Астронет: В.К. Милюков/Вселенная и Мы Пятая сила: миф или реальность? http://variable-stars.ru/db/msg/1187115

Пятая сила: миф или реальность?
2.03.1994 16:09 | В.К. Милюков/Вселенная и Мы

Начало 1986 года было отмечено весьма знаменательным для физики событием. В первом номере журнала "Physical Reviev Letters" была опубликована статья американских физиков Е. Фишбаха и его коллег из университета Пардью, работающих в области физики элементарных частиц, в которой сообщалось, что имеются экспериментальные данные, позволяющие выдвинуть предположение о существовании в природе ранее неизвестного физического взаимодействия. До сих пор физики имели дело только с четырьмя взаимодействиями - сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным, поэтому сообщение о существовании нового, пятого вида физического взаимодействия (или "пятой силы"), безусловно, носило характер сенсации. В течение нескольких лет эта тема была под пристальным вниманием физиков. В многочисленных публикациях высказывались доводы как поддерживающие идею нового взаимодействия, так и ставившие его существования под серьезное сомнение. Для одних эта новая пятая сила была как пятое колесо - кому она нужна? Для других это было экспериментальным подтверждением некоторых моделей квантовых теорий поля. Прошедшие пять-шесть лет были временем интенсивной постановки (было выполнено несколько десятков!) экспериментов, в которых физики- экспериментаторы пытались более тщательно и на более высоком уровне точности проверить гипотезу о существовании пятой силы. Были также развиты многочисленные теоретические модели, в которых предлагалось существование не только пятой силы, но и шестой!

Теперь, по прошествии семи лет со дня публикации, можно с удовлетворением отметить, что налет сенсационности быстро исчез. Его сменил, как и следовало ожидать, деловой тон обсуждения проблемы, который, в связи с отсутствием явных положительных экспериментальных данных в пользу пятой силы, в настоящее время носит скорее скептический характер.

Попробуем и мы разобраться как в экспериментальных фактах, так и теоретических подходах, на которых строилась возможность нового взаимодействия.

КАК БЫЛА "ОТКРЫТА" ПЯТАЯ СИЛА

В начале 80-х годов Е.Фишбах с коллегами работали над интерпретацией чрезвычайно запутанных экспериментальных результатов, полученных в Лаборатории им. Ферми при изучении распада элементарных частиц, так называемых нейтральных К-мезонов, при высоких энергиях. Поводом для "нападок" на общепринятую физику послужило то, что ряд фундаментальных параметров системы нейтральных К-мезонов оказались, согласно этим экспериментальным данным, зависящими от энергии, что разрушало священную для физиков Лоренцеву инвариантность.

Другим набором экспериментальных данных, заставивших сомневаться в справедливости существующих физических законов, были геофизические измерения в Австралии. В течение нескольких лет Ф. Стейси и его коллеги из университета Кливленда проводили измерения силы тяжести в глубоких шахтах и буровых скважинах. Если гравитация меняется согласно закону тяготения Ньютона, то в сферически симметричном теле гравитационная сила на расстоянии r от центра тела зависит только от общей массы внутри сферы радиусом r и обратно пропорциональна r² (закон обратных квадратов). Массы вне этой сферы не вызывают результирующей силы.

Ф. Стейси со своей группой измеряли высокоточными гравиметрами величину силы тяжести на разных глубинах в стволах шахт. Одновременно проводились тщательные замеры плотностей пород, окружающих шахту (как на глубине, так и на поверхности). Естественно, что измеренные значения силы тяжести менялись с глубиной, так как менялось расстояние до центра Земли и менялись массы внутри этого радиуса (Земля не однородна!). Поскольку они знали гравитационную силу на данной глубине, а также плотность окружающих пород, следовательно, они могли предсказать соответствующую силу немного выше или немного ниже этого слоя.Многочисленные измерения, проведенные этой группой, показали, что изменение с глубиной измеренной силы тяжести отличается от предсказанных значений. Измеренные значения силы тяжести на поверхности были приблизительно на 1% меньше, чем ожидалось по измерениям на глубине. Это расхождение можно было бы объяснить, если допустить существование неизвестной слабой отталкивающей силы.

