Что вызывает гравитацию на Земле?

Большинство людей, ориентированных на науку или нет, имеют хотя бы смутное представление о том, что некоторая величина или понятие, называемое «гравитация», - это то, что удерживает объекты, включая их самих, привязанными к Земле. Они понимают, что в целом это благо, но в определенных ситуациях - в меньшей степени, например, когда они сидят на ветке дерева и немного не знаете, как вернуться на землю невредимым, или когда пытаетесь установить новый личный рекорд в таком событии, как прыжок в высоту или шест сейф.

Возможно, трудно понять само понятие гравитации, пока не увидишь, что происходит, когда ее влияние уменьшается. или уничтожены, например, при просмотре видеозаписи астронавтов на космической станции, вращающейся вокруг планеты вдали от Земли. поверхность. И по правде говоря, физики плохо понимают, что в конечном итоге «вызывает» гравитацию, точно так же, как они не могут сказать кому-либо из нас, почему Вселенная вообще существует. Однако физики создали уравнения, которые описывают, что гравитация делает исключительно хорошо не только на Земле, но и во всем космосе.

Более 2000 лет назад древнегреческие мыслители выдвинули множество идей, которые в значительной степени выдержали испытание временем и дожили до современности. Они заметили, что далекие объекты, такие как планеты и звезды (истинные расстояния от Земли, о которых, конечно, наблюдатели не знали). знания), по сути, были физически связаны друг с другом, несмотря на то, что предположительно не имели ничего похожего на кабели или веревки, соединяющие их все вместе. В отсутствие других теорий греки предположили, что движения солнца, луны, звезд и планет были продиктованы прихотями богов. (Фактически, все планеты, известные в те дни, были названы в честь богов.) Хотя эта теория была точной и решающей, она не подлежал проверке и, следовательно, был не более чем заменой более удовлетворительного и научно строгого объяснение.

Лишь около 300-400 лет назад астрономы, такие как Тихо Браге и Галилео Галилей, признали это, вопреки библейским учения, которым тогда было около 15 веков, Земля и планеты вращались вокруг Солнца, а не Земля была в центре Вселенная. Это открыло путь для исследования гравитации в ее нынешнем понимании.

Один из способов представить себе гравитационное притяжение между объектами, описанный покойным физиком-теоретиком Якобом Бекенштейном в сочинение для CalTech - это «силы дальнего действия, которые электрически нейтральные тела действуют друг на друга из-за содержания в них материи». Это, в то время как объекты могут испытывать силу в результате различий в электростатическом заряде, гравитация вместо этого приводит к силе из-за явного масса. Технически вы и компьютер, телефон или планшет, на котором вы это читаете, воздействуете на гравитационные силы. друг друга, но вы и ваше устройство с выходом в Интернет настолько малы, что эта сила фактически необнаруживаемый. Очевидно, что для объектов масштаба планет, звезд, целых галактик и даже скоплений галактик все обстоит иначе.

Исаак Ньютон (1642-1727), считающийся одним из самых блестящих математических умов в истории и одним из соавторов области математического анализа, предложил что сила тяжести между двумя объектами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их. Это принимает форму уравнения:

где F_{гравитация} - сила тяжести в ньютонах, м₁ И м₂ - массы объектов в килограммах, r - расстояние, разделяющее объекты в метрах, а значение константы пропорциональности G составляет 6,67 × 10^-11 (Н м²)/кг².

Хотя это уравнение прекрасно работает для повседневных целей, его ценность уменьшается, когда объекты в вопросы являются релятивистскими, то есть описываются массами и скоростями далеко за пределами типичного человеческого опыт. Вот тут-то и появляется теория гравитации Эйнштейна.

В 1905 году Альберт Эйнштейн, имя которого, пожалуй, является самым узнаваемым в истории науки и самым синонимом подвигов гениального уровня, опубликовал свою специальную теорию относительности. Среди других эффектов, которые это оказало на существующую совокупность физических знаний, это поставило под сомнение допущение, заложенное в теории Ньютона. концепция гравитации, которая заключается в том, что гравитация действует мгновенно между объектами, независимо от размера их разделение. После расчетов Эйнштейна установлено, что скорость света 3 × 10⁸ м / с или около 186 000 миль в секунду, что является верхней границей того, насколько быстро что-либо может распространяться в космосе, идеи Ньютона внезапно стали казаться уязвимыми, по крайней мере, в некоторых случаях. Другими словами, хотя ньютоновская теория гравитации продолжала превосходно работать почти во всех мыслимых контекстах, она явно не была универсально верным описанием гравитации.

Следующие 10 лет Эйнштейн сформулировал другую теорию, которая согласовывала бы основную гравитационную теорию Ньютона. рамки с верхней границей скорости света, наложенной или кажущейся наложенной на все процессы во Вселенной. Результатом, который Эйнштейн представил в 1915 году, стала общая теория относительности. Триумф этой теории, которая лежит в основе всех теорий гравитации до наших дней, заключается в том, что он сформулировал концепцию гравитации как проявление кривизны пространства-времени, а не как силу, действующую на se. Эта идея не была совершенно новой; математик Георг Бернхард Риман выдвинул похожие идеи в 1854 году. Но Эйнштейн, таким образом, превратил теорию гравитации из чего-то, основанного исключительно на физических силах, в более теория, основанная на геометрии: она предложила де-факто четвертое измерение, время, чтобы сопровождать три пространственных измерения, которые были уже знакомо.

Одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что гравитация действует независимо от массы или физического состава объектов. Это означает, что, среди прочего, пушечное ядро ​​и шарик, упавшие с вершины небоскреба, упадут на землю в с той же скоростью, с точно такой же скоростью ускоряемой силой тяжести, несмотря на то, что один из них намного массивнее другого. (Для полноты картины важно отметить, что технически это верно только в вакууме, где сопротивление воздуха не является проблемой. Очевидно, что перо падает медленнее, чем при толкании ядра, но в вакууме этого не было бы.) Этот аспект идеи Эйнштейна можно было проверить достаточно хорошо. Но как насчет релятивистских ситуаций?

В июле 2018 года международная группа астрономов завершила исследование тройной звездной системы на расстоянии 4200 световых лет от Земли. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за один год (около шести триллионов миль), это означает, что астрономы здесь, на Земле, были наблюдение световых явлений, которые на самом деле произошли примерно в 2200 г. до н. э. Эта необычная система состоит из двух крошечных плотных звезд - одна из них. «пульсар» вращается вокруг своей оси 366 раз в секунду, а другой белый карлик - вращаются друг вокруг друга с удивительно коротким периодом 1,6. дней. Эта пара, в свою очередь, обращается вокруг более далекой звезды-белого карлика каждые 327 дней. Короче говоря, единственное описание гравитации, которое могло бы объяснить взаимные неистовые движения трех звезд в этом В высшей степени необычной системой была общая теория относительности Эйнштейна - и уравнения, по сути, соответствовали ситуации. отлично.