Силата на гравитацията на земята. Гравитационната сила на Земята

Гравитацията е най-мистериозната сила във Вселената. Учените не познават напълно природата му. Тя е тази, която държи планетите от Слънчевата система в орбита. Това е сила, която възниква между два обекта и зависи от масата и разстоянието.

Гравитацията се нарича сила на привличане или привличане. С негова помощ планета или друго тяло привлича обекти към своя център. Гравитацията поддържа планетите в орбита около Слънцето.

Какво друго прави гравитацията?

Защо се приземявате на земята, когато скачате, вместо да изплувате в космоса? Защо нещата падат, когато ги хвърлите? Отговорът е невидимата сила на гравитацията, която дърпа обектите един към друг. Земната гравитация е това, което ви държи на земята и кара нещата да падат.

Всичко, което има маса, има гравитация. Силата на гравитацията зависи от два фактора: масата на обектите и разстоянието между тях. Ако вземете камък и перо и ги пуснете от една и съща височина, и двата обекта ще паднат на земята. Тежък камък ще падне по-бързо от перо. Перото пак ще виси във въздуха, защото е по-леко. Обектите с по-голяма маса имат по-силна гравитационна сила, която отслабва с разстоянието: колкото по-близо са обектите един до друг, толкова по-силно е тяхното гравитационно привличане.

Гравитацията на Земята и във Вселената

По време на полета на самолета хората в него остават на място и могат да се движат като по земята. Това се случва поради траекторията на полета. Има специално проектирани самолети, в които няма гравитация на определена надморска височина, което води до безтегловност. Самолетът извършва специална маневра, масата на обектите се променя и те се издигат във въздуха за кратко време. След няколко секунди гравитационното поле се възстановява.

Като се има предвид гравитационната сила в космоса, земното кълбо е по-голямо от повечето планети. Просто погледнете движението на астронавтите при кацане на планети. Ако вървим спокойно по земята, тогава астронавтите сякаш се носят във въздуха, но не летят в космоса. Това означава, че тази планета също има гравитационна сила, съвсем малко по-различна от тази на планетата Земя.

Гравитационната сила на Слънцето е толкова силна, че държи девет планети, множество спътници, астероиди и планети.

Гравитацията играе жизненоважна роля в развитието на Вселената. При липса на гравитация нямаше да има звезди, планети, астероиди, черни дупки, галактики. Интересното е, че черните дупки всъщност не се виждат. Учените определят признаците на черна дупка по силата на гравитационното поле в определена област. Ако е много силен със силна вибрация, това показва съществуването на черна дупка.

Мит 1. В космоса няма гравитация

Гледайки документални филми за астронавтите, изглежда, че те се носят над повърхността на планетите. Това се случва, защото на други планети гравитацията е по-ниска, отколкото на Земята, така че астронавтите ходят, сякаш се носят във въздуха.

Мит 2. Всички тела, които се доближават до черна дупка, се разкъсват

Черните дупки са мощни и произвеждат мощни гравитационни полета. Колкото по-близо е един обект до черна дупка, толкова по-силни стават приливните сили и гравитацията. По-нататъшното развитие на събитията зависи от масата на обекта, размера на черната дупка и разстоянието между тях. Черната дупка има маса, която е точно противоположна на нейния размер. Интересното е, че колкото по-голяма е дупката, толкова по-слаби са приливните сили и обратното. По този начин, не всички обекти се разкъсват, когато навлизат в полето на черната дупка.

Мит 3. Изкуствените спътници могат да обикалят около Земята завинаги

Теоретично може да се каже така, ако не беше влиянието на вторични фактори. Много зависи от орбитата. На ниска орбита сателитът няма да може да лети вечно поради атмосферно спиране; на високи орбити той може да остане в непроменено състояние за доста дълго време, но тук влизат в сила гравитационните сили на други обекти.

Ако сред всички планети съществуваше само Земята, спътникът щеше да бъде привлечен от нея и практически нямаше да промени траекторията си. Но на високи орбити обектът е заобиколен от много планети, големи и малки, всяка със собствена гравитационна сила.

В този случай спътникът постепенно би се отдалечил от орбитата си и би се движил хаотично. И е вероятно след известно време да се е разбил на най-близката повърхност или да се е преместил на друга орбита.

Някои факти

  1. В някои части на Земята силата на гравитацията е по-слаба, отколкото на цялата планета. Например в Канада, в района на залива Хъдсън, силата на гравитацията е по-ниска.
  2. Когато астронавтите се завърнат от космоса на нашата планета, в самото начало им е трудно да се адаптират към гравитационната сила на земното кълбо. Понякога това отнема няколко месеца.
  3. Черните дупки имат най-мощната гравитационна сила сред космическите обекти. Една черна дупка с размерите на топка има повече сила от която и да е планета.

Въпреки непрекъснатото изследване на силата на гравитацията, гравитацията остава неразгадана. Това означава, че научното познание остава ограничено и човечеството има много нови неща за научаване.

Дон ДеЙонг

Гравитацията (или гравитацията) ни държи здраво на земята и позволява на земята да се върти около слънцето. Благодарение на тази невидима сила дъждът вали на земята, а нивото на водата в океана се повишава и спада всеки ден. Гравитацията поддържа земята в сферична форма и също така не позволява на нашата атмосфера да избяга в открития космос. Изглежда, че тази сила на привличане, наблюдавана всеки ден, трябва да бъде добре проучена от учените. Но не! В много отношения гравитацията остава най-дълбоката загадка на науката. Тази мистериозна сила е забележителен пример за това колко ограничено е съвременното научно познание.

Какво е гравитацията?

