Гравитация — самая могущественная сила во Вселенной, одна из четырех фундаментальных основ мироздания, определяющая его структуру. Когда-то благодаря ей возникли планеты, звезды и целые галактики. Сегодня она удерживает на орбите Землю в ее нескончаемом путешествии вокруг Солнца.
Притяжение имеет огромное значение и для повседневной жизни человека. Благодаря этой невидимой силе пульсируют океаны нашего мира, текут реки, капли дождя падают на землю. Мы с детства ощущаем вес своего тела и окружающих предметов. Огромно влияние гравитации и на нашу хозяйственную деятельность.
Первая теория гравитации была создана Исааком Ньютоном в конце XVII столетия. Его Закон всемирного тяготения описывает данное взаимодействия в рамках классической механики. Более широко этот феномен был изложен Эйнштейном в его общей теории относительности, увидевшей свет в начале прошлого века. Процессы, происходящие с силой тяготения на уровне элементарных частиц, должна объяснить квантовая теория гравитации, но ее еще только предстоит создать.
Сегодня мы знаем о природе гравитации гораздо больше, чем во времена Ньютона, но, несмотря на столетия изучения, она все еще остается настоящим камнем преткновения современной физики. В существующей теории гравитации есть множество белых пятен, и мы до сих пор точно не понимаем, что ее порождает, и как происходит перенос этого взаимодействия. И уж, конечно, мы очень далеки от возможности управлять силой притяжения, так что антигравитация или левитация еще долго будут существовать только на страницах фантастических романов.
Что же упало на голову Ньютона?
О природе силы, которая притягивает предметы к земле, люди задумывались во все времена, но приоткрыть завесу тайны удалось только в XVII столетии Исааку Ньютону. Основу для его прорыва заложили труды Кеплера и Галилея – блестящих ученых, изучавших движения небесных тел.
Еще полтора века до ньютоновского Закона всемирного тяготения польский астроном Коперник полагал, что притяжение - это «…не что иное, как естественное стремление, которым отец Вселенной одарил все частицы, а именно соединяться в одно общее целое, образуя тела шаровидной формы». Декарт же считал притяжение следствием возмущений в мировом эфире. Греческий философ и ученый Аристотель был уверен, что масса влияет на скорость падения тел. И только Галилео Галилей в конце XVI века доказал, что это неверно: если отсутствует сопротивление воздуха, все объекты ускоряются одинаково.
Вопреки распространенной легенде о голове и яблоке, Ньютон шел к пониманию природы гравитации более двадцати лет. Его закон гравитации – одно из самых значимых научных открытий всех времен и народов. Он универсален и позволяет вычислять траектории небесных тел и точно описывает поведение предметов, окружающих нас. Классическая теория тяготения заложила основы небесной механики. Три закона Ньютона дали ученым возможность открывать новые планеты буквально «на кончике пера», в конце концов благодаря им человек смог преодолеть земную гравитацию и совершить полет в космос. Они подвели строгую научную базу под философскую концепцию о материальном единстве мироздания, в котором все природные явления взаимосвязаны и управляются общими физическими правилами.
Ньютон не просто опубликовал формулу, позволяющую высчитать, чему равна сила, притягивающая тела друг к другу, он создал целостную модель, в которую также вошел математический анализ. Данные теоретические выводы были неоднократно подтверждены на практике, в том числе и с помощью самых современных методов.
В ньютоновской теории любой материальный объект порождает поле притяжения, которое называется гравитационным. Причем сила пропорциональна массе обоих тел и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
F = (G m1 m2)/r2
G – это гравитационная постоянная, которая равняется 6,67×10−11 м³/(кг·с²). Первым ее смог высчитать Генри Кавендиш в 1798 году.
В повседневной жизни и в прикладных дисциплинах о силе, с которой земля притягивает тело, говорят как о его весе. Притяжение между двумя любыми материальными объектами во Вселенной – вот что такое гравитация простыми словами.
Сила притяжения – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий физики, но благодаря своим особенностям она способна регулировать движение звездных систем и галактик:
- Притяжение работает на любых расстояниях, в этом главное отличие силы тяжести от сильного и слабого ядерного взаимодействия. С увеличением расстояния его действие уменьшается, но оно никогда не становится равным нулю, поэтому можно сказать, что взаимное влияние оказывают даже два атома, находящиеся на разных концах галактики. Просто оно очень мало;
- Гравитация универсальна. Поле притяжения присуще любому материальному телу. Ученые пока не обнаружили на нашей планете или в космосе объект, который бы не участвовал во взаимодействии данного типа, поэтому роль гравитации в жизни Вселенной огромна. Этим тяготение отличается от электромагнитного взаимодействия, влияние которого на космические процессы минимально, поскольку в природе большинство тел электрически нейтральны. Гравитационные силы нельзя ограничить или экранировать;
- Тяготение действует не только на материю, но и на энергию. Для него не имеет никакого значения химический состав объектов, играет роль только их масса.
