В пошуках п'ятої сили

В пошуках п’ятої силы

Евгений Александров.

Состоится чи ревізія закону Ньютона

Лет тридцять тому кожен пристойний фізик, переглядаючи наукові журнали, відчував докорів сумління — треба було читати, а чи не переглядати. Зараз самі каяття він має, переглядаючи заголовки статей, — читати заголовки можна дозволити собі лише свого наукового направления.

Но є теми настільки привабливі, що сьогодні деякі статті зупиняють погляд фізика будь-який спеціалізації. Один із таких тим — гравітація. Перша з відомих людині фундаментальних сил, найслабша і водночас наймогутніша, усепроникаюча і водночас майже зовсім вислизаюча від дослідження: майже всі наявні експериментальні даних про гравітаційному взаємодії зберігають у підручниках минулого века.

При вивченні гравітації теорія давно випереджає експеримент, яке поки не справляється з її завданнями. Найбільш популярне їх — виявлення гравітаційних хвиль. Завдання ця надзвичайної труднощі, і їх розв’язати цю проблему тривають вже десятки років. Але ось нібито з’явився шанс, що ініціативу відкриття нового континенту в питаннях тяжіння перехопить експеримент: із шостої січня 1986 року у наукову літературу енергійно обговорюються деякі свідчення на користь існування невідомої раніше складової сила тяжіння. Фактично питання сьогодні ставиться так: існує у природі п’ята сила?

Начало поклала публікація групи американських фізиків в провідному фізичному журналі «The Physical Review Letters », оперативно друкуючому найважливіші новини физики.

Вот що йде речь.

Как навчають у школі, дві точкові маси, розношені на деяке відстань, притягуються друг до друга. Таке тяжіння підпорядковується закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Цей Закон, зокрема, управляє рухом планет навколо Сонця, і з чудесних достоїнств закону Ньютона — його вражаюча простота: щоб визначити силу тяжіння між ньютоновыми тілами, досить знати але їхні є і відстань з-поміж них. Цього вистачити і у тому, щоб описати рух ньютоновых тіл — рознесених грудочок вещества.

Что стосується залежності сили від відстані, то закон Ньютона із великою точністю (до 10−8) підтверджується астрономічними спостереженнями. Кількісна міра тяжіння, тобто гравітаційна стала, вимірюється до лабораторій, але зі значно меншою точністю — вже третій знак за коми під сумнівом. Але сьогодні тінь сумніви лягла вже в перший знак і навіть у бездоганну залежність сили від расстояния!

Умозрительные некласичні моделі тяжіння обговорювалися теоретиками віддавна. Намагаючись звинуватити тяжіння у відхиленні від ухвалення закону Ньютона у багатьох країнах проводилися ретельні виміру залежності сили від відстані. Виявилося, що у діапазоні від сантиметри до 10 метрів величина гравітаційної постійної залишається незмінною з точністю до десятої частки відсотка. Проте за відстанях менш 1 див і зажадав від 10 метрів до десятків тисячі кілометрів зберігається принципова можливість, що є відхилення від ухвалення закону Ньютона.

При відсутності експериментальних фактів всі ці побудови навколо не ньютонового тяжіння були, сутнісно, безпредметними. Та й після згаданій публікації питання перейшов у ранг актуальною фізичної проблеми. Вихідним матеріалом авторам статті у «Phys. Rev Letters «послужили недавно опубліковані результати багаторічних вимірів прискорення вільного падіння тіл в шахтах на різних глибинах. Такі виміру за умови хорошого знання геологічних структури околиці шахти дають можливість незалежного визначення гравітаційної константи, яка виявилася приблизно за 1% більше, ніж вимірювана до лабораторій з допомогою терезів Кавендіша. І на цій основі автори статті висунули гіпотезу про існування сили відштовхування з радіусом дії близько 200 метрів, пропорційної барионному заряду речовини. Далі автори піддали свою гіпотезу перевірці, зіставивши її з цими класичних експериментальних робіт. Виявлене у своїй ефектна згоду пророцтв гіпотези із досвідом справило у світі сенсацію і це викликало найжвавіший відгук: вже півроку слідами першої статті було опубліковано близько 10 статей і нотаток. Більша частина з них присвячена пропозицій нових шляхів перевірки гіпотези. Але спочатку, що розмовляти про перевірки гіпотези, слід зазначити хоч трохи про природі гаданої нової силы.

