Открытый ящик Пандоры

«Наука не знает всего» — такой «финальный аргумент» вы можете услышать от собеседника в споре на тему паранормальных явлений, экстрасенсорных способностей или какой-нибудь псевдонауки вроде астрологии. (Более продвинутая версия: «Но ведь единая теория поля ещё не построена».) Многие считают, что человечество находится на пороге познания принципиально нового и вот-вот распахнёт «ящик Пандоры», получив доказательства реальности ауры, телекинеза, телепатии и прочих всевозможных «тонких материй». К счастью, нет необходимости располагать единой теорией поля, чтобы показать несостоятельность таких ожиданий — современных знаний физики для этого уже достаточно.

В попытках обосновать возможность экстрасенсорных явлений сторонникам реальности мистического придётся ссылаться на неизвестную силу (взаимодействие). Откуда это следует? К настоящему моменту установлено, что вещество состоит из частиц, участвующих в четырёх фундаментальных взаимодействиях, каждое из них, в свою очередь, имеет свою частицу — переносчик взаимодействия, за счёт обмена которыми между объектами взаимодействие и осуществляется (фотон — известный всем переносчик электромагнитного взаимодействия). На протяжении XX века было обнаружено множество частиц, но в итоге они оказались состоящими из ряда элементарных: кварков, комбинации которых за счёт сильного взаимодействия образуют более массивные частицы (например, протоны и нейтроны), и лептонов, не участвующих в сильном ядерном взаимодействии частиц, — например, электронов, которые «гуляют сами по себе» и не группируются в более массивные частицы.

С действием первых двух сил — гравитации и электромагнетизма — каждый из нас сталкивается ежесекундно. Гравитационное взаимодействие универсально и приводит к взаимному притяжению всех тел, но необычайно слабо — силу гравитационного притяжения всей планеты вы преодолеваете, поднимая руку, шагая по ступеням или взбираясь в гору. Подавляющее большинство повседневных явлений — результат электромагнитного взаимодействия (в котором участвуют только заряженные частицы, в отличие от гравитационного, где для участия нужна масса): оно «сковывает» атомы в молекулы и твёрдые тела, из-за него ваши наэлектризованные волосы могут торчать в разные стороны; ощущаемое руками тепло, когда вы держите чашку кофе или гладите кошку, а также воспринимаемый вашими глазами свет и радиоволны являются электромагнитным излучением разной длины волны.

Два других фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое — значимы на расстояниях меньше атомных. За счёт сильного взаимодействия кварки образуют протоны и нейтроны, а они, в свою очередь, удерживаются им же в ядрах атомов. Из-за малого радиуса действия в явлениях повседневной жизни оно не играет роли.

Под действием слабой силы происходит ряд процессов радиоактивного распада частиц. Она ещё более короткодействующая, чем сильная, характерный радиус действия меньше ядер атомов. Слабое взаимодействие также несущественно в повседневных явлениях, с той оговоркой, что заметить его действие можно по продуктам происходящего по его причине распада частиц. К примеру, по бета-распаду изотопа калия с массовым числом 40, присутствующего в каждом банане. В случае бета-минус распада нейтрон переходит в протон, испущенный в результате процесса распада электрон оказывает действие на окружающие атомы и молекулы за счёт электромагнитной силы, а не слабой, испущенное антинейтрино взаимодействует с частицами, из которых мы состоим, необычайно слабо, поскольку это электронейтральный лептон — не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях. Каждую секунду любого из нас пронизывает множество нейтрино, возникающих в ходе реакций термоядерного синтеза в недрах Солнца (это даёт нам возможность с помощью нейтринных телескопов получать информацию о происходящих в сердце ближайшей звезды процессах), и никак на нас не влияет.