Исак Нютон се интересува от този въпрос още през 1686 г. и стига до извода, че гравитацията е силата на привличане, която съществува между всички обекти. Той разбра, че същата сила, която кара ябълката да падне на земята, е в нейната орбита. Всъщност гравитационната сила на Земята кара Луната да се отклонява от правия си път с около един милиметър всяка секунда, докато обикаля около Земята (Фигура 1). Универсалният закон за гравитацията на Нютон е едно от най-великите научни открития на всички времена.

Гравитацията е „въжето“, което държи обектите в орбита

Снимка 1.Илюстрация на орбитата на луната, неначертана в мащаб. Всяка секунда Луната изминава приблизително 1 км. На това разстояние той се отклонява от правия път с около 1 мм - това се дължи на гравитационното привличане на Земята (пунктирана линия). Изглежда, че Луната постоянно изостава (или около) Земята, точно както планетите падат около Слънцето.

Гравитацията е една от четирите основни природни сили (Таблица 1). Обърнете внимание, че от четирите сили тази сила е най-слабата и все пак е доминираща спрямо големите космически обекти. Както показа Нютон, притегателната гравитационна сила между всеки две маси става все по-малка и по-малка, докато разстоянието между тях става все по-голямо и по-голямо, но никога не достига напълно нула (вижте „Дизайнът на гравитацията“).

Следователно всяка частица в цялата вселена всъщност привлича всяка друга частица. За разлика от силите на слаби и силни ядрени взаимодействия, силата на привличане е далечна (Таблица 1). Магнитната сила и електрическата сила също са далечни сили, но гравитацията е уникална с това, че е далечна и винаги привличаща, което означава, че никога не може да се изчерпи (за разлика от електромагнетизма, при който силите могат или да привличат, или да отблъскват) .

Започвайки с великия учен по сътворението Майкъл Фарадей през 1849 г., физиците непрекъснато търсят скритата връзка между силата на гравитацията и силата на електромагнитното взаимодействие. В момента учените се опитват да комбинират четирите основни сили в едно уравнение или така наречената „Теория на всичко“, но безуспешно! Гравитацията остава най-мистериозната и най-слабо изучаваната сила.

Гравитацията не може да бъде защитена по никакъв начин. Какъвто и да е съставът на блокиращата преграда, тя няма ефект върху привличането между два разделени обекта. Това означава, че е невъзможно да се създаде антигравитационна камера в лабораторни условия. Силата на гравитацията не зависи от химичния състав на обектите, а зависи от тяхната маса, известна ни като тегло (силата на гравитацията върху обект е равна на теглото на този обект - колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е сила или тегло.) Блокове, състоящи се от стъкло, олово, лед или дори стирофом и имащи еднаква маса, ще изпитват (и упражняват) същата гравитационна сила. Тези данни са получени по време на експерименти и учените все още не знаят как могат да бъдат теоретично обяснени.

Дизайн в гравитация

Силата F между две маси m 1 и m 2, разположени на разстояние r, може да се запише като формулата F = (G m 1 m 2)/r 2

Където G е гравитационната константа, измерена за първи път от Хенри Кавендиш през 1798 г.1

Това уравнение показва, че гравитацията намалява, когато разстоянието r между два обекта става по-голямо, но никога не достига напълно нула.

Законът на обратния квадрат на това уравнение е просто очарователен. В края на краищата няма необходима причина гравитацията да действа така, както действа. В една хаотична, произволна и развиваща се вселена, произволни мощности като r 1.97 или r 2.3 биха изглеждали по-вероятни. Прецизните измервания обаче показаха точна мощност, най-малко до пет знака след десетичната запетая, от 2,00000. Както каза един изследовател, този резултат изглежда "твърде прецизен".2 Можем да заключим, че силата на гравитацията показва прецизен, създаден дизайн. Всъщност, ако градусът се отклони дори малко от 2, орбитите на планетите и цялата вселена биха станали нестабилни.

Връзки и бележки

  1. Технически погледнато, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
  2. Томпсен, Д., „Много точно за гравитацията“, Научни новини 118(1):13, 1980.

И така, какво точно е гравитацията? Как тази сила е в състояние да действа в такова огромно празно пространство? И защо изобщо съществува? Науката никога не е успяла да отговори на тези основни въпроси за законите на природата. Силата на привличане не може да възникне бавно чрез мутация или естествен подбор. Тя е в сила от самото начало на Вселената. Както всеки друг физичен закон, гравитацията несъмнено е забележително доказателство за планирано създаване.

Някои учени са се опитали да обяснят гравитацията с помощта на невидими частици, гравитони, които се движат между обектите. Други говореха за космически струни и гравитационни вълни. Наскоро учени, използващи специално създадена лаборатория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), успяха да видят само ефекта на гравитационните вълни. Но естеството на тези вълни, как физически обектите взаимодействат помежду си на огромни разстояния, променяйки преднината си, все още остава голям въпрос за всички. Ние просто не знаем произхода на гравитационната сила и как тя поддържа стабилността на цялата вселена.

Гравитация и писание

Два пасажа от Библията могат да ни помогнат да разберем природата на гравитацията и физиката като цяло. Първият пасаж, Колосяни 1:17, обяснява, че Христос „Там е преди всичко и всичко зависи от Него“. Гръцкият глагол стои (συνισταω sunistao) означава: да се придържаме, да държим или да се държим заедно. Гръцката употреба на тази дума извън Библията означава съд, съдържащ вода. Думата, използвана в книгата Колосяни, е в перфектно време, което обикновено показва настоящо продължаващо състояние, което е възникнало от завършено минало действие. Един от въпросните физически механизми очевидно е силата на гравитацията, установена от Създателя и неизменно поддържана днес. Само си представете: ако силата на гравитацията спре за момент, несъмнено ще настъпи хаос. Всички небесни тела, включително земята, луната и звездите, вече няма да се държат заедно. Всичко веднага ще бъде разделено на отделни, малки части.

