet zaregistrirovana ih summa. Zametim, chto poskol'ku gipoteticheskaya sila imeet harakternyi radius deistviya , to proyavit' ona sebya mozhet tol'ko na rasstoyaniyah, men'shih . Poetomu, esli v kachestve istochnika vybrano protyazhennoe telo, razmery kotorogo bol'she , to vklad v etu novuyu silu budut davat' tol'ko te massy istochnika, kotorye lezhat vnutri sfery radiusom i centrom v probnom tele.

V zavisimosti ot shkaly proveryaemyh rasstoyanii v etom tipe eksperimentov v kachestve vzaimodeistvuyushih tel mogut byt' ispol'zovany: dva laboratornyh tela (laboratornye rasstoyaniya, ot neskol'kih mm do 10 m); Zemlya i gravimetr (geofizicheskie rasstoyaniya, ot 10 m do neskol'kih km); Zemlya i orbital'nyi sputnik (sputnikovye rasstoyaniya, ot 100 km do 1000 km); nebesnoe telo i kosmicheskii apparat (astronomicheskie rasstoyaniya, ot 10³ km do 10⁸ km).

(okonchanie v sleduyushem nomere)

 

Publikacii s klyuchevymi slovami: teoriya velikogo ob'edineniya Publikacii so slovami: teoriya velikogo ob'edineniya
Sm. takzhe: I.P.Ivanov "Trehmeren li nash mir?" Trehmeren li nash mir?