Спросите Итана: возможна ли вообще нулевая гравитация?

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 ^[1]", 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 ^[2], 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.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[3]