Gravity, av George Gamow [Special Archive Article]


Redaktørens notat: Denne artikkelen opprinnelig oppstod i 1961-utgaven av . I de dager da siviliserte menn trodde at verden var flat, hadde de ingen grunn til å tenke på tyngdekraften. Det var opp og ned. Alle materielle ting pleier å naturlig bevege seg nedover, eller å falle, og ingen trodde å spørre hvorfor. Begre

Redaktørens notat: Denne artikkelen opprinnelig oppstod i 1961-utgaven av .

I de dager da siviliserte menn trodde at verden var flat, hadde de ingen grunn til å tenke på tyngdekraften. Det var opp og ned. Alle materielle ting pleier å naturlig bevege seg nedover, eller å falle, og ingen trodde å spørre hvorfor. Begrepet absolutt opp og ned retninger fortsatte i middelalderen, da det fortsatt ble påkalt å bevise at jorden ikke kunne være rund.

Den første strålen av lys for å gjennomsyre tåken av skolastiske ideer om fallende legemer utstedt fra Galileo Galilei. Siden fritt fall var for fort til å måle direkte, bestemte Galileo å fortynne bevegelsen ved å studere kropper plassert på et skråplan. Han argumenterte - og da var det et nytt argument - at siden en ball hviler på en horisontal overflate ikke beveger seg i det hele tatt, og siden en ball som faller parallelt med en vertikal overflate beveger seg så fort som det ville dersom overflaten ikke var der, bør en ball på en skrånende overflate rulles med en mellomhastighet avhengig av hellingsvinkelen. La ballene rulle nedoverplanet vippet i forskjellige vinkler, han observerte deres reisehastigheter og avstandene dekket i forskjellige tidsintervaller, som han målte med en vannklokke. Forsøkene viste at i hvilken som helst vinkel øker hastigheten i direkte forhold til tid (talt fra frigjørings øyeblikk) og at avstanden som dekkes øker i forhold til kvadratet av tiden. Galileo observert også at en massiv jernkule og en mye lettere trekule ruller ned side om side hvis de slippes samtidig fra samme høyde på samme skråplan.

Som en annen måte å fortynne fritt fall, jobbet han med enkle pendler-vekter som ble suspendert av tynne strenger. Her er bølgenes bølge som vekten beveger seg justert ved å endre strengens lengde. Pendler av samme lengde viste seg å ha samme periode med svingning selv når vekten var variert, noe som resulterte i enighet med utfallet av de hellede planeteksperimentene. Fra alle disse observasjonene var Galileo nødt til å konkludere at alle materielle legemer, lette eller tunge, i fritt fall også beveger seg på nøyaktig samme måte. Denne ideen motsatte seg den oppfatning av den tidenes fremtredende arkistiske filosofiske filosofiske skole, som hevdet at tyngre legemer faller raskere enn lysene. Ifølge den berømte legenden, som kanskje eller ikke er sant, klatret Galileo på det lutende tårnet i Pisa og droppet en lys og en tung ball, som samtidig ramte flislagt til oppdagelsen av samtidige filosoffer.

Newtons gravitasjonslov
Disse studiene lagde grunnlaget for mekanikkens vitenskap. Hovedstrukturen ble reist av Isaac Newton, som ble født året Galileo døde. Med sin bevegelseslov innførte Newton forestillingene om kraft og treghet. Når en kraft påføres på materielle legemer, endrer den sin hastighet eller bevegelsesretning eller begge deler. Deres inertialmasse er imot disse endringene. Newton uttalt at hastighetshastigheten (akselerasjon) av en gjenstand er direkte proporsjonal med kraften som virker på den og omvendt proporsjonal med dens masse. Dobling av kraften dobler akselerasjonen; dobling av massen reduserer akselerasjonen i halvparten; Hvis både kraft og masse dobles, er akselerasjonen uendret. I lys av denne loven betyr Galileos konklusjon om frie fallende kropper et faktum som vanligvis er for gitt, men som faktisk er veldig nysgjerrig; nemlig vekten av en kropp (det vil si gravitasjonsspenningen av jorden på den) er strengt proporsjonal med dens inertialmasse. Ellers ville ikke en jern og en trekule av samme størrelse falle med samme hastighet. Hvis de to gjenstandene har samme akselerasjon når de slippes, må inertialmassen mot en bevegelsesendring i jernkulen være større enn den i trekulen i nøyaktig samme forhold som nedadgående kraft på jernkulen er større. Denne proporsjonaliteten er langt fra trivial; Faktisk gjelder det bare for tyngdekraften og ikke for andre kjente krefter som for elektrisitet og magnetisme. Dermed mens en elektron og et proton faller med like akselerasjon i et tyngdefelt, når disse partiklene blir plassert i et elektrisk felt, akselereres elektronen 1, 836 ganger raskere.

