…ибо впервые стало ясно, что законы
(и пример тому законы Ньютона) очень долго
могут считаться правильными и всё же,
в конце-концов, оказаться неверными.
Р.Фейнман

Тяготение – прекрасная и таинственная сила, управляющая Вселенной. Это важнейшее физическое явление на протяжении всего существования человечества вызывало повышенный интерес, поскольку в своей повседневной практике человек непрерывно с ним сталкивался. Поэтому неудивительно, что природа этого явления занимала умы мыслителей со времён древней Греции.

Слово «гравитация» происходит от латинского слова «gravitas», означающего «вес, тяжесть». Однако гравитация выражает более широкое понятие, чем просто вес тела. Свободное падение тел на Землю издавна объяснялось наличием их таинственного притяжения к Земле. Астрономические наблюдения показали, что небесные тела также притягиваются друг к другу. Закон всемирного тяготения стал первым из законов природы, открытых на Земле, но действующих во всей Вселенной.

Природа гравитации оказалась самой сложной и увлекательной во всей современной фундаментальной физике. Естественной экспериментальной установкой для открытия природы гравитации послужила Солнечная система. Однако, несмотря на успехи современной физики, гравитация и в наши дни остаётся одной из самых загадочных явлений природы. Существует множество теорий, пытающихся объяснить её существование, но ни одна из них не является окончательной и безусловно верной. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие имеет свои особенности:

– гравитационное «поле» не удаётся ничем и никак экранировать, в отличие от электрического и магнитного полей;

– тяготение массивного тела (например, Земли) придаёт всем телам одинаковое ускорение, так что с одинаковой высоты они падают на Землю с одной и той же скоростью;

– масса тел, стоящая в законе всемирного тяготения, оказывается в точности равной массам, стоящим во втором законе Ньютона, т.е. гравитационная масса равна массе инерционной;

– в рамках современных представлений не ясно, что является посредником между телами при их гравитационном взаимодействии;

– скорость распространения гравитационного воздействия как минимум на одиннадцать порядков больше скорости света.

Загадка всемирного тяготения заключается ещё и в том, что до сих пор никто не знает, можно ли его преодолеть.

Существенной особенностью гравитации является и её универсальный характер – всё, что существует в природе, участвует в гравитационном взаимодействии. Или, как говорил Н.Тесла: «Я знаю, что гравитация — ключ ко всему» [10]. Кроме того, гравитация – это всегда только притяжение, а гравитационного отталкивания не существует. К загадке гравитации можно отнести и тот факт, что сумма полной энергии нашей Вселенной и её гравитационной энергии (в пределах точности астрофизических наблюдений) равна нулю [17].

Различают три этапа развития понимания тяготения. Первый из них связан с именем И.Ньютона, установившего всем известный закон всемирного тяготения: всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Однако «внимательное прочтение его замечательной книги «Математические начала натуральной философии» не обнаруживает в ней ни знаменитой формулы закона всемирного притяжения, ни его формулировки… И о том, кто его сформулировал, не сообщается» [3].

Второй этап связан с именем А.Эйнштейна, который изложил новую теорию гравитации, названную им Общей теорией относительности (ОТО). Тяготение по теории А.Эйнштейна есть воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи. Иными словами, тяготение обусловлено искривлением пространства: выяснилось, что все тела и вещества любого вида искривляют особым образом пространство, и это искривление как раз и проявляется в виде силы тяготения.

В последние годы мы являемся свидетелями усиленного пересмотра и детализации различных сторон классической эйнштейновской теории тяготения, попыток квантования (установления отдельных элементов) поля тяготения и включения его в общую систему отыскания ещё более тесных связей.

Существуют сотни попыток создания идеальной теории гравитации.

Качественные различия между гравитацией и другими силами становятся ещё более ясными, если попытаться сформулировать теорию гравитации, согласующуюся с основами квантовой механики. Квантовый мир никогда не находится в состоянии покоя. Например, в квантовой теории электромагнетизма значения электромагнитных полей беспрерывно флуктуируют. Во Вселенной, подчиняющейся законам квантовой гравитации, кривизна пространства-времени и даже сама его структура тоже должны будут флуктуировать. Возможно, что последовательность каких-то событий в мире и самый смысл понятий прошедшего и будущего окажутся подверженными изменениям.

