Эффект Эйнштейна: почему ядро Земли моложе земной коры

Земная кора постоянно перекраивается: вулканы наращивают новую породу, эрозия стачивает старую, а движение литосферных плит создает новые горы. В этом смысле под ногами у нас лежит далеко не древнейшая часть планеты. Но, как ни странно, ядро Земли еще моложе земной поверхности. И дело здесь совсем не в геологии, а в физике. Согласно современным подсчетам, центр Земли появился раньше коры примерно на 2,5 года. Как же это возможно? Объясняем.

Когда сформировалась Земля

Земля сформировалась около 4,5 млрд лет назад из пыли, каменных обломков и более крупных тел, круживших вокруг молодого Солнца. Все это сталкивалось, слипалось и разогревалось. Внутри раскаленного протопланетного шара тяжелые металлы, в первую очередь железо и никель, устремились к центру, создавая плотное ядро. 

Более легкие силикатные породы всплывали к поверхности, сформировав первичную кору и мантию. Через десятки миллионов лет планета приобрела нынешний облик. На этом геологическая часть нашего сюжета подходит к концу. Дальше — только физика. 

Как гравитация влияет на время

До того как Эйнштейн выдвинул теорию относительности, многие думали, что время течет для всех одинаково. После — стало понятно, что время зависит от того, где вы находитесь, и как вы движетесь. Из-за сильного воздействия гравитации вблизи объектов с большой массой часы будут идти медленнее. Но в теории относительности гравитация — это не сила, которая притягивает предметы друг к другу. 

По Эйнштейну, гравитация искривляет то, что физики называют «пространство-время». В теории относительности пространство и время связаны, а присутствие объекта большой массы меняет их геометрию. И чем выше масса, тем медленнее будут бежать стрелки часов. Итак, в разных гравитационных условиях часы будут показывать разное время.

Если представить, что Земля является идеальной сферой, то гравитация в ее центре должна равняться нулю. Так происходит потому, что масса планеты распределяется вокруг центра равномерно. Но это не значит, что ядро Земли существует с нами в одном и том же времени, потому что для времени важна не только сила гравитации, но и гравитационный потенциал.

Потенциал — это «уровень энергии» гравитационного поля в каждой конкретной точке. Он определяет, как глубоко объект находится в «гравитационной яме» — пространстве, которое искривляет объект с большой массой. 

Центр Земли находится на самом дне ее гравитационной ямы. Чтобы выбраться оттуда на поверхность, а затем и в космос, нужно преодолеть притяжение всей массы планеты. Воздействие гравитации в центре Земли равно нулю, но и потенциал там минимален. Именно поэтому само время в центре планеты течет медленнее, чем на поверхности.

Чем массивнее объект, тем медленнее рядом с ними течет время. Например, для внешнего наблюдателя время вблизи черной дыры может почти остановиться. 

Как отличается возраст ядра и земной коры

Идею о том, что центр Земли должен быть немного моложе поверхности, в популярной форме изложил лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман. В своих лекциях он подчеркивал, что теория относительности касается не только черных дыр, но и нашей планеты. [1] Фейнман предположил, что ядро должно отставать по времени от земной коры примерно на день или два. И хотя сама мысль физика была верная, с цифрами он просчитался. 

Уже в 2016 году ученые выяснили, что, если бы Земля была идеально однородным шаром, то поверхность планеты оказалась бы примерно на 1,58 года старше ее центра. [2]

Но в действительности Земля не однородна. Ее масса распределена неравномерно. Внутренние области гораздо плотнее и тяжелее коры и значительной части мантии. Ядро, состоящее в основном из железа и никеля, резко увеличивает концентрацию массы ближе к центру. Все это делает гравитационную яму глубже и только усиливает эффект замедления времени.

Чтобы учесть реальное внутреннее строение планеты, используют так называемую предварительную эталонную модель Земли (PREM). Это стандартная сейсмологическая модель, описывающая, как меняется плотность в слоях планеты. С ее помощью исследователи получили более точную оценку: центр Земли примерно на 2,5 года моложе поверхности.

Как на практике используют теорию Эйнштейна

Если бы мы не знали, что в центре планеты и на ее поверхности время течет по-разному, у нас не работал бы GPS.

Дело в том, что спутники навигационных систем несут на борту атомные часы. Они находятся высоко над Землей, где гравитация еще слабее, чем на поверхности. Значит, по логике теории относительности, эти часы должны идти быстрее земных. 

Но есть и другая проблема: спутники быстро движутся по орбите, а теория относительности говорит, что движущиеся часы идут медленнее. Из-за того, что эти два эффекта «тянут» в разные стороны, получается, что спутниковые часы GPS отстают от часов на Земле на 38 микросекунд в сутки. За одну микросекунду — а это только миллионная доля секунды — свет проходит примерно 300 м. И если это отставание не учитывать, навигация быстро начнет давать сбой.

Почему возраст Земли не противоречит теории относительности

Главное не путать этот физический эффект с геологическим возрастом Земли. С точки зрения геологии, ядро нашей планеты действительно сформировалось на самых ранних этапах, тогда как земная кора появилась намного позднее благодаря вулканической активности и работе литосферных плит. 

Но по теории относительности, в центре Земли прошло меньше времени, чем на поверхности. И хотя кажется, что эти идеи противоречат друг другу, они обе абсолютно верны. Потому что в физическом смысле у Земли нет единого возраста.

По материалам zmescience.com.