Австрийские физики провели эксперимент по измерению гравитационного притяжения очень маленьких тел — золотых шариков массой 90 миллиграммов и диаметром 2 миллиметра. Оказалось, что такие маленькие тела, находящиеся на расстоянии всего нескольких миллиметров друг от друга, тоже притягиваются по классическому закону всемирного тяготения Ньютона. Проверка этого закона на таком масштабе масс и расстояний проведена впервые. Авторы эксперимента надеются, что в перспективе разработанная ими методика регистрации очень слабого тяготения между шариками позволит нащупать границу, за которой в полной мере проявляются эффекты квантовой гравитации.

Вспомните простую фразу, которую многим приходилось заучивать почти до автоматизма в школе: «любые два тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». К этой фразе прилагалась формула

[F=frac{GMm}{R^2},]

в которой (M) и (m) — массы тел, (R) — расстояние между ними, а (G) — коэффициент пропорциональности, который называют гравитационной постоянной. Это — закон всемирного тяготения Ньютона. Но к нему стоит сделать несколько дополнений, которые обычно в школе упускают.

Во-первых, эта формула верна не для любых тел, а только для точечных — то есть таких, что их размеры много меньше расстояния между ними. Формула, правда, верна и для тел, обладающих сферической симметрией, но это потому, что сумма сил, действующих со стороны точек сферического тела на пробную массу, оказывается точно такой же, как если бы вся масса тела была сосредоточена в его центре. Поэтому для планет, звезд и их спутников (естественных и искусственных) этот закон вполне хорошо работает (подтверждением чему служит открытие Нептуна Иоганном Галле в 1846 году, ставшее возможным благодаря обсчету наблюдавшихся аномалий в орбитальном движении Урана, выполненному Урбеном Леверье; подробности этой истории можно прочитать в статье Алексея Левина Охота на планету: Нептун).

Во-вторых, эта формула работает только в так называемом приближении слабого поля, — когда можно пренебречь эффектами общей теории относительности. Обычно это означает, что вторая космическая скорость для каждой из упомянутых масс должна быть сильно меньше скорости света, равно как и сами эти массы не должны двигаться относительно друг друга с релятивистской скоростью. Например, навигационные спутники на околоземной орбите движутся со скоростями несколько километров в секунду, чего уже достаточно для того, чтобы для них закон всемирного тяготения в классической формулировке не работал в точности. В середине XIX века нарушение его работы было замечено (все тем же Леверье) в орбитальном движении Меркурия: перигелий его орбиты поворачивался относительно звезд быстрее, чем это предсказывала теория, опиравшаяся на закон Ньютона (см. Смещение перигелия Меркурия). Это расхождение послужило одной из важных причин для создания в начале XX века общей теории относительности (см. Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции», «Элементы», 25.11.2015).

В-третьих, утверждение о том, что этот закон работает всегда и везде — это экстраполяция. Это утверждение, собственно, и принадлежит Ньютону (хотя сама формула, приведенная выше, была получена еще до него — скорее всего, другим англичанином, Робертом Гуком). Гений Ньютона заключался в том, что он не побоялся предположить, что яблоко падает на землю, влекомое той же самой силой, которая не позволяет Луне улететь в космическое пространство. И тем самым распространить явление гравитации действительно на все тела во Вселенной.

Но любая экстраполяция, тем более такая смелая, требует проверки и экспериментальных подтверждений.

Классические опыты по проверке закона Ньютона провел в конце XVIII века еще один его соотечественник Генри Кавендиш. Это был прямой опыт, в котором проверялось притяжение двух пар свинцовых шаров с массами 160 и 0,8 кг, находящихся на расстоянии 23 см друг от друга (см. Эксперимент Кавендиша). Меньшие шары устанавливались на крутильных весах — коромысле, подвешенном на медной нити. Сила гравитационного притяжения между шарами противодействовала упругой силой скручивания нити. Целью эксперимента Кавендиша было измерение плотности Земли. Но по факту он измерял величину гравитационной постоянной. Она оказалась довольно мала — в единицах системы СИ ее современное значение составляет

[G=(6{,}67430pm0{,}00015)cdot10^{-11} frac{text{м}^3}{text{кг}cdottext{с}^2}.]

