От коллапса водородных облаков у звезды до склеивания галактик – гравитация является одной из немногих сил, которые определяют эволюцию Вселенной.

Не пропустите В новом эксперименте ученых свет ведет себя как жидкость: неожиданные фото

В некотором смысле история гравитации – это также история физики, где некоторые из самых громких имен в этой области прославились, определив силу, руководившую их жизнью. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила все еще лежит в основе некоторых величайших тайн физики.

Каждый день на нас действуют четыре фундаментальных силы. Сильное взаимодействие и слабое взаимодействие действуют только внутри центров атомов. Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны и протоны), а гравитация управляет объектами с массой.

Первые три силы в значительной степени избегали внимания человечества до последних веков, но люди давно размышляли о действующей на все гравитации, от капель дождя до пушечных ядер.

Исследование гравитации

Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественно движутся к земле, но Исааку Ньютону понадобилась проницательность, чтобы поднять гравитацию из непостижимой тенденции объектов в измеримое и предполагаемое явление.

Эпоха Ньютона

Скачок Ньютона, который стал известным в его трактате 1687 года "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", заключался в том, чтобы понять, что каждый объект во Вселенной – от песчинки до величайших звезд – притягивает любой другой объект. Это понятие объединило события, казавшиеся несвязанными, от падающих на Землю яблок до планет, вращающихся вокруг Солнца.

Исаак Ньютон
Исаак Ньютон / Фото google

Он также определил числа для тяготения: удвоение массы одного объекта делает его тяготение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное тяготение в четыре раза. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы выявить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, описываемый орбитой Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем предполагала теория Ньютона, которая подразумевает небольшое несоответствие между его законом и законами природы. В конце концов загадка была решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году.

Эпоха Эйнштейна

До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как рассчитать гравитационное тяготение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все остальные с мгновенной и бесконечно дальновидной силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна довольствовались этим. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может передвигаться мгновенно и гравитация не должна быть исключением.

Альберт Эйнштейн
Альберт Эйнштейн / Фото google

Согласно Стэнфордской энциклопедии философии, на протяжении веков физики рассматривали пространство как пустую структуру, на фоне которой разыгрывались события. Оно было абсолютным, неизменным и не существовало – ни в каком физическом смысле – на самом деле. Общая теория относительности превратила пространство и время из статического фона в субстанцию, в нечто схожее с воздухом в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной и что этот "пространственно-временный" материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться – притягивая все за собой.

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени рождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такая как Земля или Солнце, искривляет пространство вокруг себя, как скала меняет течение реки. Когда другие объекты двигаются поблизости, они следуют за искривлением пространства, как лист дерева следует за водоворотом вокруг скалы (хотя эта метафора не идеальна, потому что по крайней мере в случае планет, которые вращаются вокруг Солнца, пространство-время не "течет"). Мы видим, как планеты вращаются, а яблоки падают, потому что они направляются сквозь искаженную форму Вселенной.

Гравитация
Гравитация космических тел влияет на материю пространства-времени / Фото physicsworld

Уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, иллюстрирующих, как материя и энергия деформируют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказал изменения орбиты Меркурия, а также отклонение звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает, как взаимодействуют массы, что стало инструкцией для космических открытий.

Современная эпоха

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметили в 1960-х годах, что галактики, кажется, вращаются достаточно быстро, чтобы образовать звезды, как собака стряхивает с себя воду. Но поскольку галактики, которые они изучали, не крутились, казалось, что-то помогает им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубин и Форда предоставили веские доказательства в поддержку ранней теории швейцарского астронома Фрица Цвикки, выдвинутой в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в ближайшем скоплении.

Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная "темная материя" искажает пространство-время настолько, что галактики и скопления галактик остаются нетронутыми. Другие, однако, задают вопрос, может ли сама гравитация притягивать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.

Изменения в общей теории относительности должны быть действительно тонкими, поскольку недавно исследователи начали выявлять один из тончайших прогнозов теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в космосе.

Новая эра астрономии

С 2016 года исследовательское сотрудничество, которое управляет тремя детекторами в США и Европе, измерило многочисленные гравитационные волны, проходящие через Землю. На подходе новые детекторы, открывающие новую эру астрономии, в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды – не по их свету, излучаемому ими, а по тому, как они влияют на ткань пространства при столкновении.

Гравитационные волны
Гравитационные волны / Фото NASA

Читайте на сайте Нет батарей: ученые нашли способ запасать энергию Солнца на 18 лет

Тем не менее, ряд экспериментальных успехов общей теории относительности (ОТВ) свидетельствует о ее несовершенстве, которое многие физики считают фатальной теоретической неудачей. Дело в том, что ОТВ описывает классическое пространство-время, тогда как Вселенная оказывается квантовой или состоит из частиц (или "квантов"), таких как кварки и электроны.

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единственной гладкой ткани противоречит квантовой картине Вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить стандартную модель физики элементарных частиц, которая охватывает все известные частицы, а также три других фундаментальных взаимодействия (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы охватить пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одной из главных задач. Поэтому самые глубокие загадки современной физики нам еще предстоит разгадать.