8564-1 (В поисках пятой силы), страница 2

Однако тенденциозность может сказаться на современном этапе обработки данных Этвеша. Такого рода упреки были сделаны в адрес авторов январской статьи уже в июньском номере того же журнала "Phys. Rev. Letters". Дело в том, что на рис.1 представлены не все данные Этвеша. Результаты по трем парам веществ опущены. В две из опущенных пар входили вещества неопределенного химического состава – топленый жир и «змеиное дерево». Эта неопределенность и послужила основанием для изъятия данных. Авторы, в частности, отмечали возможность присутствия в этих материалах воды. Критики же считают, что химический состав животных жиров, как и состав древесины, достаточно однотипен, а потому эти данные следовало бы учесть.

Критическому разбору подвергся и вопрос о том, насколько величина наблюдаемого эффекта соответствует предсказаниям теории. Уже говорилось, 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 дают только ближайшие к пробным телам земные слои, в то время как ньютоново 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 (имеется в виду угол наклона прямой на рис.1).

Более того, как заявили критики, данные Этвеша свидетельствуют в пользу новой составляющей тяготения, но не отталкивания, а притяжения. Час от часу не легче! И действительно, у Этвеша, например, вода «падала» медленнее меди, в то время как гипотеза барионного отталкивания предсказывает обратное (см. рис.2). Это противоречие не обсуждалось авторами январской статьи в "The Physical Review Letters", но они разрешили его в июньском номере журнала, разъяснив критикам, что локальное скопление масс в окрестности экспериментальной установки Этвеша (например, стена лабораторного корпуса) может в широких пределах изменить величину эффекта, включая смену знака. Все определяется величиной локальной массы и ее расположением относительно пробных тел и направления меридиана. В предельном случае большой скалы, рядом с которой стоят весы Этвеша, их показания уже не будут иметь связи с притяжением тел к Земле и с ее вращением, а непосредственно отразят различие в силах притяжения пробных тел к скале. При этом, если скала имеет размеры порядка радиуса действия гипотетической силы, различие может достичь тысячных долей процента и в десятки раз превзойти эффект, фиксированный Этвешем.

Рис. 2. Зависимость удельного барионного заряда – отношение барионного заряда к массе атома – от порядкового номера элемента в таблице Менделеева.
За единицу принято это отношение для водорода, а максимальным оно становится для элементов, находящихся в середине таблицы. Следовательно, в соответствии с гипотезой «пятой силы» для таких веществ сильнее всего и отталкивание. К «краям» периодической таблицы элементов оно спадает на несколько тысячных долей. Поэтому можно ожидать что взаимное притяжение тел разного состава при прочих равных условиях может отличаться на несколько стотысячных долей (менее одной сотой процента).

Таким образом, дискуссия показала, что в опытах типа Этвеша (в их оригинальной постановке) ни знак эффекта, ни его величина не могут служить характерными признаками для проверки гипотезы барионного отталкивания. В пользу гипотезы говорит только само наличие эффекта и его закономерная связь с химическим составом пробных тел.

Итак, имеется два определенных намека на существование «пятой силы», приводящей к отталкиванию любых тел, не слишком удаленных друг от друга. Первый намек, связанный с геофизическими исследованиями, едва ли в ближайшее время будет дополнен новыми данными, так как этот путь требует огромного объема работ. Второй намек, вызванный пересмотром старых работ Этвеша, напротив, обещает скорое развитие. Уже высказаны предложения новых опытов, специально нацеленных на проверку барионной гипотезы. Ее авторы, например, предложили применить лазерный гравиметр для прямого измерения ускорения свободного падения тел, то есть повторить опыт Галилея на современном уровне. К сожалению, немедленно это сделать нельзя: сначала нужно повысить точность гравиметра примерно в сто раз, что представляется делом очень непростым.

Рис. 3. Лазерный гравиметр может представлять собой интерферометр Майкельсона, у которого одно оптическое «плечо» подвижно, например, свободно падающая оборачивающая призма.
При падении призмы изменяется разность хода двух когерентных световых пучков, распространяющихся во взаимно перпендикулярных направлениях, и это приводит к периодической модуляции интенсивности света, попадающего на малый участок приемной площадки фотодетектора. Пересчитав число «мерцаний» (сдвигов интерференционных полос), можно найти ускорение свободного падения.

Можно было бы попытаться проверить зависимость отталкивания от расстояния: уравновесить на весах два груза из разных веществ, а потом поднять весы над землей, скажем, на километр, и посмотреть, что станет с равновесием. Но для этого нужны весы с разрешающей способностью 10^–9...10^–10. Лучшие же существующие весы имеют разрешение 10^–8. Значит, опять надо создавать небывалый прибор. Видимо, наиболее реальный путь – это модификация опытов Этвеша с измерениями возле скальной стены. Но и тут легких побед ожидать не приходится. На этом пути исследователь возвращается к крутильным весам, изобретенным 200 лет назад Кулоном и Кавендишем. К сожалению, современная могучая экспериментальная техника оказывает здесь неожиданно малую помощь, и конкурировать с патриархами физики приходится почти на равных.

