Гравитация: как самая слабая сила организует Вселенную, зажигает звезды и уничтожает время

Алексей Семихатов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории фундаментальных взаимодействий в Физическом институте им. Лебедева РАН:

— Во Вселенной есть самая слабая сила, которая на самом деле ее организует — гравитация. Гравитация создает основные структуры во Вселенной, запускает важнейшие процессы, главный из которых — зажигание звезд. Она страшно много рассказывает нам о том, как устроен космос. 

Во Вселенной есть всего две силы, которые действуют «далеко»: электромагнетизм и гравитация. Вроде бы у гравитации никаких шансов, потому что она в 4 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз слабее электромагнетизма. Но, в отличие от электромагнетизма, гравитация только притягивает — у нее нет отрицательных зарядов. И именно поэтому слабая гравитация всегда побеждает. Она создает элементы, из которых мы состоим (исходная Вселенная была заполнена водородом), собирает галактики, удерживает Землю вблизи Солнца, а атмосферу — на Земле, вызывает приливы.

Гравитация неразрывно связана с ходом времени: она замедляет время и может довести дело до его полной остановки, уничтожения.

Читайте также на DK.RU: Космический телескоп NASA сделал самую детальную фотографию вселенной

Главная странность и особенность гравитации в том, что она «в сговоре» с материей. Если я толкаю массивное и немассивное тела, то эффект разный: первые под действием одной и той же силы разгоняются медленнее. С гравитацией не так. Масса, которая измеряет инертность тела, его «леность», неохотность к движению — тяжелое трудно подвинуть, даже если нет никакого трения — одновременно является и гравитационным зарядом. Она показывает, на сколько нужно умножить напряженность гравитационного поля в этой точке. В результате гравитация как будто точно знает, какое тело «ленивее», и действует на него ровно во столько раз, во сколько оно массивнее. Поэтому под действием гравитации все тела ускоряются одинаково.

В воздухе это вроде бы не так: перо падает медленнее молотка. Но Галилей понял, что так будет, если устранить воздух. На самом деле он ничего не бросал с Пизанской башни. А вот командир «Аполлона XV» Дейв Скотт летом 1971 г. встал перед своим лунным модулем и бросил на поверхность перо и молоток — и они опустились на поверхность одновременно.

Правда, на Луне все падение прекращается на поверхности, а если ее убрать, то тела продолжают падать непрерывно. На орбите все апельсины, приборы, волосы и все на свете падает с одинаковым ускорением — мы испытываем невесомость. 

Невесомость — это признак отсутствия других сил, кроме гравитации. Одна гравитация универсальна — никакая другая сила так не действует. И то, что гравитация — сила, никакому сомнению не подлежит: попробуйте уронить кирпич себе на ногу.

Гравитация — это отчасти предписание. Первое предписание придумал Ньютон — закон всеобщего свободного падения:

g = G * (M/R 2). Ускорение свободного падения в направлении тела (Земли) = масса тела, деленная на расстояние до тела в квадрате и умноженная на мировую константу.

Этот закон действует, если всю массу положить в одну точку. Он не говорит заранее, как притягивает Земля. Но Ньютон добавляет, что притяжение от разных точек можно просто сложить. Однородный шаровой слой притягивает так, как если бы вся масса была сосредоточена в центре, — это математический факт. Земля не является таким шаром, у нее есть выпуклости и некоторая кособокость. Поэтому вблизи она притягивает совсем не по такой простой формуле.

Что для нас делает гравитация?

Гравитация зажигает звезды. Молекулярные облака водорода в длину измеряются десятками световых лет. И они собираются друг с другом под действием собственного тяготения — хотя для каждого отдельного атома оно ничтожно, больше ничего не нужно. Но их огромное количество. Как только в одном месте соберется более 80 масс Юпитера, гравитационное давление оказывается таким сильным, что внутри начинаются ядерные реакции. Из-за этого горит наше Солнце.

В звездах производятся новые элементы. Они бы там и остались, но гравитация помогает их разбрасывать: когда горение внутри звезды прекращается — то есть ядерное топливо кончается — то гравитация снова вступает в свои права. Ее больше не сдерживает давление света изнутри, внешние оболочки звезды падают внутрь, прямо на себя, ударяются, и происходит взрыв колоссальной силы, называющийся сверхновая. Одна звезда несколько дней может светить сильнее, чем вся галактика, в которой она находится. При этом создаются все элементы периодической таблицы Менделеева. Солнечная система — результат того, что когда-то такой взрыв произошел и у нас. По космосу были разбросаны элементы, а потом гравитация снова их собрала, и возникли звезды следующих поколений, в частности наше Солнце.

Гравитация определяет форму планет. Планета должна быть достаточно большой, и тогда ее форма близка к шару. Но это не относится к маленьким телам вроде комет и астероидов — силы их гравитации для этого недостаточно.

