Антигравитация — научная фантастика или реальность?
Вы когда-нибудь мечтали парить в воздухе, как герои фантастических фильмов? Мы задали ваш вопрос о создании антигравитации ученому. Его ответ разрушает все наши привычные представления о левитации.
Вопрос от читателя: Как создать антигравитацию?
Отвечает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований Игорь Петров:
«Спасибо за вопрос! Он сразу переносит нас из области строгой науки в мир смелых гипотез и научной фантастики. Если говорить коротко, то создать антигравитацию по канонам современной физики невозможно.
Позвольте объяснить, почему. Мы с вами интуитивно представляем гравитацию как силу притяжения, но, согласно Общей теории относительности Эйнштейна, это не совсем так. Гравитация — это не сила, а проявление геометрии пространства-времени.
Представьте себе натянутое резиновое полотно. Массивный объект, такой как Солнце, создает в нем воронку. Земля движется по орбите не потому, что ее тянет невидимая сила, а потому, что она просто катится по искривленной поверхности этой воронки. Так вот, чтобы создать "антигравитацию", нам потребовалось бы не "оттолкнуть" объект, а заставить пространство-время искривиться в обратную сторону — создать "холм", а не "яму".
Для этого, согласно уравнениям Эйнштейна, нам потребовалась бы материя с отрицательной плотностью энергии или, проще говоря, отрицательной массой. А такой материи в нашем мире мы пока не наблюдали. Ее свойства были бы парадоксальны: если бы вы толкнули ее, она бы двигалась навстречу вам, что нарушало бы фундаментальные законы сохранения.
Так чем же является то, что мы часто принимаем за антигравитацию?
Это просто искусная имитация с помощью других сил:
- Магнитная левитация: Мощные магниты отталкивают проводящие материалы, заставляя поезд парить над рельсом. Это не отмена гравитации, а ее преодоление электромагнитной силой.
- Аэродинамика: Самолет держится в воздухе благодаря подъемной силе крыла, которая противодействует весу.
- Невесомость на МКС: Космонавты не плавают потому, что гравитация "отключилась" — на высоте МКС она всего на 10% слабее. Они находятся в состоянии постоянного свободного падения, и это ощущение невесомости — лучшая иллюстрация того, что гравитация есть, а вот веса нет.
Так что, увы, создание антигравитационного устройства — это пока удел писателей-фантастов. Однако изучение гравитации продолжается, и кто знает, какие сюрпризы приготовила для нас квантовая теория гравитации, над которой бьются лучшие умы человечества. Пока же мы можем лишь восхищаться элегантностью Вселенной, где для полета нужно не отменить гравитацию, а просто научиться падать и промахиваться мимо Земли.»
Почему гравитация искривляет пространство? В чем причина явления.
Введение: Выше мы выяснили, что антигравитация невозможна, потому что гравитация — это не сила, а искривление пространства и времени. Но тут же возникает новый, еще более загадочный вопрос: а почему оно вообще искривляется? Спросим об этом у нашего эксперта.
Вопрос от читателя: Но почему возникает гравитация? Почему она искривляет пространство?
«Вот мы и подобрались к самому фундаменту современной физики. Ваш вопрос можно разбить на две части: «как» это работает и «почему» это так. На первый вопрос у науки есть очень точный и проверенный ответ. На второй — ответа пока нет, и его поиск является великой целью теоретической физики.
Давайте начнем с «как».
Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, гравитация — это и есть искривление пространства-времени. Масса и энергия объекта — любая энергия, будь то энергия покоя вашего тела или энергия света, — заставляют ткань пространства-времени искривляться. Можно представить это так: любое содержание Вселенной создает на ней «прогиб».
А что такое «движение под действием гравитации»? Это всего лишь движение объекта по кратчайшему пути в этом искривленном пространстве-времени. Земля вращается вокруг Солнца не потому, что оно ее «тянет», а потому, что она «катится» по геодезической линии — дну той самой «воронки», которую Солнце создает в пространстве-времени.
Теперь к самой сути — «почему».
Здесь мы сталкиваемся с границей нашего знания. Мы не знаем, почему масса и энергия искривляют пространство-время. В рамках Общей теории относительности это постулат — фундаментальное свойство нашей Вселенной, которое мы принимаем как данность, потому что все экспериментальные данные блестяще его подтверждают.
Можно сказать так: мы выяснили, что пространство-время ведет себя не как жесткий кристалл, а как гибкая материя, и его геометрия динамически связана с тем, что в нем находится. Но почему законы нашей Вселенной устроены именно так — это загадка.
Сейчас лучшие умы мира работают над созданием теории квантовой гравитации, которая должна объединить описание макромира (ОТО) с описанием микромира (квантовой механикой). Возможно, в рамках такой теории гравитация перестанет быть первичным понятием и возникнет как следствие чего-то более фундаментального — например, из взаимодействия квантовых полей или вибраций невообразимо малых струн.