Это очень маленькое значение, и оно показывает, насколько слабо тяготение.

После того, как были открыты три других фундаментальных взаимодействия — электромагнитное и два ядерных, — эта слабость только подтвердилась. И она создает если не трудности, то — уж точно — вызовы физикам и в наши дни.

Мы можем хорошо проверить действие закона Ньютона на планетах и звездах. Расстояния между ними огромны, но их массы настолько велики, что силы притяжения, которые между ними действуют, тоже огромны и порождают хорошо регистрируемый эффект. Но очень сложно проверить этот закон на маленьких массах, находящихся близко друг к другу.

Дело в том, что сделать это мы можем только в точных земных экспериментах (астрономические наблюдения тут, понятно, не помогут). Так, например, свинцовые шары в эксперименте Кавендиша притягивались друг к другу с силой (10^{-7}) Ньютонов. C такой силой наша планета притягивается к другой подобной планете, расположенной, скажем, в галактике NGC 55 (на расстоянии 2 Мпк от нас), то есть практически совсем не притягивается. Поэтому установка Кавендиша была заключена в деревянный кожух, который защищал ее от внешних воздействий (например, легчайших потоков воздуха). Перемещение коромысла за счет тяготения составляло всего лишь несколько миллиметров, и должно было быть измерено с точностью порядка 0,1 мм. Да и само коромысло не оставалось зафиксированным. Оно участвовало во вращательных колебаниях с периодом около 10 минут. Все это усложняло (и, что самое интересное, усложняет по сей день!) прямое измерение гравитационных сил. Но человеческая изобретательность преодолела (и преодолевает) эти препятствия.

Эксперименты по измерению гравитационной постоянной (об сложностях, которые там возникают, читайте в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013) и зависимости силы тяжести от масштаба — одни из самых сложных в физике. Об этом красноречиво говорит тот факт, что гравитационная постоянная среди всех фундаментальных констант на данный момент определена с наименьшей точностью. А в каком-то смысле эта серия экспериментов — еще и одна из самых долгих, ведь она длится уже больше двух веков. В наши дни ученые, вооруженные современной прецизионной техникой «ищут» притяжение на примере все меньших тел, расположенных все ближе друг к другу и притягивающихся все слабее и слабее.

К сегодняшнему дню удалось добиться проверки закона всемирного тяготения (конкретнее, квадратичного спадания силы притяжения с расстоянием) вплоть до масштабов расстояния 50 микрометров (J. Lee et al., 2020. New Test of the Gravitational 1/r² Law at Separations down to 52 μm). Но в подобных экспериментах всегда участвовали вполне «обычные» массы, измеряющиеся десятками или сотнями килограммов или, реже, десятками граммов. Или же вообще речь шла о поведении маломассивного тела в поле тяготения Земли (то есть в роли одного из экспериментальных тел выступала целая планета).

Но в недавнем эксперименте, результаты которого были опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature, ученым удалось зафиксировать притяжение золотых шаров диаметром 2 мм с массами всего 90 мг, отнесенных на расстояние 1 мм друг от друга. Согласно ньютоновской формуле, между ними действовала сила порядка (10^{-13}) Ньютонов. С такой силой наша Земля притягивает другую такую же планету, расположенную уже на гигантском космологическом расстоянии в 5 Гпк! К слову, диаметр всей видимой нам Вселенной составляет всего 28 Гпк.

Впрочем, о далеких планетах волноваться экспериментаторам надо было явно не в первую очередь, поскольку человек, стоящий в 2,5 метрах от установки, оказывает на эти шарики такое же по силе гравитационное воздействие. Но если от этого воздействия деться было некуда (гравитация не экранируется), то другие факторы, создающие шумы в эксперименте, авторам необходимо было как-то сводить к минимуму. Так, эксперимент проходил в глубоком вакууме, под давлением 10⁻⁹–10⁻¹⁰ атм., чтобы уменьшить воздействие от молекул воздуха. Вся установка располагалась на тяжелом оптическом столе, который, впрочем, чувствовал мелкие сейсмические колебания («несмотря на сравнительно спокойную предрождественскую пору в городе», как отметили авторы). Эти колебания контролировались чувствительными сейсмодатчиками, показания которых учитывались в анализе. Наконец, золотые пробные массы необходимо было освободить от электростатического заряда, разрядив их до уровня около 100 тысяч элементарных зарядов (то есть из ~3·10²⁰ атомов золота в шарике, только 100 тысяч имели дополнительный заряд), а также установить экран Фарадея между массами.

