Вы наверняка уже много раз слышали, что гравитация - это не сила. То странное поведение, которое свойственно яблоку, падающему на Землю, современная физика описывает не через прямое взаимодействие (это когда собаку на поводке тащат).
Всё объяснение сводится к специфическому поведению самого пространства вблизи массивного тела. Пространство деформируется и вот, казалось бы, ответ найден. Но сам механизм странного поведения массивного тела вблизи другого такого же тела и их гравитационного притяжения обычно не разбирается.
Давайте всё-таки попробуем отойти в нашем понимании гравитации чуть дальше традиционной картинки, где резиновый коврик проминают тяжелым шаром и постараемся понять что именно толкает тело, когда оно испытывает на себе гравитационное притяжение. Пусть этот вопрос прозвучит наивно, но ответ на него полезен и интересен.
"Простая" формула современной гравитации
Согласно концепции, которая следует из теории относительности, массивные тела способны искажать пространство-время. Это искажение приводит к тому, что объекты, перемещающиеся в пространстве, начинают следовать по направлению этих искажений. Такое движение и есть гравитационное притяжение. В этом описании, в общем-то, есть всё, что необходимо для понимания процесса в текущей парадигме. Но нужно иметь уверенность, что вы правильно понимаете буквально каждую фразу.
Часто научно-популярные источники останавливаются на изображении модели с резиновым ковриком и такие - ну что, что, теперь ведь всё ясно?
Потому аналогия у нас с вами закрепляется только одна - если есть вмятина в плоскости, то в эту вмятину всё будет скатываться как в лунку на поле для гольфа. Значит гравитация работает благодаря тому, что есть искажение и туда под действием естественных сил катится другое тело. Это легко представить и запомнить, вот только это совсем неправильно.
Сам Эйнштейн однажды отметил, что любая материальная аналогия с гравитацией не будет сопоставима. Все эти картинки с резиновым плоским пространством или даже с объёмной искажающейся сеткой есть очень грубое и не совсем корректное описание пространства-времени.
Потому и процесс значительно сложнее, чем это хочется себе представить. Никакой мячик не катится в лунку, а происходит нечто совсем другое.
К слову, для того, чтобы мячик "покатился", он тоже должен быть подвержен гравитации или быть притянут магнитом. Выходит парадокс, когда мы описываем "гравитацию через гравитацию" внутри её собственного описания. Вот как сказал, аж самому страшно.
И тут начинается самое интересное. Если гравитация - это не сила и не скатывание в лунку, тогда что это?
Более искушённый читатель тут ответит, что так проявляются свойства пространства-времени и, строго говоря, будет прав. Но как оно всё-таки работает?
В первом приближении уместно будет сказать, что это именно неотъемлемое свойство всех материальных тел, обладающих массой.
Мы представляем себе некоторую модель пространства в виде той самой легендарной сетки из клеточек и блоков. Потом мы говорим, что если внутри сетки появился объект с массой, то параметры модели вокруг объекта будут искривляться.
Материальные тела неизбежно перемещаются в пространстве, а линии в сетке можно описать как курсовые линии и сказать, что движение происходит по ним. Тела никто не двигает и не толкает. Они просто перемещаются. Следовательно, там где исказилось пространство, изменилась и геометрия самих линий. Поскольку линии обозначают траекторию движения, массивные тела продолжают движение по этим искаженным направлениям в пространстве. Вот и получается падение одного объекта на другой. Но вопросов тут у внимательного читателя будет больше, чем ответов.
Что такое это за сетка такая? Как и для чего она искажается? Почему объекты вообще куда постоянно движутся и как выходит, что траектории Земли и падающего яблока всё-таки пересекаются, если каждый объект искривляет пространство вокруг себя?
Вводим важные гравитационные понятия
Начнём разбираться с главного и самого важного. Согласно геометрической интерпретации общей теории относительности, мы не проводим различия между временем и пространством, а предпочитаем говорить о пространстве-времени.
Пространство-время - это сложная система, в которой три пространственных измерения связаны с измерением времени. Эти измерения существуют не просто так. Они связаны через что бы вы думали? Правильно. Через скорость света. Очень грубо говоря можно описать это как - скорость света показывает сколько пространства содержится во времени и наоборот.
Та странная сетка, которая везде фигурирует - это лишь способ описать математически пространство-время и задать его геометрию. Это модель и ничего больше. Но модель, которая отражает некоторые реальные свойства.
Теперь мы упираемся в интересную закономерность, где есть пространство, время и расстояние. По сути - это база физики и механики. Сложно оно применительно к гравитации лишь потому, что приходится представлять невероятные структуры из множества измерений, где пространство и время оказываются связанными друг с другом.
Тут у нас всегда есть общее равенство и взаимосвязь этих трёх параметров. Если скорость больше - время меньше и т.п. и т.д. Это всегда группа параметров, которые связаны друг с другом.
