что такое гравитация в физике
Что такое гравитация
Гравитация — это «искривление» пространства. Чем больше масса, тем большее «искривление» пространства и, следовательно, в это «искривление» «скатываются» более легкие объекты. Все объекты, обращающиеся вокруг Солнца, удерживаются на своих орбитах с помощью гравитации. Но она не только выполняет функции некоей привязи, но ещё и стала той силой, что создала эти объекты. Сила тяготения не позволяет планетам выбирать путь по своему усмотрению, закольцевав их орбиты. Но зависимость от этой силы уменьшается экспоненциально – при удалении в два раза, воздействие ослабляется в четыре раза, а утроение удаления ослабляет силу уже в девять раз.
Ньютон напрямую ассоциировал гравитацию с силой тяжести. К телу приложена сила тяжести, источником которой является иное тело (или тела), а гравитационного поля, как такового, просто не существует. Поскольку гравитация относится к прямому взаимодействию тел, то и определяется она Законом всемирного тяготения. Гравитационному полю придан условный характер, необходимый лишь для расчётов. Для земных условий это вполне допустимо.
Гравитация от Эйнштейна
Гравитационное воздействие описывал ещё Аристотель. Он полагал, что скорость падения предмета зависима от его массы. Но лишь Галилей смог понять, что любое тело имеет равное значение ускорения. А Эйнштейн развил это утверждение в своей теории относительности, описав гравитацию с понятием геометрии пространства-времени.
В классическом представлении сила гравитационного взаимодействия двух точек имеет вид зависимости массы этих точек от расстояния в квадрате между ними. Чем больше тело, тем большее гравитационное поле оно может создать.
Небесная механика
Эта часть механики изучает движение тел, находящихся в ничем не заполненном пространстве, на которые действует только гравитация. Самая простая задача раздела – обоснование гравитационного влияния двух тел, точечных или сферических, в пустом пространстве. Если же тел, которые взаимодействуют друг на друга, большее количество, задача усложняется. Численное решение приводит к неустойчивости решений от начальных условий. То есть, применив её к нашей планетной системе, мы не сумеем предугадать планетные движения на периоды, превысившие сто миллионов лет. Описание долговременного поведения системы, состоящей из многих притягивающихся тел с похожей массой, пока невозможно. Этому мешает понятие: динамический хаос.
Гравитационные волны
Гравитон
Поскольку гравитационное взаимодействие присутствует, оно должно как-то переноситься. В 30-х годах ХХ века кандидатом в переносчики стал гравитон. Эта частица пока ещё гипотетическая, но она должна иметь спин 2 и два вероятных направления поляризации. Некоторые физики упорно отвергают существование этой частицы. Они предполагают: если гравитоны имеются, то их должны излучать чёрные дыры, а это вступает в противоречия с ОТО. Но попытки расширить стандартную модель такими частицами сопряжены с реальными трудностями в области высоких энергий. На решении этой задачи основаны некоторые разрабатываемые теории квантовой гравитации. По их положениям гравитоны — состояние струн, а отнюдь не точечные частицы. Но низкие энергии их всё же причисляют к частицам точечным. Пока гравитоны обнаружены не были, потому что гравитационные влияния их необычайно слабы.
Квантовая гравитация
Универсальной квантовой теории, объяснившей бы само понятие гравитации, ещё не разработано. Для представления гравитационного взаимодействия было бы вероятно предложить гравитонный обмен, в котором гравитоны выступают в качестве калибровочных бозонов со спином 2. Но такая теория не считается удовлетворительной. На существующее время есть несколько подходов, разрешающих квантование гравитации. Эти подходы считаются достаточно перспективными.
Сильные гравитационные поля
В очень сильных гравитационных полях могут быть проявления некоторых эффектов ОТО:
Но такие проявления могут иметь место лишь в том случае, если гравитация имеет силу бесконечно большую. Пока что наиболее плотными объектами Вселенной, которые удалось обнаружить, являются нейтронные звёзды. В одной из многих теорий гравитационное поле рассматривается в качестве основы для любого поля – магнитного, электрического, глюонного. В таком случае гравитоны становятся базовыми элементами материи. Ну, а чёрная дыра является гравитонной звездой, где силой тяготения разрушаются абсолютно все элементарные частицы, кроме гравитонов. И остаётся лишь одно свойство – гравитация.
