Гравитация

Гравитация - это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной.

Общее понятие гравитации

Гравитация – это, казалось бы, простое понятие, известное каждому человеку еще со времен школьной скамьи. Все мы помним историю о том, как на голову Ньютона упало яблоко, и он открыл закон всемирного тяготения. Однако все не так просто, как кажется. В той статье мы попытаемся дать ясный и исчерпывающий ответ на вопрос: что такое гравитация? А также рассмотрим главные мифы и заблуждения об этом интересном явлении.

Говоря простыми словами, гравитация — это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной. Гравитацию можно определить, зная массу тел и расстояние от одного до другого. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше будет вес тела и выше его ускорение. Например, на Луне вес космонавта будет в шесть раз меньше, чем на Земле. Сила гравитационного поля зависит от размеров объекта, который оно окружает. Так, лунная сила притяжения в шесть раз ниже земной. Впервые обосновал это научно и доказал с помощью математических вычислений ещё в XVII веке Исаак Ньютон.

Что упало на голову Ньютону

Несмотря на то, что сам великий английский ученый частично подтверждал известную всем легенду о яблоке и ушибе головы, всё же, сейчас можно сказать с уверенностью, что при открытии закона всемирного тяготения обошлось без травм и озарений. Основой, заложившей новую эру в естественных науках, стал труд «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон описывает закон тяготения и важные законы механики, открытые им за долгие годы напряженной работы. Знаменитый физик был натурой неторопливой и рассудительной, как и положено гениальному ученому. А поэтому от начала раздумий о природе тяготения до издания научной работы о ней прошло больше 20 лет. Впрочем, легенда об упавшем фрукте могла иметь под собой и какие-то реальные основания, вот только голова физика однозначно осталась цела.

Законы притяжения изучались и до Исаака Ньютона самыми различными научными деятелями. Но только он впервые математически доказал прямую взаимосвязь между тяготением и движением планет. То есть падающим с ветки яблоком и вращением луны вокруг земли управляет одна и та же сила – гравитация. И она действует на любые два тела во вселенной. Эти открытия заложили основу так называемой небесной механики, а также науки о динамике. Ньютоновская модель господствовала в науке более двух веков вплоть до появления теории относительности и квантовой механики.

Что думают о гравитации современные ученые

Гравитация является самым слабым из четырех известных на данный момент фундаментальных взаимодействий, которым подчиняются все частицы и составленные из них тела. Помимо гравитационного взаимодействия сюда же входят электромагнитное, сильно и слабое. Исследуются они на основании разных теорий, так, например, в приближенных скоростях небольшой гравитации применяют теорию тяготения еще самого Ньютона. А в общем случае используют общую теорию относительности Эйнштейна. Кроме того, описание гравитации в квантовом пределе должно будет осуществляться при помощи еще не появившейся квантовой теории.

Безусловно, сегодня физика сложна и выходит далеко за рамки представлений об окружающем мире обычного человека. Но интересоваться ей необходимо хотя бы на уровне основных понятий, ведь вполне возможно, что уже в ближайшее время мы можем стать свидетелями удивительных открытий в этой области, которые кардинально изменят жизнь человечества. Будет неловко, если вы вообще не поймете, что происходит.

Мифы о гравитации

Не только незнание, но и постоянные новые открытия в данной научной сфере порождают различные несуразицы и мифы о гравитации. Итак, несколько общепринятых заблуждений об этом уникальном явлении:

