Звідки береться сила тяжіння. Що таке гравітація найпростішими словами. Гармонічні системи відліку

Обі-Ван Кенобі сказав, що сила скріплює галактику. Те саме можна сказати і про гравітацію. Факт – гравітація дозволяє нам ходити Землею, Землі обертатися навколо Сонця, а Сонцю рухатися навколо надмасивної чорної дірки у центрі нашої галактики. Як зрозуміти гравітацію? Про це – у нашій статті.

Відразу скажемо, що ви не знайдете тут однозначно правильної відповіді на запитання "Що таке гравітація". Тому що його просто нема! Гравітація – одне з найтаємничіших явищ, над яким вчені ламають голову і досі не можуть пояснити його природу.

Є безліч гіпотез та думок. Налічується понад десяток теорій гравітації, альтернативних та класичних. Ми розглянемо найцікавіші, актуальні та сучасні.

Хочете більше корисної інформаціїта свіжих новин кожен день? Приєднуйтесь до нас у телеграм.

Гравітація – фізична фундаментальна взаємодія

Усього у фізиці 4 фундаментальні взаємодії. Завдяки їм світ є саме таким, яким він є. Гравітація – одна з цих взаємодій.

Фундаментальні взаємодії:

гравітація;
електромагнетизм;
сильна взаємодія;
слабка взаємодія.

Гравітація – найслабше із чотирьох фундаментальних взаємодій.

На даний момент чинною теорією, що описує гравітацію, є ОТО (загальна теорія відносності). Вона була запропонована Альбертом Ейнштейном у 1915-1916 роках.

Однак ми знаємо, що про істину в останньої інстанціїговорити зарано. Адже кілька століть до появи ОТО у фізиці для опису гравітації панувала Ньютонівська теорія, яка була суттєво розширена.

У рамках ВТО на даний момент не можна пояснити та описати всі питання, пов'язані з гравітацією.

До Ньютона була поширена думка, що гравітація землі і небесна гравітація – різні речі. Вважалося, що планети рухаються за своїми, відмінними від земних, ідеальними законами.

Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння 1667 року. Звичайно, цей закон існував ще за динозаврів і набагато раніше.

Античні філософи замислювалися над існуванням сили тяжіння. Галілей експериментально розрахував прискорення вільного падіння Землі, відкривши, що він однаково для тіл будь-якої маси. Кеплер вивчав закони руху небесних тіл.

Ньютону вдалося сформулювати та узагальнити результати спостережень. Ось що в нього вийшло:

Два тіла притягуються один до одного з силою, яка називається гравітаційною силою або силою тяжіння.

Формула сили тяжіння між тілами:

G – гравітаційна стала, m – маси тіл, r – відстань між центрами мас тіл.

Який фізичний зміст гравітаційної постійної? Вона дорівнює силі, з якою діють один на одного тіла з масами в 1 кілограм кожне, перебуваючи на відстані 1 метр один від одного.

За теорією Ньютона, кожен об'єкт створює гравітаційне поле. Точність закону Ньютона була перевірена на відстані менше одного сантиметра. Звичайно, для малих мас ці сили незначні, і їх можна знехтувати.

Формула Ньютона застосовна як розрахунку сили тяжіння планет до сонця, так маленьких об'єктів. Ми просто не помічаємо, із якою силою притягуються, скажімо, кулі на більярдному столі. Тим не менш, ця сила є і її можна розрахувати.

Сила тяжіння діє між будь-якими тілами у Всесвіті. Її дія поширюється будь-які відстані.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона не пояснює природи сили тяжіння, але встановлює кількісні закономірності. Теорія Ньютона не суперечить ВТО. Її цілком достатньо для вирішення практичних завдань у масштабах Землі та для розрахунку руху небесних тіл.

Гравітація у ВТО

Незважаючи на те, що теорія Ньютона цілком застосовна на практиці, вона має низку недоліків. Закон всесвітнього тяжіння є математичним описом, але не дає уявлення про фундаментальну фізичну природу речей.

Згідно з Ньютоном, сила тяжіння діє на будь-яких відстанях. Причому діє миттєво. З огляду на те, що найбільша швидкість у світі – швидкість світла, виходить невідповідність. Як гравітація може миттєво діяти на будь-які відстані, коли для їх подолання світла потрібна не миттєвість, а кілька секунд чи навіть років?

У рамках ВТО гравітація розглядається не як сила, що діє на тіла, але як викривлення простору та часу під дією маси. Таким чином, гравітація – не силова взаємодія.

Яка дія гравітації? Спробуємо описати його за допомогою аналогії.

Уявімо простір у вигляді пружного листа. Якщо покласти на нього легкий тенісний м'ячик, то поверхня залишиться рівною. Але якщо поруч із м'ячиком покласти важку гирю, вона продавить на поверхні ямку, і м'ячик почне скочуватися до великої та важкої гири. Це і є гравітація.

До речі! Для наших читачів зараз діє знижка 10% на

Відкриття гравітаційних хвиль

Гравітаційні хвилі були передбачені Альбертом Ейнштейном ще 1916 року, але відкрили їх лише через сто років, 2015-го.

