Было ли у вселенной начало?

Алан-э-Дейл       01.09.2022 г.

Источник гравитации и электричества

Так откуда берётся взаимное притяжение частиц материи?

«В 1913 году молодой французский математик Э.Картан заявил: «В природе должны существовать поля, порождающиеся вращением». В 20 -е годы ряд работ в этой области были опубликованы А. Эйнштейном. К 70-ым годам сформировалась новая область физики — теория Эйнштейна — Картана, которая явилась основой теории торсионных полей, или полей кручения. А вращение есть везде: электрон вращается вокруг ядра, ядро вокруг своей оси, планеты — вокруг Солнца, вращается буквально все. И каждый элемент вращения (малый и большой) создает свое торсионное поле. Эти поля элементарных частиц, атомов, молекул, людей, планет и т.д. сливаются во Вселенной, образуя Информационное поле Вселенной или, как его еще называют, поле Сознания Вселенной.» (Наука и тонкий мир)

По аналогии с притяжением — гравитацией материи существует притяжение магнитов и проводов при протекании по ним электрического тока. Это невольно наводит на мысль, что притяжение и гравитация как то связано с энергией электромагнитных волн. Но электромагнитная волна не имеет магнитного притяжения к материальным объектам, в результате чего эта волна распространяется по прямой. Но как только электромагнитная волна формируется в атом как замкнутого пространства в виде соленоида из вращающегося потока энергии электромагнитных волн, тут же появляется разность потенциалов и магнитная ось, которая служит в качестве притягивающей силы. То есть источниками притяжения (гравитации) и электричества (ЭДС и зарядов) является вращающаяся энергия электромагнитных Волн, составляющих атомы.

При наличии огромного количества атомов их общая магнитная составляющая увеличивается, в результате чего скопившиеся атомы притягиваются друг к другу, а согласно закона Ньютона сила притяжения зависит как от массы, то есть количества атомов как материализованной энергии, так и от расстояния между материальными объектами.

Кто построил лабиринты?

Лабиринт II-I веков до нашей эры на Большом Заяцком острове Соловецкого архипелага. — Сергей Бобылев/TASS

Похожие лабиринты находят по всему миру, однако наибольшее их количество сосредоточено на Соловецких островах (Архангельская область), около 35, причем 14 из них — на Большом Заяцком острове. Кроме этих лабиринтов, здесь нашли сотни курганов, нагромождений из валунов, дольменов, что доказывает, что раньше острова архипелага в Белом море были обитаемы. Известно, что в I тысячелетии до нашей эры на Соловках жили кочевые саамские племена, но они не были их первыми народами — радиоуглеродный анализ предметов показал следы присутствия людей уже в VI-VII тысячелетиях до нашей эры. Лабиринты датируют примерно I-II тысячелетием до нашей эры, то есть, по всей видимости, они были построены до саамов или протосаамов. Впрочем, отдельные каменные узоры могли появиться и позднее.

Умбский лабиринт в Мурманской области. — Legion Media

Также лабиринты часто находят на островах архипелага Кузова в Карелии и недалеко от города Кандалакша в Мурманской области. Встречаются лабиринты и в некоторых районах Сибири. Все они находятся либо на островах, либо в устьях рек, то есть у воды.

Лабиринт в Карелии на острове Олешин. — Legion Media

Лабиринты бывают разных типов: с одной спиралью, с двумя, концентрические, с крестообразным пересечением. Диаметр — от 5 до 30 метров. Издалека они не очень заметны, лучше всего видно сверху. Камни, из которых сложен лабиринт, не закреплены никаким раствором. Сами камни тоже природной формы и большинство без следов обработки.

Гравитация, что это такое на самом деле. Что такое гравитация

Гравитация (сила тяжести) – это сила, которая притягивает два тела друг к другу, сила, которая заставляет яблоки падать к земле, а планеты вращаться вокруг Солнца. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитационное притяжение.

Фундаментальная сила

Гравитация является одной из четырех фундаментальных сил, наряду с электромагнитными, и сильными и слабыми ядерными взаимодействиями.

