Сила гравитация: 5 мифов о гравитации — все самое интересное на ПостНауке — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

«Есть ли разница между гравитацией и силой тяжести? Что такое искусственная сила тяжести (гравитации)?» — Яндекс Кью

О сообществе

Физика

Сообщество экспертов-физиков — общаемся, обсуждаем новости и отвечаем на самые интересные вопросы современной науки. Присоединяйтесь!

Что такое гравитация и как она работает

Опубликовано: 18 мая 2021, 13:26

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:

Жители Древней Греции верили, что сила, которая притягивает предметы к Земле, — это их внутренняя тяжесть, а не внешняя сила. Поэтому тяжелое тело человека стремится к поверхности планеты, а легкий огонь устремляется в небо.
Ученые Древней Индии утверждали, что некая сила держит объекты на Земле, хотя сама она находится в центре Вселенной.
В 600-х годах н. э. математик Брахмагупта впервые дал описание гравитации как силы притяжения.
В эпоху Возрождения изыскания продолжились: Галилей бросал предметы разного веса с Пизанской башни, чтобы изучить процессы падения. В результате опытов он выяснил, что разные объекты во время падения ускоряются с равной скоростью.
Исследователи Гримальди и Риччоли рассчитали гравитационную постоянную. Полученные знания начали применять астрономы, чтобы рассчитывать орбиты известных планет.

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:

чем крупнее объекты, тем сильнее притяжение между ними;
чем больше между ними расстояние, тем слабее гравитация.

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:

Газы, которые существуют во Вселенной, притягиваются друг к другу под действием этой силы и объединяются, создавая крупные объекты — звезды и планеты, галактики. Возможно, именно эта сила стабилизировала частицы после Большого взрыва, который породил Вселенную.
Благодаря гравитации Луны происходят приливы и отливы на водных просторах Земли.
Сила гравитации помогает удерживать Землю на фиксированном расстоянии от Солнца. Она также держит на месте атмосферу, которая дает всем живым организмам воздух для дыхания и защищает их от излучения Солнца.

На то, как работает гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:

Степень гравитации для любого предмета пропорциональна его массе. Чем крупнее объект, тем больше его гравитация. Так как наша планета — самый крупный и ближайший объект, то на все действует ее гравитационное притяжение. Это объясняет, почему яблоко падает на землю, а не притягивается, например, к голове человека.
Расстояние воздействует на выраженность гравитации. Когда предмет находится далеко, то гравитационное притяжение становится слабее. Так, на космических просторах можно найти точку, где гравитация Марса сильнее, чем у Земли.

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:

Первым нас покинет слой атмосферы, а также воды океанов, рек и озер.
Люди, которые в этот миг будут на улице, навсегда покинут Землю.
Те, кто окажется внутри помещений, сумеет задержаться, благодаря тому что здания обычно углублены в грунт и некоторое время еще будут оставаться на месте.

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.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/family/school/1912954-chto-takoe-gravitatsiya-i-kak-ona-rabotaet/

Сила тяготения гравитация. Земное притяжение

ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов рассказать о гравитации — силе, из-за которой все тела стремятся упасть на Землю, — и единственном фундаментальном взаимодействии, в котором напрямую участвуют все частицы, которые мы знаем.

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 . 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 (она не очень массивна, но расположена близко) и (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.

Владимир Сурдин

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ

Тело, подлетающее к черной дыре, будет разорвано

Это неправда. При приближении к 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.

Гравитационная сила – фундамент на котором держится Вселенная. Благодаря силе тяжести Солнце не взрывается, атмосфера не улетучивается в космос, люди и животные свободно передвигаются по поверхности, а растения дают плоды.

