Гравитация — это не сила [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой, Макс. [музыка] Хоть согласно общей теории относительности, гравитация не сила, нет никаких полей тяготения. Гравитация — нечто сродни иллюзии, и в сегодняшнем видео я это докажу, вырвавшись в открытый космос. 3, 2, 1. [музыка]
Альберт Эйнштейн говорил, что веселее всего ему представлять, как человек падает с крыши дома. Что ж, его в этом так веселило? Совсем не злорадства, а то, что во время падения человек не будет ощущать собственного веса, будто левшиц.
И если этот человек выпустит из рук какой-нибудь предмет, они будут неподвижны относительно друг друга, равномерно продвигаясь в одну сторону. Совсем так же, как в открытом космосе, вдали от массивных объектов, в космическом корабле, который дрейфует с постоянной скоростью.
И здесь вы не чувствуете вес. Объекты внутри неподвижны относительно вас. Если толкнуть один из них, он начнет перемещаться по прямой с постоянной скоростью, а сами вы станете буквально инерциальным наблюдателем. Вы не ускоряетесь, не находитесь в гравитационном поле, а законы физики работают в вашей системе координат.
На это значит, что какой бы эксперимент вы не провели, результат будет таким же, как в любой другой инерциальной системе. А сейчас слушайте. На взгляд Эйнштейна, между этими ситуациями нет никакой разницы.
Они не просто похожи с точки зрения физики, они идентичны. Это значит, что на падающего человека не влияет поле тяготения. Их вообще не существует. А еще он не ускоряется, он универсальный наблюдатель, как и человек в космическом аппарате.
Стоп, стоп, стоп. Ладно, допустим, понятно, что падающий не ощущает своего веса. Но ведь на него влияет гравитационное поле, он ведь прямо рядом с Землей, и естественно он ускоряется на 9,8 метров в секунду каждую секунду, что и подтвердится, когда он со всего размаха врежется в землю.
Я понимаю, что со стороны разница кажется очевидной, но согласно введенному Эйнштейном принципу эквивалентности, самое главное, на чем стоит сосредоточиться — это наблюдатели. Если оба не ощущают своего веса, значит, оба в инерциальной системе координат, что летящий с крыши, что летящий сквозь космос.
Представим, что наша страна с постоянной скоростью плывет сквозь пространство, и вдруг вдали объявляется планета. [музыка] Наблюдая со стороны, мы заметили бы, что его ракета понемногу сворачивает к этой планете, но сам человек внутри об этом ничего не узнает.
Он не почувствует ни воздействия каких бы то ни было сил, ни ускорения. Чем ближе к планете, тем быстрее летит ракета, но астронавт все так же остается в невесомости. Для него ничего не изменилось. Какой же момент инерциальная система координат станет не инерциальной? Даже акселерометр на борту никаких изменений не зафиксирует.
Астронавт летит сквозь свое нормальное пространство-время. Логичный вывод: система координат останется инерциальной вплоть до того момента, когда ракета врежется в планету. Ну ладно, чем тогда объяснить поворот ракеты, если не силой притяжения, гравитационным полем?
Все дело в искривлении пространства-времени. Для начала обратим внимание на то, что человек в ракете считает, что все время летит постоянной скоростью по прямой. Собственно, он и двигался по прямой сквозь пространство-время. Но вблизи массивных объектов пространство-время искривляется. Поэтому сторонний наблюдатель увидит изогнутую траекторию ракеты.
Все это на самом деле не так уж и странно. Например, самолеты стараются отправлять из одного города в другой по самому короткому пути, то есть по прямой. Но сама поверхность Земли изогнута, поэтому путь самолета не будет казаться прямым. Такие линии на изогнутых поверхностях называют геодезическими.
Тот же термин используется для описания траектории, по которой движется объект сквозь пространство-время. Итак, вот другая аналогия. Представьте себе, что вы и кто-то из ваших друзей стоите на экваторе и между вами расстояние в тысячи километров. Оттуда вы оба направляетесь на север. Постепенно расстояние между вами будет сокращаться, и как раз на северном полюсе вы встретитесь в одной точке.
Вас как будто тянуло друг к другу некой силой, но никто из вас при этом никакого воздействия не ощущал. Вот так же работает и гравитация. Но на самом деле ее не существует. Вы оказались в одной точке, потому что шли в одну сторону по прямой геодезической линии на искривленной поверхности.