Fra sin analyse av baller (eller epler) som faller mot jorden, fortsatte Newton å vurdere gravitasjon i bredere termer. Hans tankegang er demonstrert av en veldig interessant diskusjon i hans Principia. Anta, sa han, vi skyter en kule horisontalt fra toppen av et fjell så høyt at det stiger over atmosfæren. Kulen vil følge en buet bane og treffe jordoverflaten litt avstand fra bunnen av fjellet. Jo større sløyfehastigheten, jo lengre bort fra fjellet vil kulen lande. Ved en tilstrekkelig høy starthastighet kommer kulen til jorden på et punkt rett overfor fjellet; Ved enda høyere hastighet vil den aldri slå bakken, men vil fortsette å dreie seg rundt jorden som en liten måne. Hvis Newton argumenterte, er det mulig på denne måten å lage en kunstig satellitt, hvorfor ikke anta at bevegelsen av den naturlige månen også er et fritt fall? Og hvis månen dreier seg om jorden på grunn av jordens gravitasjonsattraksjon, er det ikke logisk å anta at jorden selv holdes i bane rundt solen ved kraften av solens tyngdekraft? Så er dette ikke også sant for alle de andre planetene og deres satellitter? Så oppsto den grundig viktige ideen om universell gravitasjon, som sier at alle materielle legemer i universet tiltrekker seg hverandre med krefter bestemt av deres masser og gjensidige avstander.

For å fastslå det nøyaktige forholdet mellom kraft og masse, begynte Newton ved å anta at siden kraften mellom jorden og hver kropp nær overflaten er proporsjonal med kroppens treghetsmasse, burde kraften også være proporsjonal med tregmassen av jorden. Dette forklart umiddelbart hvorfor gravitasjonssamarbeidet mellom små massemasser, som to epler, aldri hadde blitt lagt merke til. Det var for svakt. Ikke før et halvt århundre etter Newtons død var eksistensen av en slik kraft demonstrert eksperimentelt av et annet britisk geni, Henry Cavendish.

Etter å ha postulert at gravitasjonsattraksjonen mellom to organer er proporsjonal med masseproduktet, undersøkte Newton avhengigheten av avstand. Han sammenlignet kraften som var nødvendig for å holde månen i sin bane på avstanden fra 60 jordradier med kraften på et eple på avstanden fra bare en radius fra jordens sentrum. Det er viktig å innse at den store forskjellen i masse mellom de to kroppene ikke påvirker sammenligningens gyldighet. Faktisk vil et eple plassert på mons avstand og gitt sin omløpshastighet bevege seg rundt jorden akkurat som månen gjør; På samme måte, hvis man kunne suspendere månen fra en gren, ville den falle til bakken like raskt som epler gjør. Newtons matematiske analyse viste at tyngdekraften minker som kvadratet av avstandene mellom de tiltrekkende legemene.

Han kunne nå skrive formelen for tyngdekraft: F = G ( M 1 M 2 ) / d 2G er proportionalitetskonstanten eller gravitasjonskonstanten. Det er et veldig lite nummer; Hvis massene måles i gram og avstanden i centimeter, er G omtrentlig .000000066. Dette betyr at et par gramvekter avskilt med en centimeter tiltrekker seg hverandre med en kraft på litt over seks hundre millioner av en dyne, eller om seks hundre milliarder av vekten av et gram.

I kombinasjon av gravitasjonsloven med bevegelsesloven kunne Newton matematisk utlede reglene for planetarisk bevegelse som ble oppdaget av Johannes Kepler. I den minneverdige tiden som fulgte, forklarte Newton og hans etterfølgere bevegelsene av himmellegemer ned til de aller minste detaljer. Men gravitasjonssammenhengens natur, og spesielt årsaken til den mystiske proporsjonaliteten mellom gravitasjonsmasse og trellmasse, forblir helt skjult i mer enn 200 år.

Einsteins tyngdelove
Så, i 1914 løftet Albert Einstein sløret. Ideene han fremførte vokste ut av hans formulering av den spesielle relativitetsteorien et tiår tidligere. Den teorien er basert på postulatet at ingen observasjoner i et lukket kammer kan svare på spørsmålet om kammeret er i ro eller bevegelse langs en rett linje med konstant fart. Dermed er en person i forfatterens situasjon som han skriver disse linjene - i en innvendig hytte av SS Queen Elizabeth som seiler på en jevn sjø - ikke utført noe eksperiment, mekanisk, optisk eller noe annet, som vil fortelle ham om skipet Er virkelig flytte eller fortsatt i havn. Men la en storm komme opp og situasjonen endres smertefullt; Avviket fra ensartet bevegelse er altfor tydelig.

