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
Человечество издревле задумывалось о том, как устроен окружающий мир. Почему растет трава, почему светит Солнце, почему мы не можем летать… Последнее, кстати, всегда особенно интересовало людей. Сейчас мы знаем, что причина всему - гравитация. Что это такое, и почему данное явление настолько важно в масштабах Вселенной, мы сегодня и рассмотрим.
Вводная часть
Ученые выяснили, что все массивные тела испытывают взаимное притяжение друг к другу. Впоследствии оказалось, что эта таинственная сила обуславливает и движение небесных тел по их постоянным орбитам. Саму же теорию гравитации сформулировал гениальный чьи гипотезы предопределили развитие физики на много веков вперед. Развил и продолжил (хотя и в совершенно другом направлении) это учение Альберт Эйнштейн - один из величайших умов минувшего века.
На протяжении столетий ученые наблюдали за притяжением, пытались понять и измерить его. Наконец, в последние несколько десятилетий поставлено на службу человечеству (в определенном смысле, конечно же) даже такое явление, как гравитация. Что это такое, каково определение рассматриваемого термина в современной науке?
Научное определение
Если изучить труды древних мыслителей, то можно выяснить, что латинское слово «gravitas» означает «тяжесть», «притяжение». Сегодня ученые так называют универсальное и постоянное взаимодействие между материальными телами. Если эта сила сравнительно слабая и действует только на объекты, которые движутся значительно медленнее то к ним применима теория Ньютона. Если же дело обстоит наоборот, следует пользоваться эйнштейновскими выводами.
Сразу оговоримся: в настоящее время сама природа гравитации до конца не изучена в принципе. Что это такое, мы все еще полностью не представляем.
Теории Ньютона и Эйнштейна
Согласно классическому учению Исаака Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массе, обратно пропорциональной квадрату того расстояния, которое пролегает между ними. Эйнштейн же утверждал, что тяготение между объектами проявляется в случае искривления пространства и времени (а кривизна пространства возможна только в том случае, если в нем имеется материя).
Мысль эта была очень глубокой, но современные исследования доказывают ее некоторую неточность. Сегодня считается, что гравитация в космосе искривляет только лишь пространство: время можно затормозить и даже остановить, но реальность изменения формы временной материи теоретически не подтверждена. А потому классическое уравнение Эйнштейна не предусматривает даже шанса на то, что пространство будет продолжать влиять на материю и на возникающее магнитное поле.
В большей степени известен закон гравитации (всемирного тяготения), математическое выражение которого принадлежит как раз-таки Ньютону:
\[ F = γ \frac[-1.2]{m_1 m_2}{r^2} \]
Под γ понимается гравитационная постоянная (иногда используется символ G), значение которой равно 6,67545×10−11 м³/(кг·с²).
Взаимодействие между элементарными частицами
Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.
Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.
Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:
- В отличие от атомных более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
- Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.
Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер - два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.
Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.
Выводы Ньютона и некоторых его предшественников
В отличие от прочих физических явлений, которые существуют в окружающем нас мире, гравитация проявляется всегда и везде. Нужно понимать, что термин «нулевая гравитация», который нередко встречается в околонаучных кругах, крайне некорректен: даже невесомость в космосе не означает, что на человека или космический корабль не действует притяжение какого-то массивного объекта.
Кроме того, все материальные тела обладают некой массой, выражающейся в виде силы, которая к ним была приложена, и ускорения, полученного за счет этого воздействия.
Таким образом, силы гравитации пропорциональны массе объектов. В числовом отношении их можно выразить, получив произведение масс обоих рассматриваемых тел. Данная сила строго подчиняется обратной зависимости от квадрата расстояния между объектами. Все прочие взаимодействия совершенно иначе зависят от расстояний между двумя телами.
Масса как краеугольный камень теории
Масса объектов стала особым спорным пунктом, вокруг которого выстроена вся современная теория гравитации и относительности Эйнштейна. Если вы помните Второй то наверняка знаете о том, что масса является обязательной характеристикой любого физического материального тела. Она показывает, как будет вести себя объект в случае применения к нему силы вне зависимости от ее происхождения.