Небесная механика и теория относительности

Закон всемирного тяготения изучают в 8-9 классе средней школы. Прилежные ученики знают о знаменитом яблоке упавшем на голову великого Исаака Ньютона и об открытиях, которые за этим последовали. На самом деле, дать четкое определение гравитации гораздо сложнее. Современные ученые продолжают дискуссии на тему, как взаимодействуют тела в открытом космосе и существует ли антигравитация. Изучить данное явление в земных лабораториях крайне сложно, поэтому выделяют несколько базовых теорий гравитации:

Ньютоновская гравитация

В 1687 г. Ньютон заложил основы небесной механики, которая изучает движение тел в пустом пространстве. Он рассчитал силу притяжения Луны к Земле. Согласно формуле, эта сила напрямую зависит от их массы и расстояния между объектами.

F = (G m1 m2)/r2
Гравитационная постоянная G=6.67*10-11

Уравнение не совсем актуально, когда анализируется сильное гравитационное поле или притяжение более двух объектов.

Теория гравитации Эйнштейна

В ходе различных экспериментов ученые пришли к выводу, что в формуле Ньютона есть некоторые погрешности. Основой небесной механики является дальнодействующая сила, срабатывающая моментально в независимости от расстояния, что не соответствует теории относительности.

Согласно разработанной в начале 20 века теории А.Эйнштейна информация не распространяется быстрее скорости света в вакууме, поэтому гравитационные эффекты возникают в результате деформации пространства-времени. Чем больше масса объекта, тем больше искривление в которое скатываются более легкие объекты.

Квантовая гравитация

Очень противоречивая и не до конца сформированная теория, которая объясняет взаимодействие тел, как обмен особыми частицами – гравитонами.

В начале 21 века ученым удалось провести несколько значимых экспериментов, в том числе с помощью адронного коллайдера, и разработать теорию петлевой квантовой гравитации и теорию струн.

Вселенная без гравитации

В фантастических романах часто описываются различные гравитационные искажения, антигравитационные камеры и космические корабли с искусственным гравитационным полем. Читатели иногда даже не задумаются насколько нереальны сюжеты книг и что будет, если сила тяжести уменьшится/увеличится или совершенно исчезнет.

Человек адаптирован к земной гравитации, поэтому в других условиях ему придется кардинально измениться. Невесомость приводит к атрофии мышц, сокращению числа эритроцитов и нарушению в работе всех жизненно важных систем организма, а при увеличении гравитационного поля люди просто не смогут сдвинуться с места.
Воздух и вода, растения и животные, дома и машины улетят в открытый космос. Даже если людям удастся остаться они быстро погибнут без кислорода и еды. Низкая гравитация на Луне – это основная причина отсутствия не ней атмосферы, соответственно и жизни.
Наша планета развалится на части, поскольку исчезнет давление в самом центре Земли, начнется извержение всех существующих вулканов и расхождение тектонических плит.
Звезды взорвутся из-за сильного давления и хаотичного столкновения частиц в ядре.
Вселенная превратится в бесформенное рагу из атомов и молекул, которые неспособны соединиться для создания чего-то большего.

К счастью для человечества, отключение гравитации и страшные события, которые за этим последую никогда не произойдут. Темный сценарий просто демонстрирует насколько важна гравитация. Она значительно слабее чем электромагнетизм , сильное или слабое взаимодействия, но фактически без неё наш мир перестанет существовать.

Дон Деянг

Сила тяжести (или гравитация) прочно держит нас на земле и позволяет земле вращаться вокруг солнца. Благодаря этой невидимой силе дождь падает на землю, а уровень воды в океане каждый день то повышается, то снижается. Гравитация удерживает землю в сферической форме, а также не дает нашей атмосфере улетучиться в космическое пространство. Казалось бы, эта наблюдаемая каждый день сила притяжения должна быть хорошо изучена учеными. Но, нет! Во многом гравитация остается глубочайшей тайной для науки. Эта таинственная сила является замечательным примером того, насколько ограничены современные научные знания.

Что такое гравитация?

Исаак Ньютон интересовался этим вопросом еще в 1686 году и пришел к выводу, что гравитация — это сила притяжения, существующая между всеми предметами. Он понял, что та же самая сила, которая заставляет яблоко падать на землю, на своей орбите. На самом деле сила притяжения Земли служит причиной того, что во время вращения вокруг Земли Луна отклоняется каждую секунду от своего прямого пути примерно на один миллиметр (Рисунок 1). Универсальный Закон Гравитации Ньютона является одним из наибольших научных открытий всех времен.

