ТОП-10 удивительных фактов о гравитации +что это такое и как она работает

Что такое гравитация и история ее открытия

Термин «гравитация» имеет латинское происхождение. Оно происходит от слова gravitas, что означает «вес». Мы также знакомы со словом «гравитация», которое описывает процесс, когда объекты притягиваются друг к другу. Именно эта сила удерживает нас на Земле и саму планету в определенном пространстве Солнечной системы.

Каково определение гравитации? Это сила, которая притягивает тела друг к другу. Все, что состоит из материи, то есть все, к чему можно прикоснуться, обладает гравитационным притяжением. Это относится к человеку, планете и яблоку.

Невозможно избежать действия гравитационной силы. Даже космонавты, находящиеся в невесомости в космосе, подвергаются его воздействию. Только очень быстрое движение помогает им поддерживать постоянное состояние свободного падения.

Как пишет Р. Дике в своем исследовании «Гравитация и Вселенная»:

• Жители Древней Греции считали, что сила, притягивающая предметы к Земле, — это их внутренняя гравитация, а не внешняя сила. Вот почему тяжелое тело стремится к поверхности планеты, а легкий огонь — к небу.
• Древнеиндийские ученые утверждали, что некая сила удерживает объекты на Земле, хотя сама она находится в центре Вселенной.
• В 600 году нашей эры математик Брахмагупта впервые описал гравитацию как силу притяжения.
• Исследования продолжались и в эпоху Возрождения: Галилео Галилей сбрасывал предметы разной массы с Пизанской башни, чтобы изучить процессы падения. В результате своих экспериментов он обнаружил, что различные объекты при падении ускоряются с одинаковой скоростью.
• Ученые Гримальди и Риччиоли вычислили гравитационную постоянную. Астрономы начали использовать полученные знания для расчета орбит известных планет.

Падающие предметы и гравитация.

Прорывом в описании гравитации стал закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Легенда гласит, что на голову ученого упало яблоко с дерева. После этого он начал интересоваться силой, которая заставляет предметы падать на землю. Ньютон выразил свои мысли математически и показал, что:

• чем больше объекты, тем сильнее притяжение между ними;
• чем больше расстояние между ними, тем слабее гравитация.

Движение некоторых планет, например, Меркурия, не может быть объяснено этим законом классической физики.

Научный поиск продолжался, и позже Эйнштейн со своей теорией общей относительности изменил взгляд физиков на понятие гравитации. Эта теория объясняет эффект гравитации не как силу, а как искривление пространства-времени, возникающее вблизи крупных объектов. Эти гипотезы помогли объяснить необычную орбиту Меркурия.

Изучение гравитации продолжается и сейчас, когда теория относительности прояснила некоторые несоответствия в ньютоновской гравитации. Вселенная предлагает ученым загадки, которые они пока не могут объяснить. Например, гравитация не вписывается в квантовую теорию поля. В настоящее время ведутся исследования того, как эта сила взаимодействует с другими фундаментальными силами.

Изучение гравитации имеет практическое применение. Космический зонд НАСА отслеживает изменения гравитации Земли, благодаря чему ученые могут фиксировать изменения уровня моря и земной коры.

Принципы работы гравитации

Гравитация очень важна. Это сила, которая удерживает объекты на Земле, а также придает им массу. На планетах, где гравитационное притяжение меньше, масса будет уменьшаться. Гравитация была необходима для создания Вселенной и сейчас служит стабилизирующей силой:

• Газы, существующие во Вселенной, притягиваются этой силой и объединяются, образуя крупные объекты — звезды, планеты и галактики. Возможно, именно эта сила стабилизировала частицы после Большого взрыва, в результате которого возникла Вселенная.
• Под действием гравитации Луны на водных путях Земли возникают приливы и отливы.
• Гравитация помогает удерживать Землю на постоянном расстоянии от Солнца. Он также поддерживает атмосферу, которая дает всем живым организмам воздух для дыхания и защищает их от солнечной радиации.

