Что такое гравитация

Что такое гравитация

Что такое гравитация? Даже не знаю, с какого определения начать, чтобы вам было более понятно. Гравитация описывает взаимодействие между всеми телами. Это искривление пространства, благодаря которому объекты с меньшей массой притягиваются к более большим.

Представьте натянутое в воздухе полотно, скатерть, что угодно. Его держат за четыре угла параллельно земле, поэтому оно кажется вполне ровным. Что будет, если бросить на это полотно яблоко? Правильно, оно деформирует ткань, образуя искривление. Так вот, если полотно – это пространство, а яблоко, скажем, - Земля, то не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы понять, что тяжелое по меркам ткани яблоко легко искривляет ее, когда попадает внутрь. Гравитация работает так же, но это еще не все.

Давайте добавим к нашему яблоку грецкий орех. Просто бросаем его на полотно в любую точку. Что произойдет дальше? Он, естественно, скатится к яблоку, так как его масса намного больше. Представьте, что орех – это наша Луна. По той же самой причине она вертится вокруг Земли. Под действием гравитации более легкие объекты как бы «скатываются» в пространстве к более тяжелым. Если мы бросим на полотно не орех, а скажем, небольшой арбуз, то все будет в точности наоборот – яблоко притянется к нему, как Земля к Солнцу.

Именно сила тяготения не дает планетам солнечной системы и всех других разлететься по космосу, «закрепляя» их около близлежащих звезд. Она же позволяет нам ходить по земле и не улетать в небо при сильном прыжке. Однако, чем мы дальше от массивного объекта, тем гравитация слабее. Так объясняется невесомость в МКС на орбите нашей планеты.

Всем вам наверняка известно про Ньютона и его рассуждениях насчет гравитации. Он считал ее одним и тем же с силой тяжести. Но это не так. Гравитация, как вы помните из начала этой статьи, описывает прямое взаимодействие между всеми телами во Вселенной. Ньютон в свое время еще не знал о существовании гравитационных полей. Гравитация определяется Законом всемирного тяготения и в земных условиях гравитационное поле носит условный характер, который нужен лишь в вычислениях.

Гравитация от Эйнштейна

Задолго до Ньютона и Эйнштейна о гравитации говорил еще Аристотель. Он выдвинул теорию о том, что скорость падения объекта напрямую зависит от его массы. Но о том, что ускорение свободного падения одинаково для всех, он не знал. Об этом догадался только Галилей.

Далее в Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн более подробно описал гравитацию, связав ее с пространством-временем. Да-да, так как они неразрывны, гравитация искривляет не только материю, но и время. Из-за этого время в космосе идет медленнее.

Гравитация от Эйнштейна
Гравитация от Эйнштейна

Вы помните, что орехи скатываются к яблокам и все такое, но в таком случае, почему Луна до сих пор не рухнула на Землю? Потому что сила гравитационного взаимодействия крайне слаба, но действует на абсолютно любые расстояния. Она даже имеет четкую формулу для расчета: Fg=G(m1m2/r2) – то есть это зависимость масс двух объектов от квадрата расстояния между ними, умноженная на гравитационную постоянную. Эту формулу учат в школьном курсе физики, если что. Из этого следует, что чем больше масса тела, тем большее гравитационное поле оно может создать.

В таком случае, многие могут спросить: «почему Луна не падает на Землю под действием гравитации?». Взгляните на формулу – что такое G? Это гравитационная постоянная, равная 6,67408×10-11 м3кг-1с-2. Даже если все здесь кажется вам лютейшим бредом, то 10-11 более наглядно выглядит так: 0,00000000001. Вы отдаете себе отчет в том, на сколько это мало? Ровно настолько, что даже Луна не падает на Землю, не говоря уже о том, что вы не можете притягивать к себе мелкие предметы силой гравитационного взаимодействия, которым, кстати, тоже обладаете.