Второто писание, Евреи 1:3, заявява, че Христос „Той поддържа всичко чрез словото на Своята сила.“Слово държи (φερω pherō) отново описва поддържането или запазването на всичко, включително гравитацията. Слово държи, както се използва в този стих, означава много повече от просто задържане на тежест. Това включва контрол върху всички движения и промени, които се случват във Вселената. Тази безкрайна задача се извършва чрез всемогъщото Слово на Господа, чрез което самата вселена започна да съществува. Гравитацията, „мистериозна сила“, която остава слабо разбрана след четиристотин години изследвания, е едно от проявленията на тази удивителна божествена грижа за Вселената.

Изкривявания на времето и пространството и черни дупки

Общата теория на относителността на Айнщайн разглежда гравитацията не като сила, а като кривина на самото пространство в близост до масивен обект. Светлината, която традиционно следва прави линии, се предвижда да се огъне, докато преминава през извито пространство. Това беше демонстрирано за първи път, когато астрономът сър Артър Едингтън откри промяна във видимата позиция на звезда по време на пълно затъмнение през 1919 г., вярвайки, че светлинните лъчи се огъват от гравитацията на слънцето.

Общата теория на относителността също така прогнозира, че ако едно тяло е достатъчно плътно, неговата гравитация ще изкриви пространството толкова много, че светлината изобщо не може да премине през него. Такова тяло поглъща светлина и всичко останало, което е уловено от силната му гравитация, и се нарича Черна дупка. Такова тяло може да бъде открито само чрез гравитационните му ефекти върху други обекти, чрез силното огъване на светлината около него и чрез силното излъчване, излъчвано от материята, която пада върху него.

Цялата материя в черна дупка е компресирана в центъра, който има безкрайна плътност. „Размерът“ на дупката се определя от хоризонта на събитията, т.е. граница, която обгражда центъра на черна дупка и нищо (дори светлината) не може да премине отвъд нея. Радиусът на дупката се нарича радиус на Шварцшилд на името на немския астроном Карл Шварцшилд (1873–1916) и се изчислява по формулата RS = 2GM/c 2, където c е скоростта на светлината във вакуум. Ако слънцето попадне в черна дупка, нейният радиус на Шварцшилд ще бъде само 3 км.

Има добри доказателства, че след като масивна звезда изчерпи ядреното си гориво, тя вече не може да устои на колапса под собствената си огромна тежест и пада в черна дупка. Смята се, че черни дупки с масата на милиарди слънца съществуват в центровете на галактиките, включително нашата собствена галактика, Млечният път. Много учени вярват, че свръхярките и много далечни обекти, наречени квазари, използват енергията, освободена, когато материята падне в черна дупка.

Според предсказанията на общата теория на относителността, гравитацията също изкривява времето. Това е потвърдено и от много точни атомни часовници, които работят с няколко микросекунди по-бавно на морското равнище, отколкото в райони над морското равнище, където гравитацията на Земята е малко по-слаба. В близост до хоризонта на събитията това явление е по-забележимо. Ако гледаме часовника на астронавт, докато той се приближава към хоризонта на събитията, ще видим, че часовникът върви по-бавно. Докато е на хоризонта на събитията, часовникът ще спре, но ние никога няма да можем да го видим. Обратно, астронавтът няма да забележи, че неговият часовник работи по-бавно, но ще види, че нашият часовник работи все по-бързо и по-бързо.

Основната опасност за астронавт близо до черна дупка биха били приливните сили, причинени от факта, че гравитацията е по-силна върху части от тялото, които са по-близо до черната дупка, отколкото върху части, които са по-далеч от нея. Силата на приливните сили в близост до черна дупка с масата на звезда е по-силна от всеки ураган и лесно разкъсва на малки парченца всичко, което им попречи. Въпреки това, докато гравитационното привличане намалява с квадрата на разстоянието (1/r 2), приливното влияние намалява с куба на разстоянието (1/r 3). Следователно, противно на общоприетото схващане, гравитационната сила (включително приливната сила) при хоризонтите на събитията на големите черни дупки е по-слаба, отколкото при малките черни дупки. Така че приливните сили в хоризонта на събитията на черна дупка в наблюдаваното пространство биха били по-малко забележими от най-слабия бриз.

Разтягането на времето от гравитацията близо до хоризонта на събитията е в основата на новия космологичен модел на физика на сътворението д-р Ръсел Хъмфрис, който той описва в книгата си „Звездна светлина и време“. Този модел може да помогне за решаването на проблема как можем да видим светлината на далечни звезди в младата вселена. Освен това днес това е научна алтернатива на небиблейската, която се основава на философски предположения, които излизат извън рамките на науката.

Забележка

Гравитацията, „мистериозна сила“, която дори след четиристотин години изследвания остава слабо разбрана...

Исак Нютон (1642–1727)

Снимка: Wikipedia.org

Исак Нютон (1642–1727)

Исак Нютон публикува своите открития за гравитацията и движението на небесните тела през 1687 г. в известната си работа " Математически принципи" Някои читатели бързо заключиха, че вселената на Нютон не оставя място за Бог, тъй като вече всичко може да се обясни с уравнения. Но Нютон изобщо не мислеше така, както каза във второто издание на това известно произведение:

„Нашата най-красива слънчева система, планети и комети могат да бъдат само резултат от плана и господството на интелигентно и могъщо същество.“

Исак Нютон не беше само учен. Освен на науката, той посвещава почти целия си живот на изучаване на Библията. Любимите му библейски книги бяха книгата на Даниил и книгата Откровение, които описват Божиите планове за бъдещето. Всъщност Нютон е написал повече теологични, отколкото научни трудове.