Это то, что заставляет предметы иметь вес. Когда вы взвешиваете себя, шкала говорит вам, насколько гравитация действует на ваше тело. На Земле сила тяжести составляет 9,8 метра в секунду в квадрате, или 9,8 м / с 2 .

Такие философы, как Аристотель, считали, что более тяжелые предметы ускоряются по направлению к земле быстрее. Но более поздние эксперименты показали, что это не так. Причина того, что перо будет падать медленнее, чем шар для боулинга, обусловлен сопротивлением воздуха, которое действует в противоположном направлении, как ускорение силы тяжести.

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила тяжести прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Исаак Ньютон разработал свою теорию всемирного тяготения в 1680-х годах. Он обнаружил, что гравитация действует на все вещество и является функцией как массы, так и расстояния. Каждый объект притягивает другой объект с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Теория относительности

Ньютон опубликовал свою работу по гравитации в 1687 году, которая считалась лучшим объяснением, пока Эйнштейн не придумал свою Общую теорию относительности в 1915 году. В теории Эйнштейна гравитация – это не сила, а скорее следствие того, что материя искажается в пространство-времени. Одно из предсказаний Общей теории относительности состоит в том, что свет будет сгибаться вокруг массивных объектов.

Забавные факты

  • Гравитация на Луне составляет около 16 процентов от земной, Марс имеет около 38 процентов земного тяготения, в то время как самая большая планета в Солнечной системе , Юпитер, имеет в 2,5 раза больше гравитации Земли.
  • Хотя никто не «открыл» гравитацию, по легенде, знаменитый астроном Галилео Галилей сделал некоторые из самых ранних экспериментов с гравитацией, сбросив шары с Пизанской башни, чтобы увидеть, как быстро они упали.
  • Исааку Ньютону было всего 23 года и он вернулся из университета, когда заметил яблоко, падавшее в его саду, и принялся разгадывать тайны гравитации. (Возможно, это миф о том, что яблоко упало ему на голову).
  • Ранняя мера теории относительности Эйнштейна состояла в изгибе звездного света вблизи Солнца во время солнечного затмения 29 мая 1919 года.
  • Черные дыры – это массивные объекты с такой сильной гравитацией, что даже свет не может уйти от них.
  • Общая теория относительности Эйнштейна несовместима с квантовой механикой , причудливыми законами, которые управляют поведением крошечных частиц, таких как фотоны и электроны, которые составляют Вселенную.

Современное представление о гравитации

Научные исследования в области гравитации продолжаются. Теория относительности Эйнштейна объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; однако открытия в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц показали, что ее нельзя отнести к взаимодействиям в квантовой физике. Проще говоря, эйнштейновская теория не работает в микромире. В связи с этим получило развитие направление «квантовой гравитации» или квантового описания гравитационного взаимодействия.

Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.

В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.

Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.

Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.

Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.

В 1990-х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречит предсказаниям общей теории относительности, согласно которой гравитация должна замедлять расширение. Чтобы объяснить это явление, космологи начали ссылаться на «темную энергию», силу, которая составляет почти три четверти материи и энергии во Вселенной и поэтому раздвигает ее. Но происхождение темной энергии по сей день остается загадкой. Некоторые исследователи пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной без темной энергии, предполагая, что если общая теория относительности неверна, а гравитация ослабевает в космических масштабах. Но до сих пор никто не придумал способ проверить данную теорию.

Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.

Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.

Полет в аэротрубе

(Фото: FlyStation)

Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.

Есть ли предел гравитации

Чем больше у космического объекта масса, тем сильнее у него гравитация. Если она возрастает настолько, из-за неё не могут покинуть кванты света, говорят о том, что объект в космосе является чёрной дырой. Граница области, после которой квантам света нужно обладать скоростью большей, чем скорость света, чтобы покинуть чёрную дыру, называется горизонтом событий.

Вдали от чёрной дыры любые частицы могут двигаться в каком угодно направлении. Их скорость не может быть 300 тыс. км/с (скорость света). Однако ближе к сверхмассивному объекту пространство-время искривляется. А вот внутри горизонта событий частицы могут двигаться только к центру чёрной дыры. Здесь любой объект не сможет возвратиться обратно во внешнее пространство.