For å håndtere problemet med ikke-uniform bevegelse fant Einstein et laboratorium i et romskip som ligger langt fra noen store gravitasjonsmasser. Hvis kjøretøyet er i ro, eller i ensartet bevegelse med hensyn til fjerne stjerner, vil observatørene inne og alle deres instrumenter som ikke er festet til veggene, flyte fritt. Det blir ingen opp og ingen ned. Så snart rakettmotorer startes og skipet akselererer, vil instrumenter og folk presses mot veggen motsatt bevegelsesretningen. Denne veggen blir gulvet, den motsatte veggen blir taket og folkene vil kunne stå opp og flytte så mye som de gjør på bakken. Faktisk, hvis akselerasjonen er lik tyngdekraftens akselerasjon på overflaten av jorden, kan passasjerene trolig tro at skipet fortsatt står på lanseringsplaten.

Anta at en av passasjerene samtidig frigir to sfærer, en av jern og en av tre, som han har holdt ved siden av hverandre i hendene. Det som egentlig skjer, kan beskrives som følger: Mens kulene ble holdt, ble de akselerert, sammen med observatøren og hele skipet. Når de slippes, blir de ikke lenger drevet av rakettmotorer. Nå vil de bevege seg side ved side, hver med en hastighet som tilsvarer romskipet i løpet av utgivelsen. Selve skipet vil imidlertid kontinuerlig få fart og "gulvet" på skipet vil raskt ta over de to kulene og slå dem samtidig.

Til observatøren inne i skipet ser eksperimentet annerledes ut. Han vil se ballene slippe og slå "gulvet" på samme tid. Når han husker Galileos demonstrasjon fra det lutende tårnet i Pisa, vil han bli overbevist om at det finnes et vanlig gravitasjonsfelt i hans romlaboratorium.

Begge beskrivelsene av den observerte hendelsen er korrekte; ekvivalensen av de to synspunktene er grunnlaget for Einsteins relativistiske tyngdeorientering. Dette såkalte ekvivalensprinsippet mellom observasjoner utført i et akselerert kammer og i et "ekte" tyngdepunkt ville imidlertid være trivielt, dersom det bare gjaldt mekaniske fenomener. Einsteins dype innsikt var at prinsippet er ganske generelt og holder også til optiske og andre elektromagnetiske fenomener.

Tenk deg en stråle av lys som sprer seg over romlaboratoriet i en "horisontal" retning. Banens vei kan spores ved hjelp av en serie vertikale fluorescerende glassplater med avstand på like avstander. Igjen det som faktisk skjer er at strålen beveger seg i en rett linje med konstant fart, mens glassplattene beveger seg over sin sti med en stadig økende hastighet. Strålen tar samtidig tid til å reise fra hver plate til den neste, men platene beveger seg lenger under hvert påfølgende intervall. Derfor viser mønsteret av fluorescerende flekker gulvet nærmer seg lysstrålen med en økende hastighet. Hvis observatøren inne i kammeret trekker en linje gjennom flekkene, vil det se ut til ham som en parabol som bøyer seg mot gulvet. Siden han vurderer akselerasjonsfenomener som forårsaket av tyngdekraften, vil han si at en lysstråle er bøyd når den forplanter seg gjennom et tyngdefelt.

Dermed konkluderte Einstein, hvis likestillingsprinsippet holder i all fysikk, skal lysstråler fra fjerne stjerner som passerer nær solen på vei til jorden, bøye seg mot solen. Denne prediksjonen ble briljant bekreftet i 1919 av en parti av britiske astronomer som observerte en total solformørkelse i Afrika. Med det dunkle sollyset slukket av månen, ble stjerner nær kanten av solskiven sett for å bli forskjøvet ca. 1, 75 sekunder med bue fra solen.

Relativistisk Merry-Go-Round
La oss se nærmere på en annen type akselerert bevegelsesuniform rotasjon. (En kropp som beveger seg ved konstant fart på en sirkulær bane, akselereres på grunn av sin kontinuerlige retningsendring.) Forestill deg en glede rundt med et gardin rundt det, slik at folk inni ikke kan fortelle ved å se på omgivelsene som det roterer. Hvis glede-runden snu, vil observatørene være oppmerksomme på sentrifugalkraft, som skyver dem ut mot felgen. En ball plassert på plattformen ruller bort fra senteret. Sentrifugalkraften som virker på et hvilket som helst objekt på plattformen, vil være proporsjonal med objektets treghetsmasse, slik at her igjen kan effekten av akselerert bevegelse betraktes som lik den for et tyngdefelt. Det er et særegent felt for å være sikker; Det er ganske forskjellig fra feltet på jordens overflate eller i noen annen sfærisk kropp. Kraften er rettet vekk fra sentrum av systemet, ikke mot det; og i stedet for å redusere som kvadratet av avstanden fra senteret, øker det forholdsmessig til den avstanden. Videre har feltet sylindrisk symmetri rundt en sentral akse i stedet for sfærisk symmetri rundt et sentralt punkt. Likevel inneholder ekvivalensprinsippet, og feltet kan tolkes som forårsaket av gravitasjonsmasse fordelt på store avstander rundt hele symmetriaksen.