Используя ньютоновскую формулу, силу притяжения можно легко рассчитать. Например, гравитация на Луне в несколько раз меньше земной, потому что наш спутник имеет сравнительно небольшую массу. Но ее достаточно для формирования в Мировом океане регулярных приливов и отливов. На Земле ускорение свободного падения равняется примерно 9,81 м/с2. Причем на полюсах оно несколько больше, чем на экваторе.
Несмотря на огромное значение для дальнейшего развития науки, ньютоновские законы имели целый ряд слабых мест, не дававших покоя исследователям. Было непонятно, как действует гравитация через абсолютно пустое пространство на огромные расстояния, причем с непостижимой скоростью. Кроме того, постепенно стали накапливаться данные, которые противоречили законам Ньютона: например, гравитационный парадокс или смещение перигелия Меркурия . Стало очевидным, что теория всемирного тяготения требует доработки. Эта честь выпала на долю гениального немецкого физика Альберта Эйнштейна.
Притяжение и теория относительности
Отказ Ньютона обсуждать природу гравитации («Я гипотез не измышляю») был очевидной слабостью его концепции. Неудивительно, что в последующие годы появилось множество теорий гравитации.
Большинство из них относились к так называемым гидродинамическим моделям, которые пытались обосновать возникновение тяготения механическим взаимодействием материальных объектов с некой промежуточной субстанцией, имеющей те или иные свойства. Исследователи называли ее по-разному: «вакуум», «эфир», «поток гравитонов» и т. д. В этом случае сила притяжения между телами возникала в результате изменения этой субстанции, при ее поглощении объектами или экранировании потоков. В реальности все подобные теории имели один серьезный недостаток: довольно точно предсказывая зависимость гравитационной силы от расстояния, они должны были приводить к торможению тел, которые двигались относительно «эфира» или «потока гравитонов».
Эйнштейн подошел к решению этого вопроса с другой стороны. В его общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается не как взаимодействие сил, а как свойство самого пространства-времени. Любой объект, имеющий массу, приводит к его искривлению, что и вызывает притяжение. В этом случае гравитация – это геометрический эффект, который рассматривается в рамках неевклидовой геометрии.
Проще говоря, пространственно-временной континуум воздействует на материю, обуславливая ее движение. А та, в свою очередь, влияет на пространство, «указывая» ему, как искривляться.
Силы притяжения действуют и в микромире, но на уровне элементарных частиц их влияние, по сравнению с электростатическим взаимодействием, ничтожно. Физики считают, что гравитационное взаимодействие не уступало остальным в первые мгновенья (10 -43 сек.) после Большого взрыва.
В настоящее время концепция гравитации, предложенная в общей теории относительности, является основной рабочей гипотезой, принятой большинством научного сообщества и подтвержденной результатами многочисленных опытов.
Эйнштейн в своей работе предвидел удивительные эффекты гравитационных сил, большая часть из которых уже нашла подтверждение. Например, возможность массивных тел искривлять световые лучи и даже замедлять течение времени. Последний феномен обязательно учитывается при работе глобальных спутниковых систем навигации, таких как ГЛОНАСС и GPS, в противном случае через несколько суток их погрешность составляла бы десятки километров.
Кроме того, следствием теории Эйнштейна являются так называемые тонкие эффекты гравитации, такие как гравимагнитное поле и увлечение инерциальных систем отсчёта (он же эффект Лензе-Тирринга). Эти проявления силы тяготения настолько слабы, что долгое время их не могли обнаружить. Только в 2005 году благодаря уникальной миссии НАСА Gravity Probe B был подтверждён эффект Лензе-Тирринга.
Гравитационное излучение или самое фундаментальное открытие последних лет
Гравитационные волны – это колебания геометрической пространственно-временной структуры, распространяющиеся со скоростью света. Существование этого феномена также было предсказано Эйнштейном в ОТО, но из-за слабости силы тяготения его величина очень мала, поэтому долгое время его не могли обнаружить. В пользу существования излучения говорили только косвенные свидетельства.
Подобные волны генерируют любые материальные объекты, движущиеся с асимметричным ускорением. Ученые описывают их как «рябь пространства-времени». Наиболее мощными источниками такого излучения являются сталкивающиеся галактики и коллапсирующие системы, состоящие из двух объектов. Типичный пример последнего случая – слияние черных дыр или нейтронных звезд . При подобных процессах гравитационное излучение может переходить более 50% от общей массы системы.