Гравитация – «веревка», которая удерживает объекты на орбите

Рисунок 1. Иллюстрация орбиты луны, сделанная не в соответствии с масштабом. За каждую секунду луна проходит примерно 1 км. За это расстояние она отклоняется от прямого пути примерно на 1 мм – это происходит вследствие гравитационной тяги Земли (пунктирная линия). Луна постоянно как бы падает за (или вокруг) землей, как падают и планеты вокруг солнца.

Сила тяжести – одна из четырех фундаментальных сил природы (Таблица 1). Обратите внимание на то, что из четырех сил эта сила самая слабая, и все же она является доминирующей относительно крупных космических объектов. Как показал Ньютон, притягательная гравитационная сила между двумя любыми массами становится все меньше и меньше по мере того, как расстояние между ними становится все больше и больше, но она никогда полностью не достигает нуля (смотрите «Замысел гравитации»).

Поэтому каждая частица во всей вселенной фактически притягивает любую другую частицу. В отличие от сил слабого и сильного ядерного взаимодействия, сила притяжения является дальнодействующей (Таблица 1). Магнитная сила и сила электрического взаимодействия также являются дальнодействующими силами, но гравитация уникальна тем, что она и дальнодействующая и всегда притягательная, а значит, она никогда не может иссякнуть (в отличие от электромагнетизма, в котором силы могут либо притягивать, либо отталкивать).

Начиная с великого ученого-креациониста Майкла Фарадея в 1849 году, физики постоянно искали скрытую связь между силой притяжения и силой электромагнитного взаимодействия. В настоящее время ученые пытаются соединить все четыре фундаментальные силы в одно уравнение или так называемую «Теорию всего», но, безуспешно! Гравитация остается самой загадочной и наименее изученной силой.

Гравитацию невозможно каким-либо образом оградить. Каким бы ни был состав преграждающей перегородки, она не имеют никакого влияния на притяжение между двумя разделенными объектами. Это означает, что в лабораторных условиях невозможно создать антигравитационную камеру. Сила тяжести не зависит от химического состава объектов, но зависит от их массы, известной нам как вес (сила тяжести на объект равна весу этого объекта — чем больше масса, тем больше сила или вес.) Блоки, состоящие из стекла, свинца, льда или даже стирофома, и имеющие одинаковую массу, будут испытывать (и оказывать) одинаковую гравитационную силу. Эти данные были получены в ходе экспериментов, и ученые до сих пор не знают, как их можно теоретически объяснить.

Замысел в гравитации

Сила F между двумя массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r, может быть записана в виде формулы F = (G m 1 m 2)/r 2

Где G — это гравитационная постоянная, впервые измеренная Генри Кавендишем в 1798 году.1

Это уравнение показывает, что гравитация снижается по мере того, как расстояние, r, между двумя объектами становится больше, но полностью никогда не достигает нуля.

Подчиняющаяся закону обратных квадратов природа этого уравнения просто захватывает. В конце концов, нет никакой необходимой причины, почему сила притяжения должна действовать именно так. В беспорядочной, случайной и эволюционирующей вселенной такие произвольные степени, как r 1.97 или r 2.3 казались бы более вероятными. Однако точные измерения показали точную степень, по крайней мере, до пяти десятичных разрядов, 2.00000. Как сказал один исследователь, этот результат кажется «слишком уж точным» .2 Мы можем сделать вывод, что сила притяжения указывает на точный, сотворенный дизайн. На самом деле, если бы степень хоть на чуть-чуть отклонилась от 2, орбиты планет и вся вселенная стали бы нестабильными.

Ссылки и примечания

Говоря техническим языком, G = 6.672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
Томпсен, Д., «Очень точно о гравитации», Science News 118(1):13, 1980.

