Что такое тяготение: ТЯГОТЕНИЕ | это… Что такое ТЯГОТЕНИЕ?

ТЯГОТЕНИЕ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

• Тяготение как важнейший фактор структуры Вселенной.
• История представлений о тяготении.
• Дальнодействие.
• Теория поля и относительность.
• Следствия из общей теории относительности.
• Возрождение взглядов Маха на инерцию.
• Измерение гравитационной постоянной.

ТЯГОТЕНИЕ (ГРАВИТАЦИЯ), свойство материи, которое состоит в том, что между любыми двумя частицами существуют силы притяжения. Тяготение – универсальное взаимодействие, охватывающее всю доступную наблюдению Вселенную и потому называемое всемирным. Как мы увидим из дальнейшего, тяготение играет первостепенную роль в определении структуры всех астрономических тел во Вселенной, кроме мельчайших. Оно организует астрономические тела в системы, подобные нашей Солнечной системе или Млечному Пути, и лежит в основе структуры самой Вселенной.

Под «силой тяжести» принято понимать силу, создаваемую тяготением массивного тела, а под «ускорением силы тяжести» – ускорение, создаваемое этой силой. (Слово «массивное» употребляется здесь в смысле «обладающее массой», но рассматриваемое тело не обязательно должно обладать очень большой массой.) В еще более узком смысле под ускорением силы тяжести понимают ускорение тела, свободно падающего (без учета сопротивления воздуха) на поверхность Земли. В этом случае, поскольку вся система «Земля плюс падающее тело» вращается, в действие вступают силы инерции. Центробежная сила противодействует гравитационной силе и уменьшает эффективный вес тела на малую, но доступную измерению величину. Этот эффект падает до нуля на полюсах, через которые проходит ось вращения Земли, и достигает максимума на экваторе, где поверхность Земли отстоит от оси вращения на наибольшее расстояние. В любом локально проведенном эксперименте действие этой силы неотличимо от истинной силы тяжести. Поэтому под выражением «сила тяжести на поверхности Земли» обычно понимается совместное действие истинной силы тяжести и центробежной реакции. Термин «сила тяжести» удобно распространить и на другие небесные тела, говоря, например, «сила тяжести на поверхности планеты Марс».

Ускорение силы тяжести на поверхности Земли составляет 9,81 м/с². Это означает, что любое тело, свободно падающее вблизи поверхности Земли, увеличивает свою скорость (ускоряется) на 9,81 м/с за каждую секунду падения. Если тело начинало свободное падение из состояния покоя, то к концу первой секунды оно будет иметь скорость 9,81 м/с, к концу второй – 18,62 м/с и т.д.

Тяготение как важнейший фактор структуры Вселенной.

В структуре окружающего нас мира тяготение играет чрезвычайно важную, фундаментальную роль. По сравнению с электрическими силами притяжения и отталкивания между двумя заряженными элементарными частицами тяготение очень слабо. Отношение электростатической силы к гравитационной, действующей между двумя электронами, составляет около 4Ч10⁴⁶, т.е. 4 с 46 нулями. Причина, по которой столь большой разрыв по величине не обнаруживается на каждом шагу в повседневной жизни, заключается в том, что преобладающая часть вещества в своей обычной форме электрически почти нейтральна, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в его объеме одинаково. Поэтому огромные электрические силы объема просто не имеют возможности полностью развиться. Даже в таких «фокусах», как прилипание потертого воздушного шарика к потолку и вздыбливание волос при их расчесывании в сухой день электрические заряды разделяются лишь незначительно, но этого уже достаточно, чтобы преодолеть силы тяготения. Сила гравитационного притяжения настолько невелика, что измерить ее действие между телами обычных размеров, в лабораторных условиях, удается только при соблюдении особых предосторожностей. Например, сила гравитационного притяжения между двумя людьми массой по 80 кг, стоящих вплотную спиной друг к другу, составляет несколько десятых дины (менее 10^–5 Н). Измерения столь слабых сил затрудняются необходимостью их выделения на фоне разного рода посторонних сил, которые могут превышать измеряемую.

По мере увеличения масс гравитационные эффекты становятся все более заметными и в конце концов начинают доминировать над всеми остальными. Представим себе условия, царящие на одном из малых астероидов Солнечной системы – на шаровидной каменной глыбе радиусом 1 км. Сила тяжести на поверхности такого астероида составляет 1/15 000 силы тяжести на поверхности Земли, где ускорение свободного падения равно 9,81 м/с². Масса, весящая на поверхности Земли одну тонну, на поверхности такого астероида весила бы около 50 г. Скорость отрыва (при которой тело, двигаясь по радиусу от центра астероида, преодолевает созданное последним гравитационное поле) составила бы всего лишь 1,2 м/с, или 4 км/ч (скорость не очень быстро идущего пешехода), так что, гуляя по поверхности астероида, приходилось бы избегать резких движений и не превышать указанную скорость, чтобы не улететь навсегда в космическое пространство. Роль самогравитации растет по мере перехода ко все более крупным телам – Земле, большим планетам, вроде Юпитера, и, наконец, к звездам, например Солнцу. Так, самогравитация поддерживает сферическую форму жидкого ядра Земли и окружающей это ядро ее твердой мантии, как и земную атмосферу. Межмолекулярные силы сцепления, удерживающие вместе частицы твердых тел и жидкостей, в космических масштабах уже не эффективны, и только самогравитация позволяет существовать как единому целому таким гигантским газовым шарам, как звезды. Без гравитации этих тел просто не было бы, как не было бы и миров, пригодных для жизни.

При переходе к еще бóльшим масштабам гравитация организует отдельные небесные тела в системы. Размеры таких систем разные – от сравнительно небольших (с астрономической точки зрения) и простых систем, как, например, система Земля – Луна, Солнечная система и двойные или кратные звезды, до насчитывающих сотни тысяч звезд больших звездных скоплений. «Жизнь», или эволюцию, отдельного звездного скопления можно рассматривать как балансирование между взаимным расхождением звезд и тяготением, которое стремится удержать скопление как единое целое. Время от времени какая-нибудь звезда, двигаясь в направлении других звезд, приобретает от них импульс и скорость, позволяющие ей вылететь из скопления и навсегда покинуть его. Оставшиеся звезды образуют еще более тесное скопление, и тяготение связывает их еще сильнее, чем прежде. Тяготение помогает также удерживаться вместе в космическом пространстве газовым и пылевым облакам, а иногда даже сжимает их в компактные и более или менее шарообразные сгустки материи. Темные силуэты многих таких объектов можно наблюдать на более ярком фоне Млечного Пути. Согласно принятой сегодня теории формирования звезд, если масса такого объекта достаточно велика, то давление в его недрах достигает уровня, при котором становятся возможными ядерные реакции, и плотный сгусток материи превращается в звезду. Астрономам удалось получить снимки, подтверждающие образование звезд в тех местах космического пространства, где ранее наблюдались только облака материи, что свидетельствует в пользу существующей теории.

Тяготение играет важнейшую роль во всех теориях происхождения, развития и строения Вселенной в целом. Почти все они опираются на общую теорию относительности. В этой теории, созданной Эйнштейном в начале 20 в., тяготение рассматривается как свойство четырехмерной геометрии пространства-времени, как нечто подобное кривизне сферической поверхности, обобщенной на большее число измерений. «Искривленность» пространства-времени тесно связана с распределением находящейся в нем материи.

Во всех космологических теориях принимается, что тяготение – свойство любого вида материи, проявляющееся повсюду во Вселенной, хотя отнюдь не предполагается, что создаваемые тяготением эффекты везде одни и те же. Например, гравитационная постоянная G (о которой мы расскажем дальше) в зависимости от места и времени может изменяться, хотя прямых данных наблюдения, которые подтверждали бы это, пока нет. Гравитационная постоянная G – одна из физических констант нашего мира, равно как скорость света либо электрический заряд электрона или протона. С той точностью, с которой позволяют измерить эту постоянную современные экспериментальные методы, ее значение не зависит от того, какой разновидностью материи создано тяготение. Существенна только масса. Массу можно понимать двояко: как меру способности притягивать другие тела, – это свойство имеют в виду, когда говорят о тяжелой (гравитационной) массе, – или как меру сопротивления тела попыткам его ускорить (привести в движение, если тело покоится, остановить, если тело движется, или изменить его траекторию), – это свойство массы имеют в виду, когда говорят об инертной массе. Интуитивно эти две разновидности массы не кажутся одним и тем же свойством материи, однако общая теория относительности постулирует их тождество и строит картину мира, исходя из этого постулата. См. также МАССА.

Тяготение имеет и еще одну особенность; по-видимому, не существует никакого мыслимого способа избавиться от эффектов гравитации, кроме как удалиться на бесконечно большое расстояние от всякой материи. Ни одно известное вещество не обладает отрицательной массой, т.е. свойством быть отталкиваемым полем тяготения. Даже антиматерия (позитроны, антипротоны и т.п.) имеет положительную массу. От гравитации невозможно избавиться с помощью некоего экрана, как от электрического поля. Во время лунных затмений Луна «заслоняется» Землей от притяжения Солнца, и эффект от такой экранировки накапливался бы от одного затмения к другому, но этого нет.

История представлений о тяготении.

Как показано выше, тяготение – одно из наиболее распространенных взаимодействий материи с материей и в то же время одно из наиболее таинственных и загадочных. К объяснению феномена тяготения современные теории сколько-нибудь существенно не приблизились.

Тем не менее тяготение всегда явно или неявно переплеталось с космологией, так что оба эти предмета неразделимы. Первые космологии, такие, как космологии Аристотеля и Птолемея, просуществовавшие вплоть до 18 в. во многом благодаря авторитету этих мыслителей, вряд ли были чем-нибудь бóльшим, чем систематизацией наивных взглядов древних. В этих космологиях материя подразделялась на четыре класса, или «элемента»: землю, воду, воздух и огонь (в порядке от тяжелого к легкому). Слова «сила тяжести» первоначально означали просто «тяжесть»; объекты, состоявшие из элемента «земля», обладали свойством «тяжести» в большей степени, чем объекты, состоявшие из других элементов. Естественным местоположением тяжелых объектов был центр Земли, которая считалась центром мироздания. Наименее других «тяжестью» наделен был элемент «огонь»; более того, огню была присуща своего рода отрицательная тяжесть, действие которой проявлялось не в тяготении, а в «левитации». Естественным местом для огня были внешние границы земной части мира. В последних вариантах этой теории постулировалось существование пятой сущности («квинтэссенции», иногда называемой «эфиром», которая была свободна от эффектов тяжести). Постулировалось также, что из квинтэссенции состоят небесные тела. Если земное тело каким-то образом оказывалось не на своем естественном месте, то оно стремилось вернуться туда путем естественного движения, свойственного ему точно так же, как животному свойственно целенаправленное передвижение с помощью ног или крыльев. Сказанное относится к движению камня в пространстве, пузырька в воде и пламени в воздухе.

Галилей (1564–1642), исследуя движение тел под действием силы тяжести, обнаружил, что период колебаний маятника не зависит от того, велико или мало было первоначальное отклонение маятника от положения равновесия. Галилей экспериментально установил также, что в отсутствие сопротивления воздуха тяжелые и легкие тела падают на землю с одинаковым ускорением. (Аристотель утверждал, что тяжелые тела падают быстрее легких, причем тем быстрее, чем они тяжелее.) Наконец, Галилей высказал идею о постоянстве ускорения свободного падения и сформулировал утверждения, которые по существу являются предшественниками законов движения Ньютона. Именно Галилей первым понял, что для тела, на которое не действуют силы, равномерное прямолинейное движение столь же естественно, как и состояние покоя.

Объединить разрозненные фрагменты и построить логичную и непротиворечивую теорию выпало на долю блестящего английского математика И.Ньютона (1643–1727). Эти разрозненные фрагменты были созданы усилиями многих исследователей. Здесь и гелиоцентрическая теория Коперника, воспринятая Галилеем, Кеплером и другими как подлинная физическая модель мира; и подробные и точные астрономические наблюдения Браге; и концентрированное выражение этих наблюдений в трех законах движения планет Кеплера; и начатая Галилеем работа по формулировке законов механики на основе четко определенных понятий, а также гипотезы и частичные решения проблем, найденные такими современниками Ньютона, как Х. Гюйгенс, Р.Гук и Э.Галлей. Чтобы осуществить свой величественный синтез, Ньютону понадобилось завершить создание новой математики, получившей название дифференциального и интегрального исчислений. Параллельно с Ньютоном над созданием дифференциального и интегрального исчислений независимо работал его современник Г.Лейбниц.

Хотя принадлежащий Вольтеру анекдот о яблоке, упавшем на голову Ньютона, скорее всего, не соответствует действительности, тем не менее он в какой-то мере характеризует тот тип мышления, который был продемонстрирован Ньютоном в его подходе к проблеме тяготения. Ньютон настойчиво задавался вопросами: «Является ли сила, удерживающая Луну на ее орбите при движении вокруг Земли, той же самой силой, которая заставляет тела падать на земную поверхность? Сколь интенсивным должно быть земное тяготение, чтобы искривить орбиту Луны так, как это происходит в действительности?» Чтобы найти ответ на эти вопросы, Ньютону необходимо было прежде всего дать определение понятия силы, которое охватывало бы и фактор, вызывающий отклонение тела от исходной траектории движения, а не просто ускорение или замедление при движении вверх или вниз. Ньютону было необходимо также точно знать размеры Земли и расстояние от Земли до Луны. Он предполагал, что притяжение, создаваемое земным тяготением, убывает с увеличением расстояния от притягивающего тела как обратный квадрат расстояния, т.е. при увеличении расстояния. Истинность такого заключения для круговых орбит легко может быть выведена из законов Кеплера без обращения к дифференциальному исчислению. Наконец, когда в 1660-х годах Пикар произвел геодезическую съемку северных областей Франции (одну из первых геодезических съемок), он смог уточнить значение длины одного градуса широты на земной поверхности, что позволило точнее определить размеры Земли и расстояние от Земли до Луны. Измерения Пикара еще более укрепили Ньютона во мнении, что он находится на правильном пути. Наконец, в 1686–1687 в ответ на запрос незадолго до того образованного Королевского общества Ньютон опубликовал свои знаменитые Математические начала натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica), ознаменовавшие рождение современной механики. В этой работе Ньютон сформулировал свой знаменитый закон всемирного тяготения; в современных алгебраических обозначениях этот закон выражается формулой

где F – сила притяжения между двумя материальными телами с массами М₁ и М₂, а R – расстояние между этими телами. Коэффициент G называется гравитационной постоянной. В метрической системе масса измеряется в килограммах, расстояние – в метрах, а сила – в ньютонах и гравитационная постоянная G имеет значение G = 6,67259Ч10^–11 м³Чкг^–1Чс^–2. Малостью гравитационной постоянной и объясняется то, что гравитационные эффекты становятся заметными только при большой массе тел.

Методами математического анализа Ньютон показал, что сферическое тело, например Луна, Солнце или планета, создает тяготение так же, как и материальная точка, которая находится в центре сферы и имеет эквивалентную ей массу. Дифференциальное и интегральное исчисления позволили и самому Ньютону, и его последователям успешно решить новые классы задач, например обратную задачу определения силы по неравномерному или криволинейному движению тела, движущегося под ее воздействием; предсказать скорость и положение тела в любой момент времени в будущем, если известна сила как функция положения; решить задачу о полной силе притяжения любого тела (не обязательно сферической формы) в любой заданной точке пространства. Новые мощные математические средства открыли путь к решению многих сложных, прежде неразрешимых задач не только для гравитационного, но и для других полей.

Ньютон показал также, что из-за 24-часового периода вращения вокруг собственной оси Земля должна иметь не строго сферическую, а несколько сплющенную форму. Следствия, вытекающие из исследований Ньютона в этой области, ведут нас в область гравиметрии – науки, занимающейся измерением и интерпретацией силы тяжести на поверхности Земли.

