В поисках пятой силы (стр. 2 из 3)
Самая высокая точность в опытах такого типа была достигнута в 1971 году в Московском государственном университете в экспериментах В.Б.Брагинского и В.И.Панова, ограничивших различие в ускорениях свободного падения величиной 10–12 от самого ускорения. К сожалению, этот результат не может быть использован для проверки обсуждаемой гипотезы, поскольку Брагинский и Панов измеряли ускорение свободного падения пробных тел на Солнце. Другими словами, в этих опытах исследовалось взаимодействие на столь больших расстояниях, что экспоненциально убывающее отталкивание должно было полностью исчезнуть.
Поэтому авторы гипотезы обратились к чисто «земным» опытам – к исследованиям известного венгерского ученого Роланда фон Этвеша (1848...1919). В опытах Этвеша центробежная сила, связанная с вращением Земли и действующая на любое тело, сопоставлялась с силой тяжести. Детальный отчет об этих исследованиях, продолжавшихся десятки лет, был опубликован сотрудниками Этвеша, Д.Пикаром и Э.Фекете, уже после его смерти, в 1922 году. В историю физики этот отчет вошел как свидетельство того, что ускорение свободного падения любых тел постоянно с точностью до 10–8. Однако детальное рассмотрение отчета группы Этвеша показывает, что в работе все же были обнаружены очень малые, но статистически значимые различия ускорений при падении разных тел. Например, было установлено, что вода ускоряется при падении на одну стомиллионную долю меньше, чем медь (на 1,0 ± 0,2 в единицах 10–8) (В отличие от Галилея Этвеш не измерял непосредственно ускорение свободного падения. Он применил метод, основанный на использовании крутильных весов Кавендиша – коромысла, висящего на тончайшей нити, к концам которого подвешивались испытуемые тела. Различия в ускорениях падения вычислялись по результатам измерений угла, на который закручивается нить при изменении ориентации основания весов относительно меридиана). Но поскольку подобные различия среди остальных девяти пар исследованных веществ оказались еще меньше и при этом не обнаруживалось никакой логической связи этих различий с химическим составом веществ, то сотрудники Этвеша не сочли найденные отклонения достойными внимания и ограничились в выводах констатацией отсутствия эффекта за пределами 10–8. Но именно эти следы различий в ускорениях свободного падения и привлекли внимание авторов январской публикации 1986 года в "The Physical Review Letters".
Гипотеза взаимодействия через барионный заряд дает ключ, с помощью которого можно попытаться разобраться в хаосе результатов Этвеша. На рис.1 воспроизведен график из упомянутой статьи, на котором измеренная разность ускорений для набора пробных тел представлена в зависимости от различия удельных барионных зарядов этих тел.
(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). Точное измерение столь малых различий представляет собой трудную задачу экспериментальной физики.)
Можно видеть, что измерения Этвеша недвусмысленно группируются вокруг прямой линии, проходящей через нуль, как и должно быть по логике гипотезы пятой силы!
Надо признать, что рисунок производит сильное впечатление. Разброс полученных значений для каждой пары веществ велик, однако результаты по разным парам поддерживают друг друга и вся совокупность очень убедительна. Степень убедительности может быть охарактеризована количественно. Например, если предположить, что точки на рисунке 4 случайным образом отклоняются от своего истинного нулевого значения, то вероятность справедливости такого допущения не превышает одной миллионной.
Но говоря об убедительности, приходится принимать во внимание разные обстоятельства, в том числе и выходящие за рамки точных наук. Когда экспериментатор хочет найти какое-то явление, всегда имеется риск тенденциозной трактовки случайных и систематических ошибок. Степень этого риска зависит, как деликатно говорят психологи, от уровня мотивации и от индивидуальности экспериментатора. (Поэтому в важных случаях ученые интересуются не только подробностями работы, но и теми, кто ее делал.) В данном случае, разумеется, о подобной тенденциозности речи нет – опыты проводились за 70 лет до обсуждаемой гипотезы.
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.