Так что же такое в действительности гравитация? Каким образом эта сила способна действовать в таком огромном, пустом космическом пространстве? И зачем она вообще существует? Науке никогда не удавалось ответить на эти основные вопросы о законах природы. Сила притяжения не может появиться медленно путем мутаций или естественного отбора. Она действует с самого начала существования вселенной. Как и всякий другой физический закон, гравитация, несомненно, является замечательным свидетельством запланированного сотворения.

Одни ученые пытались объяснить гравитацию с помощью невидимых частиц, гравитонов, которые движутся между объектами. Другие говорили о космических струнах и гравитационных волнах. Недавно ученым с помощью специально созданной лаборатории LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) удалось только увидеть эффект гравитационных волн. Но природу этих волн, каким образом физически объекты взаимодействуют друг с другом на огромных расстояниях, изменяя их фору, все же остается для всех большим вопросом. Мы просто не знаем природу возникновения силы гравитации и каким образом она удерживает стабильность всей вселенной.

Сила притяжения и Писание

Два места из Библии могут помочь нам понять природу гравитации и физическую науку в целом. Первое место, Колоссянам 1:17, объясняет, что Христос «есть прежде всего, и все Им стоит» . Греческий глагол стоит (συνισταω sunistao ) означает: сцепляться, сохраняться или удерживаться вместе. Греческое использование этого слова за пределами Библии обозначает сосуд, с содержащейся в нем водой . Слово, которое используется в книге Колоссянам, стоит в совершенном времени, что как правило, указывает на настоящее продолжающееся состояние, которое возникло из завершенного прошедшего действия. Один из используемых физических механизмов, о котором идет речь, явно сила притяжения, установленная Творцом и безошибочно поддерживаемая и сегодня. Только представьте: если бы на мгновение перестала действовать сила притяжения, несомненно, наступил бы хаос. Все небесные тела, включая землю, луну и звезды, не удерживались бы больше вместе. Все тот час разделилось бы на отдельные, маленькие части.

Второе место Писания, Евреям 1:3, заявляет, что Христос «держит все словом силы Своей». Слово держит (φερω pherō ) снова описывает поддерживание или сохранение всего, включая гравитацию. Слово держит , используемое в этом стихе, означает намного больше, чем просто удерживание веса. Оно включает контроль над всеми происходящими движениями и изменениями внутри вселенной. Это бесконечное задание выполняется через всемогущее Слово Господа, посредством которого начала существовать сама вселенная. Гравитация, «таинственная сила», которая и через четыреста лет исследований остается плохо изученной, является одним из проявлений этой потрясающей божественной заботы о вселенной.

Искажения времени и пространства и черные дыры

Общая теория относительности Эйнштейна рассматривает гравитацию не как силу, а как искривление самого пространства вблизи массивного объекта. Согласно предсказаниям, свет, который традиционно следует по прямым линиям, искривляется при прохождении по искривленному пространству. Впервые это было продемонстрировано, когда астроном сэр Артур Эддингтон обнаружил изменение кажущегося положения звезды во время полного затмения в 1919 году, считая, что лучи света изгибаются под действием силы тяжести солнца.

Общая теория относительности также предсказывает, что если тело достаточно плотное, его сила тяжести исказит пространство настолько сильно, что свет вообще не сможет через него проходить. Такое тело поглощает свет и все остальное, что захватила его сильная гравитация, и носит название Черная дыра. Такое тело можно обнаружить только по его гравитационным эффектам на другие объекты, по сильному искривлению света вокруг него и по сильной радиации, излучаемой веществом, которое на него падает.

Все вещество внутри черной дыры сжато в центре, который имеет бесконечную плотность. «Размер» дыры определяется горизонтом событий, т.е. границей, которая окружает центр черной дыры, и ничто (даже свет) не может выйти за ее пределы. Радиус дыры называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда (1873–1916), и вычисляется по формуле R S = 2GM/c 2 , где c – это скорость света в вакууме. Если бы солнце попало в черную дыру, его радиус Шварцшильда составлял бы всего 3 км.