Итак, два фундаментальных взаимодействия лежат в основе подавляющего большинства повседневных явлений, от приливов и отливов под действием Луны до передачи сигнала от одного нейрона другому. По этим же причинам невозможна телепатия — сильное и слабое взаимодействия слишком короткодействующие, гравитация слишком слаба, а генерировать электромагнитное излучение специальной формы человек не может, его тело создаёт тепловое излучение (и только, никакой ауры из известных сил не слепишь), процессы в нейронах — слабое электрическое поле (мозг — совокупность известных частиц с известными свойствами, поэтому не способен создавать какое-либо таинственное излучение, а сложен из-за того, что является грандиозной сетью взаимодействующих между собой элементов — нейронов). Другой человек не может их воспринять, так же как не чувствует радиоволны, передаваемые телевизионные сигналы, происходящие процессы радиоактивного распада, например, от находящегося в воздухе радона или калия в связке бананов — биологические ткани могут поглощать/рассеивать эти излучения, но при малых интенсивностях эти процессы нами не ощущаются и не осознаются. Схожим образом можно рассмотреть любую из «способностей», от сгибания ложек силой мысли до левитации и возможности говорить с призраками.

С помощью технологий, в основе которых лежит понимание четырёх фундаментальных взаимодействий, в первую очередь электромагнитного, можно имитировать экстрасенсорные способности — к примеру, телекинез. Человек представляет себе, что поднимает левую или правую руку, соответствующее изменение электрической активности мозга регистрируется с помощью датчика, подключённого к нейро-компьютерному интерфейсу. С помощью такого устройства можно дать людям возможность управлять инвалидной коляской, электромеханическим протезом или дать парализованному человеку возможность передвигать курсор по монитору и использовать виртуальную клавиатуру, но в нашем случае человек управляет акустическим пинцетом, который держит объект в воздухе и в ответ на эти два сигнала перемещает его. Или вообразим, что мы живём в том будущем, когда уже доступны высокотемпературные сверхпроводники и магнитный материал подвешен с их помощью. Однако это не что иное как возможность имитации, и только имитацию можно реализовать, используя четыре известных фундаментальных взаимодействия.

Итак, для реализации явлений «тонких материй», что бы под этим ни имели в виду мистически настроенные люди, нужна новая пятая сила (взаимодействие). Как уже было отмечено во введении, это по-прежнему ядро аргументации многих сторонников существования экстрасенсорных и паранормальных явлений, используемой уже далеко даже не сотню лет.

Так, Д.И. Менделеев в силу повального увлечения спиритизмом народа и даже некоторых профессоров сформировал комиссию для исследования спиритических явлений, внимательно рассмотрел утверждения и заявления сторонников их реальности, провёл наблюдение за рядом спиритических сеансов, подготовил необходимый инвентарь (например, специальные столы для исследования «столоверчения») и поставил ряд опытов в контролируемых условиях. В итоге комиссия сделала закономерный вывод: «Спиритические явления происходят от бессознательных движений или бессознательного обмана, а спиритическое учение есть суеверие» [1, с. 351-352]. Менделеев в книге «Материалы для суждения о спиритизме» подчёркивает ключевой аргумент сторонников спиритизма, который аналогичен современному:

…Они отстаивают, однако, что есть некоторая новая сила, управляющая явлениями, называемыми спиритическими, что явления эти не объясняются известными поныне силами. Такое допущение может быть принято в науке только тогда, когда спиритами строго будет доказана для каждого спиритического явления невозможность его объяснения известными до сих пор силами и средствами; пока этого не сделано, в спиритизме нет существенного содержания для научного исследования, наука с полным правом станет не обращать никакого внимания на спиритизм» [1, с. 361].

Можем ли мы быть уверены, что новое взаимодействие, если оно существует, не оказывает на повседневную жизнь никакого влияния? Ведь раньше не было никакого представления об обнаруженных Вильгельмом Рентгеном X-лучах, найденном позже Эрнестом Резерфордом альфа-, Анри Беккерелем бета- и Полем Вилларом гамма-излучении? Впоследствии стало ясно, что X-лучи и гамма-излучение являются электромагнитным излучением с малой (по сравнению с используемым в радиосвязи) длиной волны, альфа- и бета-излучение — движущиеся ядра гелия и электроны соответственно. В конечном итоге было получено представление о четырёх фундаментальных взаимодействиях, а открытия стали первыми шагами на пути к развитию новых направлений в науке и технике (к примеру, ядерной энергетике).