Нютон се отнасяше с уважение към други учени като Галилео Галилей. Между другото, Нютон е роден в същата година, в която Галилей умира, през 1642 г. Нютон пише в писмото си: „Ако видях по-далеч от другите, това беше, защото стоях раменегиганти." Малко преди смъртта си, вероятно размишлявайки върху мистерията на гравитацията, Нютон скромно пише: „Не знам как ме възприема светът, но на себе си изглеждам само като момче, което си играе на морския бряг, което се забавлява, като от време на време намира камъче, което е по-цветно от другите, или красива раковина, докато огромен океан от неизследвана истина."

Нютон е погребан в Уестминстърското абатство. Латинският надпис на гроба му завършва с думите: „Нека смъртните се радват, че сред тях живее такова украшение на човешкия род.“.

Нютон, който заявява, че силата на гравитационното привличане между две материални точки с маса и разделени от разстояние е пропорционална на двете маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието - тоест:

Тук е гравитационната константа, равна приблизително на 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²).

Законът за универсалната гравитация е едно от приложенията на закона за обратния квадрат, който се намира и при изучаването на радиацията (вижте например Светлинно налягане) и е пряко следствие от квадратичното увеличение на площта на сферата с нарастващ радиус, което води до квадратично намаляване на приноса на всяка единица площ към площта на цялата сфера.

Гравитационното поле, подобно на гравитационното, е потенциално. Това означава, че можете да въведете потенциалната енергия на гравитационното привличане на двойка тела и тази енергия няма да се промени след преместване на телата по затворен контур. Потенциалът на гравитационното поле води до закона за запазване на сумата от кинетична и потенциална енергия и, когато се изучава движението на телата в гравитационно поле, често значително опростява решението. В рамките на Нютоновата механика гравитационното взаимодействие е на дълги разстояния. Това означава, че независимо как се движи едно масивно тяло, във всяка точка на пространството гравитационният потенциал зависи само от позицията на тялото в даден момент от времето.

Големите космически обекти - планети, звезди и галактики имат огромна маса и следователно създават значителни гравитационни полета.

Гравитацията е най-слабото взаимодействие. Въпреки това, тъй като тя действа на всички разстояния и всички маси са положителни, тя все пак е много важна сила във Вселената. По-специално, електромагнитното взаимодействие между телата в космически мащаб е малко, тъй като общият електрически заряд на тези тела е нула (материята като цяло е електрически неутрална).

Също така, гравитацията, за разлика от други взаимодействия, е универсална в ефекта си върху цялата материя и енергия. Не са открити обекти, които изобщо да нямат гравитационно взаимодействие.

Поради глобалния си характер, гравитацията е отговорна за такива мащабни ефекти като структурата на галактиките, черните дупки и разширяването на Вселената, както и за елементарните астрономически явления - орбитите на планетите, и за простото привличане към повърхността на Земята и падането на телата.

Гравитацията е първото взаимодействие, описано от математическата теория. Аристотел вярва, че обекти с различна маса падат с различна скорост. Едва много по-късно Галилео Галилей експериментално установи, че това не е така - ако съпротивлението на въздуха се елиминира, всички тела се ускоряват еднакво. Законът за всемирното притегляне на Исак Нютон (1687) описва добре общото поведение на гравитацията. През 1915 г. Алберт Айнщайн създава Общата теория на относителността, която по-точно описва гравитацията от гледна точка на геометрията на пространство-времето.

Небесна механика и някои нейни задачи

Най-простият проблем на небесната механика е гравитационното взаимодействие на две точкови или сферични тела в празно пространство. Този проблем в рамките на класическата механика се решава аналитично в затворен вид; резултатът от неговото решение често се формулира под формата на трите закона на Кеплер.

С увеличаването на броя на взаимодействащите си тела задачата става драстично по-сложна. По този начин вече известният проблем с трите тела (т.е. движението на три тела с ненулеви маси) не може да бъде решен аналитично в общ вид. При числено решение нестабилността на решенията спрямо началните условия възниква доста бързо. Приложена към Слънчевата система, тази нестабилност не ни позволява точно да прогнозираме движението на планетите в мащаби, надхвърлящи сто милиона години.

В някои специални случаи е възможно да се намери приблизително решение. Най-важен е случаят, когато масата на едно тяло е значително по-голяма от масата на други тела (примери: Слънчевата система и динамиката на пръстените на Сатурн). В този случай, като първо приближение, можем да приемем, че светлинните тела не взаимодействат помежду си и се движат по Кеплерови траектории около масивното тяло. Взаимодействията между тях могат да бъдат взети предвид в рамките на теорията на смущенията и осреднени във времето. В този случай могат да възникнат нетривиални явления като резонанси, атрактори, хаос и др. Ярък пример за такива явления е сложната структура на пръстените на Сатурн.

Въпреки опитите да се опише точно поведението на система от голям брой привличащи се тела с приблизително еднаква маса, това не може да бъде направено поради феномена на динамичния хаос.

Силни гравитационни полета

В силни гравитационни полета, както и при движение в гравитационно поле с релативистични скорости, започват да се проявяват ефектите от общата теория на относителността (ОТО):

  • промяна на геометрията на пространство-времето;
    • като следствие, отклонението на закона за гравитацията от Нютон;
    • и в краен случай - появата на черни дупки;
  • забавяне на потенциалите, свързани с крайната скорост на разпространение на гравитационни смущения;
    • като следствие, появата на гравитационни вълни;
  • нелинейни ефекти: гравитацията има тенденция да взаимодейства сама със себе си, така че принципът на суперпозиция в силни полета вече не е валиден.

Гравитационно излъчване

Едно от важните предсказания на общата теория на относителността е гравитационното излъчване, чието присъствие все още не е потвърдено от преки наблюдения. Съществуват обаче значителни косвени доказателства в полза на съществуването му, а именно: загуби на енергия в близки двойни системи, съдържащи компактни гравитиращи обекти (като неутронни звезди или черни дупки), по-специално в известната система PSR B1913+16 (Hulse-Taylor пулсар) - са в добро съгласие с модела на общата теория на относителността, в който тази енергия се отнася именно от гравитационното излъчване.

