Что такое гравитация?
AstroNews.ru - 11 Мая 2022 15:34:07
Из фундаментальных сил Вселенной только одна доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта: гравитация. Она держит нас близко к Земле, поднимает и опускает футбольные и баскетбольные мячи и дает нашим мышцам силы. С космической точки зрения гравитация столь же последовательна. От коллапса водородных облаков в звезды до слияния галактик, гравитация представляет собой одного из немногих игроков, которые определяют широкий взгляд на ход эволюции Вселенной.
В некотором смысле история гравитации - это история физики, но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила все еще лежит в основе некоторых величайших тайн этой дисциплины.
Люди долго размышляли о гравитации, которая действует на все, от дождевых капель до пушечных ядер. Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к Земле, но потребовалась бы вспышка озарения от Исаака Ньютона, чтобы поднять гравитацию от непостижимой тенденции объектов до измеримого и предсказуемого явления.
Скачок Ньютона, ставший достоянием общественности в его трактате "Philosophia Naturalis Principia Mathematica" 1687 года, заключался в осознании того, что каждый объект во Вселенной — от песчинки до самых крупных звезд — притягивает к себе все остальные объекты. Это понятие объединяло события, которые казались совершенно несвязанными, от яблок падающих на Землю (хотя это, вероятно, не вдохновило его на прорыв, но Ньютон действительно работал рядом с яблоней) до планет, вращающихся вокруг Солнца. Он также приписал притяжению числа: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное притяжение вчетверо. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон тяготения.
Ньютоновское описание гравитации было достаточно точным, чтобы понять существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо смог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, прослеживаемый в орбите Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем это предсказывала теория Ньютона, предполагая небольшое несоответствие между его законом и законами природы. Эта загадка была в конечном счете решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году.
До того как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как вычислить гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягиваются друг к другу с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как это постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна были готовы оставить все как есть. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что ничто не может перемещаться мгновенно, и притяжение гравитации не должно быть исключением.
На протяжении веков физики рассматривали пространство как пустую структуру, на фоне которой разыгрываются события. Оно было абсолютным, неизменным и в физическом смысле не существовало. Общая теория относительности способствовала превращению пространства и времени из статического фона в субстанцию, чем-то напоминающую воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной, и что этот "пространственно — временной" материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и вращаться, увлекая за собой все, что в нем находится.
Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени - это то, что порождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такая как Земля или Солнце, изгибает пространство вокруг них, как камень искривляет течение реки. Когда другие объекты движутся рядом, они следуют изгибу пространства, так как лист может следовать за вихрем вокруг камня (хотя эта метафора не идеальна, потому что, по крайней мере, в случае планет, вращающихся вокруг Солнца, пространство-время не «течет»). Мы видим, как орбиты планет и яблоки падают, потому что они следуют путями через искаженную форму вселенной. В повседневных ситуациях эти траектории соответствуют силе, предсказываемой законом Ньютона.
Полевые уравнения относительности Эйнштейна, набор формул, которые иллюстрируют, как материя и энергия деформируют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения на орбите Меркурия, а также изгиб звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.
Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что оно стало руководством для космических открытий.
Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметили в 1960-х годах, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы оттолкнуться от звезд, как собака отряхивает с себя капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не улетали друг от друга в разные стороны, что-то, казалось, помогало им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубина и Форда дали убедительные доказательства, подтверждающие более раннюю теорию швейцарского астронома Фрица Цвикки, предложенную в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в соседнем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта таинственная "темная материя" искривляет пространство-время, чтобы сохранить целыми галактики и скопления галактик. Однако другие задаются вопросом, может ли сама гравитация усиливаться в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.
Изменения в общей теории относительности должны быть действительно деликатными, поскольку исследователи недавно начали обнаруживать одно из самых тонких предсказаний теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в пространстве. Начиная с 2016 года, в результате совместной исследовательской работы с тремя детекторами в Соединенных Штатах и Европе было измерено множество гравитационных волн, проходящих через Землю. Появляется все больше детекторов, открывая новую эру астрономии, в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды - не по свету, который они излучают, а по тому, как они колеблят ткань пространства, когда сталкиваются.
Однако ряд экспериментальных успехов общей теории относительности затмевает то, что многие физики считают фатальным теоретическим провалом: теория описывает классическое пространство-время, но Вселенная в конечном счете оказывается квантовой или состоит из частиц (или "квантов"), таких как кварки и электроны.
Классическое понятие пространства (и гравитации) как единой гладкой ткани вступает в противоречие с квантовой картиной вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить господствующую стандартную модель физики элементарных частиц, которая охватывает все известные частицы, а также три другие фундаментальные силы (электромагнетизма, слабого и сильного взаимодействия), чтобы охватить пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одной из самых глубоких загадок в современной физике.