Во всем виновата гравитация

Поговорим о неведомой силе, которая притягивает все тела во Вселенной — и даже людей.

Как гравитация создала нашу Вселенную? Каким образом она помогла найти неизвестную планету и указала на существование черных дыр? Почему неверно говорить, что в состоянии невесомости отсутствует гравитация? И какая главная тайна есть у этой слабой невидимой силы?

Как из ничего возникло все?  

Все мы знаем, как бьется чашка, взлетает ракета, идет дождь, планеты вращаются вокруг Солнца… За это отвечает гравитация — самая слабая, но самая удивительная сила, которой пронизано все мироздание. Мы так привыкли к ней, что чаще всего не замечаем. Но жизнь на Земле возможна только благодаря ей. Именно она держит планеты на орбитах, зажигает звезды и организует Вселенную. Оставаясь при этом самой слабой силой, она побеждает, потому что от нее нельзя укрыться или отгородиться.

Гравитация присутствует абсолютно везде. Когда мы смотрим, как падают камни с горы или вода струится с неба, обычно не задумываемся о тайнах этой невидимой силы и о том, как много рассказывает она об устройстве Вселенной. А ведь гравитация определяет движение Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца, зажигает звезды, снабжает их планетами и организует галактики. Она создает черные дыры, является источником самых мощных выбросов энергии во Вселенной. А нам, чтобы вырваться из гравитационных объятий родной планеты, нужна ракета, доверху залитая топливом.

Хотите узнать, как гравитация создала наш мир? Молодая Вселенная была заполнена тогда всего одним элементом — водородом. Было совершенно темно, ни одной звезды еще не существовало. Каждый атом водорода стал источником притяжения, гравитация собрала вместе гигантские космические облака. Из-за давления там повысилась температура, а высокая температура делает возможными ядерные реакции. Когда ядра атомов водорода сливаются вместе, образуется гелий, и при этом выделяется энергия в виде света. Так гравитация зажгла звезды в космосе. Все они светят не гравитационной, а ядерной энергией, но гравитация была совершенно необходима для того, чтобы зажечь каждую звезду во Вселенной.

Это еще не все чудеса мироздания. В звездах создаются ядра новых элементов. Более тяжелые возникают как слияние более легких. Таким образом возникла значительная часть всего того, что нас окружает. Кроме гелия, лития и бериллия, это бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, аргон, калий, кальций, скандий, титан, ванадий, хром, марганец и, наконец, железо.

Для того чтобы могла возникнуть твердая планета, как наша Земля, необходимо, чтобы сначала во Вселенной прогорело целое поколение звезд, в них создались элементы, затем их разбросало по космосу и гравитация снова собрала их вместе. Именно так и возникло наше Солнце, окруженное планетами, на одной из которых есть отличные условия для жизни.

Невесомость и гравитация

Главная тайна гравитации заключается в том, что она состоит в сговоре с материей. Из-за этого сговора и более массивные, и менее массивные тела разгоняются гравитацией совершенно одинаково. И вагон, и маленькая тележка, и птичье перо, если их отпустить вместе, будут падать под действием гравитации одинаково, не обгоняя друг друга и не отставая. Если на Земле эти тела падают иначе, то это только потому, что присутствует воздух. Создав вакуум, можно увидеть, что дробина и перо падают вниз одинаково, потому что гравитация точно знает, во сколько раз дробина тяжелее пера, и действует на нее во столько же раз сильнее. А на поверхности Луны, где воздуха нет, остается одна лишь чистая гравитация. В этом можно убедиться, посмотрев историческое видео с опытом Галилея на Луне: командир «Аполлона-15» одновременно выпускает из рук перо и молоток, и они в один и тот же момент падают к его ногам.

Одинаковое движение всех тел под действием гравитации дает эффект невесомости. Когда в космическом корабле не включены двигатели, космонавт может выпустить чашку из рук и она зависнет рядом с ним, потому что их движением управляет гравитация, для которой все равно, легкое тело или тяжелое. Невесомость происходит не оттого, что гравитации нет, а оттого, что есть одна только гравитация.

Кстати, совсем необязательно лететь вокруг Земли. Космический корабль, направляющийся с выключенными двигателями к Луне, испытывает притяжение и Земли, и Луны, и Солнца одновременно. Они сложным образом влияют на его траекторию, но при всех поворотах и разворотах под действием гравитации невесомость всегда сохраняется.

Как известно, Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Узнать, как выглядит обратная сторона, удалось только в 1959 году, когда ее сфотографировала посланная туда автоматическая станция. Это было долгое путешествие до Луны, вокруг нее и обратно к Земле — над Северным полушарием. При этом у станции «Луна-3» отсутствовал маршевый двигатель. Все свои маневры она выполняла под действием одной только гравитации! На протяжении всего полета на станции сохранялась невесомость.

