Гравітація - що це таке? Сила гравітації. Гравітація Землі

Людство здавна замислювалося про те, як влаштований навколишній світ. Чому росте трава, чому світить Сонце, чому ми не можемо літати ... Останнє, до речі, завжди особливо цікавило людей. Зараз ми знаємо, що причина всьому - гравітація. Що це таке, і чому дане явище настільки важливо в масштабах Всесвіту, ми сьогодні і розглянемо.

Вступна частина

Вчені з'ясували, що всі масивні тіла відчувають взаємне тяжіння один до одного. Згодом виявилося, що ця таємнича сила обумовлює і рух небесних тіл по їх постійним орбітах. Саму ж теорію гравітації сформулював геніальний Ісаак Ньютон, чиї гіпотези визначили розвиток фізики на багато століть вперед. Розвинув і продовжив (хоча й у зовсім іншому напрямку) це вчення Альберт Ейнштейн - один з найвидатніших умів минулого століття.

Протягом століть вчені спостерігали за тяжінням, намагалися зрозуміти і виміряти його. Нарешті, в останні кілька десятиліть поставлено на службу людству (у певному сенсі, звичайно ж) навіть таке явище, як гравітація. Що це таке, яке визначення розглянутого терміна в сучасній науці?

Наукове визначення

Якщо вивчити праці древніх мислителів, то можна з'ясувати, що латинське слово «gravitas» означає «тяжкість», «тяжіння». Сьогодні вчені так називають універсальне і постійна взаємодія між матеріальними тілами. Якщо ця сила порівняно слабка і діє тільки на об'єкти, які рухаються значно повільніше швидкості світла, то до них застосовна теорія Ньютона. Якщо ж справа йде навпаки, слід користуватися ейнштейнівська висновками.

Відразу обмовимося: в даний час сама природа гравітації до кінця не вивчена в принципі. Що це таке, ми все ще повністю не уявляємо.

Теорії Ньютона і Ейнштейна

Згідно з класичним вченням Ісаака Ньютона, всі тіла притягуються один до одного з силою, прямо пропорційною їхній масі, обернено пропорційною квадрату того відстані, яку пролягає між ними. Ейнштейн ж стверджував, що тяжіння між об'єктами проявляється у випадку викривлення простору і часу (а кривизна простору можлива тільки в тому випадку, якщо в ньому є матерія).

Думка ця була дуже глибокою, але сучасні дослідження доводять її деяку неточність. Сьогодні вважається, що гравітація в космосі викривляє тільки лише простір: час можна загальмувати і навіть зупинити, але реальність зміни форми тимчасової матерії теоретично не підтверджена. А тому класичне рівняння Ейнштейна не передбачає навіть шансу на те, що простір буде продовжувати впливати на матерію і на що виникає магнітне поле.

Більшою мірою відомий закон гравітації (всесвітнього тяжіння), математичне вираження якого належить якраз-таки Ньютону:

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

Під gamma- розуміється гравітаційна стала (іноді використовується символ G), значення якої дорівнює 6,67545-10-11 мsup3 - / (кгmiddot-сsup2-).

Взаємодія між елементарними частинками

Неймовірна складність оточуючого нас простору багато в чому пов'язана з нескінченним безліччю елементарних частинок. Між ними також існують різні взаємодії на тих рівнях, про які ми можемо тільки здогадуватися. Втім, всі види взаємодії елементарних частинок між собою значно різняться за своєю силою.

Найпотужніші з усіх відомих нам сил пов'язують між собою компоненти атомного ядра. Щоб роз'єднати їх, потрібно витратити воістину колосальну кількість енергії. Що ж стосується електронів, то вони «прив'язані» до ядра тільки лише звичайним електромагнітним взаємодією. Щоб його припинити, часом досить тієї енергії, яка з'являється в результаті самої звичайної хімічної реакції. Гравітація (що це таке, ви вже знаєте) у варіанті атомів і субатомних частинок є найбільш легкою різновидом взаємодії.

Гравітаційне поле в цьому випадку настільки слабо, що його важко собі уявити. Як не дивно, але за рухом небесних тіл, чию масу часом неможливо собі уявити, «стежать» саме вони. Все це можливо завдяки двом особливостям тяжіння, які особливо яскраво проявляються у випадку великих фізичних тел:

• На відміну від атомних сил гравітаційне тяжіння більш відчутно на видаленні від об'єкта. Так, гравітація Землі утримує в своєму полі навіть Місяць, а аналогічна сила Юпітера з легкістю підтримує орбіти відразу декількох супутників, маса кожного з яких цілком порівнянна із земною!
• Крім того, воно завжди забезпечує притягання між об'єктами, причому з відстанню ця сила слабшає з невеликою швидкістю.

Формування більш-менш стрункої теорії гравітації відбулося порівняно недавно, і саме за результатами багатовікових спостережень за рухом планет і іншими небесними тілами. Завдання істотно полегшується тим, що всі вони рухаються у вакуумі, де просто немає інших ймовірних взаємодій. Галілей і Кеплер - два видатних астронома того часу, своїми найціннішими спостереженнями допомогли підготувати грунт для нових відкриттів.

