Гравитация

Что там с гравитацией в Космосе?

В мире очень много мифов. Я говорю не про те, которые родились в древней Греции, а о тех, которые люди придумывают до сих пор просто от незнания. Часто какая-то информация или искажается, или просто неправильно понимается одним человеком и распространяется среди других. Так и получается, что мы знаем о предметах и явлениях то, чего на самом деле нет. Чтобы развеять такие мифы, мы периодическим публикуем разоблачительные статьи, в которых рассказываем истинную природу вещей и то, как они устроены. Для этого мы собираем мнения ученых, исследователей и просто здравый смысл. Все вместе это позволяет разобраться в природе вещей и, что называется, стать умнее. На это раз мы поговорим о гравитации, которая вызывает немало споров. А еще голивудские фильмы сильно портят нам представление о том, что же это такое на самом деле.

Что сильнее- электромагнитная или гравитационная сила

Многие думают, что именно электромагнетизм сильнее гравитации. В целом, если не придираться к некоторым тонкостям, это правда, но, как всегда, есть некоторые но.

Электромагнетизм — это сила, которая возникает на самом микроскопическом уровене и в некотором роде является основной всей механики, создавая основные силы. Например, в атоме чего-либо (допустим водорода) есть протоны, которые летают вокруг электронов. В итоге у нас есть электрический заряд и масса. Первый определяет силу электромагнитного взаимодействия, а второй уже относится к гравитации.

Ученые обнаружили неизвестный источник гравитационных волн

Эти силы рассматривают по отдельности из-за того, что они имеют свое влияние на разном уровне. Ни для кого не секрет, что электромагнитные частицы одного заряда отталкиваются, а противоположного — притягиваются. Если мы имеем дело с системой, в которой есть частицы с положительными и отрицательными зарядами, то можно считать, что она нейтральна. Примером может служить атом, который находится, как бы в равновесии.

Если мы возьмем огромное количество атомов и начнем рассматривать, например, планету, то расстановка сил изменится. В этом случае все тело в целом будет иметь плюс-минус нейтральный заряд и на первый план выйдет именно сила гравитации. То есть электромагнетизм действительно силен, но только когда речь идет о связи элементарных частиц. На этом уровне он действительно сильнее гравитации. Если говорить о больших объектах, то гравитация важнее.

На микроуровне все уравновешено собственными силами.

Может ли парад планет уменьшить гравитацию

Бытует мнение, что парад планет способен уменьшить гравитацию на нашей планете, но это чистой воды выдумка. Ну, или просто заблуждение.

Парад планет — это такое явление, когда планеты выстраиваются относительно Солнца в одну линию. Правда, на одной прямой они все равно не окажутся и будут небольшие отклонения по оси. Но этого достаточно, чтобы немного изменить гравитационное взаимодействие планет.

Скоро на орбите появится космический отель с искусственной гравитацией

Если не вдаваться в физические формулы, то можно сказать, что сила гравитации тем больше, чем ближе друг к другу объекты или чем больше их размер. Например, Венера оказывает большое влияние на Землю из-за того, что она близко. При этом она не очень большая. Сатурн находится далеко, но он огромен, и поэтому тоже может оказывать влияние на Землю.

Находясь на поверхности нашей планеты, под гравитацией мы как правило понимаем не силу притяжения, а наш вес. Относительно других планет мы постоянно падаем вместе с Землей, но наш вес при этом не меняется.

Планеты не выстраиваются именно так. Отклонения все равно есть.

Впрочем, некоторый эффект от парада планет все же есть. Но мы все равно говорим, что его нет. Все из-за того, что отклонение получается очень небольшим. Если говорить о человеке, то он ощутит это, как изменение веса примерно на одну миллионную грамма. Проще сказать, что изменения нет, чем высчитывать это значение.

Совсем другое дело, если говорить о влиянии на нашу планету гигантского по сравнению с ней Солнца или очень близкой к нам Луны. Оба этих небесных тела могут оказывать влияние на Землю, вплоть до появления приливов и отливов. Но в случае с планетами говорить о таком воздействии не приходится.

Искусственная гравитация перестаёт быть фантастикой.

Что будет с телом около черной дыры

Некоторые ошибочные суждения предполагают, что тело, которое оказалось около черной дыры, должно быть разорвано на части. Не переживайте, этого не произойдет.

Когда какое-либо тело приближается к черной дыре, сила гравитации и приливные силы начинает очень сильно расти, но совсем не обязательно, что приливные силы становятся очень большими при подлете к горизонту событий.

Черная дыра совсем не обязательно должна разрывать тело на части

Приливными силами называют те силы, которые возникают в телах, свободно движущихся в неоднородном силовом поле. Может показаться, что действие таких сил может влиять на приливы и отливы на Земле, и это действительно так. Собственно, название этих сил от этого и произошло.

Приливные силы зависят от расстояние до тела и его размера. Важно, что расстояние считается от центра, а не от края. Размер черной дыры прямо пропорционален ее массе. Из этого можно сделать вывод, что если один и тот же предмет будет попадать в черные дыры разного размера, то только от массы черной дыры будут зависеть приливные силы. А исходя из сказанного о массе и размере, можно сделать вывод, что чем больше дыра, тем меньше приливные силы будут на горизонте.

То есть, если черная дыра будет относительно небольшой, она действительно может оказать влияние на подлетающие к ней тела. Но если размер черной дыры будет огромным, то она просто поглотит тело и все. На этом основаны некоторые фантастические фильмы, где герои попадают в черную дыру и с ними ничего не происходит.

В фильме Интерстеллар герои смогли пройти через черную дыру благодаря ее размеру.

Есть ли в космосе гравитация

Когда мы смотрим кино о космосе или видим трансляцию с МКС, в которой космонавты парят в невесомости, многие из нас думают, что там нет гравитации. Это ошибка.

На самом деле гравитация на орбите не то, что есть, она там почти ничем не отличается от той, что мы ощущаем на Земле. Если брать расстояние от центра Земли до МКС, то оно будет примерно на 10 процентов больше расстояния от центра Земли до ее поверхности. Если вспомнить, что гравитация зависит от размера тел и от их расстояния друг от друга, то становится понятно, что гравитация на орбите сильно меньше земной.

Впервые зафиксированы гравитационные волны от слияния черной дыры и нейтронной звезды

Космонавты могут ощущать невесомость не из-за того, что на орбите нет гравитации, а из-за того, что они постоянно находятся в состоянии свободного падения вместе со своим кораблем или космической станцией. Тем не менее, если поставить огромную стремянку и подняться на верхнюю ступеньку, которая будет на высоте орбиты МКС, мы не взлетим, а будем стоять на ней. Сила нашего притяжения немного изменится, но не настолько, чтобы взлететь.

Это не из-за отсутствия гравитации, а наоборот, из-за того, что она есть.

