5 фактов о гравитации — одной из самых загадочных сил во Вселенной

Как ваш вес меняется в разных странах, какие волны распространяют чёрные дыры и что такое невесомость.

Статью можно послушать. Если вам так удобнее, включайте подкаст.

1. Гравитация Земли слабее, чем ваш магнит на холодильнике

Изображение: Cong Wang / Unsplash

В мире есть четыре так называемые фундаментальные силы: сильная ядерная, которая обеспечивает стабильность атомных ядер, слабая ядерная, ответственная за радиоактивный распад, электромагнитная сила и наша любимая гравитация. Именно последняя удерживает Землю, другие планеты и звёзды, солнечные системы и галактики от распада.

Так вот, гравитация — самая слабая фундаментальная сила из всех. И учёные никак не возьмут в толк почему.

Вы можете сказать: но ведь гравитация обеспечивает движение звёзд, галактик и других огромных объектов, как она может быть слабой? Ну, повесьте на холодильник магнитик. А теперь ответьте на вопрос, почему крошечный холодильник притягивает его сильнее, чем вся планета.

А слабые и сильные атомные силы ещё мощнее, чем электромагнитные. Магнит вы, по крайней мере, можете без посторонней помощи с холодильника снять, а вот расщеплять атомы голыми руками люди пока ещё не научились. Для сравнения: электрическая сила между электроном и протоном внутри атома примерно в один квинтиллион (это единица с 30 нулями) раз сильнее, чем гравитационное притяжение между ними.

И это является одной из главных загадок физики. У учёных есть предположение, что Вселенная может иметь дополнительные измерения, скрытые от нашего восприятия. И гравитация распространяется во всех них, в то время как электромагнитные силы, а также сильная и слабая ядерные силы ограничены нашим четырёхмерным пространством‑временем.

Возможно даже, наша гравитация влияет на объекты в других вселенных, если они существуют. А на наши объекты, в свою очередь, воздействует их притяжение. Это могло бы объяснить, почему наша Вселенная расширяется быстрее, чем следовало бы из расчётов. По крайней мере, такую теорию предлагают физики, которым не нравится теория тёмной материи и энергии.

Но несмотря на все предположения, сейчас не существует экспериментальных доказательств, подтверждающих или опровергающих это.

2. Гравитация создаёт волны

Анимация: Dana Berry / NASA

Представьте себе, что пространство‑время — это натянутая ткань. Ну или поверхность пруда, если вам так больше нравится. При движении массивных объектов вроде чёрных дыр или при слиянии нейтронных звёзд получаются искривления в пространстве‑времени — будто складки на ткани. Или словно волны, расходящиеся от места падения камня в пруд. Вот примерно так и выглядят гравитационные волны.

Аналогии, конечно, немного натянутые, потому что и ткань, и поверхность пруда плоские, а Вселенная трёхмерная, но примеров получше учёные пока не придумали.

Гравитационные волны отличаются от звуковых или световых, поэтому мы не можем услышать или увидеть их. Однако с помощью специальных приборов, называемых лазерными интерферометрами, учёные могут их обнаруживать. Это позволяет исследовать далёкие массивные объекты и изучать космические явления, происходящие в самых отдалённых уголках Вселенной.

Существование гравитационных волн предсказал ещё Альберт Эйнштейн сотню лет назад.

Но только недавно человечество разработало и применило инструменты для их обнаружения. Один из них — лазерно‑интерферометрическая обсерватория LIGO. Именно она впервые в 2015 году зафиксировала гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Они проходят через все преграды, включая пустоту, и не подвержены поглощению или отражению. А ещё распространяются по Вселенной со скоростью света.

3. Гравитация на Земле неоднородная

Анимация: ESA

Вы наверняка уже видели эту анимацию. По Сети гуляет миф, якобы именно так выглядит наша планета без океанов. Но на самом деле это модель не самой Земли, а её гравитационного поля.

Видите ли, притяжение сильнее там, где сосредоточена большая масса. И поле гравитации на Земле неоднородно по нескольким причинам. Во‑первых, наша планета не является идеальным шаром. Она немного сплюснута у полюсов и расширена у экватора, что приводит к неравномерному распределению массы.

Во‑вторых, поверхность Земли очень неровная. У нас есть высокие горы, глубокие океанские впадины и другие ландшафтные формы, которые имеют разную массу. И в‑третьих, внутри планеты материалы также распределены неравномерно. Все эти факторы приводят к тому, что гравитация на Земле варьируется от места к месту.