• Искусственные спутники никогда не сойдут с орбиты Земли и будут вечно вращаться вокруг неё. Это неправда. Дело в том, что помимо земного притяжения в космосе имеются и другие различные факторы, влияющие на орбиту тел. Это и торможение атмосферы для низких орбит и гравитационные поля Луны и других планет. Скорее всего, если дать спутнику вращаться без контроля на долгое время, его орбита будет изменяться, и в конечном счете он либо улетит в космические просторы, либо упадет на поверхность ближайшего тела.
• В космосе отсутствует гравитация. Даже на станциях, на которых космонавты пребывают в невесомости есть довольно сильная гравитация, чуть меньше, чем на Земле. Почему же тогда они не падают? Можно сказать, что сотрудники станции как бы находятся в состоянии постоянного падения, но никак упадут.
• Объект, приблизившийся к чёрной дыре, будет разорван. Довольно известный миф. Сила притяжение черной дыры действительно увеличится при приближении к ней, но совсем не обязательно, что приливные силы окажутся настолько мощными. Скорее всего они на горизонте событий обладают конечным значением, поскольку расстояние считается от центра дыры.

Гравитация — это «искривление» пространства. Чем больше масса, тем большее «искривление» пространства и, следовательно, в это «искривление» «скатываются» более легкие объекты. Все объекты, обращающиеся вокруг Солнца, удерживаются на своих орбитах с помощью гравитации. Но она не только выполняет функции некоей привязи, но ещё и стала той силой, что создала эти объекты. Сила тяготения не позволяет планетам выбирать путь по своему усмотрению, закольцевав их орбиты. Но зависимость от этой силы уменьшается экспоненциально – при удалении в два раза, воздействие ослабляется в четыре раза, а утроение удаления ослабляет силу уже в девять раз. 

Ньютон напрямую ассоциировал гравитацию с силой тяжести. К телу приложена сила тяжести, источником которой является иное тело (или тела), а гравитационного поля, как такового, просто не существует. Поскольку гравитация относится к прямому взаимодействию тел, то и определяется она Законом всемирного тяготения. Гравитационному полю придан условный характер, необходимый лишь для расчётов. Для земных условий это вполне допустимо.

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.

Гравитационное притяжение универсально по характеру воздействия на материю, нет объектов, не имеющих его. Эйнштейн постулировал, что гравитационные эффекты обуславливаются не силовыми влияниями тела или поля, находящегося в пространстве-времени, а изменениями в самом пространстве-времени. Всё это происходит из-за наличия массы-энергии. По теории Эйнштейна, масса и энергия – это единый параметр тел. Их связывает всем известная формула: Е = m•с² Два массивных тела, взаимодействуя между собой, будут искривлять пространство. Но почему происходит это искривление, Эйнштейн ответа дать не смог. Гравитация, в силу своей глобальности, отвечает за явления крупных масштабов. Это галактические структуры, чёрные дыры, расширяющаяся Вселенная. Но и простые факты астрономии, – планетные орбиты, земное притяжение, падение тел, – тоже зависимы от гравитации.

Небесная механика

Эта часть механики изучает движение тел, находящихся в ничем не заполненном пространстве, на которые действует только гравитация. Самая простая задача раздела – обоснование гравитационного влияния двух тел, точечных или сферических, в пустом пространстве. Если же тел, которые взаимодействуют друг на друга, большее количество, задача усложняется. Численное решение приводит к неустойчивости решений от начальных условий. То есть, применив её к нашей планетной системе, мы не сумеем предугадать планетные движения на периоды, превысившие сто миллионов лет. Описание долговременного поведения системы, состоящей из многих притягивающихся тел с похожей массой, пока невозможно. Этому мешает понятие: динамический хаос.

Гравитационные волны

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени». Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности. Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры.

Гравитон

Поскольку гравитационное взаимодействие присутствует, оно должно как-то переноситься. В 30-х годах ХХ века кандидатом в переносчики стал гравитон. Эта частица пока ещё гипотетическая, но она должна иметь спин 2 и два вероятных направления поляризации. Некоторые физики упорно отвергают существование этой частицы. Они предполагают: если гравитоны имеются, то их должны излучать чёрные дыры, а это вступает в противоречия с ОТО. Но попытки расширить стандартную модель такими частицами сопряжены с реальными трудностями в области высоких энергий. На решении этой задачи основаны некоторые разрабатываемые теории квантовой гравитации. По их положениям гравитоны — состояние струн, а отнюдь не точечные частицы. Но низкие энергии их всё же причисляют к частицам точечным. Пока гравитоны обнаружены не были, потому что гравитационные влияния их необычайно слабы.

