Самолёт уменьшенной гравитации НАСА, который официально называют «невесомым чудом», а неофициально – «рвотной кометой» [Vomit Comet]. На фото – модифицированный вариант модели Douglas DC-9
Говорят, что космонавты в космосе, летающие за пределами атмосферы Земли, испытывают нулевое притяжение – настоящее отсутствие веса. Однако же их всё-таки притягивает Земля, Луна, Солнце и все остальные массы во Вселенной. Так как же работает нулевая гравитация, и бывает ли она? Такой вопрос задал нам один из читателей:
Я слышу об экспериментах, проводимых на МКС в условиях нулевой гравитации, а также об изучении людей, существующих в нулевой гравитации. Но бывает ли нулевая гравитация?
Очень хороший вопрос, при том, что это ощущение вы можете испытать не только в космосе.
Аттракцион «свободное падение» в парке развлечений "Шесть флагов над Джорджией", 2006 год
Задумайтесь над разницей между тем, что вы делаете сейчас – а вы, вероятнее всего, сидите – и свободным падением. Разница не в стуле, не в сидении и не в действующей на вас силе притяжения. Всё это может сохраниться и во время полёта – как на аттракционе со свободным падением. Разница в том, что вы чувствуете, как сиденье (или пол, или кровать) давят на вас в обратную сторону, сопротивляясь гравитации. То, что вы не чувствуете ощущение падения, связано не с гравитацией, а с нормальной силой. Нормальная она не потому, что является противоположностью ненормальной, а потому, что направлена по нормали, то есть, перпендикулярна поверхности, на которой вы стоите, сидите или лежите.
Сила гравитации (красный) и нормальная сила (синий), равные по величине и противоположные по направлению воздействуют на любую массу на Земле
Давайте устраним эту силу. Это можно сделать, например:
1. Убрав поверхность, которая её оказывает – пол, стул, что угодно.
2. Отключив гравитацию, из-за чего вы потеряете вес.
3. Отключив электромагнитное взаимодействие между вами и атомами поверхности.
В первом случае вы просто упадёте вниз, как будто вы внезапно оказались в воздухе и начали падать. Во втором вы поймёте, что нормальная сила действовала лишь оттого, что гравитация тянула вас к Земле, а пол был на её пути и отталкивал вас назад с такой же по величине силой, противоположной по направлению, из-за чего вы оставались на месте. Если отключить гравитацию, её воздействие будет нулевым, и таким же будет равная ей, противоположно направленная сила. В третьем случае гравитация останется, и будет тянуть вас к центру Земли, но без электромагнитных сил, действующих между атомами пола и вашими атомами, вы провалитесь вниз.
На падающее тело действует только сила гравитации, и кажется, что оно описывает параболу, но на самом деле это – небольшая часть эллипса, один из фокусов которого находится в центре Земли. Если отключить электромагнетизм, шар бы описал полный эллипс примерно за 90 минут
Три этих случая сильно отличаются. В первом гравитация тянула бы вас вниз, к центру Земли, с ускорением, которое остановилось бы либо из-за трения о воздух, либо из-за действия на вас Земли или другого твёрдого тела. Во втором случае вы бы стали невесомым, и вообще не ускорялись бы – это и была бы нулевая гравитация. В третьем вы ускорялись бы при движении к центру Земли, описывая эллипсоид с центром Земли в одном из фокусов, и вернулись бы в начальную точку примерно через 90 минут
Но во всех трёх случаях в самом начале вы испытали бы одно и то же ощущение.
Астронавты и фрукты на борту МКС. Гравитация не отключена, но ускоряется всё одинаково, что и приводит к ощущению нулевой гравитации
Это ощущение отсутствие веса, поднятия желудка, дезориентации – это и есть ощущение нулевой гравитации. Ещё более странно то, что вы бы не могли отличить второй и третий варианты, не открывая глаз. Нельзя определить разницу между отключением гравитации и непрерывным ускорением со свободным падением. Это может показаться контринтуитивным, но это суть, основной принцип, приведший Эйнштейна к формулировке Общей теории относительности. И вот что нам известно сегодня о принципе эквивалентности Эйнштейна.