Гравитационный коллапс
Когда массивное тело, испытывая гравитационные силы, катастрофически быстро сжимается, происходит его коллапс. Так может закончиться жизнь звезды, имеющей массу более трёх солнечных. Когда в звездах заканчивается запас топлива для продолжения термоядерного процесса, их механическая устойчивость нарушается, и происходит стремительное, с ускорением, сжатие к центральной части. Если давление внутри звезды, которое постоянно растёт, сможет остановить сжатие, то центральная часть светила превратится в нейтронную звезду. При этом возможно сбрасывание оболочки и вспыхивание сверхновой. Но при превышении звездой массы, определённой пределом Оппенгеймера-Волкова, коллапс закончится преобразованием её в чёрную дыру. Значение данного предела пока точно не установлено.
Некоторые парадоксы
Что такое гравитация для чайников: определение и теория простыми словами
Сразу скажем, что вы не найдете здесь однозначно верного ответа на вопрос «Что такое гравитация». Потому что его просто нет! Гравитация – одно из самых таинственных явлений, над которым ученые ломают голову и до сих пор полностью не могут объяснить его природу.
Есть множество гипотез и мнений. Насчитывается более десятка теорий гравитации, альтернативных и классических. Мы рассмотрим самые интересные, актуальные и современные.
Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм.
Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие
Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.
На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.
Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.
В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.
До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.
Закон всемирного тяготения
Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1667 году. Конечно, этот закон существовал еще при динозаврах и намного раньше.
Античные философы задумывались над существованием силы тяготения. Галилей экспериментально рассчитал ускорение свободного падения на Земле, открыв, что оно одинаково для тел любой массы. Кеплер изучал законы движения небесных тел.
Ньютону удалось сформулировать и обобщить результаты наблюдений. Вот что у него получилось:
Два тела притягиваются друг к другу с силой, называемой гравитационной силой или силой тяготения.
Формула силы притяжения между телами:
G – гравитационная постоянная, m – массы тел, r – расстояние между центрами масс тел.
Каков физический смысл гравитационной постоянной? Она равна силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 килограмм каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга.
Закон всемирного тяготения
Формула Ньютона применима как для расчету силы притяжения планет к солнцу, так и для маленьких объектов. Мы просто не замечаем, с какой силой притягиваются, скажем, шары на бильярдном столе. Тем не менее эта сила есть и ее можно рассчитать.
Сила притяжения действует между любыми телами во Вселенной. Ее действие распространяется на любые расстояния.
Закон всемирного тяготения Ньютона не объясняет природы силы притяжения, но устанавливает количественные закономерности. Теория Ньютона не противоречит ОТО. Ее вполне достаточно для решения практических задач в масштабах Земли и для расчета движения небесных тел.
Гравитация в ОТО
Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.
Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?
В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.
Чем массивнее объект, тем сильнее он искривляет пространство
Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.
Представим пространство в виде упругого листа. Если положить на него легкий теннисный мячик, поверхность останется ровной. Но если рядом с мячиком положить тяжелую гирю, она продавит на поверхности ямку, и мячик начнет скатываться к большой и тяжелой гире. Это и есть «гравитация».
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Открытие гравитационных волн
Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но открыли их только через сто лет, в 2015.
Что такое гравитационные волны? Снова проведем аналогию. Если бросить камень в спокойную воду, от места его падения по поверхности воды пойдут круги. Гравитационные волны – такая же рябь, возмущение. Только не на воде, а в мировом пространстве-времени.
Вместо воды – пространство-время, а вместо камня, скажем, черная дыра. Любое ускоренное передвижение массы порождает гравитационную волну. Если тела находятся в состоянии свободного падения, при прохождении гравитационной волны расстояние между ними изменится.
Моделирование гравитационных волн от слияния двух черных дыр
Так как гравитация – очень слабое взаимодействие, обнаружение гравитационных волн было связано с большими техническими трудностями. Современные технологии позволили обнаружить всплеск гравитационных волн только от сверхмассивных источников.
Для регистрации гравитационных волн был построен детектор диаметром 4 километра. При прохождении волны регистрировались колебания зеркал на подвесах в вакууме и интерференция света, отраженного от них.
Гравитационные волны подтвердили справедливость ОТО.
Гравитация и элементарные частицы
В стандартной модели за каждое взаимодействие отвечают определенные элементарные частицы. Можно сказать, что частицы являются переносчиками взаимодействий.
