Гравитация туралы 20 қызықты дерек – бізді жерде ұстап тұратын және уақытты майыстыратын күш

Табиғаттың іргелі күштері өмір сүруімiздің әрбір сәтін сіңдіріп тұрады, алайда біз оларды тек ең айқын түрде өзіздерін еске салғанда ғана байқаймыз. Ғаламды басқаратын барлық күштердің арасында ешқайсысы гравитация сияқты бір мезгілде осынша жаппай болып және терең деңгейде осынша нашар түсінілмейді. Дәл осы күш планеталарды орбитада ұстап, жұлдыздарды жарқыратып, бізді Жер бетінен ажырамауымызға мүмкіндік бермейді. Исаак Ньютон оны үш ғасырдан астам бұрын математикалық тұрғыдан сипаттады, Альберт Эйнштейн кеңістік-уақытты иіп-бүгу ретінде қайта ойластырды, алайда бұл күштің табиғаты туралы сұрақ әлі де ашық күйінде тұр. Гравитация бір мезгілде белгілі іргелі өзара әрекеттесулердің ең әлсізі және ғарыштық ауқымда Ғаламның ең қуатты күші болып табылады. Осы мәңгілік күштің барлық тосындығын, қуатын және сұлулығын аша алатын жиырма деректі назарларыңызға ұсынамыз.

1. Гравитация табиғаттың төрт іргелі күшінің ең әлсізі болып табылады – электромагниттік өзара әрекеттесуден шамамен он дәрежесі отыз алтыда есе кем. Бұл парадоксалды болып көрінеді – ең әлсіз күш галактикалардың қозғалысын қалай басқара алады? Жауабы қарапайым: гравитация кез келген қашықтықта әрекет етіп, қарама-қарсы белгіге ие болмайды, сондықтан жеткілікті ірі масса болғанда оның әсері бірін-бірі компенсациялайтын электромагниттік зарядтардан өзгеше кедергісіз жиналады.
2. Ньютон гравитацияны бұл сөздің кәдімгі мағынасында «ашқан» жоқ – ол оны сипаттаудың математикалық аппаратын жасады. 1666 жылы Вулсторп бағында түскен алма туралы оқиға мүмкін жеңілдетілген аңыз, алайда дәл оба індеті кезіндегі оқшаулану ғалымға бүкіл дүниежүзілік тартылу заңын тұжырымдауға мүмкіндік берді. Оның формуласы бұрын-соңды болмаған дәлдікпен планеталардың қозғалысын болжауға мүмкіндік берді, бірақ Ньютонның өзі күштің физикалық байланыссыз қашықтықта қалай әрекет ете алатынын түсінбейтінін мойындады.
3. Эйнштейннің 1915 жылғы жалпы салыстырмалылық теориясы тартылыстың табиғатын революциялық тұрғыдан қайта ойластырды. Бұл тұжырымдамаға сәйкес, гравитация – Ньютондық мағынадағы күш емес, массивті денелер жасайтын кеңістік-уақыттың қисайуы. Оған кернеулі матаны елестетіп көріңіз, оған ауыр шар қойылса – ол матаны иеді, ал басқа заттар оған тартқандықтан емес, кеңістіктің өзі қисайғандықтан қарай сырғиды.
4. Эйнштейн болжаған ең таңқаларлық эффектілердің бірі – гравитациялық уақыт баяулауы – тәжірибе жүзінде расталды. Массивті нысандар маңында уақыт тартылыс әлсіз аймақтарға қарағанда баяуырақ өтеді. GPS жерсеріктерінде орнатылған атомдық сағаттар Жердегі ұқсас аспаптардан жылдамырақ жүреді, ал осы эффектті есепке алмаған жағдайда навигациялық жүйелер тәулігіне бірнеше шақырымдық қате жинақтайды.
5. Қара тесіктер Ғаламдағы гравитациялық күштердің ең шектен тыс көрінісі болып табылады. Олардың сингулярлығында зат тығыздығы мен кеңістік-уақыт қисайуы шексіздікке жетіп, барлық белгілі физика заңдарының күші жоғалады. Тіпті жарық та оқиғалар горизонтынан тыс аймақты тастап кете алмайды, өйткені ол үшін жарық жылдамдығынан асатын жылдамдық қажет болар еді.