Существует надежное доказательство, что после того, как ядерное топливо массивной звезды иссякает, она больше не может противостоять коллапсу под своим собственным огромным весом и попадает в черную дыру. Считается, что черные дыры с массой в миллиарды солнц существуют в центрах галактик, включая нашу галактику, Млечный Путь. Многие ученые полагают, что суперяркие и очень отдаленные объекты под названием квазары, используют энергию, которая выделяется, когда вещество падает в черную дыру.

Согласно предсказаниям общей теории относительности, сила тяжести также искажает и время. Это также было подтверждено очень точными атомными часами, которые на уровне моря идут на несколько микросекунд медленнее, чем на территориях выше уровня моря, где сила тяжести Земли немного слабее. Вблизи горизонта событий это явление более заметно. Если наблюдать за часами астронавта, который приближается к горизонту событий, мы увидим, что часы идут медленнее. Находясь в горизонте событий, часы остановятся, но мы никогда не сможем этого увидеть. И наоборот, астронавт не заметит, что его часы идут медленнее, но он увидит, что наши часы идут быстрее и быстрее.

Основной опасностью для астронавта возле черной дыры были бы приливные силы, вызванные тем, что сила тяжести сильнее на тех частях тела, которые находятся ближе к черной дыре, чем на частях дальше от нее. По своей мощи приливные силы возле черной дыры, имеющей массу звезды, сильнее любого урагана и запросто разрывают на мелкие кусочки все, что им попадается. Однако, тогда как гравитационное притяжение уменьшается с квадратом расстояния (1/r 2), приливно-отливное явление уменьшается с кубом расстояния (1/r 3). Поэтому в отличие от принятого мнения, гравитационная сила (включая приливную силу) на горизонтах событий больших черных дыр слабее, чем на маленьких черных дырах. Так что приливные силы на горизонте событий черной дыры в наблюдаемом космосе, были бы менее заметны, чем самый мягкий ветерок.

Растяжение времени под действием силы тяжести вблизи горизонта событий является основой новой космологической модели физика-креациониста, доктора Рассела Хамфриса, о которой он рассказывает в своей книге «Свет звезд и время». Эта модель, возможно, помогает решить проблему того, как мы можем видеть свет отдаленных звезд в молодой вселенной. К тому же на сегодня она является научной альтернативой небиблейской , которая основывается на философских предположениях, выходящих за рамки науки.

Примечание

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» .

Гравитация — самая таинственная сила во Вселенной. Ученые не знают до конца ее природы. Именно она удерживает на орбитах планеты Солнечной системы. Это сила, возникающая между двумя объектами и зависящая от массы и расстояния.

Гравитацию называют силой притяжения или тяготения. С помощью нее планета или другое тело тянет объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает планеты на орбите вокруг Солнца.

Что еще делает гравитация?

Почему вы приземляетесь на землю, когда вскакиваете, а не уплываете в космос? Почему предметы падают, когда вы их бросаете? Ответ — невидимая сила тяжести, которая тянет объекты друг к другу. Земная гравитация — это то, что держит вас на земле и заставляет вещи падать.

Все, что имеет массу, имеет гравитацию. Мощь гравитации зависит от двух факторов: массы предметов и расстояния между ними. Если взять в руки камень и перо, с одинаковой высоты отпустить их, оба предмета упадут на землю. Тяжелый камень упадет быстрее пера. Перо еще повисит в воздухе, потому что оно легче. Объекты с большей массой имеют большую силу притяжения, которая становится слабее с расстоянием: чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное тяготение.

Гравитация на Земле и во Вселенной

Во время полета самолета люди в нем остаются на местах и могут передвигаться как на земле. Так происходит из-за траектории полета. Существует специально разработанные самолеты, в которых на определенной высоте отсутствует гравитация, образуется невесомость. Самолет выполняет специальный маневр, масса предметов меняется, они ненадолго поднимаются в воздух. Через несколько секунд гравитационное поле восстанавливается.

Рассматривая силу гравитации в Космосе, у земного шара она больше большинства планет. Достаточно посмотреть движение космонавтов при высадке на планеты. Если по земле мы ходим спокойно, то там космонавты как бы парят в воздухе, но не улетают в космос. Это значит, что у данной планеты тоже есть сила тяготения, просто несколько иная, чем у планеты Земля.