Одинаковое поведение падающего на пол мяча в ускоряющейся ракете и на Земле – демонстрация принципа эквивалентности Эйнштейна
Принцип постулирует, что невозможно различить гравитационное ускорение и любую другую форму ускорения – например, ракетную тягу. Если вы вместе с вашей системой отсчёта одновременно и равномерно ускоряетесь, то ваше положение будет эквивалентно отсутствию ускорения [нахождению в гравитационном поле – прим. перев.]. Сила, которую вы чувствуете на Земле, вращающейся вокруг своей оси и движущейся вокруг Солнца, идентична силе, которую бы вы чувствовали, если бы Солнце исчезло, и Земля просто вращалась бы одиноко в глубинах космоса.
Говоря о нулевой гравитации, мы не имеем в виду, что гравитация исчезает. Во Вселенной нет такого места, где можно было бы спрятаться от гравитации, да нам это и не нужно. Нам нужно только отключить нормальную силу, а это значит, позволить нам и нашей системе отсчёта равномерно падать вместе. Нам нужно только ускориться вместе с нашим окружением. Этот принцип работает и во время полёта на «рвотной комете», когда двигатели самолёта отключаются, и она свободно падает в течение порядка 40 секунд, а вы находитесь на борту.
Пассажиры рвотной кометы в 2006 году во время прыжка с нулевой гравитацией
Ваше ощущение нулевой гравитации может быть похожим на падение, только без проносящегося мимо воздуха. Просто между вами и тем, что вы ощущаете, как направление «вниз», нет относительной гравитации. Если вы надолго подвергнете себя воздействию нулевой гравитации в указанном смысле, вы начнёте страдать от разных физических недугов: потери костной массы, атрофии мускулов, ухудшения зрения или даже слепоты, потери мозолей на ногах (что приводит к потере кожи на ступнях) и, в отсутствии стягивающей ваши внутренности силы, повышенного газообразования. И всё это риски, на которые идут космонавты. Член экспедиции Аполло-16 Джон Янг известен тем, что особенно сильно страдал от метеоризма на Луне, что он относил на счёт флоридского апельсинового сока.
Буквальном смысле, нулевой гравитации во Вселенной нет, ибо нельзя спрятаться от дальнодействующей силы. Но с точки зрения физических ощущений вашего тела, пока ваше окружение равномерно ускоряется вместе с вами, вы не сможете найти разницу. Нулевая гравитация и свободное падение – это синонимы, если оценивать их с точки зрения вашего опыта. Так что, хотя во Вселенной ничто не может испытывать нулевую гравитацию, если просто позволить гравитации тянуть вас вниз – пока вы не наткнётесь на что-либо, что будет сопротивляться вам – вы получите наилучшую возможную замену этому эффекту. По меньшей мере, Эйнштейну этого было достаточно, космонавтам этого было достаточно, и нам этого тоже должно быть достаточно.
Комментарии (41)
blik13
01.10.2017 13:44+1Ну здесь, вероятно, просто путаница слов и понятий. Гравитация-невесомость. Гравитация есть всегда. Даже в состоянии невесомости.
IgorRJ
01.10.2017 15:23Гравитация — величина векторная. В каждой точке пространства определяется суперпозиций множества таких векторов от всевозможных источников гравитации (от отдельно скитающихся по универсуму элементарных частиц до скоплений метагалактик, загадочной темной материи и прочих таинственных порождений природы). Разве не может быть точки, хотя бы теоретически, где эта сумма равна нулю?
artskep
01.10.2017 16:23+1В ОТО тут более интересный вопрос: "а в какой системе отсчета?".
Ибо если мы говорим об неинерциальной, то гравитации нет. Но где ее такую найти. А если где-то есть ускорение, то по факту не разберешь это "гравитация" или что-то еще.
DrZlodberg
01.10.2017 16:56Если вселенная конечна, то, как я понимаю, должен существовать её центр масс, гравитация в котором суммарно равна нулю.
artskep
01.10.2017 17:24+1Еще раз главный вопрос: а в какой системе отсчета? :-)
Я уж не говорю о спорном вопросе конечности ВселеннойDrZlodberg
01.10.2017 18:13Так я по этому и написал «если» :)
Взорвал себе мозг, пытаясь представить это в натуре. Вообще интуиция подсказывает, что ЕСЛИ был симметричный БВ, то центр масс должен быть статичен. Однако я кое-что забыл. Тут возникает проблема с ограниченной скоростью распространения гравитации, так что на больших расстояниях всё становится сильно сложнее. Даже если центр существует, локально гравитационное поле там будет весьма переменным.
