Гравитация | една от фундаменталните сили на Вселената

Ежедневна гравитация

Тегло спрямо маса

В ежедневието казваме, че нещата падат, защото ги привлича земната гравитация. Говорим така, сякаш теглото ни е "дадено". Всъщност теглото се променя, когато се променя силата на гравитацията. Луната е много по-малка и гравитационното привличане на Луната е около 1/6 от това на Земята. Така че всеки обект на Луната тежи 1/6 от теглото си на Земята. Това, което не се променя, е количеството вещество в обекта. Това се нарича запазване на масата. На Земята масата и теглото са едни и същи за повечето цели, въпреки че чувствителен гравиметър може да открие разликата. Разликата може да бъде много различна в друг свят, например на Луната.

От това научаваме две неща.

1. Теглото на даден обект е променливо, а масата му е постоянна.
2. Привличането на гравитацията варира в зависимост от масата на обекта. Земята има по-силно привличане от Луната. Човекът също упражнява гравитационно привличане, но то е толкова малко, че може да се пренебрегне за всички практически цели.

Земята има маса. Всяка частица материя има маса. Така че Земята привлича всеки предмет и човек, а те привличат Земята. Тази сила на привличане се нарича "гравитация" и придава тегло.

Гравитация срещу гравитация

Тези думи означават почти едно и също нещо в ежедневната употреба. Понякога учените използват "гравитация" за силата, която привлича обектите един към друг, и "гравитация" за теорията за привличането.

 

Гравитационна теория

Галилео

Според един от учениците му Галилео прави известен експеримент за гравитацията, при който пуска топки от кулата в Пиза. По-късно той търкаля топките по наклони. С тези експерименти Галилей показал, че гравитацията ускорява всички обекти с еднаква скорост, независимо от теглото им.

Kepler

Йоханес Кеплер изучава движението на планетите. През 1609 г. и 1616 г. той публикува трите си закона, определящи формата на орбитите им и скоростта им по тези орбити, но не открива защо те се движат по този начин.

Нютон

През 1687 г. английският математик Исак Нютон написва "Принципи". В тази книга той пише за закона за гравитацията на обратния квадрат. Следвайки идеята, която отдавна е била обсъждана от други автори, Нютон твърди, че колкото по-близо един до друг са два обекта, толкова по-силно ще им въздейства гравитацията.

Според закона на Нютон за всеобщата гравитация гравитацията е сила между два обекта с маса. Три числа влияят на нейната сила: масата на всеки обект и разстоянието между тях. Тези два обекта ще се притеглят един към друг с еднаква сила. Силата обаче има по-голямо въздействие върху обекти с по-малка маса. Силата между Слънцето и Земята кара Земята да обикаля около Слънцето, но тя премества Слънцето само малко.

По-късно законите на Нютон са използвани, за да се предскаже съществуването на планетата Нептун въз основа на промените в орбитата на Уран, както и за да се предскаже съществуването на друга планета, която е по-близо до Слънцето от Меркурий. Когато това било направено, се разбрало, че теорията му не е напълно правилна. Тези грешки в теорията му са поправени от общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Теорията на Нютон все още се използва често за много неща, защото е по-проста и е достатъчно точна за много приложения.

Динамично равновесие

Защо Земята не пада в Слънцето? Отговорът е прост, но много важен. Защото Земята, която се движи около Слънцето, е в динамично равновесие. Скоростта на движение на Земята създава центробежна сила, която уравновесява гравитационната сила между Слънцето и Земята. Защо Земята продължава да се върти? Защото няма сила, която да я спре.

Първият закон на Нютон: "Ако едно тяло е в покой, то остава в покой, а ако е в движение, то се движи със същата скорост, докато не бъде въздействано от външна сила".

Съществува аналогия между центробежната и гравитационната сила, която води до "принципа на еквивалентност" на общата теория на относителността.

Безтегловност

При свободно падане движението на обекта балансира силата на гравитацията, която го привлича. Това се отнася и за движението в орбита.

 
Законът на Нютон за всемирното притегляне.  

Обща теория на относителността

Специалната теория на относителността описва системи, в които гравитацията не е проблем; за разлика от нея гравитацията е основният проблем на общата теория на относителността.

В общата теория на относителността няма гравитационна сила, която да отклонява обектите от естествените им прави пътища. Вместо това гравитацията се разглежда като промени в свойствата на пространството и времето. Това от своя страна променя най-прекия възможен път, който обектите естествено следват. Изкривяването на свой ред се дължи на енергийния момент на материята. Пространството-време подсказва на материята как да се движи; материята подсказва на пространството-време как да се изкривява.

При слаби гравитационни полета и ниски скорости спрямо скоростта на светлината предсказанията на теорията се доближават до тези на закона на Нютон за всеобщата гравитация. Уравненията на Нютон се използват за планиране на пътуванията в нашата Слънчева система.

Общата теория на относителността има редица физически последствия.

Разширение на времето и изместване на честотата

Гравитацията оказва влияние върху хода на времето. Светлината, изпратена надолу в гравитационен кладенец, се премества в синьо, докато светлината, изпратена в обратна посока (т.е. изкачваща се от гравитационния кладенец), се премества в червено; тези два ефекта са известни като гравитационно честотно изместване.

По-общо казано, процесите, протичащи в близост до масивно тяло, протичат по-бавно в сравнение с процесите, протичащи на по-голямо разстояние; този ефект е известен като гравитационно забавяне на времето.

Отклонение на светлината и гравитационно забавяне на времето

Общата теория на относителността предсказва, че пътят на светлината се огъва в гравитационно поле; светлината, преминаваща покрай масивно тяло, се отклонява към него. Този ефект е потвърден чрез наблюдение на светлината на звезди или далечни квазари, която се отклонява при преминаването ѝ покрай Слънцето.

Тясно свързано с отклонението на светлината е гравитационното забавяне (или забавянето на Шапиро) - явлението, при което светлинните сигнали се движат по-дълго през гравитационно поле, отколкото биха се движили при липса на такова поле. Проведени са множество успешни тестове на това предсказание.

Параметър, наречен γ, кодира влиянието на гравитацията върху геометрията на пространството.

Гравитационни вълни

Гравитационните вълни са пулсации в кривината на пространство-времето. Те се движат като вълна, която се разпространява навън от източника. Айнщайн ги предсказва през 1915 г. въз основа на своята обща теория на относителността. На теория гравитационните вълни пренасят енергия като гравитационно излъчване. Източници на откриваеми гравитационни вълни могат да бъдат двойни звездни системи, съставени от бели джуджета, неутронни звезди или черни дупки. В общата теория на относителността гравитационните вълни не могат да се разпространяват със скорост, по-голяма от тази на светлината.

Нобеловата награда за физика за 1993 г. е присъдена за измерванията на двойната звездна система на Хълс-Тейлър. Тези измервания показват, че гравитационните вълни са нещо повече от математически особености.

На 11 февруари 2016 г. екипите на LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration обявиха, че са направили първото наблюдение на гравитационни вълни, произлизащи от двойка сливащи се черни дупки, с помощта на усъвършенстваните детектори LIGO. На 15 юни 2016 г. беше обявено второ откриване на гравитационни вълни от сливащи се черни дупки. Освен LIGO в процес на изграждане са и много други обсерватории (детектори) за гравитационни вълни.

 
Схематично представяне на гравитационното червено отместване на светлинна вълна, която се отделя от повърхността на масивно тяло  


Отклонение на светлината (изпратена от мястото, показано в синьо) в близост до компактно тяло (показано в сиво)  

Свързани страници

• Скорост на бягство
• Обща теория на относителността
• Законите за движение на Нютон