Так как все тела (согласно Ньютону) при воздействии на них внешней силы ускоряются, именно масса определяет, насколько большим будет это ускорение. Рассмотрим более понятный пример. Представьте себе самокат и автобус: если прикладывать к ним совершенно одинаковую силу, то они достигнут разной скорости за неодинаковое время. Все это объясняет именно теория гравитации.
Каково взаимоотношение массы и притяжения?
Если говорить о тяготении, то масса в этом явлении играет роль совершенно противоположную той, которую она играет в отношении силы и ускорения объекта. Именно она является первоисточником самого притяжения. Если вы возьмете два тела и посмотрите, с какой силой они притягивают третий объект, который расположен на равных расстояниях от первых двух, то отношение всех сил будет равно отношению масс первых двух объектов. Таким образом, сила притяжения прямо пропорциональна массе тела.
Если рассмотреть Третий закон Ньютона, то можно убедиться, что он говорит точно о том же. Сила гравитации, которая действует на два тела, расположенных на равном расстоянии от источника притяжения, прямо зависит от массы данных объектов. В повседневной жизни мы говорим о силе, с которой тело притягивается к поверхности планеты, как о его весе.
Подведем некоторые итоги. Итак, масса тесно связана и ускорением. В то же время именно она определяет ту силу, с которой будет действовать на тело притяжение.
Особенности ускорения тел в гравитационном поле
Эта удивительная двойственность является причиной того, что в одинаковом гравитационном поле ускорение совершенно различных объектов будет равным. Предположим, что у нас есть два тела. Присвоим одному из них массу z, а другому - Z. Оба объекта сброшены на землю, куда свободно падают.
Как определяется отношение сил притяжения? Его показывает простейшая математическая формула - z/Z. Вот только ускорение, получаемое ими в результате действия силы притяжения, будет абсолютно одинаковым. Проще говоря, ускорение, которое тело имеет в гравитационном поле, никак не зависит от его свойств.
От чего зависит ускорение в описанном случае?
Оно зависит только (!) от массы объектов, которые и создают это поле, а также от их пространственного положения. Двойственная роль массы и равное ускорение различных тел в гравитационном поле открыты уже относительно давно. Эти явления получили следующее название: «Принцип эквивалентности». Указанный термин еще раз подчеркивает, что ускорение и инерция зачастую эквивалентны (в известной мере, конечно же).
О важности величины G
Из школьного курса физики мы помним, что ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты (гравитация Земли) равно 10 м/сек.² (9,8 разумеется, но для простоты расчетов используется это значение). Таким образом, если не принимать в расчет сопротивление воздуха (на существенной высоте при небольшом расстоянии падения), то получится эффект, когда тело приобретает приращение ускорения в 10 м/сек. ежесекундно. Так, книга, которая упала со второго этажа дома, к концу своего полета будет двигаться со скоростью 30-40 м/сек. Проще говоря, 10 м/с - это «скорость» гравитации в пределах Земли.
Ускорение свободного падения в физической литературе обозначается буквой «g». Так как форма Земли в известной степени больше напоминает мандарин, чем шар, значение этой величины далеко не во всех ее областях оказывается одинаковым. Так, у полюсов ускорение выше, а на вершинах высоких гор оно становится меньше.
Даже в добывающей промышленности не последнюю роль играет именно гравитация. Физика этого явления порой позволяет сэкономить много времени. Так, геологи особенно заинтересованы в идеально точном определении g, поскольку это позволяет с исключительной точностью производить разведку и нахождение залежей полезных ископаемых. Кстати, а как выглядит формула гравитации, в которой рассмотренная нами величина играет не последнюю роль? Вот она:
Обратите внимание! В этом случае формула гравитации подразумевает под G «гравитационную постоянную», значение которой мы уже приводили выше.
В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы. Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума.
