Загадки гравитации - одной из самых необъяснимых сил во Вселенной

 Загадки гравитации - одной из самых необъяснимых сил во Вселенной

Можно сказать, что гравитация - это одна из самых необъяснимых сил во Вселенной. Общепринятое определение говорит о том, что гравитация (иногда её могут называть ещё притяжением или тяготением) - это универсальное фундаментальное взаимодействие между материальными телами, обладающими массой. На сегодняшний день в космологии есть множество нерешённых вопросов, касающихся природы гравитации: например, вопросы о природе тёмной материи и тёмной энергии; феномен гравитационных волн; проблема расширения Общей теории относительности и создания теории квантовой гравитации...

Что мы знаем о гравитации?

Во Вселенной существует 4 типа фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия, и гравитационное. На них строится всё мироздание, и если первые три достаточно хорошо изучены, то о гравитационном мы с уверенностью говорить пока не можем, и оно выделяется среди остальных. Забавная ситуация заключается в том, что с гравитацией мы постоянно сталкиваемся, но меньше всего о ней знаем.

Пожалуй, первой силой, о существовании которой догадались люди, была сила тяжести. Она действует на любое физическое тело вблизи поверхности астрономического объекта. Чтобы разобраться с тем, что такое гравитация, пойдём по порядку.

Представим себе пустое космическое пространство, в котором случайно оказался небольшой камень. Если мы его оттолкнём от себя, то камень полетит с определённой скоростью, но не с бесконечной. Почему не с бесконечной, если нет никакого трения? Скорость тела, к которому приложили силу, будет меняться постепенно, потому что существует инерция. Тела сопротивляются: чем больше масса, тем сильнее его сопротивление. Эта масса называется инертной. Чем больше масса, тем меньше скорость.

Но с гравитацией всё не так. Все тела двигаются одинаково в гравитационном поле, в вакууме масса тела не влияет на скорость его падения, то есть все тела с разной инертной массой под действием гравитации двигаются одинаково.

Все тела во Вселенной создают вокруг себя поле тяготения, и оно складывается в некое общее поле. Тела могут двигаться, поэтому и само поле будет меняться - в этом случае некоторые даже говорят, что поле живёт своей жизнью. При движении в этом поле нас будет притягивать то к одному объекту, то к другому. Но, опять же, все тела будут двигаться одинаково - возьмём ли мы лёгкое тело, или массивное - они все будут двигаться по одной и той же траектории в этом заданном поле тяготения.

Что же влияет на траекторию движения тел в космосе?

Получается, что мы движемся в искривлённом пространстве, поскольку все тела двигаются одинаково. Вблизи массивных объектов пространство-время искривляется, следовательно, искривляется и траектория движения тел. Гравитация связана непосредственно с геометрией пространства-времени. Гравитация не просто действует на тела, она - нечто такое, что меняет свойства этого пространства.

Примерно так выглядит искривлённое пространство-время

Два подхода к изучению гравитации

Сейчас в науке есть два подхода к изучению гравитации:

1. Гравитацию изучают в контексте Общей теории относительности Эйнштейна. Например, сюда относится контроль за работой спутников GPS: они показывают координаты местоположения с учётом того, что время вблизи массивных объектов замедляется, а в космосе идёт быстрее - навигаторы показывают местоположение с учётом этой разницы.

Ещё один пример здесь - это изучение гравитационного поля Земли при помощи спутниковой системы GRACE (NASA). Дело в том, что гравитация зависит от плотности: чем плотнее вещество, тем сильнее гравитация. Гравитационное поле Земли неоднородно, так как распределение вещества внутри мантии неодинаковое - где-то её скапливается больше, где-то меньше. Система GRACE состоит из двух спутников, следующих друг за другом, и на каждом из них есть точные датчики, определяющие местоположение. Если один из спутников оказался над регионом повышенной плотности Земли, то он может немного "подвисать" (подтормаживать), и сокращение или увеличение расстояния между спутниками приборы сразу же фиксируют.

Спутники GRACE

2. Объяснение гравитации без применения Общей теории относительности. Здесь объяснить гравитацию пытаются при помощи моделей, связанных с квантовой гравитацией. Гравитация - это не просто сила, это свойство пространства-времени в целом. Этот подход связан с гипотетическими другими измерениями. И если сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия работают в четырёхмерном мире, то гравитации доступны и другие измерения. Поэтому знакомый нам всем с детства закон всемирного тяготения может перестать работать в очень больших или очень малых масштабах.

Оба этих подхода должны быть объединены - об этом мечтал известный британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Если получится объединить квантовую механику с Общей теорией относительности, то должна возникнуть Теория Всего, которая опишет все физические процессы во Вселенной и послужит ключом к разгадке всех её тайн. С помощью этой Теории мы бы наконец-то поняли, как всё работает во Вселенной.

Тёмная материя - это гравитация?

А вот это, пожалуй, одно из самых интересных мнений. Неуловимая тёмная материя окружает все массивные объекты - галактики и галактические скопления, и именно благодаря ней всё видимое вещество удерживается и не "разлетается" (например, галактики не рассыпаются на планеты и звёзды). А может быть, в характере движения массивных объектов виновата не тёмная материя, а какой-то иной вид гравитации?

Как вообще работает гравитация?

Считается, что есть особые элементарные частицы, являющиеся переносчиками гравитационного взаимодействия в рамках квантовой теории - гравитоны. Только вот подвох в том, что данная частица до сего времени не обнаружена. Какие только эксперименты не проводила наука в поисках неуловимых гравитонов, и всё было тщетно. Любопытно, кстати, в дополнение к пункту выше - частицы тёмной материи тоже не найдены. А может быть, и нет никаких частиц-переносчиков? И действительно гравитация - это свойство пространства-времени, а не сила?

Таким образом, чтобы понять, как работает гравитация, науке необходимо ответить на вопрос - а что это вообще такое? Сила? Свойство пространства-времени? Некая материя, пронизывающая собой всё и вся? Она повсюду: мы постоянно ощущаем её на себе, мы неразрывно с ней связаны, но не можем понять, что именно она такое. Мы старательно ищем её, но почему-то пока не можем найти ключ к разгадке. Это как прийти в книжный магазин, искать книгу на полках - стоять прямо перед искомой книгой, но видеть всё, что угодно, только не то, зачем приходишь. Может быть, нам пока следует, в таком случае, начать изучение с тех книг, что бросились в глаза? Ведь случайности не случайны, и всему в мире положен свой черёд.Источник: "Астрономия с Ауриэль"