Дальнодействие.

Однако в ньютоновских Началах имеется пробел. Дело в том, что, определив силу тяжести и дав описывающее ее математическое выражение, Ньютон не объяснил, что такое тяготение и как оно действует. Вопросы, которые вызывали и продолжают вызывать множество споров с 18 в. до последнего времени, заключается в следующем: каким образом тело, находящееся в одном месте (например, Солнце), притягивает тело (например, Землю), находящееся в другом месте, если между телами нет никакой материальной связи? Как быстро распространяются гравитационные эффекты? Мгновенно? Со скоростью света и других электромагнитных колебаний или с какой-нибудь другой скоростью? Ньютон не верил в возможность дальнодействия, он просто проводил вычисления так, как если бы закон обратной пропорциональности квадрату расстояния был признанным фактом. Многие, в том числе Лейбниц, епископ Беркли и последователи Декарта, соглашались с ньютоновской точкой зрения, но пребывали в убеждении, что явления, оторванные в пространстве от вызывающих их причин, немыслимы без какого-нибудь физического агента-посредника, замыкающего причинно-следственную связь между ними.

Позднее все эти и другие вопросы перешли по наследству к аналогичным теориям, объяснявшим распространение света. Светоносная среда получила название эфира, и, следуя более ранним философам, в частности Декарту, физики пришли к заключению, что гравитационные (а также электрические и магнитные) силы передаются как своего рода давление в эфире. И лишь когда все попытки сформулировать непротиворечивую теорию эфира оказались безуспешными, стало ясно, что хотя эфир и давал ответ на вопрос о том, как осуществляется действие на расстоянии, этот ответ не был правильным.

Теория поля и относительность.

Собрать воедино разрозненные фрагменты теорий, изгнать эфир и постулировать, что в действительности не существует ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени, поскольку ни один эксперимент не подтверждает их существования, выпало на долю А. Эйнштейна (1879–1955). В этом его роль была аналогична роли Ньютона. Для создания своей теории Эйнштейну, как некогда Ньютону, понадобилась новая математика – тензорный анализ.

То, что Эйнштейну удалось сделать, до некоторой степени является следствием нового образа мыслей, формировавшегося на протяжении 19 в. и связанного с появлением понятия поля. Поле в том смысле, в каком употребляет этот термин современный физик-теоретик, есть область идеализированного пространства, в котором посредством указания некоторой системы координат задаются положения точек вместе с зависящей от этих положений физической величиной или некоторой совокупностью величин. При переходе от одной точки пространства к другой, соседней, она должна гладко (непрерывно) убывать или возрастать, а также может изменяться со временем. Например, скорость воды в реке изменяется как с глубиной, так и от берега к берегу; температура в комнате выше у печки; интенсивность (яркость) освещения убывает при увеличении расстояния от источника света. Все это – примеры полей. Физики считают поля реальными вещами. В подтверждение своей точки зрения они ссылаются на физический довод: восприятие света, тепла или электрического заряда столь же реально, как и восприятие физического объекта, в существовании которого все убеждены на том основании, что его можно осязать, ощутить его тяжесть или видеть. Кроме того, эксперименты, например, с рассыпанными железными опилками вблизи магнита, их выстраивание вдоль определенной системы искривленных линий делают магнитное поле непосредственно воспринимаемым до такой степени, что никто не усомнится, что вокруг магнита есть «нечто» и после того, как убраны железные опилки. Магнитные «силовые линии», как назвал их Фарадей, образуют магнитное поле.

До сих пор мы избегали упоминаний о гравитационном поле. Ускорение свободного падения g на поверхности Земли, которое меняется от точки к точке на земной поверхности и убывает с высотой, и есть такое поле. Но огромный шаг вперед, который совершил Эйнштейн, состоял не в манипулировании с гравитационным полем нашего повседневного опыта.

Вместо того чтобы следовать Фицджеральду и Лоренцу и рассматривать взаимодействие между вездесущим эфиром и движущимися сквозь него измерительными стержнями и часами, Эйнштейн ввел физический постулат, согласно которому любой наблюдатель А, измеряющий скорость света с помощью мерных стержней и часов, которые он носит с собой, неизменно получит один и тот же результат c = 3Ч10⁸ м/с независимо от того, как быстро движется наблюдатель; мерные стержни любого другого наблюдателя В, движущегося относительно А со скоростью v, будут выглядеть для наблюдателя А сокращенными в раз; часы наблюдателя В будут выглядеть для наблюдателя А идущими медленнее в раз; отношения между наблюдателями А и В в точности взаимны, поэтому мерные стержни наблюдателя А и его часы будут для наблюдателя В соответственно столь же более короткими и идущими медленнее; каждый из наблюдателей может считать себя неподвижным, а другого движущимся. Еще одно следствие из частной (специальной) теории относительности состояло в том, что масса m тела, движущегося со скоростью v относительно наблюдателя, увеличивается (для наблюдателя) и становится равной , где m₀ – масса того же тела, движущегося относительно наблюдателя очень медленно. Увеличение инертной массы движущегося тела означало, что не только энергия движения (кинетическая энергия), но и вся энергия обладает инертной массой и что если энергия обладает инертной массой, то она обладает и тяжелой массой и, следовательно, подвержена гравитационным эффектам. Кроме того, как ныне хорошо известно, при определенных условиях в ядерных процессах масса может превращаться в энергию. (Вероятно, точнее было бы говорить о высвобождении энергии.) Если принятые допущения верны (а ныне для такой уверенности у нас имеются все основания), то, стало быть, масса и энергия – различные аспекты одной и той же более фундаментальной сущности.

Приведенная выше формула указывает также на то, что ни одно материальное тело и ни один несущий энергию объект (например, волна), не могут двигаться относительно наблюдателя быстрее, чем со скоростью света с, т. к. в противном случае для такого движения потребовалась бы бесконечно большая энергия. Следовательно, гравитационные эффекты должны распространяться со скоростью света (доводы в пользу этого приводились еще до создания теории относительности). Примеры таких гравитационных явлений позднее были обнаружены и вошли в общую теорию.

В случае равномерного и прямолинейного относительного движения наблюдаемые сокращения мерных стержней и замедление хода часов приводят к частной теории относительности. Позднее понятия этой теории были обобщены и на ускоренное относительное движение, для чего потребовалось ввести еще один постулат – так называемый принцип эквивалентности, позволивший включить в модель гравитацию, отсутствовавшую в частной теории относительности.

Долгое время считалось, а очень тщательные измерения, произведенные в конце 19 в. венгерским физиком Л.Этвешем, подтвердили, что в пределах ошибки эксперимента тяжелая и инертная массы численно равны. (Напомним, что тяжелая масса тела служит мерой силы, с которой это тело притягивает другие тела, тогда как инертная масса есть мера сопротивления тела ускорению. ) В то же время ускорение свободно падающих тел не было бы совершенно независимым от их массы, если бы инертная и тяжелая массы тела не были абсолютно равны. Эйнштейн постулировал, что эти две разновидности массы, которые кажутся разными, поскольку измеряются в разных экспериментах, в действительности одно и то же. Отсюда тотчас же следовало, что не существует физического различия между силой тяжести, которую мы ощущаем подошвами своих ног, и силой инерции, которая отбрасывает нас к спинке кресла, когда автомашина ускоряется, или бросает нас вперед, когда мы жмем на тормоза. Мысленно представим себе (как это сделал Эйнштейн) замкнутое помещение, например лифт или космический корабль, внутри которого можно изучать движение тел. В космическом пространстве, на достаточно большом расстоянии от любой массивной звезды или планеты, чтобы их притяжение не влияло на тела в этом замкнутом помещении, любой выпущенный из рук предмет не упал бы на пол, а продолжал бы парить в воздухе, двигаясь в том же направлении, в котором двигался, когда его выпустили из рук. Все предметы обладали бы массой, но не имели бы веса. В гравитационном поле вблизи поверхности Земли тела обладают и массой, и весом. Если вы выпустите их из рук, они падают на землю. Но если бы, например, лифт падал свободно, не встречая никакого сопротивления, то предметы в лифте казались бы невесомыми наблюдателю, находящемуся в лифте, и если бы он выпускал из рук какие-нибудь предметы, то они не падали бы на пол. Результат был бы таким же, как если бы все происходило в космическом пространстве вдали от притягивающих тел, и ни один эксперимент не мог бы показать наблюдателю, что он находится в состоянии свободного падения. Выглянув в иллюминатор и увидев где-то далеко внизу под собой Землю, наблюдатель мог бы сказать, что Земля несется навстречу ему. Однако с точки зрения наблюдателя на Земле и лифт, и все предметы в нем падают одинаково быстро, поэтому падающие предметы не отстают и не опережают лифт, а потому и не приближаются к его полу, в сторону которого они падают.

Теперь представим себе космический корабль, поднимаемый ракетой-носителем в космос со все возрастающей скоростью. Если космонавт в корабле выпустит предмет из рук, то предмет (как и прежде) будет продолжать двигаться в пространстве с той скоростью, с которой он был выпущен, но, поскольку теперь пол космического корабля движется ускоренно навстречу предмету, все будет выглядеть так, как если бы предмет падал. Более того, космонавт ощущал бы действующую на ноги силу и мог бы интерпретировать ее как силу тяжести, и ни один эксперимент, который он мог бы выполнить, находясь в поднимающемся космическом корабле, не противоречил бы такой интерпретации.

Эйнштейновский принцип эквивалентности просто уравнивает эти две кажущиеся совершенно различными ситуации и утверждает, что сила тяжести и силы инерции – одно и то же. Главное отличие состоит в том, что в достаточно большой области силу инерции (например, центробежную) можно исключить путем подходящего преобразования системы отсчета (например, центробежная сила действует только во вращающейся системе координат, и ее можно исключить, перейдя к невращающейся системе отсчета). Что же касается силы тяжести, то перейдя к другой системе отсчета (свободно падающей), от нее можно избавиться только локально. Мысленно представляя себе всю Землю целиком, мы предпочитаем считать ее неподвижной, полагая, что на тела, находящиеся на поверхности Земли, действуют гравитационные силы, а не силы инерции. В противном случае нам пришлось бы считать, что поверхность Земли во всех своих точках ускорена вовне и что Земля, расширяясь, как надуваемый воздушный шарик, давит на ступни наших ног. Такая точка зрения, вполне приемлемая с точки зрения динамики, неверна с точки зрения обычной геометрии. Однако в рамках общей теории относительности обе точки зрения одинаково приемлемы.

Геометрия, возникающая в результате измерения длин и временных интервалов, свободно преобразуемых из одной ускоренно движущейся системы отсчета в другую, оказывается криволинейной геометрией, очень похожей на геометрию сферических поверхностей, но обобщенной на случай четырех измерений – трех пространственных и одного временного – точно так же, как в частной теории относительности. Кривизна, или деформация, пространства-времени – не просто оборот речи, а нечто большее, так как определяется способом измерения расстояний между точками и продолжительностью временных интервалов между событиями в этих точках. То, что кривизна пространства-времени является реальным физическим эффектом, лучше всего можно продемонстрировать на нескольких примерах.

Согласно теории относительности, луч света, проходя вблизи большой массы, искривляется. Так происходит, например, с лучом света от далекой звезды, проходящим вблизи края солнечного диска. Но и искривленный луч света продолжает оставаться кратчайшим расстоянием от звезды до глаза наблюдателя. Это утверждение верно в двояком смысле. В традиционных обозначениях релятивистской математики отрезок прямой dS, разделяющий две соседние точки, вычисляется по теореме Пифагора обычной евклидовой геометрии, т.е. по формуле dS² = dx² + dy² + dz². Точка пространства вместе с моментом времени называется событием, а расстояние в пространстве-времени, разделяющее два события, – интервалом. Чтобы определить интервал между двумя событиями, временнóе измерение t комбинируется с тремя пространственными координатами x, y, z следующим образом. Разность времен между двумя событиями dt преобразуется в пространственное расстояние сЧdt умножением на скорость света с (постоянную для всех наблюдателей). Полученный результат должен быть совместим с преобразованием Лоренца, из которого следует, что мерный стержень движущегося наблюдателя сокращается, а часы замедляют свой ход соответственно выражению. Преобразование Лоренца должно быть применимо и в предельном случае, когда наблюдатель движется вместе со световой волной и его часы стоят (т.е. dt = 0), а сам он не считает себя движущимся (т.е. dS = 0), так что

(Интервал)² = dS² = dx² + dy² + dz² – (cЧdt)².

Основная особенность этой формулы состоит в том, что знак временнóго члена противоположен знаку пространственных членов. Далее, вдоль светового луча для всех наблюдателей, движущихся вместе с лучом, имеем dS² = 0 и, согласно теории относительности, все остальные наблюдатели должны были бы получить такой же результат. В этом первом (пространственно-временном) смысле dS – минимальное пространственно-временное расстояние. Но во втором смысле, поскольку свет распространяется по пути, требующему наименьшего времени для достижения конечного пункта по любым часам, численные значения пространственного и временного интервалов минимальны для светового луча.

Все изложенные выше рассуждения относятся к событиям, разделенным лишь малыми расстояниями и временами; иначе говоря, dx, dy, dz и dt – малые величины. Но результаты могут быть легко обобщены на протяженные траектории методом интегрального исчисления, суть которого в суммировании по всему пути от точки к точке всех этих бесконечно малых интервалов.

Рассуждая далее, мысленно представим себе пространство-время разделенным на четырехмерные ячейки подобно тому, как двумерная карта разделена на двумерные квадраты. Сторона такой четырехмерной ячейки равна единице времени или расстояния. В пространстве, свободном от поля, сетка состоит из прямых, пересекающихся под прямым углом, но в гравитационном поле вблизи массы линии сетки искривляются, хотя также пересекаются под прямыми углами, как параллели и меридианы на глобусе. При этом искривленными линии сетки выглядят только для внешнего наблюдателя, число измерений которого больше числа измерений сетки. Мы существуем в трехмерном пространстве и, глядя на карту или схему, можем воспринимать ее трехмерно. Субъект же, находящийся в самой этой сетке, например микроскопическое существо на глобусе, не имеющее представления о том, что такое вверх или вниз, не может воспринимать кривизну глобуса непосредственно и должно было бы произвести измерения и посмотреть, какого рода геометрия возникает из всей совокупности результатов измерений – будет ли это евклидова геометрия, соответствующая плоскому листу бумаги, или криволинейная геометрия, соответствующая поверхности сферы или какой-либо другой искривленной поверхности. Точно так же мы не можем видеть кривизну окружающего нас пространства-времени, но, анализируя результаты своих измерений, можем обнаружить особые геометрические свойства, в точности аналогичные реальной кривизне.

Теперь представим себе огромный треугольник в свободном пространстве, сторонами которого служат три прямые. Если внутрь такого треугольника поместить массу, то пространство (т.е. выявляющая его геометрическую структуру четырехмерная координатная сетка) слегка раздуется так, что сумма внутренних углов треугольника станет больше, чем в отсутствие массы. Аналогично можно представить себе в свободном пространстве гигантскую окружность, длину и диаметр которой вы очень точно измерили. Вы обнаружили, что отношение длины окружности к диаметру равно числу p (если свободное пространство евклидово). Поместите в центр окружности большую массу и повторите измерения. Отношение длины окружности к диаметру станет меньше p, хотя мерный стержень (если рассматривать его с некоторого расстояния) будет выглядеть сократившимся и тогда, когда его укладывают вдоль окружности, и тогда, когда его укладывают вдоль диаметра, но сами величины сокращений будут разными.

