Гравитация, от Джордж Гамов [Специална статия в архива]


Бележка на редактора: Тази статия първоначално се появява през март 1961 година . В дните, когато цивилизованите хора вярваха, че светът е плосък, нямаше причина да мислят за гравитацията. Имаше нагоре и надолу. Всички материални неща естествено се движеха надолу или падаха и никой не си мислеше да пита защо. Понятието за абсолютни наг

Бележка на редактора: Тази статия първоначално се появява през март 1961 година .

В дните, когато цивилизованите хора вярваха, че светът е плосък, нямаше причина да мислят за гравитацията. Имаше нагоре и надолу. Всички материални неща естествено се движеха надолу или падаха и никой не си мислеше да пита защо. Понятието за абсолютни нагоре и надолу посоки продължи и през Средновековието, когато все още се призоваваше да докаже, че земята не може да бъде кръгла.

Първият лъч светлина, който прониза мъглата на схоластичните идеи за падащи тела, произведени от работата на Галилео Галилей. Тъй като свободното падане беше прекалено бързо, за да се измери директно, Галилео реши да разреди движението, като проучи тела, поставени на наклонена равнина. Той твърди - и по това време става дума за нов аргумент - че тъй като топката, разположена върху хоризонтална повърхност, не се движи изобщо, и тъй като топката, която пада успоредно на вертикалната повърхност, се движи толкова бързо, колкото ако повърхността не е била там, топка върху наклонена повърхност трябва да се търкаля с междинна скорост в зависимост от ъгъла на наклона. Оставяйки топки да се търкалят по равнини, наклонени под различни ъгли, той наблюдаваше скоростта им на движение и разстоянията, обхванати в различни интервали от време, които измерваше с воден часовник. Експериментите показаха, че при всеки ъгъл скоростта се увеличава директно пропорционално на времето (преброено от момента на освобождаването) и че покритото разстояние се увеличава пропорционално на квадрата на времето. Галилео забеляза също, че масивна желязна топка и много по-светла дървена топка се търкалят един до друг, ако се пуснат едновременно от същата височина на същата наклонена равнина.

Като друг начин за разреждане на свободното падане той използва прости махала-тежести, окачени на тънки струни. Тук стръмността на дъгата, по която се движи теглото, се регулира чрез промяна на дължината на струната. Махалата с една и съща дължина се оказаха с еднакъв период на трептене, дори когато теглото се променя, в резултат на съгласие с резултатите от експериментите с наклонена равнина. От всички тези наблюдения Галилео е разбрал, че при свободно падане всички материални тела, леки или тежки, също се движат по същия начин. Тази идея директно противоречи на мнението на тогавашната аристотелска философска школа, според която по-тежките тела падат по-бързо от леките. Според прочутата легенда, която може или не може да е вярна, Галилео се изкачи на наклонената кула в Пиза и изпусна една лека и тежка топка, която едновременно ударила плочките, в ужас на съвременните философи.

Законът за гравитацията на Нютон
Тези изследвания поставят основите на науката за механиката. Основната структура е издигната от Исак Нютон, който е роден през годината, когато Галилео е починал. Със своите закони на движение Нютон въвежда понятията сила и инерционна маса. Когато се приложи сила върху материалните тела, тя променя тяхната скорост или посока на движение или и двете. Тяхната инерционна маса се противопоставя на тези промени. Нютон заявява, че скоростта на промяна на скоростта (ускорение) на даден обект е право пропорционална на силата, действаща върху нея, и обратно пропорционална на нейната маса. Удвояването на силата удвоява ускорението; удвояването на масата намалява ускорението наполовина; ако и двете сили и маса се удвоят, ускорението е непроменено. В светлината на този закон заключението на Галилео за свободно падащи тела предполага факт, който обикновено се приема за даденост, но всъщност е много любопитен; а именно, теглото на тялото (т.е. гравитационното привличане на земята върху него) е строго пропорционално на инерционната му маса. В противен случай желязото и дървената топка от същия размер не биха паднали със същата скорост. Ако двата обекта имат едно и също ускорение, когато са изпуснати, инерционната маса, противопоставяща се на промяна в движението на желязната топка, трябва да бъде по-голяма от тази в дървената топка точно в същата пропорция, че силата надолу върху желязната топка е по-голяма. Тази пропорционалност далеч не е тривиална; всъщност то важи само за гравитацията, а не за други познати сили като тези на електричеството и магнетизма. Така, докато един електрон и протон ще паднат с еднакво ускорение в гравитационно поле, когато тези частици се поставят в електрическо поле, електронът се ускорява 1, 836 пъти по-бързо.