По існуючим уявленням, всі відомі у природі сили викликані обміном деякими частинками між взаємодіючими об'єктами. Потенційна енергія взаємодії у своїй є так званий «потенціал Юкавы», а радіус дії сил обернено пропорційна масі спокою частки, переносящей взаємодія. Електромагнітні і гравітаційні сили передаються частинками з травня нульової масою спокою — фотонами і гравітонами, що він відповідає нескінченно великому радіусу дії. Інакше кажучи, експоненційного падіння сил з відстанню у разі немає: електромагнітні і гравітаційні поля — дальнодействующие. На відміну від нього ядерні сили, утримують нуклони в ядрі, і сили, відповідальні бета-розпад ядер (слабке взаємодія), викликані обміном масивними частинками — адронами і векторными бозонами, що робить такі сили надзвичайно короткодействующими: вони проявляються тільки у межах ядра і назовні, у світ макрообъектов, не «висуваються». «П'ята сила», запроваджувана обговорюваної гіпотезою із цієї схемою, передбачає існування часток отримують за виключно малої, та все ж відмінній від нуля масою спокою. Щоб радіус взаємодії вимірювався сотнями метрів, маса частки мусить бути на 15 порядків менший від маси електрона! Таких частинок фізика не знає, але виявлення п’ятої сили, як разів, і означала б відкриття. Отже, закон тяжіння перебувають у тісного зв’язку з фізикою елементарних частиц.

Любой вид взаємодії прив’язаний до визначеної характеристиці речовини — кожна сила тягне на власний гачок. Для електричної сили — це електричний заряд речовини, для класичної гравітації «гачком» служить маса, причому будь-якого походження. (Через це, до речі, тяжіння трохи діє і світло, оскільки він має енергією, а й викликав цим масою.) Нова сила, як очікується, діє, подібно ядерної, на барионный заряд речовини, чи, інакше кажучи, визначається лише повним, сумарним числом протонів і нейтронів в об'єкті. Ця обставина має додатково (поруч із залежності від відстані) відрізняти нової сили від класичного тяжіння, чинного на масу, оскільки маса речовини не пропорційна барионному заряду. Справді, хоча маса насамперед залежить від кількості важких нуклонів в речовині, то є від барионного заряду, проте маси протонів і нейтронів трохи відрізняються, тому за одного й тому самому їх повному числі, чи, кажуть фізики, при заданому барионном заряді, сумарна маса залежить від співвідношення протонів і нейтронів. З іншого боку, в масу атома входить маса електронів, не мають барионного заряду, і ще з першого віднімається «дефект маси» — енергія взаємодії нуклонів в ядрі і енергія тяжіння до ядру электронов.

Именно вказане відмінність і це взято авторами обговорюваної роботи в основі для експериментального виявлення нової сили: через відсутність пропорційності між масою і барионным зарядом можна очікувати, що гіпотетичні сили відштовхування будуть різними для тіл однієї маси, але різного елементного складу. Це пророцтво обертається для гіпотези дуже суворою перевіркою. Річ у тім, що тяжіння від хімічного складу піддавалася зі часів Галілея багаторазовим «тестів», точність яких усе зростала. Сьогодні твердження у тому, що тяжкість залежить від хімічного складу притягивающихся тіл, вважається незаперечним фактом, лежачим основу фундаментального принципу еквівалентності тяжіє і інерційної мас. А принцип еквівалентності, своєю чергою, було покладено Ейнштейном основою загальної теорії відносності. Тому нова гіпотеза відразу ж потрапити придбала певний «єретичний» привкус.

Чтобы перевірити її життєздатність, потрібно оцінити очікуване її основі розбіжність у притяганні тіл різного складу і порівняти з цими найбільш точних — прецизійних — экспериментов.

