Статья для газеты российских атомщиков написана по результатам личных бесед с А.А. Логуновым
Теория академика Логунова предлагает кардинальное решение
проблем «Большого взрыва» и «черных дыр"
Ситуация в современной физике чем-то напоминает ту, которая сложилась в начале 20-го века. К тому времени здание классической механики, выстроенное со времен Ньютона и казавшееся незыблемым в силу произошедшей на его основе мировой технической революции, ощутимо шаталось. Появлялись новые эксперименты, для объяснения которых не было теоретической базы, некоторые «старые» опыты требовали своего доказательного объяснения.
В общем, требовался качественный скачок к новой физике.
И вот – 1905-й год.
В берлинских «Анналах физики» одна за другой появляются три революционных по научной сути статьи 26-летнего Альберта Эйнштейна, скромного служащего патентного бюро в швейцарском Берне. В них он не только объяснил сущность некоторых новых экспериментальных эффектов, но и предложил ни много, ни мало – новую картину естествознания.
Статья о броуновском движении вскрыла физическую природу теплового движения и привела к исчерпывающему доказательству атомного строения вещества.
Вторая из статей была посвящена новому, квантовому пониманию свойств света на примере фотоэлектрического эффекта.
И, наконец, третья статья содержала основы теории относительности. Были изложены законы сложения скоростей, сформулирована проблема одновременности, и впервые приведено ставшее знаменитым соотношение между запасом энергии тела и его массой: Е = mc², где c - скорость света, которая постулируется в качестве предельной скорости распространения энергетических процессов. Эта теория получила затем название «специальной теории относительности» (СТО), поскольку затем в течение последующих 10 лет Эйнштейн предложил её обобщение на ускоренное движение, а затем включил в рассмотрение теорию тяготения и связь геометрии с наличием массы.
Так возникла общая теория относительности (ОТО), в определенной мере изменившая мир. Поскольку c² – величина гигантская, то именно в этой формуле, как впоследствии оказалось, были заложены основы целенаправленного высвобождения человеком скрытой в глубинах материи ядерной энергии. Как мы теперь знаем, её мирное использование стартовало в 1954 году с пуском первой в мире атомной электростанции в Обнинске, а сегодня, к примеру, 30% всей электроэнергии, потребляемой в Европейской части России – «атомного» происхождения. А во всей Франции – и того больше, почти 80 %. Это ли не «отдача» от фундаментальных физических исследований начала века - в самом практическом смысле?
Но вместе с тем Природа оставила пытливому уму нынешних своих исследователей еще немало загадок. Более того – по мере добывания новых знаний этих загадок становится всё больше. Тем насущнее задача «разобраться со «старыми». Одной из таких проблем, требующих ясного понимания и строгих доказательств, остается такое следствие из ОТО, как пресловутые «чёрные дыры». Если они существуют – какова их физическая сущность?
В этом отношении сложилась довольно парадоксальная ситуация. Исследователи, наблюдающие дальний космос, время от времени заявляют об обнаружении новых объектов, идентифицируемых если не как «чёрные дыры», то как «кандидаты в «чёрные дыры» - экзотические порождения звездной эволюции, поглощающих в себя всё и не выпускающих наружу ничего. А исследователи микромира, готовящие эксперименты в Женеве на сверхмощном ускорителе LHC, не исключают обнаружения в столкновениях внутриядерных частиц при гигантских энергиях эффекта возникновения «мини-«чёрных дыр» (которые, впрочем, тут же должны исчезнуть, не причиняя вреда).
Несмотря на такие заверения авторитетных ученых, в досужей прессе (и в России, и за рубежом) то и дело появляются «сенсационные предсказания» мировой катастрофы из-за работы LHC. Дело даже дошло до того, что появились судебные иски с требованиями остановить запуск ускорителя. В то же время до сих пор не существует строгих научных доказательств как реального существования «чёрных дыр» в астрофизике и космологии, так возможного их возникновения в физике высоких энергий на ускорителях частиц.
Чтобы понять, почему так - надо, как говорится, «вернуться к истокам» и напомнить некоторые исходные положения ОТО. Начало загадке «чёрных дыр» было положено в 1916 году, когда немецкий ученый Карл Шварцшильд, работая с эйнштейновскими уравнениями, впервые нашел решение для гравитационного поля, создаваемой центрально-симметричной массой. Он ввел в рассмотрение величину "гравитационного радиуса" для некоторой воображаемой сферы, стягивающейся из-за сил, тяготеющих к центру. В применении к сценарию эволюции звезд «сфера Шварцшильда» означает следующее.
