Существует ли «нулевая гравитация»

Когда мы видим космонавтов в космосе, плавающих выше земной атмосферы, мы говорим, что они испытывают нулевую гравитацию: истинную невесомость. Но ведь их все равно гравитационно притягивают Земля, Луна, Солнце и любая другая масса во Вселенной. Что же такое нулевая гравитация? Существует ли она в принципе? Проводятся ли эксперименты на МКС в условиях «нулевой гравитации»? 

Чем хорош этот вопрос, так это тем, что вам не нужно отправляться в космос, чтобы испытать эту самую «нулевую» или «ненулевую» гравитацию.

Представьте себе разницу между тем, что вы делаете сейчас — вероятнее всего, сидите, — и падением. Разница заключается не в стуле, не в кресле и даже не в силе тяжести, которая действует на вас. Вы можете все это иметь и все равно падать, будто на американских горках во время стремительного спуска. Разница заключается в том, что ваше сиденье (пол, кровать или что-нибудь другое) толкает вас, сопротивляясь силе тяжести. Причина того, что вы не испытываете ощущение падения, связана не с силой тяжести, а с нормальной силой (силой нормальной реакции, N), как говорят в физике. Не то чтобы она противостояла ненормальной силе; нормальная сила попросту является нормальной (или перпендикулярной) по отношению к поверхности, на которой вы стоите, сидите, лежите.

Теперь уберем эту силу. Сделать это можно по-разному:

 

В первом случае вы просто упадете вниз, как если бы вы пошли по тонкому льду и провалились. Во втором случае вы осознаете, что единственная причина наличия нормальной силы заключается в том, что гравитация притягивает вас к Земле, а стул оказывает на вас равное и противоположное действие. Выключив гравитацию, вы сведете силу тяжести к нулю, а значит и силу противодействия. В третьем случае сила тяжести будет существовать и притягивать вас к центру Земли, но без взаимодействия электромагнитных сил между атомами вас и пола вы просто будете падать сквозь него.

Эти три случая, очевидно, сильно различаются. В первом случае гравитация будет тянуть вас вниз, ускоряя вас по направлению к центру Земли, и будет делать это, пока вы либо не прекратите ускоряться из-за силы сопротивления воздуха, либо пока вы не испытаете силу Земли (или другого твердого тела). Во втором случае вы будете испытывать невесомость и вовсе не будете ускоряться; это будет истинная нулевая гравитация. В третьем случае вы будете ускоряться по направлению к центру Земли по эллипсоиду с центром Земли в одном из фокусов и возвращаться в стартовую точку через каждые 90 минут.

Что самое смешное, во всех трех случаях при этом начальном моменте вы будете чувствовать себя одинаково.

Невесомость — это сосание в желудке, дезориентация — вот чувство «нулевой гравитации». Что еще более странное, во втором и третьем сценарии — если отключить гравитацию или ускоряться в свободном падении, ни с чем не взаимодействуя — вы не сможете их различить, если не откроете глаза. Невозможно отличить отсутствие гравитации и однородное ускорение в процессе свободного падения. Это кажется противоречивым, но в глубине этого лежит важнейший принцип, который привел Эйнштейна к его общей теории относительности. Сегодня он известен нам как принцип эквивалентности Эйнштейна.

Принцип утверждает, что не существует никакого способа отличить гравитационное ускорение от любой другой формы ускорения, например, ракетной тяги. Он гласит, что если вы и точки отсчета будете ускоряться одновременно и одинаково, это будет эквивалентно отсутствию ускорения вовсе. Сила, которую вы чувствуете на Земле, вращающейся вокруг своей оси и вокруг Солнца, идентична силе, которую вы чувствовали бы, если бы Солнце исчезло, а Земля просто вращалась бы в пустоте космоса одна.

Когда мы говорим «нулевая гравитация», мы не подразумеваем, что сила гравитации перестает существовать. Нет во Вселенной места, где можно было бы успешно скрыться от силы тяжести, да и не нужно. Все, что нам нужно, это выключить нормальную силу, а значит поставить себя и точку отсчета в одни условия. Нужно ускориться точно так же, как и наше окружение, без дифференциальной силы между нами. Так работает поездка на «рвотной комете», когда двигатели самолета отключаются и он падает в течение 40 секунд вместе с вами на борту.

Невесомость, которую вы испытываете, может быть очень похожей на падение, если бы не воздух, который не проносится мимо вас. Не существует относительной гравитации между вами и тем, что вы считаете «низом». Если бы вы подверглись нулевой относительной гравитации в этом смысле, вы бы получили все виды физических недугов: потерю костной ткани, атрофию мышц, нарушения зрения или даже слепоту, потерю всех ваших мозолей на ногах, а ваши внутренности увеличат метеоризм. И космонавты подвергаются всем этим рискам: астронавт «Аполлона-16» Джон Янг был печально известен своим «космическим пердежом» на Луне, в чем он бесцеремонно обвинял апельсиновый сок.

Однако ощущение нулевой гравитации может быть абсолютным мифом, поскольку нигде во Вселенной вы не сможете укрыться от этой силы. При этом с точки зрения вашего физического тела, пока ваше окружение ускоряется с такой же скоростью, что и вы, разницы не будет заметно вовсе. Нахождение в условиях невесомости и в условиях свободного падения — это синонимы для вашего восприятия. Поэтому хотя технически ничто во Вселенной не может испытать нулевую гравитацию, все может падать, а значит это равноценно.