Прежде всього відразу стає зрозуміло, хоча дані відштовхування становить — навіть у побутовому розумінні - помітну частку ньютонового тяжіння (близько 1%), яка вимірюється щодо додаткового відштовхування величина виявиться багато менше. У насправді, ми ж збираємося порівнювати не відштовхування з притяганням, а розбіжність у відштовхуванні тіл різного складу. Цю відмінність можна перебувають у кілька разів меншою самого відштовхування. Щоб цьому переконатися, потрібно підрахувати відносини барионного заряду до масі атома до різних елементів та його зіставити (див. рис.1).

.

Рис. 1. Відносні різниці прискорення вільного падіння до різних пар речовин, у залежність від розрізнення їх питомих барионных зарядів. Вказані среднеквадратичные розкидання вимірів. Крапка з травня нульової різницею барионных зарядів відповідає порівнянню суміші реагентів (сернокислых срібла і двухвалентного заліза) зі сумішшю продуктів їх реакції (металевого срібла і сірчанокислого железа).

Практически на досвіді порівнюють не взаємне тяжіння двох тіл залежно від своїх складу, а тяжіння пробних тіл до дуже великому третьому тілу. Вперше такий досвід поставив Галілей, измеривший прискорення вільного падіння Землі тіл різного складу та значимості. Якщо справедливий закон Ньютона, тобто коли вагу тіла суворо пропорційний його масі, то прискорення вільного падіння має бути величиною постійної. Це було встановлено Галилеем з точністю порядку часткою процента.

Самая висока точність в дослідах подібного типу досягнуто 1971 року у Московському державному університеті у експериментах В. Б. Брагинского і В. И. Панова, обмежили розбіжність у прискорень вільного падіння величиною 10−12 від самої прискорення. На жаль, цей результат досягнуто не можна використовувати для перевірки обговорюваної гіпотези, оскільки Брагинський і Панов вимірювали прискорення вільного падіння пробних тіл на Сонце. Інакше кажучи, у тих дослідах досліджувалося взаємодія настільки великих відстанях, що експоненціально убутне відштовхування мало повністю исчезнуть.

Поэтому автори гіпотези звернулися до суто «земним» дослідам — до досліджень відомого угорського вченого Роланда фон Етвеша (1848…1919). Досліди Етвеша відцентрова сила, що з обертанням Землі та діюча будь-яку тіло, зіставлялася з силою тяжкості. Докладний звіт про ці дослідження, що тривали десятки років, було опубліковано співробітниками Етвеша, Д. Пикаром і Э. Фекете, вже після смерті Леніна, в 1922 року. У історію фізики цей звіт увійшов, як свідчить про те, що прискорення вільного падіння будь-яких тіл постійно з точністю до 10−8. Проте детальне розгляд звіту групи Етвеша показує, що у роботі всі були виявлено дуже малі, але статистично значимі відмінності прискорень під час падіння різних тіл. Наприклад, було встановлено, що вода пришвидшується під час падіння однією стомиллионную частку менше, ніж мідь (на 1,0 ± 0,2 в одиницях 10−8) (На відміну від Галілея Этвеш не вимірював безпосередньо прискорення вільного падіння. Він застосував метод, заснований на використанні крутильних терезів Кавендіша — коромисла, висячого на найтоншої нитки, до кінців якого подвешивались випробовувані тіла. Відмінність прискорень падіння обчислювалися за результатами вимірів кута, який закручується нитку за зміни орієнтації підстави терезів щодо меридіана). Але бо такі відмінності серед інших дев’яти пар досліджених речовин виявилися ще менша і навіть не виявлялося ніякої логічного зв’язку їх з хімічний склад речовин, то співробітники Етвеша не вважали знайдені відхилення гідними уваги і обмежилися є у висновках констатацією відсутності ефекту поза 10−8. Але саме ця сліди відмінностей у прискорень вільного падіння і залучили увагу авторів січневої публікації 1986 року у «The Physical Review Letters » .

Гипотеза взаємодії через барионный заряд дає ключ, з допомогою якого спробувати дати раду хаосі результатів Етвеша. На мал.1 відтворено графік із уже згаданої статті, у якому вимірювана різницю прискорень для набору пробних тіл представленій у залежність від відмінності питомих барионных зарядів цих тел.

