Какова роль гравитации во Вселенной

Хорошо известно, что нашей Вселенной управляет закон, согласно которому все тела природы притягиваются друг к другу. Английский учёный И. Ньютон ещё в 1687 г., анализируя движение Луны вокруг Земли, нашёл простую формулу, которая позволяет рассчитать силу притяжения между двумя телами. Эта сила прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон называется универсальным законом гравитации. Гравитация действует на расстоянии, через пространство и является господствующей силой внутри Вселенной. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части.

Если вы хотите найти силу притяжения вашего тела Землёй, вы должны найти произведение масс Земли и вашего тела и разделить результат на квадрат расстояния между вами и центром Земли, которое равно около R=6400 км. Умножив полученный результат на так называемую гравитационную постоянную (эта постоянная была измерена спустя 110 лет после опубликования Ньютоном закона гравитации), вы найдёте силу тяжести, которая является вашим весом. Таким образом, причина, почему вы обладаете весом, связана с гравитационным притяжением Земли. Вы можете найти также ваш вес, если умножите массу вашего тела на ускорение свободного падения, которое в случае нашей планеты равно около 10 м в секунду за секунду. Ваш вес на Луне будет в 6 раз меньше вашего веса на Земле, потому что масса и размер Луны отличаются от земных. На Юпитере вы станете почти в 3 раза тяжелее, чем на Земле.

Ваш вес на любой планете зависит от размера планеты и её массы. Причина, почему ваше притяжение, например к Солнцу, чрезвычайно мало, связана с гигантским расстоянием между вами и Солнцем. Если вы будете удаляться от Земли, ваш вес будет уменьшаться. На расстоянии равном радиусу Земли от её поверхности (т.е. на расстоянии r = 2R до центра Земли), ваш вес, т.е. сила притяжения, уменьшится в 4 раза, на расстоянии 2R, т.е. r = 3R, ваш вес уменьшится в 9 раз и т.д. Чтобы полностью «потерять свой вес», вам нужно удалиться на очень большое расстояние от Земли, теоретически в бесконечность. Никакого пространства за пределами Вселенной нет.

Закон гравитации является самым важным, фундаментальным законом природы, величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом. Этот закон (вместе с законами Кеплера) позволяет определить многие характеристики небесных тел — массы планет, звёзд, галактик и даже чёрных дыр.

Закон гравитации позволяет с большой точностью рассчитать орбиты планет и создать математическую модель Вселенной. С помощью закона гравитации можно также рассчитать космические скорости (an escape velocity). Например, чтобы покинуть Землю, т.е. освободиться от притяжения Земли, вам нужна скорость 11.2 км/сек, Солнце — 618 км/сек, чёрную дыру — 300,000 км/сек. В отсутствие сил гравитации наша Вселенная была бы просто невозможна, т.е. она не могла бы даже возникнуть. Видимо, гравитация является свойством пространства-времени или одной из форм материи.

Именно гравитация ответственна за многие процессы во Вселенной – её рождение, существование порядка вместо хаоса. Этот порядок привёл к образованию из высвободившейся энергии элементарных частиц, звёзд, галактик и системе живых структур. Этот закон объясняет, почему, например, Луна вращается вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Галактики. Сама Галактика в свою очередь движется по отношению к другим галактикам, а Вселенная расширяется (разбегание галактик) и это расширение длится почти 14 миллиардов лет с момента рождения Вселенной, Big Bang. Упорядоченное движение всех тел в природе связано с силами гравитации.

Энергия Вселенной, связанная с её массой, положительна и может быть рассчитана с помощью известной зависимости между массой и энергией (формула Эйнштейна, Е = Мc^2, где с – скорость света, а М масса Вселенной). Любопытно, что положительная энергия взрыва в точности равна отрицательной энергии гравитационного взаимодействия всех тел внутри нашей Вселенной. Другими словами, полная энергия нашей Вселенной равна нулю. Это означает, что наша Вселенная возникла из ничего и представляет собой «бесплатный ланч». Вы можете легко рассчитать гравитационную энергию, воспользовавшись формулой для гравитационной потенциальной энергии, которая отрицательна (энергия притяжения).

Например, энергия гравитационного притяжения между вами и Землёй равна около — 4 миллиардов джоулей, если ваша масса равна 60 кг. Такая энергия понадобится, чтобы удалить вас с поверхности Земли в бесконечность. Ваша энергия притяжения к Юпитеру будет в 400 раз меньше земного, вследствие огромного расстояния между вами и Юпитером. На поверхности же Юпитера эта энергия будет в 28 раз больше земной. Т.о. наше пространство – это огромное вместилище отрицательной энергии, которая связана с притяжением тел.

Согласно современным физическим теориям (например, М – теория или теория суперструн) наша Вселенная не единственная и очень многие миры, как и наша Вселенная, были созданы из ничего. Такие вселенные — пузыри могут возникать и исчезать за пределами нашей Вселенной (multiverses), но они недоступны для нашего обозрения. Это связано с невозможностью существования скоростей, больших скорости света. Создание этих миров не требует вмешательства извне, и их возникновение является лишь следствием физических законов.

Существование этих законов и фундаментальных постоянных связано с внутренней структурой и геометрией Вселенной. В других вселенных эти законы и постоянные (например, скорость света) будут другими. Живые системы, если они там существуют, также могут отличаться от земных и будут нам недоступны. Законы природы запустили процесс, приведший, в конечном счете, к возникновению Вселенной. Согласно Фридману, при определённых условиях Вселенная со всеми её галактиками и звёздами может развиться из точки. В момент Big Bang размер нашей будущей Вселенной был меньше размера элементарной частицы, а плотность практически бесконечной.

