Теория Алана Костелецки. Могут ли яблоки и апельсины падать с разными ускорениями?

История того, как Исаак Ньютон «открыл» закон всемирного тяготения, описана весьма подробно. Благодаря великому французскому философу и писателю Вольтеру широкую известность приобрел рассказ племянницы Ньютона Катерины Бартон о том, что ключевая роль в этой истории принадлежит упавшему на голову Ньютону яблоку. Согласно Катерине, именно это событие заставило его задуматься о причине падения яблока и о том, отличается ли она от причины, ответственной за движение Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца. Итогом размышлений Ньютона стал, как известно, закон всемирного тяготения, которому подчиняется и сила тяготения, действующая на яблоко со стороны Земли и сила тяготения, действующая на Луну со стороны Земли.

Природа гравитационной силы оставалась, однако, для Ньютона неясной. Именно по этой причине он пытался выяснить, зависит ли сила гравитации от материальной структуры взаимодействующих тел. Ньютон использовал для этого маятник, период которого (в случае идеального математического маятника), как известно, зависит только от длины нити, на которой подвешен груз и от ускорения свободного падения. Меняя материал, из которого был изготовлен подвешенный груз, Ньютон проверял, не изменяется ли при этом период колебаний. Никакой зависимости Ньютону установить не удалось — разумеется, в пределах точности его опытов, достигавшей 10^-3. Серия аналогичных экспериментов была поставлена и в XIX столетии: в 1828 — 1832 годах немецким физиком и математиком Ф. Бесселем и в 1888 — 1889 годах венгерским физиком Л. Этвешем. Так, в экспериментах Бесселя измерялся период колебаний маятников с подвешенными телами, изготовленными из железа, золота, свинца, метеоритного железа, мрамора и глины. Точность опытов Бесселя, подтвердивших результат Ньютона, достигала 2х10^-5. Что касается Этвеша, то независимость гравитационного взаимодействия от химической природы взаимодействующих тел он проверял с помощью более совершенного инструмента — статических крутильных весов. Точность его опытов достигала уже 0,5х10^-7.

С точки зрения современной физики, и Ньютон, и Бессель, и Этвеш проверяли опытным путем равенство гравитационной и инертной масс тела; в Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна эти две массы объявляются тождественными и в ОТО это тождество вводится как постулат. Аналогичным образом один из постулатов Специальной теории относительности (СТО) устанавливал постоянство скорости света в разных системах отсчета, в частности, независимость скорости света от направления в пространстве. Именно этот факт был установлен еще до создания СТО в прецизионных измерениях американского физикаэкспериментатора Альберта Майкельсона.

Несмотря на то, что и специальная, и общая теория относительности были многократно проверены многочисленными прямыми и косвенными экспериментами, физики-экспериментаторы продолжают тестировать свои инструменты, вновь и вновь проверяя основные положения СТО и ОТО. Предпринимаются, в частности, попытки выявить возможную зависимость скорости света от направления в пространстве (в 2005 году группа немецких физиков под руководством Г. Мюллера установила изотропность скорости света с точностью 10^-16). Физики действуют в полном соответствии с замечанием Эйнштейна, согласно которому «никаким количеством экспериментов доказать теорию нельзя, но достаточно одного, чтобы ее опровергнуть».

Сравнительно недавно экспериментаторы совершили очередную попытку проверить независимость силы гравитационного взаимодействия от химического состава взаимодействующих тел. Группа исследователей из Университета Вашингтон в Сиэтле, руководимая Эриком Адельбергером, используя сверхчувствительные крутильные весы (вспомним Этвеша!), с точностью до 10^-11 подтвердила, что сила гравитации, действующая на образец из бериллия, не отличается от силы гравитации, действующей на титановый образец. Чтобы достичь столь высокой точности, Адельбергеру и его коллегам пришлось защитить крутильные весы, во-первых, от электрического имагнитного полей, а во-вторых, от вибраций, источниками которых могли быть соседние лаборатории. Необходимо было также и помнить о возмущающем гравитационном воздействии со стороны подземных вод из-за приливных явлений.

Целью эксперимента вашингтонских физиков было не просто желание протестировать сконструированные ими весы на классической экспериментальной задаче. Постановку эксперимента инициировали работы профессора университета Индианы Алана Костелецки. Журнал New Scientist цитирует Костелецки, заметившего, что фактически в этих экспериментах выяснялось, «могут ли яблоки и апельсины падать с разными ускорениями». Гипотеза Костелецк и о возможной зависимости сил гравитации от химического состава тел была высказана им и его аспирантом Джеем Тассоном в статье, опубликованной в журнале Physical Review.

В этой статье Костелецки и Тассон развивают идеи, впервые сформулированные Костелецки еще два десятилетия назад и связанные с его усилиями по объединению двух главных теорий современной физики: так называемой Стандартной модели и релятивистской теории тяготения. Напомним, что именно эти две теории описывают четыре известных современной физике фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое). Стандартная модель описывает с единых позиций электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие. Теория тяготения, основанная на ОТО, описывает только гравитационное взаимодействие. Попытки же объединить теорию гравитации со Стандартной моделью до сих пор к успеху не приводили. Гравитация продолжает оставаться особым видом взаимодействия, и на целый ряд вопросов физика до сих пор не дает ответа: почему интенсивность гравитационного взаимодействия столь мала; можно ли экранироваться от гравитации; справедлив ли закон всемирного тяготения на очень маленьких расстояниях и так далее.

