Как работает гравитация и почему она важна
Содержание:
Что такое гравитация
Гравитация (от лат. gravis, «тяжелый») — это сила, которая притягивает два тела друг к другу. Все, что имеет материю, то есть все, к чему можно прикоснуться, имеет также гравитационное притяжение. Гравитация является одной из четырех фундаментальных сил во Вселенной наряду с электромагнетизмом, а также сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Хотя это самая слабая сила, она наиболее видима. Из-за работы гравитационной силы люди могут ходить по Земле, а планеты — вращаться по орбите вокруг Солнца.
Степень гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Таким образом, объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, то все предметы и объекты притягивается к ней. Например, яблоки падают на землю, а не притягиваются, к примеру, к голове человека.
Расстояние также влияет на гравитацию. Чем дальше объект, тем гравитационное притяжение слабее.
Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Древнегреческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который, по его мнению, находился в середине Земли.
Однако поляк Николай Коперник в XVI веке понял, что траектории планет на небе определяются положением Солнца, которое и является центром Солнечной системы. Век спустя британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку Солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.
В наши дни действующей теорией, описывающей гравитацию, является общая теория относительности Эйнштейна.
Классическая теория тяготения Ньютона
Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.
Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.
Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.
Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.
Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.
По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.
Теория гравитации Эйнштейна
В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной. Он построил так называемые крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из шаров физик поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, в результате чего проволока слегка скручивалась. Это явление позволило ему рассчитать величину G.
Примечательно, что оценка Кавендиша для G всего на 1% отличалась от принятого на сегодняшний день значения 6,674 × 10^-11 м^3/кг^1 * с^2. Чтобы получить точное значение, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование.
Немецко-американский 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, преломляются чрезвычайно массивными объектами. В рамках его теории гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы и энергии.
Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных объектов с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не может точно описать, как движутся объекты.
Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила его специальную теорию относительности, которую ученый разработал за десятилетие до этого. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.
В своей специальной теории относительности Эйнштейн определил, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, не движущихся с ускорением, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. В результате он обнаружил, что пространство и время переплетаются, и события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.
Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем попытаться катить шарик по краю батута, он будет двигаться по спирали внутрь к этому объекту.
Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году NASA запустило гравитационный зонд Gravity Probe B. По данным агентства, оси точно откалиброванных гироскопов спутника с течением времени очень незначительно дрейфовали, что соответствует теории Эйнштейна.
Эйнштейн предсказал, что такие события, как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые определила такой сигнал. Гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру. Это произошло, предположительно, 1,3 млрд лет назад.
С тех пор LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.
Чему равна сила гравитации
Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.
Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.
Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.
Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.
Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.
Современное представление о гравитации
Научные исследования в области гравитации продолжаются. Теория относительности Эйнштейна объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; однако открытия в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц показали, что ее нельзя отнести к взаимодействиям в квантовой физике. Проще говоря, эйнштейновская теория не работает в микромире. В связи с этим получило развитие направление «квантовой гравитации» или квантового описания гравитационного взаимодействия.
Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.
В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.
Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.
Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.
Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.
В 1990-х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречит предсказаниям общей теории относительности, согласно которой гравитация должна замедлять расширение. Чтобы объяснить это явление, космологи начали ссылаться на «темную энергию», силу, которая составляет почти три четверти материи и энергии во Вселенной и поэтому раздвигает ее. Но происхождение темной энергии по сей день остается загадкой. Некоторые исследователи пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной без темной энергии, предполагая, что если общая теория относительности неверна, а гравитация ослабевает в космических масштабах. Но до сих пор никто не придумал способ проверить данную теорию.
Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.
Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.
Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.
Как преодолеть гравитацию
Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы объект двигался 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. Чтобы выйти за границу сферы земного притяжения, которая заканчивается на расстоянии около 930 тыс. км от Земли, скорость объекта должна составлять около 16,6 км/с. Это третья космическая скорость.
Если бы не было гравитации
В соответствии с вышеприведенными законами физики на практике такая ситуация невозможна.
Бывший астронавт NASA, физик Джей Баки, отмечает, что наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Когда сила тяжести почти исчезает (например, на борту МКС), организм начинает перестраиваться. За время миссий в космосе члены экипажей кораблей теряют костную массу и мышечный тонус, а также чувство равновесия.
Доктор Кевин Фонг добавляет, что количество эритроцитов в организме падает, что приводит к так называемой космической анемии. При этом раны заживают дольше, а также снижается иммунитет, наблюдаются проблемы со сном. Таким образом, в отсутствие гравитации мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды развивались бы иначе.
Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании предположил, что в отсутствие гравитации Земля начала бы вращаться с большой угловой скоростью как раскручиваемая над головой веревка. Таким образом, любые объекты на планете улетели бы прямо в космос, как и вода с атмосферой. Только укрепленные строения могли бы какое-то время держаться на поверхности Земли.
В конечном счете отсутствие гравитации разрушит саму планету. Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны.
Похожий пример, но с Солнцем, приводит канал Discovery News в своем видео.
Без гравитации не осталось бы ни звезд, ни планет, а Вселенная стала бы смесью рассеянных атомов и молекул.
Возможна ли искусственная гравитация
Когда человек оказывается в космосе, далеко от гравитационных воздействий, испытываемых на поверхности Земли, он переживает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек как бы «плавает» внутри него. В связи с этим возникает вопрос — как создать условия искусственной гравитации, при которых человек сможет не летать, а спокойно ходить по космическому кораблю?
Пока нужный эффект можно получить только через ускорение. В случае с космическим кораблем — заставить его вращаться. Тогда можно можно получить центробежную тягу, как на Земле. Но для путешествия в другую звездную систему придется ускорять корабль по пути туда и замедлять по прибытии обратно. Человеческий организм вряд ли сможет перенести такие нагрузки. Например, чтобы разогнаться до «импульсной скорости» как в фильме «Звездный путь», до нескольких процентов от скорости света, то пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g (единиц ускорения, вызванного гравитацией) в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвращает ток крови в теле человека. В Роскосмосе изучают идею встроенной центрифуги на борту корабля, в которую космонавты смогут периодически заходить, чтобы испытывать силу тяжести и снижать негативные последствия от пребывания в невесомости.
Предполагалось, что искусственная гравитация возможна при отрицательной гравитационной массе, которая, как ожидалось, свойственна антиматерии. Однако Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружила, что инертная масса антипротона («зеркального отражения» протона, который отличается знаками всех характеристик физического взаимодействия) совпадает с массой протона. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, то физики заметили бы разницу. Получается, что действие гравитации на антипротоны и протоны совпадает. Кроме того, в ЦЕРН получили антиводород — первую стабильную форму антиматерии. Но ее изучают, и пока сдвигов в теории антиматерии нет.