Оби-Ван Кеноби сказал, что сила скрепляет галактику. То же самое можно сказать и о гравитации. Факт – гравитация позволяет нам ходить по Земле, Земле вращаться вокруг Солнца, а Солнцу двигаться вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Как понять гравитацию? Об этом - в нашей статье.
Сразу скажем, что вы не найдете здесь однозначно верного ответа на вопрос «Что такое гравитация». Потому что его просто нет! Гравитация – одно из самых таинственных явлений, над которым ученые ломают голову и до сих пор полностью не могут объяснить его природу.
Есть множество гипотез и мнений. Насчитывается более десятка теорий гравитации, альтернативных и классических. Мы рассмотрим самые интересные, актуальные и современные.
Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм .
Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие
Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.
Фундаментальные взаимодействия:
- гравитация;
- электромагнетизм;
- сильное взаимодействие;
- слабое взаимодействие.
На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.
Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.
В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.
До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.
Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1667 году. Конечно, этот закон существовал еще при динозаврах и намного раньше.
Античные философы задумывались над существованием силы тяготения. Галилей экспериментально рассчитал ускорение свободного падения на Земле, открыв, что оно одинаково для тел любой массы. Кеплер изучал законы движения небесных тел.
Ньютону удалось сформулировать и обобщить результаты наблюдений. Вот что у него получилось:
Два тела притягиваются друг к другу с силой, называемой гравитационной силой или силой тяготения.
Формула силы притяжения между телами:
G – гравитационная постоянная, m – массы тел, r – расстояние между центрами масс тел.
Каков физический смысл гравитационной постоянной? Она равна силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 килограмм каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга.
По теории Ньютона, каждый объект создает гравитационное поле. Точность закона Ньютона была проверена на расстояниях менее одного сантиметра. Конечно, для малых масс эти силы незначительны, и ими можно пренебречь.
Формула Ньютона применима как для расчету силы притяжения планет к солнцу, так и для маленьких объектов. Мы просто не замечаем, с какой силой притягиваются, скажем, шары на бильярдном столе. Тем не менее эта сила есть и ее можно рассчитать.
Сила притяжения действует между любыми телами во Вселенной. Ее действие распространяется на любые расстояния.
Закон всемирного тяготения Ньютона не объясняет природы силы притяжения, но устанавливает количественные закономерности. Теория Ньютона не противоречит ОТО. Ее вполне достаточно для решения практических задач в масштабах Земли и для расчета движения небесных тел.
Гравитация в ОТО
Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.
Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?
В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.
Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.
Представим пространство в виде упругого листа. Если положить на него легкий теннисный мячик, поверхность останется ровной. Но если рядом с мячиком положить тяжелую гирю, она продавит на поверхности ямку, и мячик начнет скатываться к большой и тяжелой гире. Это и есть «гравитация».
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на
Открытие гравитационных волн
Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но открыли их только через сто лет, в 2015.
Что такое гравитационные волны? Снова проведем аналогию. Если бросить камень в спокойную воду, от места его падения по поверхности воды пойдут круги. Гравитационные волны – такая же рябь, возмущение. Только не на воде, а в мировом пространстве-времени.
Вместо воды – пространство-время, а вместо камня, скажем, черная дыра. Любое ускоренное передвижение массы порождает гравитационную волну. Если тела находятся в состоянии свободного падения, при прохождении гравитационной волны расстояние между ними изменится.
Так как гравитация – очень слабое взаимодействие, обнаружение гравитационных волн было связано с большими техническими трудностями. Современные технологии позволили обнаружить всплеск гравитационных волн только от сверхмассивных источников.
Подходящее событие для регистрации гравитационной волны - слияние черных дыр. К сожалению или к счастью, это происходит достаточно редко. Тем не менее ученым удалось зарегистрировать волну, которая буквально раскатилась по пространству Вселенной.
Для регистрации гравитационных волн был построен детектор диаметром 4 километра. При прохождении волны регистрировались колебания зеркал на подвесах в вакууме и интерференция света, отраженного от них.
Гравитационные волны подтвердили справедливость ОТО.
Гравитация и элементарные частицы
В стандартной модели за каждое взаимодействие отвечают определенные элементарные частицы. Можно сказать, что частицы являются переносчиками взаимодействий.
За гравитацию отвечает гравитон – гипотетическая безмассовая частица, обладающая энергией. Кстати, в нашем отдельном материале читайте подробнее о наделавшем много шума бозоне Хиггса и других элементарных частицах.
Напоследок приведем несколько любопытных фактов о гравитации.
10 фактов о гравитации
- Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы тело (например, космический зонд) двигалось по орбите вокруг планеты.
- Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость.
- Объекты с наиболее сильной гравитацией – черные дыры. Их гравитация настолько велика, что они притягивают даже свет (фотоны).
- Ни в одном уравнении квантовой механики вы не найдете силы гравитации. Дело в том, что при попытке включения гравитации в уравнения, они теряют свою актуальность. Это одна из самых важных проблем современной физики.
- Слово гравитация происходит от латинского “gravis”, что означает “тяжелый”.
- Чем массивнее объект, тем сильнее гравитация. Если человек, который на Земле весит 60 килограмм, взвесится на Юпитере, весы покажут 142 килограмма.
- Ученые NASA пытаются разработать гравитационный луч, который позволит перемещать предметы бесконтактно, преодолевая силу притяжения.
- Астронавты на орбите также испытывают гравитацию. Точнее, микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.
- Гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает.
- Черная дыра, размером с теннисный мяч, притягивает объекты с той же силой, что и наша планета.
Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, по какой формуле рассчитывается сила притяжения. Если гранит науки придавливает вас к земле сильнее, чем гравитация, обращайтесь в наш студенческий сервис . Мы поможем учиться легко при самых больших нагрузках!
Не только самая загадочная из сил природы , но и самая могучая.
Человек на пути прогресса
Исторически получилось, что человек по мере своего движения вперед по пути прогресса овладевал все более могучими силами природы. Он начинал, когда у него ничего не было, кроме палки, зажатой в кулаке, и собственных физических сил.
Но он был мудр, и он привлек на службу себе физическую силу животных, сделав их домашними. Лошадь ускорила его бег, верблюд сделал проходимыми пустыни, слон - болотистые джунгли. Но физические силы даже самых сильных животных неизмеримо малы перед силами природы.
Первой человек подчинил себе стихию огня, но лишь в самых ослабленных его вариантах. Вначале - в течение многих веков - использовал он в качестве горючего только дерево - очень малоэнергоемкий вид топлива. Несколько позже этого источника энергии научился он использовать энергию ветра, человек поднял в воздух белое крыло паруса - и легкое судно птицей полетело по волнам.
Парусник на волнах
Он подставил порывам ветра лопасти ветряной мельницы - и завращались тяжелые камни жерновов, застучали песты крупорушек. Но каждому ясно, что энергия воздушных струй далеко не принадлежит к числу концентрированных. К тому же и парус, и ветряк боялись ударов ветра: шторм рвал паруса и топил корабли, буря ломала крылья и переворачивала мельницы.
Еще позже человек начал покорение текущей воды. Колесо - не только самое примитивное из устройств, способных превращать энергию воды во вращательное движение, но и самое маломощное по сравнению с разнообразными .
Человек шел все вперед по лестнице прогресса и нуждался все в больших количествах энергии.
Он начал использовать новые виды топлива - уже переход на сжигание каменного угля поднял энергоемкость килограмма горючего с 2500 ккал до 7000 ккал - почти в три раза. Потом пришла пора нефти и газа. Снова в полтора-два раза выросло энергосодержание каждого килограмма ископаемого топлива.
