Волны кривизны, или в небо, за звездами

Кто не видел волн на воде — набегающих на морской берег, ряби на реке под легким ветром, кругов, расходящихся от брошенного в пруд камня? Мы знаем радиоволны, знаем, что свет — это тоже волны; квантовая механика категорически подчеркивает волновые свойства элементарных частиц.

Чем же на этом фоне так уж выделяются гравитационные волны, что они собой представляют? Или должны представлять, поскольку пока они только предсказаны, только вычислены, только описаны. — и не более того…

Уравнения Эйнштейна гораздо сложнее уравнений Максвелла. Но структура тех и других уравнений сходна. Из теории Максвелла следовало, что при неравномерном движении электрического заряда возникают электромагнитные волны. Именно таково в конечном счете происхождение и радиоволн, и рентгеновских лучей, и самого обыкновенного видимого света.

Немецкий физик Генрих Герц впервые в опыте показал реальность электромагнитных волн. Это случилось в 1888 году.

Понадобилось всего семь лет, чтобы Александр Попов превратил электромагнитные волны в средство коммуникации, и человечество получило радиосвязь.

Так вот, неравномерное движение «гравитационных зарядов» (а такие «заряды», как вы знаете, несут все известные нам тела) тоже должно создавать волны, только, естественно, гравитационные. Поскольку же гравитация тесно связана с геометрическими свойствами пространства, то колебания поля тяготения есть колебания кривизны пространства.

Необходимая оговорка: польский физик Леопольд Инфельд доказывал, что гравитационные волны невозможны, невозможен реальный перенос ими энергии. Но мало кто из теоретиков разделяет сегодня эту точку зрения.

Равномерное движение в нашем мире встречается не так уж часто. Движение Земли и других планет вокруг Солнца — движение с угловым ускорением, значит, неравномерное. Любое космическое тело при движении по своей орбите излучает гравитационные волны, они рождаются и при любых столкновениях тел, при взрывах — словом, буквально всюду.

Мир должен быть пронизан гравитационными волнами. А поскольку они подчиняются законам квантовой механики, то являются одновременно материальными частицами, имеют массу. По некоторым подсчетам, около трети всей массы-энергии в нашей Вселенной составляют именно гравитоны, родившиеся в течение тех десяти — двадцати миллиардов лет, которые отводят астрофизики на существование Метагалактики. В каждом кубическом сантиметре космического пространства содержится, возможно, десять в минус тридцатой степени грамма гравитонов — столько же, сколько (в среднем) всей видимой материи — от звезд до фотонов (еще треть массы мира составляют, возможно, нейтрино). И вот это-то грандиозное явление пока что только описано, но не обнаружено. Причина — та самая слабость силы тяготения, о которой уже столько раз говорилось. Вот какой пример приводит В. Борисов в книге «Загадка тяготения»: «Если взять несколько брусков кварца массой в 1 т, возбудить в них такие упругие колебания, что бруски будут колебаться в режиме, близком к разрушению (на это понадобится 108 Вт мощности), мощность всего гравитационного излучения составит 10-21 Вт».

Коэффициент полезного действия в этом случае составит одну стомиллионную долю от одной квадриллионной доли: десять в минус двадцать девятой степени.

Пожалуй, только в области тяготения ученым приходится практически иметь дело с десятками, над которыми стоят в качестве показателей степени столь огромные отрицательные числа! Тут гравитационщикам не позавидуют даже специалисты по элементарным частицам.

Причем Борисов еще считает нужным оговорить, что приведенный им пример — «один из наиболее удачных в отношении коэффициента полезного действия».

Мало того. При приеме излученной гравитационной энергии нам придется иметь дело с той же величиной КПД. Значит, при массе излучателя в одну тонну на приемной гравитационной антенне придется измерять величину, равную всего-навсего десяти в минус пятидесятой степени ватта. Похоже, что бессмысленно передавать эту чудовищно малую величину словами, лучше написать так: 10-50.

Но ведь в мире столько природных источников гравитационных волн! Вселенная просто переполнена ими. Однако ближайшие из них тоже не отличаются мощностью. Самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, излучает в виде гравитационных волн ровно столько энергии, сколько достаточно для электролампочки в четыреста пятьдесят ватт. Не густо. Что говорить об остальных планетах?

Зато чем дальше в космос, тем больше мы встретим мощных генераторов гравитационного излучения. При некоторых взрывах сверхновых звезд, при гравитационном коллапсе (если он происходит несимметрично, то есть вещество звезды не устремляется к ее центру со всех сторон с одной и той же скоростью), при столкновениях нейтронных звезд и черных дыр гравитационные волны должны излучаться в огромных количествах. Предполагают, что тут возможен КПД перехода массы-энергии в гравитационное излучение, равный десяткам процентов. Энергия такого излучения оценивается теперь в эргах числом, равным десяти в пятьдесят второй— пятьдесят пятой степени. Снова огромная величина показателя степени, но теперь со знаком плюс! Вот как пополняются «запасы» гравитонов в Метагалактике, составляющие, возможно, до трети ее массы. Но гравитационные волны от мощных взрывов всех видов рассеиваются в пространстве равномерно, до Земли доходит ничтожная доля их энергии. А КПД земной гравитационной антенны по-прежнему чрезвычайно низок.

И все-таки охота за гравитационными волнами началась. Ученый, который их обнаружит, станет новым Генрихом Герцем.

Ловля гравитонов — занятие сложное. Чтобы поймать радиоволну, как и любую электромагнитную волну, достаточно в принципе всего-навсего одного электрического заряда. Волна заставит его сместиться, а это смещение можно измерить.

Есть два основных способа принять гравитационные волны из космоса. Можно использовать то обстоятельство, что гравитационное излучение взаимодействует с электромагнитным полем и способно возбудить в нем колебания, которые и подлежат измерению. Можно измерить смещение тел в высокочувствительной механической системе. Именно этим и занимался в 1968–1971 годах профессор Мерилэндского университета в США Джозеф Вебер.

…На тонких нитях к раме из стальных блоков, разделенных резиновыми прокладками, подвешен алюминиевый цилиндр длиною полтора метра, диаметром шестьдесят сантиметров и весом полторы тонны. На поверхность цилиндра наклеены пьезодатчики, переводящие его механические колебания в электрические. Все это сооружение помещено в вакуумную камеру. Второй такой же цилиндр был установлен на расстоянии в тысячу километров от первого.

С помощью сейсмографов, акустических датчиков, наклономеров стремились отсеять все колебания, вызванные внешними воздействиями, не связанными с гравитационными волнами. Оставались, правда, неустранимы слабые колебания, причиной которых были тепловые шумы — результат броуновского движения молекул.

Вебер считал, что при этих условиях одновременные всплески колебаний обоих цилиндров — признак воздействия на них очень длинных (многокилометровых) гравитационных волн. Приборы отметили такие всплески, и во всех, пожалуй, газетах и журналах мира появились сообщения о первом приеме гравитационного излучения.

Астрофизики, однако, пришли в большое смущение. Чувствительность веберовской системы была, несмотря на все старания, очень низка. Если тем не менее прием состоялся, это означало, что во Вселенной происходят процессы, мощность которых не соответствует теоретическим представлениям астрономов. Предполагаемым источником волн, которые Вебер пытался принять, является центр нашей Галактики. Для того, чтобы антенна их зафиксировала, в центре Галактики должна была ежегодно переходить в гравитационное излучение полная энергия вещества с массою в тысячу с лишним раз больше солнечной. Для Галактики чересчур много. При таких процессах, похоже, давно бы не существовало пашей звездной системы. Но теория теорией, а эксперимент экспериментом. Подобное проверяют подобным, клин вышибают клином, эксперимент провернется другим экспериментом.

Первыми в мире проверяли опыт Вебера в Московском университете. Это сделала группа Брагинского. Волн не приняли. Потом эксперимент повторяли в США и Англии, Италии и ФРГ… Эффект Вебера тоже не повторился.

Что же произошло?

По-видимому, установка Вебера не была достаточно защищена от внешнего «постороннего» воздействия. Во всяком случае обнаружено, что некоторые моменты, в которые антенна Вебера регистрировала приход волн, совпадают во времени с изменениями солнечной активности и магнитного поля Земли.

Первая атака оказалась неудачной, но она стала важным звеном планомерного штурма проблемы.

В том же 1971 году, когда Вебер закончил свои опыты, появилась в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики» работа В. Б. Брагинского и М. Б. Менского. Она излагала способ, обещающий повысить чувствительность коротковолновых гравиприемников на восемь порядков по сравнению с антенной Вебера, то есть в сто миллионов раз. Этим новый метод гравиприема обязан принципиально новому подходу к проблеме. Измеряться должны не механические колебания твердого тела, а изменение свойств цуга — сгустка электромагнитных волн. Слово «цуг» — немецкого происхождения и означает запряжку лошадей гуськом, в две или три пары. Цуг волн в новом гравиприемнике должен быть пущен по круговому волноводу. Согласно законам общей теории относительности, гравитационная волна воздействует на волны электромагнитные. На одних участках волновода она их «подгонит», на других— «притормозит». Выразится это в изменении частоты электромагнитных волн и сдвиге их фазы. Если теперь правильно подобрать то и другое, в принципе можно изменить диаметр круга и время его обегания цугом так, чтобы это время было вдвое меньше периода колебаний гравитационной волны; наступит резонанс: на одних и тех же участках волновода цуг будет снова и снова ускоряться, на других снова и снова замедляться. Это и позволяет резко повысить чувствительность прибора. Резко, но пока недостаточно для приема предполагаемых гравитационных волн.