Квантовая гравитация

Универсальной квантовой теории, объяснившей бы само понятие гравитации, ещё не разработано. Для представления гравитационного взаимодействия было бы вероятно предложить гравитонный обмен, в котором гравитоны выступают в качестве калибровочных бозонов со спином 2. Но такая теория не считается удовлетворительной. На существующее время есть несколько подходов, разрешающих квантование гравитации. Эти подходы считаются достаточно перспективными.

• Теория струн. Она заменяет частицы фона пространства-времени на струны и браны (подобие струн). Для решения многомерных задач, браны видятся как частицы уже многомерные, но в тоже время они и структуры пространства-времени. Гравитоны здесь становятся состоянием струн, а не отдельными частицами. Хотя низкие энергии их к ним и причисляют.
• Петлевая квантовая гравитация. Здесь время и пространство являются дискретными частями. Они не привязаны к фону пространства-времени, являясь квантовыми пространственными ячейками. Они между собой соединены таким образом, что в малых временных масштабах представляются дискретной структурой пространства. При укрупнении масштабов, части плавно становятся непрерывным пространством-временем. Петлевая гравитация способна описать сущность Большого взрыва, а также пролить свет на его преддверие. Это даже позволяет обходиться без привлечения бозона Хиггса.

Сильные гравитационные поля

В очень сильных гравитационных полях могут быть проявления некоторых эффектов ОТО:

• закон тяготения отклоняется от ньютоновского
• появляются гравитационные волны
• есть эффекты нелинейности
• видимое пространство-время изменяет свою геометрию
• возможно появление сингулярностей и рождение чёрных дыр.

Но такие проявления могут иметь место лишь в том случае, если гравитация имеет силу бесконечно большую. Пока что наиболее плотными объектами Вселенной, которые удалось обнаружить, являются нейтронные звёзды. В одной из многих теорий гравитационное поле рассматривается в качестве основы для любого поля – магнитного, электрического, глюонного. В таком случае гравитоны становятся базовыми элементами материи. Ну, а чёрная дыра является гравитонной звездой, где силой тяготения разрушаются абсолютно все элементарные частицы, кроме гравитонов. И остаётся лишь одно свойство – гравитация.

Гравитационный коллапс

Когда массивное тело, испытывая гравитационные силы, катастрофически быстро сжимается, происходит его коллапс. Так может закончиться жизнь звезды, имеющей массу более трёх солнечных. Когда в звездах заканчивается запас топлива для продолжения термоядерного процесса, их механическая устойчивость нарушается, и происходит стремительное, с ускорением, сжатие к центральной части. Если давление внутри звезды, которое постоянно растёт, сможет остановить сжатие, то центральная часть светила превратится в нейтронную звезду. При этом возможно сбрасывание оболочки и вспыхивание сверхновой. Но при превышении звездой массы, определённой пределом Оппенгеймера-Волкова, коллапс закончится преобразованием её в чёрную дыру. Значение данного предела пока точно не установлено.

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.

5 мифов о гравитации

Искусственные спутники Земли будут обращаться вокруг нее вечно

Это правда, но отчасти. Зависит это от орбиты. На низких орбитах спутники вечно вокруг Земли не обращаются. Это связано с тем, что, помимо гравитации, существуют и другие факторы. То есть если бы, допустим, у нас была только Земля и мы бы запустили на ее орбиту спутник, то он летал бы очень долго. Летать вечно он не будет, потому что существуют различные возмущающие факторы, которые его могут свести с орбиты. В первую очередь это торможение в атмосфере, то есть это негравитационные факторы. Таким образом, связь этого мифа с гравитацией неочевидна.

