Нужна ли новая физика в астрономии?

Достаточны ли известные физические законы для объяснения всех астрономических явлений и процессов? Иными словами, нужна ли сегодня в астрономии «новая физика» и выпала ли ей (астрономии) честь стать источником принципиально новых физических представлений? Эти вопросы находятся сейчас в центре внимания физики и астрономии. Правда, это внимание далеко не всегда отражено в литературе явно, особенно в научных журналах, что связано с определенным стилем, принятым в научных статьях, но не с сутью дела. Зато в книгах, специальных изданиях и докладах эти общие проблемы обсуждаются гораздо чаще.

Разговоры о том, что астрономия нуждается в новой физике, вызваны многими причинами. Среди них не последнее место занимает позиция самих астрономов. Некоторые видные исследователи считают, что известной физики уже «не хватает» для решения космологической проблемы, для понимания поведения скоплений галактики, для объяснения процессов в ядрах галактик и в квазарах и т. д. Так, например, говоря о ядрах галактик, квазарах и их взрывах, В. А. Амбарцумян замечает: «Попытки описать их в рамках известных сейчас фундаментальных физических теорий встречаются с огромными, возможно, непреодолимыми трудностями. Я считаю, что именно от астрономии следует уже в недалеком будущем ожидать выявления новых факторов, которые потребуют формулировки новых физических теорий, более общих, чем известные сейчас».

В. А. Амбарцумян критикует «тех физиков, которые считают, что известные сейчас фундаментальные физические законы достаточны для описания всего многообразия явлений во Вселенной».

Мнение о необходимости выйти в астрономии за пределы известной физики неново, и поиски этой «новой физики» в центре галактик длятся уже не одно десятилетие. Так, еще в 1928 году Дж. Джине писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более трудным делом противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно не известные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства».

Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер «сингулярных точек». В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя». Итак, поиски «новой физики» в астрономии ведутся, даже на современном этапе, не первый год. Но пока что эти поиски не увенчались успехом, хотя открытий в астрономии в последнее время — хоть отбавляй!

Конечно, астрономия сыграла исключительно большую, если не решающую роль при рождении современной физики и, конкретно, механики — вспомним, например, Кеплера, Ньютона. Бесспорно и то обстоятельство, что в последние десятилетия удельный вес и значение астрономии (включая сюда и соответствующие космические исследования) среди других естественных наук сильно выросли. Но значит ли это, что астрономия сегодня опять указывает новые пути в физике и имеет, как пишет В. А. Амбарцумян, «серьезные шансы стать в ближайшем будущем лидером современного естествознания»? Физики в этом отношении обычно довольно сдержанны, причем это относится и к тем из них, кто сам активно занимается или интересуется астрономией.

Убедительный ответ на вопрос, порождает ли современная астрономия «новую физику» или она является лишь важным и интересным полем приложения методов и результатов известной нам физики, конечно же, не может быть получен с помощью рассуждений и дискуссий. Ответ даст лишь сама жизнь. И все же уже сегодня можно попытаться понять, в чем же расходятся некоторые астрономы и физики при оценке роли астрономии в современном естествознании и, главное, при оценке вопроса о месте «новой физики» в астрономии.

Еще в начале прошлого века физические законы обычно считались абсолютными, а мысль об ограниченности физических теорий мало кому приходила в голову. Но эта пора безвозвратно ушла. Сейчас, если речь идет о серьезных научных кругах, абсолютизация физических теорий просто невозможна. Во-первых, многому научила история создания и развития теории относительности и квантовой механики. Во-вторых, всем теперь известно, что существующая физическая теория не дает ответа на ряд фундаментальных вопросов.

Конкретно: сегодня все еще нет единой теории «элементарных частиц», объясняющей свойства известных частиц (барионов, мезонов, лентонов), Нет последовательной теории сильных и слабых взаимодействий, не известно, до каких пор мы вправе «дробить» пространство и время. Нет квантовой теории гравитационного поля. Тем самым использование общей теории относительности ограничено классической (неквантовой) областью. Этот список можно было бы продолжить и уточнить, но и его достаточно, чтобы стала очевидной незавершенность существующих теоретических представлений.

Таким образом, новые идеи и представления необходимы для развития фундаментальных физических теорий — с этим никто спорить не будет. Нельзя поэтому сказать, что физики сегодня занимают консервативную позицию, как это было в начале прошлого века.

Но все это ни в коей мере не умаляет ценности и глубины существующих фундаментальных физических теорий (таких, как теория относительности и квантовая механика). Больше того, можно сказать, что в области их применимости фундаментальные теории достаточно полны и, возможно, закончены… Что значит «в области применимости»?

Позволю себе привести достаточно известный пример. В астрономии при изучении Солнечной системы обычно можно применять классическую (ньютоновскую) механику, включая сюда и ньютоновский закон всемирного тяготения, пренебрегая хорошо известными релятивистскими поправками. Не говоря уже о совершенно ничтожных квантовых поправках. Квантовая поправка в космических масштабах вообще ничтожная, а релятивистская — для Земли, летящей по орбите, равна одной стомиллионной. Число тоже маленькое, но эту поправку уже можно заметить, хотя до сих пор для Земли она надежно не измерена.

В случае же Меркурия, который летит по орбите много быстрей Земли, релятивистские поправки на порядок больше. Их измерение — один из основных путей проверки общей теории относительности. Однако несмотря на многолетние усилия общая теория относительности (ОТО) на сегодня проверена в пределах Солнечной системы в лучшем случае только с точностью до процента. Понятно, что траектории естественных и искусственных планет и их спутников до сих пор рассчитывают практически с помощью лишь классической механики.