С течением времени (счёт идет на миллиарды лет) вещество звезды вырабатывается в термоядерных реакциях, температура снижается, и звезда начинает за счет собственной гравитации коллапсировать, "ужиматься", причем развитие коллапса идет по двум вариантам. Если масса сжимающихся звезд до начала охлаждения не превышает некоторой критической величины, равной приблизительно трем солнечным массам - они превращаются в компактные и сравнительно холодные (тысячи градусов - вместо миллионов) "нейтронные звезды", или "белые карлики". В ином случае оставшееся вещество как бы уходит под "гравитационный радиус", а экс - звезда превращается в объект без четкой физической поверхности. Есть лишь условное понятие "горизонт событий", за пределы которого не может вырваться ни единый квант света - только поглощение всего приходящего извне. В общем, возникает «чёрная дыра» (название пустил в обиход на одной из конференций в 1967 году недавно скончавшийся в возрасте 96 лет американский теоретик Джон Уилер, работавший с Эйнштейном).
Надо сказать, что многие современники Эйнштейна, да и он сам, относились к гипотезе существования «чёрных дыр» скептически – хотя бы потому, что наличие поглощающих, но неизлучающих объектов противоречит второму началу термодинамики. Известно, к примеру, такое высказывание английского астрофизика Артура Эддингтона (он экспериментально определил в 1919 г. отклонение светового луча в поле тяготения Солнца – это было ключевое подтверждение ОТО): «Звезда должна эволюционировать таким образом: излучать и излучать, сжиматься и сжиматься до тех пор, пока, как я полагаю, она не достигнет величины радиуса в несколько километров; тогда силы гравитации становятся слишком сильными, чтобы быть уравновешенными давлением. Тем самым, я вынужден прийти к выводу, что это почти reduction ad absurdum (приведение к абсурду) формулы для релятивистского вырожденного газа. Возможные случайные обстоятельства могли бы предотвратить такое поведение звезды, но я хочу, чтобы был более сильный запрет на такую эволюцию звезды. Я думаю, что должен был бы существовать Закон Природы, который бы не допускал эволюцию звезды столь абсурдным способом».
Термодинамические возражения против «чёрной дыры» были если не устранены, то ослаблены введением в рассмотрение в 1974 году английским теоретиком Стивеном Хокингом так называемого "испарения чёрных дыр" за счет квантовых флуктуаций, благодаря чему масса «чёрной дыры» со временем уменьшается. В общем, постепенно доминирующей (но не исключающей и других представлений) стала точка зрения, что из эйнштейновской ОТО следует только такое пространство-время, которое начинается в Большом взрыве и заканчивается в «чёрных дырах».
Это теория. А что эксперимент – главный судья в научном споре?
Для того, чтобы точно определить «чёрную дыру», надо решить три задачи: измерить массу "кандидата", установить, что он вписывается в гравитационный радиус, и, наконец, доказать отсутствие у объекта физической поверхности. Лишь первая задача решается в астрофизике довольно надёжно по поведению наблюдаемых объектов или излучений вблизи предполагаемой "чёрной дыры", к решению двух других задач доказательных путей пока нет. Тем не менее на начало нынешнего века астрофизическим сообществом признаются в качестве кандидатов в "чёрные дыры" несколько сотен объектов. И это ничтожно мало по сравнению с тем их количеством в наблюдаемой Вселенной, которое должно было бы наличествовать по сценарию, предписанному в рамках ОТО.
То есть наряду с парадоксом феномена «чёрных дыр» налицо признаки общего «кризиса в науке и общественном сознании», и это не удивительно. С одной стороны, слишком велик разрыв между глубокими теоретическими исследованиями и имеющейся в распоряжении достоверной "наблюдательной базой" в виде проверенных экспериментальных данных. С другой – если не растет, то и не сокращается зазор между научными знаниями о Природе и уровнем просвещенности значительной части населения, довольствующейся зачастую лишь смутными воспоминаниями о школьном курсе физики. При этом, если говорить о нашей стране, налицо фактическое сокращение общедоступных источников научных знаний в СМИ (падают тиражи научно-популярных изданий, нет телепередач такого класса, какими были в свое время, например, беседы Сергея Капицы). В этот зазор как раз активно вторгается массовое невежество, о чем, к примеру, не уставал говорить до самой своей кончины нобелевский лауреат по физике академик Виталий Гинзбург.
Обо всем этом (но в основном - все-таки о теме «чёрных дыр») мы не раз говорили с научным руководителем ГНЦ РФ «Институт физики высоких энергий», академиком Анатолием Логуновым. В данном случае поводом для беседы было встречное желание Анатолия Алексеевича рассказать об итогах работы, которая была проделана после доклада «Силы отталкивания в полевой теории гравитации», с которым он выступил на последнем - 28-м Международном совещании по физике высоких энергий и теории поля в г. Протвино в 2005 году (подобные совещания после этого, к сожалению, ко времени написания статьи в силу ряда причин не проводились).