На смену паровым машинам пришли паровые турбины; мельничные колеса заменялись гидравлическими турбинами. Далее протянул человек руку к расщепляющемуся атому урана. Однако первое применение нового вида энергии имело трагические последствия - ядерное пламя Хиросимы 1945 года испепелило в течение считанных минут 70 тысяч человеческих сердец.
В 1954 году вступила в строй первая в мире советская атомная электростанция, превращавшая мощь урана в сияющую силу электрического тока. И надо отметить, что килограмм урана содержит в себе в два миллиона раз больше энергии, чем килограмм лучшей нефти.
Это был принципиально новый огонь, который можно было бы назвать физическим, ибо именно физики изучили процессы, приводящие к рождению столь баснословных количеств энергии.
Уран - не единственное ядерное горючее. Уже используется более могучий вид горючего - изотопы водорода.
К сожалению, человек еще не смог подчинить себе водородно-гелиевое ядерное пламя. Он умеет на мгновение зажигать его всесжигающий костер, поджигая реакцию в водородной бомбе вспышкой уранового взрыва. Но все ближе и ближе видится ученым и водородный реактор, который будет рождать электрический ток в результате слияния ядер изотопов водорода в ядра гелия.
Опять почти в десять раз возрастет количество энергии, которое сможет взять человек от каждого килограмма топлива. Но разве этот шаг будет последним в грядущей истории власти человечества над силами природы?
Нет! Впереди - овладение гравитационным видом энергии. Она еще более расчетливо упакована природой, чем даже энергия водородно-гелиевого синтеза. Сегодня это самый концентрированный вид энергии, о каком может хотя бы догадываться человек.
Ничего дальше пока не видно там, за передним краем науки. И хотя убежденно можно сказать, что будут работать для человека электростанции, перерабатывающие гравитационную энергию в электрический ток (а может быть, в струю газа, вылетающего из сопла реактивного двигателя, или же в запланированные превращения вездесущих атомов кремния и кислорода в атомы сверхредких металлов), мы ничего пока не можем сказать о деталях такой электростанции (ракетного двигателя, физического реактора).
Сила всемирного тяготения у истоков рождения Галактик
Сила всемирного тяготения стоит у истоков рождения Галактик из дозвездного вещества, как в том убежден академик В. А. Амбарцумян. Она же гасит звезды, отгоревшие свой срок, истратившие отпущенное им при рождении звездное горючее.
Да оглянитесь вокруг: и у нас на Земле все в значительной мере управляется этой силой.
Это она определяет слоистое строение нашей планеты - чередование литосферы, гидросферы и атмосферы. Это она удерживает толстый слой газов воздуха, на дне которого и благодаря которому существуем все мы.
Не будь тяготения, Земля тут же сорвалась бы со своей орбиты вокруг Солнца, и сам шар земной развалился бы на части, разорванный центробежными силами. Трудно найти что-нибудь, что не было бы в той или иной степени зависимо от силы всемирного тяготения.
Конечно, древние философы, люди очень наблюдательные, не могли не заметить, что брошенный вверх камень всегда возвращается обратно. Платон в IV веке до нашей эры объяснил это тем, что все вещества Вселенной стремятся туда, где сосредоточена большая часть аналогичных веществ: брошенный камень падает на землю или идет ко дну, пролитая вода просачивается в ближайший пруд или в речку, пробивающую себе путь к морю, дым костра устремляется к родственным ему облакам.
Ученик Платона, Аристотель, уточнил, что все тела обладают особыми свойствами тяжести и легкости. Тяжелые тела - камни, металлы - устремляются к центру Вселенной, легкие - огонь, дым, пары - к периферии. Эта гипотеза, объясняющая некоторые явления, связанные с силой всемирного тяготения, просуществовала более 2 тысяч лет.
Ученые о силе всемирного тяготения
Наверное, первым, поставившим вопрос о силе всемирного тяготения действительно научно, был гений Возрождения - Леонардо да Винчи. Леонардо провозгласил, что тяготение свойственно не только Земле, что центров тяготения множество. И он же высказал мысль, что сила тяготения зависит от расстояний до центра тяготения.
Работы Коперника, Галилея, Кеплера, Роберта Гука все ближе и ближе подводили к представлению о законе всемирного тяготения, но в окончательной своей формулировке этот закон навсегда связан с именем Исаака Ньютона.
Исаак Ньютон о силе всемирного тяготения
Родился 4 января 1643 года. Кончил Кембриджский университет, стал бакалавром, затем - магистром наук.
Исаак Ньютон
Все дальнейшее - бесконечное богатство научных работ. Но главный его труд - «Математические начала натуральной философии», изданный в 1687 году и обычно называемый просто «Начала». В них-то и сформулирован великий . Наверное, каждый помнит его еще из средней школы.
Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними…
Некоторые положения этой формулировки удавалось предвосхитить предшественникам Ньютона, но никому еще она не далась целиком. Нужен был гений Ньютона, чтобы собрать эти осколки в единое целое, чтобы распространить притяжение Земли до Луны, а Солнца - на всю планетную систему.
Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел все законы движения Планет, открытые до того Кеплером. Они оказались просто его следствиями. Мало того, Ньютон показал, что не только законы Кеплера, но и отступления от этих законов (в мире трех и более тел) являются следствием всемирного тяготения… Это было великим триумфом науки.
Казалось, открыта наконец и математически описана главная сила природы, движущая мирами, сила, которой подвластны и молекулы воздуха, и яблоки, и Солнце. Гигантским, неизмеримо огромным был шаг, совершенный Ньютоном.
Первый популяризатор работ гениального ученого французский писатель Франсуа Мари Аруэ, всемирно известный под псевдонимом Вольтер, поведал, что Ньютон вдруг догадался о существовании закона, названного его именем, когда взглянул на падающее яблоко.
Сам Ньютон об этом яблоке никогда не упоминал. И вряд ли стоит сегодня терять время на опровержение этой красивой легенды. И, видимо, к постижению великой силы природы Ньютон пришел путем логического рассуждения. Вероятно, именно оно и вошло в соответствующую главу «Начал».
Сила всемирного тяготения воздействует на полет ядра
Предположим, что на очень высокой горе, такой высокой, что ее вершина находится уже вне атмосферы, мы установили гигантское артиллерийское орудие. Ствол его расположили строго параллельно поверхности земного шара и выстрелили. Описав дугу, ядро падает на Землю .
Увеличиваем заряд, улучшаем качество пороха, тем или иным способом заставляем ядро после следующего выстрела двигаться с большей скоростью. Дуга, описанная ядром, становится более пологой. Ядро падает значительно дальше от подножия нашей горы.
Еще увеличиваем заряд и стреляем. Ядро летит по такой пологой траектории, что она снижается параллельно поверхности земного шара. Ядро уже не может упасть на Землю: с той же скоростью, с какой оно снижается, убегает из-под него Земля. И, описав кольцо вокруг нашей планеты, ядро возвращается к точке вылета.
Орудие можно тем временем снять. Ведь полет ядра вокруг земного шара займет свыше часа. И тогда ядро стремительно пронесется над вершиной горы и отправится в новый облет Земли. Упасть, если, как мы условились, ядро не испытывает никакого сопротивления воздуха, оно не сможет никогда.
Скорость ядра для этого должна быть близкой к 8 км/сек. А если еще увеличить скорость полета ядра? Оно сначала полетит по дуге, более пологой, чем кривизна земной поверхности, и начнет удаляться от Земли. При этом скорость его под влиянием притяжения Земли будет уменьшаться.