Так что ваш вопрос «почему» — это и есть тот самый вопрос, ради которого физики приходят на работу. Мы описали механизм Вселенной, но пока не понимаем, кто Часовщик, который его завел.»
Масса и энергия — две стороны одной медали, искривляющей пространство
Введение: Мы уже поняли, что гравитация — это искривление пространства-времени, которое создают масса и энергия. Но что именно мы подразумеваем под этими понятиями? Наш читатель задал интересный вопрос, который заставляет по-новому взглянуть на знаменитую формулу Эйнштейна.
Вопрос от читателя: Получается, масса — это то, с какой силой объект искривляет пространство? А что тогда такое энергия?
«Вы невероятно точно уловили самую суть! Вашу мысль можно переформулировать так: именно содержимое и состояние Вселенной диктуют ей, как искривляться. Давайте внесем ясность.
Масса — не единственный «скульптор» пространства-времени.
Ваше предположение очень близко к истине, но требует важного уточнения. Искривление создается не просто массой, а более общей и сложной величиной — тензором энергии-импульса. Это математический объект, который включает в себя «отчет» о всей энергии системы:
- Энергия покоя (E = mc²): Та самая энергия, что «заперта» в массе. Это самый мощный вкладчик.
- Кинетическая энергия: Энергия движения. Быстро летящий proton искривляет пространство-времени сильнее, чем неподвижный.
- Энергия полей: Энергия электромагнитного поля, свет.
- Давление и напряжение: Например, чудовищное давление в центре звезды тоже вносит свой вклад в гравитацию.
Так что, если на одной чаше весов будет холодный железный шар, а на другой — раскаленный добела шар той же массы, то горячий шар будет искривлять пространство-время чуть сильнее, потому что у него больше тепловой энергии.
Так что же такое энергия?
На этот вопрос нет простого определения «через что-то более простое». Энергия — это фундаментальное свойство нашей Вселенной, мера способности вызывать изменения и производить работу.
Лучше всего думать об энергии как о универсальной «валюте» Вселенной. Она существует в разных «валютах»:
- «Наличные» — масса (самая концентрированная форма).
- «Транзит» — движение (кинетическая энергия).
- «Потенциальный капитал» — положение в поле.
- «Электронные средства» — излучение.
И главное правило Вселенной — закон сохранения энергии: эту «валюту» нельзя создать или уничтожить, можно только перевести из одной формы в другую. Знаменитая формула Эйнштейна E = mc² — это и есть курс обмена между «наличными» (массой) и всей остальной «валютой» (энергией).
Так что, возвращаясь к вашему вопросу, правильнее сказать: масса — это одна из форм энергии, и именно полная энергия системы определяет, как она будет искривлять пространство-время.»
Что такое пространство и как оно может искривляться?
Введение: Мы подошли к самому сложному вопросу. Если гравитация — это искривление пространства-времени, то что это вообще такое? Как нечто неосязаемое может "искривляться"? Спросим у эксперта.
Вопрос от читателя: Что такое пространство и как оно искривляется?
«Вы задаёте вопрос, который лежит в основе научной революции, совершённой Эйнштейном. На бытовом уровне мы воспринимаем пространство как пустую "сцену", где разворачиваются события, а время — как универсальные часы. Но это глубокое заблуждение.
Пространство-время — это не сцена, а актёр
Согласно Общей теории относительности, пространство и время неразрывно связаны в четырёхмерный континуум — единую "ткань" Вселенной. И эта ткань обладает физическими свойствами: она может растягиваться, сжиматься и искривляться под влиянием материи и энергии.
Как представить себе искривление?
Проще всего это сделать через двумерную аналогию. Представьте натянутую резиновую плёнку — это наша модель пространства. Если положить на неё тяжёлый шар:
- Плёнка прогибается, образуя воронку
- Это и есть искривление пространства
- Шарик, пущенный мимо, покатится по искривлённой поверхности
Но в реальности речь идёт о четырёхмерном искривлении, которое включает в себя не только геометрию, но и ход времени.
Самый поразительный эффект — искривление времени
Чем сильнее гравитация, тем медленнее течёт время. Это не фантастика, а измеряемый факт:
- Навигационные спутники GPS имеют специальные поправки, потому что их часы идут быстрее, чем на Земле
- Если бы мы могли поставить часы у поверхности нейтронной звезды, они бы отставали бы на годы за несколько земных лет
Так как же мы "чувствуем" гравитацию?
Когда вы стоите на Земле, пространство-время вокруг искривлено. Ваше естественное движение направлено к центру Земли. Но пол не даёт вам продолжить это движение, "подталкивая" вас вверх. Ощущение собственного веса — это и есть ощущение того, что Земля постоянно мешает вам свободно "падать" по искривлённому пространству-времени.
Таким образом, гравитация — это не сила, притягивающая нас к Земле, а проявление геометрии Вселенной, где мы просто движемся по кратчайшим путям в искривлённом пространстве-времени.»