За гравитацию отвечает гравитон – гипотетическая безмассовая частица, обладающая энергией. Кстати, в нашем отдельном материале читайте подробнее о наделавшем много шума бозоне Хиггса и других элементарных частицах.
Напоследок приведем несколько любопытных фактов о гравитации.
10 фактов о гравитации
Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, по какой формуле рассчитывается сила притяжения. Если гранит науки придавливает вас к земле сильнее, чем гравитация, обращайтесь в наш студенческий сервис. Мы поможем учиться легко при самых больших нагрузках!
Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
3. Физическая сущность гравитации
Анализируя современные теории гравитации, начиная с Ньютона и его последователей, мы видим сложность восприятия этого явления. Она заключается в том, что термин «тяготение» ассоциируется с термином «гравитационное излучение». Но если это излучение, т.е. нечто, исходящее от гравитирующего тела (например, Земли), то, как оно может действовать в обратном направлении, т.е. притягивать? Гегель указывал на это несоответствие ещё 200 лет назад. Он считал, что притяжение есть производное от отталкивания, однако, обосновать это теоретически не удосужился.
Физика не может использовать интуитивные прозрения, если их нельзя сформулировать последовательным математическим языком и дополнить описанием на обычном языке. Кроме того, существующие сегодня теории гравитации, включая закон всемирного тяготения Ньютона и общую теорию относительности Эйнштейна, не отвечают на самый главный вопрос – откуда берётся энергия на создание и поддержание гравитационного поля. По расчётам учёных сила притяжения Солнца, удерживающая Землю на орбите, составляет 3,6х10^(21)кгс. Но кроме Земли надо притягивать и другие планеты. Учёные попали в тупик, выяснив, что Солнце не в состоянии энергетически обеспечить притяжение планет солнечной системы. Ньютон, да и Эйнштейн долго бились над этим вопросом, но так и не нашли разумного ответа. В конце концов, Ньютон решил, что сама масса является источником силы притяжения. Так появилась гравитационная масса, которую он отделил от веса. Но при этом ему пришлось внести в свою теорию другую массу – инертную, как количество вещества. К его удивлению, математические вычисления показали, что эти массы в точности равны друг другу. Так родился закон эквивалентности тяжёлой и инертной массы, который Эйнштейн использовал для построения общей теории относительности. Таким образом, Ньютон отказался от физического объяснения наблюдаемых явлений, заменив его математическим. По его пути пошёл и Эйнштейн, создавая свою теорию гравитации, в которой доминирующую роль играет не масса, а пространство и время, как физические объекты. Поэтому его теорию называют ещё геометрической. Конечно, геометрия может определять параметры сил, но она не может быть причиной движения.
В ХХ веке появилась, и начала быстро развиваться квантовая теория микромира и отдельная её ветвь – квантовая теория гравитации. Её трудность, прежде всего, заключается в том, что она основана на математическом формализме довольно высокого уровня, когда по результатам вычислений судят о физической сущности рассматриваемого явления. Кроме того, она постулирует наличие в природе элементарных частиц – гравитонов, ответственных за гравитационное взаимодействие. Как известно, несмотря на долгие поиски, эти частицы так и не были обнаружены. К тому же, эта теория, как и все предыдущие, не отвечает на вопрос – где находится источник энергии, питающий гравитационное поле. Итак, все перечисленные выше теории, а также подобные им (сегодня их насчитывается более десятка) являются чисто математическими, с невыявленной физической сущностью. Такие теории не дают выхода на проведение экспериментов, подтверждающих их. Объясняя отсутствие широкомасштабных экспериментов с гравитацией, учёные ссылаются на то, что, согласно теории Ньютона, для их проведения требуется огромная масса, поскольку именно она является источником гравитационных сил, а это практически невыполнимо. Что же касается общей теории относительности Эйнштейна, то в ней, как уже отмечалось, одна математика, а физической сущностью выступают пространство и время, которые не поддаются экспериментам. Не в лучшем виде в этом вопросе выглядит и квантовая теория гравитации. А, как уже говорилось в главе 1, при использовании математических методов в решении задач, необходимо соблюдать осторожность.
