Четыре фундаментальные силы вселенной (и их характеристики)

Интересно, что гравитация — это всего лишь теория, не закон

Этот зонд исследует Вселенную с 1977 года

Гравитация не имеет ничего общего с научными законами. Если ввести в любой поисковик слово «гравитация», то вы увидите бесчисленное количество статей о законе гравитации. На самом деле понятия «закон» и «теория» в научном мире имеют существенные различия. Закон основывается на определённых данных результатов фактических исследований. Теория — это некая идея, которая объясняет существование того или иного явления. Разобравшись в этих понятиях, становится понятно, почему гравитацию нельзя назвать законом. На данный момент учёные не могут измерить её воздействие на каждое небесное тело. Вояджер-1 (автоматический зонд, исследующий Солнечную систему и её окрестности) исследовал Солнечную систему на расстоянии примерно 21 млрд км от Земли и даже ненадолго вышел за её пределы. Вояджер-1 находится «в командировке» уже 40 лет, но Вселенная слишком огромна, чтобы исследовать её досконально.

Гравитационное излучение

Экспериментально измеренное уменьшение периода обращения двойного пульсара PSR B1913+16 (синие точки) с высокой точностью соответствует предсказаниям ОТО по гравитационному излучению (чёрная кривая).

нейтронные звездыпульсаре

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n-польного источника пропорциональна , если мультиполь имеет электрический тип, и  — если мультиполь магнитного типа, где v — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c — скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где  — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа  (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» республики Татарстан.

Гравитоны

Учёные предполагают, что существует единица гравитации

Всё, чему нас учат в школе, что гравитация — это сила притяжения, но так ли это? Если представить саму гравитацию как частицу и назвать её гравитон (или квант гравитационного поля), то получится, что силу притяжения формируют гравитоны. Правда физики не смогли подтвердить существование этих частиц, но зато есть много оснований, почему они должны существовать. Первая причина в том, что гравитация всего лишь сила (одна из четырёх основных природных сил), и основной её элемент не может быть определён. Даже если гравитоны и существуют, определить их очень трудно. Физики чисто теоретически предполагают, что гравитационные волны состоят из гравитонов. Гравитационные волны обнаружить достаточно просто, достаточно создать отражение лучей света в зеркалах и увидеть их расщепление. Но такой метод не подойдёт для определения изменения дистанции между гравитонами.

Законы Ньютона и их недостаток

Все во Вселенной притягивается друг к другу: камень к камню, атом к атому и даже человек к человеку. Но мы этого не замечаем, потому что величина силы притяжения очень невелика. В конце XVIII века ее взялся измерить английский ученый Генри Кавендиш. У него была установка, которую можно представить себе так: два малых тела, подвешенные на коромысле, защищены от влияния воздуха, но испытывают влияние двух больших тел — шаров

Их можно осторожно приближать и видеть, как малые тела откликаются на это поворотом нити, на которой подвешено коромысло. Результат этого измерения — интенсивность гравитационного взаимодействия в числах — вас не впечатлит

Каждый из нас притягивается к другому на расстоянии около 10 см с силой в 15 млн раз меньше, чем наше притяжение к Земле. Вот почему мы не слипаемся, словно шарики на просторной улице. Но есть мощная гравитация, которую мы замечаем: это притяжение к Земле, или сила тяжести.

Гениальный Исаак Ньютон угадал правило, по которому определяется сила гравитационного притяжения между двумя телами. Для расчета нужно знать массы тел и расстояние между ними. Этот закон традиционно называется законом всемирного тяготения. По нему можно узнать, как гравитация зависит от расстояния. Она ослабевает по вполне определенному математическому закону: в два раза дальше означает в четыре раза слабее, в три раза дальше — слабее уже в девять раз, ну а в десять раз дальше — в 100 раз слабее.

С помощью законов Ньютона рассчитываются орбиты космических кораблей, предсказываются появление планет и приближение астероидов, определяются даты всех будущих и прошлых солнечных и лунных затмений. В 1846 году, благодаря закону Ньютона, математик Леверье открыл неизвестную планету в Солнечной системе — Нептун — как недостающий источник гравитации, влияющий на движение другой, известной тогда планеты Уран.

У этого всеобщего, всемирного, универсального закона Ньютона есть одна серьезная проблема. В законе тяготения сила притяжения передается как будто мгновенно через пустоту. Природа вряд ли устроена таким образом, догадывался ученый. Но кроме теоретических сомнений предложить ничего не мог. К середине XIX века выявилось недоразумение, поставившее многих ученых в тупик: оказалась, что самая ближняя к Солнцу планета Меркурий летает не по законам Ньютона.