Теоретики — тут большую роль играют советские ученые, группирующиеся вокруг академика Я. Б. Зельдовича, — стали рассчитывать, какие именно волны, какой длины и всплесками какой продолжительности должны приходить на Землю от гравитационных источников разного типа. Такие расчеты были проделаны, например, для шарового скопления, содержащего примерно миллиард сверхплотных звезд (пульсаров, черных дыр). Гравитационные волны должны были излучаться при пролете звезд на близком расстоянии друг от друга и при их столкновениях.

Для приема излучения от такого скопления надо настроить детектор на частоту сто герц (длина волны — три тысячи километров). При этом чувствительность гравитационной антенны должна быть достаточной, чтобы зарегистрировать амплитуду колебаний в десять в минус шестнадцатой степени сантиметра за одну сотую секунды.

Самые мощные из предполагаемых источников гравитационных волн — черные дыры с массою в миллион или миллиард солнечных масс. Точнее говоря, не сами дыры, а процессы их образования, если схлопывание звезд имеет несимметричный характер, если вещество звезды устремляется к центру ее неравномерно с разных сторон. Но черные дыры — все-таки гипотетические объекты. То же относится к процессам, при которых они образуются. Реальнее рассчитывать на волны, идущие от нейтронных звезд, масса которых не может быть намного больше солнечной.

Гравитационные антенны придется изолировать не только от сейсмических и акустических шумов, но и от магнитных воздействий любого типа, и, что труднее всего, от тепловых шумов. Тут надо будет работать при максимально низкой температуре, в гигантских холодильниках.

Большие возможности открывает космос.

Надо вынести две массы, составляющие гравитационную антенну, за пределы атмосферы — конечно, на спутниках. Желательно на спутниках, свободных от сноса. Здесь длину антенны, расстояние между пробными массами можно сделать сколь угодно большой — скажем, размером с радиус земной орбиты или еще больше.

Такая антенна будет предназначена для сверхдлинных гравитационных волн.

«Обычно экспериментаторы интуитивно отдают предпочтение лабораторным земным вариантам опыта по сравнению с космическими», — пишут по этому поводу В. Б. Брагинский и В. Н. Руденко. Причина понятна. Космические эксперименты дороги. Но в случае с гравитационными волнами и лабораторные эксперименты весьма недешевы. А на разработку надежных систем защиты от всевозможных шумов и необходимое повышение точности измерений в лаборатории требуется, по мнению оптимистов, минимум пять лет, чтобы стал реален «опыт Герца». Пессимисты увеличивают срок втрое. Между тем космическую антенну нужной чувствительности можно запустить в принципе в самое ближайшее время. Можно даже использовать космические станции обычного типа, то есть несвободные от сноса, расположив их соответствующим образом и применив изощренные методы отсеивания влияний, не относящихся к делу, с помощью расчетов.

Как ни велики надежды на космос, разрабатываются все новые наземные варианты антенн.

Так, в конце пятидесятых годов М. Е. Герценштейн указал вот еще на какую возможность. Свет и радиоволны, проходя через магнитное поле, должны порождать гравитационные волны. Причем эти волны имеют очень высокую частоту — ту же, что сами электромагнитные колебания, их породившие.

КПД превращения здесь значительно выше, чем в случае с механическими колебаниями. Например, энергия гравитационных волн, вызванных к жизни электромагнитным излучением звезд в межзвездных магнитных полях, должна быть меньше энергии электромагнитного излучения лишь в десять в шестнадцатой степени раз. Довольно «энергичны» должны быть и гравитационные волны, возбуждающиеся при проходе видимого и невидимого света через внутризвездное магнитное поле.

Во время термоядерных реакций в недрах звезд, в том числе и Солнца, постоянно возникает жесткое электромагнитное излучение. По дороге к поверхности звезды оно идет через ее магнитное поле — опять-таки появляются гравитационные волны.

То обстоятельство, что свет в магнитном поле может порождать гравитационные волны, открывает возможность создания их излучателя.

Тут появляется, в частности, — в очень далекой перспективе, конечно, — и возможность создания «гравитационного лазера». В обычных лазерах мы получаем очень узкие направленные пучки света. Гравитационные волны, порожденные таким лазером, тоже будут идти узким пучком. КПД превращения электромагнитных волн в гравитационные пропорционален квадрату напряженности магнитного поля и квадрату длины пути света в этом поле. Такая зависимость считается очень выгодной. Ведь каждый шаг вперед в усилении поля и увеличении его размеров дает эффект, возведенный в квадрат. Достаточно усилить напряженность поля в десять раз, и в сто раз большая доля энергии света перейдет в гравитационное излучение. А если при этом удастся в десять раз удлинить дорогу света через поле, то уже можно говорить в общей сложности о десятитысячекратном увеличении. Но десять тысяч — это только десять в четвертой степени. Немного рядом с величинами, характеризующими гравитационные волны.

Но это все-таки один из путей, открытых науке. А может быть, удастся найти физические процессы, которые надут гораздо больший КПД превращения света в волны тяготения?

Пока же ученые работают над использованием в гравитехнике уже известных процессов.

Сейчас появилось большое количество конкретных проектов гравитационных антенн на этой основе.

Л. П. Грищук и М. В. Сажин детально разработали проект излучателя, в котором колебания электромагнитного поля создают пучок гравитационных волн.

Казанские физики У. X. Копвиллем и В. Р. Нагибаров уже давно предложили идею создания своего рода гравитационного лазера, где должны складываться вместе излучения десяти секстильонов элементарных источников. К сожалению, идея пока недостаточно разработана даже в чисто теоретическом плане.

А. А. Соколов, Д. В. Гальцов и Ю. В. Грац предлагают использовать для генерации гравитационных волн движение электронов в плазме…

Новые типы механических приемников и излучателей предлагаются В. Б. Брагинским и В. Н. Руденко.

Словом, идей много. И если до их конкретного воплощения в жизнь достаточно далеко и стоить это будет большого труда, то зато перспективы здесь необъятны.

…Простым глазом в самую звездную ночь увидишь в небе лишь несколько тысяч светящихся точек. Телескопы резко умножили число звезд, то же сделали затем радиотелескопы. И все-таки эта открывающаяся нам бездна, что звезд полна, должна быть полна ими в еще большей степени. Задумаемся вот над каким фактом. Мы видим только те космические тела, что светятся своим или отраженным светом, те тела, что посылают нам электромагнитные волны. (Радиозвезды в конце концов излучают те же электромагнитные волны, только другой, не световой частоты.)

Ну, а как быть с теми небесными телами, что еще не зажглись или уже погасли? Для нас они не существуют. Мы словно бродим по ночному лесу, видя в нем только гнилушки да светлячков. Слишком сильное сравнение? Наверняка. Но мы действительно видим на небе лишь то, что светится. Это, конечно, не вина, наша, а беда.

Разумеется, по тончайшим деталям видимого движения звезд иногда удается узнать, не двойные ли они, может ли быть у такого-то светила планетная система. Тут помогает знание законов тяготения и небесной механики. Но отдельные солнца нашей Галактики разделяют такие чудовищные пространства, что ни Ньютон, ни Эйнштейн со всеми их законами не запретят существование в этих просторах темных звезд, не излучающих ни световых, ни радиоволн. Астрономы-теоретики даже рассчитали, какими могут быть эти таинственные звезды, предсказали их возможные массу, свойства, особенности; фантасты прикинули, как невидимые космические «не-светила» будут мешать межзвездным путешествиям, что за жизнь возникнет на их вечно ночной поверхности.

Впрочем, дело тут не в фантастах. Может быть, нынешний звездный глобус будет скоро выглядеть еще более наивно, чем доколумбовский земной глобус, обходившийся без трех частей света из шести возможных. Преображение звездного глобуса должна произвести гравитационная астрономия, которая, вероятно, когда-нибудь позволит разглядеть многие из звезд-невидимок.

Она же решит тем самым некоторые вселенские проблемы.

С 1933 года существует в астрономии «парадокс Цвикки», «парадокс скрытых масс». Суть его вот в чем. Масса каждой галактики связана с ее светимостью.

По тому, сколько света исходит от галактики (или скопления галактик), высчитывают, разумеется, примерно, ее массу. Но ту же самую массу можно определить и другим способом — по скоростям обращения звезд, расположенных на разных расстояниях от центра галактики. Последний метод должен быть более точным, поскольку на движение звезды в галактике влияет именно притяжение, масса остальных объектов этой большой звездной системы.

В первом случае учитываются только видимые объекты, во втором — все.