Теория относительности, работы Альберта Эйнштейна
Во времена Исаака Ньютона считалось, что точки отсчета можно представить в виде каких-то жестких «стержней», при помощи которых устанавливается положение тела в пространственной системе координат. Одновременно предполагалось, что все наблюдатели, которые отмечают эти координаты, будут находиться в едином временном пространстве. В те годы это положение считалось настолько очевидным, что не делалось никаких попыток его оспорить или дополнить. И это понятно, ведь в пределах нашей планеты никаких отклонений в данном правиле нет.
Эйнштейн доказал, что точность измерения окажется действительно значимой, если гипотетические часы движутся значительно медленнее скорости света. Проще говоря, если один наблюдатель, движущийся медленнее скорости света, будет следить за двумя событиями, то они произойдут для него единовременно. Соответственно, для второго наблюдателя? скорость которого такая же или больше, события могут происходить в различное время.
Но как сила гравитации связана с теорией относительности? Раскроем этот вопрос подробно.
Связь между теорией относительности и гравитационными силами
В последние годы сделано огромное количество открытий в области субатомных частиц. Крепнет убеждение, что мы вот-вот найдем окончательную частицу, дальше которой наш мир дробиться не может. Тем настойчивее становится потребность узнать, как именно влияют на мельчайшие «кирпичики» нашего мироздания те фундаментальные силы, которые были открыты еще в прошлом веке, а то и раньше. Особенно обидно, что сама природа гравитации до сих пор не объяснена.
Именно поэтому после Эйнштейна, который установил «недееспособность» классической механики Ньютона в рассматриваемой области, исследователи сосредоточились на полном переосмыслении полученных ранее данных. Во многом пересмотру подверглась и сама гравитация. Что это такое на уровне субатомных частиц? Имеет ли она хоть какое-то значение в этом удивительном многомерном мире?
Простое решение?
Сперва многие предполагали, что несоответствие тяготения Ньютона и теории относительности можно объяснить довольно просто, проведя аналогии из области электродинамики. Можно бы было предположить, что гравитационное поле распространяется наподобие магнитного, после чего его можно объявить «посредником» при взаимодействиях небесных тел, объяснив многие несоответствия старой и новой теории. Дело в том, что тогда бы относительные скорости распространения рассматриваемых сил оказались значительно ниже световой. Так как связаны гравитация и время?
В принципе, у самого Эйнштейна почти получилось построить релятивистскую теорию на основе именно таких взглядов, вот только одно обстоятельство помешало его намерению. Никто из ученых того времени не располагал вообще никакими сведениями, которые бы могли бы помочь определить «скорость» гравитации. Зато имелось немало информации, связанной с перемещениями больших масс. Как известно, они как раз-таки являлись общепризнанным источником возникновения мощных гравитационных полей.
Большие скорости сильно влияют на массы тел, и это ничуть не похоже на взаимодействие скорости и заряда. Чем скорость выше, тем больше масса тела. Проблема в том, что последнее значение автоматически бы стало бесконечным в случае движения со скоростью света или выше. А потому Эйнштейн заключил, что существует не гравитационное, а тензорное поле, для описания которого следует использовать намного больше переменных.
Его последователи пришли к выводу, что гравитация и время практически не связаны. Дело в том, что само это тензорное поле может действовать на пространство, но на время повлиять не в состоянии. Впрочем, у гениального физика современности Стивена Хокинга есть другая точка зрения. Но это уже совсем другая история...
Гравитация, она же притяжение или тяготение, - это универсальное свойство материи, которым обладают все предметы и тела во Вселенной. Суть гравитации залучается в том, что все материальные тела притягивают к себе все другие тела, находящиеся вокруг.
Земное притяжение
Если гравитация - это общее понятие и качество, которым обладают все предметы во Вселенной, то земное притяжение - это частный случай этого всеобъемлющего явления. Земля притягивает к себе все материальные объекты, находящиеся на ней. Благодаря этому люди и животные могут спокойно перемещаться по земле, реки, моря и океаны - оставаться в пределах своих берегов, а воздух - не летать по бескрайним просторам Космоса, а образовывать атмосферу нашей планеты.