И, наконец, несколько слов о значении предполагаемого открытия пятой силы. Разумеется, с появлением новой силы практически ничего не меняется ни в земной, ни тем более в небесной механике, да и вообще в физике. За исключением физики элементарных частиц, или, как теперь чаще говорят, физики высоких энергий, для которой обнаружение «пятой силы» было бы открытием века. В этой области наиболее глубоких знаний о материи продолжается период замечательных успехов и великих надежд.

Новая гипотеза прямым образом не вписывается в существующие наброски будущей объединенной теории. Поэтому экспериментальное открытие пятой силы привело бы к существенному пересмотру направлений поисков единой теории и, может быть, дало бы этим поискам новый решительный импульс. Физики-теоретики, складывающие мозаику экспериментальных фактов в единую картину мироздания, с надеждой ждут недостающих фрагментов, которые, быть может, окажутся ключевыми. Но надежды эти сочетаются с естественным недоверием, потому что большие открытия происходят редко. Ближайшее будущее покажет, что привлекло внимание исследователей – случайная тень на монолитном фундаменте физики или след потайного хода вглубь.

Потенциал Юкавы

Квантовая физика значительно отличается от классической. Одно из самых серьезных расхождений между ними – разное понимание двух форм материи, вещества и поля. Классический мир состоял из маленьких комочков вещества, двигавшихся в пространстве по законам Ньютона, и из полей, оказывавших силовое воздействие на помещенные в них «пробные» частицы. И хотя поля и частицы в классической физике могут быть связаны сложной цепочкой взаимодействий, эти два элемента физической картины мира остаются принципиально разными.

Квантовая теория стирает различие между частицами и полями: точечные комочки материи «размазываются», а их поведение описывается волновыми уравнениями; поля, которые в классической физике считались непрерывными, как, например, электромагнитное поле, приобретают свойства частиц (появляются фотоны). Но тогда возникает естественный вопрос: если поля и частицы в квантовой теории так похожи, то существует ли вообще какой-нибудь принцип, позволяющий разделить материю на эти два элемента? Ответ на этот вопрос дает физика элементарных частиц, или, как ее теперь принято называть, физика высоких энергий: существует набор – спектр частиц-полей, которые друг с другом взаимодействуют путем обмена полями-частицами из другого набора – носителей силы, или переносчиков взаимодействия. Например, заряженные частицы обмениваются фотонами – так возникает электромагнитное взаимодействие, фотоны при этом служат квантами поля, которое связывает между собой заряженные частицы вещества. Мгновенное ньютоново действие на расстоянии отменяется.

Совершенно так же «склеиваются» между собой нейтроны и протоны в атомном ядре. Здесь отличие от электромагнитного взаимодействия состоит в том, что переносчики ядерных сил – кванты «склеивающего» ядро поля имеют довольно большую массу. Именно поэтому ядерные силы столь короткодействующие: чем больше масса, тем ближе частица к классической, точечной – меньше ее «размазка» и, следовательно, радиус действия сил. У фотона нет массы, поэтому радиус действия электромагнитных сил бесконечен. Потенциальную энергию ядерных сил можно записать в виде

где множитель æ/r перед экспонентой характеризует интенсивность взаимодействия, а показатель экспоненты –r/λ – радиус действия сил. Это выражение называют «потенциалом Юкавы», по имени известного японского физика, который в 1935 году постулировал существование частицы-переносчика с массой, промежуточной между массами электрона и протона, – пи-мезона. В 1947 году частица Юкавы, которую теперь называют пионом, была обнаружена в космических лучах.

Не ньютоновы модели тяготения

В таких моделях потенциальная энергия V(r) взаимодействия двух тел обычно представляется как сумма ньютоновой энергии V(r) взаимодействия двух тел обычно представляется как сумма ньютоновой энергии V_N (r) = – G₀ m₁·m₂/r и дополнительной энергии ΔV(r), экспоненциально спадающей с расстоянием:

V(r) = V_N (r) + ΔV(r) = V_N (r) · (1 + α · е^–r/λ).

Параметр α определяет относительное влияние дополнительной составляющей тяготения, а λ – «радиус взаимодействия», на котором эта составляющая спадает в 2,7 раза. На больших расстояниях r >> λ такое взаимодействие становится чисто ньютоновым, что автоматически согласует его с небесной механикой. На малых расстояниях, r << λ, взаимодействие тоже по форме становится ньютоновым, но с новой константой
G = G₀(1 + α).

Список литературы

«Наука и жизнь», №1, 1988

«Наука и жизнь», №№2...4, 1987

Физический энциклопедический словарь. // Под ред. А.М.Прохорова – М.: Советская энциклопедия, 1983