Фишбах предположил, что природа аномалий, обнаруженных в совершенно разных экспериментах - геофизических измерениях и системе нейтральных К-мезонов - одна и та же, и предложил объяснить их существованием новой отталкивающей силы, которая возникает в результате взаимодействия гиперзарядов (для обычного вещества гиперзаряд равен сумме масс протонов и нейтронов, т.е. приблизительно равен массе, а для К-мезонов он равен квантовому числу, называемому "странностью"). Чтобы понять механизм этого взаимодействия, давайте отойдем немного в сторону и попытаемся разобраться, как вообще описываются физические взаимодействия на языке квантовой механики.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В самой идее существования новой силы, высказанной Фишбахом, не было ничего особенно сенсационного ( сенсацией были экспериментальные данные, подтверждающие эту идею). Дело в том, что все современные попытки объединить гравитацию с другими фундаментальными взаимодействиями в согласованную единую квантовую теорию предсказывают существование новых взаимодействий, по силе сравнимых с гравитацией, что, естественно, должно привести к ряду новых эффектов.

Квантовомеханические представления коренным образом изменили теорию поля. С классической точки зрения энергия и импульс переносятся полем. Согласно квантовой механике, энергия и импульс передаются дискретными порциями, называемыми квантами, которые описаны как частицы. Следовательно, в квантовой теории поля силы появляются в результате обмена такими частицами. Эти частицы имеют определенную массу покоя и спин (собственный угловой момент), который может принимать целые или полуцелые значения. Все известные взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое (в основном ответственное за некоторые виды радиоактивного распада) и сильное (которое связывает составляющие атомных ядер) - переносятся частицами с целым спином и вызывают силы, область действия которых обратно пропорциональна массам этих частиц. Для электромагнитного взаимодействия такая промежуточная частица называется фотоном, а для гравитационного взаимодействия - гравитоном. Согласно теории, обе эти частицы не имеют массы покоя и, следовательно, эти взаимодействия имеют бесконечный радиус действия. Сила взаимодействия двух электрических зарядов или двух масс падает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Другие две силы, сильного и слабого ядерных взаимодействий, действуют только в очень короткой области. Их величина, в добавление к обычной r^-2 зависимости, уменьшается с расстоянием экспоненциально в характерной для данного взаимодействия области, обозначаемой (радиус действия силы). Математически эти силы меняются пропорционально . Поэтому каждое из этих взаимодействий передается массивными частицами. Для слабого взаимодействия это так называемые W⁺, W^- и Z⁰ бозоны (открытые в 1983 году) и для сильного взаимодействия - "глюоны". Все они имеют массы в приблизительно 100 раз больше, чем протон, и связаные с ними силы имеют характерную область действия 10^-15 см (меньше размеров нуклонов).

Теперь известно, что спин поля связан с природой сил: поля с нечетным спином могут вызывать как притягивающие, так и отталкивающие силы; поля с четным спином - скалярные (спин 0) или тензорные (спин 2) - обусловливают только силы притяжения. Электромагнитное взаимодействие, например, может быть описано как векторное поле со спином 1 (т.е. сила переносимая фотоном, имеющим спин 1). Сила этого поля будет притягивающей для противоположно заряженных частиц и отталкивающей для одноименных зарядов.

По-видимому, теория гравитации должна быть построена исключительно на скалярных и тензорных полях, переносимых частицами с четным спином. Однако попытки квантования общей теории относительности в виде теории с тензорным полем имеют определенные математические трудности (в вычислениях появляются бесконечно большие величины). Это заставило физиков искать пути расширения квантования гравитации.

ОТ ТЕОРИИ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ К ПЯТОЙ СИЛЕ

Одним из предпочтительных подходов к квантованию гравитации служит класс теорий, основанных на определенном типе внутренней симметрии и известных как калибровочные теории. В настоящее время они широко применяются для описания сильного и электрослабого взаимодействий (физикам удалось построить удовлетворительную теорию, объединяющую два взаимодействия) и являются "кандидатами" в так называемую теорию великого объединения, которая должна объединить все известные взаимодействия.

