Почему нет антигравитации?

Хотя во Вселенной известны четыре фундаментальные силы, в крупнейших космических масштабах имеет значение только одна: гравитация.

Остальные три фундаментальные силы, это:

• сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны вместе,
• слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад и любую «видовую смену» кварков и лептонов,
• и электромагнитная сила, которая вызывает образование нейтральных атомов,

все они в значительной степени не имеют значения в космических масштабах. Причина проста: когда вы собираете вместе большие группы частиц, все остальные силы уравновешиваются на больших расстояниях. Материя под действием этих трех сил кажется «нейтральной» в больших масштабах, и чистой силы не существует.

Но это не так с гравитацией. На самом деле гравитация в этом смысле уникальна. В гравитации есть только «положительные» заряды: объекты с положительным количеством массы и/или энергии. Между этими объектами гравитационная сила только притягивает, и поэтому в совокупности она действительно может суммироваться.

Но почему именно так, а не иначе?

Обычная модель, используемая для объяснения пространства-времени — это шар для боулинга на простыне. Вес шара деформирует плоский лист и притягивает близлежащие более мелкие объекты. Но кажется логичным, что простыня может быть деформирована и в другом направлении (вверх, если продолжить аналогию с простыней) очень похожим объектом, отталкивающим объекты от точки деформации.

Однако мы никогда не наблюдаем этого явления. Почему? Почему пространство-время искривляется только в одном направлении (в направлении гравитации)?

Выше приведена «классическая» иллюстрация общей теории относительности: представление о том, что пространство (и пространство-время) — это просто ткань, и что все объекты — включая как безмассовые, так и массивные объекты — существуют внутри этой ткани.

Чем больше массы (и/или энергии) есть в одном месте, тем больше пространство искривляется из-за присутствия этой массы/энергии и, следовательно, тем сильнее деформируется ткань. Для любого объекта, который движется через эту область пространства, кривизна этого пространства (т. е. степень и направление искажения ткани) определяет, как все объекты, как массивные, так и безмассовые, будут двигаться через нее.

Против этой картинки можно возразить, потому что она:

• изображает пространство двухмерным, а не трехмерным,
• показывает деформацию (или искривление) пространства как направленную «вниз», как если бы гравитация вызывала эту деформацию (как шар для боулинга), и
• создается впечатление, что вдали от большой массы пространство вообще больше не искривляется.

Ничто из этого не является правдой, и поэтому тем, у кого есть такие возражения, можно посоветовать вместо этого визуализировать пространство как трехмерную сетку. Только вместо «декартовой» сетки, где все линии взаимно перпендикулярны во всех трех измерениях, думайте о ней как о сетке, в которой линии «затягиваются» внутрь из-за присутствия масс, как если бы кто-то схватил связку нитей из декартову сетку и стянул их всех в одну точку.

Большой вопрос, который нужно рассмотреть, заключается в том, почему гравитация не может работать и отталкивающим образом: объекты только гравитационные; они, кажется, не являются антигравитационными. Как будто пространство может «искривляться» только в одном направлении: в направлении, которое делает объекты притягивающими, а не отталкивающими.

В аналогии с «двухмерной простыней» материя и энергия заставляют пространство искривляться только «вниз», а не «вверх», поэтому существует только притяжение, а не отталкивание. В аналогии с «трехмерной сеткой» материя и энергия всегда заставляют эти линии двигаться «внутрь», а не «наружу», и опять же, существует только притяжение, а не отталкивание.

Для этого существует глубокая и важная причина, которая затрагивает суть того, что делает гравитацию не только замечательной, но и уникальной среди четырех фундаментальных сил: существует только один «знак» гравитационного «заряда» во Вселенной: положительный.

Задумайтесь об этом, потому что обычно мы не так понимаем гравитацию. Мы не говорим о гравитационных зарядах; мы говорим о таких вещах, как «масса» и «энергия», когда речь идет о гравитации.

Но из всех физических объектов, как макроскопических, так и на квантовом уровне, существование которых было доказано, не существует такой вещи, как «отрицательная масса» или «отрицательная энергия», которая когда-либо была открыта. Масса и энергия в целом всегда должны быть положительными.

Сравните это с такой силой, как электромагнетизм, и вы сразу увидите разницу. Когда дело доходит до такого явления, как электрический заряд, у вас не просто «один тип» заряда; у вас их два: положительный (+) и отрицательный (-). По правилам электромагнетизма:

• положительные заряды отталкиваются,
• положительные и отрицательные заряды притягиваются,
• отрицательные заряды отталкиваются, а
• отрицательные и положительные заряды притягиваются.