От неговия анализ на топки (или ябълки), които падат към земята, Нютон продължава да разглежда гравитацията в по-широк смисъл. Неговата линия на мисъл се демонстрира от една много интересна дискусия в неговата Принципа. Да предположим, каза той, че изстрелваме куршум хоризонтално от върха на такава висока планина, че се издига над атмосферата. Куршумът ще следва крива траектория и ще удари повърхността на земята на известно разстояние от основата на планината. Колкото по-голяма е скоростта на намотката, толкова по-далеч от планината ще падне куршумът. При достатъчно висока начална скорост куршумът ще дойде на земята в точка, точно срещу планината; при още по-висока скорост никога няма да удари земята, но ще продължи да се върти около земята като малка луна. Ако, според Нютон, е възможно по този начин да се направи изкуствен спътник, защо да не предположим, че движението на естествената луна също е свободно падане? И ако Луната се върти около Земята заради гравитационното привличане на Земята, не е ли логично да се предположи, че самата Земя се държи в орбита около Слънцето чрез силата на слънчевата гравитация? Тогава това не важи ли за всички други планети и техните спътници? Така възниква дълбоко важната идея за универсалната гравитация, която гласи, че всички материални тела във вселената се привличат помежду си със сили, определени от техните маси и взаимни разстояния.

За да се установи точното отношение на силата към масата и разстоянието, Нютон започна с предположението, че тъй като силата между земята и всяко тяло в близост до неговата повърхност е пропорционална на инерционната маса на тялото, силата трябва да бъде пропорционална на инерционната маса. на земята. Това веднага обясни защо гравитационното привличане между телата на малка маса, като две ябълки, никога не е било забелязано. Беше твърде слаб. Едва половин век след смъртта на Нютон съществуването на такава сила се демонстрира експериментално от друг британски гений Хенри Кавендиш.

След като постулира, че гравитационното привличане между две тела е пропорционално на произведението на техните маси, Нютон изследва зависимостта от разстоянието. Той сравнява силата, необходима за задържане на луната в орбитата си на разстояние 60 земни радиуса със сила върху ябълка на разстояние само един радиус от центъра на земята. Важно е да се разбере, че голямата разлика в масата между двете тела не засяга валидността на сравнението. Всъщност една ябълка, поставена на разстоянието на морето и дадена й орбитална скорост, ще се движи около Земята точно както луната; по същия начин, ако някой може да спре луната от клон, той ще падне на земята точно толкова бързо, колкото и ябълките. Математическият анализ на Нютон показа, че силата на гравитацията намалява с квадрата на разстоянията между привличащите тела.

Сега той може да напише формулата за гравитационната сила: F = G ( M 1 M 2 ) / d 2G е константата на пропорционалност или гравитационната константа. Това е много малък брой; ако масата се измерва в грамове, а разстоянието в сантиметри, G е приблизително .000000066. Това означава, че двойка теглилки от един грам, разделени с един сантиметър, се привличат помежду си със сила малко повече от шестстотин милионни части от дина, или около шестстотин милиардни от теглото на грам.

Комбинирайки закона на гравитацията с неговите закони на движение, Нютон успява да извлече математически правилата, управляващи планетарното движение, открити от Йоханес Кеплер. В запомнящата се епоха, която последва, Нютон и неговите наследници обясняват движенията на небесните тела до най-малките подробности. Но природата на гравитационното взаимодействие, и по-специално причината за тайнствената пропорционалност между гравитационната маса и инерционната маса, остана напълно скрита повече от 200 години.

Законът за тежестта на Айнщайн
След това, през 1914 г., Алберт Айнщайн вдигна завесата. Представените от него идеи изникнаха от формулирането на специалната теория на относителността преди десетилетие. Тази теория се основава на постулата, че никакви наблюдения, направени в затворена камера, не могат да отговорят на въпроса дали камерата е в покой или се движи по права линия при постоянна скорост. Така човек в положението на автора, като пише тези редове - в една вътрешна каюта на кралица Елизабет СС, плаващ по гладко море - може да не изпълнява никакъв експериментален, механичен, оптичен или друг вид, че ще му каже дали корабът наистина се движи или все още е в пристанището. Но нека се появи буря и ситуацията се променя болезнено; отклонението от равномерното движение е твърде очевидно.