Поэтому, быть может, не менее важным результатом эксперимента стало создание измерительной технологии, которая позволила отсечь паразитные воздействия от других тел (в том числе электромагнитные). Шары не просто подносились друг с другу на маленькое расстояние. Один из них периодически двигался вперед-назад с периодом 79 секунд (частотой 12,7 мГц), создавая периодическое воздействие на второй. А тот, подвешенный на свободном балансе, приобретал из-за этого периодическое ускорение, причем именно такое, какое и ожидается от силы, спадающей по закону обратных квадратов. Хотя, как понятно из описания выше, колебания пробного шара в большей степени определялись именно внешними факторами, но, на некоторых отдельных частотах они определялись именно силой гравитации, действующей со стороны второго шарика (как это видно из рис. 2). В чем-то эксперимент был похож на покупку иголки, завернутой в стог сена.

В качестве дополнительного результата исследователи измерили и значение гравитационной постоянной:

[G=(6{,}04pm0{,}06)cdot10^{-11} frac{text{м}^3}{text{кг}cdottext{с}^2},]

что, с учетом систематических погрешностей, известных экспериментаторам, статистически неотличимо от принятой на сегодня величины. Хотя…

Хотя статистика, как известно, не отвечает ни на какие поставленные вопросы. Она только преподносит информацию к размышлению. Ранее было подмечено, что чем меньшие массы используются в эксперименте по измерению G, тем меньше, в среднем, получается ее значение. Этот эффект совершенно незначим и сегодня к нему стоит относиться как к просто забавному стечению обстоятельств (но, по-моему, весьма интересному). К слову, из трех десятков отдельных измерений, которые были проведены в обсуждаемой работе, величина G оказывалась больше общепринятой только в трех случаях — в остальных она всегда оказывалась систематически меньше (рис. 3).

Впрочем, исследователи и не ставили перед собой задачу еще раз уточнить G. И, более того, не стоит думать, что подобные эксперименты нужны только для того, чтобы убедиться в том, что гравитация «и вот на этих масштабах тоже работает». В такой формулировке они становятся похожими на спорт, причем бесконечный — можно надолго себя обеспечить работой (ну и финансированием, куда же без него), просто постоянно меняя масштабы задачи.

В действительности же, интересно не подтвердить известный закон в очередной раз, а наконец найти, где же он перестает выполняться. У любой физической модели есть свои границы применимости (вспомните ту же общую теорию относительности, которая пришла на смену ньютоновской «силе тяготения», когда начали изучать тонкие эффекты динамики тяжелых и быстрых объектов). И зачастую эти границы приходится буквально нащупывать, продвигаясь в пространстве параметров эксперимента практически вслепую.

Обсуждаемая работа — еще один важный шаг по нащупыванию «микрограниц» применимости ньютоновской теории гравитации. И, как уже говорилось, создание технологии исследования гравитации для малых масс (с осциллирующей массой, системами экранировки, лазерной метрологической системой и т. д.), быть может, не менее важный результат этой работы. Сами авторы считают, что их метод может быть распространен далее разумным образом для проверки закона тяготения уже для масс, порядка планковской ((m_{Pl}approx2cdot10^{-5}) г). Для этого необходимо, чтобы колебания системы, возникающие под воздействием движущейся массы, не затухали слишком быстро. Это определяется добротностью системы Q (можно сказать, что это количество циклов, за которые колебания затухают полностью). Добротность обсуждаемого эксперимента составляла 4,9. А работа с планковской массой будет возможна при добротности Q = 20 000.

