Гравітаційні сили діють між. Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяготіння. Вага тіла

На питання «Що таке сила?» фізика відповідає так: «Сила є міра взаємодії речових тіл між собою або між тілами і іншими матеріальними об'єктами - фізичними полями». Всі сили в природі можуть бути віднесені до чотирьох фундаментальних видів взаємодій: сильному, слабкому, електромагнітному і гравітаційному. Наша стаття розповідає про те, що являють собою гравітаційні сили - міра останнього і, мабуть, найбільш широко поширеного в природі види цих взаємодій.

Почнемо з тяжіння землі

Усім, що відомо, що існує сила, яка притягує об'єкти до землі. Вона зазвичай іменується гравітацією, силою тяжіння або земним тяжінням. Завдяки її наявності у людини виникли поняття «верх» і «низ», що визначають напрямок руху або розташування чого-небудь щодо земної поверхні. Так в окремому випадку, на поверхні землі або поблизу неї, виявляють себе гравітаційні сили, які притягують об'єкти, що мають масу, один до одного, виявляючи свою дію на будь-яких як найменших, так і дуже великих, навіть за космічними мірками, відстанях.

Сила тяжіння і третій закон Ньютона

Як відомо, будь-яка сила, якщо вона розглядається як міра взаємодії фізичних тіл, завжди прикладена до якого-небудь з них. Так і в гравітаційній взаємодії тіл один з одним, кожне з них відчуває такі види гравітаційних сил, які викликані впливом кожного з них. Якщо тел всього два (передбачається, що дією всіх інших можна знехтувати), то кожна з них по третьому закону Ньютона буде притягувати інше тіло з однаковою силою. Так Місяць і Земля притягують один одного, наслідком чого є припливи і відливи земних морів.

Кожна планета в Сонячній системі відчуває відразу кілька сил тяжіння з боку Сонця і інших планет. Звичайно, визначає форму і розміри її орбіти саме сила тяжіння Сонця, а й вплив інших небесних тіластрономи враховують у своїх розрахунках траєкторій їх руху.

Що швидше впаде на землю з висоти?

Головною особливістю цієї сили є те, що всі об'єкти падають на землю з однією швидкістю, незалежно від їх маси. Колись, аж до 16-го ст., Вважалося, що все навпаки - більш важкі тіла повинні падати швидше, ніж легкі. Щоб розвіяти цю оману Галілео Галілею довелося виконати свій знаменитий досвід щодо одночасного скидання двох гарматних ядер різної ваги з похилою Пізанської вежі. Всупереч очікуванням свідків експерименту обидва ядра досягли поверхні одночасно. Сьогодні кожен школяр знає, що це сталося завдяки тому, що сила тяжіння повідомляє будь-якому тілу одне і те ж прискорення вільного падіння g = 9,81 м / с 2 незалежно від маси m цього тіла, а величина її за другим законом Ньютона дорівнює F = mg.

гравітаційні силина Місяці і на інших планетах мають різні значення цього прискорення. Однак характер дії сили тяжіння на них такий же.

Сила тяжіння і вага тіла

Якщо перша сила прикладена безпосередньо до самого тіла, то друга до його опорі або підвісу. У цій ситуації на тіла з боку опор і підвісів завжди діють сили пружності. Гравітаційні сили, прикладені до тих же тіл, діють їм назустріч.

Уявіть собі вантаж, підвішений над землею на пружині. До нього включені дві сили: сила пружності розтягнутої пружини і сила тяжіння. Згідно з третім законом Ньютона вантаж діє на пружину з силою, рівною і протилежної силі пружності. Ця сила і буде його вагою. У вантажу масою 1 кг вага дорівнює Р = 1 кг ∙ 9,81 м / с 2 = 9,81 Н (ньютон).

Гравітаційні сили: визначення

Перша кількісна теорія гравітації, заснована на спостереженнях руху планет, була сформульована Ісааком Ньютоном в 1687 році в його знаменитих "Засадах натуральної філософії". Він писав, що сили тяжіння, які діють на Сонце і планети, залежать від кількості речовини, яке вони містять. Оніраспространяются на великі відстані і завжди зменшуються як величини, зворотні квадрату відстані. Як же можна обчислити ці гравітаційні сили? Формула для сили F між двома об'єктами з масами m 1 і m 2, що знаходяться на відстані r, така:

• F = Gm 1 m 2 / r 2,
  де G - константа пропорційності, гравітаційна стала.

Фізичний механізм гравітації

Ньютон був в повному обсязі задоволений своєю теорією, оскільки вона передбачала взаємодію між притягає тілами на відстані. Сам великий англієць був впевнений, що повинен існувати якийсь фізичний агент, відповідальний за передачу дії одного тіла на інше, про що він цілком ясно висловився в одному зі своїх листів. Але час, коли було введено поняття гравітаційного поля, яке пронизує весь простір, настав лише через чотири століття. Сьогодні, говорячи про гравітації, ми можемо говорити про взаємодію будь-якого (космічного) тіла з гравітаційним полем інших тіл, мірою якого і служать виникають між кожною парою тел гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння, сформульований Ньютоном в вищенаведеної формі, залишається вірним і підтверджується безліччю фактів.