Интересно, что чем сильнее притяжение, тем медленнее идёт время. У поверхности чёрной дыры оно практически стоит на месте. Приближаясь к чёрной дыре, время для астронавтов замедлялось бы настолько, что после экспедиции к такому объекту всего через 2 – 3 дня они нашли бы своих коллег, не принимавших участие в полёте постаревшими на десятки лет.

Любопытно, но возвратиться из экспедиции к чёрной дыре можно при условии, что она не преодолела горизонта событий. После пересечения этого горизонта никто и никогда не сможет получить сигналы человека: они, как сам человек, устремлялись бы к центру. Поразительно, но будущее в чёрной дыре уходит прочь горизонта событий, к центру. Всё это вытекает из теории относительности.

По сути, гравитация чёрной дыры является предельной. Под воздействием невообразимого притяжения пространство и время искривляются настолько, что все известные человечеству законы физики перестают работать.

Гравитация, что это такое Как объяснить. Взаимодействие между элементарными частицами

Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.

Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным электромагнитным взаимодействием. Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.

Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:

  • В отличие от атомных сил гравитационное притяжение более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
  • Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.

Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер — два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.

Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.

Ритуалы или быт?

Лабиринт на Соловках. — Legion Media

Ученые до сих пор не знают, для чего предназначены эти лабиринты. Многие современные исследователи считают, что такие сооружения имели ритуальный смысл.

Спираль — это один из древнейших символов во всем мире, который встречается в каждой культуре в том или ином виде и особенно часто бывает связан с обрядами, например, инициацией. Так называемые «испытания лабиринтом» были и в древнегреческом эпосе (помните историю о лабиринте Минотавра?), и в средневековой христианской традиции как символ очищения от грехов (они сохранились в соборах Шартра и Амьена во Франции). Проходя по лабиринту, человек прощается со своим прошлым и открывает для себя что-то новое.

Рукотворные лабиринты на Заяцком острове. Павел Львов/Sputnik

Однако кроме ритуалов, лабиринты, по крайней мере, некоторые из них могли иметь и чисто практический смысл. Советский археолог Нина Гурина, изучив карельские и мурманские лабиринты, предположила, что они предназначались для ловли рыбы. Дело в том, что раньше уровень воды мог быть выше, и такие каменные ловушки «запирали» рыбу, не отвлекая людей от других дел.

Вот, например, в этом видео российские блогеры пытаются повторить каменную ловушку для рыбы по технологии индейского племени Канады — она немного другая по форме, но тоже представляет собой лабиринт. Как они говорят, заняло у них это всего 20 минут.

Элеонора Гольдман

Возможна ли искусственная гравитация

Когда человек оказывается в космосе, далеко от гравитационных воздействий, испытываемых на поверхности Земли, он переживает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек как бы «плавает» внутри него. В связи с этим возникает вопрос — как создать условия искусственной гравитации, при которых человек сможет не летать, а спокойно ходить по космическому кораблю?

Пока нужный эффект можно получить только через ускорение. В случае с космическим кораблем — заставить его вращаться. Тогда можно можно получить центробежную тягу, как на Земле. Но для путешествия в другую звездную систему придется ускорять корабль по пути туда и замедлять по прибытии обратно. Человеческий организм вряд ли сможет перенести такие нагрузки. Например, чтобы разогнаться до «импульсной скорости» как в фильме «Звездный путь», до нескольких процентов от скорости света, то пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g (единиц ускорения, вызванного гравитацией) в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвращает ток крови в теле человека. В Роскосмосе изучают идею встроенной центрифуги на борту корабля, в которую космонавты смогут периодически заходить, чтобы испытывать силу тяжести и снижать негативные последствия от пребывания в невесомости.

Кадр из фильма «Звездный путь»

(Фото: YouTube)

Предполагалось, что искусственная гравитация возможна при отрицательной гравитационной массе, которая, как ожидалось, свойственна антиматерии. Однако Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружила, что инертная масса антипротона («зеркального отражения» протона, который отличается знаками всех характеристик физического взаимодействия) совпадает с массой протона. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, то физики заметили бы разницу. Получается, что действие гравитации на антипротоны и протоны совпадает. Кроме того, в ЦЕРН получили антиводород — первую стабильную форму антиматерии. Но ее изучают, и пока сдвигов в теории антиматерии нет.

Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения

Говоря о законах классической механики, всегда упоминают сэра Исаака Ньютона. Учёный перевернул виденье своих современников об окружающем их мире и, что самое главное, математически обосновал свои предположения, которые долгие годы после смерти физика не нуждались в доработке.

С его именем связан один из постулатов современной физики, ставший в своё время объектом для множества научных дискуссий, – закон всемирного тяготения, который Ньютон открыл в 1688 году и опубликовал вместе со знаменитыми тремя законами механики, образовавшими фундамент развития науки о движении.

Наверное, каждому знакома история открытия закона всемирного тяготения, согласно которой знаменитый физик впервые задумался о явлении тяготения в тот момент, когда, гуляя по саду своей матери, увидел падение яблока. Многие уверены, что этот фрукт и вовсе упал учёному на голову, таким образом «достучавшись» до его ума. Правда это или нет, сегодня судить трудно

Быть может, этой интересной историей кто-то когда-то решил простым образом донести до ребёнка суть столь важного закона. Важно другое: несмотря на то, что до Ньютона многие учёные по-своему объясняли всемирное притяжение, именно ему удалось с присущей математике строгостью и простотой объяснить это явление

Закон тяготения не был бы настолько привлекательным, если бы описывал только то, как тела падают на землю

В легенде его открытия существует важное уточнение о том, что Ньютон ещё в 1666 году размышлял о движении объектов, в частности Луны. Уже тогда зная, что спутник вращается вокруг Земли, учёный пытался понять причины такого поведения и увидел, как яблоко сорвалось с ветки и приземлилось рядом

Это и послужило причиной возникновения предположения, что именно воздействие Земли вынуждает тела не зависать без поддержки в воздухе, а Луну двигаться по наблюдаемой траектории. Однако доказать это сразу не удалось: проведя все расчёты, сэр Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, но из-за несправедливого в тот момент расстояния между спутником и нашей планетой получил слишком большую погрешность, что при его щепетильном характере оказалось неприемлемым. Только спустя 22 года с новыми, более точными цифрами, учёный представил общественности свой закон.

Краткая биография великого английского учёного Исаака Ньютона

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года. Так как отец мальчика, в честь которого он и был назван, погиб до его рождения, мать будущего учёного обзавелась новой семьёй, оставив сына на попечение родственников. Ньютон рос болезненным, но мечтательным ребёнком, уже в детском возрасте проявив любовь к чтению и разработке простых игрушек. Однако в первое время в школе мальчик плохо учился, и только случай помог изменить его отношение к учёбе. Будучи слабым ребёнком, Ньютон подвергся нападению со стороны своих одноклассников и, понимая, что едва ли сможет одолеть их физически, решил превзойти обидчиков умом.

Так, в 1661 году Исаак Ньютон стал студентом Колледжа Святой Троицы, находящегося под попечением Кембриджского университета, впоследствии связав с ним более 30 лет жизни. В период чумы, царствовавшей в Англии с 1665 по 1667 годы, Ньютон вернулся в домой, и, как после утверждал сам учёный, именно в этот период он сделал большую часть своих научных открытий.

Исаак Ньютон

В 1668 году после возвращения в колледж Исааком Ньютоном была получена магистерская степень, и он стал преподавателем в своей альма-матер. В последующие годы физик глубоко увлёкся алхимией, математическим анализом и проводил оптические опыты, и ему удалось изобрести телескоп-рефлектор, усовершенствованные версии которого помогли открыть многие астрономические объекты.

Ньютон был замкнутым, нелюдимым человеком, не любившим делиться своими научными результатами из-за споров и дискуссий, в которые его постоянно норовили втянуть. Зимой 1677 года в его доме случился пожар, в связи с чем сгорела большая часть его рукописных работ, а в мае того же года умер его друг Исаак Барроу, что стало невосполнимой утратой для учёного, которому за всю жизнь удалось сблизиться только с несколькими людьми.

В 1689 году, через два года после опубликования знаменитых «Начал», её автор начал административную деятельность, заседая от имени своего университета в парламенте, но в 1696 году Ньютон навсегда покинул колледж и получил должность хранителя Монетного двора.