Законы Ньютона и их недостаток

Все во Вселенной притягивается друг к другу: камень к камню, атом к атому и даже человек к человеку. Но мы этого не замечаем, потому что величина силы притяжения очень невелика. В конце XVIII века ее взялся измерить английский ученый Генри Кавендиш. У него была установка, которую можно представить себе так: два малых тела, подвешенные на коромысле, защищены от влияния воздуха, но испытывают влияние двух больших тел — шаров. Их можно осторожно приближать и видеть, как малые тела откликаются на это поворотом нити, на которой подвешено коромысло. Результат этого измерения — интенсивность гравитационного взаимодействия в числах — вас не впечатлит. Каждый из нас притягивается к другому на расстоянии около 10 см с силой в 15 млн раз меньше, чем наше притяжение к Земле. Вот почему мы не слипаемся, словно шарики на просторной улице. Но есть мощная гравитация, которую мы замечаем: это притяжение к Земле, или сила тяжести.

Гениальный Исаак Ньютон угадал правило, по которому определяется сила гравитационного притяжения между двумя телами. Для расчета нужно знать массы тел и расстояние между ними. Этот закон традиционно называется законом всемирного тяготения. По нему можно узнать, как гравитация зависит от расстояния. Она ослабевает по вполне определенному математическому закону: в два раза дальше означает в четыре раза слабее, в три раза дальше — слабее уже в девять раз, ну а в десять раз дальше — в 100 раз слабее.

С помощью законов Ньютона рассчитываются орбиты космических кораблей, предсказываются появление планет и приближение астероидов, определяются даты всех будущих и прошлых солнечных и лунных затмений. В 1846 году, благодаря закону Ньютона, математик Леверье открыл неизвестную планету в Солнечной системе — Нептун — как недостающий источник гравитации, влияющий на движение другой, известной тогда планеты Уран.

У этого всеобщего, всемирного, универсального закона Ньютона есть одна серьезная проблема. В законе тяготения сила притяжения передается как будто мгновенно через пустоту. Природа вряд ли устроена таким образом, догадывался ученый. Но кроме теоретических сомнений предложить ничего не мог. К середине XIX века выявилось недоразумение, поставившее многих ученых в тупик: оказалась, что самая ближняя к Солнцу планета Меркурий летает не по законам Ньютона.

Меркурий вращается вокруг Солнца не точно по эллипсу, как это должно быть: его орбита медленно поворачивается как целое. Когда астрономы учли все известные причины для такого поведения, остался необъясненный поворот на 4 угловые секунды за столетие. Малое, но упрямое нарушение.

Новая теория гравитации и ключ к пониманию черных дыр

Все проблемы разрешились только тогда, когда Альберт Эйнштейн предложил новую теорию гравитации — намного сложнее ньютоновской. Эйнштейновское понимание гравитации объяснило не только поведение нарушителя законов Меркурия, но и дало ответы на вопросы о том, как гравитация распространяется, что за тайный сговор у нее с материей и что происходит вблизи черных дыр.

Черную дыру, как все знают, нельзя увидеть, потому что из нее совсем не выходит свет. Но о ее существовании можно догадаться, если что-то обращается вокруг нее. Направив телескоп в центр нашей галактики Млечный Путь, мы увидим там звезды, обращающиеся вокруг того, что кажется пустотой. Они не улетают прочь. Единственная сила, которая их может там держать, – это гравитация. Так был сделан вывод о том, что в центре нашей галактики находится черная дыра.

Большие и маленькие черные дыры — это созданные гравитацией закрытые области искореженного пространства. Они стирают свойства попавшей туда материи. Туда можно кидать вещество или антивещество, излучение и что угодно. От всего этого остаются только три свойства: масса, степень вращения и электрический заряд, если он есть. Все остальное навсегда скрыто под горизонтом событий.

Для тех, кто дочитал, — впечатляющие вау-факты о черных дырах. Если допустить сжатие Солнца, то получится скромная по размерам черная дыра — с радиусом горизонта чуть меньше 3 км. А если бы удалось сделать черную дыру, имеющую массу Земли, то радиус горизонта был бы около 9 мм. Всю массу Земли надо упаковать в столь маленький объем, чтобы получить крохотную, но полноценную черную дыру. В апреле 2019 года был получен первый снимок черной дыры в истории наблюдений. Она находится в галактике М87 и поистине огромна: масса — около 6,5 млрд масс Солнца, радиус горизонта — больше 100 расстояний от Солнца до Земли.

О гравитации и тайнах Вселенной можно говорить бесконечно. Но лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Смотрите новый проект «Гравитация. Главная сила» с Алексеем Семихатовым на канале «Наука»!

Упавшее яблоко или плагиат: как Ньютон открыл закон всемирного тяготения

Как возникла Вселенная и что было дальше?

Человек, который поставил планеты на место