За да се справи с проблема за неравномерното движение, Айнщайн си представял лаборатория в космически кораб, разположена далеч от големи гравитационни маси. Ако превозното средство е в покой или при равномерно движение по отношение на отдалечени звезди, наблюдателите вътре и всичките им инструменти, които не са прикрепени към стените, ще плуват свободно. Няма да има нагоре и надолу. Веднага след пускането на ракетните двигатели и ускоряването на кораба, инструментите и хората ще бъдат притиснати до стената срещу посоката на движение. Тази стена ще се превърне в под, противоположната стена ще се превърне в таван и хората ще могат да се изправят и да се движат толкова, колкото и на земята. Всъщност, ако ускорението е равно на ускорението на гравитацията по повърхността на земята, пътниците могат да вярват, че техният кораб все още стои на подложката.

Да предположим, че един от пътниците едновременно освобождава две сфери - желязна и дървена, която той държи един до друг в ръцете си. Това, което всъщност се случва, може да се опише по следния начин: Докато сферите бяха държани, те бяха подложени на ускорено движение, заедно с наблюдателя и целия кораб. Когато бъдат освободени, те вече не се задвижват от ракетните двигатели. Сега те ще се движат рамо до рамо, всяка със скорост равна на тази на космическия кораб в момента на освобождаването. Самият кораб обаче непрекъснато ще набира скорост и "пода" на кораба бързо ще изпревари двете сфери и ще ги удари едновременно.

На наблюдателя в кораба експериментът ще изглежда различно. Той ще види топките да се спуснат и да ударят "пода" едновременно. Припомняйки демонстрацията на Галилео от наклонената кула в Пиза, той ще бъде убеден, че в неговата космическа лаборатория съществува обикновено гравитационно поле.

И двете описания на наблюдаваното събитие са правилни; еквивалентността на двете гледни точки е в основата на релативистката теория на гравитацията на Айнщайн. Този така наречен принцип на еквивалентност между наблюдения, извършени в ускорена камера и в "истинско" гравитационно поле, би бил тривиален, ако се прилага само за механични явления. Дълбокото прозрение на Айнщайн е, че принципът е доста общ и се отнася и за оптичните и други електромагнитни явления.

Представете си лъч светлина, който се разпространява в космическата лаборатория в "хоризонтална" посока. Пътеката му може да бъде проследена чрез серия от вертикални флуоресцентни стъклени плочи, разположени на равни разстояния. Онова, което всъщност се случва, е, че гредата се движи по права линия при постоянна скорост, докато стъклените пластини се движат по пътя му с все по-голяма скорост. Пътеката отнема същото време, за да се движи от всяка плоча до следващата, но плочите се движат по-далеч по време на всеки следващ интервал. Следователно моделът на флуоресцентните петна показва, че подът се приближава към светлинния лъч с нарастваща скорост. Ако наблюдателят вътре в камерата прокара линия през петна, тя ще изглежда като парабола, която се огъва към пода. Тъй като той разглежда феномените на ускорението като причинени от гравитацията, той ще каже, че светлинният лъч се огъва, когато се разпространява през гравитационно поле.

Така, заключава Айнщайн, ако принципът на еквивалентност се съдържа във всички физики, светлинните лъчи от далечни звезди, които преминават близо до слънцето по пътя си към земята, трябва да се огъват към слънцето. Това предсказание беше блестящо потвърдено през 1919 г. от страна на британски астрономи, наблюдаващи пълно слънчево затъмнение в Африка. С замъглената от луната затъмняваща слънчева светлина се виждаха звезди близо до ръба на слънчевия диск, които бяха изместени около 1, 75 секунди дъга далеч от слънцето.