Меркурий вращается вокруг Солнца не точно по эллипсу, как это должно быть: его орбита медленно поворачивается как целое. Когда астрономы учли все известные причины для такого поведения, остался необъясненный поворот на 4 угловые секунды за столетие. Малое, но упрямое нарушение.

Интересные факты о гравитации

Гравитация неодинакова даже на Земле

Даже на Земле гравитация не всегда одинакова, поскольку наша планета на самом деле не является идеальной сферой, то и масса её распределена неравномерно, а неравномерная масса означает неравномерную силу тяжести.

Одна из таинственных гравитационных аномалий наблюдается в районе Гудзонова залива в Канаде. Эта область имеет более низкую плотность по сравнению с другими регионами планеты, а исследование 2007-го года показало, что причина тому — в постепенном таянии ледников.

Лёд, который покрывал эту область во время последнего ледникового периода, уже давно растаял, но Земля не полностью восстановилась после этого. Так как сила тяжести на площади пропорциональна массе на поверхности этого региона, то лёд в своё время «подвинул» часть массы Земли. Незначительная деформация земной коры наряду с движением магмы в мантии Земли также объясняет снижение гравитации.

Масштаб квантов

Однако в истории ни научное открытие закона всемирного тяготения, ни Общая теория относительности не могли служить окончательной гравитационной теорией, поскольку обе недостаточно удовлетворительно описывают процессы гравитационного типа в масштабах квантов. Попытка создания квантово-гравитационной теории является одной из самых главных задач физики современности.

Со точки зрения квантовой гравитации взаимодействие между объектами создается при помощи взаимообмена виртуальными гравитонами. В соответствии с принципом неопределенности, энергетический потенциал виртуальных гравитонов имеет обратную пропорциональность промежутку времени, в котором он существовал, от точки излучения одним объектом до момента времени, в котором его поглотила другая точка.

Ввиду этого получается, что в малом масштабе расстояний взаимодействие тел влечет за собой и обмен гравитонами виртуального типа. Благодаря данным соображениям можно заключить положение о законе потенциала Ньютона и его зависимости в соответствии обратному показателю пропорциональности по отношению к расстоянию. Наличие аналогии между законами Кулона и Ньютона объясняется тем, что вес гравитонов равняется нулю. Это же значение имеет и вес фотонов.

Гравитация неодинакова даже на Земле

Даже на Земле гравитация не всегда одинакова, поскольку наша планета на самом деле не является идеальной сферой, то и масса её распределена неравномерно, а неравномерная масса означает неравномерную силу тяжести.

Одна из таинственных гравитационных аномалий наблюдается в районе Гудзонова залива в Канаде. Эта область имеет более низкую плотность по сравнению с другими регионами планеты, а исследование 2007-го года показало, что причина тому — в постепенном таянии ледников.

Лёд, который покрывал эту область во время последнего ледникового периода, уже давно растаял, но Земля не полностью восстановилась после этого. Так как сила тяжести на площади пропорциональна массе на поверхности этого региона, то лёд в своё время «подвинул» часть массы Земли. Незначительная деформация земной коры наряду с движением магмы в мантии Земли также объясняет снижение гравитации.

Проект «Свободное падение предметов»

Крупные
объекты, маленькие объекты, короткие
объекты, плоские объекты – примеры
свободного падения могут включать
любые объекты, для гравитации нет
разницы! Расскажите вашему маленькому
учёному о поразительной силе гравитации,
сравнивая скорость падения
двух вкусных фруктов. Результаты его
могут удивить.

Ход эксперимента:

1. Вскарабкайтесь наверх конструкции на игровой площадке, сядьте с ребёнком. Возьмите арбуз и яблоко в руки. Знает ли ребёнок, какой из этих плодов тяжелее?
2. Попросите ребёнка вообразить, что арбуз и яблоко падают с высоты. Что будет падать быстрее. Многие люди – и не только дети – думают, что тяжесть объекта определяет его скорость, то есть что более тяжёлые объекты падают быстрее, чем лёгкие.
3. Переместитесь на самую высокую точку игровой конструкции. Не старайтесь забраться выше, чем позволяют особенности этой конструкции.
4. Дайте ребёнку яблоко, а сами держите арбуз.
5. Бросьте оба объекта одновременно. Какой из них упадёт на землю первым? Намёк: если этот эксперимент выполнить правильно, арбуз и яблоко упадут на землю одновременно. Если более тяжёлый объект падает первым, вам нужно бросать их с более высокой точки.
6. Удивлён ли ваш ребёнок? Как это возможно, что громоздкий большой арбуз падает с такой же скоростью, как и маленькое яблоко?
7. Объясните принцип гравитации. Та же самая сила, которая держит вас на земле, притягивает арбуз и яблоко. Гравитация не воздействует сильнее на более крупные объекты: сила притяжения одинаковая. Именно поэтому все объекты падают с одинаковой скоростью. Не имеет значения, идёт ли речь о шаре для боулинга или мячике для пинг-понга, они оба упадут на землю одновременно, если их бросать с достаточно высокой точки. Для детей такое объяснение действия гравитации обычно достаточно, чтобы они научились понимать это явление в физике. Как насчёт шара для боулинга и листка бумаги? Безусловно, шар для боулинга достигнет поверхности земли раньше, но это связано с ещё одной силой – сопротивлением воздуха. Объясните любопытному ребёнку, что независимо от того, верит он или нет, листок бумаги и шар для боулинга упали бы на землю одновременно в вакууме!

Вывод:

Как
бы вы описали своими словами свободное
падение, что это такое? Что
такое гравитация, какое объяснение
для детей было бы
по-вашему самым понятным?

Некоторые парадоксы

1. Вращающийся вокруг Земли спутник, по отношению к планете, невесом. И всё, что в нём находится, также невесомо. Луна, относительно Земли, опять же невесома, но тела на её поверхности весом уже обладают. Тоже самое и с Землёй. Она невесома относительно Солнца, но мы на ней вес ощущаем. Солнце тоже невесомо относительно галактического ядра. И так – до бесконечности.
2. В звёздах, в процессе термоядерных реакций, создаётся огромное давление. Но оно сдерживается гравитационными силами. То есть, существование звезды возможно потому, что присутствует динамическое равновесие: температура-давление – гравитационные силы.
3. В чёрной дыре прекращаются все процессы, кроме одного – гравитации. Её ничто не может поглотить или искривить.

«Эволюция» закона

Последующие двести лет, и даже больше, множеством ученых-физиков были предприняты попытки предложить разнообразные способы по усовершенствованию теории Ньютона. Данные усилия окончились триумфом, совершенным в 1915 году, а именно сотворением Общей теории относительности, которую создал Эйнштейн. Он смог преодолеть весь набор трудностей. В согласии с принципом соответствия теория Ньютона оказалась приближением к началу работы над теорией в более общем виде, которое можно применять при наличии определенных условий:

1. Потенциал гравитационной природы не может быть слишком большим в исследуемых системах. Солнечная система является примером соблюдения всех правил по движению небесного типа тел. Релятивистское явление находит себя в заметном проявлении смещения перигелия.
2. Показатель скорости движения в данной группе систем является незначительным в сравнении со световой скоростью.

Доказательством того, что в слабом стационарном поле гравитации расчеты ОТО принимают форму ньютоновых, служит наличие скалярного потенциала гравитации в стационарном поле со слабо выраженными характеристиками сил, который способен удовлетворить условия уравнения Пуассона.

Проект «Гравитация и баланс»

Сила
гравитации – это склонность объектов
двигаться по направлению к другим (более
крупным) объектам. Земля – очень крупный
объект, по сравнению со всеми остальными
известными нам предметами, поэтому всё
падает по направлению к ней. Если объект
поддерживать, то есть с обеих сторон
воздействовать на него с одинаковой
силой, он находится в равновесии.

Этот проект изучает взаимосвязь между гравитацией и равновесием. Цели проекта:

1. Провести эксперимент, связанный с равновесием.
2. Найти способы использования равновесия.

Что нам понадобится:

• компьютер с доступом в интернет;
• цветной принтер;
• цифровая камера;
• обычные инструменты для офиса или поделок (бумага, ручки, картон, клей и т.д.);
• металлические гвозди длиной 10 см (около 12 штук);
• сырые яйца.

Все
материалы можно найти дома или в магазине.