Возникает справедливый вопрос: если все предметы обладают гравитацией, почему Земля притягивает к себе людей и животных, а не наоборот? Во-первых, мы тоже притягиваем к себе Землю, просто, по сравнению с ее силой притяжения наша гравитация ничтожно мала. Во-вторых, сила гравитации прямо пропорционально зависит от массы тела: чем меньше масса тела, тем ниже его гравитационные силы.
Второй показатель, от которого зависит сила притяжения - это расстояние между предметами: чем больше расстояние, тем меньше действие гравитации. В том числе благодаря этому, планеты движутся на своих орбитах, а не падают друг на друга.
Примечательно, что своей сферической формой Земля, Луна, Солнце и другие планеты обязаны именно силе тяготения. Она действует в направлении центра, подтягивая к нему вещество, составляющее «тело» планеты.
Гравитационное поле Земли
Гравитационное поле Земли - это силовое энергетическое поле, которое образуется вокруг нашей планеты благодаря действию двух сил:
- гравитации;
- центробежной силе, которая своим появление обязана вращению Земли вокруг своей оси (суточное вращение).
Поскольку и гравитация, и центробежная сила действуют постоянно, то и гравитационное поле является постоянным явлением.
Незначительное воздействие на поле оказывают силы тяготения Солнца, Луны и некоторых других небесных тел, а также атмосферных масс Земли.
Закон всемирного тяготения и сэр Исаак Ньютон
Английский физик, сэр Исаак Ньютон, согласно известной легенде, однажды гуляя по саду днем, увидел на небе Луну. В это же время с ветки упало яблоко. Ньютон тогда занимался изучением закона движения и знал, что яблоко падает под воздействием гравитационного поля, а Луна вращается по орбите вокруг Земли.
И тут в голову гениальному ученому, озаренную инсайтом, пришла мысль, что, возможно, яблоко падает на землю, подчиняясь той же силе, благодаря которой Луна находится на своей орбите, а не носится беспорядочно по всей галактике. Так был открыт закон всемирного тяготения, он же Третий закон Ньютона.
На языке математических формул этот закон выглядит так:
F = GMm/D 2 ,
где F - сила взаимного тяготения между двумя телами;
M - масса первого тела;
m - масса второго тела;
D 2 - расстояние между двумя телами;
G - гравитационная постоянная, равная 6,67х10 -11 .
Гравитационная сила – это сила, с которой притягиваются друг к другу тела определённой массы, находящиеся на определённом расстоянии друг от друга.
Английский учёный Исаак Ньютон в 1867 г. открыл закон всемирного тяготения. Это один из фундаментальных законов механики. Суть этого закона в следующем: любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения – первая сила, которую почувствовал человек. Это сила, с которой Земля воздействует на все тела, находящиеся на её поверхности. И эту силу любой человек ощущает как собственный вес.
Закон всемирного тяготения
Существует легенда, что закон всемирного тяготения Ньютон открыл совершенно случайно, гуляя вечером по саду своих родителей. Творческие люди постоянно находятся в поиске, а научные открытия - это не мгновенное озарение, а плод длительной умственной работы. Сидя под яблоней, Ньютон осмысливал очередную идею, и вдруг на голову ему упало яблоко. Ньютону было понятно, что яблоко упало в результате действия силы притяжения Земли. «Но почему не падает на Землю Луна? - задумался он. - Значит, на неё действует ещё какая-то сила, удерживающая её на орбите». Так был открыт знаменитый закон всемирного тяготения .
Учёные, изучавшие до этого вращение небесных тел, считали, что небесные тела подчиняются каким-то совершенно другим законам. То есть, предполагалось, что существуют совершенно разные законы притяжения на поверхности Земли и в космосе.
Ньютон объединил эти предполагаемые виды гравитации. Анализируя законы Кеплера, описывающие движение планет, он пришёл к выводу, что сила притяжения возникает между любыми телами. То есть, и на яблоко, упавшее в саду, и на планеты в космосе действуют силы, подчиняющиеся одному закону – закону всемирного тяготения.