Гравитация определяет устойчивые орбиты планет, удерживает Землю вблизи Солнца. Мы не удаляемся от Солнца — оно все время нас притягивает и заставляет Землю поворачиваться вокруг него. 

Гравитация может не только притягивать, но и разрывать на части. Если Луну приблизить к Земле в 40 раз, то Земля будет притягивать ближний край Луны к себе сильнее, чем ее центр, и будет его отрывать. А у дальнего края Луны будет меньше желания поворачивать вокруг Земли, чем у центра. В результате Луна раскрошится с двух сторон и образуются кольца.

Мягкая форма разрыва — прилив. На ближней стороне Земли Лена притягивает каждый камень чуть сильнее, а на дальней стороне — чуть слабее. Луна как бы выдергивает центр Земли из-под ног у тех, кто стоит на противоположной стороне. Все эти эффекты ничтожны, но в промежуточных областях, между верхом и низом Земли, возникает эффект поглаживания вдоль поверхности. И, если там есть вода, то это поглаживание просто перегоняет воду насосом. Возникает два горба, под которыми Земля поворачивается — они называются приливной волной. 

Но все взаимно. Земля точно так же действовала на Луну, когда там было что-то жидкое. И поскольку Земля действует сильнее, Луна оказалась захвачена ее гравитацией. По этой причине мы видим ее повернутой к нам одной стороной. Это значит, что, когда вы гуляете по Луне, Земля не восходит и не заходит — она все время в одной точке лунного неба.

Достаточно ли гравитации в галактиках? 

Мы видим множество галактик, в которых звезды вращаются и не улетают — их притягивает к центру общая масса. Но ее недостаточно для того, чтобы они притягивались дальше. Мы можем оценить количество звезд и скорость их вращения и видим, что они не совпадают. Значит, есть скрытая масса. Современное представление состоит в том, что светящаяся, яркая галактика — макияж над темной материей, которая никак себя не представляет, кроме как гравитационно.

Гало из темной материи окружает большинство галактик, и по оценкам этой «темной» материи должно быть в пять раз больше, чем обычной, «светлой». Но нам не удается детектировать частицы темной материи. Может быть, у нас все-таки неполные представления о гравитации в галактических масштабах? Сейчас этот вопрос обсуждается.

В законе всеобщего тяготения отсутствует время. Кажется, что все происходит мгновенно через пустоту. 

Ньютон действительно был крут. Он понимал, что предложил предписание, которое не может быть верным. «Положение вещей, при котором гравитация была бы присуща материи внутренним и неотъемлемым образом так, чтобы одно тело воздействовало на другое на расстоянии через пустоту без посредничества чего бы то ни было еще, способного передавать воздействие или силу от одного тела к другому, представляется мне столь колоссальным абсурдом, что, как я полагаю, никто со сколько-нибудь развитым пониманием философских вопросов в него не впадет. Гравитация должна вызываться каким-либо агентом, действующим постоянно и в соответствии с определенными законами. Но вопрос о том, быть этому Агенту материальным или нематериальным, я оставил на Усмотрение моих читателей».  

В те времена у Ньютона не было никаких возможностей предвидеть концепцию Поля и не было никаких средств выразить это точнее. 

Предписание Эйнштейна: общая теория относительности 

ОТО — это наша современная теория гравитации. Она довольно сложно устроена, согласно ней пространство-время искривлено и говорит материи, как ей двигаться. А материя говорит пространству-времени, как ему искривляться. Оказывается, что гравитация — это что-то вроде геометрии с некоторыми странными поправками. Это ключевой момент, потому что он приведет нас к расширению Вселенной. Гравитация — это исчисление расстояний в пространстве-времени.

Что такое пространство-время? Представьте, что у вас есть игла самописца от какого-то прибора, которая ходит туда-сюда по ленте, колебаясь. Потом можно получить развернуть ленту и посмотреть: «Ага, вот здесь ничего не было, потом что-то случилось, потом были отголоски». Вы сразу смотрите на всю историю, и это развертка движения — пространство-время, если пространство одномерно. Игла знает только одно измерение. Вместо времени вы вытягиваете его вдоль этого листа.

Есть закон природы: маленькое тело, на которое действует гравитация (чего угодно), движется в трехмерном пространстве так, что развертка его движения в четырехмерном пространстве-времени — самый прямой путь между двумя событиями. Четырехмерное пространство-время искривлено, поэтому самый прямой из возможных путей не обязательно прямой, он может выглядеть так, будто нужно обходить препятствия. Это правда странный закон природы, тем не менее, он работает. 

Четырехмерное пространство-время нелегко себе представить. Искривленное — еще труднее. Но это не мешает математике работать так же, как в более наглядных ситуациях. Если вы когда-нибудь следили за треком самолета на картах, то знаете, что самые прямые пути не очень наивные. Если взять яхту и плыть от границы Пакистана с Ираном только по прямой, то вы попадете на российский Дальний Восток. Это правда прямой путь, что видно из других проекций, но на карте он так не выглядит.

