Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

Если вы только что с трудом поднялись с постели или с радостью рухнули в кресло с хорошей книгой после долгого трудового дня, то вам может быть сложно согласиться с утверждением о слабости гравитации. Тем не менее на фундаментальном уровне это так. Гравитация смехотворно слаба.

Приведем некоторые сравнения.

Атомы удерживаются вместе благодаря электрическим силам. Между положительно заряженным ядром атома и отрицательно заряженными электронами существует электрическое притяжение. Давайте представим, что мы могли бы отключить действие электрических сил. Осталось бы гравитационное притяжение. Насколько близко друг от друга находились бы ядро и электроны, удерживаемые гравитацией? Какого размера был бы атом, связанный гравитацией? Размером с блоху? Нет. С мышь? Нет. С небоскреб? Нет, продолжайте. С Землю? И близко нет. Атом, удерживаемый гравитацией, имел бы радиус, в 100 раз превышающий радиус видимой Вселенной.

Знаменитым гравитационным эффектом является отклонение светового луча Солнцем. Его наблюдение британской экспедицией в 1919 году стало триумфом общей теории относительности и принесло Эйнштейну мировую славу. Целое Солнце, действуя на движущийся мимо него фотон, отклоняет его путь на 1,75 угловой секунды, что составляет около 0,05 % от 1°. Теперь сравните это с эффектом, оказываемым на глюоны сильным взаимодействием. Несколько кварков отклоняют прямолинейный путь глюона так сильно, что этот глюон полностью поворачивается в пределах радиуса протона и остается внутри него.

Мы также можем сравнить численные значения. Поскольку с увеличением расстояния электрические и гравитационные силы уменьшаются одинаково (обратно пропорционально квадрату расстояния), мы получим одинаковое соотношение на любом расстоянии. Сравним электрическую силу и гравитацию между протоном и электроном. Электрическая сила будет сильнее гравитации примерно в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз. Говоря научным языком, это 1040. (Вы видите, почему ученые предпочитают научный язык). «Чепуха! — восклицает критик. — Протоны являются сложными объектами. Вы должны сравнивать силы, действующие между базовыми объектами». Хорошо, умник, однако в этом случае дело обстоит еще хуже! Если мы сравним силы, действующие между электронами, то получим еще большее число — около 1043, поскольку масса электрона меньше массы протона, однако величина его электрического заряда является той же самой.

Когда вы поднимаетесь с постели, вы преодолеваете гравитационное притяжение всей Земли, используя небольшую часть химической энергии, оставшейся от вчерашнего ужина. Любой, кто пытался сжечь калории, сражаясь с гравитацией (поднятие тяжестей, гимнастика), может подтвердить, что сила тяжести не особо сопротивляется — нескольких калорий хватает надолго.

Вот еще один пример, позволяющий оценить слабость гравитации. Электромагнитное излучение – один из столпов современной астрономии. С ним работают и радиотелескопы, и оптические телескопы, и рентгеновские спутники. Электромагнитное излучение столь же не заменимо в современных телекоммуникациях: от обычной радиосвязи до спутниковых тарелок и оптоволокна. Гравитационное излучение, напротив, до сих пор не обнаружено[44] несмотря на титанические усилия.

Сила тяжести является доминирующей силой в астрономии, но только по умолчанию. Другие виды взаимодействия намного сильнее, однако они подразумевают как притяжение, так и отталкивание. Обычно материя достигает точного равновесия, при котором силы компенсируют друг друга. Временный (небольшой) дисбаланс между электрическими силами приводит к грозам; временный небольшой дисбаланс в сильном взаимодействии вызывает ядерные взрывы. Значительные нарушения равновесия не могут иметь места. Однако гравитация всегда притягивает. Несмотря на слабость на уровне отдельных базовых частиц, гравитационные силы неумолимо нарастают. Смиренные наследуют космос.

Теория гравитации Эйнштейна, общая теория относительности, связывает существование гравитации со структурой пространства и времени. Согласно этой теории, эффект, который мы наблюдаем как действие силы тяжести, — это просто тела, пытающиеся двигаться по прямой линии по искривленному ландшафту пространства-времени. Тела также искривляют пространство-время. Искривление, вызванное телом B, влияет на движение тела А, создавая то, что на языке Ньютона мы назвали бы «силой тяжести»[45].

Далеко идущим последствием Эйнштейновского представления о гравитации является универсальность этой силы. Любое тело, делающее все возможное, чтобы двигаться по прямой линии, путешествуя сквозь искривленное пространство-время, будет следовать тем же путем, что и любое другое тело. Наилучший путь определяется кривизной пространства-времени, а не каким-либо особым свойством этого тела.

На самом деле наблюдаемая универсальность силы тяжести представляла собой большую часть того, что привело Эйнштейна к его теории. В ньютоновском описании гравитации эта универсальность являлась необъяснимым совпадением (или, скорее, бесконечным количеством случайностей, по одной для каждого тела). С одной стороны, сила тяготения, действующая на тело, пропорциональна его массе. С другой стороны, ускорение, испытываемое телом в результате действия данной силы, обратно пропорционально массе. (Это второй второй[46]закон движения Ньютона. Оригинальный второй закон движения формулируется так: F = mа; а этот — так: a = F / m.) Объединив обе эти идеи, мы обнаруживаем, что гравитационное ускорение тела — фактическое возмущение его движения, совершенно не зависит от его массы!