Другими словами, знак электромагнитной силы — в каком направление действует ​​результирующая сила, действующая на каждую частицу — зависит от того, являются ли заряды похожи (в этом случае они отталкиваются) или противоположны (в этом случае они притягиваются).

Электромагнитная сила, как оказывается, намного сильнее гравитационной силы: если поместить рядом два (положительно заряженных) протона Вместе измерив (отталкивающую) электрическую силу и сравнив ее с (притягивающей) гравитационной силой, вы обнаружите, что отталкивание оказывается сильнее примерно в 10³⁶ раз!

Так почему же во Вселенной доминирует гравитационная сила, а не электромагнитная?

Ответ в том, что Вселенная электрически нейтральна, в ней количество положительного заряда и количество отрицательного заряда уравновешиваются. Атомы электрически нейтральны: положительный электрический заряд ядра точно уравновешивается отрицательным электрическим зарядом электронов, вращающихся вокруг него.

Планеты, звезды и галактики также преимущественно состоят из атомов и в целом электрически нейтральны. Причина, по которой гравитационная сила так важна (возможно, единственная важная сила в чрезвычайно больших космических масштабах) заключается в том, что, хотя она такая слабая, она кумулятивна. Существует только один тип гравитационного заряда, и со временем он накапливается.

Двум другим (ядерным) силам также «запрещено» воздействовать в больших масштабах. Что касается слабого ядерного взаимодействия, то оно передается чрезвычайно массивными частицами: бозонами W- и Z. Поскольку эти частицы намного более массивны, чем частицы, испытывающие слабое взаимодействие, эти взаимодействия подавляются очень сильно.

Слабые взаимодействия обычно могут протекать только посредством процесса квантового туннелирования от (нестабильного) начального состояния к (более стабильному) конечному состоянию. На больших расстояниях подавление сильнее, и поэтому на масштабах, превышающих субатомную частицу, слабое взаимодействие вообще не играет никакой роли.

Для сильных ядерных сил ситуация немного сложнее. Сильное взаимодействие обеспечивается глюонами, а глюоны не имеют массы, как и фотоны (которые передают электромагнитное взаимодействие). В отличие от гравитационной силы (которая имеет один тип заряда) или электромагнитной силы (которая имеет два типа заряда), сильное ядерное взаимодействие фактически имеет три типа зарядов, которые все взаимосвязаны. Когда речь идет о сильной ядерной силе, обычно используют цветовую аналогию, где:

• красный, зеленый и синий — три цвета,
• голубой, пурпурный и желтый — три антицвета.
• что цвет плюс его антицвет (красный и голубой, зеленый и пурпурный, синий и желтый) бесцветны,
• и где три цвета в сочетании (красный + зеленый + синий) или три антицвета в сочетании (голубой + пурпурный + желтый) также образуют бесцветную комбинацию.

Среди фундаментальных частиц только кварки и глюоны имеют цвет, а единственные состояния, в которых могут существовать кварки и антикварки, — это бесцветные состояния: барионы (три кварка), антибарионы (три антикварка), мезоны (комбинации кварков и антикварков) и т. д. сложные, более короткоживущие состояния, такие как тетракварки (два кварка и два антикварка) и пентакварки (четыре кварка и один антикварк или четыре антикварка и один кварк).

Поскольку в природе существуют только связанные бесцветные состояния кварков, сила между любым из этих связанных состояний также должна возникать через бесцветную комбинацию, сохраняющую барионное число: следовательно, это мезоны. Поскольку все мезоны массивны, это «остаточное сильное взаимодействие», как известно, также является короткодействующим, как и слабое ядерное взаимодействие.

В космических масштабах остается только гравитация. Все массы положительны, все энергии положительны, и поскольку именно масса/энергия в пространстве, во всех его местах, определяет пространственную кривизну, а пространственная кривизна определяет гравитацию, гравитационная сила всегда должна быть притяжением.

Вот что касается Вселенной, которая у нас (очевидно) есть: Вселенной, какой мы ее знаем. Но мы могли бы представить себе совершенно другую Вселенную: ту, в которой могли бы существовать состояния либо с отрицательной массой, либо с отрицательной энергией.

В отличие от электромагнитной силы, в которой одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, гравитация будет перевернута:

• состояния положительной массы/энергии притягивают состояния положительной массы/энергии,
• положительные состояния массы/энергии будут отталкивать отрицательные состояния массы/энергии,
• состояния с отрицательной массой/энергией притягивают состояния с отрицательной массой/энергией, и
• состояния отрицательной массы/энергии притягивают состояния положительной массы/энергии.

Если бы отрицательные состояния массы/энергии были частью нашей реальности, мы смогли бы манипулировать ими некоторыми очень умными и важными способами.