Разница в результатах, полученных первым и вторым методом, никак не может быть объяснена неточностью вычислений. Масса галактики (или группы галактик), определенная по движению звезд, может быть и в два, и в десять и в сто раз больше, чем масса, определенная по светимости.

Каких только гипотез не выдвигают для разрешения парадокса Цвикки! Пересматривают плотность межзвездного газа. Предлагают считать, что группы галактик очень быстро расширяются (и верно: при этом «парадокс скрытых масс» снимается).

Предполагают, что видимые части галактик на самом деле лишь центральные их области, окруженные далеко за принятыми ныне их пределами межзвездным газом, масса которого и объясняет эффект. И т. д. и т. п. Однако достаточно давно выдвигалась идея о том, что скрытые массы составлены просто-напросто несветящимися звездами, возможно, гораздо меньшими, чем Солнце.

Последняя гипотеза, можно сказать, напрашивается. И все-таки особой популярностью она не пользуется. Причина проста — ее нельзя проверить. А наша наука слишком прочно, пожалуй, покоится на фундаментальных принципах тех же Галилея и Ньютона да еще Френсиса Бэкона, требующих эксперимента, проверки. Ну как исследовать проблему, которую нельзя решить ни наблюдением, ни расчетом? Ученые в аналогичных случаях нередко предпочитают изучать менее вероятные предположения, если есть зато возможность их проверить.

Вот тут гравитационная астрономия тоже скажет свое веское слово. Конечно, не сразу. Сначала ее техника, вероятно, позволит исследовать только мощные процессы взрывного типа. Но ведь лиха беда — начало!

Не менее, если не более важно, что гравитационные волны сообщат нам самые интимные подробности внутреннего строения Солнца, ведь оно для этих волн прозрачно. Значит, гравитационное излучение, возникшее при перемещении внутрисолнечных масс и движении электромагнитных воли через поле Солнце, до нас дойдет. Дойдут до гравиприемников и те гравитационные волны, что пришли со стороны и по дороге пронизали Солнце. По тому, как подействовало на таких «транзитников» поле Солнца, можно будет составить об этом поле реальное представление.

А там за «опытом Герца» должна прийти очередь «опыта Попова».

 

Тяготение, работай!

Есть что-то приторное в заявлениях, будто наука обгоняет фантастику, разве что следует рассматривать такие заявления, как сугубо риторические, которым не верят и сами их авторы. Функция фантастики, ее прямое назначение — опережать науку, заглядывая в будущее. Выполнить такое назначение тем легче, что на будущее-то научная фантастика смотрит с высоко поднятых вверх ладоней своей кормилицы-науки.

Есть, однако, по крайней мере один случай, когда фантастика не угналась за наукой. Радио как средство связи не было угадано писателями. И Жюль Верн с запоздалой торопливостью вставил его в один из своих романов уже спустя достаточно много времени после открытия Александра Попова. Уж больно, наверное, антинаучно звучал бы до 1895 года рассказ о связи на многотысячекилометровом расстоянии без проводов… Открытие радио развязало фантастам руки, освободило еще одно направление для путешествий воображения. И о гравитационной связи, связи на гравитационных волнах писали уже не раз. Часто, впрочем, принимая при этом, что скорость их много выше скорости света. На самом деле скорость гравитационных волн равна скорости света, и, значит, выигрыша во времени тут получить не удастся, но во многих других отношениях грависвязь должна иметь огромные преимущества перед радио.

Ну, во-первых, для радиоволн практически непроницаемы многие твердые тела и жидкости. А гравитационные волны не знают серьезных преград. Они глубоко проникают в тела звезд и планет, способны проходить сквозь них, как свет проходит сквозь стекло.

В современной радиоволновой технике одна из главных, если не просто главная задача, — борьба с помехами связи; так называемая магнитная буря и даже обыкновенная гроза способны доставить массу неприятностей радистам. Ученые, занимающиеся проблемами радиосвязи, утверждают, что большая половина сил в их области деятельности уходила и уходит на защиту аппаратуры от помех все новыми и новыми способами. И хотя успехи тут достигнуты немалые, но решить эту проблему до конца, по-видимому, просто невозможно; такова уж природа радиоволн, а с природой не поспоришь.

Гравитационные волны от природы помехоустойчивы — идеальное в этом смысле средство связи на любом расстоянии. И недаром же у многих физиков вызывают скептическое отношение попытки связаться с внеземными цивилизациями на радиоволнах: на нашей планете радиосвязь существует всего восемьдесят с небольшим лет, и никак нельзя поручиться, что при стольких-то недостатках она продержится хотя бы еще восемьдесят лет; конечно, при условии, что ей найдется замена. Может быть, у цивилизаций в других мирах срок временного пользования радиосвязью был еще короче, поскольку они овладели связью гравитационной.

Не исключено, что мы сначала научимся передавать и принимать искусственно созданные гравитационные волны, а уже потом создадим гравитационную астрономию, о которой шла речь в предыдущем разделе.

Но тогда дело дойдет обязательно и до попыток поймать идущие от внеземных цивилизаций сигналы на гравитационных волнах. Уже опубликованы некоторые интересные проекты, посвященные проблеме организации таких попыток. Например, советский ученый Л. X. Ингель поместил в «Астрономическом журнале» статью, в которой предложил использовать эффект фокусировки гравитационных волн для облегчения их приема. В качестве гигантской линзы выступает здесь само Солнце, и оно способно преломить гравитационные волны, как стеклянная линза преломляет лучи света. Гравитационные волны материальные, они обладают массой, стало быть, искривленное Солнцем пространство-время должно искривлять и их путь через само Солнце, как искривляет оно лучи света.

В пучке гравитационных волн, проходящем через Солнце, волны по-разному отклонятся от своего прежнего пути в зависимости от того, через какие участки нашей Дневной звезды они идут. Поток гравитонов, пересекший центр светила, так и останется прямым — сила тяжести в центре Солнца равна нулю. Но чем дальше от этого центра к краю, тем сильнее отклонятся гравитоны. И параллельный пучок гравитационных волн окажется в конечном счете сфокусированным. Ингель нашел и место фокуса. По его расчетам, гравитационные волны, в прошлом параллельные, соберутся в одну точку в сорока миллиардах километров от Солнца. Много это или мало? С одной стороны, это расстояние равно миллиону земных экваторов. С другой стороны, еще Маяковский отметил, что «даже до луны расстояние советскому жителю кажется чепухой», а с тех пор, как были написаны эти строчки, земляне вообще приучились не удивляться астрономическим цифрам. Миллион экваторов в такой ситуации — размер, мало что говорящий не астроному. Остается сказать, что радиус орбиты последней (во всяком случае — последней большой) планеты в нашей Солнечной системе — Плутона — примерно шесть миллиардов километров. Итак, «гравитационный фокус» Солнца находится на расстоянии всего лишь в шесть и шесть десятых раза большем.

Прикинем: Луна (расстояние триста восемьдесят тысяч километров) достигнута «безлюдными» ракетами в начале шестидесятых годов, Марс в конце шестидесятых, человек высадился на Луне в 1968 году, на Марсе высадится, по-видимому, в восьмидесятых годах. Ей-ей, не так уж далеко при таких темпах и до Плутона и до гравитационного фокуса — точнее, до воображаемой сферы, на которой размещены точки таких фокусов.

Солнце, как известно достаточно точно, круглое. Оно одно может служить линзой для любых пучков гравитационных волн, из каких бы точек небосвода эти волны ни приходили к нему. Место фокуса на сфере радиусом в сорок миллиардов километров будет, конечно, меняться в зависимости от того, откуда именно придут сигналы. Пункт, на который придется фокус, сможет найти космический корабль с Земли с гравитационным приемником на борту.

Точно так же, как в случае с радиоволнами, такой способ приема космических сигналов фантастика предложить не успела. Как не успела она предложить и построенный по тому же принципу «эксплуатации» Солнца способ передачи гравитационных волн. Надо «просто» поставить на тот самый корабль, что обнаружил очередную точку гравитационного фокуса, гравипередатчик и из этой самой точки отправить гравитационный волновой сигнал к Солнцу. Все произойдет в обратном порядке. Пучок гравитонов по дороге несколько разойдется. Солнце сделает сто почти параллельным, отклонив волны с их прежних путей. Вырвавшись из Солнца, гравитоны устремятся к той самой звезде, которая послала нам свой сигнал: неведомый наш корреспондент окажется найденным, так сказать, автоматически.

Конечно, законы физики заставят пучок гравитационных волн слегка расходиться по дороге через космическое пространство, но, согласно выводам Ингеля, для пучка диаметром в тысячу километров такое расхождение не станет серьезным на расстоянии порядка десяти тысяч световых лет. Ближайшая к нам звезда находится всего в четырех целых и трех десятых светового года от Земли, а расстояния до самых дальних звезд нашей Галактики составляют примерно сто тысяч световых лет. Значит, так мы сможем связаться со значительной частью «местных» звездных систем при условии, что в них есть цивилизации, освоившие гравитационную связь. А если дело обстоит именно так, то их дежурные корабли давно совершают патрульные полеты по сфере гравитационного фокуса своих солнц.