Що таке гравітаційні хвилі? Знову проведемо аналогію. Якщо кинути камінь у спокійну воду, від місця його падіння поверхнею води підуть кола. Гравітаційні хвилі – така ж брижі, обурення. Тільки не на воді, а у світовому просторі-часі.

Замість води – простір-час, а замість каменю, скажімо, чорна дірка. Будь-яке прискорене пересування маси породжує гравітаційну хвилю. Якщо тіла перебувають у стані вільного падіння, при проходженні гравітаційної хвилі відстань між ними зміниться.

Оскільки гравітація – дуже слабка взаємодія, виявлення гравітаційних хвиль пов'язано з великими технічними труднощами. Сучасні технологіїдозволили виявити сплеск гравітаційних хвиль лише від надмасивних джерел.

Підходяща подія для реєстрації гравітаційної хвилі - злиття чорних дірок. На жаль чи на щастя, це відбувається досить рідко. Проте вченим вдалося зареєструвати хвилю, яка буквально розкотилася простором Всесвіту.

Для реєстрації гравітаційних хвиль було збудовано детектор діаметром 4 кілометри. Під час проходження хвилі реєструвалися коливання дзеркал на підвісах у вакуумі та інтерференція світла, відбитого від них.

Гравітаційні хвилі підтвердили справедливість ВТО.

Гравітація та елементарні частинки

У стандартній моделі за кожну взаємодію відповідають певні елементарні частки. Можна сміливо сказати, що частки є переносниками взаємодій.

За гравітацію відповідає гравітон – гіпотетична безмасова частка, що має енергію. До речі, в нашому окремому матеріалі читайте докладніше про бозон Хіггса, що наробив багато шуму, та інших елементарних частинках.

Насамкінець наведемо кілька цікавих фактів про гравітацію.

10 фактів про гравітацію

Щоб подолати силу гравітації Землі, тіло повинно мати швидкість 7,91 км/с. Це перша космічна швидкість. Її достатньо, щоб тіло (наприклад, космічний зонд) рухалося орбітою навколо планети.
Щоб вирватися з гравітаційного поля Землі, космічний корабельповинен мати швидкість щонайменше 11,2 км/с. Це друга космічна швидкість.
Об'єкти із найбільш сильною гравітацією – чорні дірки. Їхня гравітація настільки велика, що вони притягують навіть світло (фотони).
У жодному рівнянні квантової механіки ви знайдете сили гравітації. Справа в тому, що при спробі включення гравітації до рівнянь вони втрачають свою актуальність. Це одна з самих важливих проблемсучасної фізики.
Слово гравітація походить від латинського “gravis”, що означає “важкий”.
Чим масивніший об'єкт, тим сильніша гравітація. Якщо людина, яка на Землі важить 60 кілограм, зважиться на Юпітері, ваги покажуть 142 кілограми.
Вчені NASA намагаються розробити гравітаційний промінь, який дозволить переміщати предмети безконтактно, долаючи силу тяжіння.
Астронавти на орбіті також зазнають гравітації. Точніше, мікрогравітацію. Вони ніби нескінченно падають разом із кораблем, у якому перебувають.
Гравітація завжди притягує та ніколи не відштовхує.
Чорна діра, розміром із тенісний м'яч, притягує об'єкти з тією самою силою, що й наша планета.

Тепер ви знаєте визначення гравітації та можете сказати, за якою формулою розраховується сила тяжіння. Якщо граніт науки придушує вас до землі сильніше, ніж гравітація, звертайтесь до нашого студентського сервісу. Ми допоможемо легко вчитися при найбільших навантаженнях!

Гравітація - це "викривлення" простору. Чим більша маса, тим більше «викривлення» простору і, отже, у це «викривлення» «скочуються» легші об'єкти. Всі об'єкти, що обертаються навколо Сонця, утримуються на своїх орбітах гравітацією. Але вона виконує функції якоїсь прив'язі, але ще й стала тією силою, що створила ці об'єкти. Сила тяжіння не дозволяє планетам вибирати шлях на власний розсуд, закільцювавши їх орбіти. Але залежність від цієї сили зменшується експоненційно - при видаленні вдвічі, вплив послаблюється вчетверо, а потроєння видалення послаблює силу вже в дев'ять разів.

Ньютон безпосередньо асоціював гравітацію із силою тяжіння. До тіла прикладена сила тяжіння, джерелом якої є інше тіло (або тіла), а гравітаційного поля як такого просто не існує. Оскільки гравітація відноситься до прямої взаємодії тіл, то й вона визначається Законом всесвітнього тяжіння. Гравітаційному полю надано умовний характер, необхідний лише розрахунків. Для земних умов це цілком припустимо.

Гравітація від Ейнштейна

Гравітаційний вплив описував ще Аристотель. Він вважав, що швидкість падіння предмета залежить від його маси. Але лише Галілей зміг зрозуміти, що будь-яке тіло має рівне значення прискорення. А Ейнштейн розвинув це твердження у своїй теорії відносності, описавши гравітацію з поняттям геометрії простору-часу.