Гравитационното излъчване може да се генерира само от системи с променливи квадруполни или по-високи мултиполни моменти, този факт предполага, че гравитационното излъчване на повечето естествени източници е насочено, което значително усложнява откриването му. Гравитационна сила н- източникът на поле е пропорционален, ако многополюсникът е от електрически тип, и - ако многополюсникът е от магнитен тип, където vе характерната скорост на движение на източниците в излъчващата система, и ° С- скоростта на светлината. По този начин доминиращият момент ще бъде квадруполният момент от електрически тип, а мощността на съответното излъчване е равна на:

където е тензорът на квадруполния момент на масовото разпределение на излъчващата система. Константата (1/W) ни позволява да оценим порядъка на големината на мощността на излъчване.

От 1969 г. (експериментите на Вебер ( Английски)), правят се опити за директно откриване на гравитационно лъчение. В САЩ, Европа и Япония в момента има няколко работещи наземни детектора (LIGO, VIRGO, TAMA ( Английски), GEO 600), както и проекта за космически гравитационен детектор LISA (лазерна интерферометърна космическа антена). Наземен детектор в Русия се разработва в Научния център за изследване на гравитационните вълни Дулкин в Република Татарстан.

Фините ефекти на гравитацията

Измерване на кривината на пространството в орбитата на Земята (рисунка на художника)

В допълнение към класическите ефекти на гравитационното привличане и забавянето на времето, общата теория на относителността предвижда съществуването на други прояви на гравитацията, които при земни условия са много слаби и поради това тяхното откриване и експериментална проверка са много трудни. Доскоро преодоляването на тези трудности изглеждаше извън възможностите на експериментаторите.

Сред тях, по-специално, можем да назовем увличането на инерционните референтни системи (или ефекта на Ленс-Тиринг) и гравитомагнитното поле. През 2005 г. роботизираната Gravity Probe B на НАСА проведе безпрецедентен прецизен експеримент за измерване на тези ефекти близо до Земята. Обработката на получените данни беше извършена до май 2011 г. и потвърди наличието и големината на ефектите от геодезическата прецесия и съпротивлението на инерциалните референтни системи, макар и с точност, малко по-малка от първоначално приетата.

След интензивна работа за анализиране и извличане на шума от измерванията, окончателните резултати от мисията бяха обявени на пресконференция по NASA-TV на 4 май 2011 г. и публикувани в Physical Review Letters. Измерената стойност на геодезическата прецесия беше −6601.8±18.3 милисекундидъги на година, а ефектът на увличане - −37,2±7,2 милисекундидъги на година (сравнете с теоретичните стойности от −6606,1 mas/година и −39,2 mas/година).

Класически теории за гравитацията

Вижте също: Теории за гравитацията

Поради факта, че квантовите ефекти на гравитацията са изключително малки дори при най-екстремните експериментални и наблюдателни условия, все още няма надеждни наблюдения за тях. Теоретичните оценки показват, че в по-голямата част от случаите човек може да се ограничи до класическото описание на гравитационното взаимодействие.

Съществува съвременна канонична класическа теория на гравитацията - общата теория на относителността и много изясняващи хипотези и теории с различна степен на развитие, конкуриращи се помежду си. Всички тези теории правят много сходни прогнози в рамките на приближението, в което експерименталните тестове се извършват в момента. Следват няколко основни, най-добре развити или известни теории за гравитацията.

Обща теория на относителността

В стандартния подход на общата теория на относителността (ОТО) гравитацията първоначално се разглежда не като силово взаимодействие, а като проява на кривината на пространство-времето. Така в общата теория на относителността гравитацията се тълкува като геометричен ефект, а пространство-времето се разглежда в рамките на неевклидовата риманова (по-точно псевдориманова) геометрия. Гравитационното поле (обобщение на Нютоновия гравитационен потенциал), понякога наричано още гравитационно поле, в общата теория на относителността се идентифицира с тензорното метрично поле – метриката на четиримерното пространство-време, а силата на гравитационното поле – с афинната свързаност на пространство-времето, определена от метриката.

Стандартната задача на общата теория на относителността е да се определят компонентите на метричния тензор, които заедно определят геометричните свойства на пространство-времето, от известното разпределение на източниците на енергия-импулс в разглежданата четириизмерна координатна система. От своя страна познаването на метриката позволява да се изчисли движението на тестовите частици, което е еквивалентно на познаването на свойствата на гравитационното поле в дадена система. Поради тензорния характер на уравненията на общата теория на относителността, както и стандартната фундаментална обосновка за формулирането му, се смята, че гравитацията също е от тензорен характер. Едно следствие е, че гравитационното излъчване трябва да бъде поне от квадруполен порядък.

Известно е, че в общата теория на относителността има трудности поради неинвариантността на енергията на гравитационното поле, тъй като тази енергия не се описва с тензор и може да бъде теоретично определена по различни начини. В класическата обща теория на относителността възниква и проблемът с описанието на спин-орбиталното взаимодействие (тъй като спинът на разширен обект също няма еднозначна дефиниция). Смята се, че има определени проблеми с еднозначността на резултатите и обосновката на последователността (проблемът с гравитационните сингулярности).

Общата теория на относителността обаче беше потвърдена експериментално до съвсем наскоро (2012 г.). В допълнение, много алтернативни подходи на Айнщайн, но стандартни за съвременната физика, подходи към формулирането на теорията на гравитацията водят до резултат, съвпадащ с общата теория на относителността в нискоенергийното приближение, което е единственото, което сега е достъпно за експериментална проверка.

