Гравітація - наймогутніша сила у Всесвіті, одна з чотирьох фундаментальних основ світобудови, яка визначає його структуру. Колись завдяки їй виникли планети, зірки і цілі галактики. Сьогодні вона утримує на орбіті Землю в її нескінченному подорожі навколо Сонця.
Тяжіння має величезне значення і для повсякденного життя людини. Завдяки цій невидимій силі пульсують океани нашого світу, течуть річки, краплі дощу падають на землю. Ми з дитинства відчуваємо вагу свого тіла і навколишніх предметів. Величезна вплив гравітації і на нашу господарську діяльність.
Перша теорія гравітації була створена Ісааком Ньютоном в кінці XVII століття. Його Закон всесвітнього тяжіння описує дане взаємодії в рамках класичної механіки. Більш широко цей феномен був викладений Ейнштейном в його загальної теорії відносності, що побачила світ на початку минулого століття. Процеси, що відбуваються з силою тяжіння на рівні елементарних частинок, повинна пояснити квантова теорія гравітації, але її ще тільки належить створити.
Сьогодні ми знаємо про природу гравітації набагато більше, ніж за часів Ньютона, але, незважаючи на століття вивчення, вона все ще залишається справжнім каменем спотикання сучасної фізики. В існуючій теорії гравітації є безліч білих плям, і ми до сих пір точно не розуміємо, що її породжує, і як відбувається перенос цього взаємодії. І вже, звичайно, ми дуже далекі від можливості керувати силою тяжіння, так що антигравітація або левітація ще довго будуть існувати тільки на сторінках фантастичних романів.
Що ж упало на голову Ньютона?
Про природу сили, яка притягує предмети до землі, люди замислювалися в усі часи, але відкрити завісу таємниці вдалося тільки в XVII столітті Ісааку Ньютону. Основу для його прориву заклали праці Кеплера і Галілея - блискучих вчених, які вивчали руху небесних тіл.
Ще півтора століття до ньютоновского Закону всесвітнього тяжіння польський астроном Коперник вважав, що тяжіння - це "... не що інше, як природне прагнення, яким батько Всесвіту обдарував всі частинки, а саме з'єднуватися в одне єдине ціле, утворюючи тіла кулястої форми". Декарт же вважав тяжіння наслідком обурень в світовому ефірі. Грецький філософ і вчений Аристотель був упевнений, що маса впливає на швидкість падіння тіл. І тільки Галілео Галілей в кінці XVI століття довів, що це не так: якщо відсутній опір повітря, всі об'єкти прискорюються однаково.
Всупереч поширеній легенді про голову та яблуці, Ньютон йшов до розуміння природи гравітації понад двадцять років. Його закон гравітації - одне з найбільш значущих наукових відкриттів всіх часів і народів. Він універсальний і дозволяє обчислювати траєкторії небесних тіл і точно описує поведінку предметів, що оточують нас. Класична теорія тяжіння заклала основи небесної механіки. Три закони Ньютона дали вченим можливість відкривати нові планети буквально "на кінчику пера", врешті-решт завдяки їм людина змогла подолати земну гравітацію і здійснити політ у космос. Вони підвели сувору наукову базу під філософську концепцію про матеріальну єдність світобудови, в якому всі природні явища взаємопов'язані і управляються загальними фізичними правилами.
Ньютон не просто опублікував формулу, що дозволяє вирахувати, чому дорівнює сила, що притягає тіла один до одного, він створив цілісну модель, в яку також увійшов математичний аналіз. Дані теоретичні висновки були неодноразово підтверджені на практиці, в тому числі і за допомогою найсучасніших методів.
У ньютонівської теорії будь-який матеріальний об'єкт породжує поле тяжіння, яке називається гравітаційним. Причому сила пропорційна масі обох тіл і обернено пропорційна відстані між ними:
F = (G m1 m2) / r2
G - це гравітаційна стала, яка дорівнює 6,67 × 10-11 м³ / (кг · с?). Першим її зміг вирахувати Генрі Кавендіш в 1798 році.
