Чи потрібна нова фізика в астрономії?

Чи достатні відомі фізичні закони для пояснення всіх астрономічних явищ і процесів? Іншими словами, чи потрібна сьогодні в астрономії «нова фізика» і чи випала їй (астрономії) честь стати джерелом принципово нових фізичних уявлень? Ці питання знаходяться зараз в центрі уваги фізики і астрономії. Правда, це далеко не завжди відображено в літературі явно, особливо в наукових журналах, що пов’язано з певним стилем, прийнятим у наукових статтях, але не з суттю справи. Зате в книгах, спеціальних виданнях і доповідях ці загальні проблеми обговорюються набагато частіше.

Розмови про те, що астрономія потребує нової фізики, викликані багатьма причинами. Серед них не останнє місце займає позиція самих астрономів. Деякі видатні дослідники вважають, що певної фізики вже «не вистачає» для вирішення космологічної проблеми, для розуміння поведінки скупчень галактик, для пояснення процесів в ядрах галактик і квазарах і т. д. Так, наприклад, говорячи про ядра галактик і квазари та їх вибухи, В. А. Амбарцумян зауважує «спроби описати їх в рамках відомих зараз фундаментальних фізичних теорій зустрічаються з величезними, можливо, непереборними труднощами. Я вважаю, що саме від астрономії слід вже в недалекому майбутньому очікувати виявлення нових факторів, які зажадають формулювання нових фізичних теорій, більш загальних, ніж відомі зараз».

В. А. Амбарцумян критикує «тих фізиків, які вважають, що відомі зараз фундаментальні фізичні закони достатні для опису всього різноманіття явищ у Всесвіті».

Думка про необхідність вийти в астрономії за межі відомої фізики ненова, і пошуки цієї «нової фізики» в центрі галактик тривають уже не одне десятиліття. Так, ще в 1928 році Дж. Джині писав: «Кожна невдача при спробах зрозуміти походження спіральних гілок робить все більш важкою справою протистояти підозрі, що в спіральних туманностях діють не відомі нам сили, бути може, що відображають нові і несподівані метричні властивості простору».

Припущення, яке настійно виникає, полягає в тому, що центри туманностей мають характер «сингулярних точок». У цих точках матерія втікає в наш світ з деякого іншого і зовсім стороннього простору. Тим самим мешканцю нашого світу сингулярні точки представляються місцями, де безперервно народжується матерія». Отже, пошуки «нової фізики» в астрономії ведуться, навіть на сучасному етапі, не перший рік. Але поки що ці пошуки не увінчалися успіхом, хоча відкриттів в астрономії останнім часом — хоч відбавляй!

Звичайно, Астрономія зіграла виключно велику, якщо не вирішальну роль при народженні сучасної фізики і, конкретно, механіки — згадаємо, наприклад, Кеплера, Ньютона. Безперечна і та обставина, що в останні десятиліття питома вага і значення астрономії (включаючи сюди і відповідні космічні дослідження) серед інших природничих наук сильно зросли. Але чи означає це, що астрономія сьогодні знову вказує нові шляхи у фізиці і має, як пише В. А. Амбарцумян, «серйозні шанси стати в найближчому майбутньому лідером сучасного природознавства»? Фізики в цьому відношенні зазвичай досить стримані, причому це відноситься і до тих з них, хто сам активно займається або цікавиться астрономією.

Переконливу відповідь на питання, чи породжує сучасна астрономія «нову фізику» або чи вона є лише важливим і цікавим полем додатку методів і результатів відомої нам фізики, звичайно ж, не може бути отримано з допомогою міркувань і дискусій. Відповідь дасть лише саме життя. І все ж вже сьогодні можна спробувати зрозуміти, в чому ж розходяться деякі астрономи і фізики при оцінці ролі астрономії в сучасному природознавстві і, головне, при оцінці питання про місце «нової фізики» в астрономії.

