Конечно, теперь мы знаем, что гравитация делает гораздо больше, чем просто заставляет вещи падать. Он управляет движением планет вокруг Солнца, удерживает галактики вместе и определяет структуру самой Вселенной. Мы также признаем, что гравитация является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом, слабой силой и сильной силой.
Современная теория гравитации — общая теория относительности Эйнштейна — одна из самых успешных теорий, которые у нас есть. В то же время мы до сих пор не знаем всего о гравитации, включая точное ее соответствие с другими фундаментальными силами.
Но вот шесть важных фактов, которые мы знаем о гравитации.1. Гравитация — самая слабая из известных нам сил. Гравитация только притягивает — нет отрицательной версии силы, разделяющей вещи. И хотя гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать галактики вместе, она настолько мала, что вы преодолеете ее каждый день.
Если вы возьмете в руки книгу, вы противодействуете силе гравитации со всей Земли.Для сравнения, электрическая сила между электроном и протоном внутри атома примерно в один квинтиллион (это один с 30 нулями после него) раз сильнее гравитационного притяжения между ними.
На самом деле гравитация настолько мала, что мы точно не знаем, насколько она слабая.2. Гравитация и вес — это не одно и то же. Астронавты на космической станции плавают, и иногда мы лениво говорим, что они находятся в невесомости.
Но это неправда. Сила тяжести, действующая на космонавта, составляет около 90 процентов от силы, которую они испытывали бы на Земле.
Однако космонавты невесомы, поскольку вес — это сила, которую земля (или стул, или кровать, или что-то еще) оказывает на них на Земле.Поднимите весы для ванной на лифт в большом модном отеле и встаньте на них, катаясь вверх и вниз, игнорируя любые скептические взгляды, которые вы можете получить.
Ваш вес колеблется, и вы чувствуете, как лифт ускоряется и замедляется, но сила тяжести остается той же. На орбите же космонавты движутся вместе с космической станцией. Их не на что прижать к борту космического корабля, чтобы придать им вес.
Эйнштейн превратил эту идею вместе со своей специальной теорией относительности в общую теорию относительности.3. Гравитация заставляет волны двигаться со скоростью света. Общая теория относительности предсказывает гравитационные волны. Если у вас есть две звезды, белые карлики или черные дыры, замкнутые на взаимной орбите, они постепенно сближаются, поскольку гравитационные волны уносят энергию.
Фактически, Земля также излучает гравитационные волны, когда вращается вокруг Солнца, но потеря энергии слишком мала, чтобы ее можно было заметить.У нас есть косвенные доказательства существования гравитационных волн в течение 40 лет, но обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) подтвердила это явление только в этом году. Детекторы зафиксировали вспышку гравитационных волн, возникшую в результате столкновения двух черных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет от нас.
Одним из следствий теории относительности является то, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. То же самое и с гравитацией: если с Солнцем случится что-то серьезное, гравитационный эффект достигнет нас в то же время, что и свет от этого события.
4. Объяснение микроскопического поведения силы тяжести поставило исследователей в тупик. Остальные три фундаментальные силы природы описываются квантовыми теориями мельчайших масштабов — в частности, Стандартной моделью. Однако у нас все еще нет полностью работающей квантовой теории гравитации, хотя исследователи пытаются.Одно направление исследований называется петлевой квантовой гравитацией, в которой используются методы квантовой физики для описания структуры пространства-времени.
Он предполагает, что пространство-время подобно частицам в мельчайших масштабах, точно так же, как материя состоит из частиц. Материя могла бы перескакивать из одной точки в другую по гибкой сетчатой структуре. Это позволяет петлевой квантовой гравитации описывать эффект гравитации в масштабе, намного меньшем, чем ядро атома.Более известный подход — теория струн, в которой частицы, в том числе гравитоны, считаются колебаниями струн, свернутых в спираль в размерах, слишком малых для того, чтобы их могли достичь эксперименты.
Ни петлевая квантовая гравитация, ни теория струн, ни какая-либо другая теория в настоящее время не может предоставить проверяемых подробностей о микроскопическом поведении гравитации.5. Гравитацию могут переносить безмассовые частицы, называемые гравитонами. В Стандартной модели частицы взаимодействуют друг с другом через другие частицы, несущие силу. Например, фотон является переносчиком электромагнитной силы.
Гипотетические частицы для квантовой гравитации — это гравитоны, и у нас есть некоторые идеи о том, как они должны работать, исходя из общей теории относительности. Как и фотоны, гравитоны, вероятно, безмассовые. Если бы у них была масса, эксперименты должны были бы что-то увидеть, но это не исключает смехотворно крошечной массы.
6. Квантовая гравитация проявляется при наименьшей возможной длине. Гравитация очень слабая, но чем ближе друг к другу два объекта, тем сильнее она становится.
В конечном итоге он достигает силы других сил на очень маленьком расстоянии, известном как длина Планка, во много раз меньшем, чем ядро атома.Вот где эффекты квантовой гравитации будут достаточно сильными, чтобы их можно было измерить, но они слишком малы для любого эксперимента. Некоторые люди предложили теории, которые позволили бы квантовой гравитации проявляться в масштабе, близком к миллиметру, но до сих пор мы не наблюдали этих эффектов.
Другие исследовали творческие способы усиления эффектов квантовой гравитации, используя колебания в большом металлическом стержне или скоплениях атомов, хранящихся при ультрахолодных температурах.Кажется, что гравитация, от мельчайших до самых больших масштабов, продолжает привлекать внимание ученых.
Возможно, это будет утешением в следующий раз, когда вы упадете, когда гравитация тоже привлечет ваше внимание.