Ньютон установил, что законы Кеплера действуют только в том случае, если между планетами существует сила притяжения. И эта сила прямо пропорциональна массам планет и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения рассчитывается по формуле F=G m 1 m 2 / r 2
m 1 – масса первого тела;
m 2 – масса второго тела;
r – расстояние между телами;
G – коэффициент пропорциональности, который называют гравитационной постоянной или постоянной всемирного тяготения .
Его значение определили экспериментально. G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг 2
Если две материальные точки с массой, равной единице массы, находятся на расстоянии, равном единице расстояния, то они притягиваются с силой, равной G .
Силы притяжения и есть гравитационные силы. Их называют ещё силами тяготения . Они подчинены закону всемирного тяготения и проявляются всюду, так как все тела имеют массу.
Сила тяжести
Гравитационная сила вблизи поверхности Земли – это сила, с которой все тела притягиваются к Земле. Её называют силой тяжести . Она считается постоянной, если расстояние тела от поверхности Земли мало по сравнению с радиусом Земли.
Так как сила тяжести, являющаяся гравитационной силой, зависит от массы и радиуса планеты, то на разных планетах она будет разной. Так как радиус Луны меньше радиуса Земли, то и сила притяжения на Луне меньше, чем на Земле в 6 раз. А на Юпитере, наоборот, сила тяжести в 2,4 раза больше силы тяжести на Земле. Но масса тела остаётся постоянной, независимо от того, где её измеряют.
Многие путают значение веса и силы тяжести, считая, что сила тяжести всегда равна весу. Но это не так.
Сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, это и есть вес. Если убрать опору или подвес, тело начнёт падать с ускорением свободного падения под действием силы тяжести. Сила тяжести пропорциональна массе тела. Она вычисляется по формуле F = mg , где m – масса тела, g – ускорение свободного падения.
Вес тела может изменяться, а иногда и вообще исчезать. Представим себе, что мы находимся в лифте на верхнем этаже. Лифт стоит. В этот момент наш вес Р и сила тяжести F, с которой Земля притягивает нас, равны. Но как только лифт начал двигаться вниз с ускорением а , вес и сила тяжести уже не равны. Согласно второму закону Ньютона mg + P = ma . Р =m g - ma .
Из формулы видно, что наш вес при движении вниз уменьшился.
В момент, когда лифт набрал скорость и стал двигаться без ускорения, наш вес снова равен силе тяжести. А когда лифт стал замедлять своё движение, ускорение а стало отрицательным, и вес увеличился. Наступает перегрузка.
А если тело двигается вниз с ускорением свободного падения, то вес и вовсе станет равным нулю.
При a =g Р =mg-ma= mg - mg=0
Это состояние невесомости.
Итак, все без исключения материальные тела во Вселенной подчиняются закону всемирного тяготения. И планеты вокруг Солнца, и все тела, находящиеся у поверхности Земли.
О понятии гравитации мы впервые узнаем еще в школе. Там нам обычно рассказывают о том, что существует такая удивительная сила, которая удерживает всех на Земле, и только благодаря ей мы не улетаем в открытый космос и не ходим вниз головой. На этом веселье практически и заканчивается, ведь в школе нам рассказывают только самые основные и простые вещи. В реальности по поводу всемирного притяжения ведется очень много споров, ученые предлагают новые теории и идеи, и существует намного больше нюансов, чем вы только можете себе представить. В этой подборке вас ждет несколько ну очень интересных фактов и теорий про гравитационное воздействие, которые либо не вошли в школьную программу, либо известны они стали не так давно.
10. Гравитация – это теория, а не доказанный закон
Существует миф, что гравитация - это закон. Если вы попробуете провести онлайн-исследование на эту тему, любой поисковик предложит вам множество ссылок про Закон всемирного тяготения Ньютона. Однако в научной среде законы и теории – это абсолютно разные понятия. Научный закон – это неопровержимый факт, основанный на подтвержденных данных, который четко объясняет суть происходящих явлений. Теория в свою очередь – это своего рода идея, с помощью которой исследователи пробуют объяснить определенные феномены.