Теорія гравітації і астрономія

Вона була дуже успішно застосована до вирішення завдань небесної механіки під час XVIII і початку XIXстоліття. Наприклад, математики Д. Адамс і У. Левер'є, аналізуючи порушення орбіти Урана, припустили, що на нього діють гравітаційні сили взаємодії з ще невідомої планетою. Ними було зазначено її передбачуване положення, і незабаром астрономом І. Галле там був виявлений Нептун.

Хоча залишалася одна проблема. Леверье в 1845 році розрахував, що орбіта Меркурія прецессирует на 35 "" за сторіччя, на відміну від нульового значення цієї прецесії, одержуваного з теорії Ньютона. Наступні виміри дали більш точне значення 43 "". (Видимий прецесія дорівнює дійсно 570 "" / вік, але кропітка розрахунок, що дозволяє вирахувати вплив від всіх інших планет, дає значення 43 "".)

Тільки в 1915 р Альберт Ейнштейн зміг пояснити це невідповідність в рамках створеної ним теорії гравітації. Виявилося, що масивне Сонце, як і будь-яке інше масивне тіло, викривляє простір-час у своїй околиці. Ці ефекти викликають відхилення в орбітах планет, але у Меркурія, як найменшій і найближчій до нашій зірці планеті, вони проявляються найсильніше.

Інерційна і гравітаційна маси

Як вже зазначалося вище, Галілей був першим, хто спостерігав, що об'єкти падають на землю з однаковою швидкістю, незалежно від їх маси. У формулах Ньютона поняття маси відбувається від двох різних рівнянь. Другий його закон говорить, що сила F, прикладена до тіла з масою m, дає прискорення за рівнянням F = ma.

Однак сила тяжіння F, прикладена до тіла, задовольняє формулою F = mg, де g залежить від іншого тіла, що взаємодіє з даним (землі зазвичай, коли ми говоримо про силу тяжіння). В обох рівнянь m є коефіцієнт пропорційності, але в першому випадку це інерційна маса, а в другому - гравітаційна, і немає ніякої очевидної причини, що вони повинні бути однаковими для будь-якого фізичного об'єкта.

Однак все експерименти показують, що це дійсно так.

Теорія гравітації Ейнштейна

Він взяв факт рівності інерційної і гравітаційної мас як відправну точку для своєї теорії. Йому вдалося побудувати рівняння гравітаційного поля, знамениті рівняння Ейнштейна, і з їх допомогою обчислити правильне значення для прецесії орбіти Меркурія. Вони також дають виміряне значення відхилення світлових променів, які проходять поблизу Сонця, і немає ніяких сумнівів в тому, що з них випливають правильні результати для макроскопічної гравітації. Теорія гравітації Ейнштейна, або загальна теорія відносності (ЗТВ), як він сам її назвав, є одним з найбільших тріумфів сучасної науки.

Гравітаційні сили - це прискорення?

Якщо ви не можете відрізнити інерційну масу від гравітаційної, то ви не можете відрізнити і гравітацію від прискорення. Експеримент в гравітаційному полі замість цього може бути виконаний в прискорено рухається ліфті у відсутності гравітації. Коли космонавт в ракеті прискорюється, віддаляючись від землі, він відчуває силу тяжкості, яка в кілька разів більша за земну, причому переважна її частина приходить від прискорення.

Якщо ніхто не може відрізнити гравітацію від прискорення, то першу завжди можна відтворити шляхом прискорення. Система, в якій прискорення замінює силу тяжіння, називається інерціальній. Тому Місяць на навколоземній орбіті також можна розглядати як інерційну систему. Однак ця система буде відрізнятися від точки до точки, оскільки змінюється гравітаційне поле. (В прикладі з Місяцем гравітаційне поле змінює напрямок з однієї точки в іншу.) Принцип, згідно з яким завжди можна знайти інерційну систему в будь-якій точці простору і часу, в якій фізика підпорядковується законам у відсутності гравітації, називається принципом еквівалентності.

Гравітація як прояв геометричних властивостей простору-часу

Той факт, що гравітаційні сили можна розглядати як прискорення в інерційних системах координат, які відрізняються від точки до точки, означає, що гравітація - це геометричне поняття.

Ми говоримо, що простір-час викривляється. Розглянемо м'яч на плоскій поверхні. Він буде спочивати або, якщо немає ніякого тертя, рівномірно рухатися при відсутності дії будь-яких сил на нього. Якщо поверхню викривляється, м'яч прискориться і буде рухатися до найнижчої точки, вибираючи найкоротший шлях. Аналогічним чином теорія Ейнштейна стверджує, що чотиривимірний простір-час викривлене, і тіло рухається в цьому викривленому просторі з геодезичної лінії, якої відповідає найкоротший шлях. Тому гравітаційне поле і діючі в ньому на фізичні тіла гравітаційні сили - це геометричні величини, що залежать від властивостей простору-часу, які найбільш сильно змінюються поблизу масивних тіл.

Таємнича сила

Дон Деянг

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

Що таке гравітація?