Теорията на Айнщайн-Картан

Подобно разделение на уравнения в два класа се среща и в RTG, където второто тензорно уравнение е въведено, за да се вземе предвид връзката между неевклидовото пространство и пространството на Минковски. Благодарение на наличието на безразмерен параметър в теорията на Джордан-Бранс-Дике, става възможно да се избере така, че резултатите от теорията да съвпадат с резултатите от гравитационните експерименти. Освен това, тъй като параметърът клони към безкрайност, предсказанията на теорията се доближават все повече и повече до общата теория на относителността, така че е невъзможно да се опровергае теорията на Джордан-Бранс-Дике чрез какъвто и да е експеримент, потвърждаващ общата теория на относителността.

Квантова теория на гравитацията

Въпреки повече от половин век опити, гравитацията е единственото фундаментално взаимодействие, за което все още не е изградена общоприета последователна квантова теория. При ниски енергии, в духа на квантовата теория на полето, гравитационното взаимодействие може да се разглежда като обмен на бозони със спин 2, но получената теория не може да се пренормира и следователно се счита за незадоволителна.

През последните десетилетия бяха разработени три обещаващи подхода за решаване на проблема с квантуването на гравитацията: теория на струните, циклична квантова гравитация и каузална динамична триангулация.

Теория на струните

В него вместо частици и фоново пространство-време се появяват струни и техните многомерни аналози – брани. За проблеми с големи размери браните са частици с големи размери, но от гледна точка на движещите се частици вътретези брани, те са пространствено-времеви структури. Вариант на струнната теория е М-теорията.

Примкова квантова гравитация

Той се опитва да формулира квантова теория на полето без позоваване на пространствено-времевия фон. Според тази теория пространството и времето се състоят от отделни части. Тези малки квантови клетки на пространството са свързани една с друга по определен начин, така че на малки мащаби от време и дължина те създават пъстра, дискретна структура на пространството, а на големи мащаби те плавно се трансформират в непрекъснато гладко пространство-време. Въпреки че много космологични модели могат да опишат поведението на Вселената само от времето на Планк след Големия взрив, примковата квантова гравитация може да опише самия процес на експлозия и дори да погледне напред. Примковата квантова гравитация ни позволява да опишем всички частици от стандартния модел, без да е необходимо въвеждането на бозона на Хигс, за да обясним техните маси.

Основна статия: Причинно-следствена динамична триангулация

При него пространствено-времевият многообразие се изгражда от елементарни евклидови симплекси (триъгълник, тетраедър, пентахор) с размери от порядъка на планковите, като се отчита принципът на причинността. Четириизмерността и псевдоевклидовият характер на пространство-времето в макроскопични мащаби не са постулирани в него, а са следствие от теорията.

Вижте също

Бележки

Литература

  • Визгин В. П.Релативистка теория на гравитацията (произход и формиране, 1900-1915). - М.: Наука, 1981. - 352c.
  • Визгин В. П.Единни теории през 1-вата третина на ХХ век. - М.: Наука, 1985. - 304c.
  • Иваненко Д. Д., Сарданашвили Г. А.Земно притегляне. 3-то изд. - М.: URSS, 2008. - 200 с.
  • Миснър К., Торн К., Уилър Дж.Земно притегляне. - М.: Мир, 1977.
  • Торн К.Черни дупки и гънки на времето. Смелото наследство на Айнщайн. - М .: Държавно издателство за физико-математическа литература, 2009 г.

Връзки

  • Законът за всемирното притегляне или "Защо Луната не пада на Земята?" - Само за комплекса
  • Проблеми с гравитацията (документален филм на BBC, видео)
  • Земята и гравитацията; Релативистка теория на гравитацията (телевизионно шоу на Гордън „Диалози“, видео)
Теории за гравитацията
Стандартни теории за гравитацията

В природата съществуват различни сили, които характеризират взаимодействието на телата. Нека разгледаме силите, които възникват в механиката.

Гравитационни сили.Вероятно първата сила, чието съществуване човекът е осъзнал, е силата на гравитацията, действаща върху тела от Земята.

И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. Английският физик Нютон е първият, който разбира този факт. Анализирайки законите, управляващи движението на планетите (законите на Кеплер), той стига до извода, че наблюдаваните закони за движение на планетите могат да бъдат изпълнени само ако между тях съществува сила на привличане, право пропорционална на техните маси и обратно пропорционална на квадрат на разстоянието между тях.

Нютон формулира закон на всемирното притегляне. Всякакви две тела се привличат. Силата на привличане между точковите тела е насочена по правата, която ги свързва, е право пропорционална на масите на двете и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:

В този случай под точкови тела се разбират тела, чиито размери са многократно по-малки от разстоянието между тях.

Силите на всемирното притегляне се наричат ​​гравитационни сили. Коефициентът на пропорционалност G се нарича гравитационна константа. Стойността му е определена експериментално: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

Земно притеглянедействаща в близост до земната повърхност е насочена към нейния център и се изчислява по формулата:

където g е ускорението на гравитацията (g = 9,8 m/s²).

Ролята на гравитацията в живата природа е много важна, тъй като размерът, формата и пропорциите на живите същества до голяма степен зависят от нейната величина.

Телесно тегло.Нека да разгледаме какво се случва, когато някакъв товар се постави върху хоризонтална равнина (опора). В първия момент след спускането на товара той започва да се движи надолу под действието на гравитацията (фиг. 8).

Равнината се огъва и се появява еластична сила (опорна реакция), насочена нагоре. След като еластичната сила (Fу) балансира силата на гравитацията, спускането на тялото и отклонението на опората ще спрат.

Отклонението на опората е възникнало под действието на тялото, следователно върху опората от страната на тялото действа определена сила (P), която се нарича теглото на тялото (фиг. 8, b). Според третия закон на Нютон теглото на тялото е равно на силата на реакция на земята и е насочена в обратна посока.

