Всеки знае, че това, което върви нагоре, трябва да падне. Но защо? Оказва се, че гравитацията е пълна с изненади…
Без гравитацията ние нямаше да съществуваме. Той осигурява силата, която ни държи на повърхността на Земята и Земята в орбита около Слънцето.
Той беше отговорен за формирането на Слънчевата система на първо място и това е гравитационното привличане на целия материал в Слънцето, което го придърпва плътно един към друг, което прави възможно осъществяването на ядрен синтез, давайки ни топлина и светлина.
Но въпреки повсеместното си присъствие, гравитацията е една от най-мистериозните сили във Вселената.
Какво е гравитацията?
Като една от четирите основни сили на природата – наред с електромагнетизма и силните и слабите ядрени сили – гравитацията е изключително влиятелен природен феномен.
Това е свойство на материята, на нещата. С две думи: всяка материя е привлечена от всяка друга материя. Колкото повече материя има и колкото по-близо са обектите един до друг, толкова по-голяма е силата на привличане.
И за разлика от електричеството и магнетизма, които могат или да отблъскват, или да привличат, гравитацията винаги дърпа нещата заедно.
Известно е, че Нютон заявява, че няма хипотеза за това как работи гравитацията.
Вместо това, неговата отправна точка за описването му в действие беше идеята, че гравитацията е универсална – че същото нещо, което накара една ябълка да падне от дърво, задържа Луната в орбита.
С тази концепция, колекция от астрономически данни и някои умни мисловни експерименти, Нютон успя да покаже, че само три неща влияят на гравитационното привличане между два обекта: масата на всеки обект и разстоянието между тях.
Въпреки че той никога не го е написал в тази форма, неговата теория ще покаже, че гравитационното привличане следва закон на обратните квадрати. Силата на гравитацията може да се изчисли чрез умножаване на масите на двата обекта и след това разделяне на квадрата на разстоянието между тях. Така че силата на привличане на гравитацията нараства, когато масата на един от обектите се увеличава или когато те се приближават.
Тази проста връзка беше достатъчна, за да обясни почти цялото движение на Луната и планетите, и щеше да бъде всичко, от което НАСА се нуждаеше, за да изчисли безопасна траектория за мисията на Аполо до Луната.
Какъв е принципът на еквивалентността?
Принципът на еквивалентността се основава на това, което Алберт Айнщайн описва като своята „най-щастлива мисъл“.
Това беше, че „ако човек пада свободно, той няма да почувства собствената си тежест“. С други думи, ускорението и гравитацията са напълно еквивалентни и неразличими.
Виждаме това да се случва на Международната космическа станция. Силата на гравитацията на орбиталното разстояние на станцията от Земята е около 90 процента от тази на повърхността – и въпреки това астронавтите плават.
Причината хората да се носят там горе е, че те непрекъснато падат към нашата планета. Може да очакваме да се блъснат в повърхността на Земята, но те също се движат настрани с правилната скорост, за да продължат да липсват – това е, което включва намирането в орбита.
Принципът на еквивалентността показва, че ускорението, както се случва, когато човек падне, анулира теглото му. Айнщайн направи скок от щастливата си мисъл, за да предположи, че ускорението и гравитацията всъщност са едно и също нещо.
И това вдъхнови неговата Обща теория на относителността, която предсказва силата на гравитацията и обяснява как работи.
Каква е теорията на Айнщайн за общата теория на относителността?
От своя принцип на еквивалентност Айнщайн успя да покаже, че телата с маса – всичко от атом до звезда – изкривяват пространството и времето.
И именно това изкривяване обясняваше нещо, което Нютон никога не беше успял да покаже: защо гравитацията може да действа на разстояние.
Подобно на баскетболна топка на батут, заобиколена от мрамори, по-масивните обекти произвеждат по-големи изкривявания в тъканта на пространство-времето, привличайки близките обекти и карайки ги да се движат по извити траектории. Но и по-малките тела имат ефект – всеки от нас упражнява малка гравитационна сила върху обектите около нас.