Тем временем готовится к выходу (в издательстве «Наука») монография А.А. Логунова под обобщающим названием «Релятивистская теория гравитации», в которой изложены результаты теоретических исследований самого академика и его научной школы, сложившейся в течение ряда лет. Главным итогом этой работы можно считать создание непротиворечивой физической теории пространства - времени, альтернативной по отношению к ОТО Альберта Эйнштейна. Релятивистская теория гравитации (РТГ) в терминах физического поля объясняет результаты всех гравитационных эффектов, наблюдаемых в Солнечной системе, а в отношении эволюции астрофизических объектов исключает появление «чёрных дыр».
Что вместо этого?
Возвращаясь к примеру с угасающей звездой достаточной массы, РТГ предполагает (и приводит соответствующие выкладки и доказательства), что процесс коллапса вовсе не приводит к её обязательному в рамках ОТО превращению в «чёрную дыру». Напротив, если гравитационное поле, которое рассматривается здесь как физическое поле, обладающее тензором энергии – импульса (чего нет в ОТО), вначале проявляет себя точно так же через силы притяжения и уплотняет материю, то в некоторый момент начинается новая, неизвестная ранее фаза процесса. Под действием достаточно сильного поля начинается замедление хода времени по сравнению с инерциальным временем. В РТГ на языке математических доказательств описаны механизмы, благодаря которым возникают и усиливаются эффективные полевые силы отталкивания, которые останавливают процесс сжатия материи, а затем обеспечивают начало процесса расширения.
Таким образом, как бы "в ответ Эддингтону", чья цитата была приведена выше, предложен своеобразный механизм саморегулирования массивных объектов в гравитационном поле полевой природы. И дело не только в том, что предложенный механизм позволяет полностью отказаться от введения в рассмотрение столь экзотических объектов, как «чёрные дыры». Изучение и развитие этого механизма может существенно изменить картину представлений о глубинной взаимосвязи материи, пространства и времени в астрофизике и физике высоких энергий.
Вместо общепринятой в массовом научном информационном потоке гипотезы эволюции расширяющейся Вселенной, начинающейся с т.н. «Большого взрыва», произошедшего 14 миллиардов лет назад, предлагается однородная и изотропная плоская Вселенная, развивающаяся циклически от некоторой максимальной плотности до некоторой минимальной, и наоборот. При этом так называемое "расширение Вселенной" - этот вполне наблюдаемый по "красному смещению" эффект, - связано не с относительным движением вещества, а с изменением гравитационного поля со временем.
Кроме того, уже на ранних этапах построения РТГ был сделан вывод о том, что во Вселенной должна существовать большая "скрытая масса", не сводящаяся к наблюдаемой материи. Этот вывод совпадает с открытиями в радиоастрономии, сделанные в последнее десятилетие, которые подвели ученое сообщество к признанию того, что вся прежняя физика имела дела лишь с малой частью вещества, распределенного во Вселенной. Привычная нам «барионная» материя, по оценкам, составляет не более 5% вещества Вселенной. Еще 25% массы Вселенной составляют частицы неизвестной пока природы - так называемая «тёмная материя». И остальные 70 % Вселенной приходятся на загадочную пока «тёмную энергию», которую можно интерпретировать как неизвестное пока состояние вещества (либо вакуума, ясности пока нет) с положительной плотностью и отрицательным давлением. Опубликованные гипотезы сводятся к тому, что «тёмную материю» могут составлять ещё не открытые тяжелые частицы с массой, на два-три порядка превышающей массу протона.
Именно поэтому физики возлагают большие надежды на эксперименты на LHC, которые могут «пролить свет» на «тёмные» составляющие Вселенной. Кроме того, физики значительную часть исследований посвятят поискам разгадки происхождения массы всех наблюдаемых в микромире частиц, которую связывают с неоткрытым пока экспериментально т.н. "бозоном Хиггса" - по имени предложившего эту ключевую составляющую общепринятой Стандартной модели английского физика Питера Хиггса.
В общем, физики готовятся к "прорыву", и российская часть этого общемирового научного отряда выглядит вполне достойно.
В том числе – и научная школа академика Логунова, идущая своим путём и предлагающая нетрадиционные ответы на нелегкие вопросы познания Природы.
Опубликовано: газета «Атом-пресса» №26, июнь 2008 г.
(некоторые иллюстрации к тексту добавлены позже)
Серия сообщений "Публикации об А.А.Логунове":
Часть 1 - Национальное достояние России
Часть 2 - Акцент - на ускорительные проекты
...
Часть 11 - Архитектор науки. А.А. Логунову - 80 лет
Часть 12 - А. Логунов: "Как это было"
Часть 13 - Кризис в естествознании начала 21 века
Часть 14 - Пролить свет на тёмную составляющую
Часть 15 - Предновогодний визит к академику
...
Часть 30 - Побывать в рабочем кабинете А.А.Логунова
Часть 31 - Доска памяти А.А. Логунова на здании ТО ИФВЭ
Часть 32 - Последний урок академика Логунова
