Гравитация - мы почти никогда не задумываемся о ней, по крайней мере, пока не поскользнувшись, падаем на лед или не поднимаемся по лестнице вверх. Для многих древних мыслителей гравитация даже не была силой - она была естественным стремлением падения объектов к центру Земли, в то время как планеты подчинялись другим, не связанным с ней законам. Конечно, теперь мы знаем, что гравитация гораздо больше, чем просто падение вещей. Она управляет движением планет вокруг Солнца, удерживает галактики вместе и определяет структуру самой Вселенной. Мы также признаем, что гравитация является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом, слабым и сильным взаимодействиями.
Современная теория гравитации - общая теория относительности Эйнштейна - является одной из самых успешных теорий, которая у нас есть. В то же время, мы до сих пор не знаем многого о самой природе гравитации, в том числе о том, как она вписывается в другие фундаментальные силы. Ниже представлены шесть необычных фактов о гравитации, которые известны нам на сегодняшний день.
1. Гравитация - безусловно самая слабая сила, которую мы знаем.
Причем, гравитация только притягивает - нет никакой отрицательной силы притяжения, которая отталкивает тела. И хотя гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать галактики вместе, она настолько слаба, что вы спокойно преодолеваете ее каждый день. К примеру, если вы подняли книгу со стола - вы противодействует силе гравитации всей Земли.
Для сравнения, электрическая сила между электроном и протоном внутри атома примерно в один квинтиллион (то есть единица с 18 нулями после нее) в разы сильнее, чем гравитационное притяжение между ними. На самом деле, гравитация настолько слаба, что мы не можем измерить точно, насколько она слабая.
2. Зависит ли вес от гравитации?
Астронавты буквально «парят» внутри Международной космической станции, и иногда мы ошибочно говорим, что там отсутствует сила притяжения. Но это не правда. Сила притяжения астронавта составляет около 90 процентов от силы, которую они испытывают на Земле. Однако астронавты невесомы, поскольку вес - это сила, с которой тело действует на опору (или стул, или кровать, или что-то еще) препятствующую его свободному падению.
Проще всего это состояние иллюстрируется ситуацией, возникающей в падающем лифте. Пассажиры внутри лифта находятся в свободном падении точно так же, как и сам лифт. Поэтому они не давят на пол лифта и могут свободно парить внутри него вплоть до достижения дна шахты лифта. Запущенный на орбиту вокруг Земли космический аппарат постоянно находится в состоянии падения на нее, однако, падая на Землю, космический аппарат постоянно “промахивается” и, не достигая ее поверхности, движется по орбите вокруг нее.
3. Гравитация создает волны, которые движутся со скоростью света.
Общая теория относительности предсказывает гравитационные волны. Если возникает ситуация когда две звезды, или белых карлика, или черные дыры, оказываются заблокированными на взаимной орбите, они медленно сближаются, поскольку гравитационные волны уносят энергию. Фактически, Земля также испускает гравитационные волны, поскольку она вращается вокруг Солнца, но потеря энергии слишком мала, чтобы заметить.
Науке были известны косвенные доказательства наличия гравитационных волн, еще со времен предсказания о существовании гравитационных волн Эйнштейном, но только в 2016 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) подтвердила это явление. Детекторы обнаружили взрыв гравитационных волн, вызванный столкновением двух черных дыр, произошедшем на расстоянии более чем миллиард световых лет.
Одним из следствий относительности является то, что ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света в вакууме. Это касается и гравитации: например, если случится что-то с Солнцем, то гравитационный эффект достигнет нас в то же время, что и свет от произошедшего события.
4. Объяснение микроскопического поведения гравитации привело исследователей к петле.
Три другие фундаментальные силы природы описываются квантовыми теориями наименьшего масштаба, в частности, Стандартной моделью. Однако у нас до сих пор нет полностью работающей квантовой теории гравитации, хотя исследователи пытаются ее создать.
Одно из направлений исследований называется петлевой квантовой гравитацией, которая использует методы квантовой физики для описания структуры пространства-времени. Предполагается, что пространство и время подобны частицам в мельчайших масштабах, так же, как материя состоит из частиц. Материя будет ограничена скачком из одной точки в другую на гибкой сетчатой структуре. Это позволяет петлевой квантовой гравитации описывать влияние гравитации в масштабе, намного меньшем, чем ядро атома.
Более известным подходом является теория струн, где частицы, включая гравитоны, считаются колебаниями струн, которые свернуты в размеры, слишком малые для экспериментов. Ни петлевая квантовая гравитация, ни теория струн, ни какая-либо другая теория в настоящее время не могут предоставить данные о микроскопическом поведении гравитации которые можно было бы подтвердить экспериментально.
5. Гравитация может переноситься безмассовыми частицами, называемыми гравитонами.
В Стандартной модели частицы взаимодействуют друг с другом через другие частицы несущие взаимодействия. Например, фотон является носителем электромагнитного взаимодействия. Гипотетические частицы для квантовой гравитации - это гравитоны, и у исследователей есть некоторые представления о том, как они должны работать согласно общей теории относительности. Как и фотоны, гравитоны, вероятно являются безмассовыми частицами . Если бы у них была масса, мы могли бы заметить это во время экспериментов, но это не исключает идею о том что их масса ничтожно мала.
6. Квантовая гравитация проявляется в наименьших длинах, которые могут существовать.
Гравитация очень слабая сила, но чем ближе два объекта, тем сильнее она становится. В конечном счете, она достигает силы соразмерной другим фундаментальным силам, но только на очень маленьком расстоянии, известном как длина Планка, которая во много раз меньше, чем ядро атома.
Вот где эффекты квантовой гравитации будут достаточно сильными, чтобы их можно было измерить, но они слишком малы, чтобы их можно было исследовать в любом эксперименте. Некоторые исследователи предложили теории, которые позволили бы квантовой гравитации проявиться в масштабе, близком к миллиметровому, но до сих пор эти эффекты не были обнаружены экспериментально. Другие искали способы усиления эффектов квантовой гравитации, используя колебания в большом металлическом стержне или наборы атомов, хранящиеся при ультрахолодных температурах.
Кажется, что от самого маленького масштаба до самого большого гравитация продолжает привлекать внимание ученых. Возможно, в скором будущем ученым удастся найти ответы на вопросы о самой загадочной силе во Вселенной