Ще на початку минулого століття фізичні закони зазвичай вважалися абсолютними, а думка про обмеженість фізичних теорій мало кому приходила в голову. Але ця пора безповоротно пішла. Зараз, якщо мова йде про серйозні наукові кола, абсолютизація фізичних теорій просто неможлива. По-перше, багато чому навчила історія створення і розвитку теорії відносності і квантової механіки. По-друге, всім відомо, що існуюча фізична теорія не дає відповіді на ряд фундаментальних питань.

Конкретно: сьогодні все ще немає єдиної теорії «елементарних частинок», що пояснює властивості відомих частинок (баріонів, мезонів, лентонів), немає послідовної теорії сильних і слабких взаємодій, не відомо, до яких пір ми вправі «дробити» простір і час. Немає квантової теорії гравітаційного поля. Тим самим використання загальної теорії відносності обмежене класичною (неквантовою) областю. Цей список можна було б продовжити і уточнити, але і його досить, щоб стала очевидною незавершеність існуючих теоретичних уявлень.

Таким чином, нові ідеї та уявлення, необхідні для розвитку фундаментальних фізичних теорій — з цим ніхто сперечатися не буде. Не можна тому сказати, що фізики сьогодні займають консервативну позицію, як це було на початку минулого століття.

Але все це жодною мірою не применшує цінності і глибини існуючих фундаментальних фізичних теорій (таких, як теорія відносності і квантова механіка). Більше того, можна сказати, що в області їх застосування фундаментальні теорії досить повні і, можливо, закінчені… Що значить «в області застосування»?

Дозволю собі навести досить відомий приклад. В астрономії при вивченні Сонячної системи зазвичай можна застосовувати класичну (ньютонівську) механіку, включаючи сюди і ньютонівський закон всесвітнього тяжіння, нехтуючи добре відомими релятивістськими поправками. Не кажучи вже про абсолютно незначні квантові поправки. Квантова поправка в космічних масштабах взагалі мізерна, а релятивістська — для Землі, що летить по орбіті, дорівнює одній стомільйонній. Число теж маленьке, але цю поправку вже можна помітити, хоча до сих пір для Землі вона надійно не виміряна.

У випадку ж Меркурія, який летить по орбіті багато швидше Землі, релятивістські поправки на порядок більші. Їх вимір – один з основних шляхів перевірки загальної теорії відносності. Однак незважаючи на багаторічні зусилля загальна теорія відносності (ЗТВ) на сьогодні перевірена в межах Сонячної системи в кращому випадку тільки з точністю до відсотка. Зрозуміло, що траєкторії природних і штучних планет та їх супутників досі розраховують практично лише за допомогою класичної механіки.

Так ось, про ту область, де релятивістськими і квантовими поправками можна знехтувати, ми і говоримо як про відому область застосовності класичної механіки. Чи закінчена і повна класична механіка в цій області? Можна сміливо сказати: так! І це ні в якій мірі не означатиме, що ми не розуміємо відносності наших знань і їх обмеженість. Але можлива й інша відповідь. Можна уявити, що класична механіка обмежена не тільки з боку теорії відносності та квантової механіки, але і, скажімо, має якісь інші кордони застосовності, пов’язані з величиною маси системи, її розмірами і так далі.

«Нова фізика», про яку доводиться чути, на нашу думку, значною мірою пов’язана саме з припущенням саме про такі «додаткові» обмеження області застосовності класичної механіки. Чи допустимі такі додаткові обмеження фізичних законів? Логічно, мабуть, так. Але вони ні в якій мірі не обов’язкові і навіть не необхідні. Теорія цілком може бути закінченою і повною в її вже відомій області застосовності.

Інший приклад на ту ж тему пов’язаний з нерелятивістською квантовою механікою. Звичайно, і в цьому випадку теорія свідомо обмежена, бо не враховує релятивістських ефектів. Але в області її застосовності вона може бути сповнена, хоча, наприклад, і не відповідає на питання, “куди потрапить” кожен даний електрон у відомому дифракційному досліді. (Електрон в цьому досліді описується не тільки як частка, але і як хвиля. Тому передбачити, в яке місце на екрані потрапляє хвиля — електрон, неможливо). Автор, як і більшість фізиків, вважає нерелятивістську квантову механіку теорією повною і закінченою в області її застосовності.