Hvordan vil lyset forplante seg gjennom dette feltet? Anta at en lyskilde som sender ut stråler i alle retninger ligger ved et punkt, A, på periferien av den roterende disken, og observeres ved et annet punkt, B, også på periferien. I henhold til den grunnleggende loven om optikk, forplanter lyset alltid langs den korteste banen. Men hva er den korteste veien mellom A og B ? For å måle lengden på ulike linjer som forbinder punktene A og B, bruker observatøren den gammeldags, men alltid sikre metoden for å telle antall målestokker som kan plasseres ende til slutt langs linjen.

Når vi ser på eksperimentet fra utsiden, husker vi den spesielle relativitetsteorien, som forteller oss at bevegelige målestokk krymper i retning av bevegelsen. Derfor ser vi at hvis observatøren måler langs den "sanne" rette linjen fra A til B, vil hans pinner samtykke og han vil trenge flere av dem til å måle den linjen enn om plattformen ikke beveget seg. Nå oppstår et interessant punkt. Jo nærmere en målestokk er til midtpunktet av glede-runden, jo mindre er den lineære hastigheten og derfor jo mindre er dens sammentrekning. Ved å bøye linjene til målestokkene mot midten, reduserer observatøren nummeret han trenger for å gå fra A til B. Selv om "faktisk" avstand er noe lengre, blir økningen mer enn kompensert av den mindre krympingen av hver målestokk. En lysstråle som følger denne korteste banen, går innover i begynnelsen av reisen og deretter bøyer utover, kan betraktes som avbøyet av det tydelige gravitasjonsfeltet, som er rettet radialt utad.

Før vi går ut av fersken, la oss vurdere et forsøk. Et par identiske klokker er plassert på plattformen, en nær midten og den andre ved kanten. Som i tilfelle av stavene, går den ytre klokken raskere enn den indre, og igjen forutser spesiell relativitet en forskjell i deres oppførsel. I tillegg til å forårsake utfordringer å trekke sammen, gjør bevegelsen klokka sakte. Derfor vil den ytre klokken miste tiden med hensyn til den indre. Nå vil observatøren som tolker akselerasjonseffekter i form av et tyngdefelt, si at klokken som er plassert i det høyere gravitasjonspotensialet (det vil si i retningen der tyngdekraften virker) går langsommere.

Selv om vi ikke kan gå inn på detaljer her, viser Einsteins argument at den samme effekten er forventet på et normalt tyngdefelt som det på jorden. Her er feltet rettet nedover, slik at en klokke på havnivå går langsommere enn en på toppen av et fjell. Sakningen gjelder også for alle andre fysiske, kjemiske og biologiske fenomener, og en typist som arbeider i første etasje i Empire State Building, blir eldre tregere enn tvillingssøsteren hennes som jobber i toppetasjen. Sterkere felt gir større retardasjon. En klokke på overflaten av solen ville løpe .0001 prosent langsommere enn en jordbasert klokke.

Tydeligvis kan vi ikke sette en klokke på solen, men vi kan se frekvensen av atomvibrasjoner som produserer de ulike linjene i solspekteret. Hvis disse naturlige klokkene er bremset, skal lyset de sender, skiftes mot lavfrekvensen eller den røde, enden av spektret. Denne "gravitasjonsrøde skiftet" ble spådd av Einstein. Et slikt skifte er faktisk funnet i solens spektrum, men det er så lite som å være nesten på grensen av observasjonspresisjon. Spektra av de mye tettere hvite dvergstjernene, hvor det røde skiftet forventes å være 40 ganger større enn på sola, enig ganske godt med teorien.

Astronomiske bevis er ikke så tilfredsstillende som eksperimenter som kan utføres i et terrestrisk laboratorium. Inntil for et par år siden syntes det imidlertid ikke å være noe håp om å måle øyeblikksforskjellen spådd mellom klokker i forskjellige høyder i jordens gravitasjonsfelt. Deretter fant RL Mössbauer, som jobbet ved Universitetet i München, en måte å produsere atomgammastråler med meget ren frekvens til og måle ekstremt små endringer i frekvensen deres (se "The Mossbauer Effect" av Sergio De Benedetti; SCIENTLFIC AMERICAN, april 1960]. Å gripe på den nye muligheten, fortsatte flere arbeidere å vise at to kjernefysiske "klokker" adskilt av bare noen få ti meter i jordens felt løper med målbart forskjellige hastigheter, og forskjellen er akkurat det som Einstein forutsier, innenfor grensene for eksperimentelle feil. Enda en annen verifisering, om noe mer er nødvendig, vil nesten sikkert oppnås når en atomur i en kunstig satellitt sammenlignes med en på bakken.