На то, как действует гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:

1. Степень тяжести любого объекта пропорциональна его массе. Чем больше объект, тем больше его гравитация. Поскольку наша планета является самым большим и близким объектом, на все влияет ее гравитационное притяжение. Это объясняет, почему, например, яблоко падает на землю, а не притягивается к голове человека.
2. Расстояние влияет на проявление гравитации. Когда объект находится далеко, гравитационное притяжение ослабевает. Таким образом, в просторах космоса можно найти точку, где гравитация Марса сильнее земной.

Движение Земли.

Сегодня физика говорит о четырех основных силах, присутствующих во Вселенной: гравитация, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Эти силы влияют на движение объектов и фактически определяют, как будет взаимодействовать все во Вселенной.

Гравитация считается самой слабой из них, но ее легко увидеть и почувствовать, и она очень влияет на масштаб воздействия. Гравитация — это фактор, который заставляет людей ходить по Земле, удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а само Солнце — на своем месте в Галактике.

Если бы гравитация по какой-то причине внезапно исчезла, все объекты, не прикрепленные к поверхности Земли, продолжали бы следовать за движением планеты и быстро оказались бы в просторах космоса:

• Первыми нас покинут атмосферный слой, а также воды океанов, рек и озер.
• Люди, находящиеся в этот момент снаружи, навсегда покинут Землю.
• Те, кто находится в помещении, смогут отдохнуть, так как здания, как правило, погружаются в землю и остаются на месте в течение некоторого времени.

Как отмечает исследовательница из Портсмутского университета Карен Мастерс, такие процессы в конечном итоге разрушат планету, поскольку не останется сил, способных удержать ее вместе.

Такова мощная и таинственная сила, которой является гравитация. Люди ежесекундно испытывают на себе его воздействие и часто мечтают преодолеть его. На самом деле, наша жизнь была бы невозможна без влияния гравитации.

Классические теории гравитации

Из-за того, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных и наблюдаемых условиях, до сих пор не существует надежных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации, общая теория относительности, множество гипотез, уточняющих ее, и конкурирующие теории с разной степенью развития. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время проводятся экспериментальные исследования. Ниже описаны некоторые из основных, наиболее разработанных или наиболее известных теорий гравитации.

Эйнштейн и общая теория относительности

Общая теория относительности Эйнштейна изменила представление физиков о гравитации. Считалось, что эффект гравитации вызывается искривлением пространства-времени, а не силой, которая возникает вокруг больших объектов, а скорее напоминает шар для боулинга, сидящий на батуте. Эта теория объяснила странную орбиту Меркурия и перевернула ньютоновскую гравитацию с ног на голову, поскольку гравитация больше не являлась силой, а была следствием геометрии.

Теория Эйнштейна — Картана

Теория Эйнштейна-Картана (ЭК) возникла как расширение ОТО, включающее описание влияния на пространство-время, помимо энергии-моментума, спина объектов. В теории ЕС вводится аффинное кручение, а в пространстве-времени вместо псевдоримановой геометрии используется геометрия Римана-Картана. В результате от метрической теории мы переходим к теории аффинного пространства-времени. Полученные уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса: один из них аналогичен ОТО, за исключением того, что тензор кривизны содержит аффинные компоненты кручения; второй класс уравнений определяет связь тензора кручения и тензора спина материи-радиуса.
Результирующие поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что даже гипотетические способы их измерения пока не очевидны.

Теория Бранса — Дикке

В скалярно-тензорных теориях, наиболее известной из которых является теория Брунса-Дика (или Джордана-Брунса-Дика), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется влиянием не только тензора энергии-момента материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Преобразованный тензор энергии-момента материи рассматривается как источник скалярного поля. Следовательно, скалярно-тензорные теории, такие как GR и RTG (релятивистская теория гравитации), относятся к метрическим теориям, которые дают объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум группам уравнений для компонент гравитационного поля: одна для метрики и одна для скалярного поля. Теория Брунса-Дика, благодаря наличию скалярного поля, может рассматриваться как действующая также в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.

