Гравитация: какво е, закони на Нютон и обща теория на относителността
Гравитация: разбираемо за ежедневието, законите на Нютон и Общата теория на относителността на Айнщайн — научи как тази сила формира и движи Вселената.
Гравитацията е една от основните сили на Вселената. Тя представлява привличане или притегляне между два обекта с маса. В тази статия ще я разгледаме в три части:
- В ежедневието: силата, която кара предметите да падат на земята
- Законите на Нютон: как гравитацията държи Слънчевата система и повечето големи астрономически обекти заедно
- Общата теория на относителността на Айнщайн: ролята на гравитацията във Вселената
Гравитацията в ежедневието
Най-често гравитацията е това, което виждаме, когато предметите падат на земята. Масата на тялото не зависи от мястото, но силата, с която Земята го привлича (теглото), зависи от гравитационното ускорение g. При повърхността на Земята средната стойност на това ускорение е около g ≈ 9.81 m/s2. Тази стойност леко намалява с надморската височина и варира с географското местоположение.
Важно разграничение: масата е мярка за количеството материя в тялото и не се променя, а теглото е силата, с която гравитацията привлича това тяло. В безтегловност (например на борда на орбитална станция) обектите "плават", защото всички са в състояние на свободно падане под въздействието на една и съща гравитация.
Гравитацията причинява и явления като приливите и отливите: гравитационното привличане на Луната (и в по-малка степен на Слънцето) деформира океаните и предизвиква периодични промени в морското ниво.
Закони на Нютон и класическа гледна точка
Исаак Нютон представя гравитацията като универсална силa. Нютоновият закон за всеобщото привличане гласи, че всяка две масивни тела се привличат с сила, пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:
F = G · (m1 · m2) / r2
Тук G е гравитационната константа, чиято стойност е приблизително 6.674×10−11 N·m2/kg2. Силата е насочена по правата, свързваща центровете на двете тела.
От този закон следват важни резултати: - движението на планетите около Слънцето — Нютон показва, че обратното квадратно отношение води до законите на Кеплер за елиптичните орбити; - скорост на движение в кръгов орбита: v = sqrt(GM/r), където M е масата на централното тяло; - скорост за бягство (escape velocity): v_esc = sqrt(2GM/r).
В класическата теория гравитацията е сила, която действа „на разстояние“. Тя позволява да се смята гравитационният потенциал и гравитационната потенциална енергия: U = −G m1 m2 / r.
Ограничения на Нютоновата теория и преход към Общата теория на относителността
В повечето практични случаи Нютоновата теория дава отлични резултати. Но при много силни гравитационни полета (близо до масивни звезди или черни дупки), при наблюдения на прецесията на перихелия на Меркурий или при експерименти със светлината, поведението не се описва напълно коректно от Нютон. Това води към Общата теория на относителността на Айнщайн.
Общата теория на относителността (ОТО)
Айнщайн предлага радикално различна представа: гравитацията не е сила в класическия смисъл, а резултат от изкривяване (кривина) на пространството и времето (спейс–тайм) от масата и енергията. Масивните тела огъват пространството около себе си и други тела следват най-късите възможни пътища в това изкривено пространство — геодезични линии.
Ключови предсказания и явления според ОТО: - огъване на светлината от масивни обекти (гравитационно линзиране), наблюдавано при звездни затъмнения и използвано за изследване на разпределението на масата в галактики и купове; - време–забавяне и гравитационно изместване на спектрални линии (гравитационен доплеров ефект); - прецесия на орбитите (напр. перихелият на Меркурий) — ОТО дава коректив към нютоновата предсказваща стойност; - гравитационни вълни — вълни от изкривяване на пространство–времето, предизвикани от ускоряващи се масивни тела (напр. сливане на черни дупки или неутронни звезди). Те са директно регистрирани от експерименти като LIGO и Virgo; - черни дупки с хоризонт на събитията — области, от които дори светлината не може да избяга; наскоро получените изображения от Event Horizon Telescope потвърдиха очакваните структури около някои свръхмасиивни обекти; - рамково завъртане (frame-dragging, Lense–Thirring ефект), наблюдавано например чрез мисията Gravity Probe B.
Практически приложения и наблюдения
Гравитацията има ключова роля в астрономията и космонавтиката: планиране на орбити за сателити, междупланетни маневри (гравитационни маневри/слънчеви флангове), моделиране на формирането на галактики и звезди, както и в изучаването на тъмната материя и тъмната енергия, които влияят на големите мащаби на Вселената.
Квантова гравитация и отворени въпроси
Въпреки успехите на ОТО и Нютон, остава нерешен въпросът как да се обедини гравитацията с квантовата теория на полето. Някои теории предсказват съществуването на частици, наречени гравитони, които биха медиирали гравитационното взаимодействие в квантовата рамка, но те все още не са наблюдавани експериментално. Разработват се различни подходи към квантовата гравитация — например теория на струните и квантова гравитация в контекста на loop quantum gravity — но окончателна, проверена теория няма.
Наличието на тъмна материя и тъмна енергия, както и въпросите за сингулярностите (напр. в центровете на черните дупки) и съвместимостта между ОТО и квантовата механика остават сред основните предизвикателства в съвременната физика.
Някои физици смятат, че гравитацията се дължи на гравитони, но все още не са сигурни. Изследванията продължават чрез експерименти, наблюдения на космоса и теоретични разработки, които да изяснят природата на гравитацията на най-дълбоко ниво.
Художествена концепция на гравитационна сонда В, която обикаля около Земята, за да измери пространство-времето - четириизмерно описание на Вселената, включващо височина, ширина, дължина и време.
Ежедневна гравитация
преглед - обсъждане - редактиране
-13 -
-
-12 -
-
-11 -
-
-10 -
-
-9 -
-
-8 -
-
-7 -
-
-6 -
-
-5 -
-
-4 -
-
-3 -
-
-2 -
-
-1 -
-
0 -
Многоклетъчни
живот
←
Най-ранната галактика
←
Квазар / черна дупка
←
Спиралите на Млечния път
←
Звезден куп NGC 188
←
←
Полово размножаване
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.
- Теглото на даден обект е променливо, а масата му е постоянна.
- 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
Въпроси и отговори
В: Какво представлява гравитацията?
О: Гравитацията или гравитацията е една от основните сили на Вселената. Тя е привличане или притегляне между два обекта с маса.
В: Как гравитацията влияе на ежедневието?
О: Гравитацията влияе на ежедневието, тъй като кара предметите да падат на земята поради силата на привличане между два обекта с маса.
В: Какви са законите на Нютон за гравитацията?
О: Законите на Нютон гласят, че гравитацията държи Слънчевата система и повечето големи астрономически обекти заедно.
В: Какво представлява общата теория на относителността на Айнщайн?
О: Общата теория на относителността на Айнщайн гласи, че гравитацията играе роля във Вселената, като влияе върху начина, по който пространството и времето взаимодействат помежду си.
Въпрос: Има ли доказателства за това какво причинява гравитацията?
О: Някои физици смятат, че гравитацията може да се дължи на гравитони, но това все още не е потвърдено.
В: Как гравитацията влияе на пространството и времето?
О: Според общата теория на относителността на Айнщайн гравитацията влияе върху начина, по който пространството и времето взаимодействат помежду си във Вселената.
обискирам