Ход эксперимента:

1. Прочтите статьи по этой теме.
2. Найдите ответы на все вопросы исследования, приведённые выше.
3. Найдите и распечатайте интересные фотографии, где изображается физическое равновесие. На фотографиях могут быть гимнасты, конькобежцы, скульптуры, конструкции из металла и всё, что покажется подходящим.
4. Также делайте фотографии во время проведения эксперимента.
5. Примените равновесие на примере с гвоздями, как описано ниже.
6. Проведите эксперимент, понаблюдайте за равновесием сырых яиц. Говорят, что это можно сделать только в первый день весны. Правда это или вымысел?
7. Разработайте свой собственный уникальный эксперимент на равновесие (по желанию). Например, проведите опыт с полоской картона, изучая воздействие на нее сил гравитации и равновесия.
8. Изложите результаты своих исследований в детальном отчёте.
9. Включите интересные фотографии и модели в экспозицию своей научной выставки.
10. Проведите соревнование по равновесию сырых яиц для посетителей вашей выставки.

Вывод:

Что
такое гравитация? Что даёт нам
ощущение физического равновесия? Какие
технические изобретения полагаются на
равновесие? Почему на велосипеде легче
балансировать в движении, а не в
неподвижном состоянии?

Данные из истории

Рассмотрим краткое содержание истории открытия закона всемирного тяготения.

Идеи выдвигались и другими учеными, живших перед Ньютоном. Размышления о ней посещали Эпикура, Кеплера, Декарта, Роберваля, Гассенди, Гюйгенса и других. Кеплер выдвигал предположение о том, что сила тяготения имеет обратную пропорцию расстоянию от звезды Солнца и распространение имеет лишь в эклиптических плоскостях; по мнению Декарта, она была последствием деятельности вихрей в толще эфира. Существовал ряд догадок, который содержал в себе отражение правильных догадок о зависимости от расстояния.

Письмо от Ньютона Галлею содержало информацию о том, что предшественниками самого сэра Исаака были Гук, Рен и Буйо Исмаэль. Однако до него никому не удалось четко, при помощи математических методов, связать закон тяготения и планетарное движение.

История открытия закона всемирного тяготения тесно связанна с трудом «Математические начала натуральной философии» (1687). В этой работе Ньютон смог вывести рассматриваемый закон благодаря эмпирическому закону Кеплера, уже бывшему к тому времени известным. Он нам показывает, что:

• форма движения любой видимой планеты свидетельствует о наличичи центральной силы;
• сила притяжения центрального типа образует эллиптические или гиперболические орбиты.

Гений

Сэр Исаак Ньютон — ученый родом из Англии. В свое время много внимания и сил уделил таким науками, как физика и математика, а также привнес немало нового в механику и астрономию. По праву считается одним из первых основоположников физики в ее классической модели. Является автором фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», где изложил информацию о трех законах механики и законе всемирного тяготения. Исаак Ньютон заложил этими работами основы классической механики. Им было разработано и интегрального типа, световая теория. Он также внес большой вклад в физическую оптику и разработал множество других теорий в области физики и математики.

Ускорение свободного падения

Чтобы математически верно и красиво прийти к ускорению свободного падения, нам необходимо сначала ввести понятие силы тяжести.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести F = mg F — сила тяжести m — масса тела g — ускорение свободного падения [м/с2] На планете Земля g = 9,8 м/с2, но подробнее об этом чуть позже.

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, умноженной на ускорение свободного падения, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. А вес зависит еще и от ускорения, с которым движется тело или опора

Например, в лифте вес зависит от того, куда и с каким ускорением двигаются его пассажиры. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит, можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к ней притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

Приравниваем правые части:

Делим на массу тела левую и правую части:

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Закон всемирного тяготения g — ускорение свободного падения [м/с2] M — масса планеты R — расстояние между телами G — гравитационная постоянная G = 6,67 · 10−11м3 · кг−1 · с−2

Ускорение свободного падения характеризует то, как быстро увеличивается скорость тела при свободном падении.

Свободное падение — это ускоренное движение тела в безвоздушном пространстве, при котором на тело действует только сила тяжести.

Но разве это не зависит еще и от массы предмета?

Нет, не зависит. На самом деле все тела падают одинаково вне зависимости от массы. Если мы возьмем перо и мяч, то перо, конечно, будет падать медленнее, но не из-за ускорения свободного падения. Просто из-за небольшой массы пера сопротивление воздуха оказывает на него большее воздействие, чем на мяч. А вот если бы мы поместили перо и мяч в вакуум, они бы упали одновременно.