Ответ таков, что можно целенаправленно искать новые взаимодействия (и некоторые учёные профессионально занимаются их поиском), однако пока никто в этом не преуспел. Если новую силу когда-нибудь обнаружат, то она будет играть роль в масштабах и других энергиях, не доступных человеку в повседневной жизни. Какую-то новую информацию, способную дать намёк на физику за пределами Стандартной модели, пытаются получить в экспериментах на ускорителях частиц, сталкивая частицы высоких энергий. И новые частицы стремятся искать при бо́льших энергиях. Однако не пропустили ли мы в низкоэнергетической области какую-нибудь важную, то есть играющую существенную в повседневных явлениях роль, частицу?

Ниже изображена диаграмма, являющаяся представлением процесса рассеяния фотона на электроне.

Рассеяние фотона на электроне.

Линиями изображают участвующие частицы: в нашем случае прямой линией со стрелкой изображён электрон, волнистыми изображены фотоны, линия без свободных концов, начинающая и заканчивающаяся в вершинах, отвечает за взаимодействие, соответствующая частица носит название виртуальной. Часто говорят, что диаграммы Фейнмана обладают следующими свойствами: если повернуть диаграмму на 90 градусов против часовой стрелки, то будет получено изображение процесса рождения электрон-позитронной пары из двух фотонов (направление стрелок для античастиц противоположно направлению для частиц). Вращение исходной диаграммы на тот же угол по часовой стрелке даёт рождение пары фотонов при аннигиляции электрона и позитрона.

Однако в данном случае лучше сказать, что если возможен прямой процесс, то возможен и обратный, так как он тоже будет удовлетворять законам сохранения. Поэтому если какая-либо важная частица X действовала бы на известные, скажем, протоны, то она неизбежно возникала бы в процессах столкновения протонов друг с другом. А протоны различных энергий длительное время сталкивали в ускорителях частиц, при этом каналы распада частиц находятся в согласии со Стандартной моделью (поэтому что-то новое и пытаются обнаружить в области высоких энергий).

Диаграммы Фейнмана являются удобным инструментом не только для описания, но и для расчёта вероятностей взаимодействия частиц. Допустим, вас интересует процесс распада какой-то частицы на две других. Однако возможен не только прямой процесс, а, например, такой, в котором участвует ряд виртуальных частиц.

Однако возможен не только прямой процесс, а, например, такой, в котором участвует ряд виртуальных частиц.

Вы можете изобразить диаграммы и с большим количеством вершин (частиц), которые, если подходить строго, нужно учесть, чтобы получить полную вероятность процесса. Оценить её можно следующим образом: она пропорциональна константе взаимодействия (в нашем случае электромагнитного), причём в степени, равной количеству вершин диаграммы. Поскольку значение постоянной тонкой структуры (константы связи электромагнитного взаимодействия) ~1/137 — в полную вероятность, определяемую обобщённой диаграммой, являющейся суммой всех диаграмм с различным количеством вершин (частиц), существенный вклад вносят только низшие, с наименьшим количеством вершин. Это справедливо для области низких энергий взаимодействия, что как раз важно и справедливо для «повседневной физики».

Итак, возможные процессы в области высоких энергий для нас не играют роли; никакой существенной частицы не упущено. Однако к последнему внимательный читатель может сделать замечание: гравитон, переносчик гравитационного взаимодействия, на данный момент не обнаружен, но результат действия этой силы мы с вами имеем возможность наблюдать каждый день. В таком случае, нам придётся обратиться к экспериментам по «прямому» поиску пятой силы.

