Возможна ли антигравитация: что говорит физика
Чтобы вывести в космос полезный груз массой в одну тонну, потребуются сотни тонн топлива. Это ужасно неэффективно и неэкологично. Всего этого можно избежать, если «отключить» гравитацию. Но возможно ли это? Разберёмся, что такое гравитация, возможны ли антигравитационные двигатели и почему их изобретение перевернёт науку с ног на голову.
Почему гравитация особенная?
Существует две модели гравитации — интуитивно понятная ньютоновская и более сложная, но более точная эйнштейновская.
Классический взгляд
В конце XVII века Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. Согласно ему любые два тела во Вселенной притягивают друг друга с силой, которая зависит от их масс и расстояния между ними. Эта элегантная теория отлично описывала движение небесных тел, но оставляла открытым главный вопрос: как именно одна масса воздействует на другую через пустое пространство без всякого посредника?
Концепция «мгновенного действия на расстоянии» выглядела нелогичной, и для её объяснения учёные ввели понятие «гравитационного поля» — невидимой области, которую масса создаёт вокруг себя. Однако сам механизм создания этого поля ньютоновская физика не объясняла.
Современный взгляд
Всё изменилось в 1915 году с появлением Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Он предположил, что гравитация — это не сила в привычном понимании, а проявление геометрии, а именно — искривление четырёхмерного пространства-времени.
Согласно ОТО под массивными объектами вроде планет и звёзд ткань пространства-времени искривляется, подобно тому, как под шаром для боулинга прогибается натянутый батут. Другие объекты, движущиеся поблизости, просто следуют по самым прямым из возможных путей в этом искривлённом пространстве, и со стороны их траектории выглядят как кривые. Именно это искривление заставляет Землю вращаться вокруг Солнца, а не какая-то таинственная сила.
Ключевое отличие теории Эйнштейна в том, что источником гравитации является не только масса, но и любая форма энергии, включая свет. Это объясняет, почему гравитация способна отклонять световые лучи, — эффект, известный как гравитационное линзирование. Таким образом, задача создания антигравитации кардинально усложняется: нужно не просто «отключить» силу, а найти способ «распрямить» пространство-время или создать его искривление в противоположном, отталкивающем направлении.
«Щит» от гравитации
Существующие технологии позволяют экранировать электрические поля. Классический пример — клетка Фарадея, которая представляет собой замкнутую сетку из проводящего материала. Она блокирует внешние электрические поля, потому что существуют два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Внешнее поле заставляет заряды в материале клетки перераспределяться, создавая внутри компенсирующее поле, которое сводит итоговое воздействие к нулю.
Фундаментальная проблема гравитации
С гравитацией такая логика не работает, и вот почему: у гравитации есть только один тип «заряда» — масса или, точнее, энергия, и она всегда положительна. В природе не наблюдается отрицательной массы, которая могла бы создать «обратное» гравитационное поле и скомпенсировать притяжение Земли. Это не просто случайное наблюдение, а фундаментальное свойство Вселенной, математически закреплённое в Общей теории относительности в виде теоремы о положительной массе. Она доказывает, что полная энергия любой физической системы не может быть отрицательной, а значит, гравитация всегда остаётся силой притяжения.
Научное сообщество сходится во мнении, что экранирование гравитации невозможно. В противном случае это бы нарушило и ОТО, и даже ньютоновскую теорию, а также ключевой для ОТО принцип эквивалентности. Этот принцип утверждает, что эффекты гравитации и ускорения неотличимы друг от друга. Существование «щита» позволило бы их различить. Все попытки экспериментально обнаружить экранирование гравитации провалились.
Маленькая лазейка
Несмотря на фундаментальные запреты, в уравнениях Эйнштейна всё же есть одна гипотетическая лазейка — «экзотическая материя» с отрицательной массой.