Рассказывая о своих идеях в научно-популярной статье, Костелецки заявляет, что объединение теории гравитации и Стандартной модели имеет непосредственное отношение кизучению процессов, происходящих на масштабе так называемых «планковских длин». Он считает, что именно на этих масштабах мы сможем «увидеть» нарушения лоренцевской симметрии и CPT симметрии — основных симметрий современной физики. Напомним, что лоренцевская симметрия определяет инвариантность законов физики относительно изменения системы отсчета (что включает в себя и изменение направления в пространстве, и изменения скорости системы отсчета). Нарушение лоренцевской симметрии будет означать, что Вселенная анизотропна (то есть ее свойства различны в разных направлениях). Что же касается CPT-симметрии, то она утверждает инвариантность всех физических процессов и явлений относительно одновременно совершаемых трех преобразований симметрии: замены частиц на античастицы, зеркального отражения и изменения знака времени. Вплоть до настоящего времени никаких явлений, в которых нарушались бы лоренцевская и СРТ симметрии, обнаружено не было. Не стоит забывать, однако, что на языке физиков «не обнаружено» означает всего лишь, что искомый эффект находится за пределами возможностей экспериментальной установки.

Костелецки подчеркивает, что нарушение симметрии на малых пространственных масштабах относится к так называемым «спонтанным нарушениям симметрии» — ситуациям, в которых симметрия основных уравнений сохраняется, а несимметричными оказываются только решения этих уравнений. В качестве примера спонтанного нарушения симметрии Костелецки приводит Солнечную систему. Действительно, уравнениядинамики движения планет обладают вращательной симметрией, в то время как в реальности почти все орбиты планет Солнечной системы расположены в одной плоскости.

Подыскивая наглядные иллюстрации возможного нарушения симметрии на малых масштабах, Костелецки предлагает проанализировать изображение телеведущего на экране монитора. Отдельные пиксели мы обычно в этом изображении не различаем. В случае же, когда телеведущий надевает галстук в мелкую полоску, экран покрывается муаровыми узорами, и тем самым происходит визуализация пикселей. Костелецки пишет: «Нарушения теории относительности, словно муаровая картинка, могли бы выявить истинную структуру пространства — времени. Внешне оно выглядит лоренцинвариантным, однако в достаточно малых масштабах может проявиться искажение лоренцевской симметрии». Заметим, что под «малыми масштабами» Костелецки имеет в виду длины от 10^-34 метра до 10^-17 метра.

Желая подчеркнуть близость своих взглядов современной физике элементарных частиц, Костелецки назвал свою теорию расширенной стандартной моделью. Эта теория допускает существование решений Стандартной модели, которые нарушают лоренцевскую симметрию, а в некоторых случаях и CPT-симметрию. Согласно Костелецки, этим решениям соответствуют х-поля неизвестной физической природы, которые, как предполагается, могут взаимодействовать с гравитационным полем, с фотонами, с кварками и так далее. Векторный характер этих полей как раз и ответственен, по мнению Костелецки, за нарушение изотропности Вселенной. В расширенной стандартной модели относительная интенсивность неизвестных полей задается параметрами, численное значение которых — как надеется Костелецки — удастся определить с помощью эксперимента.

Именно таким экспериментом и был опыт Адельбергера по сравнению сил тяготения, действующих на образцы из титана и бериллия. Действительно, теория Костелецки допускает, что для разных типов кварков интенсивность взаимодействия с х-полями будет разной, и что эта интенсивность будет различаться также и в отношении взаимодействия х-полей с атомами разных химических элементов. Этим и объясняетсяреплика Костелецки о различиях между падающими на Землю яблоками и апельсинами.

Еще до опыта Адельбергера предсказания Костелецки проверялись в ряде прецизионных экспериментов; ни одного из описанных выше эффектов обнаружить при этом не удалось. Отсутствие экспериментальных подтверждений своей теории Костелецки и Тассон отнюдь не склонны рассматривать как свидетельство ее несостоятельности. Они напоминают о необходимости повышать точностьизмерений и замечают, что некоторые весьма важные предсказания расширенной стандартной модели еще только предстоит проверить. Так, эта модель допускает, что по-разному будут вести себя в гравитационном поле яблоки и антияблоки (яблоки из антивещества). Проверить это предсказание достаточно трудно из-за известных проблем с накоплением достаточно большого количества антивещества. В то же время физики располагают атомами антиводорода, и вполне осуществимым может стать эксперимент по измерению отличий их ускорения от ускорения атомов водорода. «Возможно, такие эксперименты будут осуществлены уже в следующем десятилетии», — цитирует оптимистическое заявление Алана Костелецки журнал New Scientist.

Как же реагирует на столь необычные идеи профессора из Индианы научное сообщество? New Scientist приводит высказывание физика М. Тобара из Университета Западной Австралии, по словам которого статья Костелецки и Тассона определяет «важный этап» в развитии современной физики. С ним согласен в целом Р. Уолсворт, по мнению которого в ближайшее время разные группы исследователей будут пытаться проверить предсказания расширенной стандартной модели. При этом Уолсворт не склонен связывать с подобными экспериментами открытие нарушений важнейших симметрий современной физики. Он говорит: «Я не убежден, что такие нарушения вообще существуют, но даже если это так, я не уверен в том, что человеку вообще удастся когда-либо их обнаружить».