(Зависимость питомої барионного заряду — ставлення барионного заряду до масі атома — від порядкового номери елемента у таблиці Менде-лєєва. За одиницю заведено цього ставлення для водню, а максимальним вона стає для елементів, що є у середині таблиці. Отже, відповідно до гіпотезою «п'ятої сили» для таких речовин найсильніше і відштовхування. До «краях» періодичної таблиці елементів воно спадає сталася на кілька тисячних часток. Тому очікується, що взаємне тяжіння тіл різного складу за інших рівних умов може відрізнятися сталася на кілька стотисячних часткою (менше однієї сотої відсотка). Точне вимір настільки малих відмінностей є важке завдання експериментальної физики.).

Можно бачити, що виміру Етвеша недвозначно групуються навколо прямий лінії, що проходить через нуль, як і бути за логікою гіпотези п’ятої силы!

Надо визнати, що малюнок виробляє моє найбільше враження. Розкид отриманих значень для кожної пари речовин великий, проте результати з різних парам підтримують друг одного й вся сукупність дуже переконлива. Ступінь переконливості то, можливо охарактеризована кількісно. Наприклад, якщо припустити, що крапки над малюнку 4 випадково відхиляються від своєї істинного нульового значення, то ймовірність справедливості такого припущення вбирається у однієї миллионной.

Но кажучи про переконливості, доведеться лише приймати до уваги різні обставини, у цьому однині і котрі виступають поза рамки точних наук. Коли експериментатор хоче якесь явище, завжди є ризик тенденційної трактування випадкових і систематичних помилок. Ступінь цього ризику залежить, як делікатно кажуть психологи, від рівня мотивації і зажадав від індивідуальності експериментатора. (Тому у надзвичайно важливих випадках вчені цікавляться як подробицями роботи, а й тими, хто її виконував.) У разі, зрозуміло, про як і тенденційності не йшлося — досліди проводилися за 70 років до обговорюваної гипотезы.

Однако тенденційність може зашкодити етапі обробки даних Етвеша. Такі закиди зроблено адресу авторів січневої статті вже у червневому номері тієї самої журналу «Phys. Rev. Letters ». Річ у тім, що у мал.1 представлені в повному обсязі дані Етвеша. Результати від трьом парам речовин опущені. У дві з опущених пар входили речовини невизначеного хімічного складу — топлений жир і «зміїне дерево». Ця невизначеність та послужила підставою для вилучення даних. Автори, зокрема, відзначали можливість присутності ці матеріали води. Критики само вважають і, що хімічний склад тварин жирів, як і склад деревини, досить однотипен, тому ці дані було б учесть.

Критическому розбору піддався і питання, наскільки величина спостережуваного ефекту відповідає прогнозам теорії. Вже говорилося, очікуване розбіжність у притяганні тіл різного складу їх може становити тисячні частки відсотка, якщо відстань між тілами набагато меншою радіуса дії «п'ятої сили». Однак у роботах Етвеша пробні тіла притягуються до Землі, радіус якої у 30 тисяч разів більше гаданого значення радіуса дії. Це означає, внесок в відштовхування дають лише найближчі до пробним тілах земні верстви, тоді як ньютоново тяжіння викликається всієї масою Землі. Ця обставина додатково зменшує очікувану різницю у прискорень приблизно ті ж самі 30 тисяч разів. Точний розрахунок ефекту практично неможливий, оскільки результат дуже залежить від карти розподілу мас лежить на поверхні і усередині Землі на околиці пробних тіл. Для моделі Землі як однорідної кулі очікуваний ефект в 16 разів менша, ніж отриманий дослідах Етвеша (мають на увазі кут нахилу прямий на рис.1).