Если говорить совсем просто, космическая станция на орбите движется с огромной скоростью и постоянно стремится как бы пролететь мимо Земли. Ее гравитация в свою очередь удерживает станцию от улета. В итоге, космонавты с их кораблем крутятся вокруг Земли и за счет центробежной силы находятся в уравновешенном состоянии невесомости. Получается, что гравитация на орбите есть и более того, именно она позволяет космонавтам испытывать невесомость, как бы парадоксально это не прозвучало.

Ученые возобновили поиск гравитационных волн при помощи улучшенных детекторов

Как долго спутники могут летать вокруг Земли

Считается, что искусственные спутники Земли или другие небесные тела могут вращаться вокруг нашей планеты вечно. Это не совсем так, хотя доля истины в таком рассуждении есть.

Все зависит от того, на какой орбите находится спутник. Если он находится на низкой орбите, то там есть хоть небольшое, но сопротивление атмосферы. В итоге, набранная им скорость, которая компенсирует силу притяжения за счет центробежной силы, будет постепенно падать. По мере падения скорости, орбита спутника будет постепенно снижаться, а скорость падать еще больше. В итоге рано или поздно он упадет. Конечно, если постоянно не приводить его в движение двигателем. Но мы рассматриваем пример, в котором он летает сам по себе. Например, если произошел конец света и управлять им некому.

На орбите очень много всего, но со временем она сама очистится от мусора и прочих объектов.

Если поднять спутник на такую орбиту, где влияние атмосферы нет, то там начинаются другие факторы, и на спутник будут оказывать гравитационное воздействие Луна, Солнце и другие планеты. Каждое такое воздействие будет небольшим, но если мы говорим о времени в масштабах вселенной, то такие силы приведут к хаотичному изменению орбиты спутника. В итоге изменится скорость спутника, ли его расстояние от Земли. Все это приведет к дисбалансу сил, которые удерживали его на орбите и он или улетит в открытый космос, или уйдет на более низкую орбиту, а там атмосфера, сопротивление и до свидания.

В далеком космосе обнаружены круглые, таинственные объекты

В итоге, спутник может летать вокруг Земли долго, но не бесконечно. Что уж там говорить, если даже Луна постепенно убегает от нас в открытый космос и рано или поздно полностью покинет гравитационное поле Земли?

Как видим, мифов о гравитации, как и о любом другом явлении, много. Например, наш Рамис Ганиев буквально недавно подготовил статью о мифах, касающихся Солнца, а я некоторое время назад писал о мифах, касающихся радиации. Разобрав наши разоблачения, можно чуть лучше понять наш мир. Мы продолжим публиковать статьи о подобных мифах, а вы напишите в комментариях или в нашем Telegram-чате, о чем бы вам хотелось получше узнать из того, что часто сопровождается большим количеством заблуждений. Разберем и все покажем-расскажем.

Атомные часы демонстрируют как устроена Вселенная

Гравитация является самой главной силой во Вселенной. Именно она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца. Она же удерживает Луну на земной орбите и создает звезды и планеты, притягивая материал, из которого они состоят. Но что особенно интересно, так это способность гравитации притягивать свет. Этот принцип открыл Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как кривую в пространстве она огибает объект, например звезду или планету. И если поблизости находится другой объект, он также втягивается в кривую. Согласно Общей теории относительности (ОТО), время движется медленнее вблизи массивных объектов, так как их гравитационная сила изгибает пространство-время, которые неразрывно связаны. Это означает, что большие массы деформируют ткань пространства-времени своим огромным гравитационным влиянием. Недавно в научном журнале Nature вышла интересная статья. Ее авторы утверждают, что атомные часы, разделенные всего несколькими сантиметрами, измеряют разные скорости времени как и предсказывал Эйнштейн.

Универсальный закон тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, стал первой работой по объединению фундаментальных сил в физике.

Как устроена Вселенная?

• Начнем с того, что в основе современной физики лежат четыре фундаментальных силы природы:

• Электромагнетизм (физическое взаимодействие, которое происходит между электрически заряженными частицами);
• Слабое ядерное взаимодействие (физическое взаимодействие распада атомных ядер);
• Сильное ядерное взаимодействие (физическое взаимодействие в котором участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них частицы адроны);
• Гравитация (универсальное фундаментальное взаимодействие между материальными телами, обладающими массой. При этом именно гравитация является самой слабой из всех существующих сил).

Несмотря на то, что гравитация является самой слабой из четырех сил, именно она определяет, как устроена Вселенная в широком масштабе, на уровне планет и галактик. По этой причине гравитация может показаться универсальной силой, но на деле это не так.

Гравитация оказывает влияние на ткань пространства-времени.

Согласно ОТО, сформулированной Эйнштейном в 1916 году, гравитация не является свойством отдельных тел, речь идет о Вселенной в целом.

Выходит, ОТО описывает гравитацию не просто как силу, но как геометрию. Гравитация по Эйнштейну это следствие того, как материя искажает пространство-время. Знаменитый физик также предполагал существование гравитационных волн, ведь массивные объекты не только искажают пространство-время, они создают в нем рябь. Это происходит когда два объекта, например черные дыры, сталкиваются друг с другом.

Открытие гравитационных состоялось в 2016 году. Подробнее об этом научном прорыве рассказывал мой коллега Артем Сутягин, рекомендую к прочтению.

Гравитация и замедление времени

И все же принципы теории относительности не сочетаются с квантовой механикой, которая рассматривает Вселенную на уровне взаимодействия элементарных частиц. Несовместимость этих теорий одна из важнейших проблем современной науки. Хотя небольшая лазейка у физиков все же есть.

Чтобы приблизиться к созданию Теории всего и разобраться в устройстве Вселенной, исследователи решили обратить внимание на гравитационное замедление времени. Этот удивительный феномен также не противоречит постулатам квантовой механики время под действием сильной гравитации действительно меняет свой ход.

Гравитационное замедление времени это физическое явление, которое заключается в изменении темпа хода часов в гравитационном потенциале

Атомные часы наиболее точный на данный момент инструмент для измерения времени.

Ранее это удалось доказать измерив замедление времени двух атомных часов, расположенных друг над другом на расстоянии всего 33 см. Даже на таком небольшом расстоянии часы смогли обнаружить заметные изменения гравитации. Однако наличие двух отдельных атомных часов, расположенных близко друг к другу, физически невозможно. По этой причине авторам исследования пришлось разработать новые часы специально для эксперимента. Но что представляют собой эти приборы?

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Атомные часы: как узнать точное время?

Атомные часы самый точный прибор для измерения времени. Эти устройства состоят из нескольких частей, а их электроника ответственна за стабильность работы и точность механизма. Несмотря на то, что атомные часы устройства сложные, изготовить их и использовать могут в любой стране мира. Сами по себе эти приборы не тяжелые и небольшие (а определение секунды основано на колебаниях атома цезия).