Успех калибровочных теорий дает надежду, что математические трудности в квантовании общей теории относительности (ОТО) могут быть преодолены введением так называемой локальной суперсимметрии. В большинстве версий таких моделей полагают, что частица с полуцелым спином является партнером для каждой частицы с целым спином, и наоборот. Создается таким образом калейдоскоп новых частиц: гравитон со спином 2 имеет партнера со спином 3/2, который в свою очередь имеет партнера со спином 1 (гравифотон), его партнер - со спином 1/2, который имеет партнера со спином 0 (гравискаляр). (В некоторых моделях описываются несколько партнеров для каждого значения спина).

Эти партнеры подобны новым квантовым сверхсостояниям гравитона, и по-видимому, их существование гарантирует, что теории супергравитации содержат вполне приемлемые (в первом приближении) свойства квантового поля. Во всяком случае, все рассматриваемые теперь калибровочные теории квантовой гравитации содержат суперсимметричные состояния.

С одной стороны, частицы с полуцелым спином в этих, так называемых теориях супергравитации, вероятно, должны быть очень массивными. Энергия, соответствующая их массе покоя, должна быть не менее 10¹² эВ (в 1000 раз больше массы протона).

С другой стороны, частицы с целым спином, подобно гравитону, переносят силы и должны вызывать эффекты, величина которых скорее всего меньше гравитационных.По-видимому, и гравифотон, и гравискаляр имеют заметную массу покоя, поэтому их область действия должна быть конечной. Тем не менее, гравискаляр создает только притяжение, в то время как гравифотонные эффекты зависят от того, являются ли взаимодействующие частицы одинаковыми или различными. Обмен гравифотоном между веществом и веществом (или антивеществом и антивеществом) приведет к отталкиванию, гравифотонный обмен между веществом и антивеществом вызовет притяжение.

Интересно, что похожие эффекты были предсказаны в различных теориях, в которых проблема гравитации рассматривалась с других точек зрения. Некоторые современные метрические теории более высокой размерности, чем общепринятое 4-мерное пространство-время, также предсказывают появление новых частиц. Этот подход возвращает нас к работе более чем 60-летней давности, выполненной Т. Калуцей и О. Клейном, которые создали модель гравитации в многомерном пространстве-времени и затем "проектировали" ее на обычное пространство-время в надежде получить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Полвека модель Калуци-Клейна пребывала в забвении, но в последние десятилетия некоторые физики-теоретики вновь обратились к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если она будет расширена до еше более высокой размерности. Установлено, что многомерный гравитон (спин 2) при его переводе в обычные 4 измерения должен иметь несколько составляющих: 4-мерный гравитон (спин 2), двумерное векторное поле (спин 1), соответствующее гравифотону, и одномерное скалярное поле (спин 0), соответствующее гравискаляру. Как и в супергравитации, в некоторых моделях имеется несколько партнеров с одинаковым спином. Таким образом, неметрические теории супергравитации и метрические теории высших размерностей имеют поразительно похожие следствия.

В настоящее время имеется довольно широкий класс и других теоретических моделей, которые предсказывают существование новых слабых макроскопических сил.

Эти новые силы, переносимые новыми массивными частицами (такими, например, как гравифотон и гравискаляр ) можно обобщить в понятие пятой силы, или, имея в виду отталкивающую и притягивающую компоненты - пятой и шестой сил.

Так же, как и ядерные силы, они меняются пропорционально . Поэтому пятая сила для взаимодействия двух материальных частиц может быть записана как

(1)

Здесь Q₁ и Q₂ обозначают "заряды" (источники) пятой силы каждой материальной частицы, а f² - константа взаимодействия.

Следовательно, новые эффекты для взаимодействия двух макроскопических тел состоят в добавлении к обычной ньютоновской силе члена (или нескольких членов!) вида (1). Величина новой силы характеризуется так называемой эффективной константой взаимодействия, обычно обозначаемой , которая показывает, какую долю новая сила составляет от гравитации. Таким образом, суммарную силу взаимодействия двух масс m₁ и m₂ можно записать так (для простоты только с одним добавочным членом)

(2)

Здесь Gm₁m₂/r² - обычная ньютоновская сила (G - гравитационная постоянная), а a, как нетрудно видеть, есть отношение

(3)

Согласно Фишбаху, область действия пятой силы должна быть порядка нескольких сот метров, следовательно, масса частицы-переносчика должна быть порядка 10^-9 эВ (т.е. 10^-14 от массы электрона).