Мы могли бы перемещать отрицательные состояния таким образом, чтобы они могли «экранировать» нас от силы гравитации, позволяя нам испытывать невесомость без необходимости находиться в свободном падении.

Мы могли бы создавать космические корабли, полы которых были бы сделаны из состояний положительной энергии, в космосе, а потолки над ними могли бы быть сделаны из состояний отрицательной энергии, что позволило бы создать однородное поле «искусственной гравитации» таким же образом, как это делает электромагнитный конденсатор, который создает внутри себя однородное электрическое поле.

И, что, пожалуй, наиболее примечательно, имея в своем распоряжении достаточно большое количество состояний положительной и отрицательной энергии, мы могли бы использовать эти двойные состояния отрицательной и положительной энергии для создания варп-поля, где:

пространство перед космическим кораблем положительно искривлено и сжато,

пространство за космическим кораблем отрицательно искривлено и расширено/разрежено,

а пространство, в котором расположен космический корабль, является плоским, что предотвращает его разрушение/повреждение гравитационными приливными силами.

Это большая идея, лежащая в основе Двигателя Алькубьерре: решение в рамках общей теории относительности, которое допускает реалистичный варп-двигатель, зависящий от существования состояний с отрицательной массой/энергией. Одной из больших надежд на реалистичный варп-двигатель была возможность того, что антиматерия, даже несмотря на то, что она имеет положительную массу по формуле Эйнштейна E = mc^², будет вести себя так, как если бы у нее была отрицательная гравитационная масса.

Однако испытания в гравитационном поле показали, что это не так, что разрушило нашу самую большую надежду на реалистичный варп-двигатель без необходимости призвать на помощь новую физику.

Есть ли какое-нибудь обстоятельство, не требующее «новой физики», при котором мы могли бы действительно наблюдать или проверить эффекты гравитационного отталкивания? Существуют ли какие-либо конфигурации, которые мы можем представить или создать, при которых гравитационная сила может быть фактически отрицательной, а не положительной?

Да, мы можем спроектировать это. Вместо того, чтобы начинать с пустого пространства, представьте, что пространство равномерно заполнено материей: как массивная идеальная жидкость. Теперь представьте, что внутри этой жидкости нужно поместить два типа «частиц»:

• частицу положительной массы, плотность которой больше плотности жидкости (например, частица свинца в такой жидкости, как вода),
• и (фактически) частицу с отрицательной массой, плотность которой ниже плотности жидкости (например, воздушный шар с твердыми стенками или непроницаемый аэрогель в такой жидкости, как вода).

В этих обстоятельствах мы действительно можем наблюдать, что гравитационно притягивает, а что отталкивает. Как и следовало ожидать:

• две частицы положительной массы притягиваются друг к другу,
• две частицы с отрицательной массой притягиваются друг к другу,
• но частица с положительной массой и частица с отрицательной массой отталкивают друг друга.

«Фундаментального» отталкивания не существует, но если наполнить свою Вселенную массой/энергией и иметь стабильную область, в которой ее меньше, эта область ведет себя так, как будто она обладает отрицательной массой/энергией, с точными последствиями, описанными выше.

Однако на фундаментальном уровне не существует состояний с отрицательной массой/энергией, о которых можно было бы говорить. Как определено путем измерения космологической постоянной (т.е. эффектов темной энергии), общее количество энергии, присущее пустому пространству, положительно — мало, но больше нуля — и что вы ничего не можете удалить или отобрать из пространства, чтобы довести эту энергию до уровня, меньшего нуля (т.е. отрицательное) значение.

Конечно, вы можете манипулировать пространством, чтобы создавать более низкие энергетические состояния в одной области, чем в другой, и вы можете использовать это явление для создания эффективно отрицательной (относительно среднего состояния массы/энергии) энергетической области, но это все равно область, где гравитационная сила притягивает. Это просто будет «менее привлекательно», чем окружающие регионы.

Если в вашей машине плывет гелиевый шар и вы нажмете на тормоз, все пассажиры рванутся вперед, а шарик уплывет назад. Это происходит не потому, что воздушный шар нарушает закон Ньютона «объект, находящийся в движении, остается в движении», а потому, что (более плотный, тяжелый) воздух в автомобиле «остается в движении» сильнее, чем (менее плотный, более легкий) гелиевый шар.

Это единственный смысл, в котором мы имеем антигравитацию, когда что-то с массой/энергией меньшей, чем в среднем, может вести себя как отрицательный источник гравитации: отрицательный по сравнению с чем-то, что «более положительное».

До тех пор, пока не будет открыта какая-то новая физика, которая покажет, что могут существовать состояния с отрицательной массой или отрицательной энергией, антигравитация, по крайней мере на фундаментальном уровне, останется простой математической диковинкой.