Гравитационные волны впервые были обнаружены в 2015 году с помощью двух обсерваторий LIGO. Практически сразу это событие получило статус крупнейшего открытия в физике за последние десятилетия. В 2017 году за него была присуждена Нобелевская премия. После этого ученым еще несколько раз удавалось фиксировать гравитационное излучение.
Еще в 70-е годы прошлого века – задолго до экспериментального подтверждения – ученые предлагали использовать гравитационное излучение для осуществления дальней связи. Его несомненное преимущество – это высокая способность проходить сквозь любые вещества, не поглощаясь. Но в настоящее время это вряд ли возможно, потому что существуют огромные трудности с генерацией и приемом этих волн. Да и реальных знаний относительно природы гравитации у нас пока недостаточно.
Сегодня в разных странах мира работает несколько установок, подобных LIGO и строятся новые. Вероятно, что в ближайшем будущем о гравитационном излучении мы узнаем больше.
Альтернативные теории всемирного тяготения и причины их создания
В настоящий момент доминирующей концепцией гравитации является ОТО. С ней согласуется весь существующий массив экспериментальных данных и наблюдений. В то же время она имеет большое количество откровенно слабых мест и спорных моментов, поэтому попытки создания новых моделей, объясняющих природу гравитации, не прекращаются.
Все, разработанные к настоящему моменту теории всемирного тяготения можно разбить на несколько основных групп:
- стандартные;
- альтернативные;
- квантовые;
- теории единого поля.
Попытки создания новой концепции всемирного тяготения предпринимались еще в XIX столетии. Разные авторы включали в нее эфир или корпускулярную теорию света. Но появление ОТО поставило точку на этих изысканиях. После ее публикации цель ученых изменилась - теперь их усилия были направлены на улучшение модели Эйнштейна, включение в нее новых природных явлений: спина частиц, расширения Вселенной и др.
К началу 80-х годов физики экспериментальным путем отвергли все концепции, за исключением тех, которые включали в себя ОТО как неотъемлемую часть. В это время в моду вошли «струнные теории», выглядевшие весьма многообещающе. Но опытного подтверждения эти гипотезы так и не нашли. За последние десятилетия наука достигла значительных высот и накопила огромный массив эмпирических данных. Сегодня попытки создать альтернативные теории гравитации вдохновляются в основном космологическими исследованиями, связанными с такими понятиями, как «темная материя», «инфляция», «темная энергия».
Одной из главных задач современной физики является объединение двух фундаментальных направлений: квантовой теории и ОТО. Ученые стремятся связать притяжение с остальными видами взаимодействий, создав таким образом «теорию всего». Именно этим и занимается квантовая гравитация – раздел физики, который пытается дать квантовое описание гравитационного взаимодействия. Ответвлением данного направления является теория петлевой гравитации.
Несмотря на активные и многолетние усилия, достичь этой цели пока не удается. И дело даже не в сложности этой задачи: просто в основе квантовой теории и ОТО лежат абсолютно разные парадигмы. Квантовая механика работает с физическими системами, действующими на фоне обычного пространства-времени. А в теории относительности само пространство-время - это динамическая составляющая, зависящая от параметров классических систем, находящихся в ней.
Наряду с научными гипотезами всемирного тяготения, существуют и теории, весьма далекие от современной физики. К сожалению, в последние годы подобные «опусы» просто заполонили интернет и полки книжных магазинов. Некоторые авторы таких работ вообще сообщают читателю, что гравитации не существует, а законы Ньютона и Эйнштейна – это выдумки и мистификации.
Примером могут служить труды «ученого» Николая Левашова, утверждающие, что Ньютон не открывал закон всемирного тяготения, а гравитационной силой в Солнечной системе обладают только планеты и наш спутник Луна. Доказательства этот «русский ученый» приводит довольно странные. Одним из них является полет американского зонда NEAR Shoemaker к астероиду Эрос, состоявшийся в 2000 году. Отсутствие притяжения между зондом и небесным телом Левашов считает доказательством ложности трудов Ньютона и заговора физиков, скрывающих от людей правду о гравитации.
На самом деле космический аппарат успешно выполнил свою миссию: сначала он вышел на орбиту астероида, а затем совершил на его поверхности мягкую посадку.
Искусственная гравитация и для чего она нужна
С силой тяжести связаны два понятия, которые, несмотря на свой текущий теоретический статус, хорошо известны широкой публике. Это антигравитация и искусственная гравитация.