Т.е.,. как я понимаю, финальный ответ — существовать такая точка может, и не одна, однако их текущее положение фиг найдёшь. И время существования этих точек, вероятно, крайне микроскопическое.napa3um
03.10.2017 15:28Большой Взрыв — это не событие, произошедшее где-то в пространстве и имеющее локализацию, БВ — это рождение пространства и времени как такового, БВ произошёл (и, «на самом деле», до сих пор «происходит») везде, в каждой точке пространства (и, возможно, является лишь математическим артефактом, границей «осмысленности» формул физических законов). Это первое, а второе — это теория относительности со своей конечностью скорости света (которую не может превысить в том числе и гравитационная волна), так что статичный центр масс всей вселенной как динамического процесса перераспределения гравитации в ней просто неопределим (можно говорить лишь о степени однородности массы в любом выбранном масштабе пространства на выбранный отрезок времени). Ну и третье — это возможность кривизны пространства (в случае, если кривизна пространства ниже чувствительности современных приборов), при котором вселенная может быть замкнута сама на себя (принципиально не иметь центра уже с точки зрения геометрии, а не физики).
DrZlodberg
03.10.2017 15:50На самом деле если она замкнута, то с ростом количества проходов сквозь вселенную дальние источники должны смешиваться до состояния равномерности, как вода в бассейне после того, как туда бросили камень. Не совсем то, но для нас на больших дистанциях отражение мало чем отличается от замкнутой системы. По факту из-за ограниченности скорости распространения гравитации скорее всего слишком далёкие источники мы даже не почувствуем.
napa3um
03.10.2017 15:58Не очень понятно, что с чем должно смешиваться в вашем представлении (изотропность вселенной и равномерность относительно любого наблюдаемого масштаба вселенной сомнений, вроде, не вызывает у физиков и сейчас), и что такое «проход сквозь вселенную», если за время полёта фотона он всё равно никогда не прилетит в место с конфигурацией, из которого был излучен (для него вселенная будет «выглядеть» неотличимой от бесконечной, даже если бы у него была «память», в которую он запоминал бы места, которые «пролетал»).
DrZlodberg
03.10.2017 16:06В том смысле, что с этой т.з. любая точка пространства — центр. Как в этом случае учитывать его я, правда, пока сообразить не могу.
DrZlodberg
03.10.2017 16:10Да и почему не прилетит? В начале своей эволюции вселенная была сильно меньше, так что вполне вероятно (при замкнутой) мы можем чувствовать многие поколения грав. волн, прошедшие сквозь более компактную вселенную. Они ослабли, но вряд-ли исчезли.
napa3um
03.10.2017 16:16«Любая точка пространства является центром» = «нет центра». А «прошедшие сквозь более компактную вселенную» гравитационные волны, увы, никак не отличаются от не прошедших :).
DrZlodberg
03.10.2017 20:05В данном контексте как раз наоборот. Нет центра = любая точка центр. В том и суть, что не отличаются, что добавляет полю равномерности.
napa3um
03.10.2017 22:44Вы переписали уравнение «x = y» в форме «y = x», но почему-то сделали это в виде возражения :).
DrZlodberg
01.10.2017 18:17Да, по поводу СО — как я понимаю вопрос был про инерциальную. Т.к. в неинерциальной мы, теоретически, можем ускорением компенсировать любое гравитационное (ладно, почти любое:)) ускорение, что не позволяет понять вообще есть оно или нет.
Hardcoin
01.10.2017 18:21Гравитация распространяется не мгновенно. Мест, в которых количество гравитонов было бы одинаково со всех сторон должно быть сколько угодно.