В криволинейной геометрии кривая, соединяющая две точки и кратчайшая среди всех кривых такого рода, называется геодезической. В четырехмерной криволинейной геометрии общей теории относительности траектории световых лучей образуют один класс геодезических. Оказывается, что траектория любой свободной частицы (на которую не действует какая-либо контактная сила) также представляет собой геодезическую, но более общего класса. Например, планета, свободно движущаяся по своей орбите вокруг Солнца, движется по геодезической так же, как и свободно падающий лифт в рассмотренном ранее примере. Геодезические являются пространственно-временными аналогами прямых линий ньютоновской механики. Тела просто движутся по своим естественным криволинейным траекториям – линиям наименьшего сопротивления, – так что отпадает необходимость в обращении к «силе» для объяснения такого поведения тела. На тела же, находящиеся на поверхности Земли, действует контактная сила непосредственного соприкосновения с Землей, и с этой точки зрения можно считать, что Земля сталкивает их с геодезических орбит. Следовательно, траектории тел на поверхности Земли не являются геодезическими.

Итак, тяготение свелось к геометрическому свойству физического пространства, и гравитационное поле оказалось замененным «метрическим полем». Как и другие поля, метрическое поле представляет собой набор чисел (всего их десять), изменяющихся от точки к точке и в совокупности описывающих локальную геометрию. По этим числам, в частности, можно определить, как и в каком направлении искривлено метрическое поле.

Следствия из общей теории относительности.

Еще одним предсказанием общей теории относительности, вытекающим из принципа эквивалентности, является так называемое гравитационное красное смещение, т.е. уменьшение частоты излучения, идущего к нам из области с более низким гравитационным потенциалом. Хотя в литературе встречаются многочисленные предположения о том, что свет, претерпевший красное смещение, был испущен с поверхности сверхплотных звезд, убедительных доказательств тому все же нет, и вопрос остается открытым. Эффект такого смещения действительно наблюдался в лабораторных условиях – между вершиной и основанием башни. В этих экспериментах были использованы гравитационное поле Земли и строго монохроматическое гамма-излучение, испускаемое атомами, связанными в кристаллической решетке (эффект Мёссбауэра). Для объяснения этого явления проще всего обратиться к гипотетическому лифту, в котором наверху помещен источник света, а внизу – приемник, или наоборот. Наблюдаемое смещение в точности совпадает со сдвигом Доплера, соответствующим дополнительной скорости приемника в момент прихода сигнала по сравнению со скоростью источника в момент испускания сигнала. Эта дополнительная скорость обусловлена ускорением за то время, пока сигнал находится в пути.

Еще одно, причем почти сразу признанное предсказание общей теории относительности касается движения планеты Меркурий вокруг Солнца (и, в меньшей степени, движения других планет). Перигелий орбиты Меркурия, т.е. точка на его орбите, в которой планета находится ближе всего к Солнцу, смещается на 574І за столетие, совершая полный оборот за 226 000 лет. Ньютоновская механика, учитывая гравитационное действие всех известных планет, смогла объяснить смещение перигелия лишь на 532І в столетие. Разность в 42 угловые секунды, хотя и мала, все же гораздо больше любой возможной погрешности, и мучила астрономов на протяжении почти целого века. Общая теория относительности почти точно предсказала этот эффект.

Возрождение взглядов Маха на инерцию.

Э.Мах (1838–1916), как и младший современник Ньютона Беркли, неоднократно задавал себе вопросы: «Чем объясняется инерция? Почему при вращении тела возникает центробежная реакция?» В поисках ответа на эти вопросы Мах высказал предположение, что инерция обусловлена гравитационной связанностью Вселенной. Каждая частица материи объединена со всей остальной материей во Вселенной гравитационными связями, интенсивность которых пропорциональна ее массе. Поэтому, когда приложенная к частице сила ее ускоряет, гравитационные связи Вселенной в целом сопротивляются этой силе, создавая равную по величине и противоположную по направлению силу инерции. В более позднее время поднятый Махом вопрос возродился и приобрел новый поворот: если не существует ни абсолютного движения, ни абсолютного линейного ускорения, то нельзя ли исключить и абсолютное вращение? Положение вещей таково, что вращение относительно внешнего мира можно обнаружить в изолированной лаборатории без непосредственного обращения к внешнему миру. Это позволяют сделать центробежные силы (вынуждающие поверхность воды во вращающемся ведре принимать вогнутую форму) и кориолисовы силы (создающие кажущуюся кривизну траектории тела во вращающейся системе координат. Конечно, представить себе небольшое вращающееся тело несравненно проще, чем вращающуюся Вселенную. Но вопрос вот в чем: если бы остальная часть Вселенной исчезла, то как мы могли бы судить, вращается ли некое тело «абсолютно»? Осталась бы поверхность воды в ведре вогнутой? Создавал бы вращающийся груз натяжение веревки? Мах считал, что ответы на эти вопросы должны быть отрицательными. Если тяготение и инерция взаимосвязаны, то можно было бы ожидать, что изменения в плотности или распределении удаленной материи каким-то образом скажутся на значении гравитационной постоянной G. Например, если Вселенная расширяется, то величина G должна медленно изменяться со временем. Изменение величины G могло бы сказаться на периодах колебаний маятника и обращения планет вокруг Солнца. Такие изменения можно обнаружить только путем измерения временных интервалов с помощью атомных часов, ход которых не зависит от G.

Измерение гравитационной постоянной.

Экспериментальное определение гравитационной постоянной G позволяет установить мост между теоретическими и абстрактными аспектами тяготения как универсального атрибута материи и более земным вопросом ее локализации и оценки массы материи, создающей гравитационные эффекты. Последнюю операцию иногда называют взвешиванием. С точки зрения теории мы уже видели, что G – одна из фундаментальных постоянных природы и поэтому имеет первостепенное значение для физической теории. Но величина G должна быть известна и в том случае, если мы хотим обнаружить и «взвесить» материю на основании того гравитационного действия, которое она создает.

По закону всемирного тяготения Ньютона ускорение любого пробного тела в гравитационном поле другого тела с массой m дается формулой g = Gm/r², где r – расстояние от тела с массой m. В астрономические уравнения движения множители G и m входят только в виде произведения Gm, но никогда не входят по отдельности. Это означает, что массу m, создающую ускорение, можно оценить только в том случае, если известна величина G. Но исходя из отношений масс, можно, сравнивая производимые ими ускорения, выразить массы планет и Солнца в земных массах. Действительно, если два тела создают ускорения g₁ и g₂, то отношение их масс равно m₁/m₂ = g₁r₁²/g₂r₂². Это позволяет выражать массы всех небесных тел через массу какого-нибудь одного выбранного тела, например Земли. Такая процедура равнозначна выбору массы Земли в качестве эталона массы. Чтобы перейти от этой процедуры к системе единиц сантиметр–грамм–секунда, нужно знать массу Земли в граммах. Если она известна, то можно вычислить G, найдя произведение Gm из любого уравнения, описывающего создаваемые Землей гравитационные эффекты (например, движение Луны или искусственного спутника Земли, колебания маятника, ускорение тела при свободном падении). И наоборот, если G можно измерить независимо, то произведение Gm, входящее во все уравнения движения небесных тел, даст массу Земли. Эти соображения позволили экспериментально оценить G. Примером может служить знаменитый эксперимент Кавендиша с торсионными весами, проведенный в 1798. Установка состояла из двух небольших масс на концах уравновешенного стержня, прикрепленного посередине к длинной нити торсионного подвеса. Две другие, более крупные массы закреплены на вращающейся подставке так, что их можно подвести к малым массам. Притяжение, действующее со стороны бóльших масс на меньшие, хотя и намного слабее притяжения такой большой массы, как Земля, поворачивает стержень, на котором закреплены малые массы, и закручивает нить подвеса на угол, который можно измерить. Подведя затем бóльшие массы к меньшим с другой стороны (чтобы направление притяжения изменилось), можно удвоить смещение и тем самым повысить точность измерения. Модуль упругости при кручении нити предполагается известным, так как его легко можно измерить в лаборатории. Поэтому, измерив угол закручивания нити, можно вычислить силу притяжения между массами.

ТЯГОТЕНИЕ – Что такое ТЯГОТЕНИЕ?

Слово состоит из 9 букв: первая т, вторая я, третья г, четвёртая о, пятая т, шестая е, седьмая н, восьмая и, последняя е,

Слово тяготение английскими буквами(транслитом) – tyagotenie

• Буква т встречается 2 раза. Слова с 2 буквами т
• Буква я встречается 1 раз. Слова с 1 буквой я
• Буква г встречается 1 раз. Слова с 1 буквой г
• Буква о встречается 1 раз. Слова с 1 буквой о
• Буква е встречается 2 раза. Слова с 2 буквами е
• Буква н встречается 1 раз. Слова с 1 буквой н
• Буква и встречается 1 раз. Слова с 1 буквой и

ТЯГОТЕНИЯ ТЕОРИЯ

ТЯГОТЕНИЯ ТЕОРИЯ – раздел теории поля в теоретич. и математич. физике, широко использующий математич. методы исследования. Традиционным предметом Т. т. является изучение гравитационного взаимодействия между материальными объектами…

Математическая энциклопедия. – 1977-1985

ТЯГОТЕ́НИЕ ВСЕМИРНОЕ

ТЯГОТЕ́НИЕ ВСЕМИРНОЕ (гравитация) – особый вид материального взаимодействия, сила к-рого определяется массами взаимодействующих тел и проявляется только в форме притяжения.

Философская энциклопедия

Всемирного тяготения закон

ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ закон (Ньютона закон тяготения), сила F взаимного притяжения между материальными точками с массами m1 и m2, находящимися на расстоянии r друг от друга, равна F= Gm1m2/r2…

Современная энциклопедия. – 2000

ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ закон (Ньютона закон тяготения) – сила F взаимного притяжения материальных точек с массами m1 и m2, находящихся на расстоянии r друг от друга, равна: F = Gm1m2/r2, где G – гравитационная постоянная.

Большой энциклопедический словарь

Всемирного тяготения закон — закон тяготения Ньютона закон физики: сила F взаимного притяжения материальных точек с массами m1 и m2, находящихся на расстоянии r, выражается формулой: F = G·m1·m2/r2, где G – гравитационная постоянная.

Астрономический словарь. – 2001

Экспедиция «Тяготение»

«Экспедиция „Тяготение“» (англ. Mission of Gravity) — научно-фантастический роман Хола Клемента, впервые опубликованный в 1953 г. в журнале Astounding Science Fiction (апрель-июль).

ru.wikipedia.org

Ньютона закон тяготения

Ньютона закон тяготения, закон всемирного тяготения, один из универсальных законов природы; согласно Н. з. т. все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел…

БСЭ. — 1969—1978

Радуга земного тяготения

«Радуга земного тяготения» — постмодернистский роман Томаса Пинчона, впервые опубликованный 28 февраля 1973 года. Сюжет разворачивается в Европе в конце Второй Мировой войны, в центрах по разработке.

..

ru.wikipedia.org

Сфера действия тяготения

Сфера действия тяготения небесного тела, область пространства, в которой тяготение данного тела доминирует над притяжением всех других небесных тел. Это понятие может быть уточнено в зависимости от рассматриваемой задачи.

БСЭ. — 1969—1978

Закон всемирного тяготения

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ. Открыт Ньютоном в 1667 году на основе анализа движения планет (з-ны Кеплера) и, в частности, Луны. В этом же направлении работали Р.Гук (оспаривал приоритет) и Р.Боскович..

www.edu.delfa.net

Класси́ческая тео́рия тяготе́ния Ньютона (Зако́н всемирного тяготе́ния Ньютона) — закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Этот закон был открыт Ньютоном около 1666 года.

ru.wikipedia.org

Закон всемирного тяготения — закон тяготения И. Ньютона (1643 — 1727) в классической механике, согласно которому сила гравитационного притяжения двух тел с массами m1 и m2 обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними…

Матвеева Е.Ю. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 2007

Русский язык

Тяготе́ние, -я.

Орфографический словарь. — 2004

Тяг/от/е́ни/е [й/э].

Морфемно-орфографический словарь. — 2002

---

• Слова из слова “тяготение”
• Слова на букву “т”
• Слова, начинающиеся на “тя”
• Слова c буквой “е” на конце
• Слова c “ие” на конце
• Слова, начинающиеся на “тяг”
• Слова, начинающиеся на “тяго”
• Слова, оканчивающиеся на “ние”
• Слова, заканчивающиеся на “ение”

1. тяготах
2. тягота
3. тяготевший
4. тяготение
5. тяготеть
6. тяготеющий
7. тяготившийся

ТЯГОТЕНИЕ – значение слова ТЯГОТЕНИЕ

значение, определение слова

ТЯГОТЕНИЕ, -я, ср. 1. Свойство всех тел притягивать друг друга, притяжение (спец.). Земное т. Закон всемирного тяготения Ньютона. 2. перен., к кому-чему. Влечение, стремление к кому-чему-н., потребность в чем-н. Т. к технике. Испытывать душевное т. к кому-н.

Морфология

• Существительное, неодушевленное, средний род

Книги

Тяготение: от Аристотеля до Эйнштейна

…лятивистская (т. е. основанная на теории относительности) механика. Основное внимание уделяется теории тяготения и космологии. Книга рассчитана на преподавателей и студентов вузов; также будет полезн…

Природа гравитационного взаимодействия (гипотеза). Полная версия

…емирного тяготения Ньютона представлен одной половиной, и та интерпретируется неверно. Однако, он считается, и по праву, фундаментальным законом Мироздания. Вот такой парадокс, который разрешает предс…

Материя, пространство, время, гравитация (теория абсолютности)

…нятия материя, пространство, время и как они связаны между собой. В этом ряду стоит и проблема тяготения. В книге «Материя, пространство, время, гравитация» сделан историко-философский обзор этих пон…

Структура мироздания Вселенной. Часть 3. Гипермир

…ланет, звёзд и галактик, их рождение, эволюция и распад, природа

тяготения, а также инверсия магнитных полюсов. Доказано наличие знаков зарядов массы в законе Ньютона всемирного тяготения, как и в зак…

Почему вращается Земля. Уточнённый закон обратных квадратов

…кон всемирного тяготения И. Ньютона представлен только одной своей половиной, и та интерпретируется ошибочно. Однако, даже в таком виде, он считается одним из универсальных законов природы. Вот такой …

Слова близкие по значению

• ПРИТЯЖЕНИЕ , -я, ср. Физическое явление тяготения тел друг к другу. Закон земного притяжения.
• УСТРЕМЛЁННОСТЬ , -и, ж. (книжн.). Тяготение, направленность к чему-н. У. к добру.
• ГРАВИТАЦИЯ , -и, ж. (спец.). 1. То же, что тяготение (в 1 знач.). 2. Метод обогащения полезных ископаемых, основанный на различии в…
• РАСПОЛОЖЕНИЕ (2) , -я, ср. 1. Хорошее отношение, тяготение, симпатия к кому-че-му-н. Чувствовать к кому-я. р. Сердечное р. 2. Желание,…
• ТЯГОТЕТЬ , -ею, -еешь; несов. 1. к кому-чему. Испытывать тяготение (во 2 знач.) (книжн.). Т. к наукам. 2. перен., над кем-чем. О…
• ДЫРА , -ы, мн. дыры, дыр, дырам, ж. 1. Прорванное или проломанное отверстие. Дыры на локтях. Д. в крыше. Заткнуть дыру (также…
• ТЯГА , -и, ас. 1. ом. тянуть. 2. Тянущая, движущая сила. Электрическая т. Реактивная т. Конная т. Живая т. (силами тягловых …
• ПОЛЕ , -я, мл. -я, -ей, ср. 1. Безлесная равнина, пространство. Гулять по полю и по полю. На поле и на поле. Ледовое п. …

Статьи и публикации

Что такое всемирное тяготение …

Тяготение, или гравитация, – это свойство, которым обладают все тела и предметы, потому что . ..

Что такое всемирное тяготение?

Вы не раз видели, как возвращается на Землю подброшенный мяч. Даже высоко подпрыгнув, вы не …

ТЯГОТЕНИЕ – Словари и …

… и дав описывающее ее математическое выражение, Ньютон не объяснил, что такое тяготение и как …

Что такое прямая линия …

Геометрия и тяготение … Вдумайтесь: а что это, собственно, такое — прямая линия?

