чем обусловлена гравитация земли
Что такое гравитация и как она работает
Что такое гравитация: Freepick
Что такое гравитация и как она работает, узнаем еще в школе. Многие помнят историю о том, как яблоко оказалось на голове Ньютона, в результате чего ученый открыл закон всемирного тяготения. Однако явление гравитации не такое простое, как может показаться на первый взгляд.
Что такое гравитация и история ее открытия
Термин «гравитация» имеет латинское происхождение. Он произошел от слова gravitas, что означает ‘вес’. Также известно слово «гравитировать», которое описывает процесс, когда объекты притягиваются друг к другу. Именно эта сила удерживает нас на Земле, а саму планету удерживает в определенном пространстве Солнечной системы.
Какое дают определение гравитации? Это сила, притягивающая тела друг к другу. Все, что состоит из материи, то есть все, до чего можно дотронуться, обладает гравитационным притяжением. Это и человек, и планета, и яблоко.
Избежать действия гравитационной силы невозможно. Даже на космонавтов, которые в космосе находятся в невесомости, она влияет. Только очень быстрое движение помогает им сохранять постоянное состояние свободного падения.
Пытливое человечество на протяжении тысяч лет интересовалось гравитацией, как пишет в исследовании «Гравитация и Вселенная» Р. Дикке:
Падение предметов и гравитация: Freepick
Прорывом в описании гравитации стал закон всемирного тяготения авторства Исаака Ньютона. Легенда гласит, что на голову ученого с дерева упало яблоко. После этого случая он задумался о силе, которая заставляет предметы падать на землю. Свои мысли Ньютон выразил математически и показал, что:
Движение некоторых планет, например Меркурия, с помощью этого закона классической физики объяснить не удавалось.
Научные поиски продолжились, и позже Эйнштейн, благодаря своей теории общей относительности, изменил взгляды физиков на понятие гравитации. Эта теория объясняет воздействие гравитации не как силу, а как кривую в пространстве-времени, возникающую рядом с крупными объектами. Эти гипотезы помогли объяснить необычную орбиту Меркурия.
Исследования гравитации продолжаются и сейчас, после того как теория относительности объяснила некоторые несоответствия в ньютоновской гравитации. Вселенная предлагает ученым тайны, которые они пока не в силах объяснить. Так, гравитация не сочетается с теорией квантовых полей. Продолжаются исследования того, как эта сила взаимодействует с другими фундаментальными силами.
Изучение гравитации имеет практическое применение. С помощью космических аппаратов НАСА отслеживаются изменения гравитации Земли, благодаря чему ученые фиксируют изменения уровня морей и земной коры.
Принципы работы гравитации и почему она важна
Гравитация имеет очень большое значение. Благодаря этой силе предметы не только удерживаются на Земле, но и имеют вес. На планетах, где гравитационная тяга меньше, вес уменьшится. Гравитация была необходима для создания Вселенной, а сейчас служит стабилизирующей силой:
На то, как работает гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:
Движение Земли: Freepick
На современном этапе развития физики говорят о четырех фундаментальных силах во Вселенной: гравитации, электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях. Эти силы влияют на движение объектов и фактически определяют, как будет взаимодействовать все во Вселенной.
Гравитация считается самой слабой из них, но ее легко увидеть и почувствовать, а по масштабам воздействия она очень влиятельна. Гравитация — фактор, который заставляет людей ходить по Земле, одновременно удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а само Солнце на его месте в Галактике.
Если внезапно по какой-то причине гравитация исчезнет, то все предметы, которые не прикреплены к поверхности Земли, продолжат движение вслед за движением планеты и быстро окажутся на просторах космоса:
Как отмечает сотрудница Портсмутского университета Карен Мастерс, такие процессы в конечном итоге разрушили бы планету, так как не осталось бы силы, которая могла удерживать ее в виде единого целого.
Такова могущественная и загадочная сила — гравитация. Ее воздействие люди испытывают на себе каждую секунду и часто мечтают ее преодолеть. На самом деле без воздействия гравитации наша жизнь оказалась бы невозможной.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Величайшая нерешённая задача современной физики: почему гравитация такая слабая?
Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.
А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!
Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.
С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.
Если вдруг вы читали эту прекрасную книгу автора Лизы Рэндал, она очень много написала про эту загадку, которую я бы назвал величайшей нерешённой проблемой теоретической физики: про проблему иерархии.
Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженные любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10 40 раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10 40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.
При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10 20 раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.
Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10 56 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10 56 протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.
Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?
Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.
Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.
Существует четыре возможных способа, известных мне – то есть, четыре хороших идеи – решения проблемы иерархии. Хорошие новости в том, что если природа выбрала какой-то один из них, то БАК его найдёт! (А если нет, поиски продолжатся).
Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.
Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?
1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.
Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).
Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.
2) Техницвет (Technicolor). Нет, то не система цветового кино из 1950-х, это физический термин для обозначения теорий, требующих новых калибровочных взаимодействий, и либо не имеющих хиггсовских частиц, либо имеющих нестабильные или ненаблюдаемые (т.е. композитные) хиггсовские частицы. Если бы техницвет подтвердился, ему бы тоже потребовался новый и интересный набор наблюдаемых частиц. В принципе, эта система могла бы быть решением нашей проблемы, но недавнее открытие частицы спина ноль на нужном уровне энергии, судя по всему, опровергает это возможное решение. Вот если бы эта хиггсовская частица оказалась бы не фундаментальной, а композитной, сделанной из нескольких фундаментальных, это бы помогло теории остаться приемлемым решением. Будущей проверки на БАК на энергиях в 13-14 ТэВ будет достаточно, чтобы узнать это наверняка.
Есть ещё две возможности, одна из них более многообещающая, но обе они включают дополнительные измерения.
В неё также должен входить дополнительный набор частиц; не суперсимметричных, а частиц Калуцы-Клейна, и это является следствием наличия дополнительных измерений. Кстати, в космическом эксперименте был получен намёк на существование частиц Калуцы-Клейна при энергиях в 600 ГэВ, или с массой в 5 раз больше, чем у Хиггса. И, хотя на текущих коллайдерах такие энергии пока не достигаются, новый БАК должен будет суметь создать такие частицы в изобилии, если они существуют.
Но существование этой новой частицы не гарантировано, поскольку полученный сигнал – всего лишь избыток наблюдавшихся электронов по сравнению с ожидаемым фоном. Но её нужно иметь в виду, поскольку, когда БАК разгонится до максимальных энергий, почти все частицы массой ниже 1000 ГэВ должны будут оказаться в пределах его досягаемости.
Но одним следствием этой модели будет то, что гравитация будет сильно отклоняться от ньютоновской на расстояниях меньше миллиметра, а проверить это очень нелегко. Современные экспериментаторы, тем не менее, уже готовы принять вызов.
Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними порядка микронов. Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.
Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение, которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!
Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.