Релативистична въртележка
Нека да разгледаме следващия вид ускорено-равномерно въртене. (Тяло, движещо се с постоянна скорост по кръгова пътека, се ускорява заради непрекъснатата си промяна на посоката.) Представете си въртележка с завеса около нея, така че хората вътре да не могат да разберат, като погледнат околността, която се върти. Ако въртенето се върти, наблюдателите ще са наясно с центробежната сила, която ги избутва към ръба. Топка, поставена на платформата, ще се търкаля от центъра. Центробежната сила, действаща върху всеки обект на платформата, ще бъде пропорционална на инерционната маса на обекта, така че тук отново ефектът на ускореното движение може да се счита за еквивалентен на този на гравитационното поле. Това е особена област, разбира се; тя е доста различна от полето на повърхността на Земята или на друго сферично тяло. Силата е насочена далеч от центъра на системата, а не към нея; и вместо да намалява с квадрата на разстоянието от центъра, той се увеличава пропорционално на това разстояние. Освен това, полето има цилиндрична симетрия около централна ос, а не сферична симетрия около централна точка. Независимо от това, принципът на еквивалентност е валиден и полето може да се интерпретира като причинено от гравитационната маса, разпределена на големи разстояния по цялата ос на симетрията.

Как ще се разпространи светлината през това поле? Да предположим, че светлинен източник, който изпраща лъчи във всички посоки, е разположен в точка А, по периферията на въртящия се диск, и се наблюдава във втора точка, В, също и в периферията. Според основния закон на оптиката, светлината винаги се разпространява по най-късия път. Но какъв е най-краткият път между А и В ? За измерване на дължината на различните линии, свързващи точките А и В, наблюдателят използва старомодния, но винаги сигурен метод за отчитане на броя на критериите, които могат да бъдат поставени от единия до другия край на линията.

Докато наблюдаваме експеримента отвън, припомняме специалната теория на относителността, която ни казва, че движещите се критерии се свиват в посоката на тяхното движение. Затова виждаме, че ако наблюдателят предприеме мерки по "истинската" права линия от А до В, неговите пръчки ще се свият и той ще се нуждае от повече от тях, за да измери тази линия, отколкото ако платформата не се движи. Сега възниква интересен момент. Колкото по-близо е мерилото към центъра на въртележката, толкова по-малка е нейната линейна скорост и следователно по-малкото й свиване. Като огъва линията на критериите към центъра, наблюдателят намалява броя, от който се нуждае, за да премине от А на В. Въпреки че "действителното" разстояние е малко по-дълго, увеличението е повече от компенсирано от по-малкото свиване на всеки критерий. Светлинен лъч, следващ този най-кратък път, който се насочва навътре в началото на своето пътуване и след това се огъва навън, може да се счита за отклонен от видимото гравитационно поле, което е насочено радиално навън.

Преди да напуснем въртележка, нека разгледаме още един експеримент. На платформата са поставени два еднакви часовници, единият близо до центъра, а другият на ръба. Както в случая с критериите, външният часовник се движи по-бързо от вътрешния, и отново специалната относителност предсказва разликата в тяхното поведение. В допълнение към причиняването на клавиатурата за свиване, движението прави часовниците по-бавни. Следователно външният часовник ще загуби време по отношение на вътрешния. Сега наблюдателят, който интерпретира ефектите на ускорението по отношение на гравитационно поле, ще каже, че часовникът, поставен в по-високия гравитационен потенциал (т.е. в посоката, в която действа гравитационната сила), работи по-бавно.

Въпреки че не можем да навлизаме в подробности тук, аргументът на Айнщайн показва, че същият ефект се очаква в нормално гравитационно поле, като това на Земята. Тук полето е насочено надолу, така че часовникът на морското равнище работи по-бавно от един на върха на планината. Забавянето се прилага еднакво за всички други физически, химически и биологични явления, а един типик, работещ на първия етаж на Емпайър Стейт Билдинг, ще остарее по-бавно, отколкото нейната близначка, работеща на последния етаж. По-силните полета водят до по-голямо забавяне. Часовникът на повърхността на слънцето щеше да изтича .0101 процента по-бавно от земния часовник.

Очевидно не можем да поставим часовник на слънцето, но можем да наблюдаваме скоростта на атомните вибрации, които произвеждат различните линии в слънчевия спектър. Ако тези естествени часовници се забавят, светлината, която излъчват, трябва да се измести към нискочестотния или червения край на спектъра. Това "гравитационно червено изместване" беше предсказано от Айнщайн. Такава промяна действително се намира в линиите на слънчевия спектър, но тя е толкова малка, че е почти на границата на наблюдателната прецизност. Спектрите на много по-плътните звезди бели джуджета, където червеното изместване се очаква да бъде 40 пъти по-голямо, отколкото на слънцето, се съгласяват доста добре с теорията.

