В поисках пятой силы (стр. 3 из 3)
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 VN (r) = – G0 m1·m2/r и дополнительной энергии ΔV(r), экспоненциально спадающей с расстоянием:
V(r) = VN (r) + ΔV(r) = VN (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