Масса и вес — в чём фундаментальная разница?
Введение: В наших обсуждениях гравитации мы постоянно упоминаем массу. Но наш читатель обратил внимание на кажущееся противоречие: почему масса одного и того же предмета будто бы разная на Земле и в космосе? Давайте разберёмся в этом фундаментальном вопросе.
Вопрос от читателя: Но масса на Земле и в космосе одного и того же предмета разная. Значит, масса зависит от более массивного объекта?
«Вы подняли очень важный вопрос, который вызывает путаницу у многих людей. Позвольте внести полную ясность: масса объекта абсолютно неизменна, а то, что меняется — это его вес. Это два принципиально разных понятия!
Масса — мера количества вещества
- Это внутреннее свойство объекта, которое определяет его инертность
- Не зависит от местоположения во Вселенной
- Кирпич массой 1 кг на Земле, на Луне и в глубоком космосе сохраняет массу 1 кг
- Измеряется в килограммах (кг)
Вес — сила притяжения
- Это сила, с которой тело давит на опору из-за гравитации
- Прямо зависит от гравитационного поля
- Рассчитывается по формуле: Вес = Масса × Ускорение свободного падения (g)
- Измеряется в ньютонах (Н)
Почему возникает путаница?
В быту мы используем весы, которые измеряют именно вес — силу давления на платформу. Но шкала этих весов проградуирована в килограммах, поскольку все мы живём в условиях земной гравитации.
На Луне, где гравитация в 6 раз слабее, те же самые весы показали бы для вашего тела в 6 раз меньшую «массу», хотя на самом деле ваша масса не изменилась — просто сила давления на весы уменьшилась.
А как же невесомость?
На МКС космонавты имеют такую же массу, как и на Земле. Но они находятся в состоянии постоянного свободного падения, их ускорение равно ускорению корабля. Поэтому в системе отсчёта корабля их вес равен нулю — это состояние мы называем невесомостью.
Так при чём тут более массивный объект?
Вы правы в том, что связь есть — но она касается веса, а не массы! Более массивная планета создаёт более сильное гравитационное поле. Поэтому на Юпитере ваш вес был бы огромным, а на астероиде — крошечным. Но ваша масса осталась бы прежней.
Таким образом, масса — это фундаментальная характеристика объекта, а вес — всего лишь проявление гравитационного взаимодействия.»
Почему астрономы измеряют вес небесных тел в килограммах?
Введение: После нашего предыдущего разговора о массе и весе у читателей возник закономерный вопрос: почему в астрономии массу планет и звёзд указывают в килограммах? Не противоречит ли это тому, что мы только что узнали? Разбираемся вместе с экспертом.
Вопрос от читателя: А почему вес измеряют в килограммах, например, планет, звёзд?
«Прекрасный вопрос, который вскрывает интересное противоречие между научной терминологией и бытовым языком. Давайте сразу расставим все точки над i: астрономы измеряют не вес, а массу небесных тел, и делают это совершенно корректно.
Почему для небесных тел говорят именно о массе?
У планет и звёзд нет опоры, на которую они могли бы давить, нет подвеса, который они могли бы растягивать. Поэтому понятие «веса» для изолированного небесного тела физически бессмысленно. Когда мы говорим «масса Земли — 5,97 × 10²⁴ килограммов», мы имеем в виду именно массу — фундаментальную характеристику, определяющую гравитационное влияние и инерционные свойства.
Откуда тогда путаница в быту?
В повседневной жизни мы совершаем терминологическую ошибку, говоря «мой вес — 70 килограммов». Технически правильно было бы сказать «моя масса — 70 килограммов», а «мой вес — примерно 700 ньютонов». Но так уж исторически сложилось, что весы, измеряющие силу (вес), калибруют в единицах массы для удобства.
Как учёные определяют массу небесных тел?
Для этого используются точные физические законы:
- Для планет — по их гравитационному влиянию на спутники или соседние тела
- Для двойных звёзд — по параметрам их орбитального движения
- Для одиночных звёзд — по их светимости и другим характеристикам
Специальные астрономические единицы
Чтобы избежать гигантских чисел, астрономы используют удобные эталоны:
- Солнечная масса (M☉) ≈ 1,99 × 10³⁰ кг
- Масса Юпитера (M♃) ≈ 1,9 × 10²⁷ кг
- Масса Земли (M⊕) ≈ 5,97 × 10²⁴ кг
Когда астроном говорит «масса этой экзопланеты — 3 земных», это точное и корректное выражение.
Так где же правда?
Подытожу:
- В науке «кг» всегда означает массу, и это правильно
- В быту «кг» для веса — устоявшаяся, но физически неточная практика
- Небесные тела имеют массу, но не имеют веса в привычном понимании
Таким образом, использование килограммов для характеристики планет и звёзд — это не ошибка, а следствие научной строгости, в отличие от нашей повседневной речи, где мы миримся с терминологической неточностью ради удобства.»
Продолжение следует...