Гравитация или почему падает яблоко⁠⁠

Продолжение серии развлекательно-научных постов. Для особо умных поставлен тег "юмор". Для остальных - тег "физика".

Мы продолжаем наше псевдонаучное повествование, которое в равной степени раздражает разного рода упоротых фриков и занудных тру-физиков. По настойчивым просьбам трудящихся среднего звена и прочих бездельников (коими мы и сами являемся) сегодня нами будет рассказано, что там творится с этой непонятной гравитацией. Будут, как обычно, минимум текста, тупые картинки из гугла, эпичные обобщения и умалчивание математических доказательств.

Кого не спроси в наше просвещенное время, почему падает яблоко, практически любой покрутит пальцем у виска и скажет: "Дык, оно ж это… сила! Притяжения!.. Во!.."

И будет не прав. Как показал и доказал один известный дядька по имени Альберт, силы притяжения не существует как факта. Причем открыл он это еще в 1915 году.

Все началось с того, что изобретенная им теория относительности со скоростью света, замедлением времени, неодновременностью двух событий и т.п. была очень хороша, но сразу отказывалась работать, когда дело касалось силы тяжести. А если быть точнее – присутствия в пространстве больших масс, типа звезд и планет.

Например, если фотон не имеет массы, то почему же луч света далекой звезды, пролетая мимо нашего Солнца, искривляется, и благодаря этому мы видим звезды, которые прячутся за солнечным диском? Это явление называется гравитационным линзированием.

Да и в классической теории о силах притяжения была одна проблема, которую никто не мог объяснить. А именно: почему, скажем, яблоко и стокилограммовая гиря падают на землю с одинаковым ускорением – 9,8 м/с2? Ведь по всем выкладкам Ньютона сила притяжения зависит от масс притягивающихся тел, но на практике получается, что при свободном падении масса не причем. Эту странность математики того времени изящно обошли в формулах, но осадочек-то остался.

Кстати, все "опровергатели" общей теории относительности на самом деле в своих невероятных расчетах застревают именно на этом моменте. Они полагают, что опровергают Эйнштейна, но на самом деле рассуждают о несостоятельности опытов Галилея, который как раз экспериментально и доказал, что тела разной массы падают вниз с одинаковым ускорением. В настоящее время попытки проверить разницу в ускорениях все еще проводятся, причем с безумной точностью - пока отклонений не обнаружено.

(пояснение к картинке: на самом деле Галилей не сбрасывал ничего с Пизанской башни, но легенда популярна и верно пересказывает суть).

Так что Эйнштейну все эта ситуация очень не нравилась. Проблема была даже в самом понятии массы. Классическая физика рассматривала аж две массы тела: гравитационную (та, что мы называем в быту весом, возникающий от силы тяжести) и инертную (та масса, которую мы пытаемся сдвинуть, когда тело покоится, и прикладываем для этого силу).

Эйнштейн любил всякие необычные идейки и предположил: а что если масса на самом деле одна? Гравитационная масса и инертная масса это одно и то же (хотя Эйнштейн говорил про эквивалентность, но это, знаете ли, мелочи)! И что же из этого следует и как это объясняет гравитацию?

Далее следует знаменитый мысленный эксперимент с лифтом. Противники теории относительности до сих пор злорадствуют, что эксперимент мысленный, не подозревая, что эксперименты давно проведены разве что в другой форме..

В общем, смысл таков. Вас посадили в коробку и спросили, как вы думаете, что за пределами это коробки? Вы определенно чувствуете, где у коробки пол, а где потолок, потому что к полу вас притягивает сила тяжести.

Вы отвечаете: коробка стоит на Земле, дебилы!

А вот и нет, - говорят вам, - в данный момент вы летите в космическом пространстве с ускорением 9,8 м/сек2 "потолком" коробки вперед.

Вот и весь эксперимент с лифтом. Оказывается, никакими опытами нельзя определить, движетесь ли вы с ускорением или находитесь под действием силы тяжести. Не, конечно, вы можете проделать в коробке дырку и посмотреть, что происходит, но это не научно. Без подглядывания вы никогда не докажете стопроцентно, летите вы или покоитесь на поверхности планеты.

Точно также вы не отличите: падаете ли вы на землю или летите равномерно в невесомости. И там и там вы будете лететь со своим, скажем, кошелёчком на равных.

И тут Эйнштейн, уже подозревая о том, что массы слишком похожи друг на друга, задумался над гениальной мыслью. А что если никакой силы тяжести нет?

Что если сила тяжести это тоже же самое ускорение. Что если, когда мы прыгаем со второго этажа общаги, мы не падаем на землю из-за силы тяжести, а летим с ускорением навстречу земле без всяких сил притяжения?

Остается вопрос – а почему мы летим пусть и с ускорением, но к Земле? Кто же нас так пнул по направлению к поверхности, по направлению к большой массе?

Дальше будет сложно. Задержите дыхание, как говорил Задорнов.

Даже троечник знает, что если тело движется по кривой траектории, то оно движется не равномерно, а с ускорением. То есть едете вы на лисапеде по прямой дороге равномерно и внезапно перед вами огромная колдобина, характерная дорогам нашей родины. Как только вы делаете дугу, чтобы объехать колдобину, то ваше равномерное движение перестает быть равномерным, и на время движения по дуге вы приобретаете ускорение, которое называют центростремительным. Слышали о таком, небось?

И вот что у нас получается. Падающее тело не притягивается никакой силой, но летит с ускорением. Да еще навстречу земле. Если закрыть глаза на факт, что никаких колдобин на пути падающего тела нет, то чисто теоретически выходит, что падающее тело на самом деле просто летит по кривой траектории. С ус-ко-ре-ни-ем!

