1. Гравітація Землі слабша, ніж ваш магніт на холодильнику
У світі є чотири так звані фундаментальні сили: сильна ядерна, яка забезпечує стабільність атомних ядер, слабка ядерна, відповідальна за радіоактивний розпад, електромагнітна сила та наша улюблена гравітація. Саме остання утримує Землю, інші планети та зірки, сонячні системи та галактики від розпаду.
Так ось, гравітація – найслабша фундаментальна сила з усіх. І вчені ніяк не зрозуміють чому.
Ви можете сказати: але гравітація забезпечує рух зірок, галактик та інших величезних об’єктів, як вона може бути слабкою? Ну повісьте на холодильник магнітик. А тепер дайте відповідь на питання, чому крихітний холодильник притягує його сильнішеніж вся планета.
А слабкі та сильні атомні сили ще потужніші, ніж електромагнітні. Магніт ви принаймні можете без сторонньої допомоги з холодильника зняти, а от розщеплювати атоми голими руками люди поки що не навчилися. Для порівняння: електрична сила між електроном і протоном всередині атома приблизно один квінтильйон (це одиниця з 30 нулями) разів сильнішеніж гравітаційне тяжіння між ними.
І це одна з головних загадок фізики. Вчені мають припущення, що Всесвіт може мати додаткові виміри, сховані від нашого сприйняття. І гравітація поширюється у всіх них, у той час як електромагнітні сили, а також сильна та слабка ядерні сили обмежені нашим чотиривимірним простором-часом.
Можливо навіть наша гравітація впливає на об’єкти в інших всесвітах, якщо вони існують. А на наші об’єкти, у свою чергу, впливає їхнє тяжіння. Це могло б пояснити, чому наш Всесвіт розширюється швидше, ніж випливало б з розрахунків. Принаймні таку теорію пропонують фізики, яким не подобається теорія темної матерії та енергії.
Але незважаючи на всі припущення, зараз не існує експериментальних доказів, які б підтверджували або спростовували це.
2. Гравітація створює хвилі
Анімація, розваги Dana Berry / NASA
Уявіть собі, що простір-час – це натягнута тканина. Ну чи поверхня ставка, якщо вам так більше подобається. При русі потужних об’єктів на зразок темних дірок або при злитті нейтронних зірок виходять викривлення в просторі-часі – як складки на тканині. Або наче хвилі, що розходяться від місця падіння каменю в ставок. Ось приблизно так і виглядають гравітаційні хвилі.
Аналогії, звичайно, трохи натягнуті, тому що і тканина, і поверхня ставка плоскі, а Всесвіт тривимірний, але кращих прикладів вчені поки не придумали.
Гравітаційні хвилі відрізняються від звукових чи світлових, тому ми не можемо почути чи побачити їх. Однак за допомогою спеціальних приладів, які називають лазерними інтерферометрами, вчені можуть їх виявляти. Це дозволяє досліджувати далекі масивні об’єкти та вивчати космічні явища, що відбуваються у найвіддаленіших куточках Всесвіту.
Існування гравітаційних хвиль пророкував ще Альберт Ейнштейн сотню років тому.
Але тільки недавно людство розробило та застосувало інструменти для їх виявлення. Один із них — лазерно-інтерферометрична обсерваторія LIGO. Саме вона вперше у 2015 році зафіксувала гравітаційні хвилі від злиття двох чорних дірок на відстані близько 1,3 мільярда світлових років від Землі.
Вони проходять через всі перешкоди, включаючи порожнечу, і не схильні до поглинання або відображення. А ще поширюються по Всесвіту зі швидкістю світла.
3. Гравітація Землі неоднорідна
Анімація, розваги ESA
Ви, напевно, вже бачили цю анімацію. Мережею гуляє міф, нібито саме так виглядає наша планета без океанів. Але насправді це модель не самої Землі, а її гравітаційного поля.
Чи бачите, тяжіння сильніше там, де зосереджено велику масу. І поле гравітації Землі неоднорідне з кількох причин. По-перше, наша планета не є ідеальною кулею. Вона трохи сплюснута біля полюсів та розширена у екватора, що призводить до нерівномірного розподілу маси.
По-друге, поверхня Землі дуже нерівна. Ми маємо високі гори, глибокі океанські западини та інші ландшафтні форми, які мають різну масу. І по-третє, усередині планети матеріали також розподілені нерівномірно. Всі ці фактори призводять до того, що гравітація на Землі варіюється від місця до місця.