А место, в котором попытка измерить гравитацию даст ноль, вообще легко сделать.
vedenin1980
01.10.2017 18:40Это называется точка Лагранжа, но если не ошибаюсь в таким местах все равно будет гравитационное искажение пространства и например время будет замедленным. То есть гравитация никуда не денется, просто будет скомпенсированы силы притяжения (ровно так же как на МКС формально невесомость, однако гравитация Земли все равно замедляет время)
Hardcoin
01.10.2017 19:05Это называется свободное падение.
Как вы сможете изменить замедленное время?
Hardcoin
01.10.2017 19:05*измерить
vedenin1980
01.10.2017 19:10Точные атомные часы в разных точках пространства. Насколько я помню даже на поверхности Земли на орбите Земли часы через какое-то время начинают обгонять/отставать.
Hardcoin
01.10.2017 19:57Можете описать эксперимент подробнее? В одной точке часы идут быстрее, чем в другой. Это значит, что в обеих есть гравитация? Или в одной?
Замедление времени на орбите из-за скорости. Из-за гравитации замедление наоборот на земле, но там эффект вроде как ещё меньше. Не настолько хорошо разбираюсь.
vedenin1980
01.10.2017 20:17Берем атомные часы, одни ставим на Вояджере, вторые оставляем на Земле. Через 10-20 лет замеряем время там и там и исключаем эффекты набежавшие за счет скорости. Если расхождение останется — мы измерили эффекты возникающие за счет гравитации.
P.S. Вроде даже можно получить тот же эффект разместив одни часы на высокой горе, а вторые на уровне моря, через годы они должны показывать чуть разное время.Hardcoin
01.10.2017 20:34Хорошо, вы измерили гравитационные эффекты. Они действительно есть, на земле-то есть гравитация. Вы утверждаете, что на Вояджере она тоже есть?
Напомню начальное утверждение — "место, в котором попытка измерить гравитацию даст ноль, вообще легко сделать". Вот на Вояджере измерение даст ноль (кроме влияния самого аппарата). Ваш эксперимент с часами действительно покажет наличие гравитации. На Земле.
vedenin1980
01.10.2017 20:49Я честно говоря не понимаю вас, есть СТО, ОТО, которые описывают как действует гравитация, как замедляется время. Есть много разных экспериментов (в том числе астрономических) доказывающих, что сейчас все так как есть. Вы хотите что бы я вам еще раз доказывал правдивость ОТО?
Хорошо, вы измерили гравитационные эффекты. Они действительно есть, на земле-то есть гравитация. Вы утверждаете, что на Вояджере она тоже есть?
Можно замерить гравитационные эффекты Земле, Луны, системы Земля-Луна и Солнца. И то что всегда часы всегда будут замедляться соотвественно теории. Можно замерить часы на уровне моря и на Эвересте и убедиться что разница будет.
Вот на Вояджере измерение даст ноль (кроме влияния самого аппарата)
Отправьте аппарат за пределы нашей Галактики и убедитесь, что на Вояджере тоже будет влияние гравитации. И вы не сможете найти в пределах нашей Галактики место где «место, в котором попытка измерить гравитацию даст ноль».
Ну и измерения гравитационных волн вам все равно везде во Вселенной покажут не нулевую гравитацию. Невозможно даже очень далеко от всех Галактик найти место где не будет гравитационных волн.Hardcoin
01.10.2017 21:11Странный у вас ответ. "ОТО верна и точка".
Я полагаю, что ОТО верна, а вы нет. Принцип эквивалентности говорит, гравитация и ускорение работают одинаково.
"Отправьте и убедитесь" — это вообще не довод на техническом ресурсе. Отправьте сами и убедитесь. Или хотя бы посчитайте по формулам.
coturnix19
03.10.2017 09:37Объективно существуют приливные силы, вот они то и являются «настоящей» гравитацией, а так да, ньютоновская гравитация в ото — результат «неудачного» выбора системы отсчета.
vedenin1980
01.10.2017 18:24Гравитация — величина векторная… Разве не может быть точки, хотя бы теоретически, где эта сумма равна нулю?
Тут есть путаница, сила притяжения, вызываемая гравитацией, величина векторная и такие точки существуют, например точки Лагранжа (систем Земля-Луна, Земля-Солнце и т.п.). Но сама гравитация это искажение пространства и она не ограничивается только силой притяжения.