P = - Fу = Fтежък.

Телесно тегло се нарича силата P, с която тялото действа върху неподвижна спрямо него хоризонтална опора.

Тъй като силата на гравитацията (тежестта) е приложена към опората, тя се деформира и поради своята еластичност противодейства на силата на гравитацията. Силите, развити в този случай от страна на опората, се наричат ​​сили на опорна реакция, а самото явление на развитие на противодействието се нарича опорна реакция. Според третия закон на Нютон опорната противодействаща сила е равна по големина на силата на тежестта на тялото и противоположна по посока.

Ако човек върху опора се движи с ускорението на частите на тялото му, насочено от опората, тогава силата на реакция на опората се увеличава с количеството ma, където m е масата на човека и е ускорението, с което части от тялото му се движат. Тези динамични ефекти могат да бъдат записани с помощта на тензометрични устройства (динамограми).

Теглото не трябва да се бърка с телесното тегло. Масата на тялото характеризира неговите инертни свойства и не зависи нито от силата на гравитацията, нито от ускорението, с което се движи.

Теглото на тялото характеризира силата, с която то действа върху опората и зависи както от силата на гравитацията, така и от ускорението на движението.

Например на Луната теглото на едно тяло е приблизително 6 пъти по-малко от теглото на тялото на Земята и в двата случая е еднакво и се определя от количеството на материята в тялото.

В ежедневието, технологиите и спорта теглото често се посочва не в нютони (N), а в килограми сила (kgf). Преходът от една единица към друга се извършва по формулата: 1 kgf = 9,8 N.

Когато опората и тялото са неподвижни, тогава масата на тялото е равна на гравитацията на това тяло. Когато опората и тялото се движат с известно ускорение, тогава, в зависимост от посоката си, тялото може да изпита безтегловност или претоварване. Когато ускорението съвпада по посока и е равно на ускорението на гравитацията, теглото на тялото ще бъде нула, следователно възниква състояние на безтегловност (ISS, високоскоростен асансьор при спускане). Когато ускорението на опорното движение е противоположно на ускорението на свободното падане, човек изпитва претоварване (изстрелване на пилотиран космически кораб от повърхността на Земята, високоскоростен асансьор, издигащ се нагоре).

На въпроса "Какво е сила?" физиката отговаря по следния начин: „Силата е мярка за взаимодействието на материалните тела едно с друго или между телата и други материални обекти – физически полета.“ Всички сили в природата могат да бъдат класифицирани в четири основни типа взаимодействия: силни, слаби, електромагнитни и гравитационни. Нашата статия говори за това какво представляват гравитационните сили - мярка за последния и, може би, най-разпространения вид на тези взаимодействия в природата.

Да започнем с гравитацията на земята

Всеки жив знае, че има сила, която привлича предметите към земята. Обикновено се нарича гравитация, гравитация или гравитация. Благодарение на неговото присъствие хората имат понятията „горе“ и „долу“, които определят посоката на движение или местоположението на нещо спрямо земната повърхност. Така че в конкретен случай на повърхността на земята или близо до нея се проявяват гравитационни сили, които привличат обекти с маса един към друг, проявявайки своето действие на всяко разстояние, както малко, така и много голямо, дори по космически стандарти.

Гравитацията и третият закон на Нютон

Както е известно, всяка сила, ако се разглежда като мярка за взаимодействие на физически тела, винаги се прилага към едно от тях. Така че при гравитационното взаимодействие на телата едно с друго всяко от тях изпитва такива видове гравитационни сили, които са причинени от влиянието на всяко от тях. Ако има само две тела (приема се, че действието на всички останали може да се пренебрегне), тогава всяко от тях, съгласно третия закон на Нютон, ще привлече другото тяло със същата сила. Така че Луната и Земята се привличат взаимно, което води до приливи и отливи на земните морета.

Всяка планета в Слънчевата система изпитва няколко гравитационни сили от Слънцето и други планети. Разбира се, гравитационната сила на Слънцето е тази, която определя формата и размера на орбитата му, но астрономите отчитат влиянието и на други небесни тела при изчисленията на траекториите на тяхното движение.

Кое ще падне по-бързо на земята от високо?

Основната характеристика на тази сила е, че всички обекти падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Някога, до 16 век, се е смятало, че всичко е точно обратното – по-тежките тела трябва да падат по-бързо от по-леките. За да разсее това погрешно схващане, Галилео Галилей трябваше да извърши известния си експеримент за едновременно пускане на две гюлета с различно тегло от наклонената кула в Пиза. Противно на очакванията на свидетели на експеримента, двете ядра достигат повърхността едновременно. Днес всеки ученик знае, че това се дължи на факта, че гравитацията придава на всяко тяло същото ускорение на гравитацията g = 9,81 m / s 2, независимо от масата m на това тяло, а стойността му според втория закон на Нютон е равна на F = mg.

Гравитационните сили на Луната и на други планети имат различни стойности на това ускорение. Естеството на действието на гравитацията върху тях обаче е същото.

Гравитация и телесно тегло

Ако първата сила се прилага директно към самото тяло, то втората към неговата опора или окачване. В тази ситуация върху телата винаги действат еластични сили от опорите и окачванията. Гравитационните сили, приложени към същите тела, действат спрямо тях.

Представете си тежест, окачена над земята с пружина. Към него са приложени две сили: еластичната сила на опънатата пружина и силата на гравитацията. Според третия закон на Нютон товарът действа върху пружината със сила, равна и противоположна на еластичната сила. Тази сила ще бъде неговата тежест. Товар с тегло 1 kg има тегло P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (нютон).