Ісаак Ньютон цікавився цим питанням ще в 1686 році і прийшов до висновку, що гравітація - це сила тяжіння, що існує між усіма предметами. Він зрозумів, що та ж сама сила, яка змушує яблуко падати на землю, утримує місяць на своїй орбіті. Насправді сила тяжіння Землі служить причиною того, 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 з найбільших наукових відкриттіввсіх часів.

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

Малюнок 1.Ілюстрація орбіти місяця, зроблена не у відповідності з масштабом. За кожну секунду місяць проходить приблизно 1 км. За яку вона відхиляється від прямого шляху приблизно на 1 мм - це відбувається внаслідок гравітаційної тяги Землі (пунктирна лінія). Місяць постійно як би падає за (або навколо) землею, як падають і планети навколо сонця.

Сила тяжіння - одна з чотирьох фундаментальних сил природи (Таблиця 1). Зверніть увагу на те, що з чотирьох сил ця сила найслабша, і все ж вона є домінуючою щодо великих космічних об'єктів. Як показав Ньютон, притягальна гравітаційна сила між двома будь-якими масами стає все менше і менше в міру того, як відстань між ними стає все більше і більше, але вона ніколи повністю не досягає нуля (дивіться «Задум гравітації»).

Тому кожна частка у всьому всесвіті фактично притягує будь-яку іншу частку. На відміну від сил слабкої і сильної ядерної взаємодії, сила тяжіння є дальнодействующей (Таблиця 1). Магнітна сила і сила електричного взаємодії також є дальнодействующими силами, але гравітація унікальна тим, що вона і дальнодействием 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 в 1849 році, фізики постійно шукали приховану зв'язок між силою тяжіння і 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 найбільш загадковою і найменш вивченої силою.

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

Задум в 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 стала, вперше виміряна Генрі Кавендіш в 1798 году.1

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

Підкоряється закону зворотних квадратів природа цього рівняння просто захоплює. Зрештою, немає ніякої необхідної причини, чому сила тяжіння повинна діяти саме так. У безладної, випадкової і еволюціонує всесвіту такі довільні ступеня, як r 1.97 або r 2.3 здавалися б більш імовірними. Однак точні вимірювання показали точну ступінь, по крайней мере, 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 вказує на точний, створений дизайн. Насправді, якби ступінь хоч на трохи відхилилася від 2, орбіти планет і весь всесвіт стали б нестабільними.

Посилання та примітки

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

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

Одні вчені намагалися пояснити гравітацію з допомогою невидимих ​​частинок, Гравітон, які рухаються між об'єктами. Інші говорили про космічні струнах і гравітаційних хвилях. Нещодавно вченим за допомогою спеціально створеної лабораторії LIGO (англ. 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 великих відстанях, змінюючи їх фору, все ж залишається для всіх великим питанням. Ми просто не знаємо природу виникнення сили гравітації і яким чином вона утримує стабільність усього всесвіту.

Сила тяжіння і Писання

Два місця з Біблії можуть допомогти нам зрозуміти природу гравітації і фізичну науку в цілому. Перше місце, Колосян 1:17, пояснює, що Христос «Є перш за все, і все Ним стоїть». Грецьке дієслово стоїть (συνισταω sunistao) Означає: зчіплюватися, зберігатися або утримуватися разом. Грецьке використання цього слова за межами Біблії позначає посудину, з міститься в ньому водою. Слово, яке використовується в книзі Колосян, варто в скоєному часу, що як правило, вказує на даний триваюче стан, яке виникло з завершеного минулого дії. Один з використовуваних фізичних механізмів, про який йде мова, явно сила тяжіння, встановлена ​​Творцем і безпомилково підтримувана і сьогодні. Тільки уявіть: якби на мить перестала діяти сила тяжіння, безсумнівно, настав би хаос. Усі небесні тіла, включаючи землю, місяць і зірки, не втримувалися б більше разом. Все той час розділилося б на окремі, дрібні частини.

Друге місце Писання, Євреїв 1: 3, заявляє, що Христос «Тримає все словом сили Своєї».слово тримає (φερω pherō) Знову описує підтримування або збереження всього, включаючи гравітацію. слово тримає, Що використовується в цьому вірші, означає набагато більше, ніж просто утримування ваги. Воно включає контроль над всіма відбуваються рухами і змінами всередині всесвіту. Це нескінченне завдання виконується через всемогутнє Слово Господа, за допомогою якого почала існувати сама 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 і простору і чорні діри

Загальна теорія відносності Ейнштейна розглядає гравітацію не як силу, а як викривлення самого простору поблизу масивного об'єкта. Згідно з передбаченнями, світло, який традиційно слід за прямими лініями, викривляється при проходженні по викривленого простору. Вперше це було продемонстровано, коли астроном сер Артур Еддінгтон виявив зміна удаваного положення зірки під час повного затемнення в 1919 році, вважаючи, що промені світла згинаються під дією сили тяжіння сонця.

Загальна теорія відносності також пророкує, що якщо тіло досить щільне, його сила тяжіння спотворить простір настільки сильно, що світло взагалі не зможе через нього проходити. Таке тіло поглинає світло і все інше, що захопила його сильна гравітація, і носить назву Чорна діра. Таке тіло можна виявити тільки за його гравітаційними ефектами на інші об'єкти, по сильному викривлення світла навколо нього і по сильної радіації, випромінюваної речовиною, яке на нього падає.

