Притяжение или искривлённое пространство-время?
Из 4-х фундаментальных типов взаимодействий, известных в настоящее время, электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного, последнее является наименьшим по величине. В числовом выражении значение силы гравитации в триллионы раз меньше всех остальных. Поэтому так сложно обнаружить элементарную частицу гравитон и зарегистрировать гравитационные волны.
Согласно законам Ньютона гравитация – это сила, благодаря которой все объекты притягиваются друг к другу. Теория относительности Эйнштейна переосмысливает такое взаимодействие, как деформация пространства-времени. В искривленном пространстве-времени все объекты, включая Землю, звезды и галактики, свободно падают, вызывая ответную реакцию. Чем массивнее объект, тем сильнее деформация. Можно представить сетку с находящимися на ней шариками разной массы, которая будет прогибаться в зависимости от веса мячей.
В 1919 году британский астроном Артур Эддингтон сделал открытие, что свет также искривляется гравитационным полем. Было установлено, что изменение положения звезд, которые мы наблюдаем рядом с Солнцем или прямо за ним, происходит из-за того, что свет от них отклоняется под действием гравитации Солнца или искривления пространства-времени вокруг него. Это явление гравитационного линзирования, которое ярче всего проявляется в скоплениях галактик. Свет, исходящий от галактик, находящихся за крупными звездами, доходит до нас в деформированном виде и поэтому их форма будет также искажена, в виде окружности, например, или сильно вытянута.
Физика экстраординарных явлений
В поле сильной гравитации законы физики Ньютона не соблюдаются, так же, как и за чертой предельно минимального расстояния, определяемого длиной Планка, равной 1,616×10-35 м. Взаимодействие на таких микроскопических расстояниях возникает при условии сжатия огромной массы в экстремально небольшом пространстве. Черные дыры идеально вписываются в предложенные условия. Когда давление, создаваемое термоядерным синтезом массивной звезды, становится слабее силы гравитации, она сжимается, вплоть до достижения центра сингулярности. Гравитация при приближении к центру становится такой сильной, что свет не может выйти за границу точки не возврата или горизонта событий.
Благодаря наблюдениям за столкновением двух черных дыр во время их взаимного спиралевидного вращения впервые в 2015 году обсерваторией LIGO были зафиксированы гравитационные волны. Вместе с этим открытием возникли новые вопросы в отношении аномалий гравитации.
Гипотеза о гравитационном поле
Одной из существенных проблем современной космологии является расширение Вселенной со скоростью, гораздо выше предсказанной. Галактики разбегаются все быстрее вместо того, чтобы постепенно начать сближаться под действием притяжения. Природа темной энергии, которая предположительно влияет на данный процесс, неизвестна.
В 2012 году ученые Кембриджского университета де Рам и Толли предложили теорию, согласно которой все еще не обнаруженная частица гравитон должна не просто существовать, а быть массивной. Согласно их выводам, самый простой способ изменить значение силы с изменением расстояния – предположить, что элементарная частица, которая ее распространяет, обладает массой. Чем больше масса, тем тяжелее процесс распространения будет проходить на больших дистанциях. Таким образом, массивный гравитон объясняет экспоненциальное ослабление поля гравитации с увеличением расстояния и ускорение Вселенной без привлечения дополнительного компонента темной энергии.
Ученые считают, что хотя их теория имеет свои слабые стороны, на данный момент она наилучшим образом объясняет геометрию расширения Вселенной и другие противоречивые явления, связанные с силой гравитации. Открытие гравитона может произойти не в коллайдере, а путем космологических наблюдений и расчетов, так как этот метод все больше используется для исследования элементарных частиц.