Сила притяжения Солнца настолько велика, что удерживает девять планет, многочисленные спутники, астероиды и планеты.

Гравитация играет важнейшую роль в развитии Вселенной. При отсутствии силы тяготения, не было бы звезд, планет, астероидов, черных дыр, галактик. Интересно, что черных дыр на самом деле не видно. Ученые определяют признаки черной дыры по степени мощности гравитационного поля в определенной области. Если оно очень сильное с сильнейшим колебанием, это говорит о существовании черной дыры.

Миф 1. В космосе отсутствует гравитация

Просматривая документальные фильмы о космонавтах, кажется, что они парят над поверхностью планет. Так происходит из-за того, что на других планетах гравитация ниже, чем на Земле, поэтому космонавты идут как бы паря в воздухе.

Миф 2. Все приближающиеся к черной дыре тела разрываются

Черные дыры обладают мощной силой и образуют мощные гравитационные поля. Чем ближе объект к черной дыре, тем сильнее становятся приливные силы и мощность притяжения. Дальнейшее развитие событий зависит от массы объекта, размера черной дыры и расстояния между ними. Черная дыра имеет массу прямо противоположную ее размеру. Интересно, что чем больше размер дыры, тем слабее приливные силы и наоборот. Таким образом, не все объекты разрываются при попадании в поле черной дыры.

Миф 3. Искусственные спутники могут обращаться вокруг Земли вечно

Теоретически можно так сказать, если бы не влияние второстепенных факторов. Многое зависит от орбиты. На низкой орбите спутник вечно летать не сможет из-за атмосферного торможения, на высоких орбитах он может находиться в неизменном состоянии довольно долго, но здесь вступают в силу гравитационные силы других объектов.

Если бы из всех планет существовала только Земля, спутник притягивался бы к ней и практически не менял траекторию движения. Но на высоких орбитах объект окружает множество планет, больших и малых, каждая со своей силой тяготения.

В этом случае спутник бы постепенно отходил от своей орбиты и двигался хаотично. И, вполне вероятно, что по прошествии какого-то времени, он рухнул бы на ближайшую поверхность или перешел на другую орбиту.

Некоторые факты

В некоторых уголках Земли сила гравитации имеет более слабую силу, чем на всей планете. Например, в Канаде, в районе Гудзонова залива сила притяжения ниже.
Когда космонавты возвращаются из космоса на нашу планету, в самом начале им сложно приспособиться к гравитационной силе земного шара. Иногда это занимает несколько месяцев.
Самой мощной силой гравитации среди космических объектов обладают черные дыры. Одна черная дыра размером с мячик имеет силу больше, чем любая планета.

Несмотря на непрекращающееся изучение силы притяжения, гравитация остается нераскрытой. Это означает, что научные знания остаются ограниченными и человечеству предстоит познать много нового.

Не смотря на то, что гравитация — это слабейшее взаимодействие между объектами во Вселенной, ее значение в физике и астрономии огромно, так как она способна оказывать влияние на физические объекты на любом расстоянии в космосе.

Если вы увлекаетесь астрономией, вы наверняка задумывались над вопросом, что собой представляет такое понятие, как гравитация или закон всемирного тяготения. Гравитация — это универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми объектами во Вселенной.

Открытие закона гравитации приписывают знаменитому английскому физику Исааку Ньютону. Наверное, многим из вас известна история с яблоком, упавшим на голову знаменитому ученому. Тем не менее, если заглянуть вглубь истории, можно увидеть, что о наличии гравитации задумывались еще задолго до его эпохи философы и ученые древности, например, Эпикур. Тем не менее, именно Ньютон впервые описал гравитационное взаимодействие между физическими телами в рамках классической механики. Его теорию развил другой знаменитый ученый — Альберт Эйнштейн, который в своей общей теории относительности более точно описал влияние гравитации в космосе, а также ее роль в пространственно-временном континууме.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что сила гравитационного притяжения между двумя точками массы, разделенными расстоянием обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна обеим массам. Сила гравитации является дальнодействующей. То есть, в независимости от того, как будет двигаться тело, обладающее массой, в классической механике его гравитационный потенциал будет зависеть сугубо от положения этого объекта в данный момент времени. Чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное поле — тем более мощной гравитационной силой он обладает. Такие космически объекты, как галактики, звезды и планеты обладают наибольшей силой притяжения и соответственно достаточно сильными гравитационными полями.