Если описывать гравитационное взаимодействие посредством научных терминов, относительно грамотному человеку сразу же становится совершенно ясным, почему всемирное тяготение рассматривается в теоретической плоскости, а не как закон. Поскольку у ученых все еще нет возможности изучить гравитационные силы каждой планеты, спутника, звезды, астероида и атома во Вселенной, мы не имеем никакого права признавать всемирное тяготение законом.
Автоматический зонд Вояджер-1 (Voyager 1) совершил путешествие длиной в 21 миллиард километров, но, оказавшись даже на таком далеком расстоянии от Земли, он едва покинул нашу планетную систему. Полет длился 40 лет и 4 месяца, и за все это время исследователи получили не так уж много данных, чтобы перевести размышления о гравитации из теоретической области в разряд законов. Наша Вселенная слишком велика, и мы пока что знаем слишком мало…
9. В теории о гравитации много пробелов
Мы уже выяснили, что всемирное тяготение – это всего лишь теоретическая концепция. Более того, в этой теории, оказывается, есть еще немало пробелов, которые явно указывают на ее относительную неполноценность. Многие несостыковки были отмечены не просто в пределах нашей Солнечной системы, но даже здесь, на Земле.
Например, согласно теории всемирного тяготения на Луне гравитационная сила Солнца должна ощущаться намного сильнее, чем притяжение Земли. Выходит, что Луна должна вращаться вокруг Солнца, а не вокруг нашей планеты. Но мы то знаем, что Луна – именно наш спутник, и для этого иногда достаточно просто поднять глаза в ночное небо.
В школе нам рассказывали про Исаака Ньютона, которому на голову упало судьбоносное яблоко, вдохновившее его на идею о теории всемирного тяготения. Даже сам Ньютон признавал, что у его теории есть определенные недостатки. В свое время именно Ньютон стал автором нового математического понятия – флюксий (производных), которое и помогло ему в формировании той самой теории тяготения. Флюксии могут прозвучать для вас не так уж и знакомо, но в итоге они плотно вошли в мир точных наук.
Сегодня в математическом анализе часто используется способ дифференциального исчисления, основанный как раз на идеях Ньютона и его коллеги Лейбница. Впрочем, этот раздел математики тоже довольно неполноценен и не лишен своих изъянов.
8. Гравитационные волны
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была предложена в 1915 году. Примерно в это же время появилась и гипотеза о гравитационных волнах. Вплоть до 1974 года существование этих волн оставалось сугубо теоретическим.
Гравитационные волны можно сравнить с рябью на полотне пространственно-временного континуума, которая появляется вследствие масштабных событий во Вселенной. Такими событиями могут быть столкновение черных дыр, перемены в скорости вращения нейтронной звезды или вспышки сверхновой. Когда происходит нечто подобное, гравитационные распространяются по пространственно-временному континууму, как рябь по воде от упавшего в нее камня. Эти волны путешествуют по Вселенной со скоростью света. Катастрофические события мы наблюдаем не так часто, поэтому на выявление гравитационных волн у нас уходит много лет. Вот почему на доказательство их существования ученым понадобилось больше 60 лет.
Почти 40 лет ученые изучали первые свидетельства существования гравитационных волн. Как оказалось, эта рябь возникает в процессе слияния двойной системы очень плотных и тяжелых гравитационно связанных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс. Со временем компоненты двойной звезды сближаются, и их скорость постепенно снижается, как и было предсказано Эйнштейном в его теории. Величина гравитационных волн настолько невелика, что в 2017 году за их экспериментальное обнаружение даже вручили Нобелевскую премию по физике.
