Гравітацыя - што гэта такое? Сіла гравітацыі. гравітацыя Зямлі

Чалавецтва спрадвеку задумвалася пра тое, як уладкованы навакольны свет. Чаму расце трава, чаму свеціць Сонца, чаму мы не можам лётаць ... Апошняе, дарэчы, заўсёды асабліва цікавіла людзей. Зараз мы ведаем, што прычына ўсяго - гравітацыя. Што гэта такое, і чаму дадзенае з'ява настолькі важна ў маштабах Сусвету, мы сёння і разгледзім.

Уступная частка

Навукоўцы высветлілі, што ўсе масіўныя цела адчуваюць ўзаемнае прыцягненне адзін да аднаго. Пасля аказалася, што гэтая таямнічая сіла абумоўлівае і рух нябесных тэл па іх сталым арбітах. Саму ж тэорыю гравітацыі сфармуляваў геніяльны Язэп Ньютон, чые гіпотэзы прадвызначылі развіццё фізікі на шмат стагоддзяў наперад. Развіў і працягнуў (хоць і ў зусім іншым кірунку) гэта вучэнне Альберт Эйнштэйн - адзін з найвялікшых розумаў мінулага стагоддзя.

На працягу стагоддзяў навукоўцы назіралі за прыцягненнем, спрабавалі зразумець і вымераць яго. Нарэшце, у апошнія некалькі дзесяцігоддзяў пастаўлена на службу чалавецтву (у пэўным сэнсе, вядома ж) нават такая з'ява, як гравітацыя. Што гэта такое, якое вызначэнне разгляданага тэрміна ў сучаснай навуцы?

навуковае вызначэнне

Калі вывучыць працы старажытных мысляроў, то можна высветліць, што лацінскае слова «gravitas» азначае «цяжар», «прыцягненне». Сёння навукоўцы так называюць універсальны і пастаяннае ўзаемадзеянне паміж матэрыяльнымі целамі. Калі гэтая сіла параўнальна слабая і дзейнічае толькі на аб'екты, якія рухаюцца значна павольней хуткасці святла, то да іх дастасоўная тэорыя Ньютана. Калі ж справа ідзе наадварот, варта карыстацца эйнштейновской высновамі.

Адразу абмовімся: у цяперашні час сама прырода гравітацыі да канца не вывучана ў прынцыпе. Што гэта такое, мы ўсё яшчэ цалкам не ўяўляем.

Тэорыі Ньютана і Эйнштэйна

Згодна з класічнаму вучэння Ісаака Ньютана, усе целы прыцягваюцца адзін да аднаго з сілай, прама прапарцыянальнай іх масе, назад прапарцыйнай квадрату таго адлегласці, якое пралягае паміж імі. Эйнштэйн жа сцвярджаў, што прыцягненне паміж аб'ектамі праяўляецца ў выпадку скрыўлення прасторы і часе (а крывізна прасторы магчымая толькі ў тым выпадку, калі ў ім маецца матэрыя).

Думка гэтая была вельмі глыбокай, але сучасныя даследаванні даказваюць яе некаторую недакладнасць. Сёння лічыцца, што гравітацыя ў космасе перакрыўляць толькі толькі прастора: час можна затармазіць і нават спыніць, але рэальнасць змены формы часовай матэрыі тэарэтычна не пацверджана. А таму класічнае раўнанне Эйнштэйна не прадугледжвае нават шанцу на тое, што прастора будзе працягваць уплываць на матэрыю і на якое ўзнікае магнітнае поле.

У большай ступені вядомы закон гравітацыі (сусветнага прыцягнення), матэматычнае выраз якога належыць якраз-такі Ньютану:

\ [F = γ \ frac [-1.2] {m_1 m_2} {r ^ 2} \]

Пад γ разумеецца гравітацыйная пастаянная (часам выкарыстоўваецца сімвал G), значэнне якой роўна 6,67545 × 10-11 м³ / (кг · с²).

Ўзаемадзеянне паміж элементарнымі часціцамі

Неверагодная складанасць навакольнага нас прасторы шмат у чым звязана з бясконцым мноствам элементарных часціц. Паміж імі таксама існуюць розныя ўзаемадзеяння на тых узроўнях, пра якія мы можам толькі здагадвацца. Зрэшты, усе віды ўзаемадзеяння элементарных часціц паміж сабой значна адрозніваюцца па сваёй сіле.

Самыя магутныя з усіх вядомых нам сіл звязваюць паміж сабой кампаненты атамнага ядра. Каб раз'яднаць іх, трэба выдаткаваць сапраўды каласальная колькасць энергіі. Што ж тычыцца электронаў, то яны «прывязаныя» да ядра толькі толькі звычайным электрамагнітным узаемадзеяннем. Каб яго спыніць, часам досыць той энергіі, якая з'яўляецца ў выніку самай звычайнай хімічнай рэакцыі. Гравітацыя (што гэта такое, вы ўжо ведаеце) у варыянце атамаў і субатомных часціц з'яўляецца найбольш лёгкай разнавіднасцю ўзаемадзеяння.