Все речовина всередині чорної діри стисло в центрі, який має нескінченну щільність. «Розмір» діри визначається горизонтом подій, тобто кордоном, яка оточує центр чорної діри, і ніщо (навіть світло) не може вийти за її межі. Радіус діри називається радіусом Шварцшильда, в 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 в чорну діру, його радіус Шварцшильда становив би всього 3 км.

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

Згідно прогнозам загальної теорії відносності, гравітація також спотворює і час. Це також було підтверджено дуже точними атомними годинами, які на рівні моря йдуть на кілька мікросекунд повільніше, ніж на територіях вище рівня моря, де сила тяжіння Землі трохи слабкіше. Поблизу горизонту подій це явище більш помітно. Якщо спостерігати за годинами астронавта, який наближається до горизонту подій, ми побачимо, що годинник йде повільніше. Перебуваючи в горизонті подій, годинник зупиняться, але ми ніколи не зможемо цього побачити. І навпаки, астронавт не помітить, що його годинник йде повільніше, але він побачить, що наш годинник йдуть швидше і швидше.

Основною небезпекою для астронавта біля чорної діри були б приливні сили, викликані тим, що сила тяжіння сильніше на тих частинах тіла, які знаходяться ближче до чорної діри, ніж на частинах далі від неї. За своєю потужністю приливні сили біля чорної діри, що має масу зірки, сильніше будь-якого урагану і запросто розривають на дрібні шматочки все, що їм попадається. Однак, тоді як гравітаційне тяжіння зменшується з квадратом відстані (1 / r 2), припливно-отлівноє явище зменшується з кубом відстані (1 / r 3). Тому на відміну від прийнятого думки, гравітаційна сила (включаючи приливну силу) на горизонтах подій великих чорних дір слабкіше, ніж на маленьких чорних дірах. Так що приливні сили на горизонті подій чорної діри в спостережуваному космосі, були б менш помітні, ніж самий м'який вітерець.

Розтягування часу під дією сили тяжіння поблизу горизонту подій є основою нової космологічної моделіфізика-креаціоніста, доктора Рассела Хамфриса, 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 в молодої всесвіту. До того ж на сьогодні вона є науковою альтернативою небіблійній, 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 гравітації та рух небесних тіл в 1687 році, в своїй відомій праці « математичні начала». Деякі читачі швидко зробили висновок, що всесвіт Ньютона не залишила місця для Бога, так як 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 найбільш прекрасна сонячна система, планети і комети можуть бути результатом лише плану і панування розумного і сильного істоти».

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

Ньютон шанобливо ставився до інших вченим, таким як Галілео Галілей. До речі Ньютон народився в той же рік, коли помер Галілей, в 1642 році. Ньютон писав у своєму листі: «Якщо я і бачив далі інших, то тому, що стояв на плечахгігантів ». Незадовго до смерті, напевно, розмірковуючи про таємниці 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 відшукує камінчик більш строкатий, ніж інші, або красиву мушлю, в той час як переді мною розстеляється величезний океаннедослідженою істини ».

Ньютон похований у Вестмінстерському абатстві. Латинський напис на його могилі закінчується словами: «Нехай смертні радіють, що серед них жило така прикраса людського роду».

До сих пір ми вважали, що гравітація - ОСОБЛИВИЙ вид взаємодії: варто тільки підстрибнути, як ОСОБЛИВА гравітаційне поле поверне нас в початкове положення. Це поле завжди притягує до центру Землі будь-який предмет, а також відповідально за обертання Землі навколо Сонця, а Місяця і штучних супутників - навколо Землі. Тому і не дивні спроби фізиків розібратися з цим полем, зрозуміти його суть, а останнім часом - створити єдину теорію поля.
Наведемо витяг з інтернету:

"Фундаментальні взаємодії

Матеріал з Вікіпедії: Фундамента; Патерналізм взаємодій; йствія - якісно розрізняються типи взаємодії елементарних частинок і складених з них тел.

На сьогодні достеменно відомо існування чотирьох фундаментальних взаємодій:
гравітаційного;
електромагнітного;
сильного;
слабкого.

При цьому електромагнітне і слабке взаємодії є проявами єдиного електрослабкої взаємодії.

Створення єдиної теорії фундаментальних взаємодій.

Першою з теорій взаємодій стала теорія електромагнетизму, створена Максвеллом в 1863 році. Потім в 1915 р Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності, що описує гравітаційне поле. З'явилася ідея побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій (яких на той момент було відомо тільки два), подібно до того як Максвеллові вдалося створити Загальний описелектричних і магнітних явищ. Така єдина теорія об'єднала б гравітацію і електромагнетизм як приватних проявів якогось єдиного взаємодії.