7. Черные дыры и гравитация
Черные дыры – одна из самых больших загадок во Вселенной. Они появляются во время гравитационного коллапса достаточно крупной звезды, которая становится сверхновой. Когда происходит вспышка сверхновой, в космическое пространство выбрасывается значительная масса звездного вещества. Происходящее может спровоцировать в космосе формирование пространственно-временной области, в которой гравитационное поле становится настолько сильным, что даже кванты света не в состоянии покинуть это место (эту черную дыру). Черные дыры образует не гравитация как таковая, но она все же играет ключевую роль в наблюдении и изучении этих областей.
Именно гравитация черных дыр и помогает ученым обнаруживать их во Вселенной. Поскольку гравитационное притяжение бывает невероятно мощным, исследователи иногда могут отмечать его влияние на другие звезды или на газы, окружающие эти области. Когда черная дыра затягивает газы, образуется так называемый аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до таких высоких скоростей, что от нагрева оно начинает производить сильнейшее излучение. Это свечение можно зафиксировать и в рентгеновском диапазоне. Именно благодаря аккреционному явлению мы и смогли доказать существование черных (с помощью специальных телескопов). Выходит, что если бы не гравитация, мы бы и не знали о существовании черных дыр.
6. Теория о черной материи и черной энергии
Фото: NASA
Примерно 68% Вселенной состоит из темной энергии, а 27% отводятся для темной материи. Теоретически. Несмотря на то, что в нашем мире темной материи и темной энергии выделили так много пространства, знаем мы о них ну очень мало.
Нам предположительно известно, что темная энергия обладает целым рядом свойств. Например, руководствуясь все той же теорией гравитации Эйнштейна, ученые предположили, что темная энергия постоянно расширяется. Кстати, изначально ученые полагали, что теория Эйнштейна поможет им доказать, что со временем гравитационное воздействие замедляет расширение Вселенной. Однако в 1998 году данные, полученные космическим телескопом Хаббл (Hubble), дали основание полагать, что Вселенная расширяется только с нарастающей скоростью. Тогда же ученые и пришли к выводу, что теория гравитации не способна объяснить фундаментальные явления, происходящие в нашей Вселенной. Так и появилась гипотеза о существовании темной энергии и темной материи, призванная обосновать ускорение расширения Вселенной.
5. Гравитоны
Фото: pbs.org
В школе нам говорят, что гравитация – это сила. Но это может и нечто большее… Не исключено, что гравитацию в будущем будут рассматривать как проявление частицы под названием гравитон.
Гипотетически гравитоны – это безмассовые элементарные частицы, которые испускают гравитационное поле. На сегодняшний день физики пока что не доказали существование этих частиц, но у них есть уже немало теорий о том, почему эти гравитоны непременно должны существовать. Одна из таких теорий гласит, что гравитация – единственная сила (из 4 фундаментальных сил природы или взаимодействий), которую пока что не связали ни с одной элементарной частицей или какой-либо структурной единицей.
Возможно, гравитоны существуют, но распознать их невероятно сложно. Физики предполагают, что гравитационные волны состоят как раз из этих неуловимых частиц. Чтобы выявить гравитационные волны, исследователи провели немало экспериментов, в одном из которых они использовали зеркала и лазеры. Интерферометрический детектор помогает зафиксировать смещения зеркал даже на самые микроскопические расстояния, но, к несчастью, это не позволяет выявить изменения, связанные со столь крошечными частицами, как гравитоны. В теории для подобного эксперимента ученым пригодились бы настолько тяжелые зеркала, что при их обрушении могли бы возникнуть черные дыры.
В общем, в ближайшем будущем обнаружить или доказать существование гравитонов возможным не представляется. Пока что физики наблюдают за Вселенной и надеются, что именно там они найдут ответы на свои вопросы и смогут обнаружить проявления гравитонов где-то вне наземных лабораторий.
4. Теория возникновения червоточин
Фото: space.com
Червоточины, кротовины или кротовые норы – это еще одна великая загадка Вселенной. Было бы круто попасть в некий космический туннель и совершить путешествие со скоростью света, чтобы добраться до другой галактики в кратчайшие сроки. Эти фантазии уже не раз использовались в фантастических триллерах. Если во Вселенной, действительно, существуют червоточины, такие прыжки могут оказаться вполне возможными. На данный момент у ученых нет никаких доказательств существования кротовых нор, но некоторые физики считают, что эти гипотетические туннели можно создавать с помощью манипуляций с гравитацией.