Антигравитация – процесс противодействия силе притяжения, способный существенно уменьшить ее или даже заменить отталкиванием. Овладение подобной технологией привело бы к реальной революции в транспорте, авиации, исследовании космического пространства и кардинально изменило всю нашу жизнь. Но в настоящее время возможность антигравитации не имеет даже теоретического подтверждения. Более того, исходя из ОТО, подобный феномен и вовсе не осуществим, так как в нашей Вселенной не может быть отрицательной массы. Возможно, что в будущем мы узнаем о притяжении больше и научимся строить летательные аппараты на основе этого принципа.
Искусственная сила тяжести – это рукотворное изменение существующей силы гравитации. Сегодня подобная технология нам не слишком нужна, но ситуация однозначно изменится после начала долгосрочных космических путешествий. И дело заключается в нашей физиологии. Тело человека, «приученное» миллионами лет эволюции к постоянной гравитации Земли, крайне негативно воспринимает воздействие пониженной силы тяжести. Длительное пребывание даже в условиях лунной гравитации (в шесть раз слабее земной) может привести к печальным последствиям. Иллюзию притяжения можно создавать с помощью других физических сил, например, инерции. Однако подобные варианты сложны и дорого стоят. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация – это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести – это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть:
Здесь - гравитационная постоянная , равная примерно 6,6725×10 −11 м³/(кг·с²).
Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов , встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.
Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести , потенциально . Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим . Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.
Большие космические объекты - планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.
Гравитация - слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).
Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.
Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.
Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так - если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности , более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.
Небесная механика и некоторые её задачи
Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .
При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.
В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - сложная структура колец Сатурна.
Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .
Сильные гравитационные поля
В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):
- изменение геометрии пространства-времени;
- как следствие, отклонение закона тяготения от ньютоновского;
- и в экстремальных случаях - возникновение чёрных дыр ;
- запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ;
- как следствие, появление гравитационных волн;
- эффекты нелинейности: гравитация имеет свойство взаимодействовать сама с собой, поэтому принцип суперпозиции в сильных полях уже не выполняется.
Гравитационное излучение
Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако существуют весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса - Тейлора) - хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.
Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n -польного источника пропорциональна , если мультиполь имеет электрический тип, и - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:
где - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.
Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ. )), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO , VIRGO , TAMA (англ. ), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna - лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» республики Татарстан .
Тонкие эффекты гравитации
Измерение кривизны пространства на орбите Земли (рисунок художника)
Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.
Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.
После интенсивной работы по анализу и извлечению помех измерений, окончательные итоги миссии были объявлены на пресс-конференции по NASA-TV 4 мая 2011 года и опубликованы в Physical Review Letters . Измеренная величина геодезической прецессии составила −6601,8±18,3 миллисекунды дуги в год, а эффекта увлечения - −37,2±7,2 миллисекунды дуги в год (ср. с теоретическими значениями −6606,1 mas/год и −39,2 mas/год ).
Классические теории гравитации
См. также: Теории гравитацииВ связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.
Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.
Общая теория относительности
В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии . Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем - метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля - с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.
Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.
Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).
Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.
Теория Эйнштейна - Картана
Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана - Бранса - Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.
Квантовая теория гравитации
Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория . При низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2. Однако получающаяся теория неперенормируема , и поэтому считается неудовлетворительной.
В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн , петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.
Теория струн
В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги - браны . Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Вариантом теории струн является М-теория .
Петлевая квантовая гравитация
В ней делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону, пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только от Планковского времени после Большого Взрыва , петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть раньше. Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели , не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса .
Основная статья: Причинная динамическая триангуляция
В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник , тетраэдр , пентахор) размеров порядка планковских с учётом принципа причинности . Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.
См. также
Примечания
Литература
- Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900-1915). - М.: Наука, 1981. - 352c.
- Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. - М.: Наука, 1985. - 304c.
- Иваненко Д. Д. , Сарданашвили Г. А. Гравитация. 3-е изд. - М.: УРСС, 2008. - 200с.
- Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. - М.: Мир, 1977.
- Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 2009.
Ссылки
- Закон всемирного тяготения или «Почему Луна не падает на Землю?» - Просто о сложном
- Проблемы гравитации (док. фильм BBC , видео)
- Земля и гравитация ; Релятивиская теория гравитации (телепередачи Гордон «Диалоги» , видео)
| Теории гравитации | |||
| Стандартные теории гравитации | |||
|---|---|---|---|
Самым главным явлением, постоянно изучаемым физиками, является движение. Электромагнитные явления, законы механики, термодинамические и квантовые процессы – все это широкий спектр изучаемых физикой фрагментов мироздания. И все эти процессы сводятся, так или иначе, к одному – к .