Så vi ser at i et gravitasjonsfelt går klokken sakte, lysstråler bøyer i retning av feltet og en rett linje er ikke den korteste avstanden mellom to punkter. Likevel, hvordan kan man definere "rett linje" annet enn som lysets bane i et vakuum, eller den korteste avstanden mellom to punkter? Einsteins ide var å beholde denne definisjonen. I stedet for å si at lysstråler og korteste avstander er buede, foreslo han at rommet selv (mer nøyaktig romtid) er buet. Det er vanskelig å tenke på et buet tredimensjonalt rom, enda mindre en buet fire-dimensjonal romtid, men en ide om hva det betyr kan fås fra en analogi med todimensjonale overflater. Den euklidiske geometri vi alle lærte på skolen, gjelder figurer som kan tegnes på et fly. Hvis geometriske figurer trekkes på buede flater, for eksempel en kule eller en overflate som er formet som en sal, holder mange av de euklidiske teoriene ikke.

Spesielt er summen av vinklene til en plan trekant lik 180 grader. I en sfærisk trekant er summen av vinklene større enn 180 grader, og i en trekant trukket på en sadeloverflate er den mindre. Det er sant at linjene som danner trekanter på sfæriske og salteflater ikke er rett fra det tredimensjonale synspunktet, men de er de "retteste" (dvs. korteste) linjene mellom punktene dersom man er begrenset til overflaten i spørsmålet. Matematikere kaller slike linjer geodesiske linjer, eller bare geodesikk.

I tredimensjonalt rom er en geodesisk linje per definisjon stien langs hvilken en lysstråle vil forplante seg. Tenk på en trekant dannet av tre slike geodesikk. Hvis summen av vinklene er lik 180 grader, sies rommet å være flatt. Hvis summen er mer enn 180 grader, sier vi at rommet er sfærisk eller positivt buet; Hvis det er mindre enn 180 grader, sier vi at det er saddelignende eller negativt buet. På grunn av lysbøyningen mot solen, ville astronomer på jorden, Mars og Venus måle mer enn 180 grader i trekantens vinkler dannet av lysstråler som beveger seg mellom planetene. Derfor kan vi si at rommet rundt solen er positivt buet. På den annen side er summen av vinkler av en trekant mindre enn 180 grader i gravitasjonsfeltet, og dette rommet er buet i negativ forstand.

De foregående argumentene representerer grunnlaget for Einsteins tyngdeorientering. I den newtonske utsikten produserer solen i rommet rundt det et felt av kraft som gjør at planetene beveger seg langs buede baner i stedet for rette linjer. I Einsteins bildeutrymme blir det buet og planeter beveger seg langs de retteste (geodesiske) linjene i det buede rommet. Her snakker vi om geodesikk i den firedimensjonale romtidskontinuen. Det ville selvfølgelig være feil å si at banene selv er geodesiske linjer i tredimensjonalt rom.

Einsteins tolkning av tyngdekraften som krumning av romtiden fører ikke til nøyaktig samme resultater som de klassiske newtonske teoriene. Vi har allerede nevnt lysbøyningen. Den relativistiske teorien gir også litt forskjellige svar på bevegelsene til materielle legemer. For eksempel forklarte det forskjellen mellom de beregnede og observerte hastighetene for precession av hovedaksen av kvikksølvets bane, som representerte et langvarig mysterium om klassisk himmellegemekanikk.

Gravity Waves
Newtons lov om gravitasjonssammenheng mellom massene er ganske lik loven om elektrostatisk interaksjon mellom ladninger, og Einsteins teori om gravitasjonsfeltet har mange vanlige elementer med James Clerk Maxwells teori om det elektromagnetiske feltet. Så det er naturlig å forvente at en oscillerende masse skal gi opphav til gravitasjonsbølger akkurat som en oscillerende elektrisk ladning produserer elektromagnetiske bølger. I en berømt artikkel publisert i 1918 oppnådde Einstein faktisk løsninger av sin grunnleggende ligning med generell relativitet som representerer slike gravitasjonsforstyrrelser som forplanter seg gjennom rom med lysets hastighet. Hvis de eksisterer, må gravitasjonsbølger bære energi; men deres intensitet, eller mengden energi de transporterer, er ekstremt liten. For eksempel skal jorden, i sin omløpende bevegelse rundt solen, utgjøre ca. 0, 001 watt, noe som vil resultere i at den faller en millionth av et centimeter mot solen i en milliard år!