Более того, як заявили критики, дані Етвеша свідчать на користь нової складової тяжіння, але з відштовхування, а тяжіння. Час від години легше! І справді, у Етвеша, наприклад, вода «падала» повільніше міді, тоді як гіпотеза барионного відштовхування пророкує зворотне (див. мал.2). Це протиріччя не обговорювалося авторами січневої статті у «The Physical Review Letters », але де вони дозволили їх у червневому числі журналу, роз’яснивши критикам, що локальне скупчення мас на околиці експериментальної установки Етвеша (наприклад, стіна лабораторного корпусу) може у широких межах змінити величину ефекту, включаючи зміну знака. Усі визначається величиною локальної є і її розташуванням щодо пробних тіл і напрями меридіана. У граничному разі великий скелі, поруч із якою стоять ваги Етвеша, їхні показання вже не мати зв’язки України із притяганням тіл до Землі з її обертанням, а безпосередньо відіб'ють розбіжність у силах тяжіння пробних тіл до скелі. У цьому, якщо скеля має в діаметрі порядку радіуса дії гіпотетичної сили, відмінність може сягнути тисячних часток відсотка голосів і кілька десятків раз перевершити ефект, фіксований Этвешем.

.

Рис. 2. Залежність питомої барионного заряду — ставлення барионного заряду до масі атома — від порядкового номери елемента у таблиці Менде-лєєва. За одиницю заведено цього ставлення для водню, а максимальним вона стає для елементів, що у середині таблиці. Отже, відповідно до гіпотезою «п'ятої сили» для таких речовин найсильніше і відштовхування. До «краях» періодичної таблиці елементів воно спадає сталася на кілька тисячних часткою. Тому очікується що взаємне тяжіння тіл різного складу при інших рівних умов може відрізнятися сталася на кілька стотисячних часткою (менш однієї сотої процента).

Таким чином, дискусія показала, що у дослідах типу Етвеша (у тому оригінальної постановці) ні знак ефекту, і його величина що неспроможні служити характерними ознаками для перевірки гіпотези барионного відштовхування. На користь гіпотези свідчить лише сама наявність і його закономірна зв’язку з хімічний склад пробних тел.

Итак, є два певних натяку існувати «п'ятої сили», що призводить до отталкиванию будь-яких тіл, дуже віддалених один від друга. Перший натяк, пов’язані з геофізичними дослідженнями, чи найближчим часом буде доповнений новими даними, тому що цей шлях вимагає величезної обсягу робіт. Другий натяк, викликаний переглядом старих робіт Етвеша, навпаки, обіцяє швидке розвиток. Вже висловлено пропозиції нових дослідів, спеціально націлених на перевірку барионной гіпотези. Її автори, наприклад, запропонували застосувати лазерний гравіметр для прямого виміру прискорення вільного падіння тіл, то є повторити досвід Галілея на рівні. На жаль, негайно це не можна: спочатку потрібно підвищити точність гравіметра приблизно сто раз, але це бачиться справою дуже непростым.

.

Рис. 3. Лазерний гравіметр може бути интерферометр Майкельсона, у якого одне оптичне «плече» рухомий, наприклад, вільно падаюча оборачивающая призма. При падінні призми змінюється різницю ходу двох когерентних світлових пучків, поширених у взаємно перпендикулярних напрямах, і усе веде до періодичної модуляції інтенсивності світла, яка на малий ділянку приймальні майданчики фотодетектора. Перерахувавши число «мерехтінь» (зрушень інтерференційних смуг), можна знайти прискорення вільного падения.

Можно було б спробувати перевірити залежність відштовхування від відстані: врівноважити на терезах два вантажу із різних речовин, і потім підняти ваги над землею, скажімо, на кілометр, і подивитися, що станеться з рівновагою. Та цього потрібні ваги з роздільну здатність 10−9…10−10. Найкращі ж існуючі ваги мають дозвіл 10−8. Отже, знову треба створювати небувалий прилад. Певне, найреальніший шлях — це модифікація дослідів Етвеша з вимірами біля скельній стіни. Та й легких перемог очікувати годі й говорити. У цьому шляху дослідник повертається до крутильным вагам, винайденим 200 років тому я Кулоном і Кавендишем. На жаль, сучасна могутня експериментальна техніка надає тут несподівано малу допомогу, і конкурувати з патріархами фізики випадає, майже на равных.