Конечно, размеры такой сферы даже страшно себе представить, как страшно и подсчитывать количество космических аппаратов, потребных для ее патрулирования. Даже если учитывать расположение звезд, откуда можно ждать сигналов. Страшно потому, что это относится и к соответствующей солнечной сфере. И все-таки… Раз сегодня ученые придумывают такие вещи, послезавтра они сумеют воплотить их в жизнь, если не найдут чего-то лучшего.

Солнце в роли ретранслятора (со всеми оговорками насчет неточности сравнения), Солнце в роли почтальона, направляющего послание по адресу, Солнце в роли… ряд сравнений можно продолжить. И все эти роли оно сможет играть не потому, что согревает и освещает Землю, а только в силу того, что обладает большой массой и соответственно мощным тяготением. Остается добавить, что здесь говорилось в связи с гипотезой Ингеля о поведении в гравитационном поле светил именно гравитационных волн постольку, поскольку это вдвойне отвечало теме данной книги. Но сам Ингель указывает, что совершенно аналогичные явления происходят при проходе через Солнце пучка нейтрино — конечно, потому, что нейтрино тоже идут через пространство-время, искривленное огромной массой Солнца.

Связь с помощью радиоволн — лишь малая часть того, что получило человечество, овладев электромагнитной энергией — тем, что в просторечии зовется электричеством. А как будет с гравитацией?

Представим себе только: найдя путь к использованию тяготения, мы откроем для себя самые большие энергетические «залежи» из возможных; мало того, «залежи» высшей формы энергии, легко превращаемой в другие, низшие формы. Конечно, это будет поначалу, наверное, дорогая энергия, и она не вытеснит — во всяком случае сразу — из нашей жизни тепловых и гидростанций, как не сделал это сам атом. Но у гравитационной энергии не должно быть тех недостатков, что так характерны для атомной.

Когда же здесь будут сделаны хотя бы первые шаги?

Артур Кларк в книге «Черты будущего» дал список будущих побед человечества над природой — с примерными датами. Он «назначил» там открытие гравитационных волн на 1980 год, а овладение гравитацией отнес на конец XXI столетия. Ныне покойный академик АН УССР А. 3. Петров, тогда председатель гравитационной комиссии АН СССР, заведующий отделом теории относительности и гравитации в Институте теоретической физики в Киеве, соглашался с первой частью этого прогноза и не поддержал вторую; вряд ли, по его мнению, физика так долго будет овладевать гравитацией. Стоит оглянуться на сравнительно недавнее прошлое взаимоотношений науки фундаментальной и прикладной, чтобы увидеть, подчеркивал советский ученый, как сокращается время между открытием научного принципа и моментом, когда созданный на его основе прибор входит в жизнь. И действительно, телефонная связь ждала своего часа пятьдесят лет. Радиопередатчик Попова отделен от опытов, в которых Герц обнаружил радиоволны, всего семью годами. Физики не захотят откладывать управление гравитацией на столетие. Ключ к нему Петров видел в открытии гравитационных волн: «Уверен, что сегодня никакие фантасты не смогут предсказать тех гигантских изменений, что придут в технику с экспериментальным обнаружением гравитационных волн».

Использование энергии тяготения в космосе прямо-таки напрашивается. Скажем, для того, чтобы добраться до планет, есть прямой смысл заставить космический корабль по дороге с какого-то момента падать на Солнце с выключенными двигателями. Естественно, поскольку корабль движется относительно Солнца, он будет падать на него точно так же, как «падает» на Солнце наша Земля, то есть попросту начнет двигаться вокруг Солнца по эллиптической траектории, станет планетой Солнечной системы, только искусственной. Требуется предварительно рассчитать его орбиту так, чтобы в какой-то точке она подошла максимально близко к планете назначения, в этой точке на корабле снова включат двигатели. Весь промежуточный участок пути будет пройден за счет гравитационной энергии Солнца.

Разработал эту схему еще в 1920-е годы немецкий ученый В. Гоман. Сегодня автоматические космические корабли к Венере и Марсу летят именно по таким «ленивым» траекториям. «Солнечный зонд», о котором говорилось выше, в середине восьмидесятых годов для того, чтобы поближе подобраться к Солнцу, использует гравитационное поле Юпитера.

Довольно нескоро человечество, видимо, сможет позволить себе тратить на кораблях горючее в таких размерах, чтобы они летели к планетам прямиком. Но сам принцип «утилизации» по пути бесплатной и ничего не весящей энергии тяготения будет, очень возможно, использован в межзвездных полетах. Вот описание такого способа дальних полетов из рассказа Михаила Пухова — не только фантаста, но и физика: «Вы когда-нибудь видели бильярд? Вот и прекрасно. Карамболем называют сложный удар, при котором биток, прежде чем коснуться мишени, задевает промежуточный шар. Или несколько промежуточных шаров. А мы пользуемся этим термином для полетов с гравитационным разгоном и поворотом… Первые такие рейсы выполнялись еще в XX веке, когда облет Венеры или Юпитера по пути к другим планетам позволял набрать лишнюю скорость и сберечь топливо. Потом этот маневр временно умер, чтобы возродиться при первых полетах к звездам. Правда, задача карамболя изменилась. Раньше он применялся в основном для увеличения скорости, теперь для изменения ее направления».

Смысл маневра в том, что чудовищное поле у нейтронной звезды или черной дыры иcкpивляeт пространство так, что в нем искривляется на определенный угол и путь летящего по инерции корабля. «Экономится уйма энергии и вещества».

Но это, так сказать, напрашивающееся транспортное использование гравитационной энергии, недаром принципиально ее начали разрабатывать так давно.

Трудно предсказать, как именно удастся черпать гравитационную энергию для общепроизводственных, что ли, целей. Однако проекты гравитационных генераторов время от времени появляются. Взгляды некоторых ученых уже сейчас обращаются к черным дырам. Разумеется, прежде всего к маленьким, «удобным в обращении», портативным.

Вот один из проектов добычи энергии из черной дыры. Минидыру надо доставить поближе к Земле и сделать ее спутником. Для этого космический корабль должен будет подойти к черной дыре достаточно близко, чтобы гравитационная связь между ними стала прочной, а затем двинуться к Земле, держа за собой на буксире тяготения будущий «энергетический спутник» Земли. После того, как черная дыра займет на околоземной орбите отведенное ей место, космический корабль отправится выполнять новое задание, а на расстоянии сотни метров от минидыры на ее орбите появится искусственный спутник-автомат, который будет обстреливать свою соседку маленькими шариками. Каждый из них при падении в чудовищном гравитационном поле звезды нагреется до нескольких десятков миллионов градусов. Это вызовет в шариках термоядерную реакцию. Большая часть их вещества в результате будет выброшена из черной дыры в виде газа с огромным электромагнитным зарядом. На борту космического автомата (того же, что бросает шарики, или другого) размещен генератор с обмоткой, в которой газ этот вызовет мощный электрический ток. Дальше энергия передается в виде потока микроволн на огромные антенны, установленные на Земле.

Идея, достойная фантастического рассказа! Однако проект разработан не более и не менее как Комиссией по атомной энергии Соединенных Штатов Америки. Энергетический кризис заставляет искать самых экзотических путей выхода из него.

Поиск минидыр, если они есть, станет (а вдруг?!) такой же важной отраслью земного хозяйства; как сегодня разведка нефти. Впрочем, по расчетам получается, что всего одна минидыра даст достаточно энергии, чтобы надолго обеспечить ею человечество. Но ведь мы выходим в космос, и потребность в энергии будет все расти и расти.

Ну, а как насчет создания в будущем антигравитационных систем, так называемых гравитационных двигателей и личных антигравитаторов? Уж очень соблазнительно помечтать вместе с Уэллсом, Артуром Кларком и другими фантастами о космических кораблях, обходящихся без дюз, о силовых полях, которые переносят по Земле потоки грузов, о способах, которые позволят человечеству экономить ту четверть вырабатываемой на Земле энергии, что приносится в жертву тяготению. Если даже и не сэкономить энергию (двигатель на то и двигатель, каков бы он ни был, чтобы ее потреблять), то во всяком случае сделать гораздо удобнее и космические полеты и перевозки.

Будущее — на него, наверное, можно положиться. Оно осуществляет то, о чем мечтает настоящее. До сих пор те пророки техники реже всего попадали впросак, которые делали оптимистические предсказания — при условии, что эти предсказания были достаточно общими. Мы восхищаемся Роджером Бэконом и Леонардо да Винчи за то, что те предвидели авиацию, и досадливо пропускаем строчки, в которых их летающие машины машут крыльями. Всякая точность пророку противопоказана — и не только в технике. Но автор этой книги не собирается выступать в роли предсказателя. Поэтому стоит поговорить о гипотетических путях подлинного покорения тяготения, заранее отдавая себе отчет в том, что наука почти наверняка выберет себе иные конкретные дороги.

Прежде всего общая теория относительности разрешает создать систему, в которой одно тело будет отталкиваться от другого примерно так, как две катушки с током, вращающиеся в разные стороны, отталкиваются друг от друга. К сожалению, до сих пор экспериментальная техника была бессильна хотя бы заметить это отталкивание — так ничтожен эффект даже в том случае, когда материал этих тел, будь то самая твердая сталь, почти разрушается под действием центробежной силы. Раскрутить два шара или два диска до такой степени, чтобы сила отталкивания победила и верхний из них взвился над планетой, теория гравитации позволяет. Теория прочности — нет.

