Что такое гравитация? | Популярный университет

Что такое гравитация?

Что такое гравитация и почему она существует

Гравитация-одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной, наряду с электромагнетизмом и сильными и слабыми ядерными силами. Несмотря на то, что гравитация всепроникающа и важна для того, чтобы вы не оторвались от Земли и не уплыли в открытый космос, она остается в значительной степени загадочной.

Древние ученые, пытаясь описать мир, придумали свои собственные объяснения того, почему вещи падают на землю. Греческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который он считал центром Земли.

Но более поздние светила науки вытеснили нашу планету из ее центрального положения в космосе. Польский ученый Николас Коперник понял, что планеты в небе движутся не хаотично, если представить, что Солнце является центром нашей системы. Британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, когда солнце притягивает планеты, все объекты оказывают друг на друга силу притяжения.

В своем знаменитом трактате 1687 года «Philosophiae naturalis principia mathematica» Ньютон описал то, что теперь называется его законом всемирного тяготения. Обычно он пишется так:

Fg = G (m1 ∙ m2) / r2

Где F — сила тяжести, m1 и m2-массы двух объектов, а r — расстояние между ними. G, гравитационная постоянная, является фундаментальной постоянной, значение которой должно быть обнаружено экспериментально.

Гравитация сильна, но и у нее есть предел

Гравитация — самая слабая из фундаментальных сил. Стержневой магнит будет притягивать скрепку с пола, преодолевая гравитационную силу притяжения Земли. Физики подсчитали, что гравитация в 1040 (это число 1, за которым следует 40 нулей) раз слабее электромагнетизма, сообщает PBS Nova.

В то время как эффекты гравитации ясно видны в масштабе таких вещей, как планеты, звезды и галактики, силу гравитации между повседневными объектами чрезвычайно трудно измерить. В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной.

Кавендиш построил так называемые торсионные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из маленьких шариков он поместил большую сферическую свинцовую гирю. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым грузикам, заставляя проволоку чуть-чуть скручиваться и позволяя ему вычислить G.

Примечательно, что оценка Кавендиша для G была всего на 1% ниже его современного значения 6,674 × 10-11 м3/кг * с2. Большинство других универсальных констант известны с гораздо более высокой точностью, но поскольку гравитация очень слаба, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование, чтобы попытаться измерить ее эффекты. До сих пор физики не смогли получить еще более точного значения G.

Известный физик Альберт Эйнштейн произвел следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, изгибаются чрезвычайно массивными объектами.

Теории Эйнштейна смогла предсказать существование черных дыр — небесных тел с такой массой, что даже свет не может вырваться из них. В окрестности черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона больше не описывает то, как движутся объекты — тут в игру вступают уравнения тензорного поля Эйнштейна.

С тех пор астрономы обнаружили реальные черные дыры в космосе, и им даже удалось сделать фотографию колоссальной черной дыры в центре нашей галактики. Другие телескопы наблюдали косвенные свидетельства существования черных дыр по всей Вселенной.

Тайна силы гравитации

Гравитация ставит ученых в тупик и в другой области. Стандартная модель физики элементарных частиц, которая описывает действия почти всех известных частиц и сил, не учитывает гравитацию. В то время как свет переносится частицей, называемой фотоном, физики понятия не имеют, существует ли эквивалентная гравитации частица, которая называлась бы гравитоном.

Объединение гравитации в теоретических рамках с квантовой механикой, другим крупным открытием физического сообщества XX века, остается незавершенной задачей. Такая теория всего, как она известна, может никогда не стать реальностью.

Но гравитация все еще используется для совершения невероятных открытий. В 1960-х и 70-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд показали, что звезды на краях галактик вращаются быстрее, чем это было бы возможно. Казалось, будто какая-то невидимая масса гравитационно притягивает их, создавая вещество, которое мы теперь называем темной материей.

В последние годы ученым также удалось запечатлеть еще одно следствие теории относительности Эйнштейна — гравитационные волны, испускаемые, когда массивные объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, вращаются друг вокруг друга. С 2017 года Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) открыла новое окно во Вселенную, обнаружив чрезвычайно слабый сигнал таких событий.

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Поделиться