Тъй като възприемаше много различен подход от Нютон, Айнщайн трябваше да използва различен вид математика, за която самият той първоначално знаеше малко: математиката на извитото пространство.
И той трябваше да вземе предвид различни вторични ефекти, за които Нютон нямаше причина да подозира, че съществуват, като например изненадващото откритие, че гравитацията има ефект върху себе си.
Уравненията на общата теория на относителността на Айнщайн правят всичко, което прави уравнението на Нютон, предсказвайки размера на силата на привличане между две тела, но тъй като те описват начина, по който всичко с маса изкривява пространството и времето, те могат да направят много повече.
Айнщайн доказа ли, че Нютон греши?
Абсолютно не. Работата на Нютон беше описателна: той приспособи просто математическо уравнение към наблюдаваното.
Неговата математика не ни казва нищо за това как работи гравитацията, но като описание на поведението на ежедневните неща, тя работи много добре – и все още работи.
Това, което направи Айнщайн, беше да ни помогне да разберем какво причинява силата, която описваме като гравитация.
Той успя да покаже, че има определени обстоятелства, обикновено когато силата на гравитацията става много силна, при които уравнението на Нютон не е достатъчно добро приближение.
В тези случаи трябва да привлечем Айнщайн, за да получим по-точна цифра. И Айнщайн също е полезен, за да прави прогнози, които дори не биха били предвидени според основните принципи на физиката на Нютон.
Какво доказателство имаме за Общата теория на относителността?
Има огромно количество доказателства за общата теория на относителността.
Преди Айнщайн да излезе с теорията си, астрономите се бореха да обяснят един аспект от орбитата на Меркурий, наречен неговата прецесия, където точката на най-близкия му подход към Слънцето постепенно променя позицията си. Уравненията на Нютон не можеха да обяснят пълния ефект, но работата на Айнщайн успя.
Нещо повече, идеята, че гравитацията е причинена от изкривяване на пространството и времето, също може да бъде тествана, защото това означава, че (например) светлината, преминаваща близо до много масивно тяло, трябва да се движи по извита линия, преминавайки през изкривеното пространство, което тялото създава.
Това е наблюдавано за първи път при преминаване на светлина близо до Слънцето по време на пълно затъмнение през 1919 г. и оттогава се наблюдава, когато далечни галактики действат като лещи, огъвайки пътя на светлината зад тях.
Друго от предсказанията на уравненията на Айнщайн е, че близостта до масивно тяло забавя времето: ето защо трябва да коригираме сигнала от GPS сателитите, които ни дават сателитна навигация.
По същия начин, експеримент, наречен Gravity Probe B, демонстрира, че въртящо се масивно тяло влачи пространство-времето със себе си като въртяща се лъжица в мед, точно както е предвидил Айнщайн.
Какво общо има гравитацията с черните дупки?
Предсказанията на теорията на Айнщайн обикновено са резултат от решаването на опростени версии на неговите уравнения. Един от най-ранните описва компресирана маса, където цялата материя е в една точка – „гравитационна сингулярност“.
По-късно се разбра, че някои стареещи звезди няма да могат да устоят на привличането на гравитацията и трябва да се срутят върху себе си, за да образуват такава точка, създавайки черна дупка. Гравитацията в черна дупка е толкова силна, че дори светлината не може да излезе.
По подобен начин Общата теория на относителността предсказва, че самата тъкан на Вселената може да се разширява и свива. В комбинация с наблюденията, това се превърна в основата на нашата най-добра теория за това как се е развила Вселената: моделът на Големия взрив.
Освен това общата теория на относителността може да хвърли светлина върху тъмната енергия – мистериозното явление, което изглежда ускорява разширяването на Вселената.
Какво представляват гравитационните вълни?
Тяло с маса изкривява пространството и времето, така че ако това тяло се ускори в пространството, то трябва да причини вълни в пространство-времето около него.
