Можно ли создать искусственную гравитацию в космосе?

Мы испытываем гравитацию в каждый момент нашей жизни, даже не задумываясь об этом. Но что это такое и понимаем ли мы это полностью?

Здесь мы кратко исследуем наше нынешнее понимание гравитации и исследуем, сможем ли мы когда-либо искусственно создать ее в космосе .

Как гравитация работает на Земле?

Как гласит известная пословица, «то, что идет вверх, должно падать». Но почему? Что происходит и что вызывает гравитацию?

Хотя мы только начали понимать, что это такое, над этим явлением размышляли тысячелетиями.

Например, греческие философы когда-то считали планеты и звезды частью царства богов. По их оценке, они были подвержены тому, что они называли « естественным движением ».

Хотя они не разработали концепцию намного дальше, их объяснение останется преобладающим в западной мысли до работ Галилея и Браге в 16 веке.

Их работа поможет произвести революцию в нашем понимании гравитации и глубоко повлияет на работу Исаака Ньютона.

Гравитация, как утверждал Ньютон , — это сила, удерживающая Землю на орбите вокруг Солнца. Как вы, возможно, помните из школьных дней, гравитацию обычно определяют как:

«Сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает все планеты на орбите вокруг Солнца». — НАСА .

Другими словами, все, что обладает массой, оказывает силу на любое другое, обладающее массой, и на него действует сила. Чем больше масса объектов и чем короче расстояние между ними, тем сильнее гравитационные силы, которые они оказывают друг на друга.

Каждый раз, когда вы подпрыгиваете в воздухе, случайно сбиваете что-то со стола или бросаете мяч в парке, чтобы ваша собака поймала его, вы интуитивно понимаете последствия своих действий. Все они, в конце концов, возвращаются на землю.

Позднее Эйнштейн дал совершенно иное объяснение гравитации, чем Ньютон. Согласно его теориям, гравитация является результатом искривления пространства-времени. Масса объекта заставляет пространство вокруг него по существу искривляться и искривляться. Это искажает путь, по которому должны проходить объекты (и свет), создавая эффект, который мы называем гравитацией.

Фактически, любой объект, «пойманный» гравитацией другого небесного тела, подвергается воздействию, потому что пространство, в котором он движется, искривлено к этому объекту.

Эйнштейн также ввел понятие « принцип эквивалентности ». Это говорит о том, что гравитационные и инерционные силы имеют  схожую природу и часто неразличимы.

Чтобы проиллюстрировать это, представьте, что вы находитесь на ракетном корабле без окон и не можете видеть внешнюю вселенную из своего окружения. В этом случае было бы невозможно сказать, является ли нисходящая сила, которую вы ощущаете как сила тяжести, реальной силой или следствием ускорения ракеты в определенном направлении.

Понимание гравитации

Мы полностью понимаем гравитацию? Проще говоря, да и нет. Хотя это одно из наиболее широко изученных природных явлений во Вселенной, мы все еще не понимаем его.

Как мы видели, Исаак Ньютон и Эйнштейн добились значительного прогресса в понимании гравитации, но мы до сих пор не совсем уверены, что это такое и действительно ли это вообще что-то.

Согласно Эйнштейну, гравитация — это больше следствие искривления пространства-времени, чем истинная сила сама по себе.

Что мы действительно знаем, так это то, что тела с массой притягиваются друг к другу. Эта «сила» зависит от расстояния и ослабевает по мере удаления тел.

Это тоже измеримое явление, и это одна из самых слабых сил в природе. Подумайте, например, о своем обычном магните на холодильник. Они легко могут противостоять гравитации чего-то столь же массивного, как Земля. Вы также можете избежать воздействия гравитации, хотя и временно, просто прыгнув.

Но на квантовом уровне эти отношения, кажется, полностью разрушаются . Это просто не подходит, и мы не знаем почему.

В широком смысле наши текущие теории гравитации довольно полезны для помощи в предсказании поведения больших объектов, но в крошечном квантовом масштабе текущие теории гравитации не работают.