Грубо говоря можно оказаться в точки Лагранжа между двух черных дыр и не испытывать сил притяжения, однако время будет замедленным.IgorRJ
01.10.2017 18:32Ну хорошо, пусть искажение пространства. Как любят рисовать — шарик в ямке. Конечно, все не так просто, но может найтись точка, где взаимные искривления пространства от упомянутых точек разгладят ткань Вселенной?
vedenin1980
01.10.2017 18:55Не может, если вы выкопаете ямки с двух сторон, то шарик окажется в еще более глубокой яме. Соотвественно время будет идти в 2 раза медленнее. Взаимные искривления пространства не разглаживают ткань Вселенной, а делают еще большую дыру (хотя на дне дыры могут быть ровные локальные участки).
vedenin1980
01.10.2017 19:03+3Это легко понять если вспомнить что гравитационное поле потенциально, есть система Земля-Луна, да можно найти точку равновесия, но чтобы выбраться из этой системе нужно преодолеть гравитацию и Земли и Луны, то самое для системы Земля-Солнце, Солнце-Галактика и так далее. Потенциальная энергия всей системы не компенсируется, а только увеличивается. Грубо говоря на нас все равно действует сила притяжения всей галактики, хоть она и скомпенсирована другими силами, однако временные эффекты только усиливаются. Мы в одной большой гравитационной яме всей Галактики.
IgorRJ
01.10.2017 19:13А если шарик не ямку продавливает, а горку? Что-то же расталкивает галактики? Не берусь утверждать, что это антигравитация, но и высокие умы не вполне в курсе того, что это и таинственно шепчут нам, дескать это что-то "темное" :)
vedenin1980
01.10.2017 19:28А если шарик не ямку продавливает, а горку?
Тогда бы гравитация не притягивала, а отталкивала.
Что-то же расталкивает галактики? Не берусь утверждать, что это антигравитация, но и высокие умы не вполне в курсе того, что это и таинственно шепчут нам, дескать это что-то «темное»
Растяжение ткани пространства-времени. Основная теория сейчас вроде в том, что темная энергия это свойства самого вакуума (а то что он не просто пустота нам известно) или пространства. Но к гравитации она отношения не имеет, насколько известно (по крайне мере, скорость разбегания галактик зависит только от расстояния и не зависит от масс объектов)IgorRJ
01.10.2017 19:45Но к гравитации она отношения не имеет, насколько известно (по крайне мере, скорость разбегания галактик зависит только от расстояния и не зависит от масс объектов)
Ну так и с гравитацией примерно так же: чем больше расстояние пробегут влекомые взаимной грависимпатией тела, тем больше их скорость (пока их семейные лодки не разобьются лоб в лоб). А здесь гравиантипатия гонит их друг от друга. И чем дальше, тем быстрее. Нес па?
vedenin1980
01.10.2017 20:07Гравитация зависит от масс объектов, а темная энергия только от расстояния. При этом сила гравитации убывает как квадрат расстояния, а сила темной энергии строго пропорциональна расстоянию (поэтому на больших масштабах она побеждает гравитацию). Это разные сущности.
Juma
01.10.2017 15:55Здесь просто все сводится к термину микрогравитация, у которого много общего с вакуумом.
BigBeaver
Это разве не в 7 классе проходят?
StjarnornasFred
Термин «нормальная сила» в 7 классе точно не проходят. По крайней мере в русскоязычных школах. Вместо него используют термин «сила реакции опоры», чего желаю и переводчику этой статьи.
BigBeaver
Терминология не принципиальна. Да и введение силы реакции опоры не требуется для ответа на вопрос, вес-то введен в самом начале курса физики. Невесомость есть отсутствие веса. Так уж вышло, что в английском ее называют zero-g. Автор, по сути, расписывает какую-то тривиальную фигню с помощью сложных терминов.
artskep
Это не проблема перевода — в оригинале тоже используется weightless (как отсутствие реакции опоры) и zero gravity (как отсутствие гравитации).
Автор, конечно, описывает… так как описывает. Хотя его можно понять — это все-таки статья в Форбс. Сомневаюсь, что кто-то бы прочел статью в виде вопроса: «сначала определите систему отсчета!»