И, наконец, повернувшись, оно начнет как бы падать обратно на Землю, но пролетит мимо нее и замкнет уже не круг, а эллипс. Ядро будет двигаться вокруг Земли точь-в-точь так же, как Земля движется вокруг Солнца, а именно по эллипсу, в одном из фокусов которого будет находиться центр нашей планеты.
Если еще увеличить начальную скорость ядра, эллипс получится более растянутый. Можно так растянуть этот эллипс, что ядро долетит до лунной орбиты или даже значительно дальше. Но до тех пор, пока начальная скорость этого ядра не превысит 11,2 км/сек, оно будет оставаться спутником Земли.
Ядро, получившее при выстреле скорость свыше 11,2 км/сек, навсегда улетит с Земли по параболической траектории. Если эллипс - замкнутая кривая, то парабола - кривая, имеющая две уходящие в бесконечность ветви. Двигаясь по эллипсу, каким бы вытянутым он ни был, мы неизбежно будем систематически возвращаться к исходной точке. Двигаясь же по параболе, в исходную точку мы никогда не вернемся.
Но, покинув Землю с этой скоростью, ядро еще не сможет улететь в бесконечность. Могучее тяготение Солнца изогнет траекторию ее полета, замкнет вокруг себя наподобие траектории планеты. Ядро станет сестрой Земли, самостоятельной крохотной планеткой в нашей семье планет.
Для того чтобы направить ядро за пределы планетной системы, преодолеть солнечное притяжение, надо сообщить ему скорость свыше 16,7 км/сек, да направить его так, чтобы к этой скорости приложилась скорость собственного движения Земли.
Скорость около 8 км/сек (эта скорость зависит от высоты горы, с которой стреляет наша пушка) называется круговой скоростью, скорости от 8 до 11,2 км/сек - эллиптическими, от 11,2 до 16,7 км/сек - параболическими, а свыше этого числа - освобождающими скоростями.
Здесь же следует добавить, что приведенные значения этих скоростей справедливы только для Земли. Если бы мы жили на Марсе, круговая скорость была бы для нас достижима значительно более легко - она там составляет всего около 3,6 км/сек, а параболическая скорость лишь незначительно превосходит 5 км/сек.
Зато отправить ядро в космический рейс с Юпитера было бы значительно труднее, чем с Земли: круговая скорость на этой планете равна 42,2 км/сек, а параболическая - даже 61,8 км/сек!
Наиболее трудно было бы покинуть свой мир жителям Солнца (если бы, конечно, таковые могли существовать). Круговая скорость этого гиганта должна составлять 437,6, а отрывная - 618,8 км/сек!
Так Ньютон в конце XVII века, за сто лет до первого полета наполненного теплым воздухом воздушного шара братьев Монгольфье, за двести лет до первых полетов аэроплана братьев Райт и почти за четверть тысячелетия до взлета первых жидкостных ракет, указал путь в небо спутникам и космическим кораблям.
Сила всемирного тяготения присуща в каждой сфере
С помощью закона всемирного тяготения были открыты неизвестные планеты, созданы космогонические гипотезы происхождения Солнечной системы. Открыта и математически описана та главная сила природы, которой подвластны и звезды, и планеты, и яблоки в саду, и молекулы газов в атмосфере.
Но нам неизвестен механизм всемирного тяготения. Ньютоновское тяготение не объясняет, а представляет наглядно современное состояние движения планет.
Нам неизвестно, чем, какими причинами вызывается взаимодействие всех тел Вселенной. И нельзя сказать, чтобы Ньютона не заинтересовала эта причина. На протяжении многих лет размышлял он над ее возможным механизмом.
Кстати, это действительно чрезвычайно таинственная сила. Сила, проявляющая себя через сотни миллионов километров пространства, лишенного на первый взгляд каких-либо материальных образований, с помощью которых можно было бы объяснить передачу взаимодействия.
Гипотезы Ньютона
И Ньютон прибегнул к гипотезе о существовании некоего эфира, заполняющего якобы всю Вселенную. В 1675 году он объяснил притяжение к Земле тем, что заполняющий всю Вселенную эфир непрерывными потоками устремляется к центру Земли, захватывая в этом движении все предметы и создавая силу тяготения. Такой же поток эфира устремляется к Солнцу и, увлекая за собой планеты, кометы, обеспечивает их эллиптические траектории…
Это была не очень убедительная, хотя и абсолютно математически логичная гипотеза. Но вот, в 1679 году Ньютон создал новую гипотезу, объясняющую механизм тяготения. На этот раз он наделяет эфир свойством иметь различную концентрацию вблизи планет и вдали от них. Чем дальше от центра планеты, тем якобы плотнее эфир. И есть у него свойство выдавливать все материальные тела из своих более плотных слоев в менее плотные. И выдавливаются все тела на поверхность Земли.
В 1706 году Ньютон резко отрицает само существование эфира. В 1717 году он вновь возвращается к гипотезе выдавливающего эфира.
Гениальный мозг Ньютона бился над разгадкой великой тайны и не находил ее. Этим и объясняются столь резкие метания из стороны в сторону. Ньютон любил повторять:
Гипотез я не строю.
И хотя, как мы только смогли убедиться, это не совсем истинно, точно можно констатировать другое: Ньютон умел четко отграничивать вещи бесспорные от зыбких и спорных гипотез. И в «Началах» есть формула великого закона, но нет никаких попыток объяснить его механизм.
Великий физик завещал эту загадку человеку будущего. Умер он в 1727 году.
Она не разгадана и сегодня.
Два века заняла дискуссия о физической сущности закона Ньютона. И может быть, эта дискуссия не касалась бы самой сущности закона, если бы отвечал он точно на все задаваемые ему вопросы.
Но в том-то и дело, что со временем оказалось, что закон этот не универсален. Что есть случаи, когда он не может объяснить того или иного явления. Приведем примеры.
Сила всемирного тяготения в расчетах Зеелигера
Первый из них - парадокс Зеелигера. Считая Вселенную бесконечной и равномерно заполненной веществом, Зеелигер попробовал рассчитать по закону Ньютона силу всемирного тяготения, создаваемую всей бесконечно большой массой бесконечной Вселенной в какой-нибудь ее точке.
Это была непростая с точки зрения чистой математики задача. Преодолев все трудности сложнейших преобразований, Зеелигер установил, что искомая сила всемирного тяготения пропорциональна радиусу Вселенной. А раз этот радиус равен бесконечности, то и сила тяготения должна быть бесконечно большой. Однако практически мы этого не наблюдаем. Значит, закон всемирного тяготения не приложим ко всей Вселенной.
Впрочем, возможны и другие объяснения парадокса. Например, можно считать, что вещество не равномерно заполняет всю Вселенную, а плотность его постепенно убывает и, наконец, где-то очень далеко материи нет совсем. Но представить такую картину - значит допустить возможности существования пространства без материи, что вообще абсурдно.
Можно считать, что сила всемирного тяготения ослабевает быстрее, чем растет квадрат расстояния. Но это ставит под сомнение удивительную стройность закона Ньютона. Нет, и это объяснение не удовлетворило ученых. Парадокс оставался парадоксом.
Наблюдения за движением Меркурия
Другой факт, действия силы всемирного тяготения, не объяснимый законом Ньютона, принесли наблюдения за движением Меркурия - ближайшей к планеты. Точные вычисления по закону Ньютона показали, что перегелий - наиболее близкая к Солнцу точка эллипса, по которому движется Меркурий,- должен смещаться на 531 угловую секунду за 100 лет.
А астрономы установили, что это смещение равно 573 угловым секундам. Вот этот избыток - 42 угловых секунды - тоже не могли объяснить ученые, пользуясь только формулами, вытекающими из закона Ньютона.