Але тільки великий Ісаак Ньютон зміг створити першу теорію гравітації і висловити її в математичному відображенні. Це був перший закон гравітації, математичне відображення якого представлено вище.

Висновки Ньютона і деяких його попередників

На відміну від інших фізичних явищ, які існують в навколишньому світі, гравітація виявляється завжди і скрізь. Потрібно розуміти, що термін «нульова гравітація», який нерідко зустрічається в наукових колах, вкрай некоректний: навіть невагомість в космосі не означає, що на людину або космічний корабель не діє притягання якогось масивного об'єкта.

Крім того, всі матеріальні тіла володіють якоюсь масою, що виражається у вигляді сили, яка до них була прикладена, і прискорення, отриманого за рахунок цього впливу.

Таким чином, сили гравітації пропорційні масі об'єктів. У числовому відношенні їх можна виразити, отримавши твір мас обох аналізованих тел. Дана сила строго підпорядковується зворотній залежності від квадрата відстані між об'єктами. Всі інші взаємодії зовсім інакше залежать від відстаней між двома тілами.

Маса як наріжний камінь теорії

Маса об'єктів стала особливим спірним пунктом, навколо якого вибудувана вся сучасна теорія гравітації і відносності Ейнштейна. Якщо ви пам'ятаєте Другий закон Ньютона, то напевно знаєте про те, що маса є обов'язковою характеристикою будь-якого фізичного матеріального тіла. Вона показує, як буде вести себе об'єкт у разі застосування до нього сили незалежно від її походження.

Так як всі тіла (згідно Ньютону) при впливі на них зовнішньої сили прискорюються, саме маса визначає, наскільки великим буде це прискорення. Розглянемо більш зрозумілий приклад. Уявіть собі самокат і автобус: якщо прикладати до них абсолютно однакову силу, то вони досягнуть різній швидкості за неоднаковий час. Все це пояснює саме теорія гравітації.

Яке взаємини маси і тяжіння?

Якщо говорити про тяжіння, то маса в цьому явищі відіграє роль абсолютно протилежну тій, яку вона відіграє у відношенні сили і прискорення об'єкта. Саме вона є першоджерелом самого тяжіння. Якщо ви візьмете два тіла і подивіться, з якою силою вони притягують третій об'єкт, який розташований на рівних відстанях від перших двох, то відношення всіх сил буде дорівнює відношенню мас перших двох об'єктів. Таким чином, сила тяжіння прямо пропорційна масі тіла.

Якщо розглянути Третій закон Ньютона, то можна переконатися, що він говорить точно про те ж. Сила гравітації, яка діє на два тіла, розташованих на рівній відстані від джерела тяжіння, прямо залежить від маси даних об'єктів. У повсякденному житті ми говоримо про силу, з якою тіло притягається до поверхні планети, як про його вагу.

Підіб'ємо деякі підсумки. Отже, маса тісно пов'язана з силою і прискоренням. У той же час саме вона визначає ту силу, з якою буде діяти на тіло тяжіння.

Особливості прискорення тіл в гравітаційному полі

Ця дивовижна двоїстість є причиною того, що в однаковому гравітаційному полі прискорення абсолютно різних об'єктів буде рівним. Припустимо, що у нас є два тіла. Привласнимо одному з них масу z, а іншому - Z. Обидва об'єкти скинуті на землю, куди вільно падають.

Як визначається відношення сил тяжіння? Його показує найпростіша математична формула - z / Z. Ось тільки прискорення, одержуване ними в результаті дії сили тяжіння, буде абсолютно однаковим. Простіше кажучи, прискорення, яке тіло має в гравітаційному полі, ніяк не залежить від його властивостей.

Від чого залежить прискорення в описаному випадку?

Воно залежить тільки (!) Від маси об'єктів, які і створюють це поле, а також від їх просторового положення. Двоїста роль маси і рівне прискорення різних тіл в гравітаційному полі відкриті вже відносно давно. Ці явища отримали наступну назву: «Принцип еквівалентності». Зазначений термін ще раз підкреслює, що прискорення і інерція найчастіше еквівалентні (певною мірою, звичайно ж).

Про важливість величини G

Зі шкільного курсу фізики ми пам'ятаємо, що прискорення вільного падіння на поверхні нашої планети (гравітація Землі) дорівнює 10 м / сек.sup2- (9,8 зрозуміло, але для простоти розрахунків використовується це значення). Таким чином, якщо не брати в розрахунок опір повітря (на суттєвою висоті при невеликій відстані падіння), то вийде ефект, коли тіло набуває прирощення прискорення в 10 м / сек. щомиті. Так, книга, яка впала з другого поверху будинку, до кінця свого польоту буде рухатися зі швидкістю 30-40 м / сек. Простіше кажучи, 10 м / с - це «швидкість» гравітації в межах Землі.

