Вічна боротьба між Ньютоном і Ейнштейном: чи є гравітація силою природи

Гравітацію, яку традиційно розуміють, як силу природи, і яка змушує об'єкти падати або рухатися назустріч один одному, вперше описав Ісаак Ньютон у середині 17 століття. Але теорія відносності Альберта Ейнштейна, що з'явилася на початку 20 століття, передбачає, що гравітація не є силою. Це викривлення простору-часу, яке викликане масивними об'єктами. Але яка з цих теорій точніше описує природу гравітації? Про це у своїй статті для видання Big Think розповідає фізик Дон Лінкольн із Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі, США.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Що таке сила?

На перший погляд питання про те, чи є гравітація силою, здається досить дурним. Усі люди можуть відчути на собі, як працює гравітація. Але з іншого боку це дуже складне питання. Щоб отримати на нього відповідь, для початку потрібно дати визначення самому терміну сила.

Силою є щось, що, впливаючи на об'єкт, може змусити його рухатися або деформуватися, або і те, й інше. З огляду на те, що всі об'єкти падають, коли їх падають, то здається, немає жодних сумнівів у тому, що гравітація справді є силою.

Теорії Ньютона та Ейнштейна

Ще в середині 17 століття Ісаак Ньютон кількісно описав гравітацію. Він створив математичні закони, які керують гравітаційним тяжінням між двома об'єктами. Сила гравітації, згідно з його теорією, залежить від маси кожного об'єкта і відстані, яка їх розділяє. Астрономи використовували рівняння Ньютона для передбачення руху планет та інших космічних об'єктів. У цьому випадку здається, що гравітація є свого роду силою.

Але все змінилося 1915 року, коли Альберт Ейнштейн розробив власну теорію гравітації, описану в загальній теорії відносності. Його ідеї відрізнялися від ідей Ньютона. Ейнштейн вважав, що простір і час еквівалентні й одне може трансформуватися в інше. Оскільки вони були однаковими, він об'єднав їх у єдину концепцію: простір-час.

Коли Ейнштейн об'єднав свою концепцію простору-часу з гравітацією, він виявив, що гравітація насправді є викривленням простору-часу. Масивні об'єкти, як-от зірки і планети, викривляють простір-час, і змушують об'єкти рухатися до них, тому гравітація в даному випадку є результатом геометрії простору-часу. Як би дивно це не звучало, але це твердження знайшло своє підтвердження.

Проблеми з теорією Ейнштейна

Наразі вчені вважають, що загальна теорія відносності є неповною. Тобто вона не працює на субатомному рівні. Коли вчені намагаються використати рівняння Ейнштейна для опису природи гравітації в масштабах атома або навіть менших, то вони зазнають невдачі. Вважається, що для цього потрібна теорія квантової гравітації.

Хоча такої теорії ще немає, вчені використовують інші теорії, які допомагають зрозуміти, що може передбачати квантова теорія гравітації. В електромагнетизмі сила передається частинками, які називаються фотонами. Оскільки частинки змінюють свій рух, то електромагнетизм, безумовно, є силою.

Щодо гравітації, то вважається, що частинки-переносники сили, які називають гравітонами, переміщуються між масивними субатомними частинками, що змушує останні рухатися. Таким чином, у квантовому масштабі гравітація є силою, схожою на електромагнетизм. Тільки коли ефекти багатьох гравітонів працюють разом, у більших масштабах гравітація виявляється викривленням простору-часу.

Гравітація — це сила чи ні?

Але все це повертає нас до вихідного питання: чи є гравітація силою? Відповідь на це питання неясна. Це явно сила в найпростішому визначенні цього слова. Але теорія Ейнштейна, згідно з якою гравітація виникає внаслідок викривлення простору-часу, також успішно працює. Тому, найімовірніше, відповіддю на це складне запитання буде таке твердження: гравітація просто існує і все.

Як уже писав Фокус, симуляція подорожей у часі вирішить проблеми, які не вирішуються за допомогою звичайної фізики, вважають автори нового дослідження. Вчені не пропонують створити машину часу, але вважають, що їхня теорія може бути дуже корисною для вирішення різних фізичних проблем.