Вконтакте
Все во Вселенной движется. Гравитация – привычное явление для всех людей с самого детства, мы родились в гравитационном поле нашей планеты, это физическое явление воспринимается нами на самом глубоком интуитивном уровне и, казалось бы, даже не требует изучения.
Но, увы, вопрос, почему и каким образом все тела притягиваются друг к другу , остается и на сегодняшний день не до конца раскрытым, хотя и изучен вдоль и поперек.
В этой статье мы рассмотрим, что такое всемирное притяжение по Ньютону – классическую теорию гравитации. Однако прежде чем перейти к формулам и примерам, расскажем о сути проблемы притяжения и дадим ему определение.
Быть может, изучение гравитации стало началом натуральной философии (науки о понимании сути вещей), быть может, натуральная философия породила вопрос о сущности гравитации, но, так или иначе, вопросом тяготения тел заинтересовались еще в Древней Греции .
Движение понималось как суть чувственной характеристики тела, а точнее, тело двигалось, пока наблюдатель это видит. Если мы не можем явление измерить, взвесить, ощутить, значит ли это, что этого явления не существует? Естественно, не значит. И с тех пор, как Аристотель понял это, начались размышления о сути гравитации.
Как оказалось в наши дни, спустя многие десятки веков, гравитация является основой не только земного притяжения и притяжения нашей планеты к , но и основой зарождения Вселенной и почти всех имеющихся элементарных частиц.
Задача движения
Проведем мысленный эксперимент. Возьмем в левую руку небольшой шарик. В правую возьмем такой же. Отпустим правый шарик, и он начнет падать вниз. Левый при этом остается в руке, он по-прежнему недвижим.
Остановим мысленно ход времени. Падающий правый шарик «зависает» в воздухе, левый все также остается в руке. Правый шарик наделен «энергией» движения, левый – нет. Но в чем глубокая, осмысленная разница между ними?
Где, в какой части падающего шарика прописано, что он должен двигаться? У него такая же масса, такой же объем. Он обладает такими же атомами, и они ничем не отличаются от атомов покоящегося шарика. Шарик обладает ? Да, это правильный ответ, но откуда шарику известно, что обладает потенциальной энергией, где это зафиксировано в нем?
Именно эту задачу ставили перед собой Аристотель, Ньютон и Альберт Эйнштейн. И все три гениальных мыслителя отчасти решили для себя эту проблему, но на сегодняшний день существует ряд вопросов, требующих разрешения.
Гравитация Ньютона
В 1666 году величайшим английским физиком и механиком И. Ньютоном открыт закон, способный количественно посчитать силу, благодаря которой вся материя во Вселенной стремится друг к другу. Это явление получило название всемирное тяготение. Когда вас просят: «Сформулируйте закон всемирного тяготения», ваш ответ должен звучать так:
Сила гравитационного взаимодействия, способствующая притяжению двух тел, находится в прямой пропорциональной связи с массами этих тел и в обратной пропорциональной связи с расстоянием между ними.
Важно! В законе притяжения Ньютона используется термин «расстояние». Под этим термином следует понимать не дистанцию между поверхностями тел, а расстояние между их центрами тяжести. К примеру, если два шара радиусами r1 и r2 лежат друг на друге, то дистанция между их поверхностями равна нулю, однако сила притяжения есть. Все дело в том, что расстояние между их центрами r1+r2 отлично от нуля. В космических масштабах это уточнение не суть важно, но для спутника на орбите данная дистанция равна высоте над поверхностью плюс радиус нашей планеты. Расстояние между Землей и Луной также измеряется как расстояние между их центрами, а не поверхностями.
Для закона тяготения формула выглядит следующим образом:
,
- F – сила притяжения,
- – массы,
- r – расстояние,
- G – гравитационная постоянная, равная 6,67·10−11 м³/(кг·с²).
Что же представляет собой вес, если только что мы рассмотрели силу притяжения?
Сила является векторной величиной, однако в законе всемирного тяготения она традиционно записана как скаляр. В векторной картине закон будет выглядеть таким образом:
.
Но это не означает, что сила обратно пропорциональна кубу дистанции между центрами. Отношение следует воспринимать как единичный вектор, направленный от одного центра к другому:
.
Закон гравитационного взаимодействия
Вес и гравитация
Рассмотрев закон гравитации, можно понять, что нет ничего удивительного в том, что лично мы ощущаем притяжение Солнца намного слабее, чем земное . Массивное Солнце хоть и имеет большую массу, однако оно очень далеко от нас. тоже далеко от Солнца, однако она притягивается к нему, так как обладает большой массой. Каким образом найти силу притяжения двух тел, а именно как вычислить силу тяготения Солнца, Земли и нас с вами – с этим вопросом мы разберемся чуть позже.
