Существует несколько вариантов принципа эквивалентности, но все сводятся к одной идее: действие гравитационных полей неотличимо от действия ускоренного движения. На человека, стоящего в лифте на планете Земля, действует сила притяжения, направленная вниз. Запустите лифт в дальний космос на ракете, и если ракета будет лететь с ускорением, пассажир будет испытывать точно такое же притяжение. Инерция пассажира не даст ему парить в кабине. Инерция – естественное сопротивление любого тела действию ускорения. Этот же эффект вдавливает вас в спинку сиденья машины, когда водитель нажимает на газ.
У этих двух ситуаций с лифтом одна причина – масса. Однако масса массе рознь. Одна – гравитационная масса – отвечает на силу притяжения, стремясь придать телу ускорение в гравитационном поле. Другая – инертная масса – является свойством тела, которое противодействует любому ускорению. Еще один способ сформулировать принцип эквивалентности – сказать, что эти две массы всегда численно равны друг другу. Если бы это было не так, тела с разными массами падали бы на Землю с разными скоростями. Фактически равенство гравитационной и инертной масс определяет любое движение под действием гравитации во всей Вселенной. Если бы гравитационная масса реагировала на гравитацию немного сильнее, чем инертная масса на ускорение, то планеты вращались бы вокруг своих светил, а звезды вокруг центров своих галактик немного быстрее, чем они это делают сейчас.
То, что выглядит как гравитация в общей теории относительности Эйнштейна, на самом деле просто однородное движение сквозь искривленное пространство. Гравитации нет, поэтому гравитационная масса фиктивна, а совпадение, которое стоит за принципом эквивалентности, пропадает. Но если гравитацию нужно поместить в один квантовый «загон» вместе с другими силами, то гравитации нужно дать что-нибудь, на что она могла бы опереться – так же, как электромагнетизм опирается на электрический заряд. Возникает необходимость в гравитационной массе, которая отдельна и отлична от инертной массы.
Интервью: теория всего не дает ответов на все вопросы
«Мы не должны быть одержимы идеей поисков теории всего», утверждает Лиза Рэндалл, профессор физики Гарвардского университета.
Не мечтает ли каждый физик о единой стройной теории всего?
На свете очень много физиков! Когда я провожу свои исследования, я вовсе не думаю об этой теории. И даже если бы у нас была окончательная теория, лежащая в основе всего, как вы объясните тот факт, что мы с вами сейчас находимся здесь? Решение проблемы теории струн не объяснит нам, как возникло человечество.
Следовательно, теория всего – это миф?
Нет, это вовсе не ошибочная идея. Такие цели вдохновляют прогресс. Я просто думаю, что идея, к которой мы придем в конце концов, будет немного сложнее.
Разве не красота математики приводит нас к истине?
Вам следует быть осторожным, если вы хотите использовать красоту в качестве гида. Очень много теорий, которые вначале не считались красивыми, но оказались таковыми позже, и наоборот. Я думаю, что простота – хороший путеводитель. Чем экономичнее теория, тем она лучше.
Значит, проблема в том, что наши лучшие теории физики элементарных частиц и космологии так запутаны?
Мы пытаемся описать Вселенную в масштабах от 1027 до 1035 метров, поэтому нет ничего удивительного, что в этих теориях так много составляющих. Глупо считать, что все вокруг нас состоит только из того вещества, из которого мы сделаны. Скорее всего, без темной материи и без темной энергии нам не обойтись.
Глубже и точнее
Один из способов опровергнуть принцип эквивалентности Эйнштейна – попытаться доказать, что две массы на самом деле не эквивалентны, а просто очень-очень близки. Даже мельчайшая разница между ними будет означать, что общая теория относительности построена на зыбкой основе и что должна существовать более глубокая и точная теория.
До сих пор эксперименты, проводимые с атомами рубидия и калия в свободном падении в «Башне падения» Бременского университета, не показали отклонений от принципа эквивалентности. Было найдено, что атомы падают с одинаковыми скоростями с точностью до 11-го знака после запятой. Между тем в Вашингтонском университете в Сиэтле Эрик Адельбергер и его группа Йот-Вош (Eöt-Wash) используют высокотехнологичную установку – торсионные весы, чтобы сравнить движения стандартных масс, сделанных из различных элементов, включая медь, бериллий, алюминий и кремний. Они установили рекорд точности в своих экспериментах: принцип эквивалентности не нарушался с точностью до 13-го знака после запятой. Запущенный французскими учеными в апреле 2016 года космический аппарат MICROSCOPE (Micro-Satellite a traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) тестирует движения платиновой и иридиевой масс в условиях микрогравитации в космическом пространстве.
В то же время теоретики решили потянуть за другую веревочку. Они заявили, что никто до сих пор не сумел убедительно объяснить, что такое инерция. Одно мы знаем наверняка: инерцию нельзя полностью объяснить полем Хиггса. Хотя поле Хиггса предположительно обеспечивает массами фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, при объединении кварков в более тяжелые частицы, а именно протоны и нейтроны, которые составляют большую часть нормального вещества, получается масса примерно в тысячу раз больше суммарной массы составляющих кварков. Эта дополнительная масса обеспечивается не механизмом Хиггса, а энергией, требуемой для того, чтобы удерживать кварки рядом друг с другом. Каким-то образом эти два эффекта должны объединиться и найти себе точку опоры, чтобы создать у тела свойство сопротивляться ускорению.
Ускоряющийся наблюдатель
И что же далее? Наверное, все это можно соотнести с феноменом, о котором в 1970-е годы заявили канадский физик Уильям Унру и другие ученые. Объединив идеи относительности и квантовой механики, они пришли к выводу, что наблюдатель, движущийся с ускорением, должен видеть излучение, исходящее из вакуума.
Астрофизик Бернард Хайш из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге (Германия) и инженер-электротехник Альфонсо Руэда из Университета штата Калифорния в Лонг Бич (США) поняли, что вакуум взаимодействует с ускоряющимся телом во всем его объеме. Это может породить силу, которая действует в направлении, противоположном движению тела. Они сравнили этот эффект с тем, который возникает при движении заряженных частиц в магнитном поле, когда возникает сила, действующая на движение этих частиц, – сила Лоренца. В нашем случае имеют место электромагнитные взаимодействия с квантовым вакуумом.
Майк Маккаллох из Плимутского университета (Великобритания) полагает, что такие взаимодействия – именно то, что нужно для того, чтобы разрушить принцип эквивалентности. Излучение Унру должно обладать спектром с широким диапазоном длин волн. Для очень маленьких ускорений будет преобладать длинноволновое излучение. Сделайте ускорение действительно очень маленьким, и некоторые волны станут длиннее размера наблюдаемой Вселенной и будут эффективно обрезаться. В соответствии с вычислениями Маккаллоха, проведенными им в 2007 году, полное количество излучения Унру, воспринимаемого телом, будет падать, в результате чего тело будет испытывать меньшую силу противодействия. Таким образом, инерция тела будет уменьшаться, облегчая его движение по сравнению с тем, что предписывается стандартными законами движения Ньютона. Соответственно, связь с гравитационной массой будет ослабевать.