Эйнштейн думал десять лет. А мы в нескольких предложениях расскажем что к чему. Короче, траектория падающего тела на самом деле кривая. Только кривая она не в трехмерном пространстве. А в четырехмерном пространстве, где четвертая координата - время.

Кривым же четырехмерное пространство делают объекты имеющие массу. Чем больше масса объекта и чем ближе расстояние до этой массы, тем сильнее искажается время и пространство вокруг нее.

Как себе представить деформированное четырехмерное пространство? Давайте вспомним, что совсем недавно человечество считало, что земля плоская. И если поехать на лисапеде из Москвы во Владивосток, никуда не сворачивая, то наша траектория будет нам казаться прямой линией. Но мы движемся не по плоскости, а по поверхности земного шара. То, что мы видим как прямую на плоскости, в пространстве (с высоты) будет выглядеть как дуга. К сожалению, мы не можем взять и посмотреть на наш трехмерный мир с "высоты" четвертого измерения, а то увидели бы как Вселенную перекосячило от наличия в ней больших и не очень масс.

Старый добрый пример из географии. Кратчайшее расстояние на глобусе не прямая линия, а дуга:

Так и в четырехмерном пространстве. Летит себе комета в космосе, никого не трогает. Но пролетая мимо звезды, она попадает в деформированное пространство и хотя "по ее мнению" она продолжает лететь прямо, тем не менее, "кривое" пространство уводит ее в сторону звезды. Если скорости кометы (ее энергии) хватит чтобы преодолеть "уклон", то она полетит дальше. А если силенок не хватит, то комета начнет двигаться по "ложбине", которую создала вокруг себя во времени-пространстве массивная звезда. Пролетая совсем близко от звезды, путь кометы и вовсе пересечется со звездой (чем ближе, тем "уклон" круче), и комета грохнется на нее. Не забываем, что все это происходит в четырехмерном пространстве, где объект имеет координаты длины, ширины, высоты и времени.

Теперь давайте вкратце объясним себе с научной точки зрения, почему падает яблоко.

Итак. На яблоне висит яблоко. Веточка пересыхает, и яблоко отрывается от дерева. Что происходит дальше?

Яблоня и планета движутся, в пространстве (относительно солнца, вселенной и вообще, что мы не замечаем и считаем, что яблоня покоится на месте), и самое главное — во времени. Земля и яблоня постоянно двигаются в будущее. Их движение в пространстве и времени, можно сказать, пока происходит по параллельным линиям.

Но вот яблоко стало независимо от яблони. Никакой силы к яблоку не прикладывалось (никто его не бросал), поэтому, по сути, оно и не должно никуда лететь. Если бы Земля не имела бы массы, то яблоко просто бы зависло в воздухе около ветки и по-прежнему двигалось во времени и пространстве параллельно с планетой.

Но законы нашего мира очень странные. Наш мир имеет 4 измерения – три пространственных и одно – временное. Если в пространстве-времени присутствует большая масса, то пространство-время вокруг этой массы деформируется, искажается. Как будто на ровную поверхность водной глади бросили булыжник и появились волны.

Земля же имеет очень большую массу, поэтому искажение пространства и времени вокруг него существенное. И наше яблоко продолжает свое движение не по прямой линии в 4-хмерном пространстве, а по искривленной линии с ускорением. И вот яблоко летит уже не по параллельной прямой, а по такой линии, которая из-за искривления пространства приводит к столкновению с Землей. Яблоко тоже искажает пространство, но настолько слабо, что Земле как-то все равно до этого удивительного но малозначительного события.

Вот так происходит падение яблока. Нет никакой силы тяжести, а гравитация – это всего лишь движение по кривой траектории в четырехмерном пространстве-времени.

Вот и вся теория.

На сегодняшний день она получила подтверждение во многих экспериментах.

Некоторые особо умные читатели спросят, если гравитация это просто деформация пространства, то почему все носятся с гравитонами – частицами, которые переносят гравитацию?

Несмотря на то, что гравитацию мы объяснили, до сих пор не понятно, почему масса деформирует пространство. Так вот гипотетический виновник деформации и есть тот самый гравитон, который все ищут и никак не могут найти.

Гравитационные волны также распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью – со скоростью света - так утверждает общая теория относительности (вполне обоснованно, кстати). Если наше солнце вдруг исчезнет, то Земля будет лететь по искривленному пространству еще 8 минут, пока пропажа Солнца не обнаружится и пространство не выровняется. И тогда наша планета отправится в открытый космос по касательной к своей орбите.

На картинке: как физики (или люди, думающие, что они физики) ищут гравитон и сочиняют самые дикие теории для обоснования его существования.

Общая теория относительности подтверждается до сих пор экспериментально и с высокой точностью – сомневаться в ней весьма опрометчиво.

Кроме того гравитация влияет на ход времени – это тоже экспериментально доказано – чем ближе к центру масс, тем медленнее идет время. Работающие на сотом этаже стареют быстрее, чем работающие в шахте, правда, на триллионные доли секунды за сто лет. Это называется гравитационным красным смещением и является крайне труднопонятной вещью.

А падение в черную дыру со стороны будет выглядеть бесконечным, потому что там пространство искажено так, что возникает трудно перевариваемое для физики состояние материи, известное под названием "сингулярность".

Общая теория относительности очень не дружит с квантовой физикой, потому что применение обеих теорий сразу приводит к взаимоисключающим результатам. Тот, кто помирит две теории, однозначно станет круче Эйнштейна и всех всех всех. Пока только Хокинг со своим испарением черных дыр показал, как в принципе можно подружить квантовую физику и теорию относительности.

Как обычно, напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же. Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...