Прискорення вільного падіння у фізичній літературі позначається буквою «g». Так як форма Землі до певної міри більше нагадує мандарин, ніж куля, значення цієї величини далеко не у всіх її областях виявляється однаковим. Так, у полюсів прискорення вище, а на вершинах високих гір воно стає менше.

Навіть у добувній промисловості не останню роль відіграє саме гравітація. Фізика цього явища часом дозволяє заощадити багато часу. Так, геологи особливо зацікавлені в ідеально точному визначенні g, оскільки це дозволяє з винятковою точністю проводити розвідку і знаходження покладів корисних копалин. До речі, а як виглядає формула гравітації, в якій розглянута нами величина грає не останню роль? Ось вона:

F = G x M1xM2 / R2

Зверніть увагу! У цьому випадку формула гравітації увазі під G «гравітаційну постійну», значення якої ми вже наводили вище.

Свого часу Ньютон сформулював вищевикладені принципи. Він прекрасно розумів і єдність, і загальність сили тяжіння, але всі аспекти цього явища він описати не міг. Ця честь випала на долю Альберта Ейнштейна, який зміг пояснити також принцип еквівалентності. Саме йому людство зобов'язане сучасним розумінням самої природи просторово-часового континууму.

Теорія відносності, роботи Альберта Ейнштейна

За часів Ісаака Ньютона вважалося, що точки відліку можна представити у вигляді якихось жорстких «стрижнів», за допомогою яких встановлюється положення тіла в просторовій системі координат. Одночасно передбачалося, що всі спостерігачі, які відзначають ці координати, знаходитимуться в єдиному часовому просторі. У ті роки це положення вважалося настільки очевидним, що не робилося жодних спроб його оскаржити або доповнити. І це зрозуміло, адже в межах нашої планети ніяких відхилень в даному правилі немає.

Ейнштейн довів, що точність вимірювання виявиться дійсно значущою, якщо гіпотетичні годинник рухаються значно повільніше швидкості світла. Простіше кажучи, якщо один спостерігач, який рухається повільніше швидкості світла, буде стежити за двома подіями, то вони відбудуться для нього одноразово. Відповідно, для другого спостерігача? швидкість якого така ж або більше, події можуть відбуватися в різний час.

Але як сила гравітації пов'язана з теорією відносності? Розкриємо це питання докладно.

Зв'язок між теорією відносності і гравітаційними силами

В останні роки зроблено величезну кількість відкриттів в області субатомних частинок. Міцніє переконання, що ми ось-ось знайдемо остаточну частку, далі якої наш світ дробитися не може. Тим наполегливіше стає потреба дізнатися, як саме впливають на найдрібніші «цеглинки» нашої світобудови ті фундаментальні сили, які були відкриті ще в минулому столітті, а то й раніше. Особливо прикро, що сама природа гравітації досі не пояснена.

Саме тому після Ейнштейна, який встановив «недієздатність» класичної механіки Ньютона у розглянутій області, дослідники зосередилися на повному переосмисленні отриманих раніше даних. Багато в чому перегляду піддалася і сама гравітація. Що це таке на рівні субатомних частинок? Чи має вона хоч якесь значення в цьому дивовижному багатовимірному світі?

Просте рішення?

Спершу багато хто припускав, що невідповідність тяжіння Ньютона і теорії відносності можна пояснити досить просто, провівши аналогії з області електродинаміки. Можна б було припустити, що гравітаційне поле поширюється на зразок магнітного, після чого його можна оголосити «посередником» при взаємодіях небесних тіл, пояснивши багато невідповідності старої і нової теорії. Справа в тому, що тоді б відносні швидкості поширення розглянутих сил виявилися значно нижче світловий. Так як пов'язані гравітація і час?

В принципі, у самого Ейнштейна майже вийшло побудувати релятивістську теорію на основі саме таких поглядів, от тільки одна обставина завадило його наміру. Ніхто з учених того часу не мав взагалі ніякими відомостями, які б могли б допомогти визначити «швидкість» гравітації. Зате було чимало інформації, пов'язаної з переміщеннями великих мас. Як відомо, вони як раз-таки були загальновизнаним джерелом виникнення потужних гравітаційних полів.

Великі швидкості сильно впливають на маси тіл, і це нітрохи не схоже на взаємодію швидкості і заряду. Ніж швидкість вище, тим більше маса тіла. Проблема в тому, що останнє значення автоматично б стало нескінченним у випадку руху зі швидкістю світла або вище. А тому Ейнштейн зробив висновок, що існує не гравітаційне, а тензорне поле, для опису якого слід використовувати набагато більше змінних.

Його послідовники прийшли до висновку, що гравітація і час практично не пов'язані. Справа в тому, що саме це тензорне поле може діяти на простір, але на час вплинути не в змозі. Втім, у геніального фізика сучасності Стівена Хокінга є інша точка зору. Але це вже зовсім інша історія ...