Гравитационные поля

Гравитационное поле Земли

Гравитационное поле — это расстояние, в пределах которого осуществляется гравитационное взаимодействие между объектами во Вселенной. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное поле — тем ощутимее его воздействие на другие физические тела в пределах определенного пространства. Гравитационное поле объекта потенциально. Суть предыдущего утверждения заключается в том, что если ввести потенциальную энергию притяжения между двумя телами, то она не изменится после перемещения последних по замкнутому контуру. Отсюда выплывает еще один знаменитый закон сохранения суммы потенциальной и кинетической энергии в замкнутом контуре.

В материальном мире гравитационное поле имеет огромное значения. Им обладают все материальные объекты во Вселенной, у которых есть масса. Гравитационное поле способно влиять не только на материю, но и на энергию. Именно за счет влияния гравитационных полей таких крупных космических объектов, как черные дыры, квазары и сверхмассивные звезды, образуются солнечные системы, галактики и другие астрономические скопления, которым свойственна логическая структура.

Последние научные данные показывают, что знаменитый эффект расширения Вселенной так же основан на законах гравитационного взаимодействия. В частности расширению Вселенной способствуют мощные гравитационные поля, как небольших, так и самых крупных ее объектов.

Гравитационное излучение в двойной системе

Гравитационное излучение или гравитационная волна — термин, впервые введенный в физику и космологии известным ученым Альбертом Эйнштейном. Гравитационное излучение в теории гравитации порождается движением материальных объектов с переменным ускорением. Во время ускорения объекта гравитационная волна как бы «отрывается» от него, что приводит к колебаниям гравитационного поля в окружающем пространстве. Это и называют эффектом гравитационной волны.

Хотя гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, а также другими теориями гравитации, они еще ни разу не были обнаружены напрямую. Связано это в первую очередь с их чрезвычайной малостью. Однако в астрономии существуют косвенные свидетельства, способные подтвердить данный эффект. Так, эффект гравитационной волны можно наблюдать на примере сближения двойных звезд. Наблюдения подтверждают, что темпы сближения двойных звезд в некоторой степени зависят от потери энергии этих космических объектов, которая предположительно затрачивается на гравитационное излучение. Достоверно подтвердить эту гипотезу ученые смогут в ближайшее время при помощи нового поколения телескопов Advanced LIGO и VIRGO.

В современной физике существует два понятия механики: классическая и квантовая. Квантовая механика была выведена относительно недавно и принципиально отличается от механики классической. В квантовой механике у объектов (квантов) нет определенных положений и скоростей, все здесь базируется на вероятности. То есть, объект может занимать определенное место в пространстве в определенный момент времени. Куда переместиться он дальше, достоверно определить нельзя, а только с высокой долей вероятности.

Интересный эффект гравитации заключается в том, что она способна искривлять пространственно-временной континуум. Теория Эйнштейна гласит, что в пространстве вокруг сгустка энергии или любого материального вещества пространство-время искривляется. Соответственно меняется траектория частиц, которые попадают под воздействие гравитационного поля этого вещества, что позволяет с высокой долей вероятности предсказать траекторию их движения.

Теории гравитации

Сегодня ученым известно свыше десятка различных теорий гравитации. Их подразделяют на классические и альтернативные теории. Наиболее известными представителем первых является классическая теория гравитации Исаака Ньютона, которая была придумана известным британским физиком еще в 1666 году. Суть ее заключается в том, что массивное тело в механике порождает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе менее крупные объекты. В свою очередь последние также обладают гравитационным полем, как и любые другие материальные объекты во Вселенной.

Следующая популярная теория гравитации была придумана всемирно известным германским ученым Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