У класичному поданні сила гравітаційної взаємодії двох точок має вигляд залежності маси цих точок від відстані у квадраті між ними. Чим більше тіло, тим більше гравітаційне поле може створити.

Хоча гравітація – взаємодія дуже слабке, але дія її поширюється будь-які відстані.

Гравітаційне тяжіння універсально характером на матерію, немає об'єктів, які мають його. Ейнштейн постулював, що гравітаційні ефекти зумовлюються не силовими впливами тіла чи поля, що у просторі-часі, а змінами у самому просторі-часі. Все це відбувається через наявність мас-енергії. За теорією Ейнштейна, маса та енергія – це єдиний параметр тіл. Їх пов'язує всім відома формула: Е = m с² Два масивні тіла, взаємодіючи між собою, викривлятимуть простір. Але чому відбувається це викривлення, Ейнштейн дати відповіді не зміг. Гравітація, з огляду на свою глобальність, відповідає за явища великих масштабів. Це структури, що розширюється Всесвіт. Але й прості фактиастрономії, – планетні орбіти, земне тяжіння, падіння тіл, – також залежні від гравітації.

Небесна механіка

Ця частина механіки вивчає рух тіл, що у нічим не заповненому просторі, куди діє лише гравітація. Найпростіше завдання розділу – обґрунтування гравітаційного впливу двох тіл, точкових чи сферичних, у порожньому просторі. Якщо ж тіл, які взаємодіють одна на одну, більша кількість, завдання ускладнюється. Чисельне рішення призводить до нестійкості рішень від початкових умов. Тобто, застосувавши її до нашої планетної системи, ми не зуміємо передбачити планетні рухи на періоди, що перевищили сто мільйонів років. Опис довготривалої поведінки системи, що складається з багатьох тіл, що притягуються, зі схожою масою, поки неможливо. Цьому заважає поняття динамічний хаос.

Гравітаційні хвилі

Гравітаційні хвилі - зміни гравітаційного поля, що поширюються подібно до хвиль. Випромінюються рухомими масами, але після випромінювання відриваються від них і існують незалежно від цих мас. Математично пов'язані з обуренням метрики простору-часу і можуть бути описані як «брижі простору-часу». Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками обсерваторії LIGO, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох чорних дір та утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається.

Гравітон

Оскільки гравітаційна взаємодія є, вона має якось переноситися. У 30-х роках ХХ століття кандидатом у переносники став гравітон. Ця частка поки що гіпотетична, але вона повинна мати спін 2 і два ймовірні напрями поляризації. Деякі фізики наполегливо відкидають існування цієї частки. Вони припускають: якщо гравітони є, їх повинні випромінювати чорні дірки, але це входить у протиріччя з ОТО.Але спроби розширити стандартну модель такими частинками пов'язані з реальними труднощами у сфері високих енергій. На вирішенні цього завдання засновані деякі теорії квантової гравітації, що розробляються. За їхніми положеннями гравітони - стан струн, а не точкові частки. Але низькі енергії їх все ж таки зараховують до частинок точкових. Поки гравітони виявлено не були, бо гравітаційні впливи їх надзвичайно слабкі.

Квантова гравітація

Універсальної квантової теорії, яка б пояснила саме поняття гравітації, ще не розроблено.Для представлення гравітаційної взаємодії було б ймовірно запропонувати гравітонний обмін, в якому гравітони виступають як калібрувальні бозони зі спином 2. Але така теорія не вважається задовільною. на існуючий часІснує кілька підходів, що дозволяють квантування гравітації. Ці підходи вважаються досить перспективними.

Теорія струн.Вона замінює частинки фону простору-часу на та лайки (подібність до струн). Для вирішення багатовимірних завдань, лайки бачаться як частинки вже багатовимірні, але в той же час вони і структури простору-часу. Гравітони тут стають станом струн, а чи не окремими частинками. Хоча низькі енергії їх до них і зараховують.
Петльова квантова гравітація. Тут час та простір є дискретними частинами. Вони не прив'язані до фону простору-часу, будучи квантовими просторовими осередками. Вони між собою з'єднані таким чином, що в малих часових масштабах є дискретною структурою простору. При укрупненні масштабів частини плавно стають безперервним простором-часом. Петльова гравітація здатна описати сутність Великого вибуху, і навіть пролити світло з його переддень. Це навіть дозволяє обходитися без залучення.

Сильні гравітаційні поля

У дуже сильних гравітаційних полях можуть бути прояви деяких ефектів ОТО:

закон тяжіння відхиляється від ньютоновського
з'являються гравітаційні хвилі
є ефекти нелінійності
видимий простір-час змінює свою геометрію
можлива поява сингулярностей та народження чорних дірок.

Але такі прояви можуть мати місце лише у тому випадку, якщо гравітація має силу нескінченно більшу. Поки найбільш щільними об'єктами Всесвіту, які вдалося виявити, є .В одній з багатьох теорій гравітаційне поле сприймається як основа будь-якого поля – магнітного, електричного, глюонного. У такому разі гравітони стають базовими елементами матерії. Ну, а чорна дірка є гравітонною, де силою тяжіння руйнуються абсолютно всі елементарні частинки, окрім гравітонів. І залишається лише одна властивість – гравітація.