В ходе нового исследования, опубликованного журнале Nature, ученые уменьшили размер атомных часов. Это стало возможным благодаря замене пружин и шестеренок на специальный механизм, который позволил определять частоту электромагнитного излучения атомов цезия с помощью воздействия на частицы лазерным лучом.

Новые атомные часы отстают всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет

Не пропустите: Время на квантовом уровне течет иначе. Но как? И что это означает для физики?

В конечном итоге физики превратили атомные часы в набор из 15 независимых измерительных приборов, удаленных друг от друга на расстоянии шести микрометров. С помощью нового устройства исследователи смогли контролировать перемещение частиц и «послойно» замерить частоту колебаний облака из нескольких сотен тысяч атомов стронция-87, заключенных внутри специальной световой ловушки.

Наиболее важным и захватывающим результатом нашей работы является потенциальная возможность связать квантовую физику с гравитацией, так как частицы распределены в разных местах в искривленном пространстве-времени, объясняет один из авторов нового исследования Йе Цзюнь из Национального института стандартов и технологий США.

Сопоставив полученные данные авторы работы пришли к выводу, что гравитационное замедление времени можно применить к микрообъектам, которые подчиняются законам квантовой механики. Результаты эксперимента также показали, что не существует никаких препятствий для создания новых часов, которые будут работать в 50 раз точнее всех имеющихся на сегодняшний день устройств.

Для измерения гравитационного замедления времени требуются сверхточные часы.

Интересный факт
В мае 2021 года астрономы создали наиболее полную карту темной материи во Вселенной, которая выявила, что гравитация внутри космических пустот не подчиняется теории относительности.

Таким образом, основываясь на одном из заключений Общей теории относительности Эйнштейна (время в присутствии гравитационных полей разной силы и при движении с большой скоростью течет неоднородно), физики наконец смогли доказать существование гравитационного замедления времени. Оказалось, оно не проявляло себя на малых масштабах но оказала влияние на ход часов в полном соответствии с предсказаниями теории относительности.

Вам будет интересно: Физики впервые связали два разных квантовых объекта

Что-то новенькое

Но этот невероятный результат только начало. В будущем физики планируют повысить точность измерений используя атомные часы для наблюдений за тем, как гравитация влияет на работу сложных квантовых систем. Таким образом модернизированные атомные часы позволят добиться более точных данных в будущих исследованиях.

Выходит, нас с вами точно ждут невероятно интересные открытия. Безусловно, ученым предстоит много работы, но при удаче, решимости и постоянном финансировании усовершенствованные атомные часы могли бы проложить путь к разгадке одной из самых больших загадок физики и наконец создать Теорию всего.

Новые сверхточные атомные часы могут почувствовать гравитационные волны

Это интересно: Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Интересно и то, что атомные часы можно применять не только для расширения границ известной физики частиц. Их помощь пригодится и астрофизикам в поисках таинственной темной энергии, масса которой превышает массу обычного вещества во Вселенной (в пропорциях 5 к 1).

Благодаря точности измерений, атомные часы могут помочь в картографировании внутреннего строения Земли, измеряя гравитацию с невероятной точностью. Более того, атомные часы ключ к созданию инструментов для изучения тайн физики.

Согласно общей теории относительности, атомные часы на разных высотах в гравитационном поле должны тикать с разной скоростью.

Более того, атомные часы могут служить как микроскопы, позволяя увидеть мельчайшие связи между квантовой механикой и гравитацией, так и телескопами, созданными для наблюдений за самыми удаленными уголками Вселенной.

Больше по теме: Сможет ли телескоп Джеймс Уэбб обнаружить внеземную жизнь?

Недавно в космос был запущен телескоп Джеймс Уэбб. Его создатели отмечают, что открытия, сделанные с помощью астрономического инструмента, позволят узнать какой наша Вселенная была в первые микросекунды после Большого взрыва.

Мы знаем о гравитации со времен Ньютона, но по-прежнему пытаемся ее понять

Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию это попытка взглянуть на нее иначе, например, как на что-то вроде голограммы трехмерного эффекта, который появляется на плоской двумерной поверхности. Идея заключается в том, что нам лишь кажется, что мы живем в трехмерной вселенной на самом деле изменений может быть только два. Такой взгляд на мир называется голографическим принципом. Итак, представим, что некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира, и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая выглядит так, будто у нее есть глубина.

Как понять Вселенную

Безусловно, голографическая Вселенная кажется абсурдом. Но когда физики, исходя из расчетов, предполагают нечто подобное, это означает, что всевозможные фундаментальные физические проблемы например природа черных дыр и согласование гравитации и квантовой механики становятся проще. Если совсем просто, то законы физики имеют больше смысла, когда описаны в двух измерениях, а не в трех.

Однако существуют важные различия. Во-первых, не существует прямых доказательств того, что наша Вселенная является двумерной голограммой. Во-вторых, подобные вычисления не то же самое, что математическое доказательство.

Голограмма это изображение системы, полученное при помощи меньшего количества измерений, способное вместить в себя всю информацию из оригинальной системы.

Больше по теме: Наша Вселенная родилась в лаборатории?

Скорее, это интригующие предположения. Сомнения вызывает также тот факт, что проверить эту теорию экспериментальным путем невозможно. И все же, сама идея того, что наша Вселенная голограмма, возникла из пары парадоксов, которые касаются странной физики черных дыр.

Хранят ли черные дыры информацию?

В 1974 году знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг обнаружил, что черные дыры испускают небольшое количество излучения с течением времени. Когда эта энергия уйдет с горизонта событий внешнего края черной дыры черная дыра должна полностью исчезнуть. Эта идея породила так называемую проблему потери информации в черной дыре.

Долгое время считалось, что физическая информация не может быть уничтожена: все частицы сохраняют свою первоначальную форму, а если они изменяются, то влияют на другие частицы. Таким образом в конце жизненного цикла черной дыры можно определить исходное состояние набора частиц.

Кто знает, быть может наш мир и вся Вселенная это голограмма

Но тут возникает проблема: если черная дыра исчезает, то вся информация, присутствующая в любом поглощенном объекте, по-видимому, исчезает тоже.

В конце ХХ века исследователи предположили, что когда объект оказывается внутри черной дыры, то оставляет после себя своего рода 2D-отпечаток, информация о котором закодирована на горизонте событий. Позже, когда излучение покидает черную дыру, оно улавливает отпечаток этих данных.

Это интересно: Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ученые?

Таким образом информация на самом деле не исчезает бесследно. Проведенные расчеты показали, что хранить информацию можно только на двумерной поверхности черной дыры. И с помощью этой информации можно полностью описать любые, казалось бы, трехмерные объекты внутри нее.

