Почему магнит сильнее планеты и как гравитация гнет свет

В разных странах ваш вес может меняться, чёрные дыры порождают волны, а невесомость — вовсе не то, чем кажется. Разбираемся по порядку.

1. Магнит на холодильнике сильнее гравитации Земли

В физике есть четыре фундаментальных силы: сильное ядерное взаимодействие (держит атомные ядра вместе), слабое ядерное (отвечает за радиоактивный распад), электромагнетизм и гравитация. Именно гравитация не даёт развалиться Земле, планетам, звёздам и целым галактикам.

Так вот, гравитация — самая хилая из этой четвёрки. И физики до сих пор не понимают, почему так вышло.

Вы можете возразить: как же так, если гравитация двигает галактики? А вы попробуйте повесить магнитик на холодильник. Вопрос: почему крошечный кусочек пластика с магнитом притягивается к дверце сильнее, чем вся планета Земля?

Атомные силы, кстати, ещё мощнее электромагнитных. Магнит вы ещё можете отодрать руками, а вот расщеплять атомы голыми рукам ни у кого не получается. Для наглядности: электрическая сила между протоном и электроном внутри атома примерно в нониллион раз (это единица с 30 нулями) сильнее их гравитационного притяжения.

Это одна из главных головоломок физики. Есть гипотеза, что у Вселенной могут быть скрытые от нас дополнительные измерения. Гравитация якобы распространяется через все эти измерения, а электромагнетизм и ядерные силы заперты в нашем привычном четырёхмерном пространстве-времени.

Возможно, наша гравитация действует на объекты в других вселенных, если они существуют. А их притяжение, в свою очередь, влияет на нас. Этим даже пытаются объяснить, почему Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывают расчёты. По крайней мере, такую версию предлагают физики, которым не нравится идея тёмной материи и тёмной энергии.

Но пока ни у кого нет экспериментальных доказательств ни за, ни против этой теории.

2. Гравитация порождает волны

Представьте, что пространство-время — это туго натянутая ткань или поверхность пруда. Когда массивные объекты вроде чёрных дыр движутся или сталкиваются (например, сливаются нейтронные звезды), они создают складки на этой «ткани». Как волны от брошенного в пруд камня. Это и есть гравитационные волны.

Аналогия, конечно, хромает: ткань и вода плоские, а Вселенная объёмная. Но физики пока не придумали ничего нагляднее.

Гравитационные волны не похожи на звук или свет, поэтому мы их не слышим и не видим. Но их можно засечь специальными приборами — лазерными интерферометрами. Это помогает изучать далёкие массивные объекты и космические события на краю Вселенной.

Существование таких волн предсказал ещё Эйнштейн сто лет назад.

Но инструменты для их обнаружения человечество создало только недавно. Самый известный — лазерно-интерферометрическая обсерватория LIGO. В 2015 году она впервые зафиксировала гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр в 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Эти волны проходят сквозь любые преграды, не поглощаются и не отражаются. А ещё они распространяются по Вселенной со скоростью света.

3. Гравитация на Земле не везде одинакова

Вы наверняка уже видели эту анимацию. По Сети гуляет миф, якобы именно так выглядит наша планета без океанов. Но на самом деле это модель не самой Земли, а её гравитационного поля.

Во‑вторых, поверхность Земли очень неровная. У нас есть высокие горы, глубокие океанские впадины и другие ландшафтные формы, которые имеют разную массу. И в‑третьих, внутри планеты материалы также распределены неравномерно. Все эти факторы приводят к тому, что гравитация на Земле варьируется от места к месту.

Это значит, что в разных местах нашей планеты вы будете весить по‑разному.

Поэтому, если вас не устраивает цифра на весах, просто смените место жительства, и килограмм‑другой сразу сбросите. Правда, масса останется той же, но вес‑то уменьшится. Физика.

4. Гравитация искривляет свет

Мы привыкли, что гравитация действует на всё вокруг: мы твёрдо стоим на земле, яблоки падают вниз, а Солнце вращается вокруг центра галактики.

Но гравитация влияет не только на материю, но и на свет. Именно поэтому чёрные дыры такие чёрные: их притяжение настолько мощное, что даже свет не может вырваться из гравитационного поля.

Однако бывает, что фотоны не падают на массивный объект, а просто пролетают мимо, слегка меняя траекторию.

Это явление называется гравитационным линзированием. Гравитация искривляет пространство и время вокруг массивных тел — звёзд и галактик. Поэтому свет, идущий мимо них, движется не по прямой, а по изогнутой траектории.

Гравитационное линзирование тоже предсказал Эйнштейн в своей общей теории относительности. Он предположил, что свет от далёкого объекта будет искривляться, проходя рядом с массивной звездой. Теорию подтвердили экспериментально во время солнечного затмения в 1919 году.

Из-за линзирования возникают красивые эффекты: «кольца Эйнштейна» или «крест Эйнштейна». Это когда свет от далёкой галактики огибает более близкую и образует кольца, подковы и другие светящиеся фигуры.

Астрономы используют это явление для поисков тёмной материи. Сама она не излучает свет, поэтому её не видно напрямую. Но её присутствие выдают эффекты гравитационного линзирования.

5. Невесомость — это не отсутствие гравитации

Спросите любого, почему космонавты на МКС парят в воздухе, и вам скорее всего ответят: «В космосе же нет гравитации». Это неправда, иначе Солнце не удерживало бы планеты на орбитах.

NASA для тренировки таких состояний использует самолёт, который сотрудники иронично называют Vomit Comet — «рвотная комета». Догадайтесь, за что.

С космонавтами на орбите происходит то же самое. Станция или корабль постоянно падают на Землю из-за гравитации. Но они движутся вперёд настолько быстро, что не могут упасть, а каждый раз пролетают мимо планеты по кругу. Это создаёт иллюзию, что притяжения нет. Правильное название такого состояния — «микрогравитация».

На самом деле гравитация пронизывает всё пространство. Учёные считают, что её скорость ограничена скоростью света, а сила падает с расстоянием, но радиус действия бесконечен.

Выходит, прямо сейчас на вас действуют гравитационные волны от какой-нибудь далёкой чёрной дыры, которые летели до Земли десятки тысяч лет. Просто их сила по сравнению с земной гравитацией крошечная. И это, знаете ли, к лучшему.