Гравітаційний колапс

Коли потужне тіло, відчуваючи гравітаційні сили, трагічно швидко стискається, відбувається його колапс. Так може закінчитися життя зірки, що має масу понад три сонячні. Коли в зірках закінчується запас палива для продовження термоядерного процесу, їхня механічна стійкість порушується, і відбувається стрімке, з прискоренням, стиск до центральної частини. Якщо тиск усередині зірки, що постійно зростає, зможе зупинити стиск, то центральна частина світила перетвориться на нейтронну зірку. При цьому можливе скидання оболонки і спалах наднової. Але за перевищенні зіркою маси, певної межею Оппенгеймера-Волкова, колапс закінчиться перетворенням їх у чорну діру. Значення цієї межі поки що точно не встановлено.

Деякі парадокси

Супутник, що обертається навколо Землі, по відношенню до планети, невагою. І все, що в ньому знаходиться, також неважко. , відносно , знову ж таки невагома, але тіла на її поверхні вагою вже володіють. Теж саме і з Землею. Вона невагома щодо, але ми на ній вага відчуваємо. Сонце теж невагоме щодо галактичного ядра. І так – до нескінченності.
У зірках, у процесі термоядерних реакцій, створюється величезний тиск. Але він стримується гравітаційними силами. Тобто існування зірки можливе тому, що є динамічна рівновага: температура-тиск – гравітаційні сили.
У чорній дірі припиняються всі процеси, крім одного – гравітації. Її ніщо не може поглинути чи викривити.

Не дивлячись на те, що гравітація – це слабка взаємодія між об'єктами у Всесвіті, її значення у фізиці та астрономії величезне, оскільки вона здатна впливати на фізичні об'єкти на будь-якій відстані у космосі.

Якщо ви захоплюєтеся астрономією, ви напевно замислювалися над питанням, що таке поняття, як гравітація або закон всесвітнього тяжіння. Гравітація – це універсальна фундаментальна взаємодія між усіма об'єктами у Всесвіті.

Відкриття закону гравітації приписують знаменитому англійському фізику Ісааку Ньютону. Напевно, багатьом із вас відома історія з яблуком, яке впало на голову знаменитому вченому. Тим не менш, якщо заглянути вглиб історії, можна побачити, що про наявність гравітації замислювалися ще задовго до його епохи філософи та вчені давнини, наприклад, Епікур. Тим не менш, саме Ньютон вперше описав гравітаційну взаємодію між фізичними тілами у рамках класичної механіки. Його теорію розвинув інший знаменитий учений – Альберт Ейнштейн, який у своїй загальної теоріївідносності більш точно описав вплив гравітації у космосі, і навіть її роль просторово-часовому континуумі.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона говорить, що сила гравітаційного тяжіння між двома точками маси, розділеними відстанню обернено пропорційна квадрату відстані і прямо пропорційна обом масам. Сила гравітації є далекодіючою. Тобто, незалежно від того, як рухатиметься тіло, що має масу, у класичній механіці його гравітаційний потенціал залежатиме суто від положення цього об'єкта в даний момент часу. Чим більша маса об'єкта, тим більше його гравітаційне поле – тим потужнішою гравітаційною силою він має. Такі космічно об'єкти, як галактики, зірки та планети мають найбільшою силоютяжіння та відповідно досить сильними гравітаційними полями.

Гравітаційні поля

Гравітаційне поле Землі

Гравітаційне поле – це відстань, у якого здійснюється гравітаційне взаємодія між об'єктами у Всесвіті. Чим більша маса об'єкта, тим сильніше його гравітаційне поле – тим відчутніший його вплив на інші фізичні тіла в межах певного простору. Гравітаційне поле об'єкта є потенційним. Суть попереднього твердження полягає в тому, що якщо ввести потенційну енергію тяжіння між двома тілами, вона не зміниться після переміщення останніх по замкнутому контуру. Звідси випливає ще один знаменитий закон збереження суми потенційної та кінетичної енергії у замкнутому контурі.

У матеріальному світі гравітаційне поле має велике значення. Їм володіють всі матеріальні об'єкти у Всесвіті, які мають масу. Гравітаційне поле здатне впливати як на матерію, а й у енергію. Саме за рахунок впливу гравітаційних полів таких великих космічних об'єктів, як чорні дірки, квазари та надмасивні зірки, утворюються сонячні системи, галактики та інші астрономічні скупчення, яким властива логічна структура.

Останні наукові дані показують, що знаменитий ефект розширення Всесвіту так само ґрунтується на законах гравітаційної взаємодії. Зокрема розширенню Всесвіту сприяють потужні гравітаційні поля як невеликих, так і найбільших її об'єктів.

