Від колапсу водневих хмар у зірки до склеювання галактик – гравітація є однією з небагатьох сил, що визначають еволюцію Всесвіту.
Не пропустіть У новому експерименті вчених світло поводиться як рідина: неочікувані фото
У певному сенсі історія гравітації – це також історія фізики, де деякі з найгучніших імен у цій галузі прославилися, визначивши силу, яка керувала їхніми життями. Але навіть після більш ніж 400 років вивчення загадкова сила все ще лежить в основі деяких найбільших таємниць фізики.
Щодня на нас діють чотири фундаментальні сили. Сильна взаємодія та слабка взаємодія діють лише всередині центрів атомів. Електромагнітна сила керує об'єктами з надлишковим зарядом (такими як електрони та протони), а гравітація керує об'єктами з масою.
Перші три сили значною мірою уникали уваги людства до останніх століть, але люди давно розмірковували про гравітацію, яка діє на все, від крапель дощу до гарматних ядер.
Дослідження гравітації
Давньогрецькі та індійські філософи помітили, що об'єкти природно рухаються до землі, але Ісааку Ньютону знадобилася проникливість, щоб підняти гравітацію з незбагненної тенденції об'єктів у вимірне та передбачуване явище.
Епоха Ньютона
Стрибок Ньютона, який став відомим у його трактаті 1687 року "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", полягав у тому, щоб зрозуміти, що кожен об'єкт у Всесвіті – від піщинки до найбільших зірок – притягує будь-який інший об'єкт. Це поняття об'єднало події, які здавались незв'язаними, від яблук, що падають на Землю, до планет, що обертаються навколо Сонця.
Ісаак Ньютон / Фото google
Він також визначив числа для тяжіння: подвоєння маси одного об'єкта робить його тяжіння удвічі сильнішим, визначив він, а зближення двох об'єктів удвічі збільшує їхнє взаємне тяжіння вчетверо. Ньютон запакував ці ідеї у свій універсальний закон всесвітнього тяжіння.
Опис гравітації Ньютоном був досить точним, щоб виявити існування Нептуна в середині 1800-х років, перш ніж будь-хто міг його побачити, але закон Ньютона не ідеальний. У 1800-х роках астрономи помітили, що еліпс, що описується орбітою Меркурія, рухається навколо Сонця швидше, ніж передбачала теорія Ньютона, що припускає невелику невідповідність між його законом та законами природи. Зрештою, загадка була вирішена загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна, опублікованою в 1915 році.
Епоха Ейнштейна
До того, як Ейнштейн опублікував свою новаторську теорію, фізики знали, як розрахувати гравітаційне тяжіння планети, але їхнє розуміння того, чому гравітація поводиться таким чином, мало просунулося вперед у порівнянні з давніми філософами. Ці вчені розуміли, що всі об'єкти притягують всі інші з миттєвою і нескінченно далекосяжною силою, як постулював Ньютон, і багато фізиків епохи Ейнштейна задовольнялися цим. Але, працюючи над своєю спеціальною теорією відносності, Ейнштейн визначив, що ніщо не може пересуватися миттєво, і гравітація не повинна бути винятком.
Альберт Ейнштейн / Фото google
Згідно зі Стенфордською енциклопедією філософії, протягом століть фізики розглядали простір як порожню структуру, на тлі якої розігрувалися події. Він був абсолютним, незмінним і не існував – у жодному фізичному сенсі – насправді. Загальна теорія відносності перетворила простір і час зі статичного фону на субстанцію, на щось схожу з повітрям у кімнаті. Ейнштейн вважав, що простір і час разом складають тканину всесвіту і що цей "просторово-часовий" матеріал може розтягуватися, стискатися, скручуватися і повертатися – тягнучи все за собою.
Ейнштейн припустив, що форма простору-часу породжує силу, яку ми сприймаємо як гравітацію. Концентрація маси (або енергії), така як Земля або Сонце, викривляє простір навколо себе, як скеля змінює течію річки. Коли інші об'єкти рухаються поблизу, вони слідують за викривленням простору, як листок дерева слідує виру навколо скелі (хоча ця метафора не ідеальна, тому що принаймні у випадку планет, що обертаються навколо Сонця, простір-час не "тече"). Ми бачимо, як планети обертаються, а яблука падають, тому що вони прямують крізь спотворену форму Всесвіту.
Гравітація космічних тіл впливає на матерію простору-часу / Фото physicsworld
Рівняння поля загальної теорії відносності Ейнштейна, набір формул, які ілюструють, як матерія та енергія деформують простір-час, здобули визнання, коли вони успішно передбачили зміни орбіти Меркурія, а також відхилення зоряного світла навколо Сонця під час сонячного затемнення 1919 року.
Сучасний опис гравітації настільки точно пророкує, як взаємодіють маси, що став інструкцією для космічних відкриттів.
Сучасна епоха
Американські астрономи Віра Рубін та Кент Форд помітили у 1960-х роках, що галактики, здається, обертаються досить швидко, щоб утворити зірки, як собака струшує з себе воду. Але оскільки галактики, які вони вивчали, не крутилися, здавалося, щось допомагає їм триматися разом. Ретельні спостереження Рубіна і Форда надали вагомі докази на підтримку ранньої теорії швейцарського астронома Фріца Цвіккі, висунутої в 1930-х роках, про те, що якийсь невидимий різновид маси прискорює галактики в найближчому скупченні.
Більшість фізиків тепер підозрюють, що ця загадкова "темна матерія" спотворює простір-час настільки, що галактики та скупчення галактик залишаються недоторканими. Інші, однак, ставлять питання, чи може сама гравітація притягувати сильніше в масштабах усієї галактики, і в цьому випадку рівняння Ньютона та Ейнштейна вимагатимуть коригування.
Зміни у загальній теорії відносності мають бути справді тонкими, оскільки нещодавно дослідники почали виявляти один з найтонших прогнозів теорії: існування гравітаційних хвиль чи брижів у просторі-часі, викликаних прискоренням мас у космосі.
Нова ера астрономії
З 2016 року дослідницька співпраця, що управляє трьома детекторами в США та Європі, виміряла численні гравітаційні хвилі, що проходять через Землю. На підході нові детектори, що відкривають нову еру астрономії, в якій дослідники вивчають далекі чорні діри та нейтронні зорі – не за їх світлом, яке вони випромінюють, а за тим, як вони впливають на тканину простору при зіткненні.
Гравітаційні хвилі / Фото NASA
Читайте на сайті Жодних батарей: вчені знайшли спосіб запасати енергію Сонця на 18 років
А проте, низка експериментальних успіхів загальної теорії відносності (ЗТВ) свідчать про її недосконалість, яку багато фізиків вважають фатальною теоретичною невдачею. Річ у тім, що ЗТВ описує класичний простір-час, тоді, як всесвіт виявляється квантовим або складається з частинок (або "квантів"), таких як кварки і електрони.
Класичне уявлення про простір (і гравітацію) як про єдину гладку тканину суперечить квантовій картині Всесвіту як сукупності гострих маленьких шматочків. Як розширити панівну Стандартну модель фізики елементарних частинок, яка охоплює всі відомі частинки, а також три інші фундаментальні взаємодії (електромагнетизм, слабка взаємодія та сильна взаємодія), щоб охопити простір та гравітацію на рівні частинок, залишається одним із головних завдань. Тож найглибші загадки сучасної фізики нам ще належить розгадати.