Вся информация, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как голограмма

Напомним, что черные дыры ведут себя в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна. Но крошечные частицы за пределами черных дыр играют по правилам Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает Вселенную в абсолютных мельчайших масштабах.

Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал в Telegram. Так вы точно не пропустите ничего интересного!

От черных дыр до всей Вселенной

Взгляд на всю Вселенную как на двумерный объект, который лишь кажется трехмерным, может помочь решить некоторые более серьезные проблемы в теоретической физике. Дело в том, что математика работает вне зависимости от того, идет ли речь о черной дыре, планете или целой Вселенной.

Более того, рассматривая вселенную в двух измерениях, исследователи смогли создать теорию струн широкую структуру, в которой основными строительными блоками Вселенной являются одномерные струны, а не частицы четко согласованной с хорошо установленными законами физики элементарных частиц. Можно даже сказать, что голографический принцип объединил теорию гравитации с теориями физики частиц.

И да, все это все сильно отличается от утверждения о том, что наша Вселенная а не эта странная гипотетическая является голограммой.

математически, Вселенная требует только двух измерений. Все остальное лишь иллюзия

Но несмотря на отсутствие доказательств, голографический принцип предсказывает, что существует предел того, сколько информации может содержать пространство-время, потому что наше кажущееся трехмерным пространство-время кодируется ограниченным количеством 2D-информации.

Читайте также: Ученые приблизились к пониманию того, почему существует Вселенная

Голографическая двойственность также предполагает, что трехмерная вселенная, подобно пространству внутри черных дыр, математически связана с двумерной вселенной. И если математика действительно является языком Вселенной, то когда-нибудь ученые найдут ответы на многочисленные вопросы о том, является ли наш мир симуляцией, частью бесконечной Мультивселенной или чем-то совершенно иным, о чем никто на нашей голубой планете пока не знает.

Многие физики полагают, что кротовые норы реальны и могут находиться по всей вселенной. включая нашу галактику.

Существует вопросы, ответы на которые мы никогда не узнаем. Взять, к примеру, черные дыры эти таинственные космические объекты встречаются по всей Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что все расположенные поблизости объекты будут неизбежно ими поглощены. И если мы в состоянии обнаружить черные дыры и предположить что происходит внутри, то узнать что именно находится за горизонтом событий не представляется возможным. Ни один живой организм никогда не сможет оказаться внутри этих космических монстров. Наука, однако, позволяет делать определенные предположения. Так, общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) гласит, что все объекты поглощенные черной дырой остаются в ней навсегда. Даже кванты самого света не способны вырваться наружу. Но в 1970-х годах ХХ столетия физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры должны испускать излучение, тем самым создавая парадокс.

Информационный парадокс потеря информации в результате формирования, излучения и распада черных дыр.

Испаряются ли черные дыры?

Звучит немного странно, но черные дыры на самом деле испускают слабое излучение. Именно оно в конечном итоге уносит энергию прочь от черной дыры. Более того, это слабое свечение полностью истощает черную дыру, знаменуя тем самым ее исчезновение. Все, что от нее остается это свет.

В 1970-х годах расчеты ученых предполагали, что свет почти не содержит в себе информации. Черные дыры, казалось, уничтожали не только поглощенные объекты, но и любые данные о том, чем эти объекты были. И все же существует небольшая проблема согласно квантовой механике, это попросту невозможно.

Черные дыры испаряются, но как именно большой вопрос

Напомним, что основной принцип квантовой механики заключается в изучении поведения частиц на субатомном уровне. Если вы знаете текущее состояние любой системы, то знаете все, что нужно знать о ее прошлом и будущем.

Каким-то образом черные дыры, казалось, уничтожали информацию, которая, согласно квантовой теории, не может быть уничтожена. Эта проблема самый настоящий информационный парадокс, который сбивал физиков с толку на протяжении десятилетий.

Еще больше увлекательных статей о последних научных открытиях в области астрофизики и космологии, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи которых нет на сайте!

Но за последние несколько лет физики-теоретики определили ключевые моменты, упущенные из виду в первоначальных расчетах Хокинга. Расчеты, завершенные в 2019 году, наконец дали ученым представление о том, как эта информация может сохраниться. К тому же, изучение того, как именно работают квантовые вычисления, может подарить новые знания о том, что представляет собой теория квантовой гравитации.

Связаны ли черные дыры и червоточины?

Недавно исследователи обнаружили кое-что интересное: кротовые норы или червоточины могут соединять разные отдаленные регионы Вселенной. Это может пролить свет на то, что все-таки происходит с информацией о материи, поглощаемой черными дырами.

Кротовая нора (или червоточина) гипотетическая структура, которая позволяет пройти сквозь пространство-время и оказаться в другой галактике. Интересно, что червоточины существуют благодаря гравитационному воздействию черных дыр.

Кротовые норы могут быть порталом в другие галактики

В конце концов черная дыра полностью испарится как и любая информация о ее поглощенном содержимом. Но это противоречит фундаментальному изречению квантовой физики: информация не может исчезнуть из Вселенной.

И вновь это означает, что общая теория относительности и квантовая механика в их нынешнем виде несовместимы друг с другом. Мы должны найти единую структуру для квантовой гравитации пишут авторы нового исследования.

Многие физики также подозревают, что информация ускользает из черных дыр несколько необычно каким-то образом она остается закодированной в излучении. Чтобы узнать так это или нет, исследователи вычисляют энтропию излучения, которая измеряет, сколько информации теряется за пределами черной дыры. Напомним, что энтропия это мера беспорядка, хаоса.

Больше по теме: Смогут ли люди когда-нибудь путешествовать сквозь червоточины?

В 1993 году физик Дон Пейдж подсчитал, что если информация не будет потеряна, энтропия сначала возрастет, но затем упадет до нуля это будет происходить по мере исчезновения черной дыры.

Выходит, когда физики просто объединяют квантовую механику со стандартным описанием черных дыр в общей теории относительности, они, вероятно, ошибаются энтропия постоянно растет по мере того, как черная дыра сжимается то есть, теряет информацию.

Представить кротовую нору можно, сложив листок бумаги пополам, а затем проткнуть его. Это отверстие и будет подобием кротовой норы.

Недавно исследователи смогли изучить как черные дыры имитируют червоточины, обеспечивая путь эвакуации информации. Необходимо понимать, что это не червоточина в реальном мире, а способ математического вычисления энтропии излучения. Таким образом червоточина соединяет внутреннюю часть черной дыры и излучение снаружи, словно мост.

Не пропустите: Наша Вселенная это голограмма? И при чем тут черные дыры?

Что происходит с информацией?

После проведения подробного анализа, авторы научной работы объединили стандартное описание и изображение червоточины. Полученный результат совпал с ранними предсказаниями, так что физики, вероятно, правы, предполагая, что информация сохраняется даже после гибели черной дыры.