Ingen har ennå tenkt på en måte å oppdage bølger så svake på. Faktisk har noen teoretikere, blant dem Sir Arthur Eddington, antydet at gravitasjonsbølger ikke representerer noen fysisk virkelighet i det hele tatt, men er bare en matematisk fiksjon som kan elimineres fra ligningen ved et passende valg av romtidskoordinater. En grundigere analyse tyder på at dette ikke er tilfelle, og at gravitasjonsbølger, svake, selv om de kan være, er ekte.

Er gravitasjonsbølger delt inn i diskrete energipakker, eller quanta, som elektromagnetiske bølger er? Dette spørsmålet, som er like gammelt som kvanteteorien, ble endelig besvart for to år siden av den britiske fysikeren PAM Dirac. Han lyktes i å kvantisere gravitasjonsfeltligningen og viste at energien av tyngdekraften quanta, eller "gravitons", er lik Plancks konstant, h, ganger deres frekvens - det samme uttrykket som gir energi av lyskvanta eller fotoner. Snittet av graviton er imidlertid to ganger fotografens spinn.

På grunn av deres svake er gravitasjonsbølger av ingen betydning i himmellegemekanikken. Men kan ikke gravitoner spille noen rolle i fysikken til elementære partikler? Disse ultimative bitene av materie virker på en rekke måter, ved hjelp av utslipp eller absorpsjon av passende "feltkvanta". Således involverer elektromagnetiske interaksjoner (for eksempel tiltrengningen av motsatt ladede legemer) utslipp eller absorpsjon av fotoner; antagelig gravitasjonsinteraksjoner er tilsvarende relatert til gravitoner. I de siste årene har det blitt klart at samspillet mellom materiell faller inn i forskjellige klasser: (1) sterke samspill, som inkluderer elektromagnetiske krefter; (2) svake samspill som "beta-forfall" av en radioaktiv kjerne, hvor en elektron og en neutrino utsettes; (3) gravitasjonsinteraksjoner, som er vesentlig svakere enn de som kalles "svake".

Styrken til en interaksjon er relatert til frekvensen eller sannsynligheten for utslipp eller absorpsjon av dens kvantum. For eksempel tar en kjerne ca. 10 ^ -12 sekund (en millionth av milliardtedels sekund) for å avgive en foton. Til sammenligning tar beta-forfallet av et nøytron 12 minutter - ca. 10-14 ganger lenger. Det kan beregnes at tiden som er nødvendig for utslipp av en graviton av en nukle er 10 ^ 60 sekunder, eller 10 ^ 53 år! Dette er langsommere enn det svake samspillet med en faktor på 10 ^ 58 .

Nå er neutrinoer seg selv partikler med ekstremt liten sannsynlighet for absorpsjon, det vil si samspill, med andre typer materie [se "Neutrino" av Philip Morrison;, Januar 1956]. De har ingen kostnad og ingen masse. Så lenge siden 1933 spurte Niels Bohr: "Hva er forskjellen mellom [neutriner] og kvanta av gravitasjonsbølger?" I de såkalte svake samspillet sendes neutrinos sammen med andre partikler. Hva med prosesser som bare involverer neutrinoer - si utslipp av et neutrino-antineutrino-par med en spenningskjerne? Ingen har oppdaget slike hendelser, men de kan oppstå, kanskje på samme skala som gravitasjonsinteraksjonen. Et par neutrinos ville gi et snurre på to, verdien beregnet for graviton av Dirac. Alt dette er selvfølgelig den reneste spekulasjonen, men en sammenheng mellom nøytriner og tyngdekraften er en spennende teoretisk mulighet.

Gravity and Electromagnetism
I laboratoriedagboken til Michael Faraday vises følgende innlegg i 1849: "Gravity. Sikkert denne kraften må være i stand til et eksperimentelt forhold til elektrisitet, magnetisme og andre krefter, for å bygge opp dem med gjensidig handling og tilsvarende effekt. Overvei for et øyeblikk hvordan du skal sette på å berøre denne saken av fakta og rettssak. " De mange forsøkene han undertok for å oppdage et slikt forhold, var ubrukelige, og han konkluderer med den delen av hans dagbok med ordene: "Her avslutter mine forsøk for nåtiden. Resultatene er negative. De skaper ikke min sterke følelse av eksistensen av et forhold mellom tyngdekraft og elektrisitet, selv om de ikke gir noe bevis for at et slikt forhold eksisterer. " Etterfølgende eksperimentelle innsats har ikke vært mer vellykket.