Насколько нам известно, сила тяжести равна:
где m – наша масса, а g – ускорение свободного падения Земли (9,81 м/с 2).
Важно! Не бывает двух, трех, десяти видов сил притяжения. Гравитация – единственная сила, дающая количественную характеристику притяжения. Вес (P = mg) и сила гравитации – одно и то же.
Если m – наша масса, M – масса земного шара, R – его радиус, то гравитационная сила, действующая на нас, равна:
Таким образом, поскольку F = mg:
.
Массы m сокращаются, и остается выражение для ускорения свободного падения:
Как видим, ускорение свободного падения – действительно постоянная величина, поскольку в ее формулу входят величины постоянные — радиус, масса Земли и гравитационная постоянная. Подставив значения этих констант, мы убедимся, что ускорение свободного падения равно 9,81 м/с 2 .
На разных широтах радиус планеты несколько отличается, поскольку Земля все-таки не идеальный шар. Из-за этого ускорение свободного падения в отдельных точках земного шара разное.
Вернемся к притяжению Земли и Солнца. Постараемся на примере доказать, что земной шар притягивает нас с вами сильнее, чем Солнце.
Примем для удобства массу человека: m = 100 кг. Тогда:
- Расстояние между человеком и земным шаром равно радиусу планеты: R = 6,4∙10 6 м.
- Масса Земли равна: M ≈ 6∙10 24 кг.
- Масса Солнца равна: Mc ≈ 2∙10 30 кг.
- Дистанция между нашей планетой и Солнцем (между Солнцем и человеком): r=15∙10 10 м.
Гравитационное притяжение между человеком и Землей:
Данный результат довольно очевиден из более простого выражения для веса (P = mg).
Сила гравитационного притяжения между человеком и Солнцем:
Как видим, наша планета притягивает нас почти в 2000 раз сильнее.
Как найти силу притяжения между Землей и Солнцем? Следующим образом:
Теперь мы видим, что Солнце притягивает нашу планету более чем в миллиард миллиардов раз сильнее, чем планета притягивает нас с вами.
Первая космическая скорость
После того как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, ему стало интересно, с какой скоростью нужно бросить тело, чтобы оно, преодолев гравитационное поле, навсегда покинуло земной шар.
Правда, он представлял себе это несколько иначе, в его понимании была не вертикально стоящая ракета, устремленная в небо, а тело, которое горизонтально совершает прыжок с вершины горы. Это была логичная иллюстрация, поскольку на вершине горы сила притяжения немного меньше .
Так, на вершине Эвереста ускорение свободного падения будет равно не привычные 9,8 м/с 2 , а почти м/с 2 . Именно по этой причине там настолько разряженный , частицы воздуха уже не так привязаны к гравитации, как те, которые «упали» к поверхности.
Постараемся узнать, что такое космическая скорость.
Первая космическая скорость v1 – это такая скорость, при которой тело покинет поверхность Земли (или другой планеты) и перейдет на круговую орбиту.
Постараемся узнать численной значение этой величины для нашей планеты.
Запишем второй закон Ньютона для тела, которое вращается вокруг планеты по круговой орбите:
,
где h — высота тела над поверхностью, R — радиус Земли.
На орбите на тело действует центробежное ускорение , таким образом:
.
Массы сокращаются, получаем:
,
Данная скорость называется первой космической скоростью:
Как можно заметить, космическая скорость абсолютно не зависит от массы тела. Таким образом, любой предмет, разогнанный до скорости 7,9 км/с, покинет нашу планету и перейдет на ее орбиту.
Первая космическая скорость
Вторая космическая скорость
Однако, даже разогнав тело до первой космической скорости, нам не удастся полностью разорвать его гравитационную связь с Землей. Для этого и нужна вторая космическая скорость. При достижении этой скорости тело покидает гравитационное поле планеты и все возможные замкнутые орбиты.
Важно! По ошибке часто считается, что для того чтобы попасть на Луну, космонавтам приходилось достигать второй космической скорости, ведь нужно было сперва «разъединиться» с гравитационным полем планеты. Это не так: пара «Земля — Луна» находятся в гравитационном поле Земли. Их общий центр тяжести находится внутри земного шара.
Для того чтобы найти эту скорость, поставим задачу немного иначе. Допустим, тело летит из бесконечности на планету. Вопрос: какая скорость будет достигнута на поверхности при приземлении (без учета атмосферы, разумеется)? Именно такая скорость и потребуется телу, чтобы покинуть планету.
