Загальна теорія відносності навчила нас, що гравітація не є фундаментальною силою. І це, мабуть, найбільш таємничий факт фізики. Навіть вчені постійно помиляються, коли дискутують про те, як влаштований наш світ.
Повторимо: гравітація - це не сила природи. І оскільки на вас не діє сила, що тисне вниз, це означає, що ви прискорюєтесь вгору. Якщо тільки ви не астронавт і не перебуваєте в невагомості.
Як працює гравітація, якщо вона не є силою?
Акселерометр - це прилад, який вимірює прискорення. Якщо ви тримаєте акселерометр у руці, він покаже вам прискорення вгору. Навіть коли він просто лежить на столі.
Так, він показує, що прискорюється вгору. І це абсолютно правильно. Якщо ви тримаєте акселерометр на поверхні землі, він також прискорюється вгору. Поверхня не має значення.
Будь-яка річ тисне на вашу руку вниз. Схоже на прискорення машини руками, коли ви штовхаєте її з ями. Але це не гравітаційна сила штовхає вниз: атоми, підлога, книжка, вся Земля має внутрішній тиск. Інакше речі зруйнуються. Зокрема, і наша планета.
Такий тиск створює силу, яка діє на все, що знаходиться на поверхні. А як вчив нас Ньютон, сила створює прискорення. Отже, внутрішній тиск Землі створює силу, яка прискорює вас на поверхні.
Проте ви можете сказати, що є сила тяжіння, і саме вона штовхає вниз. Дві різні сили врівноважуються до нуля, чи не так? Ні! Гравітація - це наслідок руху у просторі-часі, викривленому наявністю мас.
Якщо поблизу немає інших мас, які викривляють простір-час, він “перетворюється” на плоскість. Поки на об'єкт у цьому просторі-часі не діє сила, об'єкт рухається прямолінійно. Якщо поблизу розміщується “масивний” об'єкт, простір-час викривляється, а фізичне тіло більше не рухається прямолінійно, навіть за відсутності сили.
Звичний спосіб пояснити це - великий мармур на гумовому листі, який деформує гуму. Аналогія того, як, скажімо, планета викривляє простір-час навколо себе. А потім ще один менший мармур, який нібито притягується до більшого.
Досить гарна візуалізація. Просто не варто запитувати, чому великий мармур згинає гуму, бо тоді ситуація становиться ще більш заплутаною.
Якщо на вашому шляху виникає поверхня планети, то нова сила породжує прискорення. Падіння — це відсутність сили, що впливає на вас. Потрібний внутрішній тиск для підтримки “звичної форми”.
Без внутрішнього тиску речовина вільно падає по кривизні, яку вона собі створює. Без внутрішнього тиску Земля утворила б крихітну чорну діру діаметром близько 3 міліметрів. От вам найпростіше пояснення феномену ЧД. Або того, що ми вважаємо сингулярністю.
Експеримент з пружиною та парадокс Шредінгера
Повернемось до акселерометрів і подивимось на пружину, звичайну пружину.
Уявний експеримент: відправляємо пружину у відкритий космос. Вона трохи розтягнута. Тепер, якщо ви прив'яжете цю пружину до ракети, а ракета рушить у самостійний пошук, пружина розширюватиметься до моменту зміни швидкості ракети. Чому так? Згадаємо Ньютона: сила дорівнює масі, помноженій на прискорення.
Отже, якщо ви прискорите один кінець пружини, ви створите силу розтягування. Залишалось тільки використати пружину для вимірювання прискорення.
Зазначимо, що швидкість сама по собі є безглуздим поняттям. Можна говорити лише про відносні швидкості, а не про абсолютні. Ось чому в теоріях Ейнштейна присутнє слово «відносна».
Тобто прискорення не відносне, воно абсолютне. Ви можете виміряти, наскільки ви прискорюєтесь і ви можете сказати, коли не прискорюєтесь.