Не исключено, что такие материалы когда-нибудь все-таки создадут, и антигравитация станет реальностью. Но кажется, что если антигравитационный двигатель будет создан, то не таким прямым путем. Наука, как хороший полководец, редко решает проблемы такого рода атакой «в лоб»; прямой путь тут самый трудный, надо искать обходные, бить по слабым местам. Предсказывать сейчас, где их найдут ученые, — вещь рискованная. Однако один из возможных — пусть фантастических пока — путей можно увидеть в гипотезе о возможности существования отрицательной массы.

 

Масса со знаком минус

Много у тяготения загадок, но одна кажется особенно вызывающей. Все известные тела только притягиваются друг к другу. Мы не знаем случаев, когда гравитационное взаимодействие проявлялось бы в отталкивании тел. Не знаем — и все. Некоторые, хотя бы слабые, надежды в этом смысле отдельные ученые возлагают на антивещество.

Антивещество, как известно, отличается от вещества тем, что в нем заряды сменили свой знак. Электромагнитный, барионный и иные заряды, характеризующие атом, у антивещества — в сравнении с веществом — становятся из отрицательных положительными и наоборот. Хотя большинство физиков не считает, что аналогичная пертурбация имеет место и в случае гравитационного заряда, но проверить это просто необходимо.

Античастицы уже научились получать на мощных ускорителях. Требуется получить их достаточно и так организовать эксперимент, чтобы увидеть, как они отклонятся в поле земного тяготения. Пойдут вниз — значит, и у них гравитационный заряд положителен. Но вот если отклонятся вверх… Такие эксперименты готовятся.

…Материалистическое мировоззрение означает просто понимание природы такой, какова она ест, без всяких посторонних прибавлений…

Фридрих Энгельс

Но пока где же она, отрицательная гравитация? Ответов несколько. Самый простой и, пожалуй, самый по духу традиционный из них объясняет отсутствие тел с отрицательной тяжелой массой исторически. Они родились из предполагаемого «первояйца» вместе с обычными телами. Но, подгоняемые силами отталкивания, давно разлетелись из пределов наблюдаемой части Вселенной или равномерно рассеялись по Вселенной. Метагалактика и сама-то разбегается, причем скорость этого разбегания, как мы видим, умеряется взаимным притяжением ее составных частей. А тела с отрицательной массой только разгонялись.

Второй ответ парадоксален, причем парадоксален уж очень наглядно.

У каждого тела две массы, равные друг другу, — тяжелая и инертная. Представим себе, что обе они поменяли свой положительный заряд на отрицательный. Теперь рассмотрим, как будет себя вести отрицательная инертная масса при отсутствии (конечно, невозможном на самом деле) массы тяжелой.

Вы толкаете тело, и оно ответит вам движением в вашу сторону, тем более быстрым, чем сильнее был толчок. А чтобы остановить такой предмет, его придется подталкивать сзади…

Первый закон механики Ньютона будет полностью справедлив и для поразительного вещества с инертной антимассой, только действие силы будет проявляться «не в ту сторону». Забавно, наверное, было бы побывать — хоть в фантастическом рассказе — на планете, где все происходит по первому антизакону механики Ньютона (или первому закону антимеханики).

Если здесь дверь в доме открывается внутрь, ее надо тянуть к себе при входе и толкать от себя при выходе из дома.

Представим теперь себе космическое тело, наделенное сразу отрицательной тяжелой и отрицательной инертной массами. Тяжелая масса его отталкивается от обычного космического тела, но «наоборотная» инертная масса реагирует на отталкивание по-своему, обращая его снова в притяжение. Результат: отрицательный гравитационный заряд проявляет себя точь-в-точь как положительный. Поди теперь определи, какая звезда или планета в самом деле имеет отрицательную массу…

Профессор Нью-Йоркского университета Б. Хоффман предполагает, что положительная масса может превращаться в отрицательную при потере большого количества энергии в виде гравитационного излучения. Но если под сомнением находится сама отрицательная масса, то еще сомнительней превращение в нее массы положительной.

Все это, конечно, сугубо абстрактные примеры. Между тем с возможностью существования (принципиального) отрицательной массы связана ведь возможность ее искусственного создания (пока — весьма проблематичная возможность, которая проходит скорее по ведомству научной фантастики). А единственный путь к кэйвориту, который можно хотя бы представить — по аналогии с изоляцией от электромагнитного заряда — видится в создании слоя вещества, в котором положительным массам противопоставляются отрицательные. Мечта же о кэйворите, по мнению академика А. 3. Петрова и некоторых других ученых, вполне осуществима, в будущем, конечно.

Артур Кларк в своих «Чертах будущего» сформулировал полушутливый «Закон Кларка»: «Когда выдающийся, но уже пожилой ученый заявляет, что какая-либо идея осуществима, он почти всегда прав. Когда он заявляет, что какая-либо идея неосуществима, он, вероятнее всего, ошибается». «Пожилой возраст» применительно к физикам для Кларка означает просто: «после тридцати лет». А «положительные» высказывания о кэйворите принадлежат ученым, которым было в момент такой оценки значительно больше тридцати.

Надо, конечно, оговориться, что «единственный путь, который можно хотя бы представить», и путь, на котором в дальнейшем действительно находится решение, далеко не всегда совпадают, когда доходит до дела.

Существование отрицательной массы поставило бы науку перед рядом серьезнейших проблем. То, что при этом оказались бы возможны (не будем входить в подробности, почему именно) температуры ниже абсолютного нуля, — мелочь рядом с путаницей, которая может возникнуть с самым важным научным законом, гласящим, что причина всегда предшествует следствию.

Вероятнее всего, что именно к возможности отрицательной массы и придется отнести слово «никогда» в заголовке последнего большого раздела книги. Весьма вероятно также, что оно относится и к гипотетическим объектам, ставшим предметом следующей главы — тахионам, частицам, двигающимся быстрее света. Тахионы как будто не имеют прямого отношения к проблеме гравитации. Правда, в некоторых сомнительных гипотезах гравитации их привлекают для объяснения «причины тяготения». Частицы «тахионного газа» играют роль придуманных Лесажем и упомянутых в первом разделе книги частиц, подталкивающих тяготеющие тела друг к другу.

Однако современная, разрабатываемая десятками физиков гипотеза тахионов родилась на фундаменте специальной теории относительности, а та ведь очень тесно связана с теорией гравитации.

Главное же — «сверхсветовые» экскурсы физиков, даже если они приведут в тупик, показывают возможности современной теории, в частности ее умение обходить ею же установленные запреты. Опять-таки в этом разделе мы заглядываем в будущее, а уж к этому процессу предположение о тахионах, верно оно или неверно, со всей очевидностью имеет отношение.

 

Быстрее времени?

Вернемся снова к «парадоксу парадоксов» Нильса Бора: великая истина — это истина, противоположность которой — также великая истина.

Теория относительности Эйнштейна решительно утверждает: по мере приближения скорости любого «предмета» — от элементарной частицы до звездолета — к скорости света масса этого «предмета» будет расти в такой степени, что один какой-нибудь атом может достичь массы целой галактики. Да и как же иначе, если со скоростью растет энергия, а следовательно, и масса тела.

Итак, скорость света в природе — предел всех возможных скоростей. Роль этого положения для наших представлений о мироздании невозможно переоценить. Недаром же световыми годами исчисляют земные ученые расстояния до звезд и галактик. И именно в «световой барьер» упираются даже в самых смелых расчетах будущие скорости любых будущих космических кораблей.

…В древности верили, что где-то на краю света стоит столб с надписью «дальше некуда». По отношению к возможной скорости путешествий в космосе ту же роль играет положение теории относительности о предельности скорости света. Именно оно заставляет астрономов с грустью говорить о годах пути до ближайших звезд и многих тысячелетиях, которые пройдут в дороге к звездам дальним. Из этого же положения следует немалое число парадоксов, но дело сейчас не в них. Современная физика сумела как будто перехитрить сама себя. Едва физики успели сделать общепринятым запрет на сверхсветовые скорости, как им (конечно, не всем физикам) понадобилось атаковать этот запрет. И самое, пожалуй, парадоксальное, что атакуют они его, как уже говорилось, под знаменем той теории относительности, которая сама же запрет ввела.

Теоретики, поддерживающие идею о тахионах, позволили себе по-новому посмотреть на ситуацию. Частица не может «перешагнуть» через световой барьер? Да, это правило остается неколебимым. Но почему бы не представить себе, что есть в нашем мире частицы, которые с самого начала своего находятся уже по другую сторону этого барьера, частицы-аристократки, наделенные от рождения сверхсветовой скоростью, недоступной всяким там протоном, электронам, сигма-минус гиперонам и прочим плебеям обыденного физического мира?!