Сегодня это одна из самых больших проблем в физике. Многие физики надеются однажды создать единую теорию макро- и квантовой физики, которая поможет объяснить происходящее.

Как нам помогает гравитация?

Гравитация — одна из самых фундаментальных сил во Вселенной. Помимо споров о том, как это работает, независимо от силы тяжести, это очень важный элемент для жизни на нашей планете.

Гравитация — это причина того, что объекты на Земле имеют вес, а не просто улетают в космос. Если бы вы жили на планете с меньшей массой, вы бы меньше весили и могли бы прыгать намного выше.

Гравитация также удерживает Землю в так называемой «зоне Златовласки» — расстоянии от нашего Солнца, на котором вода может существовать в жидкой форме.  Так уж получилось, что это жизненно важно для жизни.

Гравитация также помогает удерживать атмосферу Земли на месте, обеспечивая нам воздухом для дыхания. Марс, например, меньше половины размера Земли и около одной десятой массы Земли. Меньшая масса означает меньшее гравитационное притяжение, и на самом деле плотность атмосферы Марса составляет всего 1/100 от плотности Земли.

Гравитация также играет роль в сохранении целостности нашей планеты. Гравитация также  удерживает Луну на орбите вокруг Земли. Гравитационное притяжение луны притягивает к себе моря, вызывая океанские приливы.

Но, что интересно, сила гравитации не одинакова во всех местах на Земле. Он немного сильнее над местами с гораздо большей массой под землей,  чем над местами с меньшей массой .

Мы знаем это благодаря двум космическим кораблям НАСА и их миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) .

Согласно НАСА, миссия GRACE «обнаруживает крошечные изменения силы тяжести с течением времени. Эти изменения позволили выявить важные детали о нашей планете. Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения в земной коре, вызванные землетрясениями».

Можно ли создать гравитацию?

Как мы уже видели, Эйнштейн предположил, что гравитация на самом деле является следствием искажения пространства-времени, вызванного различными телами. По этой причине должна существовать возможность создания искусственной гравитации , по крайней мере, в безвоздушном пространстве.

Что необходимо, так это обеспечить средство ускорения в одном направлении, которое, согласно Эйнштейну, должно вызывать эффект, подобный гравитации. Это может быть сделано посредством линейного ускорения, как ракета, или посредством углового момента, то есть центростремительного эффекта или ускорения.

Пока корабль достаточно велик, он должен иметь возможность воздействовать на своих пассажиров силой, почти  неотличимой от земной гравитации . Однако это будет не совсем то же самое, потому что также будут присутствовать большие силы Кориолиса, и все будет падать по кривым, а не по прямым линиям.

Это также имеет некоторые врожденные проблемы. Чем быстрее что-то ускоряется, тем больше гравитационное притяжение или перегрузки на пассажиров.

Это не проблема для стационарных кораблей, таких как космическая станция, но для кораблей, которым необходимо преодолевать большие расстояния с большим ускорением, это может оказаться катастрофическим для экипажа.

Если бы корабль двигался со скоростью, составляющей лишь небольшую часть скорости света, экипаж, вероятно, испытал бы что-то, превышающее 4000 g . То есть, согласно статье в Forbes , более чем в 100 раз превышающее ускорение, необходимое для предотвращения кровотока в вашем теле, — вероятно, не идеально.

Была выдвинута гипотеза, что это можно обойти, используя электромагниты и проводящие «полы» на кораблях, но у вас все еще будет проблема «нисходящей» силы. Вероятно, не существует средств «защиты» экипажа от воздействия гравитации при высоких скоростях полета в космосе.

Единственный способ справиться с этим в будущем может заключаться в развитии некоторой формы отрицательного или антигравитационного поля . Однако, как и вся материя, у нас есть по крайней мере некоторая положительная масса, поэтому нам понадобится способ создать отрицательную гравитационную массу.

Это общая тема во многих научно-фантастических книгах и фильмах. Подумайте, например, о вращающемся космическом корабле из «Космической одиссеи 2001 года» .