Общая теория относительности Эйнштейна допускает возможность будоражащих воображение кротовин. Принимая во внимание труды легендарного ученого, другой физик, Людвиг Фламм (Ludwig Flamm), попытался описать, как сила притяжения могла бы исказить временное пространство таким образом, чтобы в нем произошло формирование нового туннеля, мостика между одной областью ткани физической действительности и другой. Конечно же, существуют и другие теории.
3. Планеты тоже оказывают на Солнце гравитационное влияние
Мы уже знаем, что гравитационное поле Солнца влияет на все объекты нашей планетной системы, и именно поэтому все они вращаются вокруг нашей единственной звезды. По такому же принципу и Земля связана с Луной, и именно поэтому Луна вращается вокруг нашей родной планеты.
Однако каждая планета и любое другое небесное тело с достаточной массой в нашей Солнечной системе тоже обладают своими гравитационными полями, которые влияют на Солнце, остальные планеты и все прочие космические объекты. Величина оказываемой силы притяжения зависит от массы объекта и расстояния между небесными телами.
В нашей солнечной системе именно благодаря гравитационному взаимодействию все объекты вращаются по своим заданным орбитам. Самое сильное гравитационное притяжение, конечно же, у Солнца. По большому счету все небесные с достаточной массой обладают своим гравитационным полем и оказывают влияние на другие объекты со значительной массой, даже если те находятся на расстоянии нескольких световых лет.
2. Микрогравитация
Фото: NASA
Все мы не раз видели фотографии космонавтов, парящих по орбитальным станциям или даже выходящих за пределы кораблей в специальных защитных скафандрах. Вы наверняка привыкли считать, что эти ученые обычно кувыркаются в пространстве, не ощущая никакого притяжения, потому что его же там и нет. И будете очень неправы, если так. В космосе тоже есть притяжение. Называть его принято микрогравитацией, ведь оно почти не ощутимо. Именно благодаря микрогравитации космонавты чувствуют себя легкими, как пушинка, и так свободно парят в пространстве. Если бы гравитации не было вовсе, планеты бы попросту не вращались вокруг Солнца, а Луна давно бы покинула Земную орбиту.
Чем дальше объект от центра притяжения, тем сила гравитации слабее. На МКС действует именно микрогравитация, ведь там все объекты находятся намного дальше от гравитационного поля Земли, чем хотя бы и вы прямо здесь сейчас. Гравитация слабеет и на других уровнях. Например, возьмем один отдельный атом. Это настолько крошечная частица вещества, что в ее случае тоже действует довольно скромная гравитационная сила. По мере объединения атомов в группы, эта сила, конечно, растет.
1. Путешествия во времени
Идея путешествий во времени очаровывает человечество уже довольно давно. Многие теории, включая и теорию гравитации, дают надежду полагать, что такие путешествия на самом деле однажды станут возможными. Согласно одной из концепций, гравитация формирует в пространственно-временном континууме некий изгиб, который и заставляет все объекты во Вселенной двигаться по искривленной траектории. В результате в космосе объекты двигаются немного быстрее в сравнении с объектами, находящимися на Земле. Если точнее, то вот вам пример – часы на космических спутниках каждый день опережают ваши домашние будильники на 38 микорсекунд (0.000038 секунды).
Поскольку из-за гравитации в космосе объекты двигаются быстрее, чем на Земле, космонавтов фактически можно признать заодно и путешественниками во времени. Впрочем, путешествие это настолько незначительное, что по возвращении домой ни сами космонавты, ни их близкие не замечают никакой принципиальной разницы. Но это не отменяет одного очень интересного вопроса – возможно ли использовать гравитационное воздействие для путешествий во времени, как это показывают в фантастических кинолентах?