Что такое галактика? – Самое …

Что такое галактика? Солнце и Земля входят … А что такое тяготение?!

Сколько весит Земля? Закон …

Закон всемирного тяготения. Что такое сила … как способность тел создавать тяготение и …

Что такое парад планет?

Чем отличается звезда от планеты? Что такое всемирное тяготение? Опубликовал: Влада | …

Что такое- обаяние? – Общение на Mlove.Ru

Так что же это такое- обаяние? Подскажите? … “Чутьё”, “тяготение”, Стивен Кинг в переводе …

ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ – Толковый …

то же, что поле тяготения; см. Тяготение. … будет выглядеть так: Что такое …

ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ? (между Ньютоном и …

Сложный вопрос, потому что по сей день неясно, что такое тяготение. Если оно — искривление …

Ближайшие слова

• ТЯГЛО
• ТЯГЛЫ
• ТЯГОЙ
• ТЯГОЛАЦЫ
• ТЯГОЛЬ
• ТЯГОЛЬЩИК
• ТЯГОМОТИНА
• ТЯГОСТНЫЙ
• ТЯГОСТЬ
• ТЯГОТА
• ТЯГОТЕНИЕ
• ТЯГОТЕТЬ
• ТЯГОТИТЬ
• ТЯГОТИТЬСЯ
• ТЯГУКА
• ТЯГУЛЕВКА
• ТЯГУЛИСТЫЙ
• ТЯГУЧИЙ
• ТЯГУЧКА
• ТЯГУШКИ
• ТЯЖ
• ТЯЖАК
• ТЯЖБА
• ТЯЖЕБНИК
• ТЯЖЕЛЕННЫЙ
• ТЯЖЕЛЕТЬ
• ТЯЖЕЛКА
• ТЯЖЕЛКО
• ТЯЖЕЛОАТЛЕТ
• ТЯЖЕЛОАТЛЕТИЧЕСКИЙ
• ТЯЖЕЛОВЕС

ТЯГОТЕНИЕ • Большая российская энциклопедия

ТЯГОТЕ́НИЕ (гра­ви­та­ция, все­мир­ное тя­го­те­ние), фун­да­мен­таль­ное взаи­мо­дей­ст­вие, но­ся­щее ха­рак­тер при­тя­же­ния, ко­то­ро­му под­вер­же­ны все ви­ды ма­те­рии в при­ро­де. Т. иг­ра­ет оп­ре­де­ляю­щую роль в жиз­ни на Зем­ле, яв­ля­ет­ся осн. си­лой для пла­нет­ных и звёзд­ных сис­тем, га­лак­тик и в мас­шта­бах кос­мо­ло­гич. эво­лю­ции Все­лен­ной в це­лом. Но Т. прак­ти­че­ски не ска­зы­ва­ет­ся на по­ве­де­нии атом­ных и др. мик­ро­ско­пич. сис­тем и во взаи­мо­дей­ст­ви­ях эле­мен­тар­ных час­тиц вплоть до энер­гий по­ряд­ка план­ков­ской (10¹⁹ ГэВ), ко­то­рая бы­ла дос­ти­жи­ма лишь в са­мые ран­ние мо­мен­ты су­ще­ст­во­ва­ния Все­лен­ной.

Совр. по­ни­ма­ние Т. скла­ды­ва­лось на про­тя­же­нии мн. ве­ков. Его су­ще­ст­во­ва­ние бы­ло оче­вид­но с са­мо­го мо­мен­та за­ро­ж­де­ния че­ло­ве­че­ско­го соз­на­ния, од­на­ко по­ни­ма­ние его су­ти и ко­ли­че­ст­вен­ное опи­са­ние при­шло лишь в 16 в. в ре­зуль­та­те ра­бот Г. Га­ли­лея и осо­бен­но И. Ке­п­ле­ра, ус­та­но­вив­ше­го за­ко­ны дви­же­ния пла­нет. Ре­шаю­щий шаг был сде­лан И. Нью­то­ном, ко­то­рый сфор­му­ли­ро­вал за­ко­ны ме­ха­ни­ки и вы­вел в 1687 фор­му­лу для си­лы при­тя­же­ния $F$ двух то­чеч­ных масс $m_1$, $m_2$, на­хо­дя­щих­ся на рас­стоя­нии $r$ друг от дру­га:$$F=Gm_1m_2/r^2,$$ ко­то­рая и со­став­ля­ет все­мир­но­го тя­го­те­ния за­кон ($G$ – гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная). Ес­ли рас­смат­ри­вать од­ну из масс как проб­ную $m_1=m$, а вто­рую – как ис­точ­ник гра­ви­тац. по­ля $m_2=M$, то си­лу $\boldsymbol F$ с учё­том на­прав­ле­ния мож­но пред­ста­вить в ви­де $\boldsymbol F=–m∇φ,\quad φ=GM/r,$$ где $φ$ – нью­то­нов­ский по­тен­ци­ал. Мас­са проб­но­го те­ла иг­ра­ет роль гра­ви­тац. заря­да; та же са­мая ве­ли­чи­на сто­ит в урав­не­нии дви­же­ния (инерт­ная мас­са), вы­ра­жаю­щем 2-й за­кон Нью­то­на для ус­ко­ре­ния $\boldsymbol a$:$$m\boldsymbol a=–m∇φ.$$ Т. о., ус­ко­ре­ние всех тел в за­дан­ном гра­ви­тац. по­ле долж­но быть оди­на­ко­вым. Стоя­щее за этим ра­вен­ст­во инерт­ной и гра­ви­тац. масс про­ве­ря­лось И. Нью­то­ном, в 19 в. с боль­шей точ­но­стью Л. фон Эт­вё­шем (со­от­вет­ст­вую­щие опы­ты про­во­дят­ся и ны­не с ис­поль­зо­ва­ни­ем совр. тех­но­ло­гий). Оно сыг­ра­ло важ­ней­шую роль при соз­да­нии А. Эйн­штей­ном об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти (ОТО), ко­то­рая ста­ла ос­но­вой для по­ни­ма­ния Т. в 20 в. (см. От­но­си­тель­но­сти тео­рия).

Хо­тя нью­то­нов­ская тео­рия Т. объ­яс­ня­ет за­ко­ны Ке­п­ле­ра в Сол­неч­ной сис­те­ме, но она ос­но­ва­на на пред­став­ле­нии о мгно­вен­ном ха­рак­те­ре рас­про­стра­не­ния гра­ви­тац. взаи­мо­дей­ст­вия, ко­то­рое к нач. 20 в. ста­ло под­вер­гать­ся со­мне­нию. Спе­ци­аль­ная тео­рия от­но­си­тель­но­сти (СТО) объ­яс­ни­ла не­об­хо­ди­мость учё­та ко­неч­ной ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния взаи­мо­дей­ст­вий в элек­тро­ди­на­ми­ке, но са­ма ана­ло­гия ме­ж­ду нью­то­нов­ским и ку­ло­нов­ским по­тен­циа­ла­ми под­ска­зы­ва­ла, что при ско­ро­стях, не ма­лых по срав­не­нию со ско­ро­стью све­та c, урав­не­ние для гра­ви­тац. по­тен­циа­ла долж­но быть иным. При по­строе­нии ре­ля­ти­ви­ст­ской тео­рии Т. не­за­ви­си­мость дви­же­ния тел в гра­ви­тац. по­ле от их мас­сы, а так­же тес­но свя­зан­ный с этим эк­ви­ва­лент­но­сти прин­цип сил инер­ции и гра­ви­та­ции сыг­ра­ли оп­ре­де­ляю­щую роль. Ус­ко­ре­ние сво­бод­но дви­жу­ще­го­ся те­ла в не­инер­циаль­ной сис­те­ме от­счё­та рав­но ус­ко­ре­нию са­мой сис­те­мы и так­же не за­ви­сит от мас­сы. i)}=\text{const}$. Этот эф­фект так­же был про­ве­рен с боль­шой точ­но­стью в гра­ви­тац. по­ле Зем­ли. Ещё од­но на­блю­дае­мое яв­ле­ние ОТО – за­паз­ды­ва­ние ра­дио­сиг­на­лов при их рас­про­стра­не­нии в гра­ви­тац. по­ле (эф­фект Ша­пи­ро). С боль­шой точ­но­стью из­ме­ре­ны и по­прав­ки к за­ко­нам Ке­п­ле­ра, пред­ска­зы­вае­мые тео­ри­ей тя­го­те­ния Эйн­штей­на, в ча­ст­но­сти сме­ще­ние пе­ри­ге­ли­ев пла­нет и за­паз­ды­ва­ние ра­дио­сиг­на­лов в Сол­неч­ной сис­те­ме. Ещё бо­лее впе­чат­ляю­щая про­вер­ка ОТО ста­ла воз­мож­ной по­сле от­кры­тия двой­ных пуль­са­ров, в ко­то­рых пост­нью­то­нов­ские по­прав­ки зна­чи­тель­но боль­ше и мо­гут быть из­ме­ре­ны кос­вен­но на ос­но­ве ана­ли­за при­хо­дя­щих пе­рио­дич. сиг­на­лов.

В си­лу прин­ци­па эк­ви­ва­лент­но­сти отли­чить ис­тин­ное гра­ви­тац. по­ле от эф­фек­тов не­инер­ци­аль­но­сти сис­те­мы от­счё­та по ви­ду мет­ри­ки в не­ко­то­рой за­дан­ной точ­ке про­стран­ст­ва-вре­ме­ни не­воз­мож­но. Но это мож­но сде­лать, рас­смат­ри­вая из­ме­не­ние мет­ри­ки в со­сед­них точ­ках. μ$ рас­стоя­ния вдоль ис­хо­дя­щих из неё в не­за­ви­си­мых на­прав­ле­ни­ях гео­де­зич. ли­ний, мож­но по­стро­ить нор­маль­ные ри­ма­но­вы ко­ор­ди­на­ты, в ко­то­рых мет­ри­ка со­дер­жит тен­зор кри­виз­ны Ри­ма­на – Кри­стоф­фе­ля. Этот тен­зор нель­зя об­ра­тить в нуль пре­об­ра­зо­ва­ни­ем ко­ор­ди­нат, по­это­му его от­ли­чие от ну­ля яв­ля­ет­ся при­зна­ком ис­тин­но­го гра­ви­тац. по­ля. Тен­зор кривиз­ны, од­на­ко, не вхо­дит в урав­не­ния гео­де­зи­че­ских и в урав­не­ния Мак­свел­ла для элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, в чём и про­яв­ля­ет­ся прин­цип эк­ви­ва­лент­но­сти. Та­кая связь ма­те­рии с гра­ви­тац. по­лем на­зы­ва­ет­ся ми­ни­маль­ной. В не­ко­то­рых мо­ди­фи­ка­ци­ях тео­рии Эйн­штей­на, ко­то­рые вос­тре­бо­ва­ны в свя­зи с про­бле­ма­ми кос­мо­ло­гии, ис­поль­зу­ют­ся тео­рии с не­ми­ни­маль­ной гра­ви­тац. свя­зью, в урав­не­ния ко­то­рых тен­зор Ри­ма­на или его свёрт­ки по ин­дек­сам вхо­дят яв­но. Имен­но эти ве­ли­чи­ны вхо­дят в урав­не­ния Эйн­штей­на, свя­зы­ваю­щие гео­мет­рию про­стран­ст­ва со­бы­тий с рас­пре­де­ле­ни­ем ма­те­рии, за­да­вае­мым сим­мет­рич­ным по ин­дек­сам тен­зо­ром энер­гии-им­пуль­са $T_{μν}$. ν=0$ в от­ли­чие от сво­его ана­ло­га в СТО, не вле­чёт за со­бой за­ко­нов со­хра­не­ния энер­гии и им­пуль­са. Это не­уди­ви­тель­но, по­сколь­ку за­ко­ны со­хра­не­ния сле­ду­ют из сим­мет­рий про­стран­ст­ва-вре­ме­ни, ко­то­рые в об­щем слу­чае ис­крив­лён­но­го про­стран­ст­ва от­сут­ст­ву­ют. Од­на­ко мет­ри­ки мо­гут иметь сим­мет­рии, на­зы­вае­мые изо­мет­рия­ми, ес­ли они не из­ме­няют­ся при бес­ко­неч­но ма­лом пре­об­разо­ва­нии ко­ор­ди­нат вдоль не­ко­то­ро­го за­дан­но­го на­прав­ле­ния. Про­стран­ст­во Мин­ков­ско­го в СТО име­ет макс. де­ся­ти­па­ра­мет­ри­че­скую груп­пу изо­мет­рий, обу­слов­ли­ваю­щую за­ко­ны со­хра­не­ния им­пуль­са и мо­мен­та им­пуль­са ма­те­рии. В слу­чае ОТО, как пра­ви­ло, за­ко­нов со­хра­не­ния мень­ше.

ОТО пред­ска­зы­ва­ет су­ще­ст­во­ва­ние чёр­ных дыр, что на­дёж­но до­ка­за­но ас­тро­но­мич. на­блю­де­ния­ми. Чёр­ная ды­ра – кол­лап­си­рую­щий объ­ект, ко­то­рый для уда­лён­но­го на­блю­да­те­ля лишь асим­пто­ти­че­ски при­бли­жа­ет­ся к гра­ви­та­ци­он­но­му ра­диу­су $r_g$. Од­на­ко в па­даю­щей вме­сте с ма­те­ри­ей сис­те­ме от­счё­та этот объ­ект пред­став­ля­ет­ся как ухо­дя­щий под гра­ви­тац. ра­ди­ус за вре­мя по­ряд­ка $r_g/c$. Со­глас­но тео­рии, в цен­трах га­лак­тик мо­гут на­хо­дить­ся чёр­ные ды­ры мас­сой по­ряд­ка 10⁸ масс Солн­ца, а звёз­ды мас­сой боль­ше 3 масс Солн­ца мо­гут за­кан­чи­вать свою эво­лю­цию гра­ви­та­ци­он­ным кол­лап­сом. По­верх­ность $r=r_g$ – го­ри­зонт со­бы­тий – ог­ра­ни­чи­ва­ет об­ласть про­стран­ст­ва, от­ку­да не мо­гут вы­хо­дить час­ти­цы и лу­чи све­та, столь сильнó грави­тац. при­тя­же­ние.

В 1973 С. Хо­кинг по­ка­зал, что, ком­би­ни­руя за­ко­ны ОТО с прин­ци­па­ми кван­то­вой тео­рии по­ля, мож­но прий­ти к вы­во­ду, что чёр­ные ды­ры «ис­па­ря­ют­ся», по­сте­пен­но те­ряя энер­гию в ре­зуль­та­те ро­ж­де­ния час­тиц, пре­им. без­мас­со­вых. Фак­ти­че­ски этот про­цесс ло­ка­ли­зо­ван в не­ко­то­рой об­лас­ти вне го­ри­зон­та со­бы­тий и не про­ти­во­ре­чит не­воз­мож­но­сти вы­хо­да час­тиц из чёр­ной ды­ры. Для чёр­ных дыр мас­сой по­ряд­ка мас­сы Солн­ца и боль­ше этот эф­фект чрез­вы­чай­но мал, од­на­ко он мо­жет стать боль­шим для мик­ро­ско­пич. чёр­ных дыр, ко­то­рые в прин­ци­пе мог­ли об­ра­зо­вать­ся в ран­ней Все­лен­ной и со­хра­нить­ся как ре­лик­то­вые объ­ек­ты (что до сих пор не под­твер­жде­но на­блю­де­ния­ми). Это по­ро­ж­да­ет про­бле­му на­ру­ше­ния ко­ге­рент­но­сти в кван­то­вой тео­рии по­ля. Ре­ше­ние этой про­бле­мы, ве­ро­ят­но, свя­за­но с кван­то­вой гра­ви­та­ци­ей, при­ро­да ко­то­рой по­ка не впол­не яс­на (см. Кван­то­вая тео­рия тя­го­те­ния). Од­на­ко в тео­рии су­пер­струн, пре­тен­дую­щей на роль та­кой тео­рии, эта про­бле­ма на­хо­дит своё ре­ше­ние.