Гравітацыйнае поле ў гэтым выпадку настолькі слаба, што яго цяжка сабе ўявіць. Як ні дзіўна, але за рухам нябесных тэл, чыю масу часам немагчыма сабе ўявіць, «сочаць» менавіта яны. Усё гэта магчыма дзякуючы двум асаблівасцям прыцягнення, якія асабліва ярка выяўляюцца ў выпадку вялікіх фізічных тэл:

• У адрозненне ад атамных сіл гравітацыйнае прыцягненне больш адчувальна на выдаленні ад аб'екта. Так, гравітацыя Зямлі ўтрымлівае ў сваім полі нават Месяц, а аналагічная сіла Юпітэра з лёгкасцю падтрымлівае арбіты адразу некалькіх спадарожнікаў, маса кожнага з якіх цалкам супастаўная з зямной!
• Акрамя таго, яно заўсёды забяспечвае прыцягненне паміж аб'ектамі, прычым з адлегласцю гэтая сіла слабее з невялікай хуткасцю.

Фарміраванне больш-менш стройнай тэорыі гравітацыі адбылося параўнальна нядаўна, і менавіта па выніках шматвяковых назіранняў за рухам планет і іншымі нябеснымі целамі. Задача істотна палягчалася тым, што ўсе яны рухаюцца ў вакууме, дзе проста няма іншых верагодных узаемадзеянняў. Галілей і Кеплер - два выдатных астранома таго часу, сваімі найкаштоўнымі назіраннямі дапамаглі падрыхтаваць глебу для новых адкрыццяў.

Але толькі вялікі Язэп Ньютан змог стварыць першую тэорыю гравітацыі і выказаць яе ў матэматычным адлюстраванні. Гэта быў першы закон гравітацыі, матэматычнае адлюстраванне якога прадстаўлена вышэй.

Высновы Ньютана і некаторых яго папярэднікаў

У адрозненне ад іншых фізічных з'яў, якія існуюць у навакольным нас міры, гравітацыя праяўляецца заўсёды і ўсюды. Трэба разумець, што тэрмін «бязважкасьць», які нярэдка сустракаецца ў калянавуковых колах, вельмі некарэктны: нават бязважкасць ў космасе не азначае, што на чалавека або касмічны карабель не дзейнічае прыцягненне нейкага масіўнага аб'екта.

Акрамя таго, усе матэрыяльныя цела валодаюць нейкай масай, якая выяўляецца ў выглядзе сілы, якая да іх была прыкладзеная, і паскарэння, атрыманага за кошт гэтага ўздзеяння.

Такім чынам, сілы гравітацыі прапарцыйныя масе аб'ектаў. У лікавым дачыненні да іх можна выказаць, атрымаўшы твор мас абодвух разгляданых тэл. Дадзеная сіла строга падпарадкоўваецца зваротнай залежнасці ад квадрата адлегласці паміж аб'ектамі. Усе іншыя ўзаемадзеяння зусім інакш залежаць ад адлегласцяў паміж двума целамі.

Маса як краевугольны камень тэорыі

Маса аб'ектаў стала асаблівым спрэчным пунктам, вакол якога выбудаваная ўся сучасная тэорыя гравітацыі і адноснасці Эйнштэйна. Калі вы памятаеце Другі закон Ньютана, то напэўна ведаеце аб тым, што маса з'яўляецца абавязковай характарыстыкай любога фізічнага матэрыяльнага цела. Яна паказвае, як будзе паводзіць сябе аб'ект у выпадку прымянення да яго сілы па-за залежнасці ад яе паходжання.

Так як усе целы (паводле Ньютану) пры ўздзеянні на іх знешняй сілы паскараюцца, менавіта маса вызначае, наколькі вялікім будзе гэта паскарэнне. Разгледзім больш зразумелы прыклад. Уявіце сабе самакат і аўтобус: калі прыкладаць да іх зусім аднолькавую сілу, то яны дасягнуць рознай хуткасці за неаднолькавае час. Усё гэта тлумачыць менавіта тэорыя гравітацыі.

Якое узаемаадносіны масы і прыцягнення?

Калі казаць пра прыцягненні, то маса ў гэтай з'яве гуляе ролю зусім процілеглы той, якую яна гуляе ў дачыненні да сілы і паскарэння аб'екта. Менавіта яна з'яўляецца першакрыніцай самога прыцягнення. Калі вы возьмеце два целы і паглядзіце, з якой сілай яны прыцягваюць трэці аб'ект, які размешчаны на роўных адлегласцях ад першых двух, то стаўленне усіх сіл будзе роўна адносінах мас першых двух аб'ектаў. Такім чынам, сіла прыцягнення прама прапарцыйная масе цела.