Протягом першої половини XX століття ряд фізиків зробили численні спроби створення такої теорії, однак жодної повністю задовільною моделі висунуто не було. Це, зокрема, пов'язано з тим, що загальна і теорія електромагнетизму різні за своєю суттю. Тяжіння описується викривленням простору-часу, і в цьому сенсі гравітаційне поле умовно нематеріальне (емпірично недискретность), але як і інші форми взаємодії поширюється з гранично допустимою швидкістю світла (див. Швидкість гравітації), в той час як електромагнітне поле являє всі необхідні атрибути матерії .

У другій половині XX століття завдання побудови єдиної теорії ускладнилася необхідністю внесення в неї слабкого і сильного взаємодій, а також квантування теорії.

У 1967 році Саламом і Вайнбергом була створена теорія електрослабкої взаємодії, що об'єднала електромагнетизм і слабкі взаємодії. Пізніше в 1973 році була запропонована теорія сильної взаємодії (квантова хромодинамика). На їх основі була побудована Стандартна Модель елементарних частинок, що описує електромагнітну, слабкі і сильне взаємодії.

Експериментальна перевірка Стандартної Моделі полягає в виявленні передбачених нею частинок і їх властивостей. На даний момент відкриті всі елементарні частинки Стандартної Моделі.

Таким чином, в даний час фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: Загальною теорією відносності та Стандартної Моделлю. Їх об'єднання поки досягти не вдалося через труднощі створення квантової теоріїгравітації. Для подальшого об'єднання фундаментальних взаємодій використовуються різні підходи: теорії струн, петлевая квантова гравітація, а також М-теорія. "

Можна було б навести безліч цитат про стан сучасної фізики, проте всі вони звелися б до єдиного висновку - БЕЗВИХІДЬ. Просування - тільки в створенні різних фантастичних припущень типу "нора крота", "темна матерія" і т.д. Кращий спосібвиходу з глухого кута - забути про всі сучасних уявленняхі почати все з нуля.
В результаті такого підходу і була створена електромагнітна теорія гравітації (дивись, наприклад:
1. "Гравітація"
2. "Нове про Алісу з Країни Чудес"
3. "Перезавантаження" на форумі МІФІ в розділі " Альтернативна наука" )

Вищезазначена теорія стартує з одного з фундаментальних законів збереження і, в підсумку, не виходячи за рамки класичної фізики, виводиться хвильове рівняння. А це, по суті, вже і є. В отриманому хвильовому рівнянні, на відміну від загальноприйнятих хвильових рівнянь, застосовуваних у сучасній фізиці, присутня якась функція, яка пояснює сенс квантової механіки, принцип невизначеності Гейзенберга і т.д., повертаючи багато фізичні проблеми в лоно класичної фізики. Крім того, було отримано, що ефект тяжіння периферійного тіла до центрального формують сили електромагнітної природи з конкретним видом електричної і магнітної складових. Так само з аналізу отриманих результатів випливає, що електромагнітне поле є змінним, причому електрична і магнітна складові поля коливаються за певними законами, які можна графічно візуалізувати. Явище гравітації формується за рахунок унікального поведінки електромагнітних полів взаємодіючих тіл. з шкільної програмизгадаємо дві такі схожі формули: закон всесвітнього тяжіння Ньютона і закон Кулона для заряджених частинок (тіл) ".
Таким чином, гравітація має електромагнітну природу. Доказом тому є: наведений графік в роботі "Гравітація" і ПРИКЛАД №2 в роботі "Нове про Алісу з Країни Чудес" (все відразу - в роботі "Перезавантаження" на форумі МІФІ).
На графіку явно продемонстровані квантово-механічні атрибути: це і цілі числа, парні і непарні їх комбінації, експоненціальне зростання графіка (особливо чітко спостерігається при відсутності точок для Землі і Сатурна), а також тригонометрическая періодичність виду кривої.
У роботі "Нове про Алісу ..." також сказано: "Принагідно, по ходу виконання завдання, були отримані рівняння і з інших областей фізики (наприклад, міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса). А це свідчить про те, що м нарешті -то необхідно не тільки зняти ореол містики з квантової механіки, але і по-іншому поглянути на фізичні явища, так як польова теорія взаємодії вже сама в собі несе квантову механіку і дозволяє «на пальцях» пояснити їх сенс (наприклад, явища дифракції) " . Здавалося б: при чому тут міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса і електромагнітна теорія гравітації? Відповідь дуже проста: і те, і інше має одну природу - електромагнітну. Квантів не тільки простір, енергія, а й природа взаємодії і масштаб (радіус) взаємодії. Сили Ван-дер-Ваальса мають безпосереднє відношення і до сильних, і до слабких взаємодій. І тут більше не потрібно придумувати ніяких об'єднують теорій, так як електромагнітна теорія гравітації сама в собі несе об'єднання всіх раніше відомих фундаментальних взаємодій.
А вже на базі електромагнітної теорії гравітації з'явився принцип квантування життя ( "Нове про Алісу з Країни Чудес" і ін.), Що призводить до теології ...

гравітаційна взаємодія

Найбільш простим завданням небесної механіки є гравітаційна взаємодія двох точкових або сферичних тіл в порожньому просторі. Це завдання в рамках класичної механіки вирішується аналітично в замкнутій формі; результат її вирішення часто формулюють у вигляді трьох законів Кеплера.