ОТО пред­ска­зы­ва­ет так­же су­ще­ст­во­ва­ние гра­ви­та­ци­он­ных волн и их из­луче­ние при дви­же­нии тя­го­тею­щих масс. От­кры­тие двой­но­го пуль­са­ра PSR B1913+16 в 1974 по­зво­ли­ло на­чать кос­вен­ные на­блю­де­ния гра­ви­тац. из­лу­че­ния по из­ме­не­нию па­ра­мет­ров ор­би­ты, ко­то­рое дос­тиг­ло боль­шой точ­но­сти и на­хо­дит­ся в со­гла­сии с пред­ска­за­ния­ми ОТО. Пря­мые экс­пе­ри­мен­ты по по­ис­ку гра­ви­тац. волн с по­мо­щью ла­зер­ных ин­тер­фе­ро­мет­ров ока­за­лись ус­пеш­ны­ми: 11.2.2016 груп­па учё­ных, ра­бо­таю­щих в про­ек­те LIGO (США), зая­ви­ла об об­на­ру­же­нии 14.9.2015 гра­ви­тац. волн. По их рас­чё­там, гра­ви­тац. вол­ны воз­ник­ли в ре­зуль­та­те слия­ния двух чёр­ных дыр мас­сой в 29 и 36 раз боль­ше мас­сы Солн­ца ок. 1,3 млрд. лет на­зад. Пла­ни­ру­ет­ся изу­че­ние пер­вич­ных гра­ви­та­ци­он­но-вол­но­вых воз­му­ще­ний в ран­ней Все­лен­ной, со­об­ще­ния об об­на­ру­же­нии ко­то­рых груп­па BICEP2 опуб­лико­ва­ла в 2013, но эти дан­ные бы­ли позд­нее оп­ро­верг­ну­ты.

В нач. 21 в. поя­вил­ся ин­те­рес к аль­тер­на­тив­ным тео­ри­ям Т., свя­зан­ный с раз­ви­ти­ем на­блю­да­тель­ной кос­мо­ло­гии, по­ка­зав­шей, что на­блю­дае­мая (све­тя­щая­ся) ма­те­рия в кос­мо­се со­став­ля­ет лишь ма­лую часть всей ма­те­рии. Бóль­шая часть скры­ва­ет­ся в не­ре­ля­ти­ви­ст­ской (тём­ная ма­те­рия) и в ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ской (тём­ная энер­гия) фор­мах. Аль­тер­на­тив­ным объ­яс­не­ни­ем этих на­блю­де­ний мо­жет быть не­спра­вед­ли­вость ОТО на кос­мо­ло­гич. мас­шта­бах и при сверх­вы­со­ких энер­ги­ях. В ка­че­ст­ве аль­тер­на­ти­вы рас­смат­ри­ва­ют­ся так­же ска­ляр­но-тен­зор­ные тео­рии, тео­рии с мас­сив­ным гра­ви­то­ном, тео­рии с до­пол­нит. из­ме­ре­ния­ми, тео­рии с не­ми­ним. гра­ви­тац. свя­зью и др. Но­вые мо­де­ли гра­ви­та­ци­он­но­го взаи­мо­дей­ст­вия пред­ска­зы­ва­ют­ся тео­ри­ей су­пер­струн, дру­гие рас­смат­ри­ва­ют­ся как фе­но­ме­но­ло­ги­че­ские. Од­на из та­ких мо­де­лей пред­по­ла­га­ет, что на ма­лых рас­стоя­ни­ях гра­ви­та­ция ста­но­вит­ся мно­го­мер­ной и силь­ной (со­от­вет­ст­вую­щей план­ков­ской энер­гии), но её на­блю­дае­мая сла­бость обу­слов­ле­на тем, что осн. часть си­ло­вых ли­ний ухо­дит в до­пол­нит. из­ме­ре­ния. Эта тео­рия пред­ска­зы­ва­ет воз­мож­ность ро­ж­де­ния чёр­ных дыр на ус­ко­ри­те­лях. По­иск та­ко­го про­цес­са ве­дёт­ся на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре, но по­ка не увен­чал­ся ус­пе­хом.

§ 7. Что такое тяготение? . Том 1. Механика, излучение и теплота

Но почему закон так прост? Что можно сказать о причине этого? До сих пор мы только описывали, как Земля обращается вокруг Солнца, но ни слова не сказали о том, что заставляет ее двигаться. Ньютон не строил догадок об этом; ему было достаточно открыть, что происходит, не входя в механизм происходящего. Но и никто другой с тех пор никакого механизма не открыл. Все физические законы отличаются в этом отношении своим абстрактным характером. Закон сохранения энергии — это теорема о величинах, которые нужно вычислить и сложить, не думая о причине этого; точно так же и великие законы механики представляют собой количественные математические закономерности, о внутреннем механизме работы которых никаких данных нет. Почему мы можем пользоваться математикой для описания законов, не зная их причины? Никто и этого не знает. Мы продолжаем идти по этой дороге, потому что на ней все еще происходят открытия.

Предлагались многие механизмы тяготения. Интересно рассмотреть один из них, ибо до него время от времени додумывались то один, то другой ученый. Причем каждый сперва воспрянет духом и ходит осчастливленный своим «открытием», но потом начинает понимать, что тут что-то не так. Впервые это открытие произошло примерно в 1750 г. Представьте себе, что в пространстве носится в разных направлениях с огромной скоростью множество частиц, лишь слегка поглощаемых веществом. Поглощаясь, они передают свой импульс Земле. Но так как во всех направлениях их количество одинаково, то все импульсы уравновешиваются. Когда же неподалеку находится Солнце, то частицы, приближающиеся к Земле сквозь Солнце, частично им поглощаются, так что от Солнца их проходит меньше, чем с обратной стороны. Следовательно, Земля ощутит импульс, направленный к Солнцу, и нетрудно видеть, что он будет обратным квадрату расстояния: таков закон изменения пространственного угла, под которым видимо Солнце, с ростом расстояния. Что же плохо в этом механизме? Неверны те выводы, которые из него следуют. Появляется новая забота: Земля в своем движении вокруг Солнца будет испытывать больше столкновений с частицами спереди, чем сзади (когда бежишь навстречу дождю, лицо мокнет больше, чем затылок!). Поэтому спереди Земля получит больше импульсов, чем сзади, и должна почувствовать сопротивление своему движению, а это сказалось бы на замедлении ее движения по орбите. Можно подсчитать, сколько времени понадобится Земле, чтобы в результате такого сопротивления остановиться; оказывается, не так уж много; а раз Земля все же движется по своей орбите, то вся эта механика не годится. И не было предложено ни одного механизма, «объясняющего» тяготение, который бы не предсказывал добавочных, несуществующих явлений.

Рассмотрим еще возможную связь тяготения с прочими силами. В нынешнее время не удается свести тяготение к другим силам. Тяготение отнюдь не проявление электричества или чего-либо подобного; этим его не объяснишь. И все же тяготение похоже на другие силы, и любопытно посмотреть, в чем. К примеру, электрическая сила между двумя заряженными телами чрезвычайно похожа на тяготение: она равна со знаком минус постоянной величине, умноженной на величины зарядов тел, и изменяется обратно квадрату расстояния. Правда, она действует в обратную сторону, т. е. отталкивает. Но замечательно не столько это, сколько одинаковая зависимость от расстояния, входящая в оба закона. Не исключено, что тяготение и электричество связаны значительно сильнее, чем мы думаем. Было сделано много попыток объединить их; так называемая единая теория поля — лишь одна из очень изящных попыток сочетать электричество с тяготением. Но самая интересная вещь в сопоставлении их друг с другом — это относительная величина этих сил. Любая теория, в которой появятся обе силы, обязана будет также объяснить величину тяготения (константу G).

Если мы измерим в естественных единицах отталкивание двух электронов (возникающее из-за того, что у них есть заряд) и их притяжение (возникающее оттого, что у них есть масса), то мы можем получить и отношение электрического отталкивания к гравитационному притяжению. Отношение это не зависит от расстояния, это фундаментальная мировая константа. Изображена она на фиг. 7.14.

Фиг. 7.14. Относительная сила электрического и гравитационного взаимодействия двух электронов.

Гравитационное притяжение составляет 1/4,17·10⁴² от электрического отталкивания! Откуда же может возникнуть такое исполинское число в знаменателе? Оно же не случайно, ведь это не отношение объема Земли к объему тли. Мы рассматриваем два естественных свойства одного и того же предмета — электрона. Это фантастическое число есть естественная константа, и в нем таятся какие-то глубинные свойства природы. От каких же свойств оно зависит? Некоторые надеются, что если кто-нибудь однажды напишет «универсальное уравнение», то одним из его корней будет это число. Но очень трудно найти уравнение, в котором корнем было бы такое немыслимое число. Были придуманы и другие возможности; одна связывает его с возрастом Вселенной. Иначе говоря, необходимо найти в природе еще одно такое огромное число. При этом не собираются выражать возраст в годах, нет, ведь год — не «естественная» величина, она введена людьми.

Как пример чего-то естественного выберем время, за какое свет проходит сквозь протон, 10^-24сек. Разделив это число на возраст Вселенной (2·10¹⁰ лет?10¹⁸ сек), получим 10^-42 — число со столькими же нулями; потому и предлагают считать постоянную всемирного тяготения связанной с возрастом всего мира. Если бы это было так, то она изменялась бы со временем: по мере старения Вселенной отношение ее лет к промежутку, в течение которого свет проносится мимо протона, возрастало бы. Возможно ли, что постоянная тяготения и впрямь меняется с годами? Ясно, что изменения столь малы, что в этом убедиться нелегко.

Вот один из способов проверить эту мысль. Зададим вопрос: что при этом должно было измениться за последние 10⁹ лет (время появления жизни на Земле), т. е. за ¹/₁₀ возраста Вселенной? За это время постоянная тяготения выросла бы на 10%. Оказывается, что если рассмотреть структуру Солнца — баланс между его массой и степенью генерации излучательной энергии внутри Солнца, — то при росте тяжести на 10% Солнце оказалось бы не на 10% ярче, а значительно больше: яркость его возросла бы как шестая степень постоянной тяготения! Можно подсчитать и то, на сколько при таком изменении тяжести Земля приблизится к Солнцу. В итоге выясняется, что Земля стала бы более чем на 100° горячее и, следовательно, вся вода из морей превратилась бы в пар. Поэтому мы сейчас не верим, что постоянная тяготения изменяется по мере того, как мир стареет. Все же приведенный нами аргумент не очень убедителен, и вопрос до конца не выяснен.

Как известно, сила тяготения пропорциональна массе, т. е. мере инерции тела, или мере того, насколько трудно удержать тело, вращающееся по кругу. Поэтому два тела, тяжелое и легкое, движущиеся бок о бок вокруг массивного тела по одному и тому же кругу с одной скоростью под действием тяготения, будут все время оставаться рядом, потому что движение по кругу требует для большего тела и большей силы. Иначе говоря, тяжесть у большей массы больше как раз в нужной пропорции, так что два тела будут вращаться, не удаляясь одно от другого. Если же одно тело находится внутри другого, то оно и останется там; равновесие является совершенным. Поэтому Гагарин и Титов наблюдали невесомость всех предметов внутри космического корабля; выпущенный из руки карандаш, например, вращался вокруг Земли по той же траектории, что и весь корабль, поэтому он замирал, повиснув в воздухе. Любопытно, что эта сила в точности пропорциональна массе; если бы это было не так, то должны были бы наблюдаться явления, в которых инерция и вес отличаются. Отсутствие подобных явлений было с огромной точностью проверено на опыте, выполненном впервые

Этвешем в 1909 г., а позже повторенном Дикке. У всех веществ масса и вес пропорциональны с точностью 1/1 000 000 000 или даже более того. Не правда ли, замечательный эксперимент?

Значение, Определение, Предложения .

Что такое тяготения

Особенно я напирал на затруднения, вызываемые силой тяготения.

Эти летающие замки, свободные от ограничений, налагаемых силой тяготения, ошеломляли разнообразием форм и размеров.

Г-н Гук разносит по Лондону, что вы взяли закон всемирного тяготения у него.

Удачно нырнула в поле тяготения гигантской планеты, обернулась вокруг нее и вышла на новую орбиту.

Там нет ни воздуха, ни силы тяготения, которая удерживает всех живущих на Земле.

Теперь же сила тяготения влекла нас к Луне, а Земля висела у нас над головой.

Луиза потихоньку осваивала искусство ходьбы в слабеньком поле тяготения.

Под влиянием тяготения Юпитера космические частицы за орбитой Марса не смогли собраться в единую массу.

В последний раз мы говорили о законе всемирного тяготения Ньютона.

А поскольку частицы мусора сравнительно малы, то, двигаясь под действием силы тяготения, они сгорают в плотных слоях атмосферы, а околоземное пространство очищается.

Здесь в свои права вступает классическая механика, и сила тяготения становится важна.

Сердце стало биться чуть реже – чтобы перекачивать кровь, ему не надо было преодолевать силу тяготения.

Серапе, наброшенное на плечи, висело правильно по отношению к перевернутой фигуре, но вопреки закону тяготения.

Где источник той легкости сильфиды, казалось, опровергавшей законы тяготения?

Усиленная работа легких вследствие более плотной земной атмосферы и увеличения силы тяготения была заметна даже по конвульсивным движениям кожи марсиан.

Да как вы можете покорить материю? -вырвалось у него. – Вы даже климат, закон тяготения не покорили.

Закон всемирного тяготения применим к людям, как и ко всем прочим телам.

При работе силы тяготения возрастает кинетическая энергия.

Так как его плотность была выше, то он обладал большей силой тяготения. он начал притягивать к себе всё больше и больше газа.

что касается колец Сатурна, их красота, сложная структура и порядок, зависят, естественно, не от ветра, а от действия другой силы – тяготения.

В 1687 году сэр Исаак Ньютон открыл то, что назвали законом всемирного тяготения, гравитацией.

ИЗМЕНИТЬ? ИНТЕРЕСНО, КАКИМ ОБРАЗОМ? – подумал я. – ВСЕ МЫ ИМЕЕМ ДЕЛО С АДМИНИСТРАЦИЕЙ ПО ТОЙ ЖЕ ПРИЧИНЕ, ЧТО И С ЗАКОНОМ ТЯГОТЕНИЯ. МОЖЕТ, ТЫ И ЕГО СОБИРАЕШЬСЯ ИЗМЕНИТЬ?

Если количество вещества во Вселенной меньше некоторой критической величины, тяготения разбегающихся галактик окажется недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной, и оно будет длиться вечно.

Возможно, к этой справедливости вопияли правила и основы, которым подчинены постоянные силы тяготения как в нравственном, так и в материальном порядке вещей.

В последний раз мы говорили о законе всемирного тяготения Ньютона .

Сегодня сила тяготения – самая слабая из известных нам сил Вселенной.

Так славно почувствовать себя свободной от земного тяготения, таким счастьем было бы плавать как рыба.

Опасность была, что замороженный цилиндр шахты, более плотный, чем расплавленная среда вокруг него, оторвется силой земного тяготения и увлечется к центру.

В основе любой атмосферы лежит сила, благодаря которой существует наша Солнечная система. это фундаментальная сила природы – сила тяготения.

Его сила тяготения намного слабее. Если бы он находился в той же области Солнечной системы, что и наша планета, ему бы не удалось удержать свою атмосферу.

Законы всемирного тяготения и движения Ньютона показали, как Солнце удерживает удаленные миры.