Новая сила. Насколько она должна быть сильна и каков должен быть её характерный радиус взаимодействия для наших целей? Гравитационное взаимодействие слабо, но имеет бесконечный радиус действия и действует между всеми частицами, поэтому существенно в астрономических масштабах. Электромагнитное взаимодействие много сильней и также имеет бесконечный радиус действия, но многие астрономические объекты электронейтральны, поэтому оно существенно на меньших масштабах, а в повседневных явлениях играет ключевую роль. Сильное и слабое взаимодействия слишком короткодействующие и в повседневной жизни несущественны, поэтому необходима сила с большим радиусом действия.

Современные мастера в деле поиска пятой силы — группа Эрика Адельбергера (Eric Adelberger), носящая название «Этвёш-группа» («The Eöt-Wash Group»), в честь барона Лоранда Этвёша, который в Будапештском университете в начале XX века [2] с помощью крутильных весов (в простом варианте это подвешенный на нити стержень, на концах которого находятся пробные тела равной массы) проверял равенство инерционной (связывает силу и ускорение во втором законе Ньютона) и гравитационной (фигурирует в законе всемирного тяготения) масс, сравнивая для тел различного состава инерционное ускорение, возникающее из-за суточного вращения Земли, с гравитационным. Этвёш установил равенство инерционной и гравитационной масс в пределах доступной для его средств точности. Эти эксперименты относятся к тому типу, в которых проверяется слабый принцип эквивалентности, согласно которому объекты различных масс в одинаковом гравитационном поле падают с одним и тем же ускорением.

В экспериментах другого типа ведётся поиск сил, зависящих от состава пробных тел. На два пробных тела равной массы (но разного состава) воздействует третье. Если последнее находится на одинаковом расстоянии от пробных, то гравитационная сила будет одинакова, и какая-либо аномалия может возникать из-за силы, связанной с различием химического состава пробных тел. Например, их можно сделать из теллура и титана, чтобы максимизировать разницу в барионном числе (что делала Этвёш-группа в одном из экспериментов [3]), тогда «барионная сила», если она существует, окажет на пробные тела различное воздействие.

После серии экспериментов Этвёша тема не была горячей до тех пор, пока Эфраим Фишбах (Ephraim Fischbach) из университета Пердью не провёл новый анализ данных [4] и не заявил, что из результатов следует существование пятой силы среднего диапазона действия. Однако работа была подвержена разумной критике: найденную корреляцию могли дать и существенно более простые факторы. Последующие эксперименты заявление Фишбаха не подтвердили.

Каково текущее положение дел? Ниже представлены обобщённые результаты экспериментов нескольких коллективов, в том числе и Этвёш-группы (представлены данные из работы [5]). Поскольку в них нельзя отдельно определить силу или радиус действия пятой силы (или установить верхнюю грань, если она не обнаружена), то результаты представляют в виде зависимости константы связи взаимодействия (определяет силу взаимодействия; на графике — по отношению к константе связи гравитационного взаимодействия) от комптоновской длины волны бозона взаимодействия (радиуса действия). Область, где пятое взаимодействие исключено, затемняют, разрешённая область остаётся светлой.

Обобщённые результаты экспериментов по поиску пятого фундаментального взаимодействия нескольких коллективов, в том числе и Этвёш-группы.

Кривые «Принстон» и «Москва» соответствуют результатам, полученным группой Роберта Дикке в 1961 году [6] и В.Б. Брагинским и В.И. Пановым в 1971 году [7] соответственно. В экспериментах измерялись относительные ускорения пар масс золото/алюминий (Принстон) и платина/алюминий (МГУ) в гравитационном поле Солнца, системой пробных тел были крутильные весы. Кривые ЛЛЛ — результаты работы [8] по лазерной локации Луны. В этом эксперименте пробные массы — Луна и Земля, в случае нарушения принципа эквивалентности Земля падала бы к Солнцу с ускорением, отличным от ускорения Луны (правая кривая), а также возникла бы аномальная прецессия орбиты Луны из-за неточности закона обратных квадратов (левая кривая). Кривые «ЭТВ» построены по данным экспериментов Этвёш-группы.