«Мы обнаружили новую геометрию пространства-времени со структурой, подобной червоточине, которая была упущена из виду при стандартных вычислениях», объясняют физики. «Энтропия, вычисленная с использованием новой геометрии, дает совершенно другой результат».

Изучение черных дыр может дать ответы на самые большие вопросы по происхождению нашей Вселенной

Больше по теме: Черные дыры могут оказаться порталами для путешествий сквозь пространство и время

Несмотря на возросшее количество вопросов и желание разобраться в том, как возникла и как устроена Вселенная, гравитацию придется рассматривать как квантовое явление. Все потому, что без теории квантовой гравитации понять что происходит с информацией невозможно, а значит будем ждать дальнейших открытий.

Миниатюрная вселенная показывает, что частицы могут возникать из пустого пространства

Cовременная физика переживает нелегкие времена. На одной стороне лежит квантовая теория, которая описывает устройство Вселенной на уровне атомов, а на другой Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), согласно которой пространство и время могут искривляться под влиянием гравитации. Проблема заключается в том, что по отдельности и ОТО и квантовая механика работают прекрасно, но противоречат постулатам друг друга. По этой причине физики трудятся над созданием единой «теории всего» на протяжении последних 90 лет. Вот только с каждым новым открытием вопросов становится все больше, однако исследователи не оставляют попыток докопаться до истины результаты первого в своем роде эксперимента показали, что в искривленной и расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Полученный в ходе моделирования результат вновь возвращает нас к вопросу о том, как что-то может возникнуть из ничего. Словом, шаг вперед и два назад.

Первый в своем роде эксперимент, моделирующий космос с ультрахолодными атомами калия, предполагает, что в искривленной, расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства.

Откуда берутся частицы?

Первый в своем роде эксперимент, моделирующий космос с ультрахолодными атомами калия, предполагает, что в искривленной, расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Этот новаторский эксперимент призван к лучшему пониманию космических явлений, обнаружить которые непросто, ведь частицы могут возникать из пустого пространства по мере расширения Вселенной.

В ходе работы физики из Гейдельбергского университета в Германии охладили более 20 000 атомов калия в вакууме, используя для их замедления и понижения температуры лазеры.

Конденсат Бозе-Эйнштейна позволяет физикам управлять атомами

В результате экстремального охлаждения, атомы образовали небольшое облако (шириной примерно с человеческий волос), превратившись в квантовое, похожее на жидкость вещество конденсат Бозе-Эйнштейна.

Когда атомы становятся конденсатом Бозе-Эйнштейна ими можно управлять, направив на них свет, после чего установить их плотность, расположение в пространстве и то, какой эффект они оказывают друг на друга. Подробнее мы рассказывали в одной из предыдущих статей, не пропустите.

По сути новый эксперимент позволяет изменять свойства атомов, заставляя их следовать уравнению, которое в реальной вселенной определяет ее свойства, включая скорость распространения света и влияние гравитации вблизи массивных объектов. Как отмечают авторы научной работы, это первый эксперимент, в котором холодные атомы использовались для моделирования искривленной и расширяющейся (с ускорением) Вселенной.

На микро уровне Вселенная выглядит иначе, подчиняясь законам квантовой механики

Когда исследователи направили свет на замороженные атомы, они двигались так, словно возникающие в настоящей Вселенной пары частиц. Новый эксперимент позволяет объединить квантовые эффекты и гравитацию, что удивительно, так как физики не совсем понимают, как две противоречащие друг другу теории сочетаются во вселенной. Это также означает, что будущие эксперименты с могут привести к лучшему пониманию квантовых Вселенной и, возможно, приблизиться к созданию теории всего.

Больше по теме: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

Вселенная вероятностей

Наша расширяющаяся вселенная, по сути, является вполне допустимым решением уравнений общей теории относительности. Однако скорость ее расширения создает проблемы для квантовой механики существует множество возможных состояний, в которых могут находиться частицы. Но возникает вопрос если пространство расширяется со все возрастающей скоростью, растет ли количество частиц в ней? И можно ли получить что-то из ничего?

Представим, что перед нами пустое пространство предел физического небытия, который при определенных условиях и манипуляциях неизбежно приведет к появлению чего-то. Так, столкновение двух частиц в бездне пустого пространства может привести к возникновению пары частица-античастица. Если мы попытаемся отделить кварк от антикварка, то новый набор пар должен возникнуть из пустого пространства между ними.

Ученые по-прежнему не могут объяснить все законы квантового мира, включая квантовую запутанность (ее называл жуткой Альберт Эйнштейн)

Теоретически достаточно сильное электромагнитное поле может вырвать частицы и античастицы из вакуума, даже без каких-либо начальных частиц или античастиц вообще, объясняют физики.

В начале 2022 года в простой лабораторной установке, использующей уникальные свойства графена, были созданы сильные электрические поля, позволяющие самопроизвольно создавать пары частица-античастица из ничего. Вы удивитесь, но предположение о том, что из пустоты можно создать что-то появились примерно 70 лет назад тогда эта мысль пришла в голову к одному из основателей квантовой теории Джулиану Швингеру и впоследствии получила подтверждение. Вселенная действительно создает что-то из ничего.

Еще больше интересных статей о том, каким законам подчиняется Вселенная и что это говорит о нашей реальности читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Это означает, что на фундаментальном уровне в нашей вселенной атомы можно разбить на отдельные частицы кванты, которые, однако, дальше не расщепить. То же самое верно как об электронах, нейтрино и их аналогов из антивещества. Та же участь ожидает фотоны, глюоны и бозоны (включая бозон Хиггса). Однако, если убрать все эти частицы, оставшееся пустое пространство таковым на самом деле не будет во многих физических смыслах.

Точно так же, как мы не можем отнять у Вселенной законы физики, мы не можем отнять у нее квантовые поля, которые ее пронизывают. С другой стороны, независимо от того, как далеко мы отодвинем любые источники материи, существуют две силы дальнего действия, последствия которых все равно останутся: электромагнетизм и гравитация.

Вселенная подчиняется законам гравитации, природу которой физики по-прежнему не понимают

Хотя мы можем создать хитроумные установки, гарантирующие, что напряженность электромагнитного поля в определенной области равна нулю, мы не можем сделать этого для гравитации; пространство не может быть полностью опустошено в каком-либо реальном смысле в этом отношении.

Не пропустите: Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?

Что-то из ничего

Продемонстрировать, что пустое пространство на самом деле таковым не является задача трудоемкая, но при этом реальная. Так, даже если создать идеальный вакуум, лишенный всех частиц и античастиц, а электрические и магнитные поля равны нулю, в вакууме все же будет присутствовать нечто такое, что физики могут назвать, скажем, максимальным ничто.

