П’ята сила міф чи реальність

У межі невідомого

В.К.Мілюков

Спробуємо і ми розібратися як в експериментальних фактах, так і теоретичних підходах, на яких будувалася можливість нового взаємодії.

ЯК ВИНИКЛА "ВІДКРИТО" П'ЯТА СИЛА

На початку 80-х років Е.Фішбах з колегами працювали над інтерпретацією надзвичайно заплутаних експериментальних результатів, отриманих в Лабораторії ім. Фермі при вивченні розпаду елементарних частинок, так званих нейтральних К-мезонів, при високих енергіях. Приводом для "нападок" на загальноприйняту фізику послужило те, що ряд фундаментальних параметрів системи нейтральних К-мезонів виявилися, згідно з цими експериментальними даними, залежними від енергії, що руйнувало священну для фізиків лоренцевих инвариантность.

Іншим набором експериментальних даних, які змусили сумніватися в справедливості існуючих фізичних законів, були геофізичні вимірювання в Австралії. Протягом декількох років Ф. Стейсі і його колеги з університету Клівленда проводили вимірювання сили тяжіння в глибоких шахтах і свердловинах. Якщо гравітація змінюється відповідно до закону тяжіння Ньютона, то в сферично симетричному тілі гравітаційна сила на відстані r від центру тіла залежить тільки від загальної маси всередині сфери радіусом r і обернено пропорційна r 2 (закон зворотних квадратів). Маси поза цією сферою не викликають результуючої сили.

Ф. Стейсі зі своєю групою вимірювали високоточними гравіметрами величину сили тяжіння на різних глибинах в стовбурах шахт. Одночасно проводилися ретельні виміри густини порід, що оточують шахту (як на глибині, так і на поверхні). Природно, що виміряні значення сили тяжіння змінювалися з глибиною, так як змінювалося відстань до центру Землі і змінювалися маси всередині цього радіусу (Земля не однорідна!). Оскільки вони знали гравітаційну силу на даній глибині, а також щільність оточуючих порід, отже, вони могли передбачити відповідну силу трохи вище або трохи нижче цього слоя.Многочісленние вимірювання, проведені цією групою, показали, що зміна з глибиною виміряної сили тяжіння відрізняється від передбачених значень . Виміряні значення сили тяжіння на поверхні були приблизно на 1% менше, ніж очікувалося за вимірюваннями на глибині. Ця розбіжність можна було б пояснити, якщо припустити існування невідомої слабкою відразливою сили.

Фішбах припустив, що природа аномалій, виявлених в абсолютно різних експериментах - геофізичних вимірах і системі нейтральних К-мезонів - одна і та ж, і запропонував пояснити їх існуванням нової відразливою сили, яка виникає в результаті взаємодії гіперзаряд (для звичайної речовини гіперзаряд дорівнює сумі мас протонів і нейтронів, тобто приблизно дорівнює масі, а для К-мезонів він дорівнює квантовому числу, званому "дивиною"). Щоб зрозуміти механізм цієї взаємодії, давайте відійдемо трохи в сторону і спробуємо розібратися, як взагалі описуються фізичні взаємодії на мові квантової механіки.

КВАНТОВА МЕХАНІКА І ФІЗИЧНІ Взаємодія

У самій ідеї існування нової сили, висловленої Фішбахом, не було нічого особливо сенсаційного (сенсацією були експериментальні дані, що підтверджують цю ідею). Справа в тому, що всі сучасні спроби об'єднати гравітацію з іншими фундаментальними взаємодіями в узгоджену єдину квантову теорію пророкують існування нових взаємодій, за силою можна порівняти з гравітацією, що, природно, повинно привести до ряду нових ефектів.

Квантово уявлення докорінно змінили теорію поля. З класичної точки зору енергія і імпульс переносяться полем. Згідно з квантовою механікою, енергія і імпульс передаються дискретними порціями, званими квантами, які описані як частки. Отже, в квантової теорії поля сили з'являються в результаті обміну такими частинками. Ці частинки мають певну масу спокою і спин (власний кутовий момент), який може приймати цілі або напівцілим значення. Всі відомі взаємодії - гравітаційне, електромагнітне, слабке (в основному відповідальна за деякі види радіоактивного розпаду) і сильне (яке пов'язує складові атомних ядер) - переносяться частинками з цілим спіном і викликають сили, область дії яких обернено пропорційна масам цих частинок. Для електромагнітної взаємодії така проміжна частка називається фотоном, а для гравітаційної взаємодії - Гравітоном. Відповідно до теорії, обидві ці частки не мають маси спокою і, отже, ці взаємодії мають нескінченний радіус дії. Сила взаємодії двох електричних зарядів або двох мас падає обернено пропорційно квадрату відстані між ними.

Інші дві сили, сильної і слабкої ядерних взаємодій, діють тільки в дуже короткій області. Їх величина, на додаток до звичайної r -2 залежності, зменшується з відстанню експоненціально в характерній для даної взаємодії області, що позначається (радіус дії сили). Математично ці сили змінюються пропорційно. Тому кожне з цих взаємодій передається масивними частинками. Для слабкої взаємодії це так звані W +. W - і Z 0 бозони (відкриті в 1983 році) і для сильної взаємодії - "глюони". Всі вони мають маси в приблизно 100 разів більше, ніж протон, і пов'язані з ними сили мають характерну область дії 10 -15 см (менше розмірів нуклонів).