На поверхности Земли сила тяготения втрое больше, чем на поверхности Марса.

И эта экосистема формируется силами тяготения.

Сила тяготения Солнца доминирует в Солнечной системе, она удерживает все планеты.

И, конечно, он варьируется в зависимости от силы тяготения.

Всё тот же Закон всемирного тяготения, закон старины Исаака Ньютона!

Сила тяготения ограничивает нас в этом.

Воздействие тяготения Юпитера на пролетающий мимо мусор приводит к тому, что нам постоянно угрожает космическая бомбардировка.

Закон всемирного тяготения Ньютона может быть записан в виде векторного уравнения для учета направления гравитационной силы, а также ее величины.

Ньютон был первым, кто рассмотрел в своих началах расширенное выражение своего закона тяготения, включающее обратный кубический член формы.

В последние годы с помощью нейтронной интерферометрии были проведены исследования для определения неинверсных квадратных членов в законе всемирного тяготения.

Более того, чтобы разработать свою теорию тяготения, Ньютону пришлось изобрести совершенно новую форму математики-исчисление.

Отклонения от ньютоновского закона тяготения определяются шкалой ускорения, а не шкалой расстояния.

Говорят, что Брахмагупта открыл закон всемирного тяготения; опять же, было бы неплохо прочитать что-нибудь близкое к современному.

Однако орбита Меркурия не соответствовала орбите, предсказанной законом тяготения Ньютона.

Это был первый случай, когда теория тяготения Ньютона оказалась неточной.

С точки зрения объекта, все движение происходит так, как если бы не было никакого тяготения вообще.

Осознание того, что одно правило тяготения объясняет и то и другое, изменило представление людей о Солнечной системе.

Ньютон развил идеи всемирного тяготения, ньютоновской механики и исчисления, а Роберт Гук-свой одноименный закон упругости.

В конце XVII века Описание Исааком Ньютоном силы тяготения на большие расстояния подразумевало, что не все силы в природе возникают в результате соприкосновения вещей.

Закон всемирного тяготения Ньютона следует закону обратных квадратов, как и эффекты электрических, магнитных, световых, звуковых и радиационных явлений.

среди других разговоров, сказал он мне, он был точно в таком же положении, как и в прежние времена, когда ему пришло в голову понятие тяготения.

Но теория тяготения должна объяснить эти законы и не должна предполагать их.

Однако он не дал четкого описания того, как именно эфир взаимодействует с материей, так что возникает закон тяготения.

Она объединяет специальную теорию относительности, ньютоновский закон всемирного тяготения и понимание того, что гравитация может быть описана кривизной пространства и времени.

Закон тяготения Ньютона гласит, что гравитационная сила, ощущаемая на массе mi одной массой mj, задается.

Законы Кеплера также послужили одной из основ теории всемирного тяготения Исаака Ньютона.

Закон тяготения-это правило, которое не является необязательным.

Закон тяготения Ньютона-это обратный квадрат; сила, обусловленная электрическим диполем, составляет приблизительно k/x для большого X.

Параметры модели, например закон тяготения Ньютона, определяют, как меняются положения и скорости с течением времени.

Например, согласно теории всемирного тяготения Ньютона, каждое семя рожкового дерева создает гравитационное поле.

Другие результаты

гравитация | Определение, физика и факты

гравитационная линза

Посмотреть все медиа

Ключевые люди:

Кип Торн Исаак Ньютон Галилео Джон Арчибальд Уилер Саймон Стевин

Похожие темы:

супергравитация масса точка Лагранжа Радиус Шварцшильда гравитационная аномалия

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

гравитация , также называемая гравитацией , в механике универсальная сила притяжения, действующая между всей материей. Это, безусловно, самая слабая из известных сил в природе, и поэтому она не играет никакой роли в определении внутренних свойств повседневного вещества. С другой стороны, благодаря своему большому охвату и универсальному действию он контролирует траектории тел в Солнечной системе и других местах во Вселенной, а также структуру и эволюцию звезд, галактик и всего космоса. На Земле все тела имеют вес или направленную вниз силу тяжести, пропорциональную их массе, которую оказывает на них масса Земли. Гравитация измеряется ускорением, которое она сообщает свободно падающим телам. У поверхности Земли ускорение свободного падения составляет около 90,8 метра (32 фута) в секунду за секунду. Таким образом, за каждую секунду нахождения объекта в свободном падении его скорость увеличивается примерно на 9,8 метра в секунду. На поверхности Луны ускорение свободно падающего тела составляет около 1,6 метра в секунду за секунду.

Понять концепцию гравитационной силы, используя теорию гравитации Ньютона

Посмотреть все видео к этой статье

Работы Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна доминируют в развитии теории гравитации. Классическая теория силы тяготения Ньютона господствовала с его 9 лет.0033 Principia , опубликованной в 1687 году, до работы Эйнштейна в начале 20 века. Теории Ньютона достаточно даже сегодня для всех приложений, кроме самых точных. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает лишь незначительные количественные отличия от ньютоновской теории, за исключением нескольких особых случаев. Основное значение теории Эйнштейна заключается в ее радикальном концептуальном отходе от классической теории и ее последствиях для дальнейшего развития физической мысли.

Запуск космических аппаратов и развитие исследований на них привели к значительному улучшению измерений гравитации вокруг Земли, других планет и Луны, а также в экспериментах по изучению природы гравитации.

Развитие теории гравитации

Ранние концепции

Ньютон утверждал, что движения небесных тел и свободное падение объектов на Земле определяются одной и той же силой. Классические греческие философы, с другой стороны, не считали, что небесные тела подвержены влиянию гравитации, поскольку наблюдалось, что тела следуют постоянно повторяющимся ненисходящим траекториям в небе. Таким образом, Аристотель считал, что каждое небесное тело следует определенному «естественному» движению, не подверженному влиянию внешних причин или факторов. Аристотель также считал, что массивные земные объекты обладают естественной тенденцией двигаться к центру Земли. Эти аристотелевские концепции преобладали на протяжении столетий вместе с двумя другими: что тело, движущееся с постоянной скоростью, требует постоянной силы, действующей на него, и эта сила должна быть приложена посредством контакта, а не взаимодействия на расстоянии. Эти идеи в основном держались до 16 и начала 17 веков, тем самым препятствуя пониманию истинных принципов движения и препятствуя развитию представлений о всемирном тяготении. Этот тупик начал меняться с появлением нескольких научных работ, посвященных проблеме земного и небесного движения, которые, в свою очередь, подготовили почву для более поздней теории тяготения Ньютона.

Викторина “Британника”

Викторина “Все о физике”

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какова единица измерения циклов в секунду? Проверьте свою физику с помощью этого теста.

Немецкий астроном XVII века Иоганн Кеплер принял аргумент Николая Коперника (который восходит к Аристарху Самосскому) о том, что планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Используя улучшенные измерения движения планет, сделанные датским астрономом Тихо Браге в 16 веке, Кеплер описал планетарные орбиты с помощью простых геометрических и арифметических соотношений. Три количественных закона движения планет Кеплера таковы:

1. Планеты описывают эллиптические орбиты, один из фокусов которых занимает Солнце (фокус — это одна из двух точек внутри эллипса; любой луч, исходящий из одной из них, отражается от стороны эллипса и проходит через другой фокус) .

2. Линия, соединяющая планету с Солнцем, заметает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу ее среднего расстояния от Солнца.

В этот же период итальянский астроном и естествоиспытатель Галилео Галилей добился успехов в понимании «естественного» движения и простого ускоренного движения земных объектов. Он понял, что тела, на которые не действуют силы, продолжают двигаться бесконечно и что сила необходима для изменения движения, а не для поддержания постоянного движения. Изучая, как объекты падают на Землю, Галилей обнаружил, что движение происходит с постоянным ускорением. Он продемонстрировал, что расстояние, которое падающее тело проходит таким образом из состояния покоя, изменяется пропорционально квадрату времени. Как отмечалось выше, ускорение свободного падения на поверхности Земли составляет около 90,8 метра в секунду в секунду. Галилей был также первым, кто экспериментально показал, что тела падают с одинаковым ускорением независимо от их состава (слабый принцип эквивалентности).

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Что такое гравитация? | Космос

НАСА использовало симулятор ходьбы при посадке на Луну для изучения способности астронавтов выполнять задачи, испытывая одну шестую от нормальной гравитации, в рамках подготовки к высадке на Луну Аполлона. (Изображение предоставлено НАСА)

Гравитация является одной из фундаментальных сил вселенной и доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта. Он держит нас близко к земле, тащит бейсбольные и баскетбольные мячи из воздуха и дает нашим мышцам возможность бороться. С космической точки зрения гравитация так же важна.

От коллапса водородных облаков в звезды до склеивания галактик, гравитация является одним из немногих факторов, определяющих широкие ходы эволюции Вселенной.

В каком-то смысле история гравитации — это также и история физики, где некоторые из крупнейших имен в этой области прославились, определив силу, которая управляла их жизнями. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила все еще лежит в основе некоторых из величайших тайн дисциплины.

Связанный: Что такое темная материя?

Гравитация: универсальная сила

Каждый день на нас действуют четыре фундаментальные силы. Сильное взаимодействие и слабое взаимодействие действуют только внутри центров атомов. Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны, протоны и носки, шаркающие по пушистому ковру), а гравитация управляет объектами с массой.

Первые три силы в значительной степени ускользали от внимания человечества до последних столетий, но люди давно размышляли о гравитации, которая действует на все, от капель дождя до пушечных ядер.

Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к земле, но Исааку Ньютону понадобилась проницательность, чтобы поднять гравитацию из непостижимой тенденции объектов в измеримое и предсказуемое явление.

Скачок Ньютона, о котором стало известно в его трактате 1687 года «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», заключался в том, чтобы понять, что каждый объект во Вселенной — от песчинки до крупнейших звезд — притягивает любой другой объект. Это понятие объединило события, которые казались несвязанными, от яблок, падающих на Землю, до планет, вращающихся вокруг Солнца. Он также определил числа для притяжения: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное притяжение в четыре раза. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Что вызывает гравитацию?

Массивные тела искажают ткань пространства и времени вокруг себя, приводя к ближайшим объектам, которые следуют по кривой траектории. Иллюстрация этого художника показывает, как гравитация изгибает ткань пространства-времени вокруг Земли и Солнца. (Изображение предоставлено: vchal через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы обнаружить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, описываемый орбитой Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем предсказывала теория Ньютона, что предполагает небольшое несоответствие между его законом и законами природы. Загадка была в конечном итоге решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915. 

До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как рассчитать гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все другие с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна довольствовались этим. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может перемещаться мгновенно, и гравитация не должна быть исключением.

Согласно Стэнфордской энциклопедии философии, на протяжении веков физики относились к пространству как к пустой структуре, на фоне которой разыгрывались события. Оно было абсолютным, неизменным и не существовало — ни в каком физическом смысле — на самом деле. Общая теория относительности превратила пространство и время из статического фона в субстанцию, чем-то похожую на воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань вселенной и что этот «пространственно-временной» материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться — волоча все в себе за собой.

Истории по теме:

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени порождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такая как Земля или Солнце, изгибает пространство вокруг себя, как скала изгибает течение реки. Когда другие объекты движутся поблизости, они следуют искривлению пространства, как лист может следовать за водоворотом вокруг скалы (хотя эта метафора не идеальна, потому что, по крайней мере, в случае планет, вращающихся вокруг Солнца, пространство-время не «течет». “). Мы видим, как планеты вращаются, а яблоки падают, потому что они следуют путями сквозь искаженную форму Вселенной. В повседневных ситуациях эти траектории соответствуют силе, предсказываемой законом Ньютона.

Уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, которые иллюстрируют, как материя и энергия искривляют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения орбиты Меркурия, а также отклонение звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.

В фотографиях: эксперимент Эйнштейна с солнечным затмением 1919 года проверяет общую теорию относительности

Гравитация: инструмент открытий

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что оно стало руководством для космических открытий.

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд в 1960-х годах заметили, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы образовать звезды, как собака стряхивает капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не вращались, казалось, что-то помогает им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубина и Форда предоставили веские доказательства в поддержку более ранней теории швейцарского астронома Фрица Цвикки, выдвинутой в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в ближайшем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная «темная материя» искажает пространство-время настолько, что галактики и скопления галактик остаются нетронутыми. Другие, однако, задаются вопросом, может ли сама гравитация притягивать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.

Корректировки общей теории относительности должны быть очень тонкими, так как исследователи недавно начали обнаруживать одно из самых тонких предсказаний теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в пространстве. С 2016 года исследовательское сотрудничество, управляющее тремя детекторами в США и Европе, измерило множественные гравитационные волны, проходящие через Землю. На подходе новые детекторы, открывающие новую эру астрономии , в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды — не по свету, который они излучают, а по тому, как они сотрясают ткань космоса при столкновении.

Тем не менее, череда экспериментальных успехов общей теории относительности затушевывает то, что многие физики считают фатальной теоретической неудачей: она описывает классическое пространство-время, но вселенная в конечном счете оказывается квантовой или состоит из частиц (или «квантов»), таких как кварки и электроны.

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единой гладкой ткани противоречит квантовой картине Вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить действующую Стандартную модель физики элементарных частиц (откроется в новой вкладке), которая охватывает все известные частицы, а также три других фундаментальных взаимодействия (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы охватить пространство и гравитацию в Уровень частиц остается одной из глубочайших загадок современной физики.

Дополнительные ресурсы

Посмотрите это видео, объясняющее ньютоновскую гравитацию, из ускоренного курса PBS Digital Media (откроется в новой вкладке). Узнайте больше о гравитации и о том, как работают искривления и рябь в космосе (откроется в новой вкладке), от Австралийской академии наук. Прочтите объяснение астрофизика Итана Сигела о том, как гравитация искривляет (открывается в новой вкладке) (и разгибает) пространство, создавая гравитационные волны на Medium.

Библиография

Хед, Кейт. «Гравитация для начинающих». Университет Британской Колумбии (открывается в новой вкладке) (2003 г.).

Пуассон, Эрик и Клиффорд М. Уилл. “Сила тяжести.” Издательство Кембриджского университета (открывается в новой вкладке) (2014 г.).

Почему гравитация тянет нас вниз, а не вверх? Марио Борунда, Разговор (открывается в новой вкладке) (2021).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Чарли Вуд — независимый журналист, освещающий физические науки как в этой бледно-голубой точке, так и вне ее. Он сотрудничает с Space.com и LiveScience, а также с Popular Science, Scientific American, Quanta Magazine и другими. Сейчас он пишет из Нью-Йорка, но в прошлых жизнях преподавал физику в Мозамбике и английский язык в Японии. Найдите его в Твиттере @walkingthedot.

Что такое гравитация? | Живая наука

В то время как эффекты гравитации можно ясно увидеть в масштабе таких вещей, как планеты, звезды и галактики, силу гравитации между повседневными объектами чрезвычайно трудно измерить. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Гравитация — одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной, наряду с электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Несмотря на то, что гравитация всепроникающа и важна для того, чтобы наши ноги не отрывались от Земли, она по большей части остается загадкой для ученых.

Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Греческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру вселенной, который, по его мнению, является серединой Земли, по словам физика Ричарда Фицпатрика из Техасского университета.

Но более поздние светила сместили нашу планету с ее первоначального положения в космосе. Польский эрудит Николай Коперник понял, что траектории планет на небе имеют гораздо больше смысла, если Солнце является центром Солнечной системы. Британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.

В своем знаменитом трактате 1687 года «Philosophiae naturalis principia mathematica» Ньютон описал то, что теперь называется его законом всемирного тяготения. Обычно записывается как:

F _g = G (m ₁ ∙ m ₂ ) / r ²

Где F — сила тяжести, m1 и m2 — массы двух тел и r – расстояние между ними. G, гравитационная постоянная, является фундаментальной постоянной, значение которой должно быть обнаружено экспериментальным путем.