Так размышлял Джулиан Швингер в 1951 году, описав как (теоретически) можно создать материю из ничего: для этого потребуется сильное электрическое поле. И хотя его коллеги предлагали нечто подобное в 1930-х годах, именно Швингер смог точно определить необходимые для этого эксперимента условия, исходя из того, что в пустом пространстве так или иначе присутствуют квантовые флуктуации, рассказывают физики.

Частицы могут возникать из пустоты.

Вам будет интересно: Было ли у Вселенной начало?

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, если квантовые поля существуют повсюду, то в любой выбранный промежуток времени и области пространства, будет присутствовать изначально неопределенное количество энергии. И чем короче рассматриваемый нами период времени, тем больше неопределенность в количестве энергии.

Фактически, единственным местом, где частицы возникают из пустоты это области в космосе, окружающие черные дыры и нейтронные звезды. Но на огромных космических расстояниях, отделяющих нас от наиболее приближенных объектов, наши предположения остаются исключительно теоретическими.

Вселенная хранит множество тайн, которые нам с вами еще предстоит раскрыть

Это интересно: Нобелевская премия по физике 2022: квантовая запутанность и телепортация

Но поскольку мы знаем, что электроны и позитроны буквально возникают из ничего (они просто вырваны из квантового вакуума электрическими полями) Вселенная демонстрирует невозможное. К счастью, существует множество способов изучения нашего странного мира, будь то математика, эксперименты с графеном (подробнее мы рассказывали ранее) или лазерами. И хотя мы по-прежнему далеки от истины и создания единой теории всего, сегодня мы не так уж и мало знаем о мире, в котором живем. Не так ли?

Способна ли гравитация создавать свет? Результаты нового исследования показывают, что да.

Около 14 миллиардов лет назад Большой взрыв ознаменовал собой рождение Вселенной. С тех самых пор она начала расширяться, постепенно охлаждаясь и становясь все более плотной. По мере падения температуры на просторах ранней Вселенной стали появляться первые частицы, формируя ядра известных нам атомов. С течением времени Вселенная изменилась и эволюционировала, подарив жизнь звездам, планетам, черным дырам и электромагнитным полям. Этого всего, однако, не существовало бы без самой главной движущей силы космоса гравитации. Недавно исследователи предположили, что именно она ответственна за свет, впервые воцарившейся в космической пустоте. Согласно новой теории, гравитационные волны, вскоре после рождения Вселенной, накладывались друг на друга, создавая мощные волны гравитационной энергии. Последние, в свою очередь, могли заставить электромагнитные поля излучать свет. Но означает ли это, что гравитация может являться источником света?

Наши знания о событиях и силах, сформировавших раннюю Вселенную, зависят от нашей способности понимать самые экстремальные условия.

Теория Большого взрыва

В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл наблюдал далекие галактики с помощью чрезвычайно мощного телескопа и сделал два ошеломляющих открытия. Во-первых, Хаббл выяснил, что Млечный Путь всего лишь одна из миллиардов галактик. Во-вторых, все другие галактики постоянно удаляются друг от друга. Другими словами, он понял, что Вселенная расширяется и постоянно становится больше.

Несколько лет спустя бельгийский астроном Жорж Леметр использовал удивительные открытия Хаббла, чтобы предложить ответ на важный астрономический вопрос: как возникла Вселенная? Он предположил, что если Вселенная становится все больше и больше, то в прошлом она была значительно меньше. Намного меньше. Это означает, что миллиарды лет назад Вселенная представляла собой крошечную точку сингулярность, породившую Большой взрыв.

Большой взрыв был моментом 13,8 миллиарда лет назад, когда Вселенная возникла как крошечный, плотный огненный шар, который взорвался.

Сегодня теория Большого взрыва ведущая теория космологии. Большинство астрономов используют ее чтобы объяснить как возникла Вселенная. Правда, что именно послужило причиной Большого взрыва по-прежнему не известно.

Итак, после события, произошедшего 13, 8 миллиардов лет назад, Вселенная начала расширяться, а все вокруг состояло из газа, в основном водорода и гелия, который охлаждался с течением времени. Все потому, что гравитация медленно усиливала крошечные неоднородности в распределении газа, образуя пустые пространства и массивные облака водорода, что впоследствии, привело к образованию галактик, звезд, планет и других космических объектов. Выходит, гравитация является своего рода генеральным директором космоса, ответственным за все происходящее на его просторах.

Гравитация главная сила Вселенной

Среди четырех фундаментальных сил гравитация особенно выделяется, так как управляет природой известных астрофизических объектов, таких как звезды и галактики, а также структурой и эволюцией всей Вселенной. Эта сила впервые была признана универсальной и действующая между любыми двумя частицами материи, Исааком Ньютоном в семнадцатом веке. Используя свой знаменитый закон всемирного тяготения и независимо разработанное им исчисление, Ньютон смог описать движение объектов вблизи поверхности Земли, орбиту Луны вокруг Земли и орбиты планет вокруг Солнца.

Гравитация управляет всем, что мы видим не только вокруг себя, но и тем, что происходит на просторах Вселенной

Читайте также: Если гравитация это не сила, то как она притягивает объекты?

Но, несмотря на успехи, теория Ньютона не согласуется со специальной теорией относительности, что привело Альберта Эйнштейна к разработке удивительной новой теории Общей теории относительности (ОТО), которая описывает гравитацию как выражение искривления пространства-времени, создаваемого материей и энергией.

ОТО, в свою очередь, совместима со специальной теорией относительности и согласуется с теорией Ньютона, когда гравитация слаба, как в Солнечной системе. Он способен объяснить небольшое расхождение в наблюдаемой орбите планеты Меркурий по сравнению с орбитой, предсказанной теорией Ньютона, предсказать правильное значение отклонения света под действием силы тяжести и предсказать существование гравитационных волн.

Гравитационные волны носили в основном теоретический характер с тех пор, как Альберт Эйнштейн впервые предположил об их существовании более 100 лет назад, в 1918 году.

Напомним, что гравитационное искривление света лежит в основе гравитационного линзирования, которое оказалось важным инструментом для астрономов. Не важным открытием стало обнаружение уже упомянутых гравитационных волн в 2016 году. Тогда исследователи из лабораторий LIGO и VIRGO обнаружили так называемую рябь пространства-времени, вызванную столкновением двух сверхмассивных черных дыр.

Подробнее об этом знаменательном событии ранее рассказывал мой коллега Артем Сутягин.

Может ли гравитация создавать свет?

Новая теория предполагает, что экстремальные силы гравитации после большого взрыва, возможно, были настолько невероятно сильны, что они создали первый свет во Вселенной. Теория надеется пролить свет на относительно короткое время после Большого взрыва (первые несколько сотен тысяч лет), когда Вселенная была темной. Если предположения ученых подтвердятся, то физики и космологи наконец смогут разгадать тайну гравитации.