У повсякденному житті і в прикладних дисциплінах про силу, з якою земля притягує тіло, кажуть як про його вазі. Тяжіння між двома будь-якими матеріальними об'єктами у Всесвіті - ось що таке гравітація простими словами.
Сила тяжіння - найслабше з чотирьох фундаментальних взаємодій фізики, але завдяки своїм особливостям вона здатна регулювати рух зоряних систем і галактик:
- Тяжіння працює на будь-яких відстанях, в цьому головна відмінність сили тяжіння від сильного і слабкого ядерного взаємодії. Зі збільшенням відстані його дію зменшується, але воно ніколи не стає рівним нулю, тому можна сказати, що взаємний вплив надають навіть два атома, що знаходяться на різних кінцях галактики. Просто воно дуже мало;
- Гравітація універсальна. Поле тяжіння притаманне будь-якому матеріальному тілу. Вчені поки що не виявили на нашій планеті або в космосі об'єкт, який би не брав участі у взаємодії даного типу, тому роль гравітації в житті Всесвіту величезна. Цим тяжіння відрізняється від електромагнітної взаємодії, вплив якого на космічні процеси мінімально, оскільки в природі більшість тіл електрично нейтральні. Гравітаційні сили не можна обмежити або екранувати;
- Тяжіння діє не тільки на матерію, а й на енергію. Для нього не має ніякого значення хімічний склад об'єктів, грає роль тільки їх маса.
Використовуючи ньютоновскую формулу, силу тяжіння можна легко розрахувати. Наприклад, гравітація на Місяці в кілька разів менша за земну, тому що наш супутник має порівняно невелику масу. Але її досить для формування в Світовому океані регулярних припливів і відливів. На Землі прискорення вільного падіння дорівнює приблизно 9,81 м / с2. Причому на полюсах воно дещо більше, ніж на екваторі.
Незважаючи на величезне значення для подальшого розвитку науки, ньютонівські закони мали цілий ряд слабких місць, що не давали спокою дослідникам. Було незрозуміло, як діє гравітація через абсолютно порожній простір на величезні відстані, причому з незбагненною швидкістю. Крім того, поступово стали накопичуватися дані, які суперечили законам Ньютона: наприклад, гравітаційний парадокс або зсув перигелію Меркурія. Стало очевидним, що теорія всесвітнього тяжіння потребує доопрацювання. Ця честь випала на долю геніального німецького фізика Альберта Ейнштейна.
Тяжіння і теорія відносності
Відмова Ньютона обговорювати природу гравітації ( "Я гіпотез не вигадую") був очевидною слабкістю його концепції. Не дивно, що в наступні роки з'явилося безліч теорій гравітації.
Більшість з них ставилися до так званим гідродинамічним моделям, які намагалися обґрунтувати виникнення тяжіння механічним взаємодією матеріальних об'єктів з якоїсь проміжної субстанцією, що має ті чи інші властивості. Дослідники називали її по-різному: "вакуум", "ефір", "потік Гравітон" і т. Д. У цьому випадку сила тяжіння між тілами виникала в результаті зміни цієї субстанції, при її поглинанні об'єктами або екранування потоків. В реальності все подібні теорії мали один серйозний недолік: досить точно передбачаючи залежність гравітаційної сили від відстані, вони повинні були приводити до гальмування тіл, які рухалися щодо "ефіру" або "потоку Гравітон".
Ейнштейн підійшов до вирішення цього питання з іншого боку. У його загальної теорії відносності (ЗТВ) гравітація розглядається не як взаємодія сил, а як властивість самого простору-часу. Будь-який об'єкт, що має масу, призводить до його викривлення, що і викликає притягання. В цьому випадку гравітація - це геометричний ефект, який розглядається в рамках неевклідової геометрії.
Простіше кажучи, просторово-часової континуум впливає на матерію, обумовлюючи її рух. А та, в свою чергу, впливає на простір, "вказуючи" йому, як скривлюватися.