З тим, що фізика не завершена і що «нова фізика» десь необхідна, — з цим, по суті справи, всі згодні. Питання полягає лише в тому, де потрібна ця «нова фізика». Вона, безперечно, потрібна у області релятивістської квантової теорії, теорії «елементарних частинок» і т. п. В астрономії, безсумнівно, обмежено застосування загальної теорії відносності поблизу сингулярностей. (Сингулярність — особлива область простору-часу. Наприклад, всередині «чорних дір»). Те ж відноситься до колапсу і антиколапсу поблизу класичної сингулярності, а можливо, і до серцевини масивних нейтронних зірок. В цьому, останньому випадку, якщо принципово нові уявлення і не знадобляться, доведеться розсунути межі застосовності відомої нам фізики. Теорія в цьому випадку буде поширена на область щільностей, що перевершують щільність звичайних атомних ядер!

Серйозні несподіванки можуть чекати нас і в такій області, важливій і для ядерної фізики і для астрономії, як вимір потоку нейтрино від Сонця. Як відомо, вже ця, перша задача нової нейтринної астрономії дещо несподівано виявилася більш складною і заплутаною, ніж передбачалося: потік нейтрино від Сонця ще не виявлений, що при досягнутій точності вимірювань викликає відомий подив і настороженість (а чи немає тут чогось принципово нового?) Коротше кажучи, ми, фізики, ні в якій мірі не схильні применшувати роль астрономії в розвитку фізики.

Зовсім інша справа, чи потрібно сподіватися на нову фізику в умовах, які аж ніяк не є якимись незвичайними? Між тим нерідко мова про нові закони заходить навіть тоді, коли ще далеко до повного виснаження відомих теорій.

Взяти хоча б скупчення галактик. Їх, здавалося б, можна і повинно описувати за допомогою класичної механіки. Але якщо ми беремо до уваги лише видимі маси (тобто самі галактики), ми приходимо до протиріч або труднощів, намагаючись побудувати теорію розвитку цих скупчень. Виходить, що окремі скупчення не могли б так довго існувати, як вони існують. Як подолати цю складність? Можна, звичайно, вважати, що скупчення породжуються «на наших очах», надходячи з якогось «іншого простору» (див., наприклад, згадану вище гіпотезу Джинса).

Можна припустити, що невірний (неточний) закон всесвітнього тяжіння Ньютона. Все це і багато іншого важко заборонити. Але незрівнянно більш природно, однак, припустити, наприклад, що в скупченнях є багато ще не поміченого астрономами іонізованого газу, який і стабілізує скупчення. Ця точка зору, наскільки відомо, не суперечить ніяким наявними даними, так як в цілому проблема щільності міжгалактичного газу — суцільна біла пляма астрономії.

Якщо торкнутися проблем природи ядер галактик і квазарів, питання про джерела їх колосальної енергії, то і там ситуація схожа. Мова тут йде про густину, радіус кривизни й інші параметри, цілком «підвладні» відомій фізиці і, конкретно, неквантовій ЗТВ. Інша справа, що теорія галактичних ядер недостатньо розвинена, і далеко не все в цій області ясно навіть в принципі. Але подібна невизначеність панує і в багатьох інших розділах науки, де брак експериментальних або спостережних даних, математичні труднощі і т. п., ще не дозволили досягти ясності.

Прикладом може служити хоча б питання про максимальну критичну температуру для надпровідних металів. Але ж ніхто не сумнівається в тому, що нерелятивістська квантова механіка здатна в принципі дати відповідь на це питання!

Де ж шукають «нову фізику»? Часто це намагаються зробити, допускаючи і досліджуючи можливість зміни фундаментальних постійних (гравітаційної постійної, постійної надтонкої структури, тощо) з часом. Питання це, безсумнівно, заслуговує на увагу, але до сих пір ніяких реальних вказівок на змінність констант ще не отримано. Наскільки нам відомо, ні в цьому, ні в якому іншому випадку в астрономії не доведено, що відома фізика «збоїть» і перехід до нових уявлень дійсно необхідний.

Автор: В. Гінзбург.