Для этого предположения не понадобилось так уж много фантазии. Ведь еще в школе мы знакомимся с частицами, от рождения наделенными способностью двигаться со скоростью света. Это кванты электромагнитной энергии, к числу которых принадлежат и частицы видимого света — фотоны, и радиоволны и т. д. «Зато» такие кванты не могут двигаться ни с какой другой скоростью, а в состоянии покоя (будь оно для них возможно — как будто можно остановить на лету луч света, сохранив его при этом) фотоны и их родственники не имеют массы вообще: как выражаются физики, масса покоя фотона равна пулю. Вот какую цену приходится платить за достижение светового барьера! Цена за «жизнь» по другую сторону этого барьера еще дороже. Сверхсветовые частицы обречены существовать (если, конечно, они существуют) с массой, представляющей собой мнимую величину. Когда школьная алгебра сообщала нам о том, что нельзя извлечь корень квадратный из отрицательного числа, а потому все числа, в состав которых в качестве множителя входит пресловутое i (корень квадратный из минус единицы), — мнимые, это, оказывается, имело, неведомо даже для авторов учебников, прямое отношение к проблеме сверхсветовых скоростей.

Мнимость величины массы за световым барьером не стала у теоретиков непреодолимым препятствием для самого существования сверхсветовых частиц. Больше того! По мнению доктора физико-математических наук В. Барашенкова, теория относительности не только не запрещает существование частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями, она оказывается без этих частиц неполной, односторонней (как елка, пушистая лишь с одного боку).

Первые предполагаемые жильцы области за световым барьером свое имя тахионов получили от греческого «тахис» — быстрый. Их довольно подробно описали, составив длинный список особых примет. И приметы эти, действительно, чрезвычайно особые. Даже у пресловутых античастиц куда меньше отличий от частиц обычных. Посудите сами. Досветовые частицы с ростом энергии увеличивают свою скорость. Тахионы как раз наоборот. Они тем быстрее, чем меньше энергии содержат. Грубо говоря, если тахионы «подталкивать», подбавляя энергии, они будут тормозиться; напротив, попытка остановить их, отнимая энергию, приведет к увеличению скорости. Достаточно чуть подумать, чтобы понять: иначе и быть не может. Для тахионов световой барьер также непреодолим, как для знакомых нам тел, только непреодолим «сверху». Обычным частицам мешает перемахнуть через него то обстоятельство, что с приближением к барьеру фантастически вырастает масса-энергия частиц; то же должно происходить и с тахионами при их приближении к скорости света, только они ведь идут к ней «тормозя», и именно замедление тут требует энергии.

Мало того, возможна ситуация, в которой тахион окажется частицей с отрицательной кинетической энергией. Это уже пострашнее, чем мнимая масса. Потому что всякое тело, рождающее тахионы и теряющее их, будет тем самым все набирать и набирать энергию, черпая ее буквально из ничего. Тем самым в наше распоряжение поступит что-то вроде вечного двигателя, но он, увы, запрещен законами природы. Теоретики, занимающиеся тахионами, сумели, правда, найти способ, благодаря которому тахионы можно всегда считать частицами с положительной энергией и их источник вечным двигателем не окажется.

Как известно, драконов не существует. Эта примитивная констатация может удовлетворить лишь ум простака, но отнюдь не ученого… Имеется три типа драконов — нулевые, мнимые и отрицательные. Все они, как было сказано, не существуют, однако каждый тип — на свой особый манер.

Станислав Лем

Все это перечисление «особых примет» было только подступом к главному последствию, вытекающему из существования тахионов. Последствию, которое должно коснуться самих основ физического мира. Речь идет о причинно-следственной связи.

Причина предшествует следствию — это один из глубинных законов природы. Человек сначала спотыкается, потом падает. Пуля вылетает из винтовки после того, как боек ударил по капсюлю, а не наоборот. Чтобы вырос колос, в земле должно быть зерно. Впрочем, чего стоят эти три примера рядом с мириадами других, предлагаемых самой жизнью каждому из нас. Ни одна из сотен элементарных частиц, открытых или придуманных (или то и другое) физиками, не посягала на бесспорную справедливость того, что причина опережает во времени следствие. Но тахион и тут оказался исключением. Дело в том, что он может двигаться во времени из будущего в прошлое!

По реке Времени нельзя плыть против течения, как нельзя в ней и остановиться. Но всему нельзя, а тахионам, выходит, можно?

Физики предприняли, правда, грандиозную операцию то теоретическому укрощению тахионов. Операцию, название которой проще всего перевести на русский язык словом «переистолкование». Барашенков пишет об этой операции так: «При любом взаимодействии частица, имеющая отрицательную энергию и движущаяся в конечном (начальном) состоянии реакции обратно во времени, должна интерпретироваться как соответствующая античастица, имеющая положительную энергию и движущаяся вперед во времени в начальном (конечном) состоянии реакции».

Именно так удалось решить проблему отрицательной энергии. Но для того, чтобы абсолютно надежно закрыть дорогу в прошлое, это решение годится далеко не во всех случаях. Можно представить себе эксперимент, в котором при взаимодействии тахионов с атомами мы все равно, увидим следствие, предшествующее причине, и теоретические ухищрения от такого положения не спасут.

Позволим себе простую аналогию. Когда мы видим киноленту, в которой боксер вначале лежит на ринге (причем рефери ведет счет от десяти до одного), потом он вскакивает, получает удар в челюсть, сам наносит удар, то мы можем заявить, что лента пущена в обратном порядке и никакого чуда здесь нет. Но если мы вдруг увидим то же самое на ринге «живьем», без посредничества кинокамеры, то придется признать, что время для нас течет в обратном направлении — по сравнению с боксером Так вот, можно поставить эксперимент, где, условно говоря, боксер сначала упадет, а потом получит удар. И это будет реальностью… если реальны тахионы и реальна возможность их реакции с атомами.

Если построить два тахионных приемопередатчика, обменивающихся между собой сигналами, то сигнал первого из них придет ко второму до того, как первый будет включен. А второй приемопередатчик отправит ответный сигнал, который будет принят опять-таки прежде, чем он был послан. Образуется петля времени, сотни раз описанная в фантастике. Старый вопрос софистов и схоластов: что раньше — курица или яйцо — неожиданно приобретает вполне реальный физический смысл, во всяком случае в теории.

А достаточно допустить нарушение причинно-следственной связи в случае с тахионами, чтобы признать эту связь по меньшей мере не такой простой и ясной, какой она до сих пор представлялась. В последние годы была выдвинута, например, гипотеза, что наряду с опережающей причинностью в мире может действовать и причинность запаздывающая, когда следствие предшествует причине. Другая гипотеза предлагает в некоторых случаях вообще не прибегать к понятию о причинах и следствиях. В. Барашенков пишет о возможности процессов, в которых одно и то же явление в зависимости от системы координат, в которой оно рассматривается, может выступать и как причина, и как следствие. И вообще при сверхсветовых скоростях прошлое и будущее не противостоят друг другу, их можно противопоставлять так же условно, как в обыденной жизни условно мы противопоставляем правое и левое.

Есть такая любопытная формула, которую не так уж редко вспоминают: «Прошлое — то время, в котором мы ничего не можем изменить, но относительно которого питаем иллюзию, что знаем о нем все. Будущее— время, о котором мы не знаем ничего, но питаем иллюзию, что можем его изменить. Настоящее — граница, на которой одни иллюзии сменяются другими». Если сверхсветовые скорости возможны, то представление о неизменности прошлого может оказаться под угрозой. А почему, собственно, под угрозой? Ведь в прошлое в самом крайнем случае оказываются способны проникать только сверхсветовые частицы (и тела?!). Машина времени в качестве экипажа с пассажирами и в этом случае по-прежнему продолжает проходить только по ведомству фантастики: ведь мы уже выяснили, что световой барьер и в новой ситуации остается непреодолимым.

Время окончательно потеряло надо мной свою власть. Оно потекло в разные стороны, иногда даже в противоположном направлении.

Валентин Катаев

Как решить парадоксы, связанные с путешествием в прошлое? Может быть, стоит вспомнить, что некоторые научные парадоксы являются отражением реальных диалектических противоречий природы? Недаром в одном фантастическом рассказе, повествующем о путешествии в прошлое, герои вспоминают знаменитый еще в античную эпоху парадокс, известный под именем апории об Ахиллесе и черепахе.

Положим, быстроногий Ахиллес бежит за черепахой, отделенной от него ста метрами (метры — это чтобы «осовременить» античность). Черепаха движется вдесятеро медленнее Ахиллеса. Он пробежит эти сто метров, а черепаха за то же время проползет еще десять метров. Он перемахнет и эти десять, а черепаха одолеет еще один метр. Ахиллес — метр, черепаха — десять сантиметров, он — дециметр, она сантиметр и так далее. Расстояние между ними будет все меньше и меньше, но никогда не окажется равно нулю. Смешно, правда?