Тепер відомо, що спін поля пов'язаний з природою сил: поля з непарним спіном можуть викликати як притягують, так і відразливі сили; поля з парним спіном - скалярні (спін 0) або тензорні (спін 2) - обумовлюють тільки сили тяжіння. Електромагнітна взаємодія, наприклад, може бути описано як векторне поле зі спіном 1 (тобто сила переноситься фотоном, що мають спін 1). Сила цього поля буде притягує для протилежно заряджених частинок і відразливою для однойменних зарядів.

Мабуть, теорія гравітації повинна бути побудована виключно на скалярних і тензорних полях, які переносяться частинками з парних спіном. Однак спроби квантування загальної теорії відносності у вигляді теорії з тензорним полем мають певні математичні труднощі (в обчисленнях з'являються нескінченно великі величини). Це змусило фізиків шукати шляхи розширення квантування гравітації.

ВІД ТЕОРІЇ ВЕЛИКОГО ОБ'ЄДНАННЯ До П'ЯТОЇ СИЛУ

Одним з кращих підходів до квантування гравітації служить клас теорій, заснованих на певному типі внутрішньої симетрії і відомих як калібрувальні теорії. В даний час вони широко застосовуються для опису сильного і електрослабкої взаємодій (фізикам вдалося побудувати задовільну теорію, що об'єднує два взаємодії) і є "кандидатами" в так звану теорію великого об'єднання, яка повинна об'єднати всі відомі взаємодії.

Успіх калібрувальних теорій дає надію, що математичні труднощі в квантуванні загальної теорії відносності (ЗТВ) можуть бути подолані введенням так званої локальної суперсиметрії. У більшості версій таких моделей вважають, що частка з напівцілим спіном є партнером для кожної частинки з цілим спіном, і навпаки. Створюється таким чином калейдоскоп нових частинок: гравітон зі спіном 2 має партнера зі спіном 3/2, який в свою чергу має партнера зі спіном 1 (гравіфотон), його партнер - зі спіном 1/2, який має партнера зі спіном 0 (гравіскаляр) . (В деяких моделях описуються кілька партнерів для кожного значення спина).

Ці партнери подібні новим квантовим надстаном Гравітон, і мабуть, їх існування гарантує, що теорії супергравітації містять цілком прийнятні (в першому наближенні) властивості квантового поля. У всякому разі, всі розглянуті тепер калібрувальні теорії квантової гравітації містять суперсиметричні стану.

З одного боку, частинки з напівцілим спіном в цих, так званих теоріях супергравітації, ймовірно, повинні бути дуже масивними. Енергія, відповідна їх масі спокою, повинна бути не менше 10 12 еВ (в 1000 разів більше маси протона).

З іншого боку, частинки з цілим спіном, подібно Гравітон, переносять сили і повинні викликати ефекти, величина яких швидше за все менше гравітаціонних.По мабуть, і гравіфотон, і гравіскаляр мають помітну масу спокою, тому їх область дії повинна бути кінцевою. Проте, гравіскаляр створює тільки тяжіння, в той час як гравіфотонние ефекти залежать від того, чи є взаємодіючі частинки однаковими або різними. Обмін гравіфотоном між речовиною і речовиною (або антиречовиною і антиречовиною) призведе до відштовхування, гравіфотонний обмін між речовиною і антиречовиною викличе тяжіння.

Цікаво, що схожі ефекти були передбачені в різних теоріях, в яких проблема гравітації розглядалася з інших точок зору. Деякі сучасні метричні теорії більш високої розмірності, ніж загальноприйняте 4-мірний простір-час, також пророкують появу нових частинок. Цей підхід повертає нас до роботи більш ніж 60-річної давності, виконаної Т. Калуцей і О. Клейном, які створили модель гравітації в багатовимірному просторі-часі і потім "проектували" її на звичайний простір-час в надії отримати єдину теорію гравітації та електромагнетизму . Півстоліття модель Калуцей-Клейна перебувала в забутті, але в останні десятиліття деякі фізики-теоретики знову звернулися до неї, задавшись питанням, що станеться, якщо вона буде розширена до еше більш високої розмірності. Встановлено, що багатовимірний гравітон (спін 2) при його перекладі в звичайні 4 вимірювання повинен мати кілька складових: 4-мірний гравітон (спін 2), двовимірне векторне поле (спін 1), відповідне гравіфотону, і одномірне скалярний поле (спін 0), відповідне гравіскаляру. Як і в супергравітації, в деяких моделях є кілька партнерів з однаковим спіном. Таким чином, Неметричні теорії супергравітації і метричні теорії вищих розмірностей мають разюче схожі слідства.

В даний час є досить широкий клас і інших теоретичних моделей, які пророкують існування нових слабких макроскопічних сил.