Интересный факт: трудясь при дворе, физик смог придумать технологию чеканки, позволяющую минимизировать подделки. Новизна заключалась в отделке гуртов у монет маленькими линиями, что используется и сегодня.

В 1703 году Королевское общество выбрало Ньютона президентом, а в 1705 году королева Великобритании Анна даровала ему титул сэра, который был впервые присвоен за научные достижения.

Сэр Исаак Ньютон умер 31 марта 1727 года. Современники описывали, что в похоронах участвовал весь Лондон.

Вопрос о том, как был открыт закон всемирного тяготения, только на первый взгляд кажется простым. На самом деле его ответ скрывает в себе многолетний труд множества учёных, которые постепенно делали возможным данное открытие.

3. Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):

  • изменение геометрии пространства-времени;
    • как следствие, отклонение закона тяготения от ньютоновского;
    • и в экстремальных случаях — возникновение чёрных дыр;
  • запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений;
  • эффекты нелинейности: гравитация имеет свойство взаимодействовать сама с собой, поэтому принцип суперпозиции в сильных полях уже не выполняется.

Квантовая механика: поиск единой теории

Основная статья: Квантовая гравитация

Двумерная секция, спроецированная в 3D 6 -мерного многообразия Калаби-Яу , встроенного в CP 4 , такие многообразия используются для определения десятимерной теории суперструн , используемой в качестве модели квантовой гравитации и теории всего .

Хотя истинного квантового описания гравитации пока нет, все попытки создать физическую теорию, одновременно удовлетворяющую квантовым принципам и в больших масштабах совпадающую с теорией гравитации Эйнштейна, натолкнулись на большие трудности. В настоящее время существует несколько многообещающих подходов, таких как петлевая квантовая гравитация , теория суперструн или теория твисторов , но ни один из них не является полной моделью, которая может обеспечить достаточно точные предсказания. Кроме того, было опробовано большое количество полуклассических приближений, которые предложили новые эффекты, которые должна предсказывать квантовая теория гравитации. Например, Стивен Хокинг.Используя один из последних подходов, он предположил, что черная дыра должна излучать определенное количество излучения — эффект, названный излучением Хокинга, который еще не подтвержден эмпирически.

Причины трудностей единой теории различны. Величайшее из них состоит в том, что в остальных квантовых теориях поля структура пространства-времени фиксируется совершенно независимо от материи, но, с другой стороны, в квантовой теории гравитации само пространство-время должно подчиняться вероятностным принципам. , но мы не знаем, как описать гильбертово пространство для различных квантовых состояний самого пространства-времени. Таким образом, объединение гравитационной силы с другими фундаментальными силами продолжает сопротивляться физикам. Появление во Вселенной темной материиили ускорение расширения Вселенной предполагает, что удовлетворительная теория полных гравитационных взаимодействий частиц с массой все еще отсутствует.

Еще один сложный момент заключается в том, что согласно квантовым принципам гравитационное поле должно проявляться в «квантах» или бозонных частицах, передающих гравитационное воздействие. Учитывая характеристики гравитационного поля, предполагаемая частица, передающая гравитационное взаимодействие, условно называемая гравитоном , должна быть частицей без массы (или с чрезвычайно малой массой) и спином . Однако эксперименты по обнаружению гравитационных волн еще не нашли доказательств существования гравитона, поэтому на данный момент это не более чем физическая гипотеза, которая может не соответствовать действительности.
2ℏ{\displaystyle 2\hbar }

Гравитационное взаимодействие как фундаментальная сила

Гравитационное взаимодействие является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом , сильным ядерным взаимодействием и слабым ядерным взаимодействием . В отличие от ядерных сил и подобно электромагнетизму, он действует на больших расстояниях. Однако, в отличие от электромагнетизма, гравитация является силой притяжения, хотя есть частные случаи, когда временные геодезические могут расширяться в определенных областях пространства-времени, из-за чего гравитация проявляется как сила отталкивания, например темная энергия

Вот почему гравитация является самой важной силой в объяснении небесных движений.