Если спутник обращается на высоте до тысячи километров над Землей, то торможение в атмосфере будет влиять. На более высоких орбитах начинают действовать прочие гравитационные факторы — притяжение Луны, других планет Солнечной системы. Если спутник оставить бесконтрольно на орбите вокруг Земли, то его орбита будет эволюционировать хаотически на больших интервалах времени из-за того, что Земля не единственное притягивающее тело. Не уверен, что эта хаотическая эволюция обязательно приведет к падению спутника на Землю — он может улететь или перейти на другую орбиту. Другими словами, он может летать вечно, но не по одной и той же орбите. 

В космосе нет гравитации

Это неправда. Иногда кажется, что раз на МКС космонавты находятся в состоянии невесомости, то и земная гравитация на них не действует. Это не так. Более того, она там почти такая же, как на Земле. 

В самом деле, сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Высота орбиты МКС примерно на 10% больше земного радиуса. Поэтому сила притяжения там лишь немного меньше. Однако космонавты испытывают состояние невесомости, так как они как бы все время падают на Землю, но промахиваются.

Можно представить себе такую картину. Построим башню высотой километров 400 (неважно, что сейчас нет таких материалов, чтобы ее сделать). Поставим наверху стул и сядем на него. Мимо пролетает МКС, то есть мы находимся совсем-совсем рядом. Мы сидим на стуле и «весим» (хотя по сравнению с нашим весом на поверхности Земли мы полегчали, но зато нам надо надеть скафандр, так что это компенсирует наше «похудание»), а на МКС космонавты парят в невесомости. Но мы находимся в одном и том же гравитационном потенциале.

Современные теории гравитации являются геометрическими. То есть массивные тела искажают пространство-время вокруг себя. Чем ближе мы к тяготеющему телу, тем больше искажение. Как вы двигаетесь по искривленному пространству — это уже не так важно. Оно остается искривленным, то есть гравитация никуда не делась. 

Парад планет может «уменьшить гравитацию» на Земле

Это неправда. Парадами планет называют такие моменты, когда все планеты выстраиваются в цепочку по направлению к Солнцу и их гравитационные силы складываются арифметически. Разумеется, на одной прямой все планеты никогда не соберутся, но если ограничиться требованием, чтобы все восемь планет собрались в гелиоцентрическом секторе с углом раствора не более 90°, то такие «большие» парады иногда происходят — в среднем один раз за 120 лет.

Может ли совместное влияние планет изменить гравитацию на Земле? Любители физики знают, что сила тяготения изменяется прямо пропорционально массе тела и обратно пропорционально квадрату расстояния до него (М/R²). Наибольшее гравитационное влияние на Землю оказывают Венера (она не очень массивна, но расположена близко) и Юпитер (он очень массивен). Простой расчет показывает, что наше притяжение к Венере даже при наибольшем с ней сближении в 50 млн раз слабее нашего притяжения к Земле; для Юпитера это соотношение составляет 30 млн. То есть если ваш вес около 70 кг, то Венера и Юпитер тянут вас к себе с силой примерно в 1 миллиграмм. Во время парада планет они тянут в разные стороны, практически компенсируя влияние друг друга. 

Но это еще не все. Обычно под гравитацией Земли мы понимаем не силу притяжения к планете, а наш вес.

А он зависит еще и от того, как мы движемся. Например, космонавтов на МКС и нас с вами Земля притягивает почти одинаково, но у них там невесомость, поскольку они находятся в состоянии свободного падения, а мы упираемся в Землю. А по отношению к другим планетам мы все ведем себя, как экипаж МКС: вместе с Землей мы свободно «падаем» на каждую из окружающих планет. Поэтому мы не ощущаем даже того миллиграмма, о котором было сказано выше.

