Наиболее распространенный способ думать о гравитации — это воспринимать ее как силу, действующую между двумя массами. Например, Земля оказывает гравитационное воздействие на Луну, а Луна в ответ притягивает Землю. Эту «силовую модель» Ньютон использовал для разработки своего закона всемирного тяготения, который оставался основной теорией до начала 1900-х годов. И эту модель мы можем исследовать, задаваясь вопросом: «А что, если?..»
Представьте себе Вселенную, пустое пространство, простирающееся так далеко, как только можете себе представить, с одной единственной массой где-то в центре (обозначим ее объект А). Будет ли такая масса иметь гравитацию? Если гравитация — это сила взаимного притяжения, то ответ очевиден – «нет». У объекта А нет другой массы, которую он мог бы притянуть. А если мы добавим еще одну массу в нашу Вселенную (назовем ее объект Б), то объект А и объект Б будут оказывать друг на друга силу, и гравитация таким образом будет существовать. Но она будет существовать только между объектами А и Б и больше нигде в нашей пустой Вселенной.
Полевая модель гравитации
Одна из проблем вышеописанной модели заключается в том, что эта модель требует, чтобы массы оказывали силы на другие массы через пустое пространство. Эта проблема «действия на расстоянии» была частично решена Пьером-Симоном Лапласом в начале 1800-х годов. Его идея заключалась в том, что масса должна достигать других масс с помощью некоего вида энергии, которую он назвал полем. Другие массы будут ощущать это поле как силу, действующую на них. Поэтому, если мы снова представим нашу массу А в одинокой Вселенной, мы скажем, что объект А имеет гравитационное поле, окружающее его, даже если во Вселенной больше ничего нет.
Это устраняет необходимость в действии на расстоянии, потому что, когда мы вводим еще одну массу Б, она просто обнаруживает любое гравитационное поле, уже существующее, и испытывает силу. Мы знаем, что гравитационное поле обусловлено объектом А и объект Б просто знает, что в пространстве есть гравитационное поле.
И силовая, и полевая модели ньютоновской гравитации дают одинаковые предсказания, поэтому экспериментально нет реального способа отличить одно от другого. Однако поля часто являются более простой концепцией для математической работы, а также используются для описания таких вещей, как электричество и магнетизм, поэтому мы обычно думаем о ньютоновской гравитации как о поле.
Скорость гравитации
Но это поднимает другой вопрос. Предположим, что в нашей Вселенной с двумя объектами мы внезапно изменим положение объекта А. Сколько времени потребуется объекту Б, чтобы распознать изменение? Другими словами, если мы изменим положение массы А, с какой скоростью изменение распространится через гравитационное поле?
Когда Лаплас рассмотрел эту идею, он обнаружил, что изменения в гравитационном поле должны происходить мгновенно. «Скорость гравитации» должна быть бесконечной. Например, если бы гравитация распространялась со скоростью света, Земля попыталась бы вращаться по орбите вокруг места, где Солнце было 8,3 минуты назад (время, необходимое свету для путешествия от Солнца до Земли). В результате орбита Земли со временем стала бы нестабильной.
В то время идея гравитации, действующей с бесконечной скоростью, не вызывала сомнений. Фактически, она использовалась как аргумент против других идей гравитации. Но в начале 1900-х годов Эйнштейн разработал свою теорию, которая (помимо прочего) требовала, чтобы ничто не могло двигаться быстрее света. И если это действительно так, то с теорией Лапласа происходит что-то не то. К 1915 году Эйнштейн разработал новую модель гравитации, известную как общая теория относительности, которая удовлетворяла как гравитационную модель Ньютона, так и специальную теорию относительности.
Компенсация эффектов
Согласно новой теории, когда две большие массы, например, черные дыры, вращаются друг вокруг друга, они должны излучать гравитационные волны. И эти гравитационные волны должны распространяться со скоростью света.
Но если гравитация движется со скоростью света, не означает ли это, что планетарные орбиты должны быть нестабильными? Оказывается, нет. Когда Лаплас изучал гравитацию с конечной скоростью, он рассматривал только эффект скорости гравитации, что и приводит к его результату, но в специальной и общей теории относительности конечная скорость света приводит к другим эффектам, таким как замедление времени из-за относительного движения и кажущееся изменение массы из-за относительного движения. Математически эти эффекты возникают из-за свойства, известного как инвариантность Пуанкаре. Из-за этой инвариантности временная задержка гравитации и зависящие от скорости эффекты времени и массы компенсируются, так что фактически массы притягиваются туда, куда надо. Этот компенсирующий эффект означает, что для орбитального движения гравитация действует как будто мгновенно.
Гравитация и пространство-время
Но подождите, скажете вы, как гравитационное поле может иметь конечную скорость и действовать мгновенно в одно и то же время?
После Ньютона еще долго считалось, что объекты и энергетические поля взаимодействуют в пространстве определенным образом и пространство, и время можно рассматривать как фон, на котором происходят изменения. Пространство и время рассматривалось как космическая сетка, на которой можно измерить все. Разрабатывая специальную теорию относительности, Эйнштейн обнаружил, что пространство и время не могут быть абсолютным фоном. По мнению Ньютона, два события, происходящие в одно и то же время, будут восприниматься всеми наблюдателями как одновременные. Но Эйнштейн обнаружил, что постоянство света требует, чтобы эта концепция «сейчас» была относительной. Разные наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, будут наблюдать разный порядок событий. Вместо фиксированного фона пространство и время теперь представляют, как связь между событиями, которая зависит от того, где и когда находится наблюдатель.
Этот принцип перенесен в теорию относительности Эйнштейна. В ней гравитация не является энергетическим полем. Вместо этого масса искажает отношения между пространством и временем. Если вернуться к нашему предыдущему примеру, если мы помещаем массу А в пустую Вселенную, отношения пространства и времени вокруг него искажаются. И когда мы помещаем рядом массу Б она движется к массе А. Кажется, будто объект Б притягивается к объекту А сила, но на самом деле это происходит из-за того, что пространство-время искажено.
Как однажды сказал физик Джон Уилер: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться».
Вот как гравитация может казаться действующей мгновенно, в то время как гравитационные волны, распространяются со скоростью света. Гравитация — это не то, что движется сквозь пространство и время. Гравитация — это и есть пространство и время.
В этом и заключается суть науки. Иногда простой вопрос может подтолкнуть к неожиданному ответу.