Закон всемирного тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон всемирного тяготения

F — сила тяготения

M — масса первого тела (часто планеты)

m — масса второго тела

R — расстояние между телами

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10−11м3 · кг−1 · с−2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше примерно в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Задачка раз

Две планеты с одинаковыми массами обращаются по круговым орбитам вокруг звезды. У первой из них радиус орбиты вдвое больше, чем у второй. Каково отношение сил притяжения первой и второй планеты к звезде?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения планеты к звезде обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты. Таким образом, в силу равенства масс отношение сил притяжения к звезде первой и второй планет обратно пропорционально отношению квадратов радиусов орбит:

По условию, у первой планеты радиус орбиты вдвое больше, чем у второй, то есть R1 = 2R2.

Это значит, что:

Ответ: отношение сил притяжения первой и второй планет к звезде равно 0,25.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Задачка два

У поверхности Луны на космонавта действует сила тяготения 144 Н. Какая сила тяготения действует со стороны Луны на того же космонавта в космическом корабле, движущемся по круговой орбите вокруг Луны на расстоянии трех лунных радиусов от ее центра?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения космонавта со стороны Луны обратно пропорциональна квадрату расстояния между ним и центром Луны. У поверхности Луны это расстояние совпадает с радиусом спутника. На космическом корабле, по условию, оно в три раза больше. Таким образом, сила тяготения со стороны Луны, действующая на космонавта на космическом корабле, в 9 раз меньше, чем у поверхности Луны, то есть:

144 : 9 = 16 Н

Ответ: на расстоянии трех лунных радиусов от центра сила притяжения космонавта будет равна 16 Н.

Важный нюанс!
Правильно говорить не «на тело действует сила тяготения», а «Земля притягивает тело с силой тяготения».

Гравитационное взаимодействие[править | править код]

Важнейшим свойством гравитации является то, что вызываемое ею ускорение малых пробных тел почти не зависит от массы этих тел. Это связано с тем, что гравитация как сила в природе прямо пропорциональна массе взаимодействующих тел. При размерах тел, достигающих размеров планет и звёзд, гравитационная сила становится определяющей и формирует шарообразную форму этих объектов. При дальнейшем увеличении размеров до уровня скоплений галактик и сверхскоплений проявляется эффект ограниченной скорости гравитационного взаимодействия. Это приводит к тому, что сверхскопления имеют уже не округлую форму, а напоминают вытянутые сигарообразные волокна, примыкающие к узлам с самыми массивными скоплениями галактик.
Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя телами массы  m1~m_1 и  m2~m_2, разделённых расстоянием  R~R есть


 F=−G⋅m1⋅m2R2~F = — G \cdot {m_1 \cdot m_2\over R^2}.

Здесь  G~G  — гравитационная постоянная, равная  6,673(10)⋅10−11~6,673(10)\cdot 10^{-11} м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на пробное тело, всегда направлена по радиус-вектору от пробного тела к источнику гравитационного поля, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению тел.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии, что при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение.

В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал и сила зависят только от положения тела в данный момент времени. Однако учёт лоренц-инвариантности гравитационной силы и запаздывания распространения гравитационного воздействия с помощью решения для потенциалов Льенара и Вихерта приводит к тому, что в движущихся с постоянной скоростью системах отсчёта возникает дополнительная компонента силы за счёт гравитационного поля кручения. Ситуация полностью эквивалентна ситуации с электрической силой, когда при движении наблюдателя он обнаруживает ещё магнитное поле и магнитную силу, пропорциональную скорости своего движения. Это делает необходимым учёт ограниченности скорости распространения гравитации, приводящей к свойству близкодействия и запаздывания гравитационного взаимодействия. В конце 19 и в начале 20 века усилиями ряда физиков — О. Хевисайда, А. Пуанкаре, Г. Минковского, А. Зоммерфельда, Х. Лоренца и др. — были заложены основы лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ), описывающей гравитацию в инерциальных системах отсчёта при релятивистских скоростях.

В результате закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) был включён в лоренц-инвариантную теорию гравитации, которая достаточно хорошо предсказывала общее поведение гравитации. В 1915 году Альбертом Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), описывающая явления в гравитационном поле в терминах геометрии пространства-времени и с учётом влияния гравитации на результаты пространственно-временных измерений.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.