Экипаж МКС испытывает невесомость. Это значит, что они не инерциальные наблюдатели и перемещаются по геодезической линии. Пространство-время изгибается близ Земли, из-за чего траектории МКС выглядят как спираль. Окружности ее орбита могут казаться только если забыть о бремени.
А движемся мы сквозь пространство и время. Сквозь пространство-время. Обычно вот так объясняют, как можно представить себе изогнутое пространство-время. Но мне кажется, подобная иллюстрация в каком-то смысле сбивает с толку, и нам только кажется, что мы поняли общую теорию относительности.
Если смотреть на такую модель, можно прийти к выводу, что объекты затягивает к центру, своего рода воронки под действием силы притяжения. Но общая теория относительности вообще не предусматривает ее наличие. Представлять себе стоит, как объект движется по прямой в пространстве и времени, но из-за того, что она изгибается близ массивных объектов, прямая линия не похожа напрямую.
Материя искривляет пространство-время, а пространство-время направляет ее движение. А теперь вернемся в открытый космос. Что если включить двигатели ракеты и начать двигаться с ускорением 9,8 метров в секунду за секунду? Со стороны мы бы увидели, что предметы внутри аппарата остались на своих местах.
А вот ракета пришла от движения. [музыка] Человек внутри увидит, как объекты устремились к полу, а еще его будет толкать вверх с той же силой, которая воздействует на каждого, что сидит сейчас на экране монитора. Ощущение ровно такие же, как если находиться в покое на поверхности Земли, что мы собственно сейчас и делаем.
И, кстати, вопрос: находитесь ли вы, мои зрители, в инерциальной системе координат? То есть ощущаете ли вы свой вес? Да, я значит вас не назовешь инерциальными наблюдателями, и вы сейчас все равно что ускоряетесь при полете сквозь космос на ракете.
Я говорю не о том, что когда мы сидим дома, это похоже на полет на ракете. Я говорю, что это то же самое, и мы ускоряемся, а гравитационного поля нет. Они вообще не существуют. Да, знаю, звучит безумно, но пойдемте, покажу кое-что.
[музыка] Это вы в рамках стандартной ньютоновской физики. Мы обозначаем вес как силу притяжения, которая тянет вас вниз, и силу, с которой опора толкает вас вверх. Мы говорим, что эти силы равны и противоположны по направлению, дополнительных воздействий нет, и вы не ускоряетесь.
Но в общей теории относительности гравитация силой не считается. Вы не имеете веса, и остается только сила, которая толкает вас вверх. Значит, вы ускоряетесь вверх. Но я же никуда не двигаюсь! Относительно чего? Относительно доски пола, да и вообще всего, что есть в комнате.
Да и все это находится в твоей системе координат, и мы знаем, что она не инерциальная относительно всего, что есть в ракете. Я не ускоряюсь. Если уж очень хочется измерить свое ускорение, нужно нечто в инерциальной системе координат. Например, человек, падающий с крыши.
И для него это: ты ускоряешься на 9,8 метров в секунду за секунду. Мне кажется, исходя из этого, ускорение на самом деле — это по сути отклонение от геодезической линии. Мы не можем двигаться по прямой сквозь пространство-время, потому что нам мешает пол. Он толкает нас снизу, и мы ускоряемся вверх.
Но если я ускоряюсь, как и все остальные люди в мире, да и сама поверхность планеты тоже, разве не должна Земля расширяться? Нет, даже если мы ускоряемся, это не означает, что наше положение в пространстве меняется. Сейчас покажу вам одно уравнение из общей теории относительности. Согласно ему, вторая производная вашего положения по времени равняется ускорению.
Это f = m*a, и в плоском пространстве-времени — это все. Если вы ускоряетесь, ваши координаты меняются, но мы-то не в плоском пространстве-времени, и вот эта часть отражает искривление пространства-времени. Вот это ваша скорость во времени в квадрате, и он не обязательно вникать во все детали.
Главное тут то, что положение в пространстве может и не меняться. Здесь может быть 0, но это значит, что ускорение должно равняться искривлению на скорость до скачка в квадрате. Получается, что в искривленном пространстве-времени, чтобы оставаться на месте, нужно ускоряться.