І тут спрацьовує квантовий ефект на кшталт кота Шредінгера. Якщо ви знаходитесь в коробці й не здатні спостерігати, а тим більше вимірювати зовнішній світ, ви не можете сказати, чи ви прискорюєтесь, чи сидите нерухомо. Незалежно від свого “місцеперебування”.
Якщо не існує жодних вимірювань, які можна зробити, щоб відрізнити інтелектуально умовні ситуації, то вони фізично нерозрізнимі. По факту — на папері — вони не існують.
Можна сказати по-іншому: в маленькій коробочці вплив гравітації на поверхні планети не відрізняється від прискорення в умовах відсутності гравітації. Те, що називається принципом еквівалентності. Люди зазвичай помиляються, роблячи висновок, що оскільки гравітація не відрізняється від прискорення, це означає, що гравітація прискорює вас.
Але щоб щось прискорити, потрібна сила. А гравітація не є силою.
Принцип еквівалентності Ейнштейна говорить, що ви прискорюєтесь, якщо сидите нерухомо в гравітаційному полі. Тож, єдиний спосіб сидіти нерухомо в гравітаційному полі — опинитися в межах дії сили, яка не дозволяє вам впасти. Підлога тисне на вас.
На практиці спостерігач не відрізняє гравітацію від прискорення, адже він штучно “розміщує” себе у пласкому просторі-часі.
До сингулярності
Уявіть, наприклад, що ви падаєте в чорну діру. Що відбувається?
Ви на своєму космічному кораблі (в коробці), без жодних ракетних прискорювачів і так далі. Чорна діра викривляє простір-час, ви намагаєтесь розрахувати свої шанси.
Найбільш вірогідний сценарій: якщо ви наблизитесь до горизонту подій, то неминуче перетнете його, а потім опинитеся в сингулярності.
Чого може і не статися. Але ваша пружина не зрушиться з місця, тому що на вас не діятиме ніяка сила. Пам'ятаємо: гравітація - це не сила.
Виникає феномен “вільного падіння у гравітаційному полі”. На вас не діє сила, ви не прискорюєтесь, політ в невагомості.
Водночас нульова гравітація не означає нульову гравітацію. Славетне G - це локальне прискорення, яке ви відчуваєте, якщо перебуваєте в стані спокою в гравітаційному полі.
На поверхні Землі прискорення становить приблизно 9,8 метра на секунду за секунду. Хоча, строго кажучи, це не зовсім так. Прискорення змінюється відносно висоти та геології земної поверхні.
Прискорення без зміни швидкості
Допустимо, ви не змінюєте швидкість і просто стоїте на землі. Як можна прискоритись? Пам'ятаємо: швидкість не абсолютна. Коли ви кажете, що вона не змінюється, це означає, що ви не рухаєтесь відносно поверхні землі.
Але це не означає, що у вас нульова швидкість. Ви просто не рухаєтесь відносно іншого фізичного тіла. В даному випаду - відносно поверхні Землі.
У загальній теорії відносності якщо ви стрибаєте і падаєте, ви не прискорюєтесь, - на вас не діє зовнішня сила. Але коли ви вдаряєтесь о підлогу, ви “раптово” починаєте прискорюватися, - втім, не раджу експериментувати та перевіряти, правий я чи ні.
У ньютонівського яблука сила гравітації нібито “скасовує” силу, яка тисне з боку землі. Під час стрибка сила “внизу” зникає, діє лише сила гравітації, і ви прискорюєтесь.
Удар о землю — це фактично повернення до нульового прискорення. Ньютонівська картина світу відповідає нашому повсякденному сприйняттю реальності. Але ви не зможете просто перевизначити нульове прискорення.
Гравітаційне поле не дозволяє вам впасти. Але відсутність нульового прискорення часто “провокує” фізиків на роздуми про чотири фундаментальні сили природи, до яких гравітація не має ніякого відношення.