Но некоторый эффект все же есть. Дело в том, что мы, живя на поверхности Земли, и сама Земля, если иметь в виду ее центр, находимся на разном расстоянии от притягивающих нас планет. Эта разница не превышает размера Земли, но иногда имеет значение. Именно из-за нее в океанах под влиянием притяжения Луны и Солнца возникают приливы и отливы. Но если иметь в виду человека и притяжение к планетам, то этот приливный эффект невероятно слаб (в десятки тысяч раз слабее прямого притяжения к планетам) и составляет для каждого из нас менее одной миллионной доли грамма — практически ноль. 

Тело, подлетающее к черной дыре, будет разорвано

Это неправда. При приближении к черной дыре сила гравитации и приливные силы возрастают. Но вовсе не обязательно приливные силы становятся крайне велики, когда объект подлетает к горизонту событий.

Приливные силы зависят от массы, вызывающего прилив тела, расстояния до него и от размеров объекта, в котором формируется прилив. Важно, что расстояние считается до центра тела, а не до поверхности. Так что приливные силы на горизонте черной дыры всегда имеют конечное значение.

У черной дыры размер прямо пропорционален массе. Так что, если мы возьмем какой-то предмет и будем кидать его в разные черные дыры, приливные силы будут зависеть только от массы черной дыры. Причем чем больше масса, тем прилив слабее на горизонте.

Это проявляется в астрофизике. Например, если звезда падает на сверхмассивную черную дыру в центре галактики, то при массе дыры, скажем, 10 миллионов масс Солнца прилив будет достаточно велик, чтобы разорвать звезду. Образовавшееся облако газа сформирует диск вокруг дыры, и мы увидим яркий объект — квазар. Если же масса дыры в 1000 раз больше (а такие есть), то звезда будет проглочена целиком: прилив слишком слаб, чтобы ее разорвать. Поэтому не будет диска — не будет и яркого объекта.

Кстати, поэтому в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» героев не разрывает на горизонте сверхмассивной черной дыры. 

Электромагнетизм сильнее гравитации

Это правда, но отчасти. Макроскопические тела состоят из большого количества микроскопических частиц. Электромагнетизм — это сила, которая на микроскопическом уровне ответственна за все явления, которые изучаются в курсе механики: за силу трения, силу реакции опоры, силу упругости.

Возьмем атом водорода. Это протон, вокруг которого летает электрон. Он определяет нашу массу и массу объектов, которые нас окружают. Это такой кирпичик, из чего все сделано. У него есть электрический заряд и масса. Электрический заряд определяет силу электромагнитного взаимодействия, а масса определяет силу гравитационного взаимодействия. 

Ньютоновская постоянная входит в закон о гравитации, она также определяет силу между двумя взаимодействующими телами. Произведение масс двух тел, умноженное на ньютоновскую постоянную, — это эквивалент электрического заряда одного тела, умноженный на электрический заряд другого в законе Кулона. Это аналог, который нам говорит, что гравитационная связь между двумя простейшими элементарными частицами намного меньше, чем электромагнитная. Если для электромагнитного взаимодействия в случае протонов эта константа, грубо говоря, одна сотая, то в случае гравитационного взаимодействия для протона это 10^-19. Это очень-очень маленькая величина, если говорить о силе взаимодействия двух покоящихся протонов.

Однако почему, когда мы говорим о больших объектах, мы говорим об их массе, а не об электрическом заряде? Это связано с тем, что в природе есть электрические заряды двух разных знаков, а у массы всегда один «знак», и все частицы гравитационно притягиваются.

В случае электромагнетизма частицы одного электрического заряда отталкиваются, а разного — притягиваются. Когда наблюдатель смотрит на систему с положительным и отрицательным зарядами, например на атом, то она нейтральная. По этой причине, когда мы рассматриваем систему из многих протонов, то есть макроскопическое тело, где вокруг протонов с положительным зарядом летают электроны с отрицательным, система электрически нейтральна. Поэтому на таких масштабах «выигрывает» уже гравитация, она оказывает основное влияние. К примеру, если говорить о галактиках, то основные силы здесь — гравитационные. А электромагнитных сил нет.