Откуда известно, что в какой-то момент закон всемирного тяготения в том виде, к которому мы привыкли, действительно должен перестать работать? Дело в том, что, углубляясь в микромир, однажды мы экспериментально подойдем к тому пределу, на котором начинают работать эффекты квантовой гравитации. Это та граница, за которую ученые пытаются продвинуться — пока безуспешно — как в экспериментах, так и в теории. Вопрос, на который теория квантовой гравитации должна отвечать таков: как устроено гравитационное взаимодействие настолько малых систем, для которых уже существенны квантовые эффекты? Например, их нужно учитывать для описания частиц темной материи или сверхплотной материи в центре нейтронной звезды (или даже в центре черной дыры, что бы там ни скрывалось за термином «сингулярность»). Вероятно, без их учета не обойтись и при разработке новой микроэлектроники (которая со временем, быть может, станет фемто- или даже аттоэлектроникой).

А еще гравитация на малых масштабах — это и возможные дополнительные измерения. Можно считать, что квадрат расстояния между телами в формуле закона Ньютона связан с трехмерностью нашего пространства. И в пространстве большей размерности этот показатель степени вполне мог бы оказаться другим. Например, если наш мир действительно многомерен, но некоторые измерения имеют очень маленький масштаб (как это предполагает теория струн), то есть шанс это заметить, проводя как раз такие эксперименты.

Вот поэтому, казалось бы, школьный эксперимент, «уменьшенный» в несколько тысяч раз по массам и расстояниям, в действительности стал серьезным и интересным научному сообществу исследованием.

Источник: Tobias Westphal, Hans Hepach, Jeremias Pfaff & Markus Aspelmeyer. Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03250-7.

Антон Бирюков

Губы уже много лет остаются одной из самых востребованных зон для коррекции. За этим приходят к косметологу как 18-летние девушки, так и женщины за 60. Узнаем, почему нам это так важно и что оптимально сделать в том или ином возрасте. 

На Европейском конгрессе по эстетической и лазерной медицине, который прошел в начале марта, среди прочих была затронута и эта тема. Врач-дерматолог, косметолог, кандидат медицинских наук Татьяна Павленко в докладе «Губы и фертильность. Клише или правда?» прокомментировала многие вопросы. 

Татьяна Павленко отметила, что губы — это гормонозависимая и психологически достаточно нагруженная зона. Неслучайно в работах Фрейда, посвященных психоанализу, много места отведено взаимосвязи строения губ и поведения людей. Губы оказывают большое влияние не только на внешность человека, но и на его психологическое становление. Так, в одном из американских вузов был проведен опрос, который показал, что 14% студентов, которые до 19-20 лет ни разу не целовались, чувствовали себя несчастными, вплоть до депрессии. 

Если говорить о гормонозависимости, то изменения в периоральной зоне (область вокруг губ), а это сухость, потеря объемов и образование так называемых кисетных морщин, говорят, как правило, о том, что пациентка находится на пороге менопаузы, то есть о том, что у нее снижен уровень эстрогенов.  

С чем боремся

Если запрос молодых женщин — это в основном увеличение объема губ или придание им «модной» формы, то со временем появляются и другие проблемы. В возрасте 50+ начинаются анатомические изменения, которые происходят в связи с гормональной перестройкой. К сожалению, это возможно и до 50 лет, если женщина рано вступает в менопаузу. Небольшой участок поверхностного жира, располагающийся на верхней губе, имеет большое количество рецепторов к эстрогенам. Когда уровень этих гормонов снижается, происходит истончение этого участка, теряется объем и затем образуются кисетные морщины. Поэтому формирование этих морщин называют гормонозависимым процессом.

Также со временем губы теряют увлажненность. А прием различных лекарственных препаратов, которые с возрастом многие начинают принимать регулярно, тоже могут вызывать их сухость.

Кроме того, к 65 годам сильно меняется лицевой скелет. Более чем на 25% снижается объем костной ткани, что влечет за собой выраженные изменения красной каймы губ: истончается и удлиняется верхняя губа, изменяются пропорции средней и нижней третей лица. 

Зона вокруг губ — гормонозависимая область. Ее состояние зависит от уровня и качества синтеза эстрогенов.

