В Общей теории относительности (ОТО) материя и энергия искривляют пространство-время, что мы и воспринимаем как гравитацию. Но почему не может существовать силы «антигравитации»?
Хотя во Вселенной известны четыре фундаментальных взаимодействия, в самых крупных космических масштабах значение имеет только одно: гравитация. Остальные три силы:
- сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе;
- слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад и превращения кварков и лептонов;
- электромагнитное взаимодействие, благодаря которому формируются нейтральные атомы,
практически не играют роли на уровне космоса. Причина проста: когда вы собираете вместе огромное количество частиц, действие этих сил на больших расстояниях уравновешивается. В масштабах Вселенной материя под воздействием этих трех сил кажется «нейтральной».
Но с гравитацией всё иначе. В этом смысле она уникальна. У гравитации существуют только «положительные» заряды: объекты с положительной массой и/или энергией. Между такими объектами сила гравитации бывает только притягивающей, и со временем она лишь накапливается. Но почему всё устроено именно так? Сегодня мы постараемся ответить на вопрос одного из наших читателей:
«Классическая модель пространства-времени для обывателя — это шар для боулинга на натянутой простыне. Вес шара деформирует ткань и притягивает мелкие предметы. Кажется логичным, что простыню можно деформировать и в другую сторону (вверх), что отталкивало бы объекты. Почему же мы никогда этого не наблюдаем? Почему пространство-время гнется только в одну сторону — в сторону гравитации?»
Это серьезный вопрос, заслуживающий качественного ответа.
Гравитационное поведение Земли вокруг Солнца обусловлено не невидимым гравитационным притяжением, а скорее свободным падением Земли в искривлённом пространстве, определяемом присутствием Солнца. Кратчайшее расстояние между двумя точками — это не прямая линия, а геодезическая: кривая, форма которой задаётся гравитационным искривлением пространства-времени. Понятия «расстояния» и «времени» уникальны для каждого наблюдателя, однако согласно описанию Эйнштейна все системы отсчёта равноправны, а «интервал пространства-времени» остаётся инвариантной величиной.
Выше приведена классическая иллюстрация ОТО: представление о том, что пространство (и пространство-время) — это ткань, в которой существуют все объекты. Чем больше массы или энергии сосредоточено в одном месте, тем сильнее искривляется пространство, и тем больше деформируется «ткань». Траектория любого объекта, движущегося через эту область, определяется кривизной (направлением и степенью искажения) этой ткани.
Многие критикуют эту иллюстрацию, потому что она:
- Изображает пространство двумерным, а не трехмерным.
- Показывает деформацию «вниз», как будто сама гравитация (шар на кровати) вызывает это искривление.
- Создает впечатление, будто вдали от массы пространство становится абсолютно плоским.
На самом деле всё сложнее. Если вам не нравится аналогия с простыней, представьте пространство как трехмерную сетку. Но вместо жестких перпендикулярных линий вообразите, что эти линии «всасываются» внутрь при наличии массы — как если бы кто-то схватил пучок нитей и потянул их в одну точку.
Главный вопрос в том, почему гравитация не может работать на отталкивание. Кажется, что пространство может «искривляться» только в одном направлении: том, которое создает притяжение. В аналогии с 2D-простыней материя гнет ткань только «вниз», но никогда не «вверх». В 3D-сетке линии всегда стягиваются «внутрь», но никогда не выталкиваются «наружу».
Для этого есть фундаментальная причина, которая делает гравитацию уникальной: во Вселенной существует только один «знак» гравитационного заряда — положительный.
Мы редко думаем о гравитации в таких терминах. Обычно мы говорим о «массе» и «энергии». Но среди всех физических сущностей — от макрообъектов до квантовых частиц — мы никогда не находили «отрицательную массу» или «отрицательную энергию». В сумме масса и энергия всегда должны быть положительными.
Сравните это с электромагнетизмом. Там есть два типа заряда: положительный (+) и отрицательный (-). Согласно правилам:
- одноименные заряды отталкиваются;
- разноименные — притягиваются.
Знак электромагнитной силы (куда она тянет или толкает) зависит от типа зарядов. Более того, электромагнитное взаимодействие невероятно сильнее гравитационного. Если сблизить два протона, сила их электрического отталкивания будет больше силы гравитационного притяжения в 1036 раз (это единица с 36 нулями!).
Почему же тогда электромагнетизм не правит Вселенной? Потому что Вселенная электрически нейтральна. Положительные и отрицательные заряды идеально балансируют друг друга. Атомы, планеты и звезды нейтральны. Гравитация же, несмотря на свою слабость, обладает кумулятивным эффектом. У неё только один тип «заряда», и он просто суммируется по мере роста объекта.
Ядерные силы также не могут влиять на космос. Слабое взаимодействие передается очень тяжелыми частицами (W- и Z-бозонами), из-за чего оно затухает практически мгновенно за пределами атомного ядра.
С сильным взаимодействием всё еще сложнее. Оно работает через «цветовые заряды» (красный, зеленый, синий) и их антицвета. Сила устроена так, что частицы всегда стремятся образовать «бесцветную» (нейтральную) комбинацию. Из-за этого свойства (конфайнмента) сильное взаимодействие ограничено масштабами микромира.
Если бы существовала отрицательная масса или энергия, физика стала бы похожа на магию. Мы могли бы:
- Создавать гравитационные щиты, которые изолировали бы нас от веса Земли без состояния свободного падения.
- Генерировать искусственную гравитацию на космических кораблях, создавая полы из «положительной» энергии и потолки из «отрицательной» (по аналогии с электрическим конденсатором).
- Построить варп-двигатель (пузырь Алькубьерре). В этой модели пространство перед кораблем сжимается (положительная кривизна), а позади расширяется (отрицательная кривизна), позволяя перемещаться быстрее света.
Долгое время была надежда, что антиматерия может обладать отрицательной гравитационной массой. Однако в 2023 году эксперименты подтвердили: антиматерия падает вниз точно так же, как обычная. Это разрушило надежды на «легкий» способ создания варп-двигателя без привлечения экзотической «новой физики».
Можно ли создать условия, где гравитация ведет себя как отталкивающая сила, не нарушая законов физики? Да, но только в рамках модели.
Представьте, что пространство заполнено некой идеальной жидкостью. Тогда:
- частица с плотностью выше, чем у жидкости, будет вести себя как обычная масса;
- «пузырек» (область с меньшей плотностью) будет вести себя как эффективная отрицательная масса.
В такой системе две «положительные» частицы притягиваются, два «отрицательных» пузырька тоже притягиваются друг к другу, но частица и пузырек будут отталкиваться. Однако это не фундаментальная антигравитация, а лишь разница потенциалов.
На фундаментальном уровне отрицательных состояний массы или энергии не существует. Даже энергия вакуума (темная энергия) положительна, хоть и мала. Мы можем создавать области с меньшей плотностью энергии, чем в окружении, но гравитация там всё равно останется притягивающей — просто чуть менее сильной.
Яркий пример: если вы резко затормозите в машине, все пассажиры по инерции подадутся вперед, а гелиевый шарик в салоне отлетит назад. Это происходит не потому, что шарик нарушает законы Ньютона, а потому, что более плотный и тяжелый воздух в машине устремляется вперед сильнее, выталкивая легкий шарик назад.
Это единственный вид «антигравитации», доступный нам сегодня: когда что-то менее плотное ведет себя как отрицательный источник силы относительно чего-то более плотного. Пока не будет открыта «новая физика», антигравитация останется лишь математическим курьезом и сюжетом для научной фантастики.
Комментарии (11)