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила тяжести прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Изображение предоставлено: marekuliasz (открывается в новой вкладке) Shutterstock (открывается в новой вкладке))

(открывается в новой вкладке)

Гравитация мощная, но не настолько мощная

Гравитация — самая слабая из фундаментальных сил. 40 (это число 1, за которым следуют 40 нулей) раз слабее, чем электромагнетизм.

В то время как эффекты гравитации можно ясно увидеть в масштабе таких вещей, как планеты, звезды и галактики, силу гравитации между обычными объектами чрезвычайно трудно измерить. В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной, как сообщается в Proceedings of the National Academy of Science’s Front Matter.

Кавендиш построил то, что известно как крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из маленьких шаров он поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, из-за чего проволока чуть скручивалась, что позволяло ему рассчитать G. 92. Большинство других универсальных констант известны с гораздо большей точностью, но поскольку гравитация настолько слаба, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование, чтобы попытаться измерить ее эффекты. До сих пор более точное значение G ускользало от их приборов.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн совершил очередную революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, преломляются чрезвычайно массивными объектами.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных образований с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не точно описывает, как движутся объекты, а вместо этого приоритет имеют уравнения тензорного поля Эйнштейна.

С тех пор астрономы обнаружили настоящие черные дыры в космосе, и им даже удалось сфотографировать колоссальную дыру в центре нашей галактики. Другие телескопы видели эффекты черных дыр по всей Вселенной.

Применение закона тяготения Ньютона к чрезвычайно легким объектам, таким как люди, клетки и атомы, по данным Minute Physics, остается чем-то вроде неизученного рубежа. Исследователи предполагают, что такие объекты притягиваются друг к другу, используя те же законы гравитации, что и планеты и звезды, но поскольку гравитация настолько слаба, трудно сказать наверняка.

Возможно, атомы гравитационно притягиваются друг к другу со скоростью, равной единице на их расстояние в кубе, а не в квадрате — наши нынешние приборы не могут это определить. Новые скрытые аспекты реальности могли бы стать доступными, если бы мы только могли измерить такие мельчайшие гравитационные силы.

Вечная сила тайны

Гравитация ставит ученых в тупик и по другим причинам. Стандартная модель физики элементарных частиц, описывающая действие почти всех известных частиц и сил, не учитывает гравитацию. Хотя свет переносится частицей, называемой фотоном, физики понятия не имеют, существует ли эквивалентная частица для гравитации, которую можно было бы назвать гравитоном.

Объединение гравитации в теоретическую основу с квантовой механикой, другим крупным открытием сообщества физиков 20-го века, остается нерешенной задачей. Такая теория всего, как она известна, может никогда не быть реализована.

Но гравитация до сих пор используется для обнаружения монументальных находок. В 1960-х и 70-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд показали, что звезды на краях галактик вращаются быстрее, чем это должно быть возможно. Как будто какая-то невидимая масса притягивала их гравитационно, выявляя материал, который мы теперь называем темной материей.

В последние годы ученым также удалось зафиксировать еще одно следствие теории относительности Эйнштейна — гравитационные волны, излучаемые при вращении друг вокруг друга массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры. С 2017 года Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) открыла новое окно во Вселенную, обнаружив чрезвычайно слабый сигнал таких событий.

Дополнительные ресурсы: 

• Узнайте больше о гравитации от NASA Science Space Place.
• Вот еще одно полезное объяснение гравитации из журнала Cosmos.
• Посмотрите полезное видео о том, как работает гравитация, из книги «Самые большие тайны жизни».

Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

Что такое гравитация? Путеводитель по самой загадочной силе природы

Без гравитации нас бы не было. Она обеспечивает силу, которая удерживает нас на поверхности Земли и Землю на орбите вокруг Солнца.

В первую очередь он был ответственен за формирование Солнечной системы, и именно гравитационное притяжение всего материала Солнца, стягивая его вместе, делает возможным ядерный синтез, дающий нам тепло и легкий.

Тем не менее, несмотря на свою вездесущность, гравитация является одной из самых загадочных сил во Вселенной.

Что такое гравитация?

Будучи одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями, гравитация оказывает огромное влияние на природу.

Это свойство материи, вещества. В двух словах: вся материя притягивается ко всей другой материи. Чем больше материи и чем ближе объекты друг к другу, тем больше эта сила притяжения.

И в отличие от электричества и магнетизма, которые могут либо отталкивать, либо притягивать, гравитация всегда притягивает вещи друг к другу.

Узнайте больше о гравитации:

• В поисках квантовой гравитации: почему ошибаться необходимо для науки
• Что-то не так с гравитацией

В чем заключалась теория гравитации Ньютона?

Портрет Исаака Ньютона (1642-1727) © Getty Images

Ньютон, как известно, заявил, что у него нет гипотезы о том, как работает гравитация.

Вместо этого отправной точкой для описания этого явления в действии была идея о том, что гравитация универсальна — то же самое, что заставляет яблоко падать с дерева, удерживает Луну на орбите.

С помощью этой концепции, набора астрономических данных и нескольких умных мысленных экспериментов Ньютон смог показать, что только три фактора влияют на гравитационное притяжение между двумя объектами: масса каждого объекта и расстояние между ними.

Хотя он никогда не записывал это в такой форме, его теория должна была показать, что гравитационное притяжение подчиняется закону обратных квадратов. Силу гравитации можно рассчитать, перемножив массы двух объектов и разделив их на квадрат расстояния между ними. Таким образом, сила притяжения возрастает по мере увеличения массы объектов или по мере их сближения.

Этого простого соотношения было достаточно, чтобы объяснить почти все движения Луны и планет, и это было бы все, что нужно НАСА для расчета безопасной траектории миссии Аполлона на Луну.

Что такое принцип эквивалентности?

Принцип эквивалентности основан на том, что Альберт Эйнштейн назвал своей «самой счастливой мыслью».

Это было то, что «если человек свободно падает, он не почувствует собственного веса». Другими словами, ускорение и гравитация совершенно эквивалентны и неразличимы.

Мы видим, как это происходит на Международной космической станции. Сила притяжения на орбитальном расстоянии станции от Земли составляет около 90% силы тяжести на поверхности, и тем не менее астронавты летают.

Астронавты на борту МКС постоянно падают на Землю © Getty Images

Причина, по которой люди парят там, заключается в том, что они постоянно падают на нашу планету. Мы могли бы ожидать, что они врежутся в поверхность Земли, но они также движутся вбок с нужной скоростью, чтобы постоянно промахиваться — вот что подразумевает нахождение на орбите.

Больше похоже на это

Принцип эквивалентности показывает, что ускорение, которое происходит при падении человека, уравновешивает его вес. Эйнштейн оторвался от своей счастливой мысли и предположил, что ускорение и гравитация — это, по сути, одно и то же.

И это вдохновило его на создание общей теории относительности, которая предсказывает силу гравитации и объясняет, как она работает.

Что такое общая теория относительности Эйнштейна?

Используя свой принцип эквивалентности, Эйнштейн смог показать, что тела с массой — от атома до звезды — искажают пространство и время.

И именно это искривление объяснило то, что Ньютон никогда не мог показать: почему гравитация способна действовать на расстоянии.

Подобно баскетбольному мячу на батуте, окруженному шариками, более массивные объекты создают большие искривления в ткани пространства-времени, втягивая близлежащие объекты и заставляя их двигаться по изогнутым траекториям. Но эффект есть и у меньших тел — каждый из нас оказывает крошечное гравитационное воздействие на окружающие нас объекты.

Альберт Эйнштейн в своей лаборатории в Принстонском университете © Getty Images

Поскольку он придерживался совершенно иного подхода, чем Ньютон, Эйнштейну пришлось использовать другой вид математики, о котором он сам изначально мало знал: математику искривленного пространства.

И он должен был принять во внимание различные вторичные эффекты, существование которых у Ньютона не было оснований подозревать, такие как неожиданное открытие, что гравитация влияет сама на себя.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна делают все то же, что и уравнение Ньютона, предсказывая величину силы притяжения между двумя телами, но поскольку они описывают, как все, что имеет массу, искривляет пространство и время, они могут делать гораздо больше.

Эйнштейн доказал, что Ньютон ошибался?

Абсолютно нет. Работа Ньютона была описательной: он подгонял простое математическое уравнение к тому, что наблюдал.

Его математика ничего не говорит нам о том, как работает гравитация, но как описание поведения повседневных вещей она работала очень хорошо — и работает до сих пор.

Базового ньютоновского понимания гравитации было достаточно, чтобы космический корабль «Аполлон» долетел до Луны © Getty Images

Эйнштейн помог нам понять, что вызывает силу, которую мы называем гравитацией.

Он смог показать, что существуют определенные обстоятельства, обычно когда гравитация становится очень сильной, когда уравнение Ньютона не является достаточно хорошим приближением.

В этих случаях мы должны привлечь Эйнштейна, чтобы получить более точную цифру. И Эйнштейн также оказывается полезным, чтобы делать предсказания, которые даже не были бы предусмотрены в основных принципах ньютоновской физики.

Какие у нас есть доказательства общей теории относительности?

Существует огромное количество доказательств общей теории относительности.

До того, как Эйнштейн выдвинул свою теорию, астрономы изо всех сил пытались объяснить аспект орбиты Меркурия, называемый его прецессией, когда его точка наибольшего сближения с Солнцем постепенно меняет положение. Уравнения Ньютона не могли полностью объяснить эффект, но работа Эйнштейна могла.

Более того, идея о том, что гравитация вызвана искривлением пространства и времени, также поддавалась проверке, потому что это означало, что (например) свет, проходящий вблизи очень массивного тела, должен двигаться по кривой линии, проходя через искривленное пространство что создает тело.

Первым доказательством того, что Эйнштейн был прав относительно гравитации, стало солнечное затмение 1919 года. галактики действуют как линзы, искривляя путь света позади себя.

Еще одно предсказание уравнений Эйнштейна состоит в том, что нахождение рядом с массивным телом замедляет время: вот почему нам нужно скорректировать сигнал спутников GPS, которые дают нам спутниковую навигацию.

Точно так же эксперимент под названием Gravity Probe B продемонстрировал, что вращающееся массивное тело тащит за собой пространство-время, как вращающаяся ложка в меду, как и предвидел Эйнштейн.

Какое отношение гравитация имеет к черным дырам?

Предсказания теории Эйнштейна обычно являются результатом решения упрощенных версий его уравнений. Один из первых описывал сжатую массу, в которой вся материя находилась в одной точке — «гравитационная сингулярность».

Позже стало понятно, что некоторые стареющие звезды не смогут противостоять силе гравитации и должны схлопнуться сами в себя, чтобы образовать такую ​​точку, создав черную дыру. Гравитация в черной дыре настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее.

Первая в истории фотография черной дыры — в центре галактики M87 © Event Horizon Telescope

Точно так же Общая теория относительности предсказывала, что сама ткань Вселенной может расширяться и сжиматься. В сочетании с наблюдениями это стало основой для нашей лучшей теории развития Вселенной: модели Большого взрыва.

Общая теория относительности также может пролить свет на темную энергию — загадочное явление, которое, кажется, ускоряет расширение Вселенной.

Что такое гравитационные волны?

Тело с массой искажает пространство и время, поэтому, если это тело ускоряется в пространстве, оно должно вызывать рябь в пространстве-времени вокруг себя.

Эти пульсации называются гравитационными волнами и движутся наружу подобно тому, как ускорение электронов вверх и вниз по антенне генерирует электромагнитные волны радио и телевидения.

Гравитационные волны, которые Эйнштейн предсказал вскоре после разработки своей общей теории относительности, должны постоянно возникать из огромного количества источников. Однако гравитация — чрезвычайно слабая сила, а это значит, что эти волны чрезвычайно трудно обнаружить.

Гравитационные волны — рябь в ткани пространства и времени — подтвердили предсказания Эйнштейна © Getty Images двумя сливающимися черными дырами.

Детекторы LIGO настолько чувствительны, что необходимо устранить любую вибрацию, от проезжающих машин до далеких волн, разбивающихся о пляж.

Гравитационные волны важны не потому, что они «доказывают теорию Эйнштейна» — у нас уже есть много доказательств для этого, — а потому, что они дают нам новый способ изучения Вселенной, оглядываясь на ее самые ранние годы, куда не мог проникнуть даже свет.

Общая теория относительности все объясняет?

Почти наверняка нет.

Общая теория относительности чрезвычайно эффективна и ни в чем не ошибается, когда дело доходит до предсказаний поведения повседневных объектов, но есть несколько обстоятельств — особенно в сердце черной дыры или при описании Вселенной до Большой Взрыв — где теория рушится.

Квантовая физика с впечатляющей точностью описывает физику очень малого, но общая теория относительности и квантовая теория несовместимы. Все остальные силы природы «квантуются» — приходят порциями, а не постоянно варьируются.

Предполагается, что должна быть возможность разработать квантовую теорию гравитации, которая привела бы ее в соответствие с другими силами и по-прежнему давала бы те же результаты, что и теория Эйнштейна для более крупных объектов.

На данный момент лучшими попытками являются теория струн/М-теория и петлевая квантовая гравитация, но ни одна из них пока не дала каких-либо полезных предсказаний.

Может ли гравитация быть вызвана субатомной частицей?

Очень вероятно, и у него уже есть имя: гравитон. Один из способов, которым квантовая теория представляет передачу такой силы, как электромагнетизм, — это поток частиц-носителей, называемых «бозонами».

В случае электромагнетизма частицей является фотон. Каждая частица является «квантом» — куском — квантованного явления.

Итак, если гравитация является квантовым эффектом, мы предполагаем, что ее переносчиком будет гравитон. Однако не ожидайте, что в ближайшее время кто-то появится на Большом адронном коллайдере. Маловероятно, что гравитон будет взаимодействовать с другой частицей обнаруживаемым образом, поэтому в настоящее время нет реалистично мыслимого эксперимента, который мог бы его обнаружить.

Существует ли антигравитация?

Не то, чтобы мы знали. В отличие от электромагнетизма, гравитация — это односторонний эффект — она просто притягивает. Мы можем компенсировать гравитацию другими силами; вы делаете это каждый раз, когда что-то берете.

Это выглядит особенно впечатляюще, когда противодействующей силой является невидимый электромагнетизм, например, когда что-то плывет над магнитом, но это не антигравитация.

Мы также не знаем, как защититься от гравитации: она проходит сквозь все. Если бы мы могли остановить гравитацию, мы могли бы создать вечный двигатель и генерировать свободную энергию. Покрасьте одну и ту же сторону каждой лопасти водяного колеса барьерным веществом.

Лопасти на одной стороне колеса будут направлены оголенными сторонами к Земле, поэтому будут ощущать ее гравитационное притяжение, а лопасти на другой стороне будут защищены от гравитации. Так что только одна сторона колеса будет тянуться вниз, и оно будет вращаться вечно.

Единственный небольшой шанс обнаружить антигравитацию состоит в том, что антивещество может гравитационно отталкиваться от обычного вещества.

У ученых ЦЕРН скоро будет достаточно антивещества, чтобы проверить это, но большинство физиков считают, что оно будет вести себя как обычное вещество.

Узнайте больше о космологии:

• Две простые подсказки, которые говорят нам, когда возникла Вселенная
• Наша Вселенная может иметь пятое измерение, которое изменит все, что мы знаем о физике
• Внутри простой компьютерной программы, которая может объяснить почему Вселенная вообще существует

Откуда берется гравитация?

Гравитация. Обычный человек, вероятно, не думает об этом каждый день, но гравитация влияет на каждое наше движение. Из-за гравитации мы падаем вниз (а не вверх), предметы падают на пол, и мы не улетаем в космос, когда прыгаем в воздухе. Старая пословица «все, что поднимается, должно опускаться» имеет смысл для всех, потому что со дня нашего рождения мы, по-видимому, привязаны к поверхности Земли благодаря этой всепроникающей невидимой силе.