Также у пациенток старше 60 лет снижается чувствительность периоральной зоны на 35%. Поэтому очень важно проводить профилактические мероприятия по увлажнению этой зоны, как для улучшения внешнего вида, так и для предотвращения потери чувствительности. 

Выбор женщины

Татьяна Павленко также отметила, что приоритеты женщины в выборе партнера варьируются в зависимости от фазы менструального цикла. Оказывается, во время овуляции большинство женщин выбирают себе в партнеры того мужчину, у которого более выражены углы нижней челюсти и она более выдвинута вперед, что инстинктивно ассоциируется с высоким уровнем тестостерона. В остальное время, когда необходимость размножения не стоит перед женщиной первично, она может сделать и другой выбор. 

Кстати, специалисты не раз отмечали, что во время овуляции женщина не слишком критична к своему внешнему виду, но максимально критична к внешности мужчины. 

Выбор мужчины

Интересный факт: мужчина понимает, что перед ним фертильная женщина, отмечая на подсознательном уровне  такие признаки, как маленький подбородок, пухлые губы и круглые глаза. Он инстинктивно связывает эти особенности с хорошим синтезом эстрогенов. И это черты женского гендера. Поэтому мужчина с высоким уровнем тестостерона, как правило, ищет женщину с выраженной красной каймой губ. 

Действительно, женщине с высоким уровнем эстрогена присущи округлость черт, отсутствие морщин, яркие, упругие и объемные губы. Именно этого интуитивно желают сами женщины и за этим приходят к косметологу. 

Мужчина перестает обращать внимание на губы женщины лишь после 70 лет!

Кстати, если у женщин губы начинают стареть с 35-40 лет, то у мужчин — только в 60-70. При этом кисетных морщин у мужчин не бывает. Дело в том, что волосяные фолликулы, которые находятся у них в этой зоне выполняют функцию своеобразного плотного каркаса, не позволяя губам сжиматься в морщины-штрихкоды.

Коррекция губ

Женщины возраста 50+, как правило, высказывают некоторую тревогу, при коррекции губ. Они боятся слишком выраженных изменений и в особенности излишнего объема, что, по их мнению, будет выглядеть неуместно. И действительно, при коррекции губ возрастной категории женщин препаратами гиалуроновой кислоты очень важно соблюдать меру, чтобы не получить так называемой переинъекции. Для этого существуют деликатные препараты, которые вводятся в технике бланширования (поверхностные инъекции особо расположенной специальной иглой). Это позволяет хорошо выровнять поверхность кожи, но ни в коем случае не увеличить объем верхней губы. Специально предназначенные препараты, которые работают практически на уровне прикосновения к коже, хорошо сглаживают неровности, подчеркивают контур губ и их естественный объем. 

Еще одна проблема в периоральной зоне, которая возникает с возрастом, — это изменение улыбки. Она становится несколько вымученной, напряженной, будто человек вовсе не хочет улыбаться. Это возможно корректировать проведением ботулинотерапии, в том числе и в верхней трети лица. Перераспределив мышечный тонус, можно достигнуть заметных результатов. В таких случаях оптимально применение достаточных дозировок ботулотоксина, не избыточных, а средних или даже ниже среднего в сочетании с компенсаторным введением гиалуроновой кислоты, что позволяет хорошо разгладить поверхностные дефекты кожи в этой зоне. 

При бьютификации молодых губ часто применяют вариации филлеров разной плотности. Также для девушек есть препараты, которыми можно не только дать желаемый объем, но и навести модный глянец (придать блеск). Это позволяет сделать особая техника введения — легкая поверхностная интеграция в мягкие ткани.

Есть еще много техник для достижения различных эффектов, например, вертикальная (парижская) и веерная. Первая более травматичная, но у нее ниже риск осложнений. Игла вводится вертикально в центральную зону губ и как бы пронизывает сосуды. Губы получаются естественными, по-детски припухлыми. При второй — игла совпадает с направлением сосуда, что (при попадании вещества в его просвет) может привести к ишемии и некрозу в данной зоне. Однако веерной техникой пользуются уже более 20 лет, и если у врача большой опыт, то осложнения сводятся к минимуму. Такая методика дает объем и корректирует уголки губ.