Сили тяжіння діють і в мікросвіті, але на рівні елементарних частинок їх вплив, у порівнянні з електростатичним взаємодією, є нікчемною. Фізики вважають, що гравітаційна взаємодія не поступалася іншим в перші миті (10 -43 сек.) Після Великого вибуху.
В даний час концепція гравітації, запропонована в загальній теорії відносності, є основною робочою гіпотезою, прийнятої більшістю наукової спільноти та підтвердженої результатами численних дослідів.
Ейнштейн у своїй роботі передбачав дивовижні ефекти гравітаційних сил, велика частина з яких вже знайшла підтвердження. Наприклад, можливість масивних тіл викривляти світлові промені і навіть уповільнювати перебіг часу. Останній феномен обов'язково враховується при роботі глобальних супутникових систем навігації, таких як ГЛОНАСС і GPS, в іншому випадку через кілька діб їх похибка становила б десятки кілометрів.
Крім того, наслідком теорії Ейнштейна є так звані тонкі ефекти гравітації, такі як гравімагнітних поле і захоплення інерційних систем відліку (він же ефект Ленз-Тіррінга). Ці прояви сили тяжіння настільки слабкі, що довгий час їх не могли виявити. Тільки в 2005 році завдяки унікальній місії НАСА Gravity Probe B був підтверджений ефект Ленз-Тіррінга.
Гравітаційне випромінювання або найфундаментальніше відкриття останніх років
Гравітаційні хвилі - це коливання геометричній просторово-часової структури, що поширюються зі швидкістю світла. Існування цього феномена також було передбачено Ейнштейном в ОТО, але через слабкість сили тяжіння його величина дуже мала, тому тривалий час його не могли виявити. На користь існування випромінювання говорили тільки непрямі свідчення.
Подібні хвилі генерують будь-які матеріальні об'єкти, що рухаються з асиметричним прискоренням. Вчені описують їх як "брижі простору-часу". Найбільш потужними джерелами такого випромінювання є зіштовхуються галактики і коллапсирующие системи, що складаються з двох об'єктів. Типовий приклад останнього випадку - злиття чорних дір або нейтронних зірок. При подібних процесах гравітаційне випромінювання може переходити більше 50% від загальної маси системи.
Гравітаційні хвилі вперше були виявлені в 2015 році за допомогою двох обсерваторій LIGO. Практично відразу ця подія набула статус найбільшого відкриття у фізиці за останні десятиліття. У 2017 році за нього було присуджено Нобелівську премію. Після цього вченим ще кілька разів вдавалося фіксувати гравітаційне випромінювання.
Ще в 70-і роки минулого століття - задовго до експериментального підтвердження - вчені пропонували використовувати гравітаційне випромінювання для здійснення телекомунікації. Його безперечна перевага - це висока здатність проходити крізь будь-які речовини, що не поглинаючись. Але в даний час це навряд чи можливо, тому що існують величезні труднощі з генерацією та прийомом цих хвиль. Та й реальних знань щодо природи гравітації у нас поки недостатньо.
Сьогодні в різних країнах світу працює кілька установок, подібних LIGO і будуються нові. Ймовірно, що в найближчому майбутньому про гравітаційному випромінюванні ми дізнаємося більше.
Альтернативні теорії всесвітнього тяжіння і причини їх створення
На даний момент домінуючою концепцією гравітації є ОТО. З нею погоджується весь існуючий масив експериментальних даних і спостережень. У той же час вона має велику кількість відверто слабких місць і спірних моментів, тому спроби створення нових моделей, що пояснюють природу гравітації, не припиняються.
Все, розроблені на цей момент теорії всесвітнього тяжіння можна розбити на кілька основних груп:
- стандартні;
- альтернативні;
- квантові;
- теорії єдиного поля.
Спроби створення нової концепції всесвітнього тяжіння робилися ще в XIX столітті. Різні автори включали в неї ефір або корпускулярну теорію світла. Але поява ОТО поставило крапку на цих дослідженнях. Після її публікації мета вчених змінилася - тепер їх зусилля були спрямовані на поліпшення моделі Ейнштейна, включення в неї нових природних явищ: спина часток, розширення Всесвіту і ін.