Объяснил и парадокс Зеелигера, и смещение перегелия Меркурия, и многие другие парадоксальные явления и необъяснимые факты Альберт Эйнштейн , один из самых великих, если не самый великий физик всех времен и народов. К числу досадных мелочей относился и вопрос об эфирном ветре .
Опыты Альберта Майкельсона
Казалось, вопрос этот прямо проблемы тяготения не касается. Относился он к оптике, к свету. Точнее, к определению его скорости.
Впервые скорость света определил датский астроном Олаф Ремер , наблюдая затмение спутников Юпитера. Это произошло еще в 1675 году.
Американский физик Альберт Майкельсон в конце XVIII века провел серию определений скорости света в земных условиях, пользуясь сконструированными им аппаратами.
В 1927 году он дал для скорости света значение 299796 + 4 км/сек - это была отличная по тем временам точность. Но суть дела в другом. В 1880 году он решил исследовать эфирный ветер. Он хотел наконец установить существование того самого эфира, наличием которого пытались объяснить и передачу гравитационного взаимодействия, и передачу световых волн.
Майкельсон был, вероятно, самым замечательным экспериментатором своего времени. Он располагал великолепной аппаратурой. И был почти уверен в успехе.
Суть опыта
Опыт был задуман такой. Земля движется по своей орбите со скоростью около 30 км/сек . Движется через эфир. Значит, скорость света от источника, стоящего впереди приемника относительно движения Земли, должна быть большей, чем от источника, стоящего с другой стороны. В первом случае к скорости света должна прибавиться скорость эфирного ветра, во втором случае скорость света должна уменьшиться на эту величину.
Конечно, скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца составляет всего одну десятитысячную скорости света. Обнаружить столь небольшое слагаемое очень нелегко, однако не зря называли Майкельсона королем точности. Он применил хитроумный способ, чтобы уловить «неуловимую» разницу в скоростях лучей света.
Он расщепил луч на два равных потока и направил их во взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль меридиана и по параллели. Отразившись от зеркал, лучи возвращались. В случае если бы идущий по параллели луч испытал влияние эфирного ветра, при сложении его с меридиональным лучом должны бы были возникнуть интерференционные полосы, волны двух лучей оказались бы сдвинутыми по фазе.
Впрочем, Майкельсону было трудно со столь большой точностью отмерить пути обоих лучей, чтобы они были абсолютно одинаковыми. Поэтому он построил аппарат так, что интерференционных полос не было, а затем повернул его на 90 градусов.
Меридиональный луч стал широтным и наоборот. Если есть эфирный ветер, должны будут появиться черные и светлые полоски под окуляром! Но их не было. Возможно, при повороте аппарата ученый сдвинул его.
Он настроил его в полдень и закрепил. Ведь кроме того, что , она еще вращается вокруг оси. И поэтому в разное время суток широтный луч занимает различное положение относительно встречного эфирного ветра. Вот теперь-то, когда прибор строго неподвижен, можно быть убежденным в точности опыта.
Интерференционных полос снова не оказалось. Опыт был проведен много раз, и Майкельсон, а вместе с ним и все физики того времени были поражены. Эфирного ветра не обнаружилось! Свет во все стороны двигался с одной и той же скоростью!
Объяснить этого никто не сумел. Майкельсон еще и еще повторил опыт, совершенствовал аппаратуру и, наконец, добился почти невероятной точности измерений, на порядок большей, чем необходимо было для успеха опыта. И снова ничего!
Опыты Альберта Эйнштейна
Следующий большой шаг в познании силы всемирного тяготения
сделал Альберт Эйнштейн
.
Однажды у Альберта Эйнштейна спросили:
Как вы пришли к вашей специальной теории относительности? При каких обстоятельствах осенила вас гениальная догадка? Ученый ответил: - Мне всегда представлялось, что дело обстоит именно так.
Может быть, ему не хотелось откровенничать, может быть, он хотел отделаться от докучного собеседника. Но трудно себе представить, чтобы открытое Эйнштейном представление о связях времени, пространства и скорости было врожденным.
Нет, конечно, сначала мелькнула догадка, яркая, как молния. Потом началось развитие ее. Нет, противоречий с известными явлениями нет. А затем уже появились те пять страниц, насыщенных формулами, которые были опубликованы в физическом журнале. Страницы, открывшие новую эру в физике.
Представьте себе летящий в пространстве звездолет. Сразу предупредим: звездолет очень своеобразный, такой, о каком вы и в фантастических рассказах не читали. Длина его - 300 тысяч километров, а скорость - ну, скажем, 240 тысяч км/сек. И пролетает этот звездолет мимо одной из промежуточных в космосе платформ, не останавливаясь у нее. На полной скорости.
На палубе звездолета стоит с часами один из его пассажиров. А мы с вами, читатель, стоим на платформе - ее длина должна соответствовать величине звездолета, т. е. 300 тысячам километров, ибо иначе он не сможет пристать к ней. И в руках у нас тоже часы.
Мы замечаем: в тот миг, когда нос звездолета поравнялся с задней границей нашей платформы, на нем вспыхнул фонарь, осветивший окружающее его пространство. Через секунду луч света достиг передней границы нашей платформы. Мы не сомневаемся в этом, ибо знаем скорость света, и нам удалось точно засечь по часам соответствующий момент. А на звездолете…
Но навстречу лучу света летел и звездолет. И мы совершенно определенно видели, что свет озарил его корму в тот момент, когда она была где-то вблизи середины платформы. Мы определенно видели, что луч света преодолел не 300 тысяч километров от носа до кормы корабля.
Но пассажиры на палубе звездолета уверены в другом. Они уверены, что их луч преодолел все расстояние от носа до кормы в 300 тысяч километров. Ведь он потратил на это целую секунду. Они тоже абсолютно точно засекли это по своим часам. Да и как может быть иначе: ведь скорость света не зависит от скорости движения источника…
Как же так? Нам с неподвижной платформы представляется одно, а им на палубе звездолета другое? В чем дело?
Теория относительности Эйнштейна
Надо заметить сразу: теория относительности Эйнштейна на первый взгляд абсолютно противоречит нашим установившимся представлением о строении мира. Можно сказать, что она противоречит и здравому смыслу, как мы привыкли его представлять. Такое не раз случалось в истории науки.
Но и открытие шарообразности Земли противоречило здравому смыслу. Как это могут жить на противоположной стороне люди и не падать в бездну?
Для нас шарообразность Земли факт несомненный, и с точки зрения здравого смысла всякое иное предположение бессмысленно и дико. Но оторвитесь от своего времени, представьте первое появление этой идеи, и станет понятно, как трудно было бы ее принять.
Ну а разве легче было признать, что Земля не неподвижна, а летит по своей траектории в десятки раз быстрее пушечного ядра?
Все это были крушения здравого смысла. Поэтому современные физики никогда не ссылаются на него.
А теперь вернемся к специальной теории относительности. Мир узнал ее впервые в 1905 году из статьи, подписанной мало кому известным именем - Альберт Эйнштейн. И было ему в то время всего 26 лет.
Эйнштейн сделал из этого парадокса очень простое и логичное предположение: с точки зрения наблюдателя, находящегося на платформе, в движущемся вагоне прошло меньше времени, чем отмерили ваши наручные часы. В вагоне ход времени замедлился по сравнению с временем на неподвижной платформе.
Из этого предположения логически проистекали совершенно удивительные вещи. Оказывалось, что человек, едущий на работу в трамвае, по сравнению с идущим тем же путем пешеходом не только экономит время за счет скорости, но и идет оно для него медленнее.