Все объекты во Вселенной так или иначе подвержены гравитации. Именно Эйнштейн заговорил об «искривлении» пространства. Он считал, что подобное взаимодействие не результат влияния сил, а изменений в самом пространственно-временном континууме. Как это происходит? Из-за массы и энергии. Думаю, многие из вас уже поняли, к чему я веду. ОТО гласит о том, что масса и энергия едины, и именно из-за их взаимодействия искривляется пространство-время. Все вы хоть раз в жизни слышали об этой формуле: E=mc2 – она объясняет, как, но не говорит почему. Гравитация – очень обширное понятие. Она отвечает и за земное притяжение нас с вами и за расширение самой Вселенной. Поэтому описать все это каким-то единым законом до сих пор ни у кого не получилось.

Гравитационные волны

На этом можно было бы и закончить, но говорю же, понятие очень обширное, поэтому заварите кофейку, мне еще есть, что вам рассказать. Гравитационные волны излучаются массой, а после существуют сами по себе. Это определенные изменения гравитационного поля.

Чтобы представить, что это такое, достаточно представить, что водная гладь – это пространство-время, а камень – это, допустим, Земля. Бросьте камень на воду – от него пойдет рябь ровными кругами во все стороны. Поместите Землю в космос, она начнет излучать гравитационные волны. Надеюсь, понятно.

Их обнаружили относительно недавно – в 2015 году – благодаря изучению слияния двух черных дыр, из которых образовалась одна более массивная. В этом процессе и «заметили» исходящие от них гравитационные волны.

Гравитационные волны
Черные дыры как гравитационные волны

Гравитон

Если вы еще не устали от потока информации, двигаемся дальше. Мы уже выяснили, что гравитационное взаимодействие определенно есть. Тогда оно должно переноситься какой-либо частицей, логично ведь? Главным кандидатом на эту роль является гравитон – гипотетическая частица, существование которой до сих пор не доказано. Она еще даже официально не существует, а уже породила множество споров в научном сообществе. Некоторые говорят о том, что черные дыры тоже должны излучали бы гравитоны, если бы те существовали, а это противоречит ОТО.

Были предприняты неоднократные попытки расширить стандартную модель, но все они разбились о высоченные энергии. В решении этой задачи могут помочь теории квантовой гравитации, об одной из которых я уже рассказывал. Они говорят о том, гравитоны – одно из состояний струн, а не точечные частицы. Как оно есть на самом деле, никто пока сказать не может, так как никто до сих пор не обнаружил те самые гравитоны из-за их чрезвычайно низкого гравитационного влияния.

Квантовая гравитация

Как вы понимаете, в попытках объяснить принцип действия гравитации одним законом для всей Вселенной, все ученые потерпели фиаско. Поэтому некоторые решили зайти еще дальше и попытаться разгадать эту загадку на квантовом уровне. Спойлер: у них тоже не вышло.

Но теории квантовой гравитации достаточно интересны. Точнее были интересны ровно до тех пор, пока мир не увидел первую настоящую фотографию сверхмассивной черной дыры, которая очень сильно подорвала всю концепцию данных предположений, и в очередной раз подтвердила, что ОТО так-то больше права.

К самым популярным и интересным в данной области относятся теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, о которых у меня уже есть две статьи, поэтому здесь на них заострять внимание мы не будем.

Квантовая гравитация
Квантовая гравитация

Сильные гравитационные поля

Так почему же ОТО все-таки более права? Потому что в сильных гравитационных полях возникают следующие эффекты, ее подтверждающие:

  • Закон всемирного тяготения сильно разнится с предположениями Ньютона, который о гравитационных полях не знал.
  • Видны гравитационные волны.
  • Появляются эффекты нелинейности.
  • Значительные изменения пространства-времени (нет, вы все еще их не увидите).
  • Зарождаются черные дыры и сингулярности.

И вот как раз недавнее изображение черной дыры добавило еще одно очко в пользу Общей теории относительности Эйнштейна.

Гравитационный коллапс

Гравитационным коллапсом может закончится жизнь очень массивной звезды. В ней больше нет топлива, из-за чего термоядерный процесс прекращается, устойчивость нарушается и происходит стремительное сжатие. Если внутреннее давление звезды справится с этим сжатием, небесное светило продолжит свое существование в качестве нейтронной звезды или вспыхнет как сверхновая.

Если же масса звезды окажется больше предела Оппенгеймера-Волкова, то после гравитационного коллапса она превратится в черную дыру. Если вы хотите знать точные цифры этого предела, то их пока не выяснили. Просто знайте, что это должно быть много… очень… неимоверно.