Астрономическите доказателства не са толкова удовлетворителни, колкото експериментите, които могат да бъдат извършени в наземна лаборатория. Допреди няколко години обаче, изглежда, нямаше никаква надежда за измерване на разликата, предсказана между часовниците на различни височини в гравитационното поле на Земята. След това Р. Л. Мьосбауер, работещ в Мюнхенския университет, намери начин да произведе ядрени гама лъчи с много чиста честота и да измери изключително малки промени в тяхната честота [виж "The Mössbauer Effect", от Sergio De Benedetti; НАУЧЕН АМЕРИКАН, април, 1960]. Възползвайки се от новата възможност, няколко работници започнаха да показват, че две ядрени "часовници", разделени само от няколко десетки фута в земното поле, се движат с измеримо различни скорости, а разликата е точно тази, предсказана от Айнщайн, в рамките на експерименталните грешка. Друга проверка, ако има нужда от повече, почти сигурно ще бъде получена, когато атомният часовник в изкуствен спътник се сравнява с такъв на земята.

Така виждаме, че в гравитационното поле часовниците вървят бавно, светлинните лъчи се огъват в посока на полето, а права линия не е най-късото разстояние между две точки. Но как може да се определи "права линия", различна от пътя на светлината във вакуум, или най-краткото разстояние между две точки? Идеята на Айнщайн беше да запази това определение. Вместо да казва, че светлинните лъчи и най-късите разстояния са изкривени, той предполага, че самото пространство (по-точно пространство-време) е изкривено. Трудно е да си представим извит триизмерно пространство, да не говорим за изкривено четириизмерно пространство-време, но някаква представа за това какво означава тя може да бъде получена от аналогия с двуизмерни повърхности. Евклидовата геометрия, която всички научихме в училище, се отнася до цифри, които могат да бъдат нарисувани на равнина. Ако геометричните фигури се изчертават върху извити повърхности, например сфера или повърхност, оформена като седло, много от евклидовите теореми не се държат.

По-специално, сумата на ъглите на равнинен триъгълник е равна на 180 градуса. В сферичен триъгълник сумата на ъглите е по-голяма от 180 градуса, а в триъгълник, начертан на седлова повърхност, е по-малка. Вярно е, че линиите, образуващи триъгълници върху сферични и седлови повърхности, не са прави от триизмерната гледна точка, но са "прави" (т.е., най-кратките) линии между точките, ако е ограничено до въпросната повърхност. Математиците наричат ​​такива линии геодезически линии или просто геодезически.

В триизмерното пространство геодезичната линия по дефиниция е пътят, по който ще се разпространява светлинен лъч. Помислете за триъгълник, оформен от три такива геодезически. Ако сумата на ъглите е равна на 180 градуса, се казва, че пространството е плоско. Ако сумата е повече от 180 градуса, ние казваме, че пространството е сферично или положително изкривено; ако е по-малко от 180 градуса, ние казваме, че е седлоподобно или отрицателно изкривено. Поради огъването на светлината към слънцето, астрономите, разположени на земята, Марс и Венера ще измерват повече от 180 градуса в ъглите на триъгълника, образувани от светлинните лъчи, които пътуват между планетите. Следователно можем да кажем, че пространството около Слънцето е положително извито. От друга страна, в гравитационното поле на въртележката, сумата на ъглите на триъгълника е по-малка от 180 градуса и това пространство е изкривено в отрицателен смисъл.

Гореспоменатите аргументи представляват основата на теорията на Айнщайн за гравитацията. В нютоновото виждане слънцето произвежда в пространството около него поле на сила, което кара планетите да се движат по извитите траектории вместо с прави линии. В картината на Айнщайн самото пространство се извива и планетите се движат по най-честите (геодезични) линии в това криво пространство. Тук говорим за геодезиката в четириизмерния пространствено-времеви континуум. Разбира се, би било погрешно да се каже, че самите орбити са геодезични линии в триизмерното пространство.

Айнщайновата интерпретация на гравитацията като кривината на пространството-време не води до същите резултати като тези на класическата Нютонова теория. Вече споменахме огъването на светлината. Релативистката теория също дава малко по-различни отговори за движенията на материалните тела. Например, той обяснява разликата между изчислените и наблюдавани скорости на прецесията на главната ос на орбитата на Меркурий, която представлява отдавнашна мистерия на класическата небесна механика.