При збільшенні кількості взаємодіючих тіл завдання різко ускладнюється. Так, вже знаменита завдання трьох тіл (тобто рух трьох тіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в Загалом вигляді. При чисельному ж рішенні досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. У застосуванні до Сонячній системі ця нестійкість не дозволяє передбачити точно рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.

У деяких окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла істотно більша за масу інших тіл (приклади: сонячна системаі динаміка кілець Сатурна). В цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються по кеплерова траєкторіях навколо масивного тіла. Взаємодії ж між ними можна враховувати в рамках теорії збурень і усереднювати за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси, атрактори, хаотичність і т. Д. Наочний приклад таких явищ - складна структура кілець Сатурна.

Незважаючи на спроби точно описати поведінку системи з великого числа притягають тіл приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явища динамічного хаосу.

Сильні гравітаційні поля

У сильних гравітаційних полях, а також при русі в гравітаційному полі з релятивістськими швидкостями, починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності (ЗТВ):

• зміна геометрії простору-часу;
  • як наслідок, відхилення закону тяжіння від ньютонівського;
  • і в екстремальних випадках - виникнення чорних дір;
• запізнювання потенціалів, пов'язане з кінцевою швидкістю поширення гравітаційних збурень;
  • як наслідок, поява гравітаційних хвиль;
• ефекти нелінійності: гравітація має властивість взаємодіяти сама з собою, тому принцип суперпозиції в сильних полях уже не виконується.

гравітаційне випромінювання

Одним з важливих передбачень ОТО є гравітаційне випромінювання, наявність якого до цих пір не підтверджено прямими спостереженнями. Однак існують вагомі непрямі свідчення на користь його існування, а саме: втрати енергії в тісних подвійних системах, що містять компактні гравитирующего об'єкти (такі як нейтронні зірки або чорні діри), зокрема, у знаменитій системі PSR B1913 + 16 (пульсарі Халса - Тейлора) - добре узгоджуються з моделлю ОТО, в якій ця енергія несеться саме гравітаційним випромінюванням.

Гравітаційне випромінювання можуть генерувати тільки системи зі змінним квадрупольним або більш високими мультипольного моментами, цей факт говорить про те, що гравітаційне випромінювання більшості природних джерел спрямоване, що істотно ускладнює його виявлення. потужність гравітаційного n-польного джерела пропорційна, якщо мультиполя має електричний тип, і - якщо мультиполя магнітного типу, де v- характерна швидкість руху джерел в випромінюючої системі, а c- швидкість світла. Таким чином, домінуючим моментом буде квадрупольний момент електричного типу, а потужність відповідного випромінювання дорівнює:

де - тензор квадрупольного моменту розподілу мас випромінює системи. Константа (1 / Вт) дозволяє оцінити порядок величини потужності випромінювання.

Починаючи з 1969 року (експерименти Вебера ( англ.)), Робляться спроби прямого виявлення гравітаційного випромінювання. У США, Європі і Японії в даний момент існує кілька діючих наземних детекторів (LIGO, VIRGO, TAMA ( англ.), GEO 600), а також проект космічного гравітаційного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna - лазерно-інтерферометрична космічна антена). Наземний детектор в Росії розробляється в Науковому Центрі Гравітаційно-хвильової Досліджень «Дулкин» республіки Татарстан.

Тонкі ефекти гравітації

Вимірювання кривизни простору на орбіті Землі (малюнок художника)

Крім класичних ефектів гравітаційного тяжіння і уповільнення часу, загальна теорія відносності пророкує існування інших проявів гравітації, які в земних умовах дуже слабкі і їх виявлення і експериментальна перевірка тому дуже скрутні. До останнього часу подолання цих труднощів уявлялося за межами можливостей експериментаторів.

Серед них, зокрема, можна назвати захоплення інерційних систем відліку (або ефект Ленз-Тіррінга) і гравітомагнітное поле. У 2005 році автоматичний апарат НАСА Gravity Probe B провів безпрецедентний за точністю експеримент з вимірювання цих ефектів поблизу Землі. Обробка отриманих даних велася до травня 2011 року і підтвердила існування і величину ефектів геодезичної прецесії і захоплення інерційних систем відліку, хоча і з точністю, дещо меншою спочатку передбачалася.

Після інтенсивної роботи з аналізу та вилучення перешкод вимірів, остаточні підсумки місії були оголошені на прес-конференції по NASA-TV 4 травня 2011 і опубліковані в Physical Review Letters. Виміряна величина геодезичної прецесії склала -6601,8 ± 18,3 мілісекундидуги на рік, а ефекту захоплення - -37,2 ± 7,2 мілісекундидуги на рік (пор. з теоретичними значеннями -6606,1 mas / рік і -39,2 mas / рік).

Класичні теорії гравітації

Див. Також: Теорії гравітації

У зв'язку з тим, що квантові ефекти гравітації надзвичайно малі навіть в самих екстремальних експериментальних і спостережних умовах, до сих пір не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що в переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описомгравітаційної взаємодії.