Впрочем, не пытайтесь сохранить этим способом вечную молодость: если даже вы станете вагоновожатым и треть жизни проведете в трамвае, за 30 лет вы выгадаете едва ли больше миллионой доли секунды. Чтобы выигрыш времени стал заметным, надо двигаться со скоростью, близкой к скорости света.
Оказывается, повышение скорости тел отражается и на их массе. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше его масса. При скорости тела, равной скорости света, масса его равна бесконечности, т. е. она больше массы Земли, Солнца, Галактики, всей нашей Вселенной… Вот какую массу можно сосредоточить в простом булыжнике, разогнав его до скорости
света!
Это и накладывает ограничение, не дающее возможности ни одному материальному телу развить скорость, равную скорости света. Ведь по мере того как растёт масса, все труднее и труднее разгонять ее. А бесконечную массу не сдвинет с места никакая сила.
Впрочем, природа сделала очень важное исключение из этого закона для целого класса частиц. Например, для фотонов. Они могут двигаться со скоростью света. Точнее, они не могут двигаться ни с какой иной скоростью. Немыслимо представить себе неподвижный фотон.
В неподвижном состоянии он не имеет массы. Также не имеют массы покоя нейтрино, и они тоже осуждены на вечный безудержный полет сквозь пространство с предельно возможной в нашей Вселенной скоростью, не обгоняя свет и не отставая от него.
Не правда ли, каждое из перечисленных нами следствий специальной теории относительности удивительно, парадоксально! И каждое, конечно же, противоречит «здравому смыслу»!
Но вот что интересно: не в конкретной своей форме, а как широкое философское положение все эти удивительные следствия были предсказаны еще основоположниками диалектического материализма. О чем говорят эти следствия? О связях, которые соединяют взаимо зависимостями энергию и массу, массу и скорость, скорость и время, скорость и длину движущегося предмета…
Открытие Эйнштейном взаимозависимости, подобно цементу, (подробнее: ), соединяющему воедино арматуру, или камни фундамента, соединило воедино казавшиеся до этого независимыми друг от друга вещи и явления и создало ту основу, на которой впервые в истории науки представилось возможным выстроить стройное здание. Это здание - представление о том, как устроена наша Вселенная.
Но прежде хотя бы несколько слов об общей теории относительности, также созданной Альбертом Эйнштейном.
Альберт Эйнштейн
Это название - общая теория относительности - не вполне соответствует содержанию теории, о которой пойдет речь. Она устанавливает взаимозависимость между пространством и материей. По-видимому, более правильно было бы назвать ее теорией пространства - времени , или теорией гравитации .
Но это название так срослось с теорией Эйнштейна, что даже ставить сейчас вопрос о его замене многим ученым представляется неприличным.
Общая теория относительности установила взаимозависимость между материей и временем, и пространством, содержащими ее. Оказалось, что пространство и время не только невозможно представить существующими отдельно от материи, но и свойства их зависят от наполняющей их материи.
Отправной пункт рассуждений
Поэтому можно указать лишь отправной пункт рассуждений и привести некоторые важные выводы.
В начале космического путешествия неожиданная катастрофа разрушила библиотеку, фильмофонд и другие хранилища разума, памяти летящих сквозь пространства людей. И забыта в смене веков природа родной планеты. Забыт даже закон всемирного тяготения, ибо ракета летит в межгалактическом пространстве, где оно почти не ощущается.
Однако великолепно работают двигатели корабля, практически неограничен запас энергии в аккумуляторах. Большую Часть времени корабль движется по инерции, и жители его привыкли к невесомости. Но иногда включают двигатели и замедляют или ускоряют движение корабля. Когда реактивные сопла полыхают в пустоту бесцветным пламенем и корабль Движется ускоренно, жители ощущают, что тела их становятся весомыми, они вынуждены ходить по кораблю, а не перелетать по коридорам.
И вот близок к завершению полет. Корабль подлетает к одной из звезд и ложится на орбиты наиболее подходящей планеты. Звездолетчики выходят наружу, идут по покрытой свежей зеленью почве, непрерывно испытывая то же самое ощущение тяжести, знакомое по тому времени, когда корабль двигался ускоренно.
Но ведь планета движется равномерно. Не может же она лететь им навстречу с постоянным ускорением з 9,8 м/сек2! И у них возникает первое предположение, что гравитационное поле (сила притяжения) и ускорение дают один и тот же эффект, а может быть, имеют и общую природу.
Никто из наших современников-землян не был в таком длительном полете, но явление «утяжеления» и «облегчения» своего тела ощущали многие. Уже обыкновенный лифт, когда он движется ускоренно, создает это ощущение. При спуске вы чувствуете внезапную потерю веса, при подъеме, наоборот, пол с большей, чем обычно, силой давит вам на ноги.
Но одно ощущение еще ничего не доказывает. Ведь ощущения пытаются убедить нас в том, что Солнце движется по небу вокруг неподвижной Земли, что все звезды и планеты находятся от нас на одинаковом расстоянии, на небесном своде и т. д.
Ученые подвергли ощущения опытной проверке. Еще Ньютон задумался над странной тождественностью двух явлений. Он попытался дать им численные характеристики. Измерив гравитационную и , он убедился, что величины их всегда строго равны друг другу.
Из каких только материалов ни делал он маятники опытной установки: из серебра, свинца, стекла, соли, дерева, воды, золота, песка, пшеницы. Результат был один и тот же.
Принцип эквивалентности , о котором мы говорим, и лежит в основе общей теории относительности, хотя современная интерпретация теории уже в этом принципе и не нуждается. Опуская математические выводы, вытекающие из этого принципа, перейдем прямо к некоторым следствиям общей теории относительности.
Наличие больших масс материи сильно влияет на окружающее пространство. Оно приводит к таким изменениям в нем, которые можно определить как неоднородности пространства. Эти неоднородности направляют движение каких бы то ни было масс, которые оказываются вблизи притягивающего тела.
Обычно прибегают к такой аналогии. Представьте себе туго натянутый на раму параллельно земной поверхности холст. Положите на него тяжелую гирю. Это будет наша большая притягивающая масса. Она, конечно, прогнет холст и окажется в некотором углублении. Теперь катните по этому холсту шарик таким образом, чтобы часть его пути пролегла рядом с притягивающей массой. В зависимости от того, как будет пущен шарик, возможны три варианта.
- Шарик пролетит достаточно далеко от созданного прогибом полотна углубления и не изменит своего движения.
- Шарик заденет углубление, и линии его движения изогнутся в сторону притягивающей массы.
- Шарик попадет в эту лунку, не сможет из нее выбраться и совершит один-два оборота вокруг тяготеющей массы.
Не правда ли, третий вариант очень красиво моделирует захват звездой или планетой неосторожно залетевшего в поле их притяжения постороннего тела?
А второй случай - изгиб траектории тела, летящего со скоростью, большей, чем возможная скорость захвата! Первый же случай аналогичен пролету вне практической досягаемости поля тяготения. Да, именно практической, ибо теоретически поле тяготения безгранично.
Конечно, это очень отдаленная аналогия, в первую очередь потому, что никто не может себе реально представить прогиба нашего трехмерного пространства. В чем физический смысл этого прогиба, или кривизны, как чаще говорят, никто не знает.
Из общей теории относительности следует, что любое материальное тело может двигаться в поле тяготения только по кривым линиям. Лишь в частных, особых случаях кривая превращается в прямую.
Этому правилу подчиняется и луч света. Ведь он состоит из фотонов, имеющих в полете определенную массу. И на нее оказывает свое действие поле тяготения, как и на молекулу, астероид или планету.