Гравітаційне випромінювання у подвійній системі

Гравітаційне випромінювання або гравітаційна хвиля - термін, вперше введений у фізику та космології відомим вченим Альбертом Ейнштейном. Гравітаційне випромінювання теоретично гравітації породжується рухом матеріальних об'єктів із змінним прискоренням. Під час прискорення об'єкта гравітаційна хвиля хіба що «відривається» від цього, що призводить до коливань гравітаційного поля у навколишньому просторі. Це називають ефектом гравітаційної хвилі.

Хоча гравітаційні хвилі передбачені загальною теорією відносності Ейнштейна, а також іншими теоріями гравітації, вони ще жодного разу не були виявлені безпосередньо. Пов'язано це насамперед із їх надзвичайною дрібницею. Однак у астрономії існують непрямі свідчення, здатні підтвердити цей ефект. Так, ефект гравітаційної хвилі можна спостерігати на прикладі зближення подвійних зірок. Спостереження підтверджують, що темпи зближення подвійних зірок певною мірою залежать від втрати енергії цих космічних об'єктів, яка, ймовірно, витрачається на гравітаційне випромінювання. Вірогідно підтвердити цю гіпотезу вчені зможуть найближчим часом за допомогою нового покоління телескопів Advanced LIGO та VIRGO.

У сучасній фізиці існує два поняття механіки: класична та квантова. Квантова механіка була виведена відносно недавно і принципово відрізняється від класичної механіки. У квантовій механіці об'єкти (кванти) не мають певних положень і швидкостей, все тут базується на ймовірності. Тобто об'єкт може займати певне місце у просторі у певний момент часу. Куди переміститися він далі, достовірно визначити не можна, а лише з високою ймовірністю.

Цікавий ефект гравітації полягає в тому, що вона здатна викривляти просторово-часовий континуум. Теорія Ейнштейна свідчить, що у просторі навколо згустку енергії чи будь-якого матеріального речовини простір-час викривляється. Відповідно змінюється траєкторія частинок, які потрапляють під вплив гравітаційного поля цієї речовини, що дозволяє з високою ймовірністю передбачити траєкторію їх руху.

Теорії гравітації

Сьогодні вченим відомо понад десяток різних теорій гравітації. Їх поділяють на класичні та альтернативні теорії. Найбільш відомим представником перших є класична теорія гравітації Ісаака Ньютона, яка була придумана відомим британським фізиком ще 1666 року. Суть її полягає в тому, що масивне тіло в механіці породжує довкола себе гравітаційне поле, яке притягує до себе менші об'єкти. У свою чергу останні також мають гравітаційне поле, як і будь-які інші матеріальні об'єкти у Всесвіті.

Наступна популярна теорія гравітації була вигадана всесвітньо відомим німецьким ученим Альбертом Ейнштейном на початку ХХ століття. Ейнштейну вдалося точніше описати гравітацію, як явище, і навіть пояснити її дію у класичній механіці, а й у квантовому світі. Його загальна теорія відносності описує здатність такої сили, як гравітація, впливати на просторово-часовий континуум, а також на траєкторію руху елементарних частинок у просторі.

Серед альтернативних теорій гравітації найбільшої уваги, мабуть, заслуговує на релятивістську теорію, яка була придумана нашим співвітчизником, знаменитим фізиком А.А. Логуновим. На відміну від Ейнштейна, Логунов стверджував, що гравітація – це геометричне, а реальне, досить сильне фізичне силове поле. Серед альтернативних теорій гравітації відомі також скалярна, біметрична, квазілінійна та інші.

Людям, які побували в космосі і повернулися на Землю, досить важко спочатку звикнути до сили гравітаційного впливу нашої планети. Іноді на це йде кілька тижнів.
Доведено, що людське тілоу стані невагомості може втрачати до 1% маси кісткового мозку на місяць.
Найменшою силою тяжіння у Сонячній системі серед планет має Марс, а найбільшою – Юпітер.
Відомі бактерії сальмонели, які є причиною кишкових захворювань, у стані невагомості поводяться активніше і здатні заподіяти людському організмунабагато більша шкода.
Серед усіх відомих астрономічних об'єктів у Всесвіті найбільшу силу гравітації мають чорні дірки. Чорна діра розміром з м'ячик для гольфу, може мати ту ж гравітаційну силу, що і вся наша планета.
Сила гравітації Землі однакова в усіх куточках нашої планети. Наприклад, в області Гудзонової затоки в Канаді вона нижча, ніж в інших регіонах земної кулі.

Дон Деянг

Сила тяжіння (або гравітація) міцно тримає нас землі і дозволяє землі обертатися навколо сонця. Завдяки цій невидимій силі дощ падає на землю, а рівень води в океані щодня то збільшується, то знижується. Гравітація утримує землю у сферичній формі, а також не дає нашій атмосфері зникнути в космічний простір. Здавалося б, ця сила тяжіння, що спостерігається щодня, повинна бути добре вивчена вченими. Але немає! Багато в чому гравітація залишається глибокої таємницею для науки. Ця таємнича сила є чудовим прикладом того, наскільки обмежені сучасні наукові знання.

Що таке гравітація?