Для решения вопросов возрастных изменений в зоне губ в приоритете использование канюли (атравматичная игла с тупым концом). Так процедура проходит безопасно, менее травматично, с минимальным развитием гематом, и настраивает возрастных пациентов на более лояльное отношение к периодической коррекции. 

Губы и область вокруг них — очень яркий маркер старения. Изменения в этой зоне сразу прибавляют возраст. Однако есть безопасные и эффективные косметологические методики, которые помогут сгладить выраженность изменений и сохранить внешность моложавой. При этом женщинам 50+ не стоит опасаться гиперкоррекции. Современные препараты позволяют сохранять естественность губ, без лишних, смущающих объемов, и поддерживать длительное увлажнение. 

Не последнюю роль в улучшении состояния губ играют косметические средства и декоративная косметика. Правильный и регулярный уход за нежной кожей губ поможет надолго сохранить красоту этой деликатной зоны, а макияж — зрительно скорректировать форму, объем и придать желаемый оттенок.   

Мерцающий тинт для губ Paradise Aurora Shine Lip Treatment, Dear Dahlia — от 2450 руб.

Содержит экстракт георгина, защищающий губы от вредного воздействия окружающей среды. Покрывает губы стеклянным блеском с легким сияющим оттенком. 

Полупрозрачная увлажняющая помада-бальзам Crushed Jelly, Bobbi Brown — 2250 руб. 

Увлажняющая помада с легким эффектом сияния. Фруктовые масла и гиалуроновая кислота придают губам упругость и гладкость.

Сатиновая помада «Фруктовый нектар», L’Occitane — 1990 руб.

Помада, обогащенная фруктовыми маслами и витамином Е, ухаживает за губами. Сатиновый финиш и насыщенный оттенок подчеркивает их красоту.
 

Помада Legendary Prime & Plush, Smashbox — 1990 руб.

Содержит комплекс масел и керамиды, которые разглаживают и увлажняют губы. Придает насыщенный цвет c атласным эффектом.

Бальзам для губ MAC Glow Play, M.A.C — 1850 руб.

Глянцевый бальзам с легким оттенком оживит ежедневный макияж, а комплекс питательных масел ши, косточек манго и жожоба успокоит, разгладит и увлажнит кожу губ. 

Блеск для губ Guilty Pleasure Lip Gloss, Vera — 1400 руб.

Универсальная палитра блесков с разнообразными эффектами позволяет выбирать новый макияж на каждый день. В линейке есть совершенно разные оттенки от полупрозрачных естественных до сочных и ярких.

Блеск для губ Sexy Lips Gloss, Romanovamakeup — 1370 руб.

Делает губы пухлыми и гладкими, придает завораживающий эффект глянца.

Гигиеническая помада, Caudalie – 650 руб.

Масло карите и виноградных косточек в составе восстанавливает, питает сухую кожу губ и обеспечивает ее защиту от негативных внешних факторов.

Блеск для губ Lifter Gloss с гиалуроновой кислотой, Maybelline — от 500 руб.

Интенсивно увлажняет губы и визуально увеличивает их.

Ночная восстанавливающая маска для губ, Art&Fact — 428 руб.

Растительные масла (ши, кокос, какао) питают сухую кожу губ, ускоряют регенерацию трещин, устраняют шелушение. Смягчают и разглаживают кожу.

Блеск для губ Fleur Du Soleil, Vivienne Sabo — от 350 руб.

Нежный блеск с мелкими глиттерами в сочетании с бабочками создает сияющий эффект, увлажняя и питая кожу губ. 

Помада «Ультра», Avon — 269 руб.

Обновленная линия дополнена новыми оттенками матовых и кремовых помад. Формула содержит витамин Е, масло авокадо и кунжутное, а матовая помада – еще и карнаубский воск для большей мягкости и комфорта. 

Масло-блеск для губ Rich Lip Oil, Eveline — от 200 руб.

Содржит масла арганы, авокадо и кокоса. Питает кожу губ, помогает сохранить ее молодость и защищает от негативных внешних факторов.