Існує «нульова гравітація» в принципі?

Коли ми бачимо космонавтів у космос, плаваючих вище земної атмосфери, ми говоримо, що вони мають нульову гравітацію: справжню невагомість. Але ж їх все одно гравітаційно притягують Земля, Місяць, Сонце і будь-яка інша маса у Всесвіті. Що ж таке нульова гравітація? Існує вона в принципі? Проводяться експерименти на МКС в умовах нульової гравітації»?

Чим хороший цей питання, так це тим, що вам не потрібно вирушати в космос, щоб випробувати цю саму «нульову» або «ненульову» гравітацію.

Уявіть собі різницю між тим, що ви робите зараз — найімовірніше, сидіть, — і падінням. Різниця полягає не в стільці, не в кріслі і навіть не в силі тяжіння, яка діє на вас. Ви можете все це мати і все одно падати, наче на американських гірках під час стрімкого спуску. Різниця полягає в тому, що ваше сидіння (підлога, ліжко або що-небудь інше) штовхає вас, чинячи опір силі тяжіння. Причина того, що ви не відчуваєте відчуття падіння, пов'язана не з силою тяжіння, а з нормальною силою (силоміць нормальної реакції, N), як кажуть у фізиці. Не те щоб вона протистояла ненормальною силою; нормальна сила просто є нормальною (або перпендикулярної) по відношенню до поверхні, на якій ви стоїте, сидите, лежите.

Тепер приберемо цю силу. Зробити це можна по-різному:

• Можна прибрати поверхню, яка її виробляє, стать, стілець або що там ще вас підтримує.
• Можна вимкнути гравітацію, що зробить вас невагомим.
• Можна вимкнути електромагнітні взаємодії між атомами на поверхні.

У першому випадку ви просто впадете вниз, як якщо б ви пішли по тонкому льоду і провалилися. У другому випадку ви усвідомлюєте, що єдина причина наявності нормальної сили полягає в тому, що гравітація притягує вас до Землі, а стілець справляє на вас рівне і протилежне дію. Вимкнувши гравітацію, ви зведете силу тяжіння до нуля, а значить і силу протидії. У третьому випадку сила тяжіння буде існувати і притягати вас до центру Землі, але без взаємодії електромагнітних сил між атомами вас і підлоги ви просто будете падати крізь нього.

Ці три випадки, очевидно, сильно розрізняються. У першому випадку гравітація буде тягнути вас вниз, прискорюючи вас у напрямку до центру Землі, і буде робити це, поки ви або не припините прискорюватися з-за сили опору повітря, або поки ви не відчуєте силу Землі (або іншого твердого тіла). У другому випадку ви будете відчувати невагомість і зовсім не будете прискорюватися; це буде справжня нульова гравітація. У третьому випадку ви будете прискорюватися у напрямку до центру Землі за эллипсоиду з центром Землі в одному з фокусів і повертатися в стартову точку через кожні 90 хвилин.

Що найсмішніше, у всіх трьох випадках при цьому початковому моменті ви будете почувати себе однаково.

Невагомість — це смоктання у шлунку, дезорієнтація — ось почуття «нульової гравітації». Що ще більш дивне, у другому і третьому сценарії — якщо відключити гравітацію або прискорюватися у вільному падінні, ні з чим не взаємодіючи — ви не зможете їх розрізнити, якщо не відкриєте очі. Неможливо відрізнити відсутність гравітації і однорідне прискорення в процесі вільного падіння. Це здається суперечливим, але в глибині цього лежить найважливіший принцип, який привів Ейнштейна до загальної теорії відносності. Сьогодні він відомий нам як принцип еквівалентності Ейнштейна.

Принцип стверджує, що не існує ніякого способу відрізнити гравітаційне прискорення від будь-якої іншої форми прискорення, наприклад, ракетної тяги. Він говорить, що якщо ви і точки відліку будете прискорюватися одночасно і однаково, це буде еквівалентно відсутності прискорення зовсім. Сила, яку ви відчуваєте на Землі, що обертається навколо своєї осі і навколо Сонця, ідентична силі, яку ви відчували б, якщо б Сонце зникло, а Земля просто оберталася б в порожнечі космосу одна.

Коли ми говоримо «нульова гравітація», ми не маємо на увазі, що сила гравітації перестає існувати. Немає у Всесвіті місця, де можна було б успішно сховатися від сили тяжіння, та й не потрібно. Все, що нам потрібно, це вимкнути нормальну силу, а значить поставити себе точку відліку в одні умови. Потрібно прискоритися точно так само, як і наше оточення, без диференціальної сили між нами. Так працює поїздка на «блювотної кометі», коли відключаються двигуни літака і він падає протягом 40 секунд разом з вами на борту.

Невагомість, яку ви відчуваєте, може бути дуже схожою на падіння, якби не повітря, який не проноситься повз вас. Не існує відносної гравітації між вами і тим, що ви вважаєте «низом». Якби ви зазнали нульовою відносної гравітації в цьому сенсі, ви б отримали всі види фізичних недуг: втрату кісткової тканини, атрофію м'язів, порушення зору або навіть сліпоту, втрату всіх ваших мозолів на ногах, а ваші нутрощі збільшать метеоризм. І космонавти піддаються всім цим ризикам: астронавт «Аполлона-16» Джон Янг був сумно відомий своїми «космічними пердежом» на Місяці, в чому він безцеремонно звинувачував апельсиновий сік.

Однак відчуття нульової гравітації може бути абсолютним міфом, оскільки ніде у Всесвіті ви не зможете сховатися від цієї сили. При цьому з точки зору вашого фізичного тіла, поки ваше оточення прискорюється з такою ж швидкістю, що і ви, різниці не буде помітно зовсім. Перебування в умовах невагомості і в умовахвільного падіння — це синоніми для вашого сприйняття. Тому хоча технічно ніщо у Всесвіті не може випробувати нульову гравітацію, все може падати, а значить це рівноцінно.