Естественно возникает вопрос, а почему сила притяжения присутствует во Вселенной, когда и как она появилась, имеются ли также силы отталкивания, антигравитация и т.д. Согласно общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), пространство и время связаны между собой и не могут существовать отдельно, образуя четырёхмерное пространство. Они возникли спонтанно в момент образования Вселенной. До Big Bang не было ни пространства, ни времени и они исчезнут в тот момент, когда исчезнет наша Вселенная. То же относится и к гравитации, т.е. силы гравитации, которые являются проявлением свойств пространства и времени, возникли в момент Big Bang.

Если вы приближаетесь к массивному телу, то пространство и время искажены вблизи этого тела вследствие гравитации. Это искажение тем больше, чем больше масса тела. Вблизи чёрной дыры пространство и время искажены настолько, что внутри чёрной дыры время исчезает и там вместо четырёхмерного пространства-времени имеется только трёхмерное пространство. Находясь внутри чёрной дыры, вы бы никогда не состарились и это единственный способ прожить бесконечно долго. Другой способ остановить время – это двигаться со скоростью света. Нашу Вселенную в момент взрыва можно себе представить как весьма плотную чёрную мини дыру, в которой время отсутствовало. Такие чёрные мини дыры – это остатки после взрыва массивных звёзд.

Время возникло сразу же после взрыва, т.е. до Big Bang время просто отсутствовало и «творец» не мог создать Вселенную, находясь вне времени. Наличие сил гравитации и связанной с этими силами энергии взаимодействия тел объясняет, откуда взялась гигантская энергия, которая в последующем step by step стала причиной образования галактик, звёзд, планет, частиц, жизни и т.д. Напомню, что во Вселенной имеется 100 миллиардов галактик и каждая из них содержит порядка 100 миллиардов звёзд. Умножив эти два числа, вы найдёте полное число звёзд во Вселенной. Чтобы вообразить число звёзд во Вселенной, обычно это число сравнивают с числом песчинок на всех пляжах Земли.

Если предположить, что масса звезды равна массе Солнца, то можно легко найти массу Вселенной, а следовательно, и её полную энергию, используя связь массы и энергии. Как уже упоминалось, эта энергия положительна и в точности равна отрицательной энергии гравитационного взаимодействия всех тел внутри Вселенной. В момент Big Bang ингредиентами Вселенной были только материя (или масса и связанная с ней энергия) и пространство. Всё остальное появилось потом. Например, жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет назад, т.е. примерно через 10 миллиардов лет после Big Bang.

Другой интересный вопрос связан с разбеганием галактик. Почему они удаляются друг от друга, несмотря на притяжение, т.е. почему они разбегаются, а не коллапсируют. Это связано с наличием во Вселенной наряду с веществом (4%) так называемой тёмной материи (22%) и загадочной тёмной энергии (74%). Последняя связана с силами отталкивания. Эти силы не только препятствуют коллапсу нашей Вселенной (Big Crunch), но и объясняют разбегание галактик и даже ускорение нашей Вселенной, т.к. количество тёмной энергии превышает количество обычного вещества и тёмной материи. Астрофизики, изучающие Вселенную, нашли много доказательств наличия в ней тёмной материи, например, открытие гравитационных линз, хотя ситуация с тёмной энергией (другое название силы отталкивания) не совсем ясна. В связи с тем, что расширение Вселенной происходит с ускорением, её конечная судьба легко предсказуема: её плотность и абсолютная температура будут стремиться к нулю (напомню, что 0°К = -273°С), и она погибнет. Правда, произойдёт это нескоро.

Вернёмся, однако, к силам гравитации. Благодаря этим силам и другим физическим законам, Вселенная не могла возникнуть из хаоса. Она развивается по объективным законам природы. Известный английский физик Хокинг утверждает, что бог не создавал Вселенную, она возникла благодаря физическим законам, которые управляют Вселенной. Это совпадает с взглядами Эйнштейна и Спинозы, а также с высказыванием Лапласа: «Я в этой гипотезе не нуждаюсь». Сегодня мы знаем, как это всё произошло, хотя есть много явлений, которые требуют дальнейших исследований (как, например, природа тёмной энергии, гравитационные волны или почему Вселенная ускоряется). Причиной взрыва и образования Вселенной являются квантовые эффекты, согласно которым всегда имеется ненулевая вероятность запуска процессов, в итоге сформировавших нашу Вселенную.

В заключение подчеркнём, что в общей теории относительности Эйнштейна, которая является современной релятивистской теорией гравитации, природа гравитации рассматривается как чисто геометрическая, т.е. пространственно-временная, а сама гравитация как проявление свойств пространства-времени. Она связана с кривизной пространства-времени. Искривляется не только пространство, но и время (например, замедление хода часов вблизи чёрных дыр). Сегодня имеются и другие подходы для объяснения природы гравитации. Возможно также, что гравитация является формой материи, а гравитационное поле формой существования материи. Эти и другие проблемы гравитации сегодня интенсивно обсуждаются учёными. Нужны эксперименты с поисками гравитационных волн и гравитонов, т.е. квантов гравитационного поля, которые позволят выяснить природу гравитации, т.е. она пространственно-временная или же является одной из форм материи.

Автор Илья ГУЛЬКАРОВ, доктор физ.-мат. наук, профессор