В области значений «сила»-радиус, затемнённой на графике, пятая сила уже исключена. На больши́х расстояниях отсутствует сила на 10 порядков слабее гравитационной (никаких шансов для псевдонаук типа астрологии), на расстоянии порядка вытянутой руки — на несколько порядков. Это может показаться кому-то недостаточным, но не забывайте, что гравитационное взаимодействие слабее сильного на 39 порядков, а это просто грандиозная разница, большая, чем между массой вашего тела и массой Солнца. Итак, если пятая сила будет найдена, то будет либо слишком слаба, либо будет иметь слишком малый радиус действия, чтобы оказывать хоть сколько-нибудь значимое влияние на повседневные явления, что рушит надежды мистически настроенных людей на обоснование наукой экстрасенсорного, не даёт шансов соткать с её помощью из каких-либо частиц ауру и душу и всевозможные «тонкие материи».

Исходя из изложенного выше, тезис «следует заключить, что экстрасенсорных способностей не существует, поскольку во всех контролируемых экспериментах не было найдено никаких эффектов» можно переформулировать следующим образом: «поскольку не существует механизмов, с помощью которых могли бы работать экстрасенсорные способности, то в контролируемых экспериментах все претенденты, заявляющие о наличии у них таких способностей, неизбежно терпят неудачу». И, как было сказано ранее, никто не утверждает, что не может существовать какого-нибудь нового взаимодействия и неизвестных ныне частиц (нейтрино пронизывают ваше тело каждую секунду, но не оказывают на него влияние, а более слабо взаимодействующие частицы, если такие есть, — и подавно) или новых явлений. Просто никакой новой физики в контролируемом эксперименте с гадалкой, в силу самообмана уверенной, что обладает невероятными способностями, найдено быть не может: её поиск ведётся в области совершенно других энергий и масштабов. Человечество не обладает абсолютным знанием, но имеющееся на текущий момент неполное знание позволяет сказать, что «ящик Пандоры» давно открыт и ничего мистического в нём не оказалось.

Благодарю Елену Донцову и Елену Кочкину за помощь с литературной подготовкой текста, Анастасию Ванину за иллюстрации к работе и Полину Бальцевич за адаптацию рисунка из работы [5].

Список литературы

1. Д.И Менделеев. Матерiалы для суждения о спиритизмъ. СПб.: Типографiя товарищества «Общественная польза», 1876.

2. R. v. Eötvös, in Verhandlungen der 16 Allgemeinen Konferenz der Internationalen Erdmessung (London-Cambridge, 21-29 September 1909). G. Reiner, Berlin, 319, 1910.

3. S. Schlamminger et. al., «Test of the Equivalence Principle Using a Rotating Torsion Balance». Phys. Rev. Lett. 100, 041101 (2008).

4. E. Fischbach et. al., «Reanalysis of the Eotvös experiment». Phys. Rev. Lett. 56, 3 (1986).

5. T.A. Wagner, S. Schlamminger, J.H. Gundlach and E.G. Adelberger. Torsion-balance tests of the weak equivalence principle. Classical and Quantum Gravity, Volume 29, Number 18 (2012).

6. P.G. Roll, R. Krotkov and R.H. Dicke. The equivalence of inertial and passive gravitational mass. Ann. Phys. 26 (1964).

7. В.Б. Брагинский и В.И. Панов. Проверка эквивалентности инертной и гравитационной масс. ЖЭТФ 61 (1971).

8. S.G. Turyshev and J.G. Williams. Space-based tests of gravity with laser ranging. Int. J. Mod. Phys. D 16, (2007).

Получить ссылку на материал

Спасибо!

Также вы можете подписаться на обновления сайта:

Оставить комментарий

Добавить комментарий