Закон всемирного тяготения. Физика 9 класс
Закон Всемирного тяготения.
Вывод
Мы с вами узнали, что хотя гравитация является основной силой во Вселенной, многие причины этого явления до сих пор остались загадкой. Мы узнали, что такое сила всемирного тяготения Ньютона, научились считать ее для различных тел, а также изучили некоторые полезные следствия, которые вытекают из такого явления, как всемирный закон тяготения.
Определение
Между любыми телами, которые обладают массами, действуют силы, которые притягивают вышеназванные тела друг к другу. Такие силы называют силами взаимного притяжения.
Рассмотрим две материальные точки (рис.1). Они притягиваются с силами прямо пропорциональными произведению масс этих материальных точек и обратно пропорциональными расстоянию между ними. Так, сила тяготения () будет равна:
где материальная точка массы m 2 действует на материальную точку массы m 1 с силой притяжения – радиус – вектор, который проведен из точки 2 в точку 1, модуль этого вектора равен расстоянию между материальными точками (r); G=6,67 10 -11 м 3 кг -1 с -2 (в системе СИ) – гравитационная постоянная (постоянная тяготения).
В соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой материальная точка 2 притягивается к материальной точке 1 () равна:
Тяготение между телами осуществляется посредством гравитационного поля (поля тяготения). Силы тяготения являются потенциальными. Это дает возможность ввести такую энергетическую характеристику гравитационного поля как потенциал, который равен отношению потенциальной энергии материальной точки, находящейся исследуемой точке поля к массе данной точки.
Формула для силы притяжения тел произвольной формы
В двух телах произвольной формы и размера выделим элементарные массы, которые можно считать материальными точками, причем:
где – плотности вещества материальных точек первого и второго тел, dV 1 ,dV 2 - элементарные объемы выделенных материальных точек. В таком случае, сила притяжения (), с которой элемент dm 2 действует на элемент dm 1 , равна:
Следовательно, сила притяжения первого тела вторым может быть найдена по формуле:
где интегрирование необходимо произвести по всему объему первого (V 1) и второго (V 2) тел. Если тела являются однородными, то выражение можно немного преобразовать и получить:
Формула для силы притяжения твердых тел шарообразной формы
Если силы притяжения рассматриваются для двух твердых тел шарообразной формы (или близких к шарам), плотность которых зависит только от расстояний до их центров формула (6) примет вид:
где m 1 ,m 2 – массы шаров, – радиус – вектор, соединяющий центры шаров,
Выражение (7) можно использовать в случае, если одно из тел имеет форму отличную от шарообразной, но его размеры много меньше, чем размеры второго тела - шара. Так, формулой (7) можно пользоваться для вычислений сил притяжения тел к Земле.
Единицы измерения силы притяжения
Основной единицей измерения силы притяжения (как и любой другой силы) в системе СИ является: =H.
В СГС: =дин.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какова сила притяжения двух одинаковых однородных шара масса, которых равна по 1 кг? Расстояние между их центрами равно 1 м.
Решение. Основой для решения задачи служит формула:
Для вычисления модуля силы притяжения формула (1.1) преобразуется к виду:
Проведем вычисления:
Ответ.
Пример
Задание. С какой силой (по модулю) бесконечно длинный и тонкий и прямой стержень притягивает материальную частицу массы m. Частица расположена на расстоянии a от стержня. Линейная плотность массы вещества стержня равна тау
Оби-Ван Кеноби сказал, что сила скрепляет галактику. То же самое можно сказать и о гравитации. Факт – гравитация позволяет нам ходить по Земле, Земле вращаться вокруг Солнца, а Солнцу двигаться вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Как понять гравитацию? Об этом - в нашей статье.
Сразу скажем, что вы не найдете здесь однозначно верного ответа на вопрос «Что такое гравитация». Потому что его просто нет! Гравитация – одно из самых таинственных явлений, над которым ученые ломают голову и до сих пор полностью не могут объяснить его природу.
Есть множество гипотез и мнений. Насчитывается более десятка теорий гравитации, альтернативных и классических. Мы рассмотрим самые интересные, актуальные и современные.
Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм .
Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие
Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.
Фундаментальные взаимодействия:
- гравитация;
- электромагнетизм;
- сильное взаимодействие;
- слабое взаимодействие.
На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.
Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.
В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.
До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.
Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1667 году. Конечно, этот закон существовал еще при динозаврах и намного раньше.
Античные философы задумывались над существованием силы тяготения. Галилей экспериментально рассчитал ускорение свободного падения на Земле, открыв, что оно одинаково для тел любой массы. Кеплер изучал законы движения небесных тел.