В частности, группа исследователей из Ягеллонского университета в Польше и Университета Макгилла в Монреале, Канада, полагают, что экстремальные гравитационные волны были настолько сильными после Большого взрыва, что, возможно, вырвали энергию прямо из ткани реальности и высвободили часть этой энергии в свет.

Согласно новой теории, во время расширения, сразу после Большого взрыва, гравитационные волны, возможно, накладывались друг на друга, создавая огромные стоячие волны гравитационной энергии.

В космологии ранней Вселенной параметрический резонанс играет решающую роль в передаче энергии обычной материи в конце гипотетического периода инфляции, объясняют авторы статьи в ее предварительной публикации.

Исследователи, стоящие за новой теорией, отмечают, что события, о которых идет речь, произошли достаточно давно, а значит прямого способа измерить его и непосредственно подтвердить теорию не существует. Тем не менее, они полагают, что остаточные эффекты этих массивных столкновений все еще можно обнаружить с помощью современных телескопов.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Авторы новой работы полагают, что массивные гравитационные волны, возможно, располагались в определенных местах раннего космоса, пока не столкнулись с другими гравитационными волнами, проходящими рябью сквозь ткань пространства-времени. Их взаимодействие друг с другом привело к нестабильности на квантовом уровне, из-за чего произошел выброс безмассовых частиц света фотонов.

По сути, это был бы первый свет во Вселенной, который появился благодаря силе гравитационных волн, отмечают исследователи.

Гравитационные волны удалось обнаружить благодаря столкновению двух сверхмассивных черных дыр

Необходимо отметить, что гравитационные волны в том виде, в каком мы знаем их сегодня, чрезвычайно слабы и чтобы их обнаружить, требуется мощнейшее оборудование. Во времена ранней Вселенной, однако, гравитационные волны были очень мощными и смогли невероятным образом создать свет. И поскольку эти гравитационные волны в буквальном смысле являются просто гравитацией, то представляют собой мощь гравитационной энергии.

Исследователи также указывают, что некоторые гравитационные волны в ранней Вселенной и вовсе могли находиться в «замороженном» состоянии, удерживая огромное количество энергии в одном месте. Авторы работы предполагают, что в то время эти области, возможно, возбуждали электромагнитное поле Вселенной, создавая излучение и свет.

Это интересно: Искусственная гравитация перестаёт быть фантастикой

Тайны Вселенной

Идея о том, что гравитация может создавать свет, является совершенно новой, и ученые, без сомнения, захотят углубиться в нее, чтобы понять, возможно ли это. Но так как обо всем, что касается ранней Вселенной, информации недостаточно, крайне маловероятно, что мы когда-нибудь узнаем окончательный ответ.

Новое открытие, если окажется верным, откроет новую эпоху в нашем понимании самой главной силы Вселенной

Вам будет интересно: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

И тем не менее сама возможность того, что гравитационные волны могли помочь создать свет в ранней Вселенной, заслуживает восхищения. Это открытие, если окажется верным, может привести к пониманию одного из самых темных периодов существования нашей Вселенной. Ну а пока будем довольствоваться гравитационными волнами, что позволяют заглядывать в самые загадочные объекты во Вселенной черные дыры.

Ученые объясняют непереносимостью гравитации многие симптомы, причины которых по сей день не установлены

На каждого человека на Земле действует мощная сила, к которой мы настолько привыкли, что не обращаем на нее внимание подобно тому, как рыбы не обращают внимание на воду. Речь, конечно, о гравитации, которая воздействует на все наши органы, включая кишечник. Это абсолютно нормальное явление, ведь жизнь на Земле изначально развивалась в условиях гравитации, поэтому органы и нервная система отлично к ней приспособилась. Однако, по мнению ученых, у некоторых людей по каким-то причинам существует непереносимость гравитации. Правда, пока это только гипотеза, однако в ее пользу существуют некоторые весомые аргументы.

В чем проявляется непереносимость гравитации

Наш организм не просто приспособлен к гравитации Земли, он вообще не способен долго существовать без нее. Даже при низкой гравитации, такой как на Луне, в организме начинают происходить опасные для здоровья процессы. Однако, по мнению сотрудников медицинского центра Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе, у некоторых людей гравитация Земли вызывает серьезные проблемы со здоровьем. В частности, по их мнению, с этим связан синдром раздраженного кишечника (СРК). Точные причины этого синдрома по сей день не установлены. Как объясняет профессор Бреннан Шпигель, автор данной идеи, наш кишечник напоминает мешок с картошкой, который мы носим с собой всю жизнь.

Если у человека по каким-либо причинам развивается непереносимость гравитации, его диафрагма (непарная мышца, разделяющая грудную и брюшную полости) может опуститься и начать давить на кишечник. Это вызывает проблемы с моторикой и чрезмерный рост бактерий, что в конечном итоге приводит к развитию СРК. Обычно синдром сопровождается такими симптомами, как боль в области кишечника, вздутие живота, спазмы, диарея или запор. Но самое интересное, то при СРК обычно также отмечается чувствительность человека к перегрузкам.

Синдром раздраженного кишечника может быть связан с непереносимостью гравитации

Согласно официальным данным, порядка 10% населения Земли страдают от этого синдрома. Однако диагностировать его очень сложно. Какого-либо теста или анализа, позволяющего выявить заболевание, не существует. Поэтому диагноз устанавливают путем исключения других заболеваний, которые вызывают такие же симптомы. Чтобы повысить эффективность диагностики и лечения СРК, многие ученые стараются найти причину, которая его вызывает, и Бреннан Шпигель является одним из них.

Как кишечник человека связан с восприятием перегрузки

Наша нервная система развивалась в мире гравитации. Как говорит Бреннан Шпигель, в связи с этим в кишечнике у нас развился своего рода детектор гравитации. Обычно мы чувствуем его, когда падаем, катаемся на американских горках или, например если лифт начинает резкое движение вниз. В этот момент в животе словно щекочет. Это чувство еще принято называть бабочками в животе. Интересно, что такое же ощущения люди иногда испытывают, когда сильно волнуются.

По мнению Бреннана Шпигеля, этот детектор гравитации предупреждает нас о падении. У людей же с СРК он срабатывает даже тогда, когда на самом деле перегрузки сильной нет. Кроме того, по его мнению профессора, у таких людей может возникать расстройство взаимодействия кишечника с мозгом. Но это не значит, что причина этих симптомов заключается в СРК.

Ощущение, когда человек испытывает перегрузку, называют бабочками в животе

Непереносимость гравитации влияет на уровень серотонина

Серотонин является гормоном, влияющим на самые разные системы организма. Он регулирует кровяное давление в ответ на гравитацию, влияет на наше настроение и даже регулирует дефекацию. К примеру, известно, что слишком большое количество серотонина вызывает диарею.