Гравитационни вълни
Законът на Нютон за гравитационното взаимодействие между масите е доста подобен на закона за електростатичното взаимодействие между зарядите, а теорията на Айнщайн за гравитационното поле има много общи елементи с теорията на Джеймс Кларк Максуел за електромагнитното поле. Естествено е да се очаква, че осцилиращата маса трябва да поражда гравитационни вълни, точно както осцилиращият електрически заряд произвежда електромагнитни вълни. В една известна статия, публикувана през 1918 г., Айнщайн наистина получава решения на основното си уравнение на общата теория на относителността, които представляват такива гравитационни смущения, които се разпространяват в пространството със скоростта на светлината. Ако те съществуват, гравитационните вълни трябва да носят енергия; но тяхната интензивност или количеството енергия, която транспортират, е изключително малко. Например, земята, в орбиталното си движение около Слънцето, трябва да излъчва около 0, 001 вата, което ще доведе до падането му на милионна част от слънцето за един милиард години!

Никой все още не е помислил за начин да открие толкова слаби вълни. Всъщност някои теоретици, сред които и сър Артър Едингтън, са предположили, че гравитационните вълни не представляват никаква физическа реалност, а са просто математическа фикция, която може да бъде елиминирана от уравнението чрез подходящ избор на пространствено-времеви координати. По-задълбоченият анализ обаче показва, че това не е така и че гравитационните вълни, макар и слаби, макар и да са, са реални.

Дали гравитационните вълни се разделят на дискретни енергийни пакети, или кванти, като електромагнитни вълни? Този въпрос, който е толкова стар, колкото и квантовата теория, най-накрая беше отговорен преди две години от британския физик PAM Dirac. Той успя да квантува уравнението на гравитационното поле и показа, че енергията на гравитационните кванти, или "гравитоните", е равна на константата на Планк, h, пъти по честотата им - същия израз, който дава енергията на светлинните кванти или фотони. Спинът на гравитона обаче е два пъти по-голям от спина на фотона.

Поради тяхната слабост гравитационните вълни нямат значение в небесната механика. Но не може ли гравитоните да играят някаква роля във физиката на елементарните частици? Тези крайни частици на материята взаимодействат по различни начини, чрез излъчване или поглъщане на подходящи "квантове на полето". Така електромагнитните взаимодействия (например привличането на противоположно натоварени тела) включват излъчване или поглъщане на фотони; вероятно гравитационните взаимодействия са аналогично свързани с гравитоните. През последните няколко години стана ясно, че взаимодействията на материята попадат в отделни класове: (1) силни взаимодействия, които включват електромагнитни сили; (2) слаби взаимодействия като "бета-разпадане" на радиоактивното ядро, в което се излъчват електрон и неутрино; (3) гравитационни взаимодействия, които са значително по-слаби от тези, наречени "слаби".

Силата на взаимодействието е свързана със степента или вероятността на емисията или абсорбцията на нейния квант. Например, едно ядро ​​отнема около 10 ^ -12 секунди (една милионна част от една милиарда от секундата), за да излъчи фотон. За сравнение бета-разпадането на неутрона отнема 12 минути-около 10 ^ 14 пъти по-дълго. Може да се изчисли, че времето, необходимо за излъчване на гравитон от ядрото е 10 ^ 60 секунди, или 10 ^ 53 години! Това е по-бавно от слабото взаимодействие с коефициент 10 ^ 58 .

Сега неутрино са самите частици с изключително ниска вероятност за абсорбция, т.е. взаимодействие с други видове материи [виж "Неутрино" от Филип Морисън;, Януари, 1956]. Те нямат такса и маса. Още през 1933 г. Нилс Бор пита: "Каква е разликата между [неутрино] и квантите на гравитационните вълни?" В така наречените слаби взаимодействия неутрино се излъчват заедно с други частици. Ами процесите, включващи само неутрино, да кажем, излъчването на неутрино-антинейтрино двойка от възбудено ядро? Никой не е открил такива събития, но те могат да се появят, може би в същия мащаб като гравитационното взаимодействие. Една двойка неутрино ще даде завъртане на две, стойността, изчислена за гравитона от Дирак. Всичко това, разбира се, е най-острата спекулация, но връзката между неутрино и гравитацията е вълнуваща теоретична възможност.