Гравитационни сили: определение

Първата количествена теория за гравитацията, основана на наблюдения на движението на планетите, е формулирана от Исак Нютон през 1687 г. в неговите известни „Принципи на естествената философия“. Той пише, че гравитационните сили, които действат върху Слънцето и планетите, зависят от количеството материя, което съдържат. Те се разпространяват на големи разстояния и винаги намаляват като реципрочна стойност на квадрата на разстоянието. Как можем да изчислим тези гравитационни сили? Формулата за силата F между два обекта с маси m 1 и m 2, разположени на разстояние r е:

  • F=Gm 1 m 2 /r 2,
    където G е константа на пропорционалност, гравитационна константа.

Физически механизъм на гравитацията

Нютон не беше напълно доволен от своята теория, тъй като тя предполагаше взаимодействие между привличащи се тела на разстояние. Самият велик англичанин беше сигурен, че трябва да има някакъв физически агент, отговорен за прехвърлянето на действието на едно тяло към друго, което той съвсем ясно посочи в едно от своите писма. Но времето, когато беше въведено понятието гравитационно поле, което прониква в цялото пространство, дойде само четири века по-късно. Днес, говорейки за гравитация, можем да говорим за взаимодействие на всяко (космическо) тяло с гравитационното поле на други тела, чиято мярка са гравитационните сили, възникващи между всяка двойка тела. Законът за всемирното притегляне, формулиран от Нютон в горната форма, остава верен и се потвърждава от много факти.

Теория на гравитацията и астрономия

Той беше много успешно приложен за решаване на проблеми на небесната механика през 18-ти и началото на 19-ти век. Например математиците Д. Адамс и В. Льо Верие, анализирайки смущенията в орбитата на Уран, предполагат, че той е обект на гравитационни сили на взаимодействие с все още неизвестна планета. Те посочиха очакваното му положение и скоро Нептун беше открит там от астронома И. Гале.

Все пак имаше един проблем. Льо Верие през 1845 г. изчислява, че орбитата на Меркурий прецезира с 35" на век, за разлика от нулевата стойност на тази прецесия, получена от теорията на Нютон. Последвалите измервания дадоха по-точна стойност от 43". (Наблюдаваната прецесия всъщност е 570"/век, но внимателно изчисление за изваждане на влиянието от всички други планети дава стойност от 43".)

Едва през 1915 г. Алберт Айнщайн успява да обясни това несъответствие в рамките на своята теория за гравитацията. Оказа се, че масивното Слънце, както всяко друго масивно тяло, огъва пространство-времето в близост до него. Тези ефекти причиняват отклонения в орбитите на планетите, но на Меркурий, като най-малката планета и най-близо до нашата звезда, те са най-силно изразени.

Инерционни и гравитационни маси

Както беше отбелязано по-горе, Галилей беше първият, който забеляза, че обектите падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Във формулите на Нютон понятието маса идва от две различни уравнения. Неговият втори закон гласи, че сила F, приложена към тяло с маса m, дава ускорение съгласно уравнението F = ma.

Въпреки това, силата на гравитацията F, приложена към тяло, удовлетворява формулата F = mg, където g зависи от другото тяло, взаимодействащо с въпросното (обикновено земята, когато говорим за гравитация). И в двете уравнения m е коефициент на пропорционалност, но в първия случай е инерционна маса, а във втория е гравитационна маса и няма очевидна причина те да са еднакви за всеки физически обект.

Всички експерименти обаче показват, че това наистина е така.

Теорията на Айнщайн за гравитацията

Като отправна точка за своята теория той взема факта за равенството на инертните и гравитационните маси. Той успя да конструира уравненията на гравитационното поле, известните уравнения на Айнщайн, и с тяхна помощ да изчисли правилната стойност за прецесията на орбитата на Меркурий. Те също така дават измерена стойност за отклонението на светлинните лъчи, които преминават близо до Слънцето, и няма съмнение, че дават правилните резултати за макроскопичната гравитация. Теорията на Айнщайн за гравитацията или общата теория на относителността (ОТО), както я нарича той, е един от най-големите триумфи на съвременната наука.

Гравитационните сили ускорение ли са?

Ако не можете да различите инерционната маса от гравитационната маса, тогава не можете да различите гравитацията от ускорението. Вместо това експериментът с гравитационното поле може да се извърши в ускоряващ асансьор в отсъствие на гравитация. Когато астронавт в ракета се ускорява от земята, той изпитва сила на гравитация, която е няколко пъти по-голяма от земната, като по-голямата част от нея идва от ускорение.

Ако никой не може да различи гравитацията от ускорението, тогава първото винаги може да бъде възпроизведено чрез ускорение. Система, в която ускорението замества гравитацията, се нарича инерционна. Следователно Луната в околоземна орбита също може да се разглежда като инерциална система. Тази система обаче ще се различава от точка до точка, тъй като гравитационното поле се променя. (В примера с Луната гравитационното поле променя посоката си от една точка към друга.) Принципът, че винаги може да се намери инерционна система във всяка точка на пространството и времето, в която физиката се подчинява на законите при липса на гравитация, се нарича принципът на еквивалентността.

Гравитацията като проява на геометричните свойства на пространство-времето

Фактът, че гравитационните сили могат да се разглеждат като ускорения в инерционни координатни системи, които се различават от точка до точка, означава, че гравитацията е геометрична концепция.

Казваме, че пространство-времето е извито. Помислете за топка върху равна повърхност. Той ще почива или, ако няма триене, ще се движи равномерно при липса на каквито и да е сили, действащи върху него. Ако повърхността е извита, топката ще се ускори и ще се придвижи до най-ниската точка, поемайки по най-краткия път. По подобен начин теорията на Айнщайн гласи, че четириизмерното пространство-време е извито и тялото се движи в това извито пространство по геодезическа линия, която съответства на най-късия път. Следователно гравитационното поле и действащите в него гравитационни сили върху физическите тела са геометрични величини, които зависят от свойствата на пространство-времето, които се променят най-силно в близост до масивни тела.