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

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 10 40. (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 10 43, 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] Обнаружено в 2015 году ( https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102 ). — Примеч. пер. , 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.

Гравитация является универсальной силой, существование которой связано с базовой структурой пространства и времени. Ее следует рассматривать в качестве фундаментальной. Таким образом, мы должны использовать гравитацию как меру других вещей, но не использовать другие вещи как меру гравитации. Следовательно, гравитация не может быть слабой в абсолютном смысле — она является просто тем, чем является. Тот факт, что гравитация кажется слабой, заводит теорию в тупик. Это также главное препятствие на пути к построению единой теории взаимодействий.

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] Если точнее, то теория Ньютона описывает результаты общей теории относительности приблизительно. Теория Ньютона работает лучше всего, когда тела движутся медленно по сравнению со скоростью света и не являются слишком большими и плотными. — Примеч. авт. .

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] Здесь, как и много где еще, продолжаются отсылки к шутке про три закона Ома. — Примеч. науч. ред. 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!