Існує сучасна канонічна класична теоріягравітації - загальна теорія відносності, і безліч уточнюючих її гіпотез і теорій різного ступеня розробленості, конкуруючих між собою. Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення в рамках того наближення, в якому в даний час здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених або відомих теорій гравітації.

Загальна теорія відносності

У стандартному підході загальної теорії відносності (ЗТВ) гравітація розглядається спочатку не як силове взаємодія, а як прояв викривлення простору-часу. Таким чином, в ОТО гравітація інтерпретується як геометричний ефект, причому простір-час розглядається в рамках неевклідової ріманової (точніше псевдо-ріманової) геометрії. Гравітаційне поле (узагальнення ньютоновского гравітаційного потенціалу), іноді зване також полем тяжіння, в ОТО ототожнюється з тензорним метричних полем - метрикою чотиривимірного простору-часу, а напруженість гравітаційного поля - з афінної зв'язності простору-часу, яка визначається метрикою.

Стандартної завданням ОТО є визначення компонент метричного тензора, в сукупності задають геометричні властивості простору-часу, за відомим розподілом джерел енергії-імпульсу в даній системі чотиривимірних координат. У свою чергу знання метрики дозволяє розраховувати рух пробних частинок, що еквівалентно знанню властивостей поля тяжіння в даній системі. У зв'язку з тензорним характером рівнянь ЗТВ, а також зі стандартним фундаментальним обґрунтуванням її формулювання, вважається, що гравітація також носить тензорний характер. Одним із наслідків є те, що гравітаційне випромінювання має бути не нижче квадрупольного порядку.

Відомо, що в ОТО є труднощі в зв'язку з неінваріантни енергії гравітаційного поля, оскільки дана енергія не описується тензором і може бути теоретично визначена різними способами. У класичній ОТО також виникає проблема опису спін-орбітальної взаємодії (так як спін протяжного об'єкта також не має однозначного визначення). Вважається, що існують певні проблеми з однозначністю результатів і обгрунтуванням несуперечності (проблема гравітаційних сингулярностей).

Однак експериментально ОТО підтверджується до самого останнього часу (2012 рік). Крім того, багато альтернативні ейнштейнівському, але стандартні для сучасної фізики підходи до формулювання теорії гравітації призводять до результату, що збігається з ОТО в низькоенергетичному наближенні, яке тільки і є зараз експериментальної перевірки.

Теорія Ейнштейна - Картана

Теорія Ейнштейна - Картана (ЕК) була розроблена як розширення ОТО, внутрішньо включає в себе опис впливу на простір-час крім енергії-імпульсу також і спина об'єктів. В теорії ЕК вводиться Афінний кручення, а замість псевдорімановим геометрії для простору-часу використовується геометрія Рімана - Картана. В результаті від метричної теорії переходять до аффинной теорії простору-часу. Результуючі рівняння для опису простору-часу розпадаються на два класи. Один з них аналогічний ОТО, з тією відмінністю, що в тензор кривизни включені компоненти з аффінним крутінням. Другий клас рівнянь задає зв'язок тензора кручення і тензора спина матерії і випромінювання. Отримувані поправки до ОТО в умовах сучасної Всесвіту настільки малі, що поки не видно навіть гіпотетичних шляхів для їх вимірювання.

Явище гравітації - це закон всесвітнього тяжіння. Два тіла діють один на одного з силою, яка обернено пропорційна квадрату відстані між ними і прямо пропорційна добутку їх мас.

Математично ми можемо висловити цей великий закон формулою

Тяжіння діє на величезних відстанях у Всесвіті. Але Ньютон стверджував, що взаємно притягуються всі предмети. А чи правда, що будь-які два предмети притягують один одного? Тільки уявіть, відомо, що Земля притягує вас, що сидять на стільці. Але чи замислювалися про те, що комп'ютер і мишка притягують один одного? Або олівець і ручка, що лежать на столі? В цьому випадку в формулу підставляємо масу ручки, масу олівця, ділимо на квадрат відстані між ними, з урахуванням гравітаційної постійної, отримуємо силу їх взаємного тяжіння. Але, вона вийде на стільки маленькою (через маленьких мас ручки й олівця), що ми не відчуваємо її наявність. Інша справа, коли мова йде про Землю і стільці, або Сонце і Землі. Маси значні, а значить дію сили ми вже можемо оцінити.

Згадаймо про прискорення вільного падіння. Це і є дія закону тяжіння. Під дією сили тіло змінює швидкість тим повільніше, чим більше маса. В результаті, все тіла падають на Землю з однаковим прискоренням.

Чим викликана ця невидима унікальна сила? На сьогоднішній день відомо і доведено існування гравітаційного поля. Дізнатися більше про природу гравітаційного поля можна в додатковому матеріалі теми.

Задумайтесь, що таке тяжіння? Звідки воно? Що воно собою являє? Адже не може бути так, що планета дивиться на Сонце, бачить, наскільки воно віддалене, підраховує зворотний квадрат відстані відповідно до цього закону?

Напрямок сили тяжіння

Є два тіла, нехай тіло А і В. Тіло А притягує тіло В. Сила, з якою тіло А впливає, починається на тілі B і спрямована в бік тіла А. Тобто як би "бере" тіло B і тягне до себе. Тіло В "проробляє" те ж саме з тілом А.