Калі разгледзець Трэці закон Ньютана, то можна пераканацца, што ён кажа дакладна пра тое ж. Сіла гравітацыі, якая дзейнічае на два целы, размешчаных на роўнай адлегласці ад крыніцы прыцягнення, прама залежыць ад масы гэтых аб'ектаў. У паўсядзённым жыцці мы гаворым пра сілу, з якой цела прыцягваецца да паверхні планеты, як аб яго вазе.

Падвядзем некаторыя вынікі. Такім чынам, маса цесна звязана з сілай і паскарэннем. У той жа час менавіта яна вызначае тую сілу, з якой будзе дзейнічаць на цела прыцягненне.

Асаблівасці паскарэння тэл ў гравітацыйным полі

Гэтая дзіўная дваістасць з'яўляецца прычынай таго, што ў аднолькавым гравітацыйным полі паскарэнне зусім розных аб'ектаў, будзе роўная. Выкажам здагадку, што ў нас ёсць два целы. Прысвоім аднаму з іх масу z, а другому - Z. Абодва аб'екта скінутыя на зямлю, куды вольна падаюць.

Як вызначаецца стаўленне сіл прыцягнення? Яго паказвае найпростая матэматычная формула - z / Z. Вось толькі паскарэнне, якое атрымліваецца імі ў выніку дзеяння сілы прыцягнення, будзе абсалютна аднолькавым. Прасцей кажучы, паскарэнне, якое цела мае ў гравітацыйным полі, ніяк не залежыць ад яго уласцівасцяў.

Ад чаго залежыць паскарэнне ў апісаным выпадку?

Яно залежыць толькі (!) Ад масы аб'ектаў, якія і ствараюць гэта поле, а таксама ад іх прасторавага становішча. Дваістая ролю масы і роўнае паскарэнне розных тэл ў гравітацыйным полі адкрыты ўжо адносна даўно. Гэтыя з'явы атрымалі наступнае назва: «Прынцып эквівалентнасці». Ўказаны тэрмін яшчэ раз падкрэслівае, што паскарэнне і інерцыя часцяком эквівалентныя (у вядомай меры, вядома ж).

Пра важнасць велічыні G

Са школьнага курсу фізікі мы памятаем, што паскарэнне вольнага падзення на паверхні нашай планеты (гравітацыя Зямлі) роўна 10 м / сек.² (9,8 зразумела, але для прастаты разлікаў выкарыстоўваецца гэта значэнне). Такім чынам, калі не прымаць у разлік супраціў паветра (на істотнай вышыні пры невялікай адлегласці падзення), то атрымаецца эфект, калі цела набывае прырашчэнне паскарэння ў 10 м / сек. штосекундна. Так, кніга, якая ўпала з другога паверха дома, да канца свайго палёту будзе рухацца з хуткасцю 30-40 м / сек. Прасцей кажучы, 10 м / с - гэта «хуткасць» гравітацыі ў межах Зямлі.

Паскарэнне вольнага падзення ў фізічнай літаратуры пазначаецца літарай «g». Так як форма Зямлі ў вядомай ступені больш нагадвае мандарын, чым шар, значэнне гэтай велічыні далёка не ва ўсіх яе галінах аказваецца аднолькавым. Так, у палюсоў паскарэнне вышэй, а на вяршынях высокіх гор яно становіцца менш.

Нават у здабыўной прамысловасці не апошнюю ролю адыгрывае менавіта гравітацыя. Фізіка гэтага з'явы часам дазваляе зэканоміць шмат часу. Так, геолагі асабліва зацікаўлены ў ідэальна дакладнай вызначэнні g, паколькі гэта дазваляе з выключнай дакладнасцю вырабляць разведку і знаходжанне пакладаў карысных выкапняў. Дарэчы, а як выглядае формула гравітацыі, у якой разгледжаная намі велічыня гуляе не апошнюю ролю? Вось яна:

F = G x M1xM2 / R2

Звярніце ўвагу! У гэтым выпадку формула гравітацыі мае на ўвазе пад G «гравітацыйную пастаянную», значэнне якой мы ўжо прыводзілі вышэй.

У свой час Ньютан сфармуляваў вышэйпададзеныя прынцыпы. Ён выдатна разумеў і адзінства, і усеагульнасць сілы прыцягнення, але ўсе аспекты гэтай з'явы ён апісаць не мог. Гэтая гонар выпала на долю Альберта Эйнштэйна, які змог растлумачыць таксама прынцып эквівалентнасці. Менавіта яму чалавецтва абавязана сучасным разуменнем самой прыроды прасторава-часавага кантынууму.