Гравитация и електромагнетизъм
В лабораторния дневник на Майкъл Фарадей се появява следното вписване през 1849 г.: "Гравитация. Със сигурност тази сила трябва да е способна на експериментална връзка с електричеството, магнетизма и други сили, така че да я изгради с тях в реципрочно действие и еквивалентен ефект. Обмислете за момент как да се заемете с докосването на този въпрос чрез факти и изпитания. Многобройните експерименти, които той предприеше, за да открие такава връзка, бяха безплодни и той приключва тази част от дневника си с думите: „Тук завършвам изпитанията си за момента. Резултатите са отрицателни. връзка между гравитацията и електричеството, въпреки че те не дават никакво доказателство, че съществува такава връзка. " Последващите експериментални усилия не са били по-успешни.

Теоретична атака, насочена към привеждане на електромагнитното поле в съответствие с гравитационното поле, е предприета от Айнщайн. След като намали гравитацията на геометричните свойства на пространствено-времевия континуум, той се убеди, че електромагнитното поле трябва да има и чисто геометрична интерпретация. Теорията за "единното поле" обаче, която изникна от това убеждение, трудно се развиваше и Айнщайн умира, без да произвежда нещо толкова просто, елегантно и убедително, както предишната му работа. Днес все по-малко и по-малко физици работят по теория на обединените полета; повечето са убедени, че усилията за геометризиране на електромагнитното поле са безсмислени. Изглежда, поне на автора, че истинската връзка между гравитационните и електромагнитните сили трябва да се открие само чрез разбиране на природата на елементарните частици - разбиране за това защо съществуват частици само с определени инерционни маси, а не други - и на връзката между масите и електрическите и магнитни свойства на частиците.

Като пример за един от основните въпроси в тази област, вземете отново относителната сила на гравитационните и електромагнитните взаимодействия. Вместо да сравняваме времето, необходимо за излъчване на кванти, нека сравним действителната сила на електростатичните и гравитационните сили между двойка средни частици, например пи мезони. Изчисленията показват, че съотношението на електростатичната към гравитационната сила е равно на квадрата на заряда на електрона, разделен на квадрата на масата на частиците, умножен по гравитационната константа: e 2 / M 2 C. За две пи мезони стойността е 10 ^ 40 . Всяка теория, която твърди, че описва връзката между електромагнетизма и гравитацията, трябва да обясни това съотношение. Трябва да се отбележи, че съотношението е чисто число, което остава непроменено, независимо от това каква система от единици се използва за измерване на различните физични величини. Такива безразмерни константи, които могат да бъдат получени по чисто математически начин, често се появяват в теоретични формули, но обикновено са малки числа като 2π, 5/3 и други подобни.

Как може да се извлече математически една константа толкова голяма, колкото 10 ^ 40 ? Преди около 20 години Дирак направи интересно предложение. Той предполага, че цифрата 10 ^ 40 всъщност не е константа, а променлива, която се променя с времето и е свързана с възрастта на Вселената. Според еволюционната космология, която твърди, че Вселената произхожда от "голям взрив", вселената сега е около 5 × 10 ^ 9 години, или стари 10 ^ 17 секунди. Разбира се, една година или секунда е произволна единица и бихме предпочели елементарен времеви интервал, който може да се извлече от основните свойства на материята и светлината. Разумно е времето, необходимо на светлината да премине на разстояние, равно на радиуса на елементарната частица. Тъй като всички частици имат радиуси от около 3 × 10 ^ -13 сантиметра, и тъй като скоростта на светлината е 3 × 10 ^ 10 сантиметра в секунда, тази елементарна времева единица е 3 × 10 ^ -13, разделена на 3 × 10 ^ 10 или 10 ^ -23 секунда. За да изразим възрастта на Вселената в тази елементарна времева единица, разделяме нейната възраст в секунди, 10 ^ 1 7, с 10 ^ -23 и получаваме числото 10 ^ 40 ! Така, казва Дирак, голямото съотношение на електрическите и гравитационните сили е характерно за настоящата епоха на Вселената. Когато вселената е наполовина стара, както е сега, това съотношение е също половината от сегашната му стойност. Тъй като има основателни причини да се предположи, че елементарният електрически заряд не се променя с времето, Дирак заключава, че гравитационната константа трябва да намалява и че това намаление може да бъде свързано с разширяването на вселената и постоянното раздробяване на материала, който запълва. то.