Et teoretisk angrep for å bringe det elektromagnetiske feltet i tråd med gravitasjonsfeltet ble foretatt av Einstein. Etter å ha redusert tyngdekraften til de geometriske egenskapene til et romtids-kontinuum, ble han overbevist om at det elektromagnetiske feltet også må ha en ren geometrisk tolkning. Men "Unified Field" teorien, som vokste ut av denne overbevisningen, hadde vanskelig å gå, og Einstein døde uten å produsere noe så enkelt, elegant og overbevisende som hans tidligere arbeid. I dag jobber færre og færre fysikere ved enhetsfeltteori; de fleste er overbevist om at innsatsen for å geometriere det elektromagnetiske feltet er ubrukelig. Det virker i hvert fall for forfatteren at det sanne forholdet mellom gravitasjons- og elektromagnetiske krefter kun skal oppfattes ved forståelse for elementære partikkers natur. En forståelse for hvorfor det finnes partikler med bare visse tregmasser og ikke andre - og av forholdet mellom massene og partikkelens elektriske og magnetiske egenskaper.

Som et eksempel på et av de grunnleggende spørsmålene i dette feltet, vurder igjen den relative styrken av gravitasjons- og elektromagnetiske interaksjoner. I stedet for å sammenligne tider som kreves for utslipp av kvanta, la oss sammenligne den faktiske styrken til de elektrostatiske og tyngdekraften mellom et par mellomvektspartikler, si pi mesoner. Beregning viser at forholdet mellom elektrostatisk og tyngdekraften er lik kvadratet av ladningen på et elektron dividert med kvadratet av massen av partiklene ganger gravitasjonskonstanten: e 2 / M 2 C. For to pi mesoner er verdien 10 ^ 40 . Enhver teori som hevder å beskrive relasjonen mellom elektromagnetisme og tyngdekraft må forklare dette forholdet. Det skal påpekes at forholdet er et rent tall, en som forblir uendret uansett hvilket system av enheter som brukes til å måle de ulike fysiske mengder. Slike dimensjonsløse konstanter, som kan utledes på en rent matematisk måte, vises ofte i teoretiske formler, men de er vanligvis små tall som 2π, 5/3 og lignende.

Hvordan kan man få matematisk en konstant så stor som 10 ^ 40 ? For rundt 20 år siden gjorde Dirac et interessant forslag. Han foreslo at figuren 10 ^ 40 faktisk ikke er en konstant, men en variabel som endrer seg med tiden og er forbundet med universets alder. Ifølge evolusjonær kosmologi, som innebærer at universet stammer fra et «big bang», er universet nå ca 5 × 10 ^ 9 år eller 10 ^ 17 sekunder gammelt. Et år eller et sekund er selvfølgelig en vilkårlig enhet, og vi foretrekker et elementært tidsintervall som kan stamme fra grunnleggende egenskaper av materie og lys. En rimelig en er lengden av tiden som kreves av lys for å reise en avstand lik radiusen til en elementær partikkel. Siden alle partiklene har en radius på ca. 3 x 10 ^ -13 cm, og siden lysets hastighet er 3 x 10 ^ 10 centimeter per sekund, er denne elementære tidsenhet 3 x 10 ^ -13 delt med 3 x 10 ^ 10, eller 10 ^ -23 sekunder. For å uttrykke alderen på universet i denne elementære tidsenheten deler vi alderen i sekunder, 10 ^ 1 7, med 10 ^ -23 og får tallet 10 ^ 40 ! Dirac, det store forholdet mellom elektriske og gravitasjonskrefter, er således karakteristisk for universets nåværende alder. Da universet var halvt så gammelt som det er nå, var dette forholdet også halvparten av nutidens verdi. Siden det er gode grunner til å anta at den elementære elektriske ladningen ikke endres med tiden, konkluderte Dirac at gravitasjonskonstanten må avta, og at denne nedgangen kan være forbundet med universets ekspansjon og den faste forsinkelsen av materialet som fyller den.

Hvis gravitasjonskonstanten virkelig har gått ned, eller med andre ord om tyngdekraften har vokst svakere, må vårt solsystem være blitt utvidet sammen med universet. I tidligere tider ville jorden ha vært nærmere solen og derfor varmere enn den er nå. Da Dirac presenterte ideen, var solsystemet ansett å være om lag tre milliarder år gammel. Edward Teller, nå ved Universitetet i California, påpekte at på en slik tidsskala hadde jorden vært 50 grader varmere enn vannkokingpunktet i Kambrium-tiden, da det var et godt utviklet marint liv. Nå ser det ut til at solsystemet kan være fem milliarder eller mer år gammel, og i så fall ville de kambriumske havene, selv om de var varme, ikke ha blitt fordampet. Så motstanden mister sin styrke, forutsatt at kambrianske planter og dyr kan leve i veldig varmt vann.