Другой важный вывод состоит в том, что поле тяготения изменяет и ход времени. Вблизи большой притягивающей массы, в сильном создаваемом ею гравитационном поле, ход времени должен быть более медленным, чем вдали от нее.
Видите, и общая теория относительности чревата парадоксальными выводами, способными еще и еще раз перевернуть наши представления «здравого смысла»!
Гравитационный коллапс
Расскажем об удивительном явлении, имеющем космический характер,- о гравитационном коллапсе (катастрофическом сжатии). Явление это происходит в гигантских скоплениях материи, где силы тяготения достигают столь огромных величин, что никакие другие существующие в природе силы не могут оказать им сопротивления.
Вспомните знаменитую формулу Ньютона: силы тяготения тем больше, чем меньше квадрат расстояния между тяготеющими телами. Таким образом, чем плотнее становится материальное образование, чем меньше его размер, тем стремительнее возрастают силы тяготения, тем неотвратимее их губящее объятие.
Есть хитрый прием, с помощью которого природа борется с, казалось бы, беспредельным сжатием материи. Для этого она останавливает в сфере действия сверхгигантских сил тяготения самый ход времени, и скованные массы вещества как бы выключаются из нашей Вселенной, застывают в странном летаргическом сне.
Первую из таких «черных дыр» космоса, вероятно, уже удалось обнаружить. По предположению советских ученых О. X. Гусейнова и А. Ш. Новрузовой, ею является дельта Близнецов - двойная звезда с одной невидимой компонентой.
Видимая компонента имеет массу 1,8 солнечной, а ее невидимая «напарница» должна быть по расчетам в четыре раза массивнее видимой. Но никаких следов ее нет: увидеть удивительнейшее создание природы, «черную дыру», невозможно.
Советский ученый профессор К. П. Станюкович, как принято говорить, «на кончике пера», путем чисто теоретических построений показал, что частицы «застывшей материи» могут быть весьма разнообразны по величине.
- Возможны ее гигантские образования, подобные квазарам, непрерывно излучающим столько же энергии, сколько ее излучают все 100 миллиардов звезд нашей Галактики.
- Возможны значительно более скромные сгустки, равные всего нескольким солнечным массам. И те и другие объекты могут возникать сами из обыкновенной, не «спящей» материи.
- И возможны образования совсем другого класса, соизмеримые по массе с элементарными частицами.
Чтобы они возникли, надо составляющую их материю сначала подвергнуть гигантскому давлению и вогнать ее в пределы сферы Шварцшильда - сферы, где время для внешнего наблюдателя останавливается совершенно. И если после этого давление даже будет снято, частицы, для которых время остановилось, останутся существовать независимо от нашей Вселенной.
Планкеоны
Планкеоны - совершенно особый класс частиц. Они обладают, по мнению К. П. Станюковича, крайне интересным свойством: несут в себе материю в неизменном виде, такой, какой она была миллионы и миллиарды лет назад. Взглянув внутрь планкеона, мы смогли бы увидеть материю такой, какой она была в момент рождения нашей Вселенной. По теоретическим расчетам, во Вселенной имеется около 10 80 планкеонов, примерно один планкеон в кубике пространства со стороной 10 сантиметров. Кстати, одновременно со Станюковичем и (независимо от него гипотеза о планкеонах была выдвинута академиком М. А. Марковым. Только Марков дал им другое название - максимоны.
Особыми свойствами планкеонов можно попытаться объяснить и парадоксальные подчас превращения элементарных частиц. Известно, что при столкновении двух частиц никогда не образуется осколков, а возникают другие элементарные частицы. Это поистине удивительно: в обычном мире, разбив вазу, мы никогда не получим целых чашек или хотя бы розеток. Но предположим, что в недрах каждой элементарной частицы скрыт планкеон, один или несколько, а иногда и много планкеонов.
В момент столкновения частиц туго завязанный «мешок» планкеона приоткрывается, какие-то частицы будут «провалиться» в него, а взамен «выскочат» те, которые мы считаем возникшими при столкновении. При этом планкеон, как рачительный бухгалтер, обеспечит все «законы сохранения», принятые в мире элементарных частиц.
Ну а при чем здесь механизм всемирного тяготения?
«Ответственными» за тяготение, по гипотезе К. П. Станюковича, являются крохотные частицы, так называемые гравитоны, непрерывно излучаемые элементарными частицами. Гравитоны на столько же меньше последних, на сколько пылинка, пляшущая в солнечном луче, меньше земного шара.
Излучение гравитонов подчиняется ряду закономерностей. В частности, они легче вылетают в ту область пространства. Которая содержит меньше гравитонов. Значит, если в пространстве находятся два небесных тела, оба будут излучать гравитоны преимущественно «наружу», в направлениях, противоположных относительно друг друга. Тем самым создается импульс, заставляющий тела сближаться, притягиваться друг к другу.
В курсе физики 7 класса вы изучали явление всемирного тяготения. Оно заключается в том, что между всеми телами во Вселенной действуют силы притяжения.
К выводу о существовании сил всемирного тяготения (их называют также гравитационными) пришёл Ньютон в результате изучения движения Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца.
Заслуга Ньютона заключается не только в его гениальной догадке о взаимном притяжении тел, но и в том, что он сумел найти закон их взаимодействия, т. е. формулу для расчёта гравитационной силы между двумя телами.
Закон всемирного тяготения гласит:
- два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними
где F - модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами массами m 1 и m 2 , г - расстояние между телами (их центрами); G - коэффициент, который называется гравитационной постоянной .
Если m 1 = m 2 = 1 кг и г = 1 м, то, как видно из формулы, гравитационная постоянная G численно равна силе F. Другими словами, гравитационная постоянная численно равна силе F притяжения двух тел массой по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга. Измерения показывают, что
G = 6,67 10 -11 Нм 2 /кг 2 .
Формула даёт точный результат при расчёте силы всемирного тяготения в трёх случаях: 1) если размеры тел пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними (рис. 32, а); 2) если оба тела однородны и имеют шарообразную форму (рис. 32, б); 3) если одно из взаимодействующих тел - шар, размеры и масса которого значительно больше, чем у второго тела (любой формы), находящегося на поверхности этого шара или вблизи неё (рис. 32, в).
Рис. 32. Условия, определяющие границы применимости закона всемирного тяготения
Третий из рассмотренных случаев является основанием для того, чтобы рассчитывать по приведённой формуле силу притяжения к Земле любого из находящихся на ней тел. При этом в качестве расстояния между телами следует брать радиус Земли, поскольку размеры всех тел, находящихся на ее поверхности или вблизи неё, пренебрежимо малы по сравнению с земным радиусом.
По третьему закону Ньютона яблоко, висящее на ветке или падающее с неё с ускорением свободного падения, притягивает к себе Землю с такой же по модулю силой, с какой его притягивает Земля. Но ускорение Земли, вызванное силой её притяжения к яблоку, близко к нулю, поскольку масса Земли несоизмеримо больше массы яблока.
Вопросы
- Что было названо всемирным тяготением?
- Как иначе называются силы всемирного тяготения?
- Кто и в каком веке открыл закон всемирного тяготения?
- Сформулируйте закон всемирного тяготения. Запишите формулу, выражающую этот закон.
- В каких случаях следует применять закон всемирного тяготения для расчёта гравитационных сил?
- Притягивается ли Земля к висящему на ветке яблоку?
Упражнение 15
- Приведите примеры проявления силы тяготения.