Ньютону удалось сформулировать и обобщить результаты наблюдений. Вот что у него получилось:
Два тела притягиваются друг к другу с силой, называемой гравитационной силой или силой тяготения.
Формула силы притяжения между телами:
G – гравитационная постоянная, m – массы тел, r – расстояние между центрами масс тел.
Каков физический смысл гравитационной постоянной? Она равна силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 килограмм каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга.
По теории Ньютона, каждый объект создает гравитационное поле. Точность закона Ньютона была проверена на расстояниях менее одного сантиметра. Конечно, для малых масс эти силы незначительны, и ими можно пренебречь.
Формула Ньютона применима как для расчету силы притяжения планет к солнцу, так и для маленьких объектов. Мы просто не замечаем, с какой силой притягиваются, скажем, шары на бильярдном столе. Тем не менее эта сила есть и ее можно рассчитать.
Сила притяжения действует между любыми телами во Вселенной. Ее действие распространяется на любые расстояния.
Закон всемирного тяготения Ньютона не объясняет природы силы притяжения, но устанавливает количественные закономерности. Теория Ньютона не противоречит ОТО. Ее вполне достаточно для решения практических задач в масштабах Земли и для расчета движения небесных тел.
Гравитация в ОТО
Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.
Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?
В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.
Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.
Представим пространство в виде упругого листа. Если положить на него легкий теннисный мячик, поверхность останется ровной. Но если рядом с мячиком положить тяжелую гирю, она продавит на поверхности ямку, и мячик начнет скатываться к большой и тяжелой гире. Это и есть «гравитация».
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Открытие гравитационных волн
Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но открыли их только через сто лет, в 2015.
Что такое гравитационные волны? Снова проведем аналогию. Если бросить камень в спокойную воду, от места его падения по поверхности воды пойдут круги. Гравитационные волны – такая же рябь, возмущение. Только не на воде, а в мировом пространстве-времени.
Вместо воды – пространство-время, а вместо камня, скажем, черная дыра. Любое ускоренное передвижение массы порождает гравитационную волну. Если тела находятся в состоянии свободного падения, при прохождении гравитационной волны расстояние между ними изменится.
Так как гравитация – очень слабое взаимодействие, обнаружение гравитационных волн было связано с большими техническими трудностями. Современные технологии позволили обнаружить всплеск гравитационных волн только от сверхмассивных источников.
Подходящее событие для регистрации гравитационной волны - слияние черных дыр. К сожалению или к счастью, это происходит достаточно редко. Тем не менее ученым удалось зарегистрировать волну, которая буквально раскатилась по пространству Вселенной.
Для регистрации гравитационных волн был построен детектор диаметром 4 километра. При прохождении волны регистрировались колебания зеркал на подвесах в вакууме и интерференция света, отраженного от них.
Гравитационные волны подтвердили справедливость ОТО.
Гравитация и элементарные частицы
В стандартной модели за каждое взаимодействие отвечают определенные элементарные частицы. Можно сказать, что частицы являются переносчиками взаимодействий.
За гравитацию отвечает гравитон – гипотетическая безмассовая частица, обладающая энергией. Кстати, в нашем отдельном материале читайте подробнее о наделавшем много шума бозоне Хиггса и других элементарных частицах.
Напоследок приведем несколько любопытных фактов о гравитации.
10 фактов о гравитации
- Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы тело (например, космический зонд) двигалось по орбите вокруг планеты.
- Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость.
- Объекты с наиболее сильной гравитацией – черные дыры. Их гравитация настолько велика, что они притягивают даже свет (фотоны).
- Ни в одном уравнении квантовой механики вы не найдете силы гравитации. Дело в том, что при попытке включения гравитации в уравнения, они теряют свою актуальность. Это одна из самых важных проблем современной физики.
- Слово гравитация происходит от латинского “gravis”, что означает “тяжелый”.
- Чем массивнее объект, тем сильнее гравитация. Если человек, который на Земле весит 60 килограмм, взвесится на Юпитере, весы покажут 142 килограмма.
- Ученые NASA пытаются разработать гравитационный луч, который позволит перемещать предметы бесконтактно, преодолевая силу притяжения.
- Астронавты на орбите также испытывают гравитацию. Точнее, микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.
- Гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает.
- Черная дыра, размером с теннисный мяч, притягивает объекты с той же силой, что и наша планета.
Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, по какой формуле рассчитывается сила притяжения. Если гранит науки придавливает вас к земле сильнее, чем гравитация, обращайтесь в наш студенческий сервис . Мы поможем учиться легко при самых больших нагрузках!