Следующий момент - это непрерывное движение в пространстве любых материальных тел. Мы уже знаем, что движется всё это в пространстве-времени, а не только в пространстве. Это базовая особенность природы, которую объяснить более детально не получится. Сложные описания проблемы опираются на непрерывность движения во времени. Из этого следует две важных мысли:
Поскольку есть энтропия во времени, а пространство-время взаимосвязаны, даже неподвижные объекты начнут перемещаться и в пространстве тоже. Это ответ на вопрос про якобы неподвижность.
Само время неизбежно двигается из-за базовых свойств природы. Не столь важно метрика ли время или некоторая физическая сущность. Важен процесс, который и описывает такие моменты, как движение частиц или полей.
Если уж мы вспомнили про движение, то полезно отметить ещё кое-что. Неподви��ных объектов не существует, а любой покой возможно рассматривать только в контексте подходящей системы отсчёта. Скажем, если у вас в машине с вами едет телефон, то в общем смысле он неподвижен относительно вас.
Важно также понимать, что те самые движения в пространстве происходят не абы-как, а по направляющим линиям модели этого пространства.
И что из этого следует?
В нашем случае всё это означает, что каждый объект в пространстве движется с одинаковой скоростью. Но скорость тут непростая - это составная величина из движения в пространстве и движения во времени.
Это может вас удивить, поскольку яблоко, лежащее на земле, кажется, не движется сейчас ни с какой скоростью вообще.
Интерпретировать это можно так - яблоко прямо сейчас неподвижно в пространстве наблюдателя, но движется во времени. И теперь внимание. Если кто-то поднимет его и бросит, оно начнет двигаться в пространстве, но немного замедлится во времени (в некотором смысле, зависит от того, о каком времени идет речь и в какой системе).
Грубо говоря - это база всех этих занятных игр с замедлениями времени и парадоксами близнецов. Достижение тут ни в том, чтобы понять откуда оно появляется, а в умении применить это к пространству-времени и осознать, что кажущееся нам не есть истинная физика. Дальше простейшая линейная связь.
Проговорю ещё раз ту же фразу. По мере движения объекта в пространстве-времени он перемещается не абы-как. Он следует по геодезической линии, то есть по кратчайшему пути (точнее, по самому короткому или самому длинному пути в зависимости от ситуации. Боюсь, что ��та фраза вас запутает ещё больше...) Мы уже знаем про искажения. Путь, по которому объект следует, искривляется от встречного тела с массой посредством деформации сетки модели, иллюстрирующей пространство-время. Наличие массы (точнее, энергии-импульса, о это не суть конкретной беседы) искривляет пространство-время.
Это означает, что вблизи массы длина пространства-времени будет растянута и больше.
Вновь скажу, что никто не знает, почему это происходит, но к этому можно прийти, приняв "принцип эквивалентности", который гласит, что ускорение, которое мы испытываем из-за гравитации, ничем не отличается от ускорения, которое мы испытываем в ускоряющейся лаборатории вдали от любой массы (при условии, что лаборатория достаточно мала).
Теперь вернемся к яблоку. Если вы встанете на поверхности Земли и уроните яблоко, оно упадет вниз, или, точнее, будет двигаться по параболе в пространстве-времени, поскольку это кратчайший путь. Оно не останется висеть в воздухе, поскольку это не есть выгодный путь в пространстве-времени. Оно может достичь той же точки, что и объект, зависший в воздухе, но кратчайший путь - это сделать обходной путь выше, поскольку там пространство-время растянуто ещё меньше. Это было бы аналогично подбрасыванию яблока в воздух. Траектории тут неизменно пересекаются.
Что же мы получаем в сухом остатке? Мы получаем довольно простую логику поведения гравитации без всяких там сил и пинков.
Есть большой массивный объект. Есть странное необъясненное свойство менять геометрию пространства-времени при появлении такого массивного тела в этом пространстве. Есть не менее странное свойство, которое говорит, что все тела всегда движутся, даже если они кажутся неподвижными. В итоге если два тела оказались рядом, то сильное искажение от тела большей массы, заставляет тело с меньшей массой следовать по искаженной траектории своего бесконечного движения и рано или поздно и при некоторых условиях встретить более массивное тело. То есть упасть на него как яблоко на Землю.
Самое тут важно, что яблоко никогда не начинало падать на Землю. Оно и без того двигалось в пространстве, а его падение нивелировалось разными факторами типа удержания рукой или веткой. Просто когда Земля поменяла его траекторию в пространстве своей массой, исказив пространство-время, это стало выглядеть как падение. Яблоко продолжило движение, которое и без того было, но оно просто следует по карте пространства. От такой идеи можно сойти с ума, но каждое действие с упавшим яблоком есть его перемещение в пространстве с дальнейшим запутыванием траектории.
Самое главное тут другое. Ни в какую воронку скатываться объекту не нужно. Как и не нужен источник силы, который его пнёт. Всё это проявление природы пространства-времени.
В конечном счете, общая теория относительности - это всего лишь набор уравнений, которые очень хорошо предсказывают результаты экспериментов.
Если вы дочитали этот материал до конца, то приглашаю вас посмотреть моё видео с интересным объяснением этой проблемы и заглянуть в гости в Telegram-канал.