А между тем древнегреческий ученый Зенон, первый сформулировавший этот парадокс, уловил здесь, как полагают современные ученые, одно из действительно существующих противоречий реальности. До сих пор в специальных философских и математических журналах появляются научные статьи, посвященные этому парадоксу и противоречию, которое он отражает. Иногда пишут, что если на пути научного мышления встречается парадокс, он должен быть разрешен, снят, так или иначе заменен истинами, не ведущими к неразрешимым противоречиям. Сделать это удается далеко не всегда, недаром же сказано, что «гений, парадоксов друг». А центральный закон диалектики, по Марксу и Энгельсу, — закон единства и борьбы противоположностей.

Парадоксы, противоречия в познании человеком мира отражают часто не только недостаточность наших знаний о мире, но и противоречия самой природы.

Есть, конечно, прекрасный способ решить проблему сверхсветовых частиц так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. И он уже найден. Достаточно принять, что тахионы существуют, но никак не взаимодействуют с «досветовым» веществом в любых его формах. При встрече с обычными частиками тахионы минуют их, не замечая, а на тех, в свою очередь, никак не сказываются столкновения с тахионами. Два мира, досветовой и сверхсветовой, разделены навсегда и сверхнадежно, световой барьер — стена, разделяющая Вселенную на два абсолютно независимых и совершенно самостоятельных мира, существующих, между прочим, в одном и том же пространстве и времени.

Так удается как будто разрешить противоречие между предсказываемым теорией для тахионов путешествием в прошлое и хорошо проверенной в нашем мире причинно-следственной связью. Но на смену этому противоречию встает другое. Мир должен быть познаваем! А тут получается, что мы так никогда и не сможем проверить экспериментально, есть ли тахионы. А с принципиальной непознаваемостью хотя бы части мира наука согласиться не может. И лучшее тому для нашего случая подтверждение — напряженные поиски тахионов.

Тахионы пытались ловить в космических лучах. Поступали при этом ученые (индийские физики) чрезвычайно остроумно. В ожидании очередного ливня (периодического резкого всплеска) космических лучей они открывали затворы своих регистрирующих аппаратов чуть раньше, чем должен был прийти такой ливень. Если бы в космическом излучении оказались тахионы, они опередили бы другие составные части излучения и, возможно, как-нибудь были бы отмечены аппаратурой. Но приборы их не зарегистрировали.

Пытались заметить, как отражаются на других частицах предполагаемые столкновения с тахионами. Пытались получить тахионы на гигантских ускорителях. И все неудачно.

Часть физиков на основании опытов пришла к выводу, что тахион, если и поглощается атомом, то в среднем не чаще чем один раз за сто триллионов квадриллионов лет (единица с двадцатью девятью нулями!) и что живет тахион максимум одну триллионную одной триллионной доли секунды. Живи он дольше или сталкивайся с атомами чаще, его бы, по мнению этой части ученых, уже обнаружили.

Астрофизиков несколько смущают странные вещи, связанные с наблюдением за космическим объектом — квазаром ЗС-279. Группа американских ученых утверждает, что здесь имел место выброс вещества, удаляющегося от квазара со скоростью, вдесятеро большей скорости света. Ошибка? Скорее всего. И все-таки… На этом, видимо, основании один из американских физиков предположил даже, что могут существовать целые сгустки сверхсветового вещества.

Может быть, стоит сказать, что не нужны нам такие частицы, раз с ними столь хлопотно и трудно? Тем более, что тахионы никак не удается найти. Обойдемся привычными протонами, электронами, фотонами и остальными двумя с лишним сотнями «элементарных» частиц, резвящихся по сю сторону скорости света. Такое решение многих ученых устроило бы. Но ведь природа не спрашивает у людей, устраивают ли их установленные ею в физическом мире порядки.

Пусть тахионы до сих пор не найдены, но раз на них не наложено запрета, есть шансы, что они все-таки существуют. Тем более, что теории эти частицы нужны.

Но никакие теоретические выкладки не смогут — до эксперимента — доказать, что тахионы существуют, что возможны сверхсветовые скорости, что их, наконец, можно будет когда-нибудь использовать.

Придет ли такое доказательство?

Найдется ли способ решить — с помощью тахионов либо на основе их изучения — проблему путешествия в прошлое?

Впрочем, у древних греков была ведь и такая поговорка: даже боги не могут сделать бывшее не бывшим. И, может быть, тахионам «отведут в пользование» лишь события, разыгрывающиеся в самых глубинах микромира, может быть, сверхсветовым скоростям так же нет доступа в наш обычный мир, как некоторым законам квантовой механики, действующим лишь в мире элементарных частиц.

Даже если тахионы проявляют себя только в масштабах ультрамалых пространств и ультракоротких промежутков времени (по Барашенкову, на расстояниях менее десяти в минус шестнадцатой степени сантиметра и в реакциях, продолжающихся менее десяти в минус двадцать шестой степени секунды), они все равно должны играть во Вселенной выдающуюся роль. Открытия атомной физики отучили нас от презрения к малым масштабам микромира, которые оборачиваются для макромира то трагедиями атомных бомб, то рождением атомных электростанций.

Что же, в любом случае истину о тахионах надо, необходимо узнать.

 

Старые законы, новые законы

Общая теория относительности вот уже шесть с лишним десятков лет с успехом отбивает любые нападки.

Следует ли из этого, что все с тяготением и его теорией ясно, желать больше нечего, все коренные проблемы разрешены? Мы уже знаем, что о загадке тяготения можно говорить лишь в том же смысле, в каком мы говорим о загадке электромагнетизма или загадке атомного ядра. Но и на этом уровне загадка остается загадкой. Теория относительности — не фетиш, который нельзя трогать. В сущности, ни одну естественнонаучную теорию, ни один физический закон, строго говоря, нельзя считать исчерпывающе доказанными. Как бы мы тщательно ни проверяли факты, относящиеся к содержанию теории, как бы ни стремились сверить все и вся подлежащее действию закона — наше доказательство никогда не будет законченным, завершенным. Д. Томсон в своей книге «Дух науки» категорически утверждает: «Логически доказать теорию никак нельзя, так как никто не может проделать всех мыслимых экспериментов, которые она охватывает».

Есть такой афоризм: теорию проверяют до тех пор, пока не установят, что она неверна.

Можно сказать и иначе. Теорию проверяют до тех пор, пока не обнаружат, где она неверна.

Всегда познавайте предмет в противоречиях… Вы обнаружите при этом, что существует постоянный заговор, имеющий целью преподать тот же предмет догматически и односторонне.

Бернард Шоу

Закон всемирного тяготения Ньютона царил безраздельно в нашем мире в течение четверти тысячелетия. Да и сейчас не отменен — законы природы не отменяют! — а просто «понижен в ранге»: во-первых, признается верным не для всех возможных ситуаций, во-вторых, признан проявлением свойств материи и пространства-времени, открытых общей теорией относительности (как законы Кеплера — только проявление этого закона Ньютона).

Так демонстрирует себя один из принципов развития науки — принцип соответствия. Движется вперед наука, и новая теория в ней приходит на смену старой, но каждый раз теория-победительница не просто изгоняет свою предшественницу, а хотя бы частично включает ее в себя, если хотите, как заслуженный трофей. Законы новой теории в определенных условиях переходят в законы старой, полностью совпадают с ними. Формула Ньютона по-прежнему верна для гравитационных пар Солнце — Земля и Земля — Луна, хотя луч звезды, скользнувший вблизи Солнца, так же как и перигелий Меркурия, уклонились от точного следования старому закону всемирного тяготения в его Ньютоновой форме.

Какой бы ни была и чье бы имя ни носила будущая теория тяготения, она включит в себя и общую теорию относительности.

На первый взгляд кажется, что теории живут всего лишь день и что их руины громоздятся на руинах. Но есть в них и нечто длящееся. Если какая-нибудь из них раскрыла нам некоторое истинное отношение, то это отношение приобретено на все времена. В новом облачении мы его снова обнаружим в других теориях, которые одна за другой будут торжествовать на месте прежней.

Анри Пуанкаре

Мы уже как будто знаем в нашей Вселенной явления, которые, с одной стороны, безусловно подлежат ведению теории тяготения и в то же время, с другой стороны, не могут быть описаны и объяснены с помощью аппарата общей теории относительности.

Советский академик В. Л. Гинзбург в одном из своих выступлений отметил несомненную, по его мнению, «неприменимость обычных (классических) уравнении общей теории относительности при сверхвысоких плотностях…»

Впрочем, нельзя фетишизировать и принцип соответствия — он относится только к «хорошо проверенным» теориям, а критерий именно хорошей проверки трудно выработать для всех возможных случаев. Вспомним хотя бы теплород средневековья, теорию приливов Галилея, теорию приливов Декарта, наконец, теории Аристотеля для падения тел и движения их. Все это заняло свое почетное место в истории науки — в истории, а не в самой науке.

Дж. Дж. Томсон, человек, открывший электрон, писал: «Великое открытие — это не конечная станция, а скорее дорога, ведущая в области, до сих пор неизвестные. Мы взбираемся на вершину пика, и нам открывается другая вершина, еще более высокая, чем мы когда-либо видели до сих пор, и так продолжается дальше. Вклад, сделанный в понимание физики одним поколением, не становится меньшим или менее глубоким или менее революционным по мере того, как одно поколение сменяет другое. Сумма нашего знания не похожа на то, что математики называют сходящимися рядами… где изучение нескольких членов позволяет понять общие свойства целого. Физика соответствует скорее другому типу рядов, рядам расходящимся, где добавляемые члены не становятся все меньше и меньше и где нельзя считать, что выводы, к которым мы пришли при изучении нескольких известных членов, совпадут с теми, которые мы сделаем, когда наши знания будут больше».