Ці нові сили, що переносяться новими масивними частинками (такими, наприклад, як гравіфотон і гравіскаляр) можна узагальнити в поняття п'ятої сили, або, маючи на увазі відразливу і притягає компоненти - п'ятої та шостої сил.

Так само, як і ядерні сили, вони змінюються пропорційно. Тому п'ята сила для взаємодії двох матеріальних частинок може бути записана як

Тут Q1 і Q2 позначають "заряди" (джерела) п'ятої сили кожної матеріальної частинки, а f 2 - константа взаємодії.

Отже, нові ефекти для взаємодії двох макроскопічних тел складаються в додаванні до звичайної ньютонівської силі члена (або кількох членів!) Виду (1). Величина нової сили характеризується так званої ефективної константою взаємодії, зазвичай позначається, яка показує, яку частку нова сила становить від гравітації. Таким чином, сумарну силу взаємодії двох мас m1 і m2 можна записати так (для простоти тільки з одним додатковим членом)

Тут Gm1 m2 / r 2 - звичайна ньютонівська сила (G - гравітаційна стала), а a, як неважко бачити, є ставлення

Згідно Фішбаху, область дії п'ятої сили повинна бути порядку декількох сот метрів, отже, маса частинки-переносника повинна бути близько 10 -9 еВ (тобто 10 -14 від маси електрона).

ЕКСПЕРИМЕНТИ, В ЯКИХ МОЖЕ БУТИ ВИЯВЛЕНО П'ЯТА СИЛА

Зазвичай в фізичних теоріях джерелом скалярного взаємодії (також як і тензорного) є маса (енергія) частки. Тому, якщо переносник п'ятої сили - скалярна частка (наприклад, гравіскаляр), то зарядом п'ятої сили також, як і для гравітації, повинна бути маса (енергія). Отже, в цьому випадку, як видно з формули (3), ефективна константа взаємодії, буде дійсно константою, що не залежить від взаємодіючих тіл.

Навпаки, маса (енергія) не є зарядом для векторного взаємодії. Тому зарядом нового векторного поля, як припустив Фішбах, може бути гіперзаряд Y або баріонів заряд B, що для макроскопічних тіл одне і теж. (Нагадаємо, що баріонів заряд для звичайного тіла є загальне число протонів Z і нейтронів N, що міститься в атомах даного тіла). Баріонів заряд приблизно, але не зовсім точно, пропорційний масі атомів. Поблизу центру таблиці Менделєєва, де ядерні сили сильніше, число баріонів на одиницю маси максимально і воно зменшується до початку і кінця таблиці. Таким чином, ефективна константа взаємодії в цьому випадку вже не є постійною величиною, а буде залежати від хімічного складу тел.

Для експериментального підтвердження існування нових сил, переданих новими проміжними частинками, ми можемо отримати вимірювані ефекти в двох типах фізичних експериментів:

- пряме виробництво цих нових частинок;

- виявлення нової сили в макроскопічних гравітаційних експериментах.

Очевидно, перший шлях поки не прийнятний, так як очікується, що більшість ефектів, що викликаються новими частинками, будуть проявлятися при дуже високих енергіях (10 14 ГеВ і вище). У сучасних прискорювачах взаємодія двох частинок може бути реалізовано на значно нижчому енергетичному рівні. Так що для недалекого майбутнього залишається тільки другий шлях.

У класичних гравітаційних експериментах можна виділити дві групи, в яких можуть бути виявлені нові сили.

1. Перевірка закону зворотних квадратів В експериментах цього типу шукається аномальна сила (не підкоряється закону зворотних квадратів) між пробним тілом і массой- джерелом взаємодії при вимірюванні залежності сили, що діє на пробне тіло, від відстані. Ці експерименти можуть також розглядатися як вимір залежності гравітаційної постійної G від відстані. Дійсно, вираз (2) може бути записано в звичайній формі закону Ньютона

але з ефективної гравітаційної постійної G (r), що залежить від відстані

У цьому виразі означає гравітаційну постійну, що характеризує взаємодію для дуже великих відстаней. Зрозуміло, що в цих експериментах може бути виявлена ​​як скалярна сила (вона буде притягає і спрямована так само, як і гравітаційна), так і векторна (відразлива). Якщо одночасно існують обидві сили, то буде зареєстрована їх сума. Зауважимо, що оскільки гіпотетична сила має характерний радіус дії, то проявити вона себе може тільки на відстанях, менших. Тому, якщо в якості джерела вибрано протяжне тіло, розміри якого більше, то внесок в цю нову силу даватимуть лише ті маси джерела, які лежать всередині сфери радіусом і центром в пробному тілі.

Залежно від шкали перевіряються відстаней в цьому типі експериментів в якості взаємодіючих тіл можуть бути використані: два лабораторних тіла (лабораторні відстані, від кількох мм до 10 м); Земля і гравіметр (геофізичні відстані, від 10 м до декількох км); Земля і орбітальний супутник (супутникові відстані, від 100 км до 1000 км); небесне тіло і космічний апарат (астрономічні відстані, від 10 3 км до 10 8 км).