Но физики постоянно думают о гравитации. Для них гравитация — одна из загадок, которые необходимо разгадать, чтобы получить полное представление о том, как работает Вселенная.

Итак, что такое гравитация и откуда она берется?

Честно говоря, мы не совсем уверены.

Графика предоставлена ​​Университетом Теннесси в Ноксвилле.
Мы знаем из Исаака Ньютона и его закона всемирного тяготения, что любые два объекта во Вселенной притягивают друг друга. Эта связь основана на массе двух объектов и расстоянии между ними. Чем больше масса двух объектов и чем короче расстояние между ними, тем сильнее притяжение гравитационных сил, которые они оказывают друг на друга.

Мы также знаем, что гравитация может работать в сложной системе с несколькими объектами. Например, в нашей собственной Солнечной системе не только Солнце оказывает гравитационное воздействие на все планеты, удерживая их на своих орбитах, но и каждая планета оказывает на Солнце силу гравитационного притяжения, как и все другие планеты, все в разной степени в зависимости от массы и расстояния между телами. И это выходит за рамки только нашей Солнечной системы, так как на самом деле каждый объект, имеющий массу во Вселенной, притягивает любой другой объект, имеющий массу — опять же, все в разной степени в зависимости от массы и расстояния.

Демонстрация гравитации с шариками на резиновом листе. Кредит: Стэнфордский университет.

В своей теории относительности Альберт Эйнштейн объяснил, что гравитация — это больше, чем просто сила: это искривление пространственно-временного континуума. Это звучит как что-то прямо из научной фантастики, но, проще говоря, масса объекта заставляет пространство вокруг него искривляться и искривляться. Это часто изображается как тяжелый мяч, сидящий на резиновом листе, а другие мячи меньшего размера падают на более тяжелый объект, потому что резиновый лист деформируется под весом тяжелого мяча.

На самом деле мы не можем видеть кривизну пространства напрямую, но можем обнаружить ее в движении объектов. Любой объект, «пойманный» гравитацией другого небесного тела, подвергается воздействию, потому что пространство, через которое он движется, искривлено в сторону этого объекта. Это похоже на то, как монета катится по спирали в циклонном автомате, который вы видите в туристических магазинах, или как велосипеды вращаются вокруг велодрома.

Двухмерная анимация того, как работает гравитация. Через Space Place НАСА..

Мы также можем наблюдать влияние гравитации на свет в явлении, называемом гравитационным линзированием. Если объект в космосе достаточно массивен — например, большая галактика или скопление галактик — он может вызвать искривление вокруг себя прямого луча света, создавая эффект линзы.

Изображения с космического телескопа Хаббл, демонстрирующие эффект гравитационной линзы. Предоставлено: НАСА/ЕКА.

Но эти эффекты — когда в пространстве в основном есть кривые, холмы и долины — возникают по причинам, которые мы не можем полностью объяснить. Помимо того, что гравитация является характеристикой пространства, она также является силой (но самой слабой из четырех сил) и может быть также и частицей. Некоторые ученые предположили, что частицы, называемые гравитонами, заставляют объекты притягиваться друг к другу. Но на самом деле гравитоны никогда не наблюдались. Другая идея состоит в том, что гравитационные волны генерируются, когда объект ускоряется внешней силой, но эти волны также никогда не обнаруживались напрямую.

Наше понимание гравитации рушится как на очень малых, так и на очень больших: на уровне атомов и молекул гравитация просто перестает работать. И мы не можем описать внутренности черных дыр и момент Большого взрыва без того, чтобы математика полностью не развалилась.

Проблема в том, что наше понимание как физики элементарных частиц, так и геометрии гравитации неполно.

«Перейдя от фундаментальных философских представлений о том, почему вещи падают, к математическим описаниям того, как вещи ускоряются вниз по склону от Галилея, к уравнениям Кеплера, описывающим движение планет, к ньютоновской формулировке законов физики, к формулировкам теории относительности Эйнштейна, мы построение и построение более полного представления о гравитации. Но мы еще не закончили», — сказала доктор Памела Гей. «Мы знаем, что все еще должен быть какой-то способ объединить квантовую механику и гравитацию и действительно иметь возможность записывать уравнения, описывающие центры черных дыр и самые ранние моменты Вселенной. Но мы еще не там».

Итак, загадка остается… пока.

Это видео «Минутная физика» помогает объяснить, что мы знаем о гравитации:

Мы написали много статей о гравитации для Universe Today. Вот статья о гравитации и антиматерии, а вот статья об открытии гравитации. В этой недавней статье обсуждается, как последние исследования рассматривают квантовую физику для объяснения гравитации.

Если вам нужна дополнительная информация о гравитации, ознакомьтесь с книгой «Постоянное притяжение гравитации: как это работает?», а здесь ссылка на «Гравитация на Земле и гравитация в космосе: в чем разница?».

Мы также записали целую серию Astronomy Cast, посвященную гравитации. Послушайте, Эпизод 102: Гравитация.

Для дальнейшего чтения:
Cornell Astronomy
UT-Knoxville

Нравится:

Нравится Загрузка…

Гравитация | TheSchoolRun

Что такое гравитация?

Гравитация притягивает все объекты друг к другу. Гравитация существовала с самого начала существования Вселенной, и она работает одинаково везде во Вселенной, на самых разных объектах, всех размеров (больше, чем атомы — вместо этого они удерживаются вместе атомными силами).

Степень гравитации объекта зависит от его размера  (или, если быть точным, от его массы). Это также зависит от того, насколько близко вы находитесь к объекту; чем ближе вы находитесь, тем сильнее гравитация.

Гравитация очень важна для нашей повседневной жизни. Без земного притяжения мы бы улетели прямо с нашей планеты! Нам всем пришлось бы все время быть пристегнутыми, и если бы вы пнули мяч, он бы улетел навсегда. Хотя это может быть забавно попробовать на несколько минут, мы, конечно же, не смогли бы жить на Земле без гравитации.

Гравитация также важна в более широком масштабе. Именно гравитация Солнца удерживает Землю на орбите вокруг Солнца. Жизнь на Земле нуждается в солнечном свете и тепле, чтобы выжить. Гравитация помогает Земле оставаться на правильном расстоянии от Солнца, чтобы не было слишком жарко или слишком холодно.

Никто до конца не понимает, как работает гравитация, или даже почему гравитация существует . Один из способов взглянуть на гравитацию — думать о ней не как о силе вроде магнетизма, а как о естественном результате того, как масса искривляет пространство. Любой объект с массой (например, звезда) давит на пространство и искривляет его, так что другие объекты (например, планеты), движущиеся прямолинейно, также вращаются вокруг звезды. Нам кажется, что звезда притягивает планету, но на самом деле звезда искривляет пространство.

10 главных фактов

1. Чем больше масса объекта , тем больше у него гравитация; чем меньше масса объекта, тем меньшей гравитации он подвергается.
2. Гравитация направляет рост растений и другой растительности.
3. Черные дыры обладают самым сильным гравитационным притяжением во всей Вселенной.
4. Земля – ​​это гигантский магнит . Его магнитное поле похоже на стержневой магнит в центре.
5. Сэр Исаак Ньютон открыл гравитацию около 300 лет назад. История в том, что Ньютон видел, как яблоко упало с дерева. Когда это произошло, он понял, что это произошло благодаря силе, и назвал ее гравитацией.
6. Океан Приливы вызваны гравитацией Луны.
7. Если бы вы могли путешествовать с планеты на планету, ваша масса оставалась бы неизменной, но ваш вес менялся бы в зависимости от того, как на вас действует гравитация этой планеты. Марс меньше и имеет меньшую массу, чем Земля, и, как следствие, имеет меньшую гравитацию. Если на Земле вы весите 100 фунтов, то на Марсе вы будете весить 38 фунтов.
8. В какой-то момент при падении трение о воздух сравняется с силой тяжести, и объект будет двигаться с постоянной скоростью. Это называется конечной скоростью . Для парашютиста эта скорость составляет около 100 миль в час!
9. На самом деле мы не “чувствуем” гравитацию. Мы чувствуем только последствия попытки преодолеть его, прыгая или падая.
10. Гравитация всегда притягивает, она никогда не толкает.

Улучшите навыки вашего ребенка по математике и английскому языку!

• Начните обучение своего ребенка с индивидуальной программы обучения
• Еженедельные ресурсы, доставляемые на вашу панель управления
• Следите за процессом обучения вашего ребенка

Знаете ли вы, что это БЕСПЛАТНО3 90 сегодня?

• Ты уменьшаешься прямо сейчас . Каждый день утром вы выше, чем ночью. На самом деле, в конце каждого дня вы примерно на 1/2 дюйма (1,25 сантиметра) короче, чем когда проснулись утром. Если вы не верите, попросите кого-нибудь измерить вас, когда вы встанете утром, а затем еще раз перед тем, как лечь спать. Это не потому, что ваш тяжелый рюкзак отягощает вас. Это происходит из-за гравитации. Когда вы ходите в течение дня, гравитация тянет вас вниз или, точнее, к центру Земли. Когда вы ложитесь спать ночью, ваш позвоночник имеет возможность вытянуться в полный рост.
• На Земле гравитация не совсем ровная . Поскольку земной шар не является идеальной сферой, его масса распределена неравномерно, что означает немного неравномерную гравитацию.
• Одна загадочная гравитационная аномалия находится в Гудзоновом заливе Канады. В этом районе гравитация ниже, чем в других регионах, и исследование 2007 года показало, что виноваты ныне растаявшие ледники. Лед, который когда-то покрывал этот район во время последнего ледникового периода, давно растаял, но Земля еще не полностью оправилась от своего бремени. Поскольку гравитация над областью пропорциональна массе на вершине этой области, а отпечаток ледника отталкивает часть массы Земли, гравитация немного менее сильна в отпечатке ледяного щита. Незначительная деформация земной коры объясняет необычно низкую гравитацию в этом районе. В некоторых местах он почти вдвое слабее, чем в других!
• Черные дыры — одни из самых разрушительных объектов во Вселенной, названные так потому, что ничто, даже свет, не может вырваться из их гравитационных тисков. В центре нашей галактики находится массивная черная дыра с массой в 3 миллиона солнц. Черная дыра на самом деле не представляет опасности для нас, землян — она и далеко, и удивительно спокойна.
• В самом начале Вселенной , после Большого Взрыва, гравитация сблизила атомы, чтобы образовались звезды и планеты. После того, как звезды и планеты сформировались, гравитация удерживала планеты на орбитах вокруг звезд, а луны вращались вокруг планет. И на каждой достаточно большой планете гравитация удерживает атмосферу вокруг планеты.
• На Земле гравитация удерживает воздух вокруг нас (и все остальное) от дрейфа в космос . Гравитация также заставляет горячий воздух подниматься вверх, в то время как более холодный воздух падает (что, в свою очередь, вызывает ветер).

Гравитационная галерея:

• Астронавты справляются с отсутствием гравитации!
• Когда парашютисты падают на Землю, их тянет вниз сила гравитации.
• Гравитация удерживает Луну на орбите вокруг Земли
• Все объекты падают с одинаковой скоростью — на эту скорость влияет сопротивление воздуха.
• Предметы с разной массой падают в вакууме с одинаковой скоростью.
• Говорят, что сэр Исаак Ньютон написал свою теорию гравитации, увидев, как яблоко падает на землю.
• Портрет сэра Исаака Ньютона.

Галерея

О

Гравитация или гравитационные силы силы притяжения . Это похоже на то, как Земля притягивает вас и удерживает на земле. Это притяжение — гравитация в действии.

Каждый объект во Вселенной, имеющий массу, оказывает гравитационное притяжение или сила любой другой массы. Величина притяжения зависит от массы объектов. Вы оказываете гравитационную силу на окружающих вас людей, но эта сила не очень велика, так как люди не очень большие. Когда вы смотрите на действительно большие массы, такие как Земля и Луна, гравитационное притяжение становится очень впечатляющим. Сила гравитации между Землей и молекулами газа в атмосфере достаточно сильна, чтобы удерживать атмосферу близко к нашей поверхности. Меньшие планеты, имеющие меньшую массу, могут быть не в состоянии удерживать атмосферу.

Большой размер не означает большую массу . Представьте себе два мяча примерно одинакового размера, например футбольный мяч и шар для боулинга. Будет ли у них одинаковая масса? №

Самый простой способ представить себе массу — это рассмотреть, сколько материи или «материала» вы можете найти внутри объекта. Количество материи в объекте будет влиять на его массу, а это означает, что у гравитации достаточно материи, за которую можно «ухватиться». В случае с футбольным мячом молекулы воздуха составляют большую часть его внутренней части. Внешняя часть мяча выглядит цельной, но если его разрезать пополам, мяч будет выглядеть как пустая оболочка. В то время как внутренняя часть шара для боулинга обычно полностью твердая, поэтому, если вы разрежете его пополам, вы получите две сплошные части. Внутри шара для боулинга больше материи, что делает его более плотным, чем футбольный мяч. Следовательно, его масса будет больше массы футбольного мяча.

Масса измеряется в граммах (г) или килограммах (кг), но НЕ является силой. Вес объекта – это сила, вызванная гравитацией, притягивающей массу объекта. Измеряется в ньютонов (Н). Вес измеряется с помощью измерителя силы. Чем больше вес прикреплен к измерителю силы, тем больше растягивается пружина внутри измерителя силы.

Земля всегда производит одинаковое ускорение для каждого объекта. Если вы уроните желудь или пианино, они получат скорость (скорость) с той же скоростью. Хотя гравитационная сила, которую Земля оказывает на объекты, различна, их массы столь же различны, поэтому эффект, который мы наблюдаем (ускорение), одинаков для всех. Сила гравитации Земли ускоряет объекты, когда они падают. Он постоянно тянет, и объекты постоянно ускоряются. Вы можете подумать: «А как насчет перьев? Они так медленно падают». Очевидно, вокруг нас есть воздух. Когда перо падает, оно падает медленно, потому что на его пути стоит воздух. Есть много сопротивление воздуха и это сопротивление заставляет перо двигаться медленнее. Силы в работе одинаковы. Если вы бросите перо в контейнер без воздуха (вакуум), оно упадет так же быстро, как бейсбольный мяч.

Исаак Ньютон был невероятно умным человеком. Он был ученым и математиком. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу по математике, которая считается одной из важных книг в истории науки. В нем он описывает вселенское тяготение и три закона движения, концепции, которые оставались в авангарде науки на протяжении столетий. Известно, что Ньютон сказал, что его работа по формулированию Теория гравитации была вдохновлена ​​наблюдением за падением яблока с дерева и вопросом о том, что заставило его упасть вниз.

Слова, которые нужно знать:

Вселенная – вся материя и энергия, существующие в бескрайнем космосе, известные людям или нет
Гравитация – гравитационное притяжение Земли или другого астрономического объекта объект на его поверхности или вблизи нее
Атомы – наименьшая часть, на которую можно разделить элемент
Масса — объект имеет массу (скажем, 100 кг). Это делает его достаточно тяжелым, чтобы весить 100 кг. например, Солнце
Магнетизм — явление физического притяжения железа, обнаруженное в магнитах или созданное движущимся электрическим зарядом или током
Трение — трение двух объектов друг о друга, когда один или оба движутся
Аномалия – что-то странное и трудно идентифицируемое или классифицируемое
Деформация – действие или процесс повреждения, обезображивания или порчи вида чего-либо либо состояние поврежденности, обезображивания или порчи
Плотность  – ближе друг к другу, более плотно упакованы
Ньютоны – Правильная единица измерения силы – Ньютон, сокращенно N.
Измеритель силы – Измеритель силы содержит пружину, соединенную с металлическим крючком. Пружина растягивается, когда к крючку прикладывается усилие. Чем больше приложенная сила, тем дольше растягивается пружина и тем больше показания.