Пятая сила

На пороге ХХ столетия обнаружение новой формы радиации могло стремительно вознести карьеру ученого-физика. Вильгельм Рентген изменил мир, открыв в 1895 году Х-излучение (рентгеновское излучение). Вскоре после этого Эрнест Резерфорд и Поль Виллар идентифицировали три разных вида излучения, названные ими альфа-, бета- и гамма-лучи, распространяемые радиоактивными соединениями. В 1903 году французский физик из университета города Нанси Рене Блондло добавил свое сообщение об открытии N-лучей, удивительно демократичной формы радиации, излучаемой древесиной, железом, живыми организмами – и практически всем вокруг.

Об N-лучах было написано около 300 научных статей, но были ли они в реальности? Один скептически настроенный физик по имени Роберт Вуд даже посетил лабораторию Блондло и тайно уничтожил ключевую часть его аппаратуры, однако это действо никак не отразилось на восприятии Блондло N-лучей, доказывая тот факт, что они были исключительно плодом его воображения.

Аннулирование открытия Блондло послужило напоминанием, что на самом деле наш мир не полон бесчисленным количеством излучений. Х-лучи и гамма-лучи вскоре были признаны как различные формы электромагнитного излучения – как радиоволны и видимый свет, только более сильные. Бета-лучи – это просто стремительно двигающиеся электроны, а альфа-лучи – это быстро перемещающаяся группа ядер гелия. За множеством новых явлений скрывалось лишь несколько простых компонентов.

Объединение и упрощение – вот главная тема современной физики. Много лет назад физики составили карту всего электромагнитного спектра. Современная версия поиска новых видов излучения – это поиск новых сил природы.

Согласно законам современной физики, мир, по существу, состоит из частиц, взаимодействующих посредством сил. В течение ХХ столетия ученые открыли много новых частиц, взаимодействующих разными способами. Но постепенно стало ясно, что подавляющее большинство таких частиц – это лишь различные комбинации их более мелких версий. Когда в 1970-х вся эта суматоха прекратилась, мы остались с двумя типами элементарных частиц – кварки, группирующиеся в тяжелые составляющие, такие как протоны и нейтроны; и легкие частицы под названием «лептоны» – это электроны и нейтрино, которые могут свободно двигаться, не собираясь в более тяжелые соединения.

Удивительно, что эти частицы взаимодействуют посредством лишь четырех разных сил. Две нам известны – это сила тяжести и электромагнетизм. Сила тяжести – самая распознаваемая сила; каждый раз мы боремся с нею, когда преодолеваем лестничный пролет. Но электромагнетизм, возможно, более важен для нашей повседневной жизни. Почти все, что мы испытываем, не связанное напрямую с силой тяжести в конечном итоге относится к электромагнетизму. Радиоволны, видимый свет и Х-лучи – все это различные формы электромагнитного излучения.

Две другие силы – это сильная и слабая ядерные силы. Мы не замечаем их в повседневной жизни потому, что они с малым радиусом действия и распространяются только на крошечные дистанции. Сильная ядерная сила связывает кварки в протоны и нейтроны и удерживает их вместе для создания атомного ядра. Слабая ядерная сила слишком слабая.

Четыре силы управляют всей Вселенной? Это удивительное утверждение. В действительности, отбрасывая происходящие в атомах, микроскопические процессы, все, что мы видим, можно отнести к частицам, взаимодействующим посредством только силы тяжести и электромагнетизма. От орбит планет до сгибания твоих мышц – каждый момент в макроскопическом мире происходит благодаря взаимодействию этих двух аспектов природы.

Любая новая сила, которую мы могли бы когда-нибудь обнаружить, должна быть настолько слабой на ежедневных дистанциях, что она никак не могла бы повлиять на макроскопический мир. А если бы могла, мы бы ее уже давно обнаружили.

Итак, теоретики предлагают идеи о новых дальнодействующих силах, а экспериментаторы занимаются их поисками до сих пор. Нашим любимым экспериментальным инструментом является обманчиво простое устройство под названием «торсионные весы»: два предмета разной структуры на противоположных концах стержня, подвешенные на проволоке. Любая сила, по-разному действующая на два предмета, будет крутить проволоку. Торсионные весы имеют внушительную историю. Впервые в 1880 году их использовал венгерский физик Этвеш Лоранд, чтобы показать, что сила тяготения действует одинаково на предметы, сделанные из различных материалов. Другими словами, нет никаких доказательств существования новых дальнодействующих сил.

После Этвеша многие ученые признали, что вопрос решен. Но все изменилось в 1986 году, когда Эфраим Фишбах из Университета Пердью снова проанализировал первоначальный эксперимент и заявил, что в результатах Этвеша скрыто доказательство существования новой силы. Последующие исследования не подтвердили это заявление, но новые мысли привели к новым экспериментальным попыткам.

Самая точная современная версия эксперимента Этвеша была проведена Эриком Адельбергером и его командой в Вашингтонском Университете. Они усовершенствовали варианты умных, ультрачувствительных экспериментов с торсионными весами и провели более 25 лет в поисках каких-либо кручений, которые бы указали на присутствие новых сил, действующих на больших расстояниях.

С тех пор больше ничего. Однако физики по-прежнему надеются, что что-то обнаружится, возможно, в мощных ускорителях частиц, потому что открытие новых сил означало бы то, что нам пришлось бы развивать абсолютно новые теории.

DISCOVER. Перевод И. ХАДЖИЕВОЙ