Ако гравитационната константа наистина намалява, или с други думи, ако силата на гравитацията е по-слаба, тогава нашата слънчева система трябва да се разширява заедно с Вселената. В по-ранни времена Земята би била по-близо до слънцето и следователно по-гореща, отколкото е сега. Когато Дирак представи идеята, смята се, че слънчевата система е на около три милиарда години. Edward Teller, now at the University of California, pointed out that on such a time scale the earth would have been 50 degrees hotter than the boiling point of water during the Cambrian era, when well-developed marine life existed. Now it seems that the solar system may be five billion or more years old, in which case the Cambrian oceans, though hot, would not have been vaporized. So the objection loses its force, provided that Cambrian plants and animals could live in very hot water.

Antigravity
In one of his stories HG Wells describes a British ' inventor, Mr. Cavor, who found a material, called cavorite, that was impenetrable to the force of gravity. Just as sheet copper can shield an object against electric forces and sheet iron can shield against magnetism, a sheet of cavorite placed under a material body would shield it from the gravitational pull of the earth. Mr. Cavor built a large gondola surrounded by cavorite shutters. One night when the moon was high, he got into the ship, closed the shutters facing the ground and opened those facing the moon. Cut off from terrestrial gravity and subjected only to the attraction of the moon, the gondola soared into space and eventually deposited Mr. Cavor on the surface of our satellite.

Why is such an invention impossible? Или е? There is a profound similarity between Newton's law of universal gravity and the laws that govern the interactions of electric charges and magnetic poles. If one can shield electric and magnetic forces, why not gravity? To answer this question we must consider the mechanism of electric and magnetic shielding. Each atom or molecule in any piece of matter is a system of positive and negative electric charges; in conducting metals there are numbers of negative electrons that are free to move through the crystal lattice of positively charged ions. Then a metal is placed in an electric field, the free electrons move to one side of the material, giving it a negative charge and leaving the opposite side positive. This polarization produces a new electric field, which is directed opposite to the original field. Thus the two can cancel each other. Similarly, magnetic shielding depends on the fact that the atoms of magnetic materials are tiny magnets, with north and south poles that line up so as to produce a field that opposes an external magnetic field. Here also the shielding effect arises from polarization of atomic particles.

Gravitational polarization, which could make possible shielding against the force of gravity, requires that matter be constituted of two kinds of particles : some with positive gravitational mass, which are attracted by the earth, and some with negative gravitational mass, which are repelled. Positive and negative electric charges and north and south magnetic poles are equally abundant in nature, but particles with negative gravitational mass are as yet unknown, at least within the structure of ordinary atoms and molecules. Therefore ordinary matter cannot be gravitationally polarized and cannot act as a gravity shield.

There is, however, another kind of matter-antimatter-that in many ways is the reverse of ordinary matter, including its electric and magnetic properties. Perhaps antiparticles also have negative mass. At first sight this might seem an easy point to decide. One has only to watch a horizontal beam of antineutrons, say, emerging from an accelerator and see whether the beam bends down or up in the gravitational field of the earth. In practice the experiment cannot be done. The particles produced by accelerators move almost at the speed of light; in a kilometer of horizontal travel gravity would bend them, whether up or down, only about 10^ -12 centimeter, the diameter of an atomic nucleus. Nor can they be slowed down by letting them collide with the nuclei of a "moderator" material, as neutrons are slowed in atomic piles. If antiparticles collide with their ordinary counterparts, both disappear in material annihilation. Thus from the experimental point of view the question as to the sign of the gravitational mass of antiparticles remains painfully open.

From the theoretical point of view it is open too, since we do not have a theory that relates gravitational and electromagnetic interactions. If a future experiment should demonstrate that antiparticles do have a negative gravitational mass, it will deliver a mortal blow to the entire relativistic theory of gravity by disproving the principle of equivalence. Антиаплей може да падне в истинско гравитационно поле, но едва ли би могъл да го направи в ускорения космически кораб на Айнщайн. Ако го направи, външен наблюдател щеше да го види да се движи с два пъти по-голямо ускорение от кораба, без никаква сила да действа върху него. The discovery of antigravity would therefore force upon us a choice between Newton's law of inertia and Einstein's equivalence principle. Авторът искрено се надява, че това няма да се случи.