Уже в античности философы пытались понять, почему объекты падают на Землю. Первым, чьи размышления упоминаются, был Аристотель и он считал, что вещи «стремятся» к своему естественному месту. Дальше был Авиценна и Фома Аквинский, но это всё ещё было философское рассуждение, а не физика.
Начало научного подхода вроде как заложил Галилео Галилей, а первое математическое объяснение дал Исаак Ньютон, который формулирует закон всемирного тяготения. Это был первый раз, когда сила притяжения была описана математически и универсально и Ньютон стал «отцом современной гравитации». Мы до сих пор используем его знаменитую формулу.
В XX веке Альберт Эйнштейн предлагает теорию относительности, объяснив гравитацию как искривление пространства-времени, а не просто силу между телами. При этом поплыла и математика Ньютона. Нет, она не была неправильной. Просто при некоторых масштабах вопроса Ньютон без Эйнштейн довольно прилично пакостил. И вот тут интересно узнать, а где вообще проходит эта граница?
Что же, если бы инженеры полагались на законы гравитации Исаака Ньютона, GPS вашего смартфона за один день сбил бы вас с курса на несколько километров.
Вселенная Ньютона, хотя и невероятно полезна для повседневной инженерной работы, в конечном итоге является лишь приближением к гораздо более странной реальности. На протяжении веков ньютоновская гравитация была бесспорным законом космоса. Она рассматривала гравитацию как невидимую, мгновенную привязь, притягивающую две массы друг к другу. Чем тяжелее объекты и чем ближе они находятся, тем сильнее притяжение. Эта модель прекрасно работает для того, чтобы уронить яблоко или рассчитать траекторию бейсбольного мяча.
Однако она не объясняет реальную механику взаимодействия.
Теория общей относительности Альберта Эйнштейна коренным образом изменила понимание физики, полностью отбросив концепцию притягивающей силы. Вместо этого общая теория относительности постулирует, что масса и энергия искривляют саму ткань пространства и времени. Представьте, что вы кладёте тяжёлый шар для боулинга в центр батута и полотно прогибается. Если человек катит шарик по полотну, он изгибается в сторону шара не потому, что шар его притягивает, а потому, что сама поверхность искривлена. В этой модели планеты, вращающиеся вокруг звезды, просто движутся по прямым линиям в искривлённом пространстве-времени. И да, это не совсем так и не совсем правильно вами представляется, но сейчас таких знаний достаточно.
Этот концептуальный сдвиг делает общую теорию относительности гораздо более точной. Хотя разница незаметна при расчете скорости падающего камня на Земле, ее невозможно игнорировать в ряде экстремальных сценариев. Они во многом стали христаматийными и хорошо показывают масштабы.
- Орбита Меркурия
Поскольку Меркурий находится очень близко к огромной массе Солнца, он движется в сильно искривленном пространстве-времени. К концу XIX века астрономы заметили, что орбитальная траектория Меркурия медленно смещается таким образом, который не мог быть объяснен уравнениями Ньютона. Общая теория относительности идеально предсказала это дополнительное колебание.
- Замедление времени и GPS
Гравитация влияет на течение времени. Время течет немного быстрее для объектов, находящихся в более слабых гравитационных полях. Поскольку спутники GPS вращаются высоко над Землей, их бортовые атомные часы тикают быстрее, чем часы на Земле. Если бы инженеры не применили уравнения общей теории относительности для исправления этого несоответствия, глобальные системы позиционирования потеряли бы свою высокую точность за считанные минуты.
- Черные дыры и гравитационные волны
В присутствии мертвых или коллапсирующих звезд ньютоновская физика полностью нарушается. Общая теория относительности правильно предсказывает, что если в достаточно малом пространстве сосредоточено достаточное количество массы, искривление пространства-времени становится настолько крутым, что даже свет не может вырваться наружу, образуя черную дыру. Она также точно предсказывает, что масштабные космические столкновения, такие как слияние нейтронных звезд, порождают волны искривленного пространства-времени, известные как гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной.
Так что математика Ньютона остается блестящим инструментом для описания сред с низкой гравитацией и медленным движением.
Но всякий раз, когда речь идет об экстремальных массах, высоких скоростях или космических расстояниях, Вселенная требует точности общей теории относительности.
В повседневной жизни мы почти всегда ощущаем гравитацию так, как её описывает Ньютон. Разница с теорией Эйнштейна настолько мала, что её невозможно заметить без сверхточных приборов, но она есть.
Мы уже вспомнили про GPS, но есть и кое-какие прочие приборы, которые незаметно участвуют в нашей жизни. Одним из таких приборов являются сверхточные атомные часы. Они используются в лабораториях, на метеостанциях, в навигационных системах и даже в некоторых смартфонах для синхронизации времени через интернет. Эти часы фиксируют миллисекундные различия в течении времени на разных высотах. Чтобы часы оставались точными и показывали одинаковое время в разных точках, инженеры корректируют показания с учётом гравитационного замедления времени, как предсказывает Эйнштейн, а сравнение происходит с теми самыми часами.
Другой пример - современные навигационные и телекоммуникационные спутники. Даже если мы говорим не про GPS, а про спутники для интернета или телевидения, их системы синхронизации сигналов тоже используют поправки общей и специальной теории относительности. Без этих корректировок сигналы от спутников приходили бы с заметными ошибками, и связь становилась бы менее точной, особенно в сетях с миллисекундной синхронизацией.
Это не меняет жизни обычного человека, но показывает, что теория Эйнштейна действует везде, даже в самых привычных бытовых условиях.
Telegram-канал проекта / Канал проекта в IMO
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.