Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки - Ирина Львовна Радунская
Количество известных сил взаимодействия удвоилось. Их уже четыре: сильные взаимодействия, проявляющиеся между тяжелыми частицами; электромагнитные взаимодействия, свойственные лишь заряженным частицам; слабые взаимодействия, сопутствующие распадам многих частиц, и гравитационные взаимодействия, еще более слабые, но универсальные и действующие между всеми известными частицами.
Неужели природа действительно так сложна? Или за деревьями мы не видим леса? За множеством деталей, за видимым разнообразием не замечаем внутреннего единства? Усилия физиков-теоретиков по-прежнему направлены на постижение единства мира. Убеждение в гармонии и простоте природы, пришедшее к нам от древних, обновленное Ломоносовым и избранное в качестве знамени Эйнштейном, вдохновляет самых бесстрашных и настойчивых.
Теперь мы познакомимся с новейшей теорией, имеющей непосредственное отношение к единой теории поля. Она получила наименование теории супергравитации, — теория гравитационного поля входит в нее как часть, наряду с теорией других полей. Фундаментальную роль в построении новой теории играет понятие симметрии. Свойства симметрии, присущие природе, поражали человека еще в глубокой древности, оказывали значительное влияние на искусство и все более глубоко входили в науку.
Слово «симметрия», как многие научные термины, происходит от греческого слова. В данном случае греческая основа означает «соразмерность» — совпадение различных размеров какого-либо предмета или тела. Многие цветы и листья симметричны. Симметричны и тела животных. Конечно, это лишь приближенная симметрия. Правая и левая рука, отдельные лепестки сирени очень близки по форме и размерам, но не совпадают в малых подробностях. Архитектура и графика, живопись и прикладное искусство восприняли у природы симметрию как некий идеал, доставляющий нам эстетическое наслаждение. Геометрия и математика выразили идею симметрии множеством теорем.
Многие законы симметрии очень просты. Простейшая симметрия — это трансляционная, или сдвиговая симметрия. Рисунок на обоях будет выглядеть неизменным, если передвинуть его на один, два или другое число шагов, через которые повторяются детали рисунка. Немногим сложнее зеркальная симметрия. Отражение в плоском зеркале полностью совпадает с объектом, но левая сторона оказывается справа и наоборот. Интересными свойствами обладает и вращательная симметрия. Например, вырезав из бумаги прямоугольник, легко убедиться, что его можно сложить вдвое вдоль прямых, проходящих через середины его сторон. Это две оси симметрии. Если все стороны прямоугольника равны между собой, то он приобретает еще две оси симметрии. Ими являются диагонали, а симметрия относительно диагоналей является признаком квадрата и ромба, то есть прямоугольника, все стороны которого равны. Симметрия этого типа проявляется не только при изгибании, но и при повороте фигуры вокруг ее центра. В случае прямоугольника для совпадения необходим поворот на 180°. В случае квадрата— на 90°. Окружность — наиболее симметричная фигура на плоскости. Она повторяет свои контуры при любом повороте. Аналогичные свойства симметрии присущи и объемным трехмерным телам, например кубу или сфере.
Свойства симметрии присущи не только форме предметов, но и многим силам природы. Например, сила упругости пружины всегда направлена навстречу силе, деформирующей ее, и, при малой деформации, пропорциональна ее величине, Естественно, что свойства симметрии, присущие явлениям природы, проявляются в симметрии математических формул, описывающих эти явления. Наличие такой симметрии может служить одним из критериев того, соответствует ли физический закон, а также выражающая его математическая формула описываемому явлению природы.
Первым принципом симметрии, сознательно сформулированным в виде физического закона, был принцип относительности Галилея. Наблюдатель, стоящий на берегу, описывает все явления природы так же, как это делает наблюдатель на борту корабля, движущегося прямолинейно и равномерно. Единственное различие заключается в направлении их относительного движения. Оно учтено в формулах преобразования, носящих имя Галилея; каждый может надежно полагаться на наблюдения, выполненные другим. Симметрия формул обеспечивает единство результатов.
Максвелл получил свои знаменитые уравнения, исходя из убеждения в симметрии между электрическими и магнитными явлениями. Он начал свои попытки выражения законов электрических и магнитных явлений с того, что обобщил найденные его предшественниками уравнения, описывавшие эти явления по отдельности. В результате он пришел к уравнениям, не обладавшим математической симметрией. Тогда, исходя из убеждения в том, что взаимодействие электрического и магнитного полей должно быть симметричным, он ввел в свои уравнения дополнительный член, придавший им свойство симметрии. Никаких других оснований для введения этого члена у Максвелла не было. Он описывал этим членом никогда не наблюдавшееся возникновение магнитного поля в результате изменения электрического состояния пустого пространства. По аналогии с током смещения зарядов в диэлектрике Максвелл назвал это гипотетическое изменение током смещения в вакууме. Много позже существование этого тока было подтверждено опытом.
Смелая гипотеза, не опиравшаяся на опыт, а лишь на уверенность в симметрии законов природы, привела Максвелла к неизбежному выводу о существовании электромагнитных волн. Это было ново и казалось современникам странным, удивительным и даже подозрительным и поэтому надолго задержало признание теории Максвелла. Лишь много позднее, после того как Герц при помощи специальных опытов подтвердил правильность утверждения Максвелла о том, что электромагнитные волны действительно существуют, а свет есть лишь частный случай электромагнитных волн, теория Максвелла вошла в основной фонд науки. Однако вскоре выяснилось, что внутренняя симметрия уравнений Максвелла не обеспечивает соблюдения симметрии, обнаруженной в области механики Галилеем. Устранить это противоречие не удалось. Это была одна из причин кризиса, потрясшего физику на рубеже XX века.
Идея Эйнштейна, приведшая его к созданию теории относительности, опиралась, по существу, на уверенность в более глубокой симметрии природы. Эта симметрия должна одновременно охватывать электромагнитные, механические и все другие явления. Главной заслугой Эйнштейна в этой области было то, что он показал причину, мешавшую выявлению этой симметрии. Препятствием было властвовавшее над умами людей убеждение в абсолютном характере понятий времени и одновременности. Эйнштейн критически проанализировал процесс измерения пространственных расстояний и интервалов времени и показал, как
