Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Я не собираюсь делать вид, будто искусственная гравитация — это повод жаловаться на все недочеты и погрешности в кино. Честное слово, я не из таких. Я начал разговор о ней для того, чтобы разобраться, какое отношение друг к другу имеют искусственная и естественная гравитация. Более того, мы можем легко и просто симулировать не только гравитацию, но и, наоборот, невесомость. Иными словами, между искусственной и настоящей гравитацией существует определенная симметрия.

Как вам, наверное, известно, в программу тренировки астронавтов входят полеты на особых самолетах, где искусственно симулируют пониженную гравитацию; официально эти самолеты называются «Невесомое чудо» ( Weightless Wonder ), а неофициально — «Рвототрон» ( Vomit Comet ). Это воздушное судно взмывает на большую высоту на высокой скорости, а потом, за неимением более удачного выражения, глушит двигатели [70] Тут я немного сглаживаю суть происходящего. Сопротивление воздуха никто не отменял, поэтому просто заглушить двигатели мало — от этого судно не перейдет в состояние свободного падения. Однако для наших целей такого приближения вполне достаточно. . Некоторое время судно пребывает в состоянии свободного падения — а это всего лишь ученое выражение, которое означает, что судно со всем его содержимым оказываются во власти чистой и необузданной силы гравитации Земли. Во время свободного падения астронавты ощущают невесомость. Еще бы! Они же падают с той же скоростью, что и корабль, так что с относительной точки зрения просто парят внутри.

Посмотрим на Международную космическую станцию, которая сейчас вращается по орбите примерно в 400 километрах над поверхностью Земли. Мы считаем, что она находится в космосе, но в сущности Земля не выпускает ее из своей хватки. Гравитация в 400 километрах над поверхностью Земли всего на 11 % меньше, чем на поверхности. И все же, если вы видели видеозаписи оттуда, астронавты плавают в воздухе, будто в невесомости. Впору заподозрить, что это какое-то мошенничество — ну, как с высадкой на Луну [71] Которая на самом деле самая настоящая. Может, мне и не стоило писать об этом здесь, но вы себе не представляете, как буквально иные люди все воспринимают. Не верите — посмотрите хотя бы на YouTube. .

Здесь все по-честному. Космическая станция, как и «Рвототрон», пребывает в состоянии свободного падения. В случае Международной космической станции свободное падение принимает форму почти круговой орбиты, но с точки зрения гравитации это все равно свободное падение. Единственная причина для этого — то, что МКС должна быть в космосе, иначе она столкнется с горами или сопротивление воздуха сбросит ее на Землю. Подлинная невесомость тут ни при чем.

Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что между гравитацией и ускорением наличествует фундаментальная симметрия — отношения куда более загадочные, чем кажется на первый взгляд, и намекающие на то, что гравитация, возможно, занимает среди физических законов особое место. Ньютон понял, что масса означает две совершенно разные вещи, в зависимости от контекста.

Силы гравитации пропорциональны массе тела, на которую они воздействуют. Напольные весы сопротивляются силе гравитации, которая возникает между вами и Землей, и чем вы массивнее, тем больше они показывают.

А еще масса означает нечто другое, не имеющее никакого отношения к гравитации. Это мера того, насколько трудно ускорить или затормозить тело, если оно двигается.

Если вам кажется, что это не очень важно, вы крупно ошибаетесь. Несмотря на тот факт, что эти две величины так тесно связаны, нет никаких видимых причин, чтобы гравитационная и инерционная массы тела имели друг к другу хотя бы какое-то отношение.

И все же так и есть. Галилей прославился благодаря тому, что помимо всего прочего доказал, что гравитация ускоряет тела независимо от их массы — он сравнивал скорость, с которой катятся с холма колеса разного размера и плотности [72] Другая история — скорее всего, выдуманная — гласит, что Галилей бросал предметы разной массы с Пизанской башни, сравнивал время падения и обнаружил, что оно всегда одинаково. Между тем те, у которых плотность меньше, наверняка падали бы медленнее из-за сопротивления воздуха. Зато у вас есть возможность поставить этот эксперимент в вакууме, на Луне, и увидеть все собственными глазами. В 1971 году астронавт Дэвид Скотт бросил на Луне перо и молоток и убедился, что они падают с одинаковым ускорением. . Его примеру последовал Ньютон и показал, что масса маятника никак не влияет на период его колебаний — важна лишь длина стержня или нити маятника.

Чтобы понять, какая это странная штука — отношения между массой и гравитацией — задумаемся об электрической силе. Электроны и протоны обладают противоположным зарядом, из чего следует, что пара электронов, расположенных в метре друг от друга, будут отталкиваться с той же силой, что пара протонов, расположенных на том же расстоянии.

Однако ускорение частиц — это совсем другое дело. Помните, что протоны обладают массой примерно в 2000 раз больше массы электрона, а это значит, что их в 2000 раз труднее двигать. Два электрона на расстоянии в метр будут ускоряться в разные стороны примерно в 26 раз сильнее нормальной гравитации Земли. А протоны едва дернутся.

Иначе говоря, если бы мы были роботами, привязанными к своей планете исключительно электрическими полями, то мы, роботы, падали бы на Землю с разной скоростью. Те, у кого отношение заряда к массе больше всех, и падали бы быстрее всех.

Гравитация и масса связаны очень тесно. Это одна из множества черт, разительно отличающих гравитацию от остальных фундаментальных сил. Но пока не вмешался Эйнштейн, отношение между массой и гравитацией было скорее просто курьезом. Почему это так, никто не мог разобраться.

Эйнштейн выдвинул так называемый принцип эквивалентности и отталкивался от него. Принцип эквивалентности — это основная симметрия общей теории относительности и главная тема нашего разговора на протяжении почти всей этой главы. Эйнштейн разрабатывал теорию относительности в течение десяти лет и описал принцип эквивалентности множеством разных способов. В конце концов он придумал две версии — слабую и гораздо более впечатляющую сильную, которая и получила известность как «принцип эквивалентности Эйнштейна». Грубо говоря, слабая версия гласит:

Слабый принцип эквивалентности.Частицы в свободном падении локально неотличимы от инерциальных систем отсчета.