Впервые возможность её существования в рамках ОТО рассмотрел физик Герман Бонди в 1957 году. Такая материя никогда не наблюдалась, а её существование нарушило бы ряд фундаментальных «условий на энергию», которые гласят, что плотность энергии не может быть отрицательной.
Можно ли путешествовать сквозь кротовые норы? Объясняет физика
Если бы отрицательная масса существовала, её свойства были бы крайне контринтуитивными. Например, при попытке толкнуть такой объект он бы ускорился не от вас, а прямо на вас. Кроме того, отрицательная масса создавала бы не «гравитационную яму», а «гравитационный холм», отталкивая от себя положительную массу. При этом сама отрицательная масса притягивалась бы к положительной.
Это привело бы к парадоксу «беглого движения»: пара из объектов с положительной и отрицательной массой начала бы непрерывно ускоряться в одном направлении без какого-либо внешнего источника энергии. Хотя это и выглядит как нарушение законов сохранения, математически система остаётся сбалансированной, так как кинетическая энергия объекта с отрицательной массой тоже отрицательна.
Почему это лишь гипотеза?
Главная проблема отрицательной массы — она позволила бы создавать «машины времени» и нарушать принцип причинности. Свет, проходящий мимо положительной массы, замедляется, а мимо отрицательной — наоборот, ускорялся бы, что позволило бы отправлять сигналы в прошлое. Это может привести к логическим парадоксам, поэтому многие физики считают существование такой материи невозможным.
В 2017 году учёным удалось создать жидкость из атомов рубидия, которая в определённых условиях ведёт себя так, словно имеет отрицательную массу, — ускоряется в сторону, противоположную приложенной силе. Однако это лишь имитация свойств экзотической материи в специфических условиях, а не создание её в чистом виде. Это открытие полезно для моделирования экстремальных явлений, но не доказывает возможность создания макроскопической антигравитации.
Антигравитация или преодоление гравитации?
Важно различать настоящую антигравитацию и то, что люди используют каждый день для преодоления земного притяжения.
Когда взлетает ракета или вертолёт, они не «отключают» гравитацию. Они просто создают направленную вверх силу, которая больше силы притяжения Земли. Настоящая антигравитация подразумевала бы создание отталкивающего поля, которое действовало бы на каждый атом тела одновременно, нейтрализуя гравитацию.
Псевдонаучные концепции
Многие якобы «антигравитационные» устройства на поверку оказываются либо ошибкой, либо псевдонаукой. Самый известный пример — эффект Бифельда-Брауна, открытый в 1920-х годах. Изобретатель Томас Браун утверждал, что создал «электрогравитационную» силу с помощью асимметричного конденсатора под высоким напряжением.
Демонстрация эффекта Бифельда — Брауна
Однако научное сообщество сходится во мнении, что этот эффект не имеет отношения к гравитации. Наблюдаемая тяга — это результат «ионного ветра». Высокое напряжение ионизирует молекулы воздуха вокруг одного из электродов; эти ионы устремляются к другому электроду, увлекая за собой нейтральные частицы воздуха и создавая тягу. Последующие эксперименты доказали, что в вакууме этот эффект исчезает,
В итоге
Антигравитация остаётся на территории фантастики — и причин на это несколько. Гравитация порождается только положительной массой и энергией, в отличие от электромагнетизма, где есть два противоположных заряда. Обеспечить противоположное гравитации воздействие могла бы экзотическая материя с отрицательной массой, но её существование означало бы возможность путешествий во времени.
Все известные демонстрации «антигравитации» были объяснены известными физическими явлениями, например, ионным ветром. Вместо того чтобы пытаться «отключить» гравитацию, современная физика сосредоточена на её более глубоком изучении. Настоящий прорыв в этой области — гравитационно-волновая астрономия. Такие обсерватории как LIGO-Virgo позволяют «слышать» рябь пространства-времени от слияния чёрных дыр и дают возможность проверки ОТО в самых экстремальных условиях.