Аналогичная декомпозиция уравнений на два класса имеет место в РТГ, где вводится второе тензорное уравнение, учитывающее связь между неевклидовым пространством и пространством Минковского. Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Жордана-Бранса-Дике, этот параметр может быть выбран так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. Таким образом, с увеличением параметра до бесконечности предсказания теории становятся все более близкими к ОТО, так что теория Джордана-Бранса-Дика не может быть опровергнута ни одним экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековые попытки, гравитация является единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого еще не построена общепризнанная последовательная квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие может быть представлено как обмен гравитонами — бозонами гильдии со спином 2. Однако полученная теория является ненормализуемой и поэтому считается неудовлетворительной.

В последние десятилетия для решения проблемы квантования гравитации были разработаны три перспективных подхода: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.

Теория струн

Заменяет частицы и фоновое пространство струнами и их многомерными аналогами — бранами. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но в смысле частиц, движущихся в этих бранах, они являются пространственно-временными структурами. Разновидностью теории струн является М-теория.

Петлевая квантовая гравитация

Она пытается сформулировать квантовую теорию поля без ссылки на пространственно-временной фон, пространство и время, согласно этой теории, состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определенным образом связаны друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они образуют пеструю дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное текучее пространство-время. В то время как многие космологические модели могут описать поведение Вселенной только с планковского времени после Большого взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва и даже заглянуть в будущее. Петлевая квантовая гравитация может описать все частицы стандартной модели без необходимости введения бозона Хиггса для объяснения их масс.

Причинная динамическая триангуляция

В нем пространство-время строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) величины порядка Планка, с учетом принципа причинности. Четырехмерность и псевдоевклидово пространство-время на макроскопических масштабах не постулируются в ней, а являются следствием теории.

Насколько важна гравитация?

Очень важно! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется все во Вселенной. Вот эти взаимодействия:

• гравитационный;
• электромагнитный;
• сильный;
• слабый.

Именно они создают мир таким, каким мы его знаем. Гравитация — самое крупномасштабное взаимодействие в этом списке, но и самое слабое; остальные определяют взаимодействия на уровне частиц.

Как гравитация повлияла на Вселенную

Гравитация — это то, что создает звезды и планеты, стягивая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца, а Луну — на орбите вокруг Земли.

Роль гравитации для землян

Условия, в которых мы живем, были бы невозможны без него. Она удерживает нашу планету на одном и том же расстоянии от Солнца, не дает атмосфере покинуть Землю, а также все, что находится на ее поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает моря к ней, вызывая подъем океана.

Луна и земные приливы и отливы.

Гравитация очень важна для нас. Без него мы не смогли бы жить на Земле. Гравитационное притяжение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном, комфортном для жизни расстоянии. Гравитация удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.

Гравитация — это то, что удерживает наш мир вместе.

Но гравитация не везде одинакова на Земле. Он немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.

Есть ли гравитация у человека?

Каждый материальный объект обладает гравитационной силой, и люди не являются исключением.

10 фактов о гравитации

1. Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Она достаточно быстрая, чтобы тело (например, космический зонд) могло обогнуть планету.
2. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость.
3. Объекты с самой сильной гравитацией — это черные дыры. Их гравитация настолько велика, что они даже притягивают свет (фотоны).
4. Вы не найдете силу гравитации ни в одном уравнении квантовой механики. Дело в том, что когда вы пытаетесь включить гравитацию в уравнения, они теряют свой смысл. Это одна из самых важных проблем в современной физике.
5. Слово «гравитация» происходит от латинского «gravis», что означает «тяжелый».
6. Чем массивнее объект, тем сильнее гравитация. Если взвесить на Юпитере человека, который на Земле весит 60 килограммов, то весы покажут 142 килограмма.
7. Ученые НАСА пытаются разработать гравитационный луч, который позволит перемещать объекты без контакта, преодолевая гравитацию.
8. Космонавты на орбите также испытывают гравитацию. Точнее, микрогравитация. Как будто они бесконечно падают вместе с кораблем, на котором находятся.
9. Гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает.
10. Черная дыра, размером с теннисный мяч, притягивает объекты с той же силой, что и наша планета.

Состояние невесомости — это не отсутствие гравитации.

Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, какая формула используется для расчета силы притяжения. Если гранит науки давит на вас сильнее, чем гравитация удерживает вас на месте, свяжитесь с нашей студенческой службой. Мы поможем вам учиться с легкостью при самых больших нагрузках!