Ісаак Ньютон цікавився цим питанням ще 1686 року і дійшов висновку, що гравітація - це сила тяжіння, що існує між усіма предметами. Він зрозумів, що та сама сила, яка змушує яблуко падати на землю, на своїй орбіті. Насправді сила тяжіння Землі спричиняє те, що під час обертання навколо Землі Місяць відхиляється кожну секунду від свого прямого шляху приблизно на один міліметр (Малюнок 1). Універсальний Закон Гравітації Ньютона є одним із найбільших наукових відкриттів усіх часів.

Гравітація – «мотузка», яка утримує об'єкти на орбіті

Малюнок 1.Ілюстрація орбіти місяця, зроблена не відповідно до масштабу. За кожну секунду місяць проходить приблизно 1 км. За цю відстань вона відхиляється від прямої колії приблизно на 1 мм – це відбувається внаслідок гравітаційної тяги Землі (пунктирна лінія). Місяць завжди падає за (або навколо) землею, як падають і планети навколо сонця.

Сила тяжіння – одне із чотирьох фундаментальних сил природи (Таблиця 1). З чотирьох сил ця сила найслабша, і все ж вона є домінуючою щодо великих космічних об'єктів. Як показав Ньютон, приваблива гравітаційна сила між двома будь-якими масами стає все менше і менше в міру того, як відстань між ними стає все більшою і більшою, але вона ніколи повністю не досягає нуля (дивіться «Задум гравітації»).

Тому кожна частка у всьому всесвіті фактично притягує будь-яку іншу частинку. На відміну від сил слабкої та сильної ядерної взаємодії, сила тяжіння є далекоючою (Таблиця 1). Магнітна сила і сила електричної взаємодії також є дальнодіючими силами, але гравітація унікальна тим, що вона дальнодіюча і завжди приваблива, а значить, вона ніколи не може вичерпатися (на відміну від електромагнетизму, в якому сили можуть або притягати, або відштовхувати).

Починаючи з великого вченого-креаціоніста Майкла Фарадея у 1849 році, фізики постійно шукали прихований зв'язок між силою тяжіння та силою електромагнітної взаємодії. В даний час вчені намагаються поєднати всі чотири фундаментальні сили в одне рівняння або так звану «Теорію всього», але безуспішно! Гравітація залишається найзагадковішою та найменш вивченою силою.

Гравітацію неможливо будь-яким чином захистити. Яким би не був склад перегороджувальної перегородки, вона не мають жодного впливу на тяжіння між двома розділеними об'єктами. Це означає, що у лабораторних умовах неможливо створити антигравітаційну камеру. Сила тяжіння не залежить від хімічного складуоб'єктів, але залежить від їхньої маси, відомої нам як вага (сила тяжіння на об'єкт дорівнює вазі цього об'єкта - чим більша маса, тим більше сила або вага.) Блоки, що складаються зі скла, свинцю, льоду або навіть стирофому, і мають однакову масу , будуть відчувати (і надавати) однакову гравітаційну силу. Ці дані були отримані в ході експериментів і вчені досі не знають, як їх можна теоретично пояснити.

Задум у гравітації

Сила F між двома масами m 1 і m 2 , що знаходяться на відстані r, може бути записана у вигляді формули F = (G m 1 m 2)/r 2

Де G – це гравітаційна постійна, вперше виміряна Генрі Кавендішем у 1798 році.

Це рівняння показує, що гравітація знижується в міру того, як відстань r між двома об'єктами стає більше, але повністю ніколи не досягає нуля.

Природа цього рівняння, що підкоряється закону зворотних квадратів, просто захоплює. Зрештою, немає жодної необхідної причини, чому сила тяжіння має діяти саме так. У безладному, випадковому і еволюціонуючому всесвіті такі довільні ступені, як r 1.97 або r 2.3 здавалися б більш ймовірними. Однак точні вимірювання показали точну міру, принаймні, до п'яти десяткових розрядів, 2.00000. Як сказав один дослідник, цей результат здається «надто вже точним».2 Ми можемо зробити висновок, що сила тяжіння свідчить про точний, створений дизайн. Насправді, якби ступінь хоч трохи відхилилася від двох, орбіти планет і весь всесвіт стали б нестабільними.

Посилання та примітки

Говорячи технічною мовою, G = 6.672 x 10 -11 Nm 2 kg -2
Томпсен, Д., «Дуже точно про гравітацію», Science News 118(1):13, 1980.

То що таке насправді гравітація? Як ця сила здатна діяти у такому величезному, порожньому космічному просторі? І навіщо вона взагалі існує? Науці ніколи не вдалося відповісти на ці основні питання про закони природи. Сила тяжіння не може з'явитися повільно шляхом мутацій чи природного відбору. Вона діє від початку існування всесвіту. Як і будь-який інший фізичний закон, гравітація, безсумнівно, є чудовим свідченням запланованого створення.

Одні вчені намагалися пояснити гравітацію за допомогою невидимих частинок, гравітонів, що рухаються між об'єктами. Інші говорили про космічні струни та гравітаційні хвилі. Нещодавно вченим за допомогою спеціально створеної лабораторії LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) вдалося лише побачити ефект гравітаційних хвиль. Але природу цих хвиль, яким чином фізично об'єкти взаємодіють один з одним на величезних відстанях, змінюючи їх фору, все ж таки залишається для всіх великим питанням. Ми просто не знаємо природу виникнення сили гравітації і як вона утримує стабільність всього всесвіту.

