Животворящая гравитация. Как ученые обнаружили силу, создавшую все во Вселенной

Без гравитации не существовало бы жизни, эта сила удерживает все, что находится на поверхности Земли, а саму планету – на орбите вокруг Солнца. Гравитация ответственна за формирование Солнечной системы, а также делает возможным ядерный синтез внутри звезд, пишет Science Focus.

Несмотря на это, гравитация – природное явление, которое все еще не изучено до конца.

Что такое гравитация

Гравитация – это одна из четырех фундаментальных сил природы, как электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие.

По сути, гравитация является одним из свойств материи. Например, вся материя притягивается друг к другу. Чем больше материи и чем ближе расстояние между объектами, тем больше сила притяжения.

В отличие от электромагнетизма, который может или отталкивать, либо притягивать, гравитация всегда притягивает материю.

Теория Ньютона

Как известно, Ньютон не выдвигал гипотез о том, как работает гравитация. Вместо этого, его отправной точкой была идея о том, что гравитация – универсальна. Например, одна и та же сила отвечала за упавшее яблоко на Земле, а также за удержание Луны на ее орбите.

С помощью этой концепции и набора астрономических данных, Ньютон выяснил, что на гравитационное притяжение влияет всего два фактора: масса каждого объекта и притяжение между ними.

Конечно, Ньютон об этом не писал, но его теория явственно указывает, что гравитационное притяжение подчиняется закону обратных квадратов. Силу гравитационного притяжения можно рассчитать, умножив массы двух объектов, а потом разделить на квадрат расстояния между ними. Сила притяжения увеличивается по мере увеличения массы объектов или по мере их сближения.

Такого уравнения было более чем достаточно, чтобы объяснить движение Луны и планет, также это все, что было необходимо NASA для расчета траектории полета на Луну.

Принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции был выведен Альбером Эйнштейном. Краткая формулировка этого принципа звучит следующим образом: гравитационная и инертная массы любого тела равны.

Именно это вдохновило Эйнштейна на создание общей теории относительности, которая предсказывает силу гравитации и объясняет, как все работает. Ученый смог показать, что тела с массой от атома до звезды, искривляют пространство и время.

Такое искривление объяснило то, чего не смог объяснить Ньютон: почему гравитация действует на расстоянии.

Как шар для боулинга на батуте, массивные космические объекты искривляют ткань пространства-времени, заставляя двигаться объекты вокруг себя по искривленным траекториям. Но даже меньшие тела имеют тот же эффект, например, каждый из нас оказывает крошечную гравитационную силу на окружающие объекты.

Уравнение общей теории относительности Эйнштейна, по сути, делает то же, что и уравнение Ньютона, предсказывая величину силы притяжения между двумя телами. Но теория Эйнштейна описывает, как масса может искривлять пространство и время. Иными словами, Эйнштейн помог нам понять, что вызывает силу, называемую гравитацией.

Общая теория относительности показывает, что происходит, когда сила гравитации становится чрезвычайно сильной, для чего не слишком годится уравнение Ньютона.

К тому же уравнение Эйнштейна пригодилось для предсказаний, которые даже не предусматривались основными принципами физики Ньютона.

Доказательства общей теории относительности

На данный момент существует огромное количество доказательств, свидетельствующих в пользу общей теории относительности. До теории Эйнштейна, астрономы безуспешно пытались объяснить смещение перигелия Меркурия, она не подчинялась ньютоновскому закону всемирного тяготения. Но работа Эйнштейна смогла все объяснить.

Идея о том, что гравитация вызвана деформацией пространства и времени, также была подтверждена. Теория гласила, что свет, проходящий близко к очень массивному объекту, должен двигаться по кривой линии из-за искривления пространства вокруг объекта.

Впервые этот эффект увидели во время солнечного затмения в 1919 году. С тех пор, астрономы не раз подтверждали, что далекие галактики действуют как линзы, искривляя путь света позади себя.

Другое предсказание Эйнштейна заключалось в том, что массивные объекты не только могут искривлять пространство, но и замедлять ход времени. Именно поэтому постоянно корректируются сигналы спутников GPS.

Другой эксперимент под названием Gravity Probe B показал, что вращающееся массивное тело увлекает за собой пространство-время, как вращающаяся ложка в чашке чая.

Гравитация и черные дыры

Эйнштейн один из первых описал сжатую массу, где вся материя находится в одной точке – гравитационной сингулярности.

Позже астрономы подтвердили, что некоторые стареющие звезды не могут противостоять силе гравитации и могут схлопнуться, образовав черную дыру. Как известно, гравитация в черной дыре настолько сильна, что даже свет не может от нее ускользнуть.

Также общая теория относительности предсказала, что сама ткань Вселенной может как расширяться, так и сжиматься. Эта идея в сочетании с научными наблюдениями стала основой современной теории развития Вселенной – модели Больного взрыва.

Эта часть общей теории относительности также может пролить свет на темную энергию – явление, ускоряющее расширение Вселенной.

Проблема теории Эйнштейна

Общая теория относительности чрезвычайно эффективна, когда дело касается большинства объектов. Но она не может объяснить, что происходит в сердце черных дыр, а также рассказать, что было до Большого Взрыва.

Теория Эйнштейна пока не совместима с квантовой физикой. Предполагается, что квантовая теория гравитации сможет стать мостиком между квантовой физикой и общей теорией относительности.

Пока что лучшими попытками в этом направлении является теория струн и петлевая квантовая гравитация, но ни одна из них пока не дала никаких полезных предсказаний.

Существование антигравитации

В отличие от электромагнетизма, гравитация работает лишь в одну сторону – она притягивает. Ученые пока не знают такого способа, который позволил бы отключать гравитацию. Если бы это произошло, человечество могло бы создать вечный двигатель и генерировать бесплатную энергию.

Единственный небольшой шанс открыть нечто подобное заключается в получении антивещества, которое может гравитационно отталкиваться от обычного вещества.

Возможно, ученые из ЦЕРНа вскоре получат достаточное количество антивещества, чтобы провести такой эксперимент. Но большинство физиков склоняются к тому, что вряд ли удастся добиться вышеупомянутого эффекта с антивеществом.