До початку 80-х років фізики експериментальним шляхом відкинули всі концепції, за винятком тих, які включали в себе ОТО як невід'ємну частину. В цей час в моду увійшли "струнні теорії", які виглядали вельми багатообіцяюче. Але досвідченого підтвердження ці гіпотези так і не знайшли. За останні десятиліття наука досягла значних висот і накопичила величезний масив емпіричних даних. Сьогодні спроби створити альтернативні теорії гравітації надихаються в основному космологическими дослідженнями, пов'язаними з такими поняттями, як "темна матерія", "інфляція", "темна енергія".
Однією з головних завдань сучасної фізики є об'єднання двох фундаментальних напрямків: квантової теорії і ОТО. Вчені прагнуть зв'язати тяжіння з іншими видами взаємодій, створивши таким чином "теорію всього". Саме цим і займається квантова гравітація - розділ фізики, який намагається дати квантове опис гравітаційної взаємодії. Відгалуженням даного напрямку є теорія петлевий гравітації.
Незважаючи на активні і багаторічні зусилля, досягти цієї мети поки не вдається. І справа навіть не в складності цього завдання: просто в основі квантової теорії і ОТО лежать абсолютно різні парадигми. Квантова механіка працює з фізичними системами, що діють на тлі звичайного простору-часу. А в теорії відносності сам простір-час - це динамічна складова, що залежить від параметрів класичних систем, що знаходяться в ній.
Поряд з науковими гіпотезами всесвітнього тяжіння, існують і теорії, досить далекі від сучасної фізики. На жаль, в останні роки подібні "опуси" просто заполонили інтернет і полиці книжкових магазинів. Деякі автори таких робіт взагалі повідомляють читачеві, що гравітації не існує, а закони Ньютона і Ейнштейна - це вигадки і містифікації.
Прикладом можуть служити праці "вченого" Миколи Левашова, які стверджують, що Ньютон не відчиняв закон всесвітнього тяжіння, а гравітаційної силою в Сонячній системі мають тільки планети і наш супутник Місяць. Докази цей "російський вчений" наводить досить дивні. Одним з них є політ американського зонда NEAR Shoemaker до астероїда Ерос, що відбувся в 2000 році. Відсутність тяжіння між зондом і небесним тілом Левашов вважає доказом хибності праць Ньютона і змови фізиків, що приховують від людей правду про гравітації.
Насправді космічний апарат успішно виконав свою місію: спочатку він вийшов на орбіту астероїда, а потім зробив на його поверхні м'яку посадку.
Штучна гравітація і для чого вона потрібна
З силою тяжіння пов'язані два поняття, які, незважаючи на свій поточний теоретичний статус, добре відомі широкому загалу. Це антигравітація і штучна гравітація.
Антигравітація - процес протидії силі тяжіння, здатний істотно зменшити її або навіть замінити відвернути. Оволодіння подібною технологією призвело б до реальної революції в транспорті, авіації, дослідженні космічного простору і кардинально змінило все наше життя. Але в даний час можливість антигравітації не має навіть теоретичного підтвердження. Більш того, виходячи з ОТО, подібний феномен і зовсім не здійснимо, так як в нашому Всесвіті не може бути негативною маси. Можливо, що в майбутньому ми дізнаємося про тяжінні більше і навчимося будувати літальні апарати на основі цього принципу.
Штучна гравітація - це рукотворне зміна існуючої сили гравітації. Сьогодні подібна технологія нам не дуже потрібна, але ситуація однозначно зміниться після початку довгострокових космічних подорожей. І справа полягає в нашій фізіології. Тіло людини, "привчене" мільйонами років еволюції до постійної гравітації Землі, вкрай негативно сприймає вплив зниженої сили тяжіння. Тривале перебування навіть в умовах місячної гравітації (в шість разів слабкіше земного) може привести до сумних наслідків. Ілюзію тяжіння можна створювати за допомогою інших фізичних сил, наприклад, інерції. Однак подібні варіанти складні і дорого коштують. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