Так вот, о той области, где релятивистскими и квантовыми поправками можно пренебречь, мы и говорим как об известной области применимости классической механики. Закончена и полна ли классическая механика в этой области? Можно смело сказать: да! И это ни в какой мере не будет означать, что мы не понимаем относительности наших знаний и их ограниченность. Но возможен и другой ответ. Можно вообразить, что классическая механика ограничена не только со стороны теории относительности и квантовой механики, но и, скажем, имеет какие-то другие границы применимости, связанные с величиной массы системы, ее размерами и так далее.

«Новая физика», о которой приходится слышать, по нашему мнению, в значительной мере связана именно с предположением именно о таких «дополнительных» ограничениях области применимости классической механики. Допустимы ли такие дополнительные ограничения физических законов? Логически, пожалуй, да. Но они, ни в какой мере не обязательны и даже не необходимы. Теория вполне может быть законченной и полной в ее уже известной области применимости.

Другой пример на ту же тему связан с нерелятивистской квантовой механикой. Конечно, и в этом случае теория заведомо ограничена, ибо не учитывает релятивистских эффектов. Но в области ее применимости она может быть полна, хотя, например, и не отвечает на вопрос, «куда попадет» каждый данный электрон в известном дифракционном опыте. (Электрон в этом опыте описывается не только как частица, но и как волна. Поэтому предсказать, в какое место на экране попадает волна — электрон, невозможно). Автор, как и большинство физиков, считает нерелятивистскую квантовую механику теорией полной и законченной в области ее применимости.

С тем, что физика не завершена и что «новая физика» где-то необходима, — с этим, по сути дела, все согласны. Вопрос заключается только в том, где нужна эта «новая физика». Она, бесспорно, нужна в области релятивистской квантовой теории, теории «элементарных частиц» и т. п. В астрономии, несомненно, ограничено применение общей теории относительности вблизи сингулярностей. (Сингулярность — особая область пространства-времени. Например, внутри «черных дыр»). То же относится к коллапсу и антиколлапсу вблизи классической сингулярности, а возможно, и к сердцевине массивных нейтронных звезд. В этом, последнем случае, если принципиально новые представления и не понадобятся, придется раздвинуть границы применимости известной нам физики. Теория в этом случае будет распространена на область плотностей, превосходящих плотность обычных атомных ядер!

Серьезные неожиданности могут поджидать нас и в такой области, важной и для ядерной физики и для астрономии, как измерение потока нейтрино от Солнца. Как известно, уже эта, первая задача рождающейся нейтринной астрономии несколько неожиданно оказалась более трудной и неясной, чем предполагалось: поток нейтрино от Солнца еще не обнаружен, что при достигнутой точности измерений вызывает известное недоумение и настороженность (а нет ли здесь чего- то принципиально нового?) Короче говоря, мы, физики, ни в коей мере не склонны умалять роль астрономии в развитии физики.

Совсем другое дело, нужно ли уповать на новую физику в условиях, которые отнюдь не являются какими-то необычными? Между тем нередко речь о новых законах заходит даже тогда, когда еще далеко до полного истощения известных теорий.

Взять хотя бы скопления галактик. Их, казалось бы, можно и должно описывать с помощью классической механики. Но если мы принимаем во внимание лишь видимые массы (то есть сами галактики), мы приходим к противоречиям или трудностям, пытаясь построить теорию развития этих скоплений. Получается, что отдельные скопления не могли бы так долго существовать, как они существуют. Как преодолеть эту трудность? Можно, конечно, считать, что скопления порождаются «на наших глазах», поступая из какого-то «другого пространства» (см., например, упомянутую выше гипотезу Джинса).

Можно допустить, что неверен (неточен) закон всемирного тяготения Ньютона. Все это и многое другое трудно запретить. Но несравненно более естественно, однако, предположить, например, что в скоплениях имеется много еще не замеченного астрономами ионизированного газа, который и стабилизирует скопление. Эта точка зрения, насколько известно, не противоречит никаким имеющимся данным, так как в целом проблема плотности межгалактического газа — сплошное белое пятно астрономии.

Если коснуться проблем природы ядер галактик и квазаров, вопроса об источниках их колоссальной энергии, то и там ситуация похожая. Речь здесь идет о плотностях, радиусах кривизны и других параметрах, вполне «подвластных» известной физике и, конкретно, неквантовой ОТО. Другое дело, что теория галактических ядер недостаточно развита, и далеко не все в этой области ясно даже в принципе. Но подобная неопределенность царит и во многих других разделах науки, где недостаток экспериментальных или наблюдательных данных, математические трудности и т. п., еще не позволили добиться ясности.

Примером может служить хотя бы вопрос о максимальной критической температуре для сверхпроводящих металлов. Но ведь никто не сомневается в том, что нерелятивистская квантовая механика способна в принципе дать ответ на этот вопрос!

Где же ищут «новую физику»? Часто это пытаются сделать, допуская и исследуя возможность изменения фундаментальных постоянных (гравитационной постоянной, постоянной сверхтонкой структуры и др.) со временем. Вопрос этот, несомненно, заслуживает внимания, но до сих пор никаких реальных указаний на переменность констант еще не получено. Насколько нам известно, ни в этих, и ни в каком другом случае в астрономии не доказано, что известная физика «отказывает» и переход к новым представлениям действительно необходим.

Автор: В. Гинзбург.