6. Гравитациялық толқындар – массивті денелердің үдеуі кезінде пайда болатын кеңістік-уақыт тінідегі толқын – Эйнштейн тарапынан 1916 жылы болжанды. Оларды тіркеу 2015 жылы LIGO детекторының көмегімен ғана мүмкін болды – оларды Жерден шамамен бір жарым миллиард жарық жылы қашықтықтағы екі қара тесіктің қосылуы туғызды. Планетамызға жеткен бұл сигналдың амплитудасы протон диаметрінің мардымсыз үлесін құрады – бұл өзі заманауи аспаптардың фантастикалық сезімталдығының куәлігі.
7. Жердегі толқындар – планетамыздың Ай мен Күнмен гравитациялық өзара әрекеттесуінің тікелей салдары. Айдың тарту күші планетаның су қабатын спутник бағытына қарай сәл созып, екі жақтан да су дөңестігін жасайды. Толқындық қозғалыстарға байланысты мұхит суларының түбімен үйкелісі Жердің айналуын біртіндеп баяулатады – нәтижесінде тәулік жүз жылда шамамен 2 миллисекундқа ұзарады.
8. Гравитациялық линзалау – массивті дененің алыстағы нысандардан келетін жарық сәулелерін иетін құбылысы – астрономияның қуатты құралына айналды. Галактикалар жиындары алып табиғи телескоп ретінде жұмыс істеп, артларында орасан алыста орналасқан нысандарды үлкейтіп, көрінетін етеді. 1919 жылғы күн тұтылуы кезінде Күн маңындағы жұлдыз жарығының ауытқуын байқау жалпы салыстырмалылық теориясының алғашқы тәжірибелік растауына айналды.
9. Жер бетінде еркін түсу үдеуі шамамен секундына 9,8 метрді құрайды, алайда ол планетаның әр нүктесінде бірдей емес. Полюстерде тарту экватордан сәл күштірек – Жердің жалпақтығы мен айналудың орталықтан тепкіш әсеріне байланысты. Айырмашылық шағын болса да, жоғары дәлдіктегі таразылар бір заттың Хельсинки мен Сингапурда салмағын әртүрлі көрсетуіне жеткілікті.
10. Ғарыш станцияларындағы «нөлдік гравитация» ұғымы техникалық тұрғыдан дұрыс емес – ғарышкерлер тартылыстың жоқтығын емес, еркін түсу күйін сезінеді. Орбиталық станция және оның бортындағылардың барлығы Жер айналасында үздіксіз «түсіп» жатыр, дәл осы түсу салмақсыздық сезімін тудырады. Халықаралық ғарыш станциясы биіктігіндегі гравитация жердегінің шамамен сексен сегіз пайызын құрайды.
11. Нейтрондық жұлдыздар – массивті жарықтылықтардың коллапсталған қалдықтары – жердегіден жүздеген миллиард есе асатын гравитацияға ие. Нейтрондық жұлдыз затының бір шай қасық мөлшері шамамен жүз миллион тонна тартар еді. Мұндай нысандар секундына жеті жүзге дейінгі жылдамдықпен айналады – дәл қуатты гравитация оларды осындай орасан жылдамдықтарда бұзылудан сақтайды.
12. Жұлдыздардың гравитациялық коллапсы нуклеосинтез процесінің – Ғаламда ауыр элементтер пайда болатын процестің – қозғаушы күші болып табылады. Жұлдыз сутегі отынын таусқанда, гравитация оның ядросын неғұрлым ауыр элементтердің синтезі жүретін температуралар мен қысымдарға дейін қысады. Сутегі мен гелийден ауыр барлық атомдар – соның ішінде адам денесін құрайтындар да – жұлдыздар ішінде синтезделді.
13. Ғаламның масса-энергетикалық мазмұнының шамамен жиырма жеті пайызын құрайтын жұмбақ субстанция – қара материя – дәл оның гравитациялық ықпалы бойынша анықталды. Галактикалар байқауға болатын көрінетін массаға қарағанда тым жылдам айналады – бірдеңе көрінбейтін оларды бұзылудан сақтайды. Бұл субстанцияның табиғаты заманауи физиканың ең терең жұмбақтарының бірі болып қала береді.
14. Кванттық механика мен жалпы салыстырмалылық теориясы шағын ауқымдарда шындықтың бірін-бірі жоққа шығаратын сипаттамаларын береді – оларды әлі де бітістіру мүмкін болмай отыр. Тартылысты кванттық бөлшектер – гравитондар – тұрғысынан сипаттайтын кванттық гравитация теориясы физиканың аяқталмаған ғимараты болып қала береді. Мұндай теорияны жасау заманауи ғылымның ең маңызды шешілмеген міндеттерінің бірі деп саналады.