Тэорыя адноснасці, працы Альберта Эйнштэйна

У часы Ісаака Ньютана лічылася, што кропкі адліку можна прадставіць у выглядзе якіх-небудзь жорсткіх «стрыжняў», пры дапамозе якіх усталёўваецца становішча цела ў прасторавай сістэме каардынатаў. Адначасова меркавалася, што ўсе назіральнікі, якія адзначаюць гэтыя каардынаты, будуць знаходзіцца ў адзіным часавай прасторы. У тыя гады гэта становішча лічылася настолькі відавочным, што не рабілася ніякіх спробаў яго аспрэчыць або дапоўніць. І гэта зразумела, бо ў межах нашай планеты ніякіх адхіленняў у дадзеным правіле няма.

Эйнштэйн даказаў, што дакладнасць вымярэння апынецца сапраўды значнай, калі гіпатэтычныя гадзіны рухаюцца значна павольней хуткасці святла. Прасцей кажучы, калі адзін назіральнік, які рухаецца павольней хуткасці святла, будзе сачыць за двума падзеямі, то яны адбудуцца для яго адначасова. Адпаведна, для другога назіральніка? хуткасць якога такая ж ці больш, падзеі могуць адбывацца ў розны час.

Але як сіла гравітацыі звязана з тэорыяй адноснасці? Раскрыем гэтае пытанне падрабязна.

Сувязь паміж тэорыяй адноснасці і гравітацыйнымі сіламі

У апошнія гады зроблена велізарная колькасць адкрыццяў у галіне субатомных часціц. Мацнее перакананне, што мы вось-вось знойдзем канчатковую часціцу, далей якой наш свет крышыцца не можа. Тым больш настойліва становіцца патрэба даведацца, як менавіта ўплываюць на драбнюткія «цаглінкі» нашага светабудовы тыя фундаментальныя сілы, якія былі адкрыты яшчэ ў мінулым стагоддзі, а то і раней. Асабліва крыўдна, што сама прырода гравітацыі да гэтага часу не патлумачаная.

Менавіта таму пасля Эйнштэйна, які ўсталяваў «недзеяздольнасць» класічнай механікі Ньютана ў разгляданай вобласці, даследчыкі засяродзіліся на поўным пераасэнсавання атрыманых раней дадзеных. Шмат у чым перагляду падвергнулася і сама гравітацыя. Што гэта такое на ўзроўні субатомных часціц? Ці мае яна хоць нейкае значэнне ў гэтым дзіўным шматмернага свеце?

Простае рашэнне?

Спярша многія меркавалі, што неадпаведнасць прыцягнення Ньютана і тэорыі адноснасці можна растлумачыць даволі проста, правёўшы аналогіі з вобласці электрадынамікі. Можна б было выказаць здагадку, што гравітацыйнае поле распаўсюджваецца накшталт магнітнага, пасля чаго яго можна абвясьціць «пасярэднікам» пры ўзаемадзеянні нябесных тэл, патлумачыўшы многія неадпаведнасці старой і новай тэорыі. Справа ў тым, што тады б адносныя хуткасці распаўсюджвання разгляданых сіл апынуліся значна ніжэй светлавой. Так як звязаны гравітацыя і час?

У прынцыпе, у самога Эйнштэйна амаль атрымалася пабудаваць рэлятывісцкай тэорыі на аснове менавіта такіх поглядаў, вось толькі адна акалічнасць перашкодзіла яго намеру. Ніхто з навукоўцаў таго часу не размяшчаў наогул ніякімі звесткамі, якія б маглі б дапамагчы вызначыць «хуткасць» гравітацыі. Затое мелася нямала інфармацыі, звязанай з перасоўваннямі вялікіх мас. Як вядома, яны як раз-такі з'яўляліся агульнапрызнаным крыніцай ўзнікнення магутных гравітацыйных палёў.

Вялікія хуткасці моцна ўплываюць на масы тэл, і гэта ані не падобна на ўзаемадзеянне хуткасці і зарада. Чым хуткасць вышэй, тым больш маса цела. Праблема ў тым, што апошняе значэнне аўтаматычна б стала бясконцым у выпадку руху з хуткасцю святла або вышэй. А таму Эйнштэйн сказаў на заканчэнне, што існуе не гравітацыйнае, а тэнзарнае поле, для апісання якога варта выкарыстоўваць нашмат больш зменных.

Яго паслядоўнікі прыйшлі да высновы, што гравітацыя і час практычна не звязаныя. Справа ў тым, што сама гэта тэнзарнае поле можа дзейнічаць на прастору, але на час паўплываць не ў стане. Зрэшты, у геніяльнага фізіка сучаснасці Стывена Хокінга ёсць іншы пункт гледжання. Але гэта ўжо зусім іншая гісторыя ...