И, нарешті, кілька слів про значення майбутнього відкриття п’ятої сили. Зрозуміло, з появою нової сили нічого не змінюється ні з земної, ні тим паче у «небесній механіці, та й загалом у фізиці. За винятком фізики елементарних частинок, чи, що тепер частіше кажуть, фізики високих енергій, на яку виявлення «п'ятої сили» було б відкриттям століття. У цій сфері найбільш глибоких знання матерії триває період чудових успіхів, і великих надежд.

Новая гіпотеза прямим чином не вписується в існуючі начерки майбутньої об'єднаної теорії. Тому експериментальне відкриття п’ятої сили призвело б до суттєвого перегляду напрямів пошуків єдиної теорії та, то, можливо, дало б цим пошукам новий рішучий імпульс. Фізики-теоретики, складывающие мозаїку експериментальних фактів єдину картину світобудови, з надією чекають саме ті фрагментів, які, можливо, виявляться ключовими. Але ці поєднуються з природним недовірою, оскільки великі відкриття відбуваються рідко. Найближче майбутнє покаже, що привернула увагу дослідників — випадкова тінь на монолітному фундаменті фізики чи слід потайної ходу вглубь.

Потенциал Юкавы

Квантовая фізика істотно відрізняється від класичної. Одне з серйозних розбіжностей з-поміж них — різне розуміння двох форм матерії, речовини і ниви. Класичний світ складалася з маленьких грудочок речовини, двигавшихся в просторі за законами Ньютона, і з полів, що надавали силове вплив на вміщені у них «пробні» частки. І хоча поля й частки у «класичній фізиці може бути пов’язані складної ланцюжком взаємодій, ці дві елемента фізичної картини світу залишаються принципово разными.

Квантовая теорія стирає різницю між частинками і полями: точкові грудочки матерії «розмазуються», які поведінка описується хвилевими рівняннями; поля, які у класичній фізиці вважалися безперервними, як, наприклад, електромагнітне полі, набувають властивості частинок (з'являються фотони). Але тоді виникає природне запитання: якщо поля й частки в квантової теорії так схожі, чи є взагалі який-небудь принцип, дозволяє розділити матерію для цієї два елемента? Відповідь це питання дає фізика елементарних частинок, чи, як його нині прийнято називати, фізика високих енергій: існує набір — спектр частиц-полей, які друг з одним взаємодіють шляхом обміну полями-частицами з іншого набору — носіїв сили, чи переносників взаємодії. Наприклад, заряджені частки обмінюються фотонами — так виникає електромагнітне взаємодія, фотони у своїй служать квантами поля, яке пов’язує між собою заряджені частки речовини. Миттєве ньютоново дію з відривом отменяется.

Совершенно так ж «склеюються» між собою нейтрони і протони в атомному ядрі. Тут відмінність від електромагнітного взаємодії у тому, що переносники ядерних сил — кванти «склеивающего» ядро поля мають досить велику масу. Саме тому ядерні сили настільки короткодействующие: що більше маса, то ближчий частка до класичної, точкової - менше її «размазка» і, отже, радіус дії сил. У фотона немає маси, тому радіус дії електромагнітних сил нескінченний. Потенційну енергію ядерних сил можна записати в виде.

.

где множник æ/r перед експонентою характеризує інтенсивність взаємодії, а показник експоненти -r/? — радіус дії сил. Цей вислів називають «потенціалом Юкавы», під назвою відомого японського фізика, що у 1935 року постулював існування частицы-переносчика з безліччю, проміжної між масами електрона і протона, — пи-мезона. У 1947 року частка Юкавы, яку тепер називають пионом, було виявлено в космічних лучах.

Не ньютоновы моделі тяготения

В таких моделях потенційна енергія V® взаємодії двох тіл зазвичай подається як сума ньютоновой енергії V® взаємодії двох тіл зазвичай подається як сума ньютоновой енергії VN ® = - G0 m1· m2/r і шляхом додаткової енергії ?V®, експоненціально спадаючої з расстоянием:

V® = VN ® + ?V® = VN ® · (1 +? · е-r/?).

Параметр? визначає відносне вплив додаткової складової тяжіння, а? — «радіус взаємодії», у якому ця складова спадає в 2,7 разу. На великих відстанях r >>? таку взаємодію стає суто ньютоновим, що автоматично узгодить його з небесної механікою. На малих відстанях, r.