Що спричиняє тяжіння на Землі?

Більшість людей, орієнтованих на науку чи іншим чином, мають принаймні туманне уявлення про те, що якась величина або поняття, що називається «гравітація», є тим, що утримує об’єкти, включаючи їх самих, прив'язаними до Землі. Вони розуміють, що це благословення загалом, але менше в певних ситуаціях - скажімо, коли сидить на гілці дерева і трохи невпевнений у тому, як повернутися на землю неушкодженим, або при спробі встановити новий особистий рекорд у такій події, як стрибок у висоту або жердина склепіння.

Можливо, важко оцінити поняття самої сили тяжіння, поки не побачиш, що відбувається, коли його вплив зменшується або знищені, наприклад, під час перегляду кадрів астронавтів на космічній станції, що обертається навколо планети далеко від Землі поверхні. І справді, фізики мало уявляють, що в кінцевому підсумку "спричиняє" гравітацію, так само, як вони можуть сказати кожному з нас, чому існує Всесвіт. Однак фізики створили рівняння, що описують, що гравітація робить надзвичайно добре не лише на Землі, але й у космосі.

Понад 2000 років тому давньогрецькі мислителі висловили безліч ідей, які значною мірою витримали випробування часом і дійшли до сучасності. Вони розпізнали, що такі далекі об'єкти, як планети та зірки (справжні відстані від Землі, яких, звісно, ​​спостерігачі не мали знання) були, по суті, фізично пов'язані один з одним, незважаючи на те, що, мабуть, не мали нічого подібного до кабелів або мотузок, що їх з'єднують разом. Відсутність інших теорій, греки припускали, що рухи сонця, місяця, зірок і планет диктуються примхами богів. (Насправді всі планети, які знали в ті часи, були названі на честь богів.) Хоча ця теорія була акуратною та вирішальною, вона не підлягала тестуванню, а отже, була не більше ніж підтримкою для більш ситного і науково строгого пояснення.

Лише приблизно 300 - 400 років тому такі астрономи, як Тихо Браге та Галілео Галілей, визнали це, на відміну від біблійних вчення, яким було близько 15 століть, Земля та планети оберталися навколо Сонця, а не Землі, що знаходилась у центрі Всесвіт. Це відкрило шлях для досліджень гравітації, як це розуміється в даний час.

Один із способів думати про гравітаційне тяжіння між об’єктами, висловлене пізнім фізиком-теоретиком Якобом Бекенштейном у есе для CalTech - це "сили далекого діапазону, які електрично нейтральні тіла діють одне на одне через вміст речовини". Це, в той час як об'єкти можуть відчувати силу внаслідок різниці в електростатичному заряді, гравітація натомість призводить до сили внаслідок прямого маси. Технічно ви та комп’ютер, телефон або планшет, на якому ви читаєте це, дієте на сили тяжіння один одного, але ви та ваш пристрій з підтримкою Інтернету настільки малі, що ця сила фактично є не виявляється. Очевидно, що для об’єктів у масштабі планет, зірок, цілих галактик і навіть скупчень галактик це зовсім інша історія.

Ісаак Ньютон (1642-1727), якому приписують те, що він є одним із найблискучіших математичних розумів в історії та одним із співавторів галузі числення, запропонував що сила тяжіння між двома предметами прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між їх. Це приймає форму рівняння:

де F_грав - сила тяжіння в ньютонах, м₁ та м₂ - маси об’єктів у кілограмах, r - відстань, що розділяє об’єкти в метрах, і значення константи пропорційності G становить 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/кг².

Хоча це рівняння чудово працює для повсякденних цілей, його значення зменшується, коли об’єкти в ньому питання релятивістські, тобто описуються масою і швидкістю, що виходить за межі типової людини досвід. Тут виникає теорія гравітації Ейнштейна.

У 1905 році Альберт Ейнштейн, ім'я якого є чи не найбільш впізнаваним в історії науки і найбільш синонімом подвигів на рівні генія, опублікував свою спеціальну теорію відносності. Серед інших наслідків, які це мало на існуючий масив фізичних знань, це поставило під сумнів припущення, вбудоване в положення Ньютона Поняття гравітації, яке полягає в тому, що гравітація фактично діяла миттєво між об'єктами, незалежно від їх масштабності розділення. Після розрахунків Ейнштейна встановлено, що швидкість світла 3 × 10⁸ м / с або близько 186 000 миль на секунду, що ставило верхню межу того, як швидко все, що можна поширити у космосі, ідеї Ньютона раптово виглядали вразливими, принаймні в певних випадках. Іншими словами, хоча ньютонівська гравітаційна теорія продовжувала чудово виконувати свої дії майже у всіх уявних контекстах, це явно не було загальновірним описом гравітації.

Наступні 10 років Ейнштейн витратив на формулювання іншої теорії, яка б узгодила основну гравітаційну тяжкість Ньютона каркас із верхньою межею швидкості світла, що накладається або, як видається, накладає на всі процеси у Всесвіті. Результатом, який Ейнштейн ввів у 1915 р., Стала загальна теорія відносності. Тріумф цієї теорії, яка лежить в основі всіх теорій гравітації до наших днів, полягає в тому воно формулювало поняття гравітації як прояв кривизни простору-часу, а не як сили на se. Ця ідея не була абсолютно новою; математик Георг Бернхард Ріманн висловив відповідні ідеї в 1854 році. Але Ейнштейн, таким чином, перетворив гравітаційну теорію з чогось, що вкорінено суто у фізичних силах, у більше теорія, заснована на геометрії: вона пропонувала фактично четвертий вимір, час, що супроводжує три просторові виміри, які були вже знайомий.

Одним із наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна є те, що гравітація діяла незалежно від маси або фізичного складу об'єктів. Це означає, що, серед іншого, гарматне ядро ​​і мармур, що впали з вершини хмарочоса, впадуть до землі в однакова швидкість, прискорена до такої ж міри силою тяжіння, незважаючи на те, що одна набагато масивніша за іншу. (Важливо зазначити для повноти, що це технічно справедливо лише у вакуумі, де опір повітря не є проблемою. Перо явно падає повільніше, ніж штовхання ядра, але у вакуумі це було б не так.) Цей аспект ідеї Ейнштейна був досить перевіреним. Але як щодо релятивістських ситуацій?

У липні 2018 року міжнародна команда астрономів завершила дослідження тризіркової системи, розташованої на відстані 4200 світлових років від Землі. Світловий рік - це відстань, яку світло проходить за один рік (близько шести трильйонів миль), це означає, що астрономи тут на Землі спостереження за явищами світла, які насправді мали місце приблизно в 2200 р. до н. е. Ця незвичайна система складається з двох крихітних щільних зірок - однієї а "пульсар" обертається навколо своєї осі 366 разів на секунду, а інший білий карлик - обертається навколо один одного з надзвичайно коротким періодом 1,6 днів. Ця пара в свою чергу обертається навколо більш віддаленої білої карликової зірки кожні 327 днів. Коротше кажучи, єдиний опис гравітації, який міг би пояснити взаємні шалені рухи трьох зірок у цьому вкрай незвичною системою була загальна теорія відносності Ейнштейна - і рівняння, власне, відповідали ситуації ідеально.