Сила тяжіння та Писання

Два місця з Біблії можуть допомогти нам зрозуміти природу гравітації та фізичну науку загалом. Перше місце, Колосянам 1:17, пояснює, що Христос «є перш за все, і все їм стоїть». Грецька дієслово стоїть (συνισταω sunistao) означає: зчіплятися, зберігатися чи утримуватися разом. Грецьке використання цього слова за межами Біблії означає посудина з водою, що міститься в ньому.. Слово, яке використовується в книзі Колоссянам, стоїть у досконалому часі, що як правило, вказує на справжній стан, який виник з завершеного минулого дії. Один із використовуваних фізичних механізмів, про який йдеться, явно сила тяжіння, встановлена Творцем і безпомилково підтримується і сьогодні. Тільки уявіть: якби на мить перестала діяти сила тяжіння, безперечно, настав би хаос. Усі небесні тіла, включаючи землю, місяць та зірки, не утримувалися б більше разом. Увесь час розділилося б на окремі, маленькі частини.

Друге місце Писання, Євреїв 1:3, заявляє, що Христос «тримає все словом Своєї сили».Слово тримає (φερω pherō) знову описує підтримування або збереження всього, включаючи гравітацію. Слово тримає, що використовується в цьому вірші, означає набагато більше, ніж просто утримання ваги. Воно включає контроль над усіма рухами, що відбуваються, і змінами всередині всесвіту. Це нескінченне завдання виконується через всемогутнє Слово Господа, за допомогою якого почав існувати сам всесвіт. Гравітація, «таємнича сила», яка і через чотириста років досліджень залишається погано вивченою, є одним із проявів цієї приголомшливої божественної турботи про всесвіт.

Спотворення часу та простору та чорні діри

Загальна теорія відносності Ейнштейна розглядає гравітацію як силу, бо як викривлення самого простору поблизу масивного об'єкта. Згідно з передбаченнями, світло, яке традиційно слідує за прямими лініями, викривляється при проходженні по викривленому простору. Вперше це було продемонстровано, коли астроном сер Артур Еддінгтон виявив зміну зірки, що здається, під час повного затемнення 1919 року, вважаючи, що промені світла згинаються під впливом сили тяжіння сонця.

Загальна теорія відносності також передбачає, що й тіло досить щільне, його сила тяжкості спотворить простір настільки сильно, що світло взагалі зможе через нього проходити. Таке тіло поглинає світло і все інше, що захопила його сильна гравітація, і зветься Чорна діра. Таке тіло можна виявити тільки за його гравітаційними ефектами на інші об'єкти, за сильним викривленням світла навколо нього і за сильною радіацією, що випромінюється речовиною, яка на нього падає.

Вся речовина всередині чорної діри стиснута у центрі, який має нескінченну щільність. «Розмір» дірки визначається обріїм подій, тобто. кордоном, що оточує центр чорної діри, і ніщо (навіть світло) не може вийти за її межі. Радіус діри називається радіусом Шварцшильда, на честь німецького астронома Карла Шварцшильда (1873-1916), і обчислюється за формулою R S = 2GM/c 2 де c - це швидкість світла у вакуумі. Якби сонце потрапило у чорну дірку, його радіус Шварцшильда становив би лише 3 км.

Існує надійний доказ, що після того, як ядерне паливо масивної зірки вичерпується, вона більше не може протистояти колапсу під власною величезною вагою і потрапляє в чорну дірку. Вважається, що чорні дірки з масою в мільярди сонців існують у центрах галактик, включаючи нашу галактику, Чумацький Шлях. Багато вчених вважають, що суперяскраві і дуже віддалені об'єкти під назвою квазари використовують енергію, яка виділяється, коли речовина падає в чорну дірку.

Відповідно до передбачень загальної теорії відносності, сила тяжкості також спотворює час. Це також було підтверджено дуже точним атомним годинником, який на рівні моря йде на кілька мікросекунд повільніше, ніж на територіях вище рівня моря, де сила тяжіння Землі трохи слабша. Поблизу горизонту подій це явище помітніше. Якщо спостерігати за годинником астронавта, який наближається до горизонту подій, ми побачимо, що годинник іде повільніше. Перебуваючи в горизонті подій, годинник зупиниться, але ми ніколи не зможемо цього побачити. І навпаки, астронавт не помітить, що його годинник іде повільніше, але він побачить, що наш годинник іде швидше і швидше.

Основною небезпекою для астронавта біля чорної діри були б приливні сили, спричинені тим, що сила тяжіння сильніша на тих частинах тіла, які знаходяться ближче до чорної діри, ніж на частинах далі від неї. За своєю силою приливні сили біля чорної дірки, що має масу зірки, сильніше за будь-який ураган і запросто розривають на дрібні шматочки все, що їм трапляється. Однак тоді як гравітаційне тяжіння зменшується з квадратом відстані (1/r 2), припливно-відливне явище зменшується з кубом відстані (1/r 3). Тому на відміну від прийнятої думки гравітаційна сила (включаючи приливну силу) на горизонтах подій великих чорних дірок слабша, ніж на маленьких чорних дірах. Так що приливні сили на горизонті подій чорної дірки в космосі, що спостерігається, були б менш помітні, ніж м'який вітерець.

