Загадки гравітації — однієї з незрозумілих сил у Всесвіті

Можна сказати, що гравітація — це одна з найнезрозуміліших сил у Всесвіті. Загальноприйняте визначення говорить про те, що гравітація (іноді її можуть називати ще тяжінням) – це універсальна фундаментальна взаємодія між матеріальними тілами, які мають масу.

На сьогодні у космології є безліч невирішених питань, що стосуються природи гравітації: наприклад, питання про природу темної матерії та темної енергії; феномен гравітаційних хвиль; проблема розширення використання  Загальної теорії відносності та створення теорії квантової гравітації.

Що ми знаємо про гравітацію?

У Всесвіті існує 4 типи фундаментальних взаємодій: електромагнітна, сильна і слабка ядерна взаємодія та гравітаційна. На них будується вся світобудова, і якщо перші три досить добре вивчені, то про гравітаційну ми з упевненістю говорити поки що не можемо, і вона виділяється серед інших. Смішна ситуація полягає в тому, що з гравітацією ми постійно стикаємося, але найменше про неї знаємо.

Мабуть, першою силою, про існування якої здогадалися люди, було тяжіння. Воно діє на будь-яке фізичне тіло поблизу поверхні астрономічного об’єкта. Щоб розібратися про те, що таке гравітація, підемо послідовно.

Уявімо собі порожній космічний простір, в якому випадково опинився невеликий камінь. Якщо ми його відштовхнемо від себе, то камінь полетить із певною швидкістю, але не з нескінченною. Чому не з нескінченною, якщо немає жодного тертя? Швидкість тіла, до якого приклали силу, змінюватиметься поступово, бо існує інерція. Тіла опираються: чим більша маса, тим сильніший його опір. Ця маса називається інертною. Чим більша маса, тим менша швидкість.

Але з гравітацією не все так просто. Всі тіла рухаються однаково у гравітаційному полі, у вакуумі маса тіла не впливає на швидкість його падіння, тобто всі тіла з різною інертною масою під дією гравітації рухаються однаково.

Всі тіла у Всесвіті створюють навколо себе поле тяжіння, і вони складаються в якесь спільне поле. Тіла можуть рухатися, тому й саме поле змінюватиметься – у цьому випадку деякі навіть кажуть, що поле живе своїм життям. Під час руху в цьому полі нас буде притягувати то до одного об’єкта, то до іншого. Але, знову ж таки, всі тіла рухатимуться однаково — чи візьмемо ми легке тіло, або масивне — вони всі рухатимуться по одній траєкторії в цьому заданому полі тяжіння.

Що впливає на траєкторію руху тіл у космосі?

Виходить, що ми рухаємось у викривленому просторі, оскільки всі тіла рухаються однаково. Поблизу масивних об’єктів простір-час викривляється, отже, викривляється траєкторія руху тіл. Гравітація пов’язана безпосередньо з геометрією простору-часу. Гравітація непросто діє на тіла, вона — щось таке, що змінює властивості цього простору.

Приблизно так виглядає викривлений простір-час

Два підходи до вивчення гравітації

Зараз у науці є два підходи до вивчення гравітації:

1. Гравітацію вивчають у так званій Загальній теорії відносності Ейнштейна. Наприклад, сюди відноситься контроль за роботою супутників GPS: вони показують координати розташуванням об’єктів, з урахуванням того, що час поблизу масивних тіл сповільнюється, а в космосі йде швидше – навігатори показують розташування урахуванням цієї різниці. Ще один приклад – це вивчення гравітаційного поля Землі за допомогою супутникової системи GRACE (NASA). Річ у тому, що гравітація залежить від щільності: чим щільніша речовина, тим сильніша гравітація. Гравітаційне поле Землі неоднорідне, тому що розподіл речовини всередині мантії неоднаковий — десь її накопичується більше, десь менше. Система GRACE складається з двох супутників, що йдуть один за одним, і на кожному з них є точні датчики, що визначають розташування. Якщо один із супутників опинився над регіоном підвищеної щільності Землі, він може трохи “підвисати” (пригальмовувати), і скорочення або збільшення відстані між супутниками прилади відразу ж фіксують.

Супутники GRACE

2. Пояснення гравітації без застосування загальної теорії відносності. Тут пояснити гравітацію намагаються за допомогою моделей, пов’язаних із квантовою гравітацією. Гравітація — це не просто сила, це властивість простору-часу загалом. Цей підхід пов’язаний з іншими гіпотетичними вимірами. І якщо сильна, слабка та електромагнітна взаємодії працюють у чотиривимірному світі, то гравітації доступні й інші виміри. Тому знайомий нам усім із дитинства закон всесвітнього тяжіння може перестати працювати у дуже великих чи дуже малих масштабах.

Обидва ці підходи можуть бути  об’єднані — про це мріяв відомий британський фізик-теоретик Стівен Хокінг. Якщо вдасться поєднати квантову механіку з Загальною теорією відносності, то має виникнути Теорія Усього, яка опише всі фізичні процеси у Всесвіті та послужить ключем до розгадки всіх її таємниць. За допомогою цієї Теорії ми могли б зрозуміти, як все працює у Всесвіті.

Темна матерія – це гравітація?

А ось це, мабуть, одна з найцікавіших думок. Невловима темна матерія оточує всі масивні об’єкти — галактики та галактичні скупчення, і саме завдяки їй вся видима речовина утримується і не “розлітається” (наприклад, галактики не розсипаються на планети та зірки). Можливо, у характері руху потужних об’єктів винна не темна матерія, а якийсь інший вид гравітації?

Як загалом працює гравітація?

Вважається, що є особливі елементарні частинки, що є переносниками гравітаційної взаємодії в рамках квантової теорії – гравітони. Тільки ось каверза в тому, що ця частка до цього часу не виявлена. Які лише експерименти не проводила наука у пошуках невловимих гравітонів, і все було марно. Цікаво, до речі, на додаток до пункту вище – частинки темної матерії теж не знайдено. А може, і немає жодних частинок-переносників? І справді гравітація – це властивість простору-часу, а не сила?

Таким чином, щоб зрозуміти, як працює гравітація, науці необхідно відповісти на запитання – а що це взагалі таке? Сила? Властивість простору-часу? Якась матерія, що пронизує собою все і вся? Вона всюди: ми постійно відчуваємо її на собі, ми нерозривно пов’язані з нею, але не можемо зрозуміти, що саме воно таке. Ми старанно шукаємо її, але чомусь поки що не можемо знайти ключа до розгадки. Це як прийти в книгарню, шукати книгу на полицях — стояти прямо перед книгою, але бачити все, що завгодно, тільки не те, за чим  прийшов. Може, нам поки що слід, у такому разі, почати вивчення з тих книг, що впали в око? Адже випадковості не випадкові, адже  все у світі має свою послідовність.

А що таке гравітація у вашому розумінні?