Согласно квантовой теории гравитации [17] законы, управляющие нашим миром, в самой своей основе – это законы квантовой механики. По мнению автора указанной теории, в фундаменте всех физических взаимодействий лежит принцип неопределённости. Но ни закон тяготения И.Ньютона, ни его модификация, сделанная А.Эйнштейном в общей теории относительности, совершенно не учитывают этот фундаментальный принцип. По мнению автора, эффект гравитации – это исключительно квантовый эффект: большая масса ограничивает неопределённость в движении частицы и в результате притягивает её.

Согласно квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами – квантами гравитационного излучения. Ещё в 1967 году А.Д.Сахаров предположил, что гравитация может быть чисто квантовым явлением, возникающим вследствие энергии вакуума.

Предложен новый вариант давно известного и отвергнутого объяснения причины гравитации как результата воздействия на тела очень маленьких частиц – гравитонов, суммарное действие которых приводит к «приталкиванию» одного тела к другому. Это позволяет объяснить механизм наблюдаемого «притяжения» одних тел к другим без привлечения теории относительности и понятия об искривлении пространства. По мнению авторов, гравитационное поле – область пространства, в которой оси вращения квантов (бионов) направлены к центру масс объекта, а сами бионы синхронно вращаются с частотами, зависящими от удалённости от объекта. Сумма элементарных магнитных полей всех бионов создаёт гравитационное поле каждого физического объекта, а взаимодействие таких полей между собой (посредством бионов) и определяет гравитационное взаимодействие.

О возможности существования механизма «приталкивания» космических тел (как альтернативного их «притяжению») говорили многие учёные, в том числе и Лессаж. Он рассматривал «гравитоны» как частички, глубоко проникающие в планету, и создающие разность давлений на неё вследствие образования «гравитонной тени» от Солнца. Эту модель подверг критике А.Пуанкаре, показав, что сопутствующее приталкиванию поглощение этих микрочастиц в небесном теле должно сопровождаться их нагревом до температур, не наблюдающихся на практике. Кроме того, планеты в своём движении должны были бы тормозиться «гравитонным газом», чего также не наблюдается. О таком торможении говорил и Р.Фейнман в своих лекциях. Эти возражения обоснованы лишь при определённых предположениях о свойствах гравитонов, которых не предполагали эти исследователи, и без учёта следствий из этих свойств. Одним из таких следствий является существование «космической метлы», благодаря действию которой преодолевается торможение планет «гравитонным газом», и осуществляется их вечное вращение.

В последние десятилетия разработаны несколько перспективных подходов к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и прочие. Однако недавний кризис суперструнных теорий поколебал эту уверенность. В такой ситуации больше внимания стали привлекать иные подходы к описанию квантовогравитационных явлений, и, в частности, петлевая квантовая гравитация.

Петлевая квантовая гравитация принципиально отличается от обычных физических теорий, включая и теорию суперструн. В петлевой теории гравитации главные объекты – маленькие квантовые ячейки пространства, определённым способом соединённые друг с другом. Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким «внутренним временем»: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее». Закон этот устроен так, что для достаточно большой Вселенной с малой концентрацией энергии (т.е. далекой от сингулярности) ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время [12]. То есть согласно петлевой гравитации, квантуется не только материя, но и само пространство.

В последнее время появилось большое количество теорий по электрической природе гравитации. Данный подход основывается на следующем предположении: если материя едина, то и все взаимодействия материальных тел должны иметь единую природу. Поэтому ведутся настойчивые попытки объединения всех взаимодействий и создания единой теории поля. Эта работа была начата Дж.Максвеллом, который своими знаменитыми уравнениями объединил электрические и магнитные взаимодействия и доказал наличие единого электромагнитного поля.

формате PDF (660Кб)