ЭКСПЕРИМЕНТЫ, В КОТОРЫХ МОЖЕТ БЫТЬ ОБНАРУЖЕНА ПЯТАЯ СИЛА

Обычно в физических теориях источником скалярного взаимодействия (также как и тензорного) является масса (энергия) частицы. Поэтому, если переносчик пятой силы - скалярная частица (например, гравискаляр), то зарядом пятой силы также, как и для гравитации, должна быть масса (энергия). Следовательно, в этом случае, как видно из формулы (3), эффективная константа взаимодействия, будет действительно константой, не зависящей от взаимодействующих тел.

Наоборот, масса (энергия) не является зарядом для векторного взаимодействия. Поэтому зарядом нового векторного поля, как предположил Фишбах, может быть гиперзаряд Y или барионный заряд B, что для макроскопических тел одно и тоже. (Напомним, что барионный заряд для обычного тела есть общее число протонов Z и нейтронов N, содержащееся в атомах данного тела). Барионный заряд приблизительно, но не совсем точно, пропорционален массе атомов. Вблизи центра таблицы Менделеева, где ядерные силы сильнее, число барионов на единицу массы максимально и оно уменьшается к началу и концу таблицы. Таким образом, эффективная константа взаимодействия в этом случае уже не является постоянной величиной, а будет зависить от химического состава тел.

Для экспериментального подтверждения существования новых сил, передаваемых новыми промежуточными частицами, мы можем получить измеряемые эффекты в двух типах физических экспериментов:

- прямое производство этих новых частиц;

- обнаружение новой силы в макроскопических гравитационных экспериментах.

Очевидно, первый путь пока не приемлем, так как ожидается, что большинство эффектов, вызываемых новыми частицами, будут проявляться при очень высоких энергиях (10¹⁴ ГэВ и выше). В современных ускорителях взаимодействие двух частиц может быть реализовано на гораздо более низком энергетическом уровне. Так что для обозримого будущего остается только второй путь.

В классических гравитационных экспериментах можно выделить две группы, в которых могут быть обнаружены новые силы.

1. Проверка закона обратных квадратов В экспериментах этого типа ищется аномальная сила (не подчиняющаяся закону обратных квадратов) между пробным телом и массой- источником взаимодействия при измерении зависимости силы, действующей на пробное тело, от расстояния. Эти эксперименты могут также рассматриваться как измерение зависимости гравитационной постоянной G от расстояния. Действительно, выражение (2) может быть записано в обычной форме закона Ньютона

(4)

но с эффективной гравитационной постоянной G(r), зависящей от расстояния

(5)

В этом выражении обозначает гравитационную постоянную, характеризующую взаимодействие для очень больших расстояний. Понятно, что в этих экспериментах может быть обнаружена как скалярная сила (она будет притягивающая и направлена так же, как и гравитационная), так и векторная (отталкивающая). Если одновременно существуют обе силы, то будет зарегистрирована их сумма. Заметим, что поскольку гипотетическая сила имеет характерный радиус действия , то проявить она себя может только на расстояниях, меньших . Поэтому, если в качестве источника выбрано протяженное тело, размеры которого больше , то вклад в эту новую силу будут давать только те массы источника, которые лежат внутри сферы радиусом и центром в пробном теле.

В зависимости от шкалы проверяемых расстояний в этом типе экспериментов в качестве взаимодействующих тел могут быть использованы: два лабораторных тела (лабораторные расстояния, от нескольких мм до 10 м); Земля и гравиметр (геофизические расстояния, от 10 м до нескольких км); Земля и орбитальный спутник (спутниковые расстояния, от 100 км до 1000 км); небесное тело и космический аппарат (астрономические расстояния, от 10³ км до 10⁸ км).

(окончание в следующем номере)