- Космическая станция летит от Земли к Луне. Как меняется при этом модуль вектора силы её притяжения к Земле; к Луне? С одинаковыми или различными по модулю силами притягивается станция к Земле и Луне, когда она находится посередине между ними? Если силы различны, то какая больше и во сколько раз? Все ответы обоснуйте. (Известно, что масса Земли примерно в 81 раз больше массы Луны.)
- Известно, что масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли. Верно ли, что Солнце притягивает Землю в 330 000 раз сильней, чем Земля притягивает Солнце? Ответ поясните.
- Мяч, подброшенный мальчиком, в течение некоторого времени двигался вверх. При этом его скорость всё время уменьшалась, пока не стала равной нулю. Затем мяч стал падать вниз с возрастающей скоростью. Объясните: а) действовала ли на мяч сила притяжения к Земле во время его движения вверх; вниз; б) что послужило причиной уменьшения скорости мяча при его движении вверх; увеличения его скорости при движении вниз; в) почему при движении мяча вверх его скорость уменьшалась, а при движении вниз - увеличивалась.
- Притягивается ли к Луне человек, стоящий на Земле? Если да, то к чему он притягивается сильнее - к Луне или к Земле? Притягивается ли Луна к этому человеку? Ответы обоснуйте.
Почему выпущенный из рук камень падает на Землю? Потому что его притягивает Земля, скажет каждый из вас. В самом деле, камень падает на Землю с ускорением свободного падения. Следовательно, на камень со сто-роны Земли действует сила, направленная к Земле. Согласно третьему закону Ньютона и камень действует на Землю с такой же по модулю силой, направленной к камню. Иными словами, между Землей и камнем действуют силы взаимного притяжения.
Ньютон был первым, кто сначала догадался, а потом и строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила тяготения, действующая между любыми телами Вселенной. Вот ход его рассуждений, приведенных в главном труде Ньютона «Математические начала натуральной философии»:
«Брошенный горизонтально камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше» (рис. 1).
Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определенной скоростью, могла бы стать такой, что он вообще никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался вокруг нее «подобно тому, как планеты описывают в небесном пространстве свои орбиты».
Сейчас нам стало настолько привычным движение спутников вокруг Земли, что разъяснять мысль Ньютона подробнее нет необходимости.
Итак, по мнению Ньютона, движение Луны вокруг Земли или планет вокруг Солнца – это тоже свободное падение, но только падение, которое длится, не прекращаясь, миллиарды лет. Причиной такого «падения» (идет ли речь действительно о падении обычного камня на Землю или о движении планет по их орбитам) является сила всемирного тяготения. От чего же эта сила зависит?
Зависимость силы тяготения от массы тел
Галилей доказал, что при свободном падении Земля сообщает всем телам в данном месте одно и то же ускорение независимо от их массы. Но ускорение по второму закону Ньютона обратно пропорционально массе\. Как же объяснить, что ускорение, сообщаемое телу силой притяжения Земли, одинаково для всех тел? Это возможно лишь в том случае, если сила притяжения к Земле прямо пропорциональна массе тела. В этом случае увеличение массы т, например, вдвое приведет к увеличению модуля силы F тоже вдвое, а ускорение, которое равно \(a = \frac {F}{m}\), останется неизменным. Обобщая этот вывод для сил тяготения между любыми телами, заключаем, что сила всемирного тяготения прямо пропорциональна массе тела, на которое эта сила действует.
Но во взаимном притяжении участвуют по меньшей мере два тела. На каждое из них, согласно третьему закону Ньютона, действуют одинаковые по модулю силы тяготения. Поэтому каждая из этих сил должна быть пропорциональна как массе одного тела, так и массе другого тела. Поэтому сила всемирного тяготения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс:
\(F \sim m_1 \cdot m_2\)
Зависимость силы тяготения от расстояния между телами
Из опыта хорошо известно, что ускорение свободного падения равно 9,8 м/с 2 и оно одинаково для тел, падающих с высоты 1, 10 и 100 м, т. е. не зависит от расстояния между телом и Землей. Это как будто бы означает, что и сила от расстояния не зависит. Но Ньютон считал, что отсчитывать расстояния надо не от поверхности, а от центра Земли. Но радиус Земли 6400 км. Понятно, что несколько десятков, сотен или даже тысяч метров над поверхностью Земли не могут заметно изменить значение ускорения свободного падения.
Чтобы выяснить, как влияет расстояние между телами на силу их вза-имного притяжения, нужно было бы узнать, каково ускорение тел, удаленных от Земли на достаточно большие расстояния. Однако наблюдать и изучать свободное падение тела с высоты в тысячи километров над Землей трудно. Но сама природа пришла здесь на помощь и дала возможность определить ускорение тела, движущегося по окружности вокруг Земли и обладающего поэтому центростремительным ускорением, вызванным, разумеется, той же силой притяжения к Земле. Таким телом является естественный спутник Земли – Луна. Если бы сила притяжения между Землей и Луной не зависела от расстояния между ними, то центростремительное ускорение Луны было бы таким же, как ускорение тела, свободно падающего близ поверхности Земли. В действительности же центростремительное ускорение Луны равно 0,0027 м/с 2 .
Докажем это . Обращение Луны вокруг Земли происходит под действием силы тяготения между ними. Приближенно орбиту Луны можно считать окружностью. Следовательно, Земля сообщает Луне центростремительное ускорение. Оно вычисляется по формуле \(a = \frac {4 \pi^2 \cdot R}{T^2}\), где R – радиус лунной орбиты, равный примерно 60 радиусам Земли, Т ≈ 27 сут 7 ч 43 мин ≈ 2,4∙10 6 с – период обращения Луны вокруг Земли. Учитывая, что радиус Земли R з ≈ 6,4∙10 6 м, получим, что центростремительное ускорение Луны равно:
\(a = \frac {4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 10^6}{(2,4 \cdot 10^6)^2} \approx 0,0027\) м/с 2 .
Найденное значение ускорения меньше ускорения свободного падения тел у поверхности Земли (9,8 м/с 2) приблизительно в 3600 = 60 2 раз.
Таким образом, увеличение расстояния между телом и Землей в 60 раз привело к уменьшению ускорения, сообщаемого земным притяжением, а следовательно, и самой силы притяжения в 60 2 раз.
Отсюда вытекает важный вывод: ускорение, которое сообщает телам сила притяжения к Земле, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли
\(F \sim \frac {1}{R^2}\).
Закон всемирного тяготения
В 1667 г. Ньютон окончательно сформулировал закон всемирного тяготения:
\(F = G \cdot \frac {m_1 \cdot m_2}{R^2}.\quad (1)\)
Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .
Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной .
Закон всемирного тяготения справедлив только для таких тел, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Иначе говоря, он справедлив только для материальных точек . При этом силы гравитационного взаимодействия направлены вдоль линии, соединяющей эти точки (рис. 2). Подобного рода силы называются центральными.
Для нахождения силы тяготения, действующей на данное тело со сто-роны другого, в случае, когда размерами тел пренебречь нельзя, поступают следующим образом. Оба тела мысленно разделяют на столь малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая силы тяготения, действующие на каждый элемент данного тела со стороны всех элементов другого тела, получают силу, действующую на этот элемент (рис. 3). Проделав такую операцию для каждого элемента данного тела и сложив полученные силы, находят полную силу тяготения, действующую на это тело. Задача эта сложная.
Есть, однако, один практически важный случай, когда формула (1) применима к протяженным телам. Можно доказать, что сферические тела, плотность которых зависит только от расстояний до их центров, при расстояниях между ними, больших суммы их радиусов, притягиваются с силами, модули которых определяются формулой (1). В этом случае R – это расстояние между центрами шаров.