15. Ай Жерден жыл сайын шамамен үш жарым сантиметрге алыстайды – бұл осы денелер арасындағы толқындық өзара әрекеттесудің тікелей салдары. Төрт миллиард жыл бұрын спутник анағұрлым жақын болды, бұл биіктігі бірнеше шақырым толқындарды тудырды. Бұл біртіндеп процесс Ай тұрақты орбитаға жеткенге дейін миллиардтаған жыл жалғасады, содан кейін Жердегі толқындар іс жүзінде тоқтайды.
16. 1998 жылы ашылған Ғаламның үдемелі кеңеюі ғарыштық ауқымда гравитацияға қарсы іс-қимыл жасайтын жұмбақ күш – «қара энергияның» бар екенін аңғартады. Өте үлкен қашықтықтарда бұл тебілу гравитациялық тартылысты басып озып, галактикалардың бірінен-бірі үдемелі жылдамдықпен алыстауына себеп болады. Ғаламның мазмұнының шамамен алпыс сегіз пайызын құрайтын қара энергияның табиғаты толығымен түсінілмей отыр.
17. Жер айналасындағы орбитаға шығу үшін қажетті көлденең жылдамдық секундына шамамен сегіз шақырымды құрайды – бұл бірінші ғарыштық жылдамдық деп аталады. Планетамыздың гравитациялық ойығын толығымен тастап кету үшін секундына он бір бүтін екі шақырымға – екінші ғарыштық жылдамдыққа – дейін жеделдету қажет. Осы жылдамдықтарға жету орасан мөлшерде энергия талап етеді, бұл ғарышқа шығуды техникалық және экономикалық тұрғыдан аса күрделі міндетке айналдырады.
18. Гравитация Жердегі тіршіліктің биологиялық эволюциясын физика заңдары сияқты қайтарымсыз қалыптастырды. Омыртқалылардың қаңқасы, адамның тіктұруы, гравитациялық қысымға қарсы іс-қимыл жасайтын қан айналым жүйесі – бұлардың барлығы үнемі төмен тартылысқа бейімделудің миллиардтаған жылдық нәтижелері. Ұзаққа созылған салмақсыздық жағдайында адам ағзасы деградацияланады – сүйек тінін жоғалтады, бұлшықеттер сіресіп қалады, ал тамыр жүйесі сұйықтықтардың басқаша бөлінуіне бейімделіп, қайта құрылады.
19. Гравитациялық маневр – ғарыш аппараты отын жұмсамай жылдамдығы мен бағытын өзгерту үшін планетаның гравитациясын пайдалану техникасы – Күн жүйесінің алыс аймақтарын зерттеуге мүмкіндік берді. Дәл осындай маневрді Күн жүйесін тастап кетерліктей жылдамдыққа жеткен «Вояджер» зондтары қолданды. Гравитациялық «рогаткасыз» міндетті тапсырмалардың басым бөлігі қазіргі технологиялармен техникалық тұрғыдан мүмкін болмас еді.
20. Гравитациялық сағаттар – еркін түсу үдеуінің тұрақтылығын уақытты өлшеу үшін пайдаланатын аспаптар – тарихтағы алғашқы дәлдіктегі хронометрлер болды. 1656 жылы ойлап табылған Гюйгенс маятникті сағаты жүрісті реттеуші ретінде гравитацияны пайдаланды. Таңқаларлық парадокс – салыстырмалылық теориясына сәйкес уақыт ағысын баяулататын гравитация, бір мезгілде оны күнделікті тәжірибемізде өлшеудің негізі болып табылады.

Гравитация табиғаттағы ең парадоксальды құбылыс болып қала береді – күштердің ең әлсізі галактикалардың тағдырын басқарады, ал іргелі өзара әрекеттесулердің ішіндегі жалғызы кванттық механикамен бірыңғай теорияға сыймай отыр. Осы саладағы әрбір жаңа ашылым – гравитациялық толқындар болсын, Ғаламның үдемелі кеңеюін ашу болсын, немесе қара тесіктер суреттері болсын – тек біздің білмейтініміздің тереңдігін ғана айқын аңғартады. XXI ғасыр физикасы субатомдыдан космологиялыққа дейінгі барлық ауқымдарда гравитацияны сипаттай алатын теория жасау міндетінің алдында тұр, ал оны шешу шындық туралы түсінігімізде революция уәде етеді. Гравитация бізге ең қарапайым нәрсе – дәл әрбір секунд сезетініміз – дүниетанымның ең терең сырларын жасырып жатуы мүмкін екенін еске салады.