В первую очередь, для проверки термодинамической природы гравитации необходимо создать искусственное гравитирующее тело. До сих пор такая идея не могла прийти в голову ни одному исследователю, поскольку она противоречила бы всем известным на сегодня теориям гравитации. Однако, согласно ТМГ, процессы, связанные с излучением гравитационных волн Землёй можно сымитировать в миниатюре. Сама природа подсказывает, как это можно осуществить, причём очень просто и наглядно. Для этого необходимо взять шар, желательно побольше, из материала, выдерживающего высокую температуру. Внутрь его поместить источник тепловой энергии и установить этот шар на весы. Предположительно, он должен терять в весе (конечно незначительно) вследствие того, что своим гравитационным излучением будет отталкиваться от подобного излучения Земли (так же как Луна). Так и произошло. Для решающего эксперимента был изготовлен стальной шар диаметром 100мм. В шаре было сделано конусное отверстие до центра. Затем его поставили на лабораторные весы рычажного типа ВЛТ-5 с ценой деления 0,3г и уравновесили обычными гирями. Вес шара составил 4,2кг. В качестве источника тепловой энергии был использован лазер ЛТ1-2 с энергией луча 5 кВт. Луч был направлен в конусное отверстие шара сверху вниз. По мере повышения температуры поверхности шара (измерение проводилось термопарой) стрелка весов, как и предполагалось, медленно отклонялась в сторону уменьшения веса. Приблизительно через полтора часа, при достижении температуры поверхности шара 300°С лазер был выключен. Разница (уменьшение) в весе шара по сравнению с первоначальным показанием (в холодном состоянии) составила 3г (десять делений шкалы). При отключении лазера, вес вернулся к исходному.
Далее, чтобы разнообразить эксперименты, гравитирующее тело было изготовлено в форме тора, или, попросту говоря, большого бублика из каолинового волокна с «запеченной» внутри по оси электроспиралью мощностью 500Вт. Тепловой поток в нём, как и в шаре, распространяется изнутри по радиусу, т.е. будет направленным. Взвешивание «бублика» производилось на тех же весах, что и в предыдущем опыте. В этом эксперименте, как и в опыте с шаром, тепловая энергия на создание гравитационного излучения расходовалась со всей поверхности тора. При этом рабочая часть поверхности, которая взаимодействует с гравитационным излучением Земли, составляет 20-25% от всей его поверхности. Если бы вся энергия спирали была направлена в рабочую, нижнюю, зону тора, то эффект потери веса тора увеличился бы раз в 10. Это предположение можно отнести и к эксперименту с шаром. Выводы, полученные из этих двух опытов, послужили толчком для создания гравитирующего тела в виде «тарелки». Эта «летающая тарелка» была изготовлена из двух алюминиевых полусфер диаметром 350мм. В нижней полусфере установили графитовый сердечник (излучатель) диаметром и высотой 100мм. Нижний его торец выпустили на 10мм наружу, а на верхнем уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 0,8кВт. Всё остальное пространство обеих полусфер было заполнено каолиновым волокном. Вес «тарелки» в холодном состоянии составил 3,5кг, а гравитирующая способность (уменьшение веса) к концу эксперимента составила 5г. Взвешивание проводилось всё на тех же весах. Надо сказать, что здесь я ожидал лучшего результата. Очевидно, большая часть теплового потока, проходящего через сердечник, отклонялась в стороны для прогрева теплоизоляции его боковой поверхности. В результате, только часть теплового потока преобразовалась в гравитационное излучение, которое взаимодействовало с подобным излучением Земли.
Наилучшие результаты, т.е. потеря веса, были получены на модели гравитирующего тела, в шутку названного «летающая кастрюля», по аналогии с «летающей тарелкой». Эта модель и в самом деле была изготовлена из кастрюли с диаметром и высотой 160мм. В днище вырезали отверстие диаметром 100мм, на которое уложили диск из графита диаметром 130мм и толщиной 35мм. На диск, как и в предыдущем эксперименте, уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 600Вт. Всё свободное пространство «кастрюли» заполнили каолиновым волокном. Вес модели в холодном состоянии составил 2,534кг. На этот раз взвешивание проводилось на электронных весах МК-6-А20 с ценой деления 2г. Это позволило наблюдать за изменением веса модели во времени вплоть до минут в процессе её нагревания, а затем остывания в естественных условиях. Модель была установлена на специальной подставке, исключающей возможность нагрева механизма весов. Результаты эксперимента сведены в таблицу.(см. таблицу изменения веса модели при нагреве и остывании)