antigravitasjon
I en av hans historier beskriver HG Wells en britisk oppfinner, Mr. Cavor, som fant et materiale, kalt kavoritt, som var ugjennomtrengelig for tyngdekraften. Akkurat som ark kobber kan skjerme en gjenstand mot elektriske krefter og laken kan skjerme mot magnetisme, ville et ark med kavoritt plassert under en materiell kropp beskytte den fra gravitasjonssporet på jorden. Mr. Cavor bygget en stor gondol omgitt av kavoritt skodder. En natt da månen var høy, kom han inn i skipet, lukket lukkene mot bakken og åpnet de mot månen. Kuttet av fra jordbasert tyngdekraft og utsatt bare for månens tiltrekning, gikk gondolen til rom og til slutt deponerte Mr. Cavor på overflaten av satellitten vår.

Hvorfor er en slik oppfinnelse umulig? Eller er det? Det er en dyp likhet mellom Newtons lov om universell tyngdekraften og lovene som styrer samspillet mellom elektriske ladninger og magnetiske poler. Hvis man kan beskytte elektriske og magnetiske krefter, hvorfor ikke tyngdekraften? For å svare på dette spørsmålet må vi vurdere mekanismen for elektrisk og magnetisk skjerming. Hvert atom eller molekyl i ethvert stykke materie er et system med positive og negative elektriske ladninger; i ledende metaller er det antall negative elektroner som er frie til å bevege seg gjennom krystallgitteret av positivt ladede ioner. Deretter plasseres et metall i et elektrisk felt, de frie elektronene beveger seg til den ene siden av materialet, noe som gir det en negativ ladning og forlater den motsatte siden positiv. Denne polarisasjonen produserer et nytt elektrisk felt, som er rettet motsatt til det opprinnelige feltet. Dermed kan de to avbryte hverandre. På samme måte er magnetisk skjerming avhengig av at atomene av magnetiske materialer er småmagneter, med nord- og sørpoler som rager opp for å produsere et felt som motsetter seg et eksternt magnetfelt. Her oppstår også skjermingseffekten fra polarisering av atompartikler.

Gravitasjonspolarisasjon, som kan muliggjøre skjerming mot tyngdekraften, krever at materie består av to typer partikler: noen med positiv tyngdekraft, som er tiltrukket av jorden, og noen med negativ tyngdekraft som avstøtes. Positive og negative elektriske ladninger og nord og sør magnetiske poler er like rikelig i naturen, men partikler med negativ tyngdekraftmasse er ukjent, i hvert fall innenfor strukturen av vanlige atomer og molekyler. Derfor kan vanlig materie ikke gravitasjonelt polariseres og kan ikke fungere som et tyngdekraftsskjold.

Det er imidlertid en annen slags materiell-antimatter, som på mange måter er omvendt av vanlig materie, inkludert dets elektriske og magnetiske egenskaper. Kanskje antipartikler har også negativ masse. Ved første øyekast kan dette virke som et enkelt poeng å bestemme. Man har bare å se en horisontal stråle av antineutroner, si, som kommer fra en gasspedalator og se om strålen bøyer seg opp eller ned i gravitasjonsfeltet på jorden. I praksis kan eksperimentet ikke gjøres. Partiklene produsert av akseleratorer beveger seg nesten ved lysets hastighet; i en kilometer med horisontal reise tyngdekraft ville bøye dem, enten opp eller ned, bare ca 10 ^ -12 centimeter, diameteren av en atomkjerne. De kan heller ikke reduseres ved å la dem kollidere med kjernene til et "moderator" -materiale, da nøytroner er bremset i atomaksler. Hvis antipartikler kolliderer med sine vanlige kolleger, forsvinner begge seg ved materialutsletting. Fra eksperimentelt synspunkt forblir spørsmålet om tegnet av antipartikkens tyngdekraft fortsatt smertefullt.

Fra teoretisk synspunkt er det også åpent, siden vi ikke har en teori som angår gravitasjons- og elektromagnetiske interaksjoner. Hvis et fremtidig eksperiment skal demonstrere at antipartikler har en negativ tyngdekraft, vil den levere et dødelig slag mot hele relativistisk tyngdeorientering ved å bekjempe ekvivalensprinsippet. En antiapple kan falle opp i et sant gravitasjonsfelt, men det kan neppe gjøre det i Einsteins akselererte romskip. Hvis det gjorde det, ville en ekstern observatør se det bevege seg ved to ganger akselerasjonen av skipet, uten at noe i det hele tatt virket på den. Oppdagelsen av antigravity ville derfor påtvinge oss et valg mellom Newtons treghetslov og Einsteins ekvivalensprinsipp. Forfatteren håper virkelig at dette ikke kommer til å passere.