Произойдет ли, и когда, если произойдет, новая революция в физике, подобная той, которая началась с появления теории Максвелла, а завершилась сформированием квантовой механики и общей теории относительности? Этот вопрос часто поднимается в наше время.

Есть ученые, которые полагают, что время новой физической революции вот-вот наступит и даже что она, возможно, уже начинается. Другие откладывают физическую революцию на неопределенный срок или даже считают, что дальнейшее развитие науки не обещает тут резких скачков в познании, что предстоит медленная и постепенная эволюция, а ломки наших взглядов на глубинное строение материи не предвидится.

Часть астрономов и физиков настаивает на том, что мы уже сейчас наблюдаем в космосе явления, объяснить которые можно только действием таких законов природы, какие нам еще неизвестны. Их оппоненты признают, что в природе существуют законы, нам неизвестные, однако считают, что пока все, наблюдаемое в космосе, хорошо объясняется законами уже известными.

И та и другая позиция, безусловно, заслуживают уважения. Они серьезны.

Другое тело, что одинаково противопоказаны развитию научных идей крайние точки зрения: и легкомысленное отбрасывание уже накопленного огромного запаса знаний о мире, и провозглашение сегодняшнего состояния науки — окончательным, приписывание нынешней науке всеведения.

Никто так не ошибался в своих предсказаниях, как пророки ограниченности человеческого знания.

Климент Тимирязев

Сейчас большинство физиков, исследующих гравитацию, придерживается общей теории относительности, порядком постаревшей, но не устаревшей и бурно развивающейся. Конечно, есть у этой теории конкурентки, другие теории тяготения. Но сторонники геометродинамики Эйнштейна чувствуют себя очень уверенно. Авторы трехтомного труда «Гравитация», вышедшего на русском языке в 1977 году, уже известные нам Мизнер, Торн и Уилер полагают, что в теориях-конкурентках нуждается сама теория относительности, нуждается примерно так же, как красавица — в подругах-дурнушках, на фоне которых ее прелести только выигрывают. Или как рыцарь на турнире нуждается в соперниках, чтобы в победных схватках все более изощрять свое умение владеть оружием. Авторы книги слегка кокетничают: «Эксперимент проводился за экспериментом, и одна за другой отпадали гравитационные теории, становясь жертвами наблюдений, а эйнштейновская теория осталась непоколебимой…

Вопрос: зачем в таком случае заниматься изучением других теорий гравитации? Ответ: чтобы с чем-то сравнивать эйнштейновскую теорию при ее проверке и более конкретно оттенять ее преимущества».

Трое физиков пропели настоящий гимн в честь геометродинамики Эйнштейна, продержавшейся вопреки всем атакам более шестидесяти лет.

В разное время рядом с нею возникали десятки других теорий гравитации, жили бок о бок, развивались, честно служили науке, делали предсказания — и в большинстве случаев уходили в Лету, потому ли, что им не хватало жизненной силы для борьбы на равных, или потому, что новые факты разрушали прочные с виду построения.

«Жизнеспособность научной теории» — это точный термин, и как всякий термин, он имеет точное определение. Школьник, чтобы перейти во второй класс, как минимум должен уметь читать, писать и считать до двадцати. Теория гравитации (как и всякая другая физическая теория) должна, чтобы ее признали жизнеспособной, чтобы к ней относились именно как к теории научной, отвечать трем критериям, удовлетворять трем условиям.

Первое из них — самосогласованность. Теория не должна приводить к резко противоречащим друг другу выводам.

Второе условие выполнить еще труднее. «Перво-принципы» и фундаментальные законы теории должны давать возможность вычислить на их основе движение сложных систем и проанализировать результаты любого эксперимента, имеющего отношение к проблемам гравитации в самом широком понимании, плюс еще теория должна быть согласована с законами всех остальных областей физики.

Третье условие кажется простым и естественным даже на первый взгляд: теория должна «соглашаться» со всеми уже проведенными ранее экспериментами, должна объяснять все, что мы успели узнать у природы прямым опытом. Бывает, что уже при рождении теория оказывается неспособна полностью соответствовать фактам; чаще это выясняется позже. Теория гравитации блестящего английского физика Уайтхеда некоторое время процветала и заслужила было общее уважение физиков. Но ее же самой дальнейшая разработка вдруг выяснила, что если бы природа следовала Уайтхеду, то в земных океанах каждые двенадцать часов происходили приливы и отливы, вызванные притяжением Галактики. Поскольку этого на самом деле нет, теория Уайтхеда не удержалась.

Физическая теория подобна костюму, сшитому для природы. Хорошая теория подобна хорошо сшитому костюму, а плохая — Тришкину кафтану.

Яков Френкель

Соревнование теорий, если сравнивать его со спортивными состязаниями, надо уподоблять не футбольному турниру или матчу боксеров; нет, спор за первенство между научными идеями походит скорее на встречу штангистов. Побеждает учение, способное поднять больший груз, груз-то все время растет, каждый новый опыт, каждая новая порция вырванных у природы сведений о мире ложится добавочным чугунным кружком на нашу придуманную штангу. Зато теория, объясняющая все новые и новые опыты, от добавочного груза каждый раз становится и все сильнее. Иногда же последняя соломинка ломает спину верблюда, и теория сходит со сцены, как надорвавшийся штангист.

Именно это и произошло в последние годы с так называемой обобщенной теорией гравитации Бренса — Дике, рухнувшей под ударами экспериментов, а ведь ее считали наиболее серьезной соперницей геометродинамики Эйнштейна… Обобщенная теория гравитации предсказывала, в частности, что Солнце должно быть несколько сплющенным, теперь же выяснилось, что оно с этим «не согласно». Стоит оговориться, что и теория Уайтхеда и теории Бренса — Дике и практически все теории гравитации, еще остающиеся жизнеспособными, взяли у теории относительности ее идейную основу и признают теснейшую связь материи с пространством, физики с геометрией. В определенном смысле слова все такие построения — дети общей теории относительности.

И все же, как бы она ни казалась жизнеспособной, ее ждет общий для всех хороших научных теорий конец. Она непременно станет частью другой теории, более точной, более глубокой, более широкой.

Снизив тон, можно сказать, что у каждой физической теории есть своя ахиллесова пята, свое слабое место.

О многих научных построениях можно сказать то же, что говорил герой О'Генри благородный жулик Джефф Питерс о тресте: «Трест и похож и не похож на яйцо. Когда хочешь расколоть яйцо, бьешь его снаружи. А трест можно разбить лишь изнутри. Сиди на нем и жди, когда птенчик разнесет всю скорлупу. Да, сэр, каждый трест носит в своей груди семена своей гибели, как петух, который в штате Джорджия вздумает запеть слишком близко от сборища негров-методистов, или тот член республиканской партии, который выставляет свою кандидатуру в губернаторы Техаса».

Достаточно самого беглого взгляда на историю физики, чтобы увидеть: каждую серьезную и признанную теорию ниспровергали или делали частным случаем другой теории, как правило, самые верные — и самые лучшие — ученики ее создателей. Не было гениев-невежд, приходивших со стороны с совершенно новыми идеями. Люди, воспитанные на Аристотеле и Птолемее, разрушили Вселенную, придуманную Аристотелем и Птолемеем. Классической физике конца XIX века нанесли удар ученые, воспитанные корифеями этой самой классической физики.

И точно так же не противники, а последователи Эйнштейна заставят общую теорию относительности уступить место еще более прекрасной и могучей системе.

Какой именно?

Советский физик-теоретик А. Л. Зельманов сказал по этому поводу: «Изо всех прогнозов самый верный состоит в том, что ни один прогноз не окажется верным».

И все же можно без особого риска ошибиться сделать несколько достаточно общих предсказаний на сей счет.

Вероятно, в рамках этой новой системы нам станет яснее то, что Ньютон в своих мучительных размышлениях называл «причиной тяготения». Но можно не сомневаться, что не появится наглядной механической модели тяготения, о которой так мечтали ученые в прошлые века, а некоторые любители науки — и сегодня.

Новая теория долго будет более сложной для понимания нефизиками, чем общая теория относительности. Но очень возможно, сами физики будут находить ее более простой, чем геометродинамика Эйнштейна, которую сегодня они считают более простой, чем теория Ньютона. И новое учение будет сначала раем для теоретиков и адом для экспериментаторов. Потом — раем для всех. Пока, наконец… Надо ли договаривать?

И это будет рассматриваться, как часть очередной революции в физике.

А по пути, в промежутке между двумя научными революциями, теория гравитации немало прибавит к пониманию природы тяготения и власти над ним. Победить силу — еще не значит разгадать ее. Зато обратное положение справедливо. Разгадать, достаточно глубоко понять явление природы — значит победить его.

(Один из вариантов гимна студентов физического факультета МГУ)