Это значит, что в разных местах нашей планеты вы будете весить по‑разному.

Скажем, если вы находитесь в Коломбо в Шри‑Ланке, то ваш вес будет чуть меньше, чем если бы вы были в Катманду в Непале. Индийский океан является одним из регионов с самой низкой относительной гравитацией в мире, в то время как тяжёлые Гималаи, напротив, увеличивают её.

Другой пример: долгое время учёные не понимали, почему в регионе вокруг Гудзонова залива в Канаде гравитация слабее, чем должна быть в теории. Оказалось, что там тают вековые ледники, масса их уменьшается, а следовательно, и сила притяжения снижается.

Поэтому, если вас не устраивает цифра на весах, просто смените место жительства, и килограмм‑другой сразу сбросите. Правда, масса останется той же, но вес‑то уменьшится. Физика.

4. Гравитация искривляет свет

Изображение: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons

Несложно заметить, как гравитация влияет на физические объекты. Благодаря ей мы твёрдо стоим на Земле, а не улетаем в космос, яблоки падают сверху вниз, Солнце нарезает круги вокруг ядра галактики и так далее.

Но эта сила влияет не только на материю, но и на свет. Именно поэтому чёрные дыры так называются: у них тяготение настолько мощное, что весь притягиваемый ими свет не может покинуть гравитационного поля.

Но иногда фотоны не падают на массивный объект, а просто пролетают мимо, лишь слегка поменяв траекторию.

Это явление известно как гравитационное линзирование. Оно происходит из‑за того, что гравитация искажает пространство и время вокруг массивных объектов вроде звёзд и галактик. И в итоге свет, проходящий мимо этих массивных объектов, следует по изогнутому пути, а не по прямой линии.

Гравитационное линзирование было впервые предсказано Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности. Он предположил, что свет от далёкого объекта будет искривляться, проходя мимо близкой к нам массивной звезды. Его теория была экспериментально подтверждена во время солнечного затмения в 1919 году.

Гравитационное линзирование может привести к созданию впечатляющих эффектов, таких как «кольца Эйнштейна» или «крест Эйнштейна» — когда свет от далёкой галактики искривляется вокруг более близкой, создавая кольца, подковы и прочие световые фигуры.

Это явление также используется астрономами для изучения тёмной материи. Поскольку она не излучает свет, её невозможно наблюдать напрямую. Но мы можем обнаружить её присутствие через эффекты гравитационного линзирования.

5. Невесомость — это не отсутствие гравитации

Изображение: Niketh Vellanki / NASA / Unsplash

Если вы спросите первого попавшегося человека, почему на МКС астронавты плавают в воздухе, он, скорее всего, ответит, что в космосе нет гравитации. Это, разумеется, не так, иначе как бы Солнце могло удерживать планеты на своих орбитах?

Вот почему это утверждение неверно. Представьте себе, что вы находитесь в самолёте и он внезапно начинает пикировать. Если вы подбросите в этот момент мячик, он, конечно, будет падать. Но так как самолёт тоже летит вниз, вам будет казаться, что игрушка парит в воздухе. Это и есть состояние невесомости. Кстати, астронавты перед полётами в космос адаптируются к нему в пикирующих самолётах.

Борта для таких тренировок сотрудники NASA иронично называют Vomit Comet — «рвотная комета». Сами догадайтесь почему.

То же самое происходит с астронавтами на орбите. Космический корабль или станция постоянно стремятся к Земле из‑за гравитации. Но так как они движутся вперёд достаточно быстро, то никогда не падают, а на каждом витке пролетают вокруг планеты. Это создаёт иллюзию отсутствия притяжения, хотя правильнее такое состояние называть «микрогравитацией».

На самом деле всё пространство пронизано гравитацией, и не существует места в космосе, где бы её не было. Учёные полагают, что, хотя скорость её распространения ограничена скоростью света, а её сила быстро уменьшается по мере удаления от источника, сам диапазон действия бесконечен.

То есть на вас сейчас вполне себе действуют гравитационные волны от какой‑нибудь чёрной дыры, которым требуется десятки тысяч лет, чтобы долететь до Земли. Просто их сила в сравнении с гравитацией нашей планеты очень мала. И это хорошо, знаете ли.

Читайте также 🧐 «Мы ещё играем в песочнице»: интервью с астрофизиком Александром Перхняком Астроном Владимир Сурдин: 6 космических чудес, которые поражают воображение Астрофизик Борис Штерн: 3 самых удивительных знания о Вселенной, которые мы получили в XXI веке
Источник