И наконец, так как размеры падающих на Землю тел много меньше размеров Земли, то эти тела можно рассматривать как точечные. Тогда под R в формуле (1) следует понимать расстояние от данного тела до центра Земли.
Между всеми телами действуют силы взаимного притяжения, зависящие от самих тел (их масс) и от расстояния между ними.
Физический смысл гравитационной постоянной
Из формулы (1) находим
\(G = F \cdot \frac {R^2}{m_1 \cdot m_2}\).
Отсюда следует, что если расстояние между телами численно равно единице (R = 1 м) и массы взаимодействующих тел тоже равны единице (m 1 = m 2 = 1 кг), то гравитационная постоянная численно равна модулю силы F . Таким образом (физический смысл ),
гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей на тело массой 1 кг со стороны другого тела такой же массы при расстоянии между телами, равном 1 м .
В СИ гравитационная постоянная выражается в
.
Опыт Кавендиша
Значение гравитационной постоянной G может быть найдено только опытным путем. Для этого надо измерить модуль силы тяготения F , действующей на тело массой m 1 со стороны тела массой m 2 при известном расстоянии R между телами.
Первые измерения гравитационной постоянной были осуществлены в середине XVIII в. Оценить, правда весьма грубо, значение G в то время удалось в результате рассмотрения притяжения маятника к горе, масса которой была определена геологическими методами.
Точные измерения гравитационной постоянной впервые были проведены в 1798 г. английским физиком Г. Кавендишем с помощью прибора, называемого крутильными весами. Схематично крутильные весы показаны на рисунке 4.
Кавендиш закрепил два маленьких свинцовых шара (диаметром 5 см и массой m 1 = 775 г каждый) на противоположных концах двухметрового стержня. Стержень был подвешен на тонкой проволоке. Для этой проволоки предварительно определялись силы упругости, возникающие в ней при закручивании на различные углы. Два больших свинцовых шара (диаметром 20 см и массой m 2 = 49,5 кг) можно было близко подводить к маленьким шарам. Силы притяжения со стороны больших шаров заставляли маленькие шары перемещаться к ним, при этом натянутая проволока немного закручивалась. Степень закручивания была мерой силы, действующей между шарами. Угол закручивания проволоки (или поворота стержня с малыми шарами) оказался столь малым, что его пришлось измерять с помощью оптической трубы. Результат, полученный Кавендишем, только на 1% отличается от значения гравитационной постоянной, принятого сегодня:
G ≈ 6,67∙10 -11 (Н∙м 2)/кг 2
Таким образом, силы притяжения двух тел массой по 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, по модулям равны всего лишь 6,67∙10 -11 Н. Это очень малая сила. Только в том случае, когда взаимодействуют тела огромной массы (или по крайней мере масса одного из тел велика), сила тяготения становится большой. Например, Земля притягивает Луну с силой F ≈ 2∙10 20 Н.
Гравитационные силы – самые «слабые» из всех сил природы. Это связано с тем, что гравитационная постоянная мала. Но при больших массах космических тел силы всемирного тяготения становятся очень большими. Эти силы удерживают все планеты возле Солнца.
Значение закона всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения лежит в основе небесной механики – науки о движении планет. С помощью этого закона с огромной точностью определяются положения небесных тел на небесном своде на многие десятки лет вперед и вычисляются их траектории. Закон всемирного тяготения применяется также в расчетах движения искусственных спутников Земли и межпланетных автоматических аппаратов.
Возмущения в движении планет . Планеты не движутся строго по законам Кеплера. Законы Кеплера точно соблюдались бы для движения данной планеты лишь в том случае, когда вокруг Солнца обращалась бы одна эта планета. Но в Солнечной системе планет много, все они притягиваются как Солнцем, так и друг другом. Поэтому возникают возмущения движения планет. В Солнечной системе возмущения невелики, потому что притяжение планеты Солнцем гораздо сильнее притяжения другими планетами. При вычислении видимого положения планет приходится учитывать возмущения. При запуске искусственных небесных тел и при расчете их траекторий пользуются приближенной теорией движения небесных тел – теорией возмущений.
Открытие Нептуна . Одним из ярких примеров триумфа закона все-мирного тяготения является открытие планеты Нептун. В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл планету Уран. Была вычислена ее орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперед. Однако проверка этой таблицы, проведенная в 1840 г., показала, что данные ее расходятся с действительностью.
Ученые предположили, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца еще дальше, чем Уран. Зная отклонения от расчетной траектории (возмущения движения Урана), англичанин Адаме и француз Леверрье, пользуясь законом всемирного тяготения, вычислили положение этой планеты на небе. Адаме раньше закончил вычисления, но наблюдатели, которым он сообщил свои результаты, не торопились с проверкой. Тем временем Леверрье, закончив вычисления, указал немецкому астроному Галле место, где надо искать неизвестную планету. В первый же вечер, 28 сентября 1846 г., Галле, направив телескоп на указанное место, обнаружил новую планету. Ее назвали Нептуном.
Таким же образом 14 марта 1930 г. была открыта планета Плутон. Оба открытия, как говорят, были сделаны «на кончике пера».
При помощи закона всемирного тяготения можно вычислить массу планет и их спутников; объяснить такие явления, как приливы и отливы воды в океанах, и многое другое.
Силы всемирного тяготения – самые универсальные из всех сил природы. Они действуют между любыми телами, обладающими массой, а массу имеют все тела. Для сил тяготения не существует никаких преград. Они действуют сквозь любые тела.
Литература
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1992. – 191 с.
- Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002. – 496 с.
Всемирное тяготение
Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas - «тяжесть») - дальнодействующее фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все материальные тела. По современным данным, является универсальным взаимодействием в том смысле, что, в отличие от любых других сил, всем без исключения телам независимо от их массы придаёт одинаковое ускорение . Главным образом гравитация играет определяющую роль в космических масштабах. Термин гравитация используется также как название раздела физики , изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией в классической физике , описывающей гравитацию, является общая теория относительности , квантовая теория гравитационного взаимодействия пока не построена.
Гравитационное взаимодействие
Гравитационное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики , гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть
.Здесь G
- гравитационная постоянная , равная примерно 
м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.
Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.
Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .
При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении, достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе , эта неустойчивость не позволяет предсказать движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.
В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений , и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - нетривиальная структура колец Сатурна.
Несмотря на попытки описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .
Сильные гравитационные поля
В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности :
- отклонение закона тяготения от ньютоновского;
- запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ; появление гравитационных волн;
- эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
- изменение геометрии пространства-времени;
- возникновение черных дыр ;
Гравитационное излучение
Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако, имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 - пульсаром Халса-Тейлора - хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.
Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l -польного источника пропорциональна (v / c ) 2l + 2 , если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c ) 2l + 4 - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:
где Q
i
j
- тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа 
(1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.
Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора республики Татарстан .
Тонкие эффекты гравитации
Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.
Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но его полные результаты пока не опубликованы.
Квантовая теория гравитации
Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория . Впрочем, при низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2.
Стандартные теории гравитации
В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.
Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.
- Гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.
- Гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.
- В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.
Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.
C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:
Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.
| Теории гравитации | ||||||||
|
Источники и примечания
Литература
- Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900-1915). М.: Наука, 1981. - 352c.
- Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. М.: Наука, 1985. - 304c.
- Иваненко Д. Д. , Сарданашвили Г. А. Гравитация, 3-е изд. М.:УРСС, 2008. - 200с.
См. также
- Гравиметр
Ссылки
- Закон всемирного тяготения или «Почему Луна не падает на Землю?» - Просто о сложном
Wikimedia Foundation . 2010 .