По словам Бреннана Шпигеля, без серотонина человек не может встать и сохранить равновесие. Более того, циркуляция крови в таком случае просто прекратится. При нарушенном же уровне серотонина, у людей может развиться СРК, тревога, депрессия, фибромиалгия и хроническая усталость.

Серотонин влияет на настроение и работу многих систем организма

К слову, синдром хронической усталости / миалгический энцефаломиелит является еще одним заболеванием, причины которого не установлены. Соответственно, способов его лечения тоже не существует. Другие симптомы, которые пересекаются с СРК боль в пояснице, головные боли, головокружение, и синдром постуральной тахикардии, когда давление человека резко падает, если он встает, в результате он может даже потерять сознание.

Переходите по ссылке на наш ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ. Мы подготовили для вас множество интересных, захватывающих материалов посвященных науке.

По мнению профессора, все вышеперечисленные симптомы объединяет одна и та же причина непереносимость гравитации, то есть неспособность организма правильно противостоять притяжению Земли, о чем он сообщает в журнале AJG. По его словам, идея изначально показалась довольно странной, но когда он объединил все имеющиеся данные и обсудил свою версию с коллегами, все пришли к выводу, что она не лишена смысла и требует дополнительных исследований.

Напоследок предлагаем ознакомиться с другой интересной гипотезой, связанной с гравитацией. По мнению некоторых ученых, именно она является причиной того, что людям до сих пор не удалось обнаружить внеземную жизнь. Подробнее об этом читайте в статье по ссылке.

Золотой шар, использованный в ходе нового исследования в сравнении с монетой.

Ученым давно известно, что в нашем понимании гравитации чего-то не хватает. Она, например, не объясняет, как таинственная темная энергия ускоряет расширение Вселенной, а также не согласуется с квантовой механикой, которая описывает, как объекты ведут себя на уровне атомов и элементарных частиц. Один из способов попытаться примирить обе теории это наблюдать, как маленькие объекты взаимодействуют с гравитацией. Недавно международная команда физиков впервые в истории успешно измерила гравитационное поле крошечного золотого шара диаметром около 2 мм в лабораторных условиях. Новое исследование призвано помочь ученым понять, как гравитация согласуется с квантовой механикой в мельчайших масштабах. Интересно, что гравитационные силы подобной величины, как правило, возникают только в областях самых отдаленных галактик. Так что результаты нового исследования как минимум восхищают.

Эксперимент Генри Кавендиша

В конце 18 века британский физик и химик Генри Кавендиш хотел измерить среднюю плотность нашей планеты. В эксперименте ученый использовал крутильные весы и коромысло, которое он закрепил на длинной металлической нити. В него физик положил два свинцовых шара примерно по 730 граммов каждый. К каждому из этих шаров на одной высоте Кавендиш подвел тяжелый шар, около 150 кг, также сделанный из свинца. Кавендиш приложил максимум усилий в ходе эксперимента и поместил установку в деревянный ящик, чтобы потоки воздуха и перепады температуры не оказывали на нее никакого влияния.

Результат, как вероятно знает уважаемый читатель, позволил с удовлетворительной точностью измерить плотность Земли и стал первым в истории экспериментом по изучению гравитационного взаимодействия между телами в лабораторных условиях. Отметим также, что полученные Кавендишом данные впоследствии позволили ученым вычислить гравитационную постоянную.

Гравитационная постоянная илипостоянная Ньютона это фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия.

Средняя плотность Земли равна 5,51. Эти значения разделяют два века и подтверждают огромный экспериментальный талант британца Генри Кавендиша.

Важно понимать, что ученый в своем эксперименте не ставил задачу определения гравитационной постоянной, так как в те годы еще не было выработано единого представления о ней в научном сообществе.

Как измерить гравитационное поле?

В новом исследовании физики из Венского университета и Австрийской академии наук впервые разработали миниатюрную версию эксперимента Кавендиша. Впервые в истории им удалось успешно измерить гравитационное поле золотого шара диаметром всего 2 мм с помощью высокочувствительного торсионного маятника. В этих масштабах команде необходимо было учесть ряд источников возмущений.

Торсионный маятник или вращательный маятник представляет собой механическую систему, в котором тело подвешено на тонкой нити и обладает лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

В качестве гравитационной массы физики использовали золотые шары, каждый весом около 90 мг. Две золотые сферы были прикреплены к горизонтальному стеклянному стержню на расстоянии 40 миллиметров. Одна из сфер была тестовой массой, другая противовесом; третья сфера исходная масса, перемещалась рядом с тестовой массой для создания гравитационного взаимодействия. Для предотвращения электромагнитного взаимодействия сфер использовался экран Фарадея, а эксперимент проводился в вакуумной камере для предотвращения акустических и сейсмических помех.

Крошечный маятник подвешен на тонком стеклянном волокне ощущает гравитационную силу миллиметрового золотого шара.

Затем с помощью лазера ученые смогли отследить как луч отскочил от зеркала в центре стержня к детектору. Когда стержень вращался, движение лазера на детекторе показывало, насколько сильно действует гравитационная сила, а перемещение массы источника позволило команде точно отобразить гравитационное поле, создаваемое двумя массами. Эксперимент показал, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив даже для крошечных масс размером всего 90 миллиграммов.

Читайте также: Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?

Полученные результаты также показали, что в будущем могут быть проведены еще более мелкие измерения гравитационного поля. Интересно и то, что новое открытие может помочь ученым продвинуться в исследовании квантового мира и потенциально получить новое представление о темной материи, темной энергии, теории струн и скалярных полях.

Схема, представленная в исследовании. Изобрадени Nature, 2021

Как отметил соавтор исследования Ганс Хепах в интервью New Scientist, самый большой негравитационный эффект в эксперименте был зафиксирован от сейсмических колебаний, генерируемых пешеходами и трамвайным движением вокруг исследовательской лаборатории в Вене. Поэтому наилучшие результаты измерений физики получали ночью и во время рождественских каникул, когда людей на улицах было меньше.

Вам будет интересно: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

Если попробовать кратко резюмировать полученные в ходе работы результаты, гравитационная сила (согласно Эйнштейну) является следствием того, что массы искривляют пространство-время, в котором движутся другие массы. В новом эксперименте физикам удалось измерить то, как пространство-время искривляет божья коровка. А как вы думаете, к чему приведет новое открытие? Удастся ли ученым наконец примирить две не состыкующиеся теории? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.

Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?

Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.

Ньютоновская гравитация

В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.

Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.

Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения равномерное и ускоряющееся.

В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!

Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.

Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.

Читайте также: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

Гравитация Эйнштейна

Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.

Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.

Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.

Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.

Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.

Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Гравитация и астероиды

Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.

Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?

Это интересно: Ученые раскрыли тайну астероида Чиксулуб, который уничтожил динозавров

Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.

Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.

А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.

Последние комментарии