Це означає, що у різних місцях нашої планети ви важитимете по-різному.
Скажімо, якщо ви знаходитесь в Коломбо в Шрі-Ланці, то ваша вага буде трохи менше, ніж якби ви були в Катманду в Непалі. Індійський океан є одним із регіонів з найнижчою відносною гравітацією у світі, тоді як важкі Гімалаї, навпаки, збільшують її.
Інший приклад: довгий час вчені не розуміли, чому в регіоні навколо Гудзонової затоки в Канаді гравітація слабша, ніж має бути в теорії. Виявилося, що там тануть вікові льодовики, їхня маса зменшується, а отже, і сила тяжіння знижується.
Тому, якщо вас не влаштовує цифра на терезах, просто змініть місце проживання і кілограм-другий відразу скинете. Щоправда, маса залишиться тією ж, але вага зменшиться. фізика.
4. Гравітація викривлює світло
Неважко помітити, як гравітація впливає фізичні об’єкти. Завдяки їй ми твердо стоїмо на Землі, а не відлітаємо в космос, яблука падають зверху вниз, Сонце нарізає кола навколо ядра галактики і таке інше.
Але ця сила впливає як на матерію, а й у світ. Саме тому чорні дірки так називаються: у них тяжіння настільки потужне, що все світло, що притягується ними, не може покинути гравітаційного поля.
Але іноді фотони не падають на масивний об’єкт, а просто пролітають повз, лише трохи змінивши траєкторію.
Це явище відомо як гравітаційне лінзування. Воно відбувається через те, що гравітація спотворює простір і час навколо масивних об’єктів на зразок зірок і галактик. І в результаті світло, що проходить повз ці масивні об’єкти, йде по вигнутому шляху, а не по прямій лінії.
Гравітаційне лінзування було вперше передбачено Альбертом Ейнштейном у його загальній теорії відносності. Він припустив, що світло від далекого об’єкта викривлятиметься, проходячи повз близьку до нас масивну зірку. Його теорія була експериментально підтверджена під час сонячного затемнення у 1919 році.
Гравітаційне лінзування може призвести до створення вражаючих ефектів, таких як «кільця Ейнштейна» або «хрест Ейнштейна» — коли світло від далекої галактики викривляється навколо ближчої, створюючи кільця, підкови та інші світлові фігури.
Це явище також використовується астрономами вивчення темної матерії. Оскільки вона не випромінює світло, її неможливо спостерігати безпосередньо. Але ми можемо знайти її присутність через ефекти гравітаційного лінзування.
5. Невагомість – це не відсутність гравітації
Якщо ви запитаєте першу-ліпшу людину, чому на МКС астронавти плавають у повітрі, вона, швидше за все, відповість, що в космосі немає гравітації. Це, певна річ, не так, інакше як би Сонце могло утримувати планети на своїх орбітах?
Ось чому це твердження неправильно. Уявіть собі, що ви знаходитесь у літаку і він раптово починає пікірувати. Якщо ви підкинете в цей момент м’ячик, він, звичайно, падатиме. Але оскільки літак теж летить вниз, вам здаватиметься, що іграшка ширяє в повітрі. Це і є стан невагомості. До речі, астронавти перед польотами в космос адаптуються до нього в літаках, що пікірують.
Борта для таких тренувань співробітники NASA іронічно називають Vomit Comet – блювота комета. Самі здогадайтеся чому.
Те саме відбувається з астронавтами на орбіті. Космічний корабель або станція постійно прагнуть Землі через гравітацію. Але оскільки вони рухаються вперед досить швидко, то ніколи не падають, а на кожному витку пролітають навколо планети. Це створює ілюзію відсутності тяжіння, хоча правильніше такий стан називати «мікрогравітацією».
Насправді весь простір пронизаний гравітацією, і немає місця в космосі, де б її не було. Вчені вважаютьЩо, хоча швидкість її поширення обмежена швидкістю світла, та її сила швидко зменшується з віддалення джерела, сам діапазон дії нескінченний.
Тобто на вас зараз цілком діють гравітаційні хвилі від якоїсь чорної діри, яким потрібно десятки тисяч років, щоб долетіти до Землі. Просто їхня сила в порівнянні з гравітацією нашої планети дуже мала. І це добре, чи знаєте.