Закон всемирного тяготения

Гравитация от Эйнштейна

Гравитационное воздействие описывал ещё Аристотель. Он полагал, что скорость падения предмета зависима от его массы. Но лишь Галилей смог понять, что любое тело имеет равное значение ускорения. А Эйнштейн развил это утверждение в своей теории относительности, описав гравитацию с понятием геометрии пространства-времени.

В классическом представлении сила гравитационного взаимодействия двух точек имеет вид зависимости массы этих точек от расстояния в квадрате между ними. Чем больше тело, тем большее гравитационное поле оно может создать.

Хотя гравитация – взаимодействие очень слабое, но действие её распространяется на любые расстояния.
галактическиечёрные дыры

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила может показаться более сложной, но правда в том, что она не так сложна (по крайней мере, на том уровне, на котором мы можем рассматривать ее здесь). В основном это взаимодействие, которое происходит между электрически заряженными частицами положительным или отрицательным образом. Все электрически заряженные частицы испытывают его, включая, конечно же, протоны (положительно заряженные) и электроны (отрицательно заряженные).

Принцип действия этой силы очень прост: частицы с противоположными зарядами притягиваются друг к другу, а частицы с одинаковыми или равными зарядами отталкиваются. Представьте себе магнит. Хорошо, что. Магнетизм и электричество объединены этой силой, которая ответственна за бесчисленное количество событий. От молнии во время грозы до работы вашего компьютера.

Но какие частицы ответственны за эту силу? Ну, как мы уже представили, это фотоны, которые делают магнитные поля возможными. Фотоны — это тип бозонов (частицы, ответственные за все взаимодействия, кроме гравитации), которые мы можем понимать как частицы света. Следовательно, фотоны, в дополнение к электромагнитной силе, допускают существование волнового спектра, в котором присутствуют видимый свет, гамма-лучи, инфракрасные лучи, микроволны и т. Д.

Чтобы узнать больше: «8 типов субатомных частиц (и их характеристики)»

Гравитация, «таинственная сила», которая и через четыреста лет исследований остается плохо изученной…

Исаак Ньютон (1642–1727)

Фотография: Wikipedia.org

Исаак Ньютон (1642–1727)

Исаак Ньютон опубликовал свои открытия о гравитации и движении небесных тел в 1687 году, в своей известной работе «Математические начала». Некоторые читатели быстро сделали вывод, что вселенная Ньютона не оставила места для Бога, так как все теперь можно объяснить с помощью уравнений. Но Ньютон совсем так не думал, о чем он и сказал во втором издании этой известной работы:

«Наша наиболее прекрасная солнечная система, планеты и кометы могут быть результатом только плана и господства разумного и сильного существа».

Исаак Ньютон был не только ученым. Помимо науки он почти всю свою жизнь посвятил исследованию Библии. Его любимыми библейскими книгами были: книга Даниила и книга Откровение, в которых описываются Божьи планы на будущее. На самом деле Ньютон написал больше теологических работ, чем научных.

Ньютон уважительно относился к другим ученым, таким как Галилео Галилей. Кстати Ньютон родился в то же год, когда умер Галилей, в 1642 году. Ньютон писал в своем письме: «Если я и видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Незадолго до смерти, наверное, размышляя о тайне силы тяжести, Ньютон скромно писал: «Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пестрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как передо мной расстилается огромный океан неисследованной истины».

Ньютон похоронен в Вестминстерском аббатстве. Латинская надпись на его могиле заканчивается словами: «Пусть смертные радуются, что среди них жило такое украшение человеческого рода».

Источник — www.creation.com

Чёрные дыры и гравитация

Чёрные дыры не могли бы существовать без гравитации

Чёрные дыры — одно из самых загадочных явлений во Вселенной. Они образуются, когда звезда саморазрушается и рождается новая, которая отбрасывает части старой на довольно большое расстояние, таким образом создаётся место, где гравитация настолько сильна, что ни один объект, попавший в неё, не может выйти обратно. Гравитация сама по себе не формирует чёрную дыру, но помогает учёным понять суть чёрных дыр и обнаружить их во Вселенной. Так как сила притяжения вокруг чёрной дыры очень сильная, вокруг неё собирается множество звёзд и газов, что помогает обнаружить чёрную дыру. Иногда газы вокруг чёрной дыры светятся, образуя ореол. Если бы не супермощная гравитация в чёрных дырах, мы никогда бы не узнали об их существовании.