Если бы не она, мы не были бы собой. Только с ней мы можем жить на нашей планете. Только она держит Землю на своем месте. И только ее надо преодолеть, чтобы очень большо не упасть. Речь о гравитации.
Гравитация — одна из фундаментальных сил природы, самое слабое взаимодействие из них. Определяется взаимным притяжением между двумя атомами (или группами атомов). Если вы положите два мячика на стол, между ними будет притяжение, но крайне слабое. Если мячики вырастут до размеров Земли, соответственно, сила возрастет многократно и станет ощутимой. Гравитацией обладают, как правило, крупные объекты, образующие гравитационное поле. Благодаря ему, мы можем ходить по Земле, а сама планета удерживает атмосферу. На Луне гравитация слабая, поэтому атмосферу ничего не держит.
Изучение гравитации, в силу слабости ее проявления (только в макромасштабах), проходит крайне сложно. Есть мнение, что квантовая теория гравитации поможет объединить воедино все, что мы знаем о фундаментальных силах и материи во Вселенной.
Около 14 миллиардов лет назад Большой взрыв ознаменовал собой рождение Вселенной. С тех самых пор она начала расширяться, постепенно охлаждаясь и становясь все более плотной. По мере падения температуры на просторах ранней Вселенной стали появляться первые частицы, формируя ядра известных нам атомов. С течением времени Вселенная изменилась и эволюционировала, подарив жизнь звездам, планетам, черным дырам и электромагнитным полям. Этого всего, однако, не существовало бы без самой главной движущей силы космоса – гравитации. Недавно исследователи предположили, что именно она ответственна за свет, впервые воцарившейся в космической пустоте. Согласно новой теории, гравитационные волны, вскоре после рождения Вселенной, накладывались друг на друга, создавая мощные волны гравитационной энергии. Последние, в свою очередь, могли заставить электромагнитные поля излучать свет. Но означает ли это, что гравитация может являться источником света?
Cовременная физика переживает нелегкие времена. На одной стороне лежит квантовая теория, которая описывает устройство Вселенной на уровне атомов, а на другой – Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), согласно которой пространство и время могут искривляться под влиянием гравитации. Проблема заключается в том, что по отдельности и ОТО и квантовая механика работают прекрасно, но противоречат постулатам друг друга. По этой причине физики трудятся над созданием единой «теории всего» на протяжении последних 90 лет. Вот только с каждым новым открытием вопросов становится все больше, однако исследователи не оставляют попыток докопаться до истины – результаты первого в своем роде эксперимента показали, что в искривленной и расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Полученный в ходе моделирования результат вновь возвращает нас к вопросу о том, как что-то может возникнуть из ничего. Словом, шаг вперед и два назад.
Существует вопросы, ответы на которые мы никогда не узнаем. Взять, к примеру, черные дыры – эти таинственные космические объекты встречаются по всей Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что все расположенные поблизости объекты будут неизбежно ими поглощены. И если мы в состоянии обнаружить черные дыры и предположить что происходит внутри, то узнать что именно находится за горизонтом событий не представляется возможным. Ни один живой организм никогда не сможет оказаться внутри этих космических монстров. Наука, однако, позволяет делать определенные предположения. Так, общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) гласит, что все объекты поглощенные черной дырой остаются в ней навсегда. Даже кванты самого света не способны вырваться наружу. Но в 1970-х годах ХХ столетия физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры должны испускать излучение, тем самым создавая парадокс.
Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию – это попытка взглянуть на нее иначе, например, как на что-то вроде голограммы — трехмерного эффекта, который появляется на плоской двумерной поверхности. Идея заключается в том, что нам лишь кажется, что мы живем в трехмерной вселенной – на самом деле изменений может быть только два. Такой взгляд на мир называется голографическим принципом. Итак, представим, что некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира, и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая выглядит так, будто у нее есть глубина.
Гравитация является самой главной силой во Вселенной. Именно она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца. Она же удерживает Луну на земной орбите и создает звезды и планеты, притягивая материал, из которого они состоят. Но что особенно интересно, так это способность гравитации притягивать свет. Этот принцип открыл Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как кривую в пространстве – она огибает объект, например звезду или планету. И если поблизости находится другой объект, он также втягивается в кривую. Согласно Общей теории относительности (ОТО), время движется медленнее вблизи массивных объектов, так как их гравитационная сила изгибает пространство-время, которые неразрывно связаны. Это означает, что большие массы деформируют ткань пространства-времени своим огромным гравитационным влиянием. Недавно в научном журнале Nature вышла интересная статья. Ее авторы утверждают, что атомные часы, разделенные всего несколькими сантиметрами, измеряют разные скорости времени – как и предсказывал Эйнштейн.
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Ученым давно известно, что в нашем понимании гравитации чего-то не хватает. Она, например, не объясняет, как таинственная темная энергия ускоряет расширение Вселенной, а также не согласуется с квантовой механикой, которая описывает, как объекты ведут себя на уровне атомов и элементарных частиц. Один из способов попытаться примирить обе теории – это наблюдать, как маленькие объекты взаимодействуют с гравитацией. Недавно международная команда физиков впервые в истории успешно измерила гравитационное поле крошечного золотого шара диаметром около 2 мм в лабораторных условиях. Новое исследование призвано помочь ученым понять, как гравитация согласуется с квантовой механикой в мельчайших масштабах. Интересно, что гравитационные силы подобной величины, как правило, возникают только в областях самых отдаленных галактик. Так что результаты нового исследования как минимум восхищают.
В мире очень много мифов. Я говорю не про те, которые родились в древней Греции, а о тех, которые люди придумывают до сих пор просто от незнания. Часто какая-то информация или искажается, или просто неправильно понимается одним человеком и распространяется среди других. Так и получается, что мы знаем о предметах и явлениях то, чего на самом деле нет. Чтобы развеять такие мифы, мы периодическим публикуем ”разоблачительные” статьи, в которых рассказываем истинную природу вещей и то, как они устроены. Для этого мы собираем мнения ученых, исследователей и просто здравый смысл. Все вместе это позволяет разобраться в природе вещей и, что называется, стать умнее. На это раз мы поговорим о гравитации, которая вызывает немало споров. А еще голивудские фильмы сильно портят нам представление о том, что же это такое на самом деле.
На языке пилотов «страйк» — вовсе не лучший удар, который можно сделать в боулинге. Как правило, этим словом в авиации обозначают столкновение птиц с самолетом (с добавлением слова bird (птица) — получается «bird strike»). На самом деле птицы сталкиваются с самолетами очень часто: вполне возможно, такой инцидент был даже во время вашего недавнего полета, просто вы об этом не знаете. Обычно такие происшествия не приводят к серьезным последствиям, птица весом меньше 3 кг просто сгорает в двигателе. Однако иногда самолеты даже вынуждены экстренно садиться из-за столкновения с птицами.
Искусственная гравитация давно была описана в фантастических романах и показана в фильмах вроде «Космической одиссеи 2001 года». Теоретически возможность создания искусственной гравитации не отрицается. Однако до проектов, которые можно было бы протестировать в условиях космических станций в ближайшее время, дело практически не доходило. Но совсем скоро все может измениться благодаря стараниям команды CU Boulder.