Карта искривлена, в двумерной плоскости она искажает истинные площади и расстояния. Например, Гренландия в 14 раз меньше Африки, а на картах они выглядят примерно одинаково. Можно определить математически, какие пути самые прямые в искривленном времени-пространстве.

Но мы не смотрим на пространство-время со стороны, мы живем в пространстве и ощущаем ход времени.

Материя говорит пространству-времени, как ему искривляться. «Разговаривают» там в основном энергия и родственные ей вещи: импульс, давление, касательные натяжения. Уравнение Эйнштейна — тоже закон природы. Это два предписания, которые гораздо полнее и динамичнее описывают гравитацию, потому что они описывают, что происходит рядом с телом и вдали от него. 

Энергия рождает вполне определенное искривление пространства-времени. Чем медленнее течет время, тем гравитация сильнее. Тот, кто сидит ближе к земле, стареет чуть-чуть медленнее, чем тот, кто работает на самом высоком этаже небоскреба. Это измерили экспериментально 7-8 лет назад с помощью охлажденных ионов: доли ничтожные, но эффект есть. 

Оказывается, функция, выражающая это замедление, и есть гравитация Ньютона, о чем он не подозревал. 

Как устроены черные дыры

Сначала поговорим про свет. Это замечательная штука: космический корабль можно куда-то увести, планету в принципе можно сдвинуть, а со светом ничего такого сделать нельзя. Свет, летящий в пустоте, управляется только гравитацией. Световые траектории в пространстве таковы, чтобы в пространстве-времени он был наиболее прямой. Недавно благодаря гравитационному линзированию обнаружили сверхмассивную черную дыру.

Свет, пролетающий неосмотрительно близко к черной дыре, падает навсегда. Поэтому точечный источник выглядит как черный диск, и внутри есть область неотвратимого падения тела — она и называется черная дыра. Это не тело, у него нет твердой границы. Это область такого искривленного пространства-времени, что даже свет туда падает. Очень грубо говоря: как если бы вы светили фонариком вверх, то свет бы падал примерно также, как брошенное яблоко. Он не может оттуда выбраться. 

Граница черной дыры называется горизонт или горизонт событий. Потому что все события, которые происходят внутри, навсегда потеряны для тех, кто остался снаружи. Нет никакого способа никогда в будущем узнать, что там происходит. Когда гравитация становится сверхсильной, она скрывает происходящее внутри от внешнего наблюдателя. Мы можем только строить догадки на основе математического понимания. 

Если вы падаете в черную дыру, то после того как пересекли горизонт, центр черной дыры станет моментом будущего времени. Только сообщить об этом вы уже никому не сможете. 

Наступление полуночи сегодняшнего дня неотвратимо, едете ли вы на машине или ракете. Точно так же в черной дыре для вас наступит момент сингулярности: ее центр станет для вас моментом будущего. Можно сказать, что, чтобы выбраться из черной дыры, нужна не ракета, а машина времени. И это свойство сильной гравитации.

Но там есть и дополнительное веселье: если ваш источник гравитации вращается, то, когда вы будете падать, вас будет сносить вбок, хотя между вами и им пустота. Это было измерено самым точным в мире экспериментом Gravity Probe B. Вокруг вращающейся черной дыры возникает область, где нельзя не вращаться, и там пространство и время тоже меняются местами. Время вытягивается вдоль окружности!

Конечно, это фантастика, и, может, об этом снимут фильм, но, возможно, какая-то сверхразвитая цивилизация получает энергию, имея в своем распоряжении удобные, хорошо вращающиеся черные дыры. 

Из-за того, что гравитация оказалась управлением расстояниями в пространстве и времени, у нас появились небывалые возможности для описания Вселенной. Самые далекие галактики разлетаются, и это называется расширением Вселенной. Те, что далеко, улетают быстро. Нет единой скорости, все расстояния увеличиваются. Как это может быть? Это правда трудно вообразить.

Уравнения, из которых это следует, написал Эйнштейн, и он мог бы это открыть. Но в то время еще не было понятно, что галактика не единственная во Вселенной, структура космоса была неясна. И философская идея была в том, что мир одинаков в пространстве и времени, что он не меняется. Эйнштейн попробовал применить всю свою теорию: ему хотелось увидеть стационарную Вселенную, потому что такова была его философская предпосылка. И он выяснил, что уравнения не хотят давать такого решения. В поисках он фактически пропустил возможность другого решения, которое открыл Фридман. Тот открыл, что есть решения уравнения Эйнштейна, где Вселенные не стационарны и либо расширяются, либо схлопываются. Нам повезло жить в той, которая расширяется. 

Текст подготовлен на основе выступления спикера в екатеринбургском Ельцин Центре и представляет собой сокращенную версию лекции.