Все это может показаться сложнее, чем классическая механика, но одна загадка вселенной в рамках общей теории относительности кажется гораздо проще. А именно: почему все объекты падают с одинаковой скоростью? Я снял не одно видео на эту тему.
Объяснения давал с точки зрения классической механики: нападающего объекта действует единственная сила — его вес, то есть гравитационная постоянная на массу объекта, деленное на квадрат расстояния, что равно массе ускорения. Массу объекта можно сократить, и мы увидим, что у всех объектов будет одно и то же ускорение.
Но загадка в том, почему же мы можем сократить в уравнениях массу. Слева указано гравитационная масса — свойства объекта, который имеет и испытывает на себе влияние гравитационного поля. Справа — инертная масса, показатель сопротивления ускорению.
Почему же эти разные по своей сути характеристики совпадают по значению? Идентичны. Много времени и усилий ученых ушло на то, чтобы экспериментально сравнить эти массы с точностью до 1/10 триллионной и показать, что они идентичны.
Но с общей теорией относительности ничего загадочного в этом нет. Все объекты падают с одинаковой скоростью, потому что они не ускоряются. Они просто движутся по прямой в пространстве-времени, пока не наткнутся на преграду. На какие предметы в ракете они как будто одинаково ускоряются, потому что с ними ничего не происходит.
Это вот пол ускоряется навстречу. Все это как-то выглядит притянутым за уши ли так? Всем оказалось в 1915, когда Эйнштейн представил свои идеи. Но также он предложил измеримое предсказание для проверки теории.
Снова вспомним ракету. Вот она, движется сквозь космос. Если направить луч света от одной стены на другую, то никаких сюрпризов не будет. Свет движется по прямой, следовательно, он попадет в точку на той же высоте, на которой расположен источник света.
Но что если ракета начнет ускоряться? При наблюдении со стороны все будет так же: привычный луч света, который бьет по прямой, но если взглянуть изнутри, пока свет летит от одной стены до другой, ракета успеет чуть разогнаться, а значит, луч будет попадать всегда немного ниже источника. В ускоряющейся системе координат свет отклоняется вниз.
Для наглядности я сильно преувеличил эффект: даже при ускорении 10 g, скорее всего, я не переживу, свет отклонится всего лишь на диаметр протона и все же это показывает, что свет в системе координат под действием ускорения искривляется. Исходя из этого, Эйнштейн решил, что свет будет также искривляться вблизи массивных тел.
Но где же найти объекты достаточной массы? Если искать недалеко от Земли, сама собой напрашивается Солнце. В идеале нужно было бы выяснить, отклоняется ли проходящий около Солнца свет, например тот, который излучают другие далекие звезды. Но Солнце само по себе такое яркое, что никакой другой свет вблизи него не рассмотреть.
Если только не дождаться полного солнечного затмения, которое и произошло в 1919 году. Артур Эддингтон подготовился фотографировать ближайшие звезды, как только Солнце полностью скроется. Последующий анализ снимков показал, что мы видим звезды не там, где они находятся на самом деле, и что разница в их положении рассчитывается с помощью формул общей теории относительности Эйнштейна.
Оказалось, что видимое смещение в два раза больше, чем предсказывала ньютоновская физика. Общая теория относительности успешно прошла все испытания, которым и подвергали последние лет сто. Но кое-что еще не пробовали.
Хорошо известно и подтверждено, что ускоряющийся заряд испускает электромагнитное излучение, и можно провести довольно нехитрый опыт: сравнить поведение покоящегося в гравитационном поле заряда и падающего. Если картина, которая предполагает ньютоновская теория, ближе к правде, излучение от неподвижного заряда не будет. Азарение в свободном падении будет так, как он постоянно ускоряется.
Однако с точки зрения общей теории относительности падающий заряд не ускоряется, он просто движется по прямой в искривленном пространстве-времени. А вот покоящейся на месте ускоряется, а значит, должен испускать электромагнитное излучение. Вообще, из-за технических трудностей этот опыт пока никто так и не провел.
Однако то, какой результат мы ожидаем получить, зависит от того, что мы думаем о природе гравитации. Как вам кажется, обнаружит у падающего заряда электромагнитное излучение или нет? И существует ли сила притяжения?