Розтяг часу під дією сили тяжіння поблизу горизонту подій є основою нової космологічної моделі фізика-креаціоніста, доктора Рассела Хамфріса, про яку він розповідає у своїй книзі «Світло зірок і час». Ця модель, можливо, допомагає вирішити проблему того, як ми можемо бачити світло віддалених зірок у молодому всесвіті. До того ж на сьогодні вона є науковою альтернативою небіблейській, яка ґрунтується на філософських припущеннях, що виходять за рамки науки.

Примітка

Гравітація, «таємнича сила», яка і через чотириста років досліджень залишається погано вивченою.

Ісаак Ньютон (1642–1727)

Фотографія: Wikipedia.org

Ісаак Ньютон (1642–1727)

Ісаак Ньютон опублікував свої відкриття про гравітацію та рух небесних тіл у 1687 році, у своїй відомій роботі « Математичні початки». Деякі читачі швидко зробили висновок, що всесвіт Ньютона не залишив місця для Бога, оскільки все тепер можна пояснити за допомогою рівнянь. Але Ньютон зовсім так не думав, про що він і сказав у другому виданні цієї відомої роботи:

«Наша найпрекрасніша сонячна система, планети та комети можуть бути результатом тільки плану та панування розумної та сильної істоти».

Ісаак Ньютон був не лише вченим. Крім науки, він майже все своє життя присвятив дослідженню Біблії. Його улюбленими біблійними книгами були: книга Даниїла та книга Одкровення, в яких описуються Божі плани на майбутнє. Насправді Ньютон написав більше теологічних праць, ніж наукових.

Ньютон шанобливо ставився до інших вчених, таких як Галілео Галілей. До речі Ньютон народився того ж року, коли помер Галілей, в 1642 році. Ньютон писав у своєму листі: «Якщо я й бачив далі за інших, то тому, що стояв на плечахгігантів». Незадовго до смерті, мабуть, розмірковуючи про таємницю сили тяжіння, Ньютон скромно писав: «Не знаю, як мене сприймає світ, але сам собі я здаюся тільки хлопчиком, що грає на морському березі, який розважається тим, що час від часу шукає камінчик більш строкатий, ніж інші, або красиву черепашку, тоді як переді мною розстилається величезний океан недослідженої істини».

Ньютона поховано у Вестмінстерському абатстві. Латинська напис з його могилі закінчується словами: «Нехай смертні радіють, що серед них жила така прикраса людського роду».

Напевно, ви чули, що гравітація – це не сила. І це правда. Однак ця правда залишає багато питань. Наприклад, ми зазвичай говоримо, що гравітація "притягує" об'єкти. Під час уроків фізики нам казали, що гравітація притягує об'єкти до центру Землі. Але як це можливо? Як гравітація може бути силою, але при цьому притягувати об'єкти?

Насамперед, треба засвоїти, що правильний термін – це «прискорення», а не «тяжіння». Насправді, гравітація зовсім не притягує об'єкти, вона деформує систему простору-часу (система, за принципами якої ми живемо), об'єкти слідують за хвилями, що утворилися в результаті деформації, і іноді можуть прискорюватися.

Завдяки Альберту Ейнштейну та його теорії відносності, ми знаємо, що простір-час змінюється під впливом енергії. І найважливіша частина цього рівняння – це маса. Енергія маси об'єкта змушує простір-час змінюватися. Маса згинає простір-час, і вигини спрямовують енергію. Таким чином, вірніше думати про гравітацію не як про силу, бо як про викривлення простору-часу. Як гумове покриття викривляється під кулею для боулінгу, так простір-час викривляється масивними об'єктами.

Так само, як автомобіль їде дорогою з різними вигинами та поворотами, об'єкти переміщаються по подібних вигинах та викривленням у просторі та часі. І так само, як автомобіль прискорюється, коли спускається вниз з пагорба, масивні об'єкти створюють екстремальні віражі у просторі та часі. Сила тяжіння здатна розганяти об'єкти, коли вони входять у глибокі гравітаційні колодязі. Цей шлях, яким об'єкти йдуть через простір-час, називають «геодезичною траєкторією».

Щоб краще зрозуміти, як працює гравітація і як вона може прискорювати об'єкти, розглянемо розташування Землі та Місяця щодо один одного. Земля - це досить потужний об'єкт, принаймні, в порівнянні з Місяцем, і наша планета змушує простір-час згинатися. Місяць обертається навколо Землі через перекоси у просторі та часі, які викликані масою планети. Таким чином, Місяць просто подорожує вздовж вигину в просторі-часі, який ми називаємо орбітою. Місяць не відчуває ніякої сили, що діє на неї, вона просто йде по певному шляху, що виник.