Кожне тіло притягається Землею. Земля "бере" тіло і тягне до свого центру. Тому ця сила завжди буде спрямована вертикально вниз, і прикладена вона з центру ваги тіла, називають її силою тяжіння.

головне запам'ятати

1) Закон і формулу;
2) Напрям сили тяжіння

Деякі методи геологічної розвідки, передбачення припливів і останнім часом розрахунок руху штучних супутників і міжпланетних станцій. Завчасне обчислювати координати планет.

Чи можемо ми самі поставити такий досвід, а не гадати, притягуються чи планети, предмети?

Такий прямий досвід зробив Кавендіш (Генрі Кавендіш (1731-1810) - англійський фізик і хімік)за допомогою приладу, який показаний на малюнку. Ідея полягала в тому, щоб підвісити на дуже тонкій кварцової нитки стержень з двома кулями і потім піднести до них збоку дві великі свинцеві кулі. Тяжіння куль злегка перекрутить нитка - злегка, тому що сили тяжіння між звичайними предметами дуже слабкі. За допомогою такого приладу Кавендишу вдалося безпосередньо виміряти силу, відстань і величину обох мас і, таким чином, визначити постійну тяжіння G.

Унікальне відкриття постійної тяжіння G, яка характеризує гравітаційне поле в просторі, дозволила визначити масу Землі, Сонця та інших небесних тіл. Тому Кавендіш назвав свій досвід "зважуванням Землі".

Цікаво, що у різних законів фізики є деякі загальні риси. Звернемося до законів електрики (сила Кулона). Електричні сили також обернено пропорційні квадрату відстані, але вже між зарядами, і мимоволі виникає думка, що в цій закономірності криється глибокий сенс. До сих пір нікому не вдалося представити тяжіння і електрику як два різних прояви однієї і тієї ж сутності.

Сила і тут змінюється обернено пропорційно квадрату відстані, але різниця в величині електричних сил і сил тяжіння разюча. Намагаючись встановити загальну природу тяжіння і електрики, ми виявляємо таке перевагу електричних сил над силами тяжіння, що важко повірити, ніби у тих і у інших один і той же джерело. Як можна говорити, що одне діє сильніше іншого? Адже все залежить від того, яка маса і який заряд. Міркуючи про те, наскільки сильно діє тяжіння, ви не маєте права говорити: "Візьмемо масу такої-то величини", тому що ви вибираєте її самі. Але якщо ми візьмемо те, що пропонує нам сама Природа (її власні числа і заходи, які не мають нічого спільного з нашими дюймами, роками, з нашими заходами), тоді ми зможемо порівнювати. Ми візьмемо елементарну заряджену частинку, таку, наприклад, як електрон. Дві елементарні частинки, два електрона, за рахунок електричного заряду відштовхують один одного з силою, обернено пропорційною квадрату відстані між ними, а за рахунок гравітації притягуються один до одного знову-таки з силою, обернено пропорційною квадрату відстані.

Питання: як ставиться сили тяжіння до електричної силі? Тяжіння відноситься до електричного відштовхування, як одиниця до числа з 42 нулями. Це викликає глибоке здивування. Звідки могло взятися таке величезне число?

Люди шукають цей величезний коефіцієнт в інших явищах природи. Вони перебирають всілякі великі числа, а якщо вам потрібна велика кількість, чому не взяти, скажімо, відношення діаметра Всесвіту до діаметру протона - як не дивно, це теж число з 42 нулями. І ось кажуть: може бути, цей коефіцієнт дорівнює відношенню діаметра протона до діаметру Всесвіту? Це цікава думка, але, оскільки Всесвіт поступово розширюється, повинна змінюватися і постійна тяжіння. Хоча ця гіпотеза ще не спростована, у нас немає ніяких свідоцтв на її користь. Навпаки, деякі дані говорять про те, що постійна тяжіння не змінювалася таким чином. Це величезне число донині залишається загадкою.

Ейнштейну довелося видозмінити закони тяжіння відповідно до принципів відносності. Перший з цих принципів свідчить, що відстань х не можна подолати миттєво, тоді як по теорії Ньютона сили діють миттєво. Ейнштейну довелося змінити закони Ньютона. Ці зміни, уточнення дуже малі. Одне з них полягає ось у чому: оскільки світ має енергію, енергія еквівалентна масі, а все маси притягуються, - світло теж притягується і, отже, проходячи повз Сонця, повинен відхилятися. Так воно і відбувається насправді. Сила тяжіння теж злегка змінена в теорії Ейнштейна. Але цього дуже незначної зміни в законі тяжіння якраз достатньо, щоб пояснити деякі здаються неправильності в русі Меркурія.

Фізичні явища в мікросвіті підкоряються іншим законам, ніж явища в світі великих масштабів. Постає питання: як проявляється тяжіння в світі малих масштабів? На нього відповість квантова теорія гравітації. Але квантової теорії гравітації ще немає. Люди поки не дуже досягли успіху в створенні теорії тяжіння, повністю узгодженої з квантовомеханічними принципами і з принципом невизначеності.