Тези вълни се наричат гравитационни вълни и се движат навън, по-скоро като начина, по който ускоряващите се електрони нагоре и надолу по антената генерират електромагнитните вълни на радиото и телевизията.
Гравитационните вълни, които Айнщайн предсказа малко след разработването на своята Обща теория на относителността, трябва да се произвеждат през цялото време от огромен брой източници. Гравитацията обаче е изключително слаба сила, което означава, че тези вълни са изключително трудни за откриване.
Когато експериментът LIGO наблюдава гравитационни вълни за първи път през септември 2015 г., това е резултат от масивно смущение в пространство-времето, причинено от две сливащи се черни дупки.
Детекторите на LIGO са толкова чувствителни, че трябва да се елиминират всякакви вибрации, от преминаващи коли до далечни вълни, разбиващи се в плажа.
Гравитационните вълни са важни не защото „доказват теорията на Айнщайн“ – вече имаме много доказателства за това – а защото ни дават нов начин да изучаваме Вселената, поглеждайки назад към нейните най-ранни години, където дори светлината не може да достигне.
Общата теория на относителността обяснява ли всичко?
Почти със сигурност не.
Общата теория на относителността е изключително ефективна и не греши, когато става въпрос за правене на прогнози за поведението на ежедневните обекти, но има няколко обстоятелства – по-специално в сърцето на черна дупка или при описанието на Вселената преди Голямата Банг – където теорията се разпада.
Физиката на много малкото е описана с впечатляваща точност от квантовата физика, но общата теория на относителността и квантовата теория са несъвместими. Всички други природни сили са „квантувани“ – идват на парчета, а не в непрекъснато променливи количества.
Предположението е, че би трябвало да е възможно да се разработи квантова теория на гравитацията, която да я приведе в съответствие с другите сили и все още да дава същите резултати като теорията на Айнщайн за по-големи обекти.
Досега най-добрите опити са теорията на струните/М-теорията и примковата квантова гравитация, но нито един от тях все още не е дал използваеми прогнози.
Може ли гравитацията да бъде причинена от субатомна частица?
Много е вероятно и вече има име: гравитон. Един от начините, по който квантовата теория представя предаването на сила като електромагнетизма, е като поток от частици носители, наречени „бозони“.
В случая на електромагнетизма частицата е фотонът. Всяка частица е „квант“ – парче – от квантуваното явление.
Така че, ако гравитацията е квантов ефект, ние приемаме, че ще има гравитон като негов носител. Въпреки това, не очаквайте някой да се появи скоро в Големия адронен колайдер. Гравитонът е толкова малко вероятно да взаимодейства с друга частица по откриваем начин, че понастоящем няма реалистично възможен експеримент, който да го забележи.
Има ли такова нещо като антигравитация?
Не доколкото знаем. За разлика от електромагнетизма, гравитацията е еднопосочен ефект – тя просто привлича. Можем да компенсираме гравитацията с други сили; правите това всеки път, когато вземете нещо.
Изглежда особено впечатляващо, когато противоположната сила е невидим електромагнетизъм – например когато нещо се носи над магнит – но това не е антигравитация.
Ние също не знаем никакъв начин да се предпазим от гравитацията: тя преминава през всичко. Ако можехме да спрем гравитацията, бихме могли да направим вечен двигател и да генерираме безплатна енергия. Боядисайте една и съща страна на всяко гребло на водно колело с бариерното вещество.
Греблата от едната страна на колелото ще бъдат обърнати с голи страни към Земята, така че ще усещат нейното гравитационно привличане, докато лопатките от другата страна ще бъдат защитени от гравитацията. Така че само едната страна на колелото ще бъде дръпната надолу и то ще се върти вечно.
Единственият малък шанс за откриване на антигравитацията е, че антиматерията може да бъде гравитационно отблъсната от обикновената материя.
Учените от CERN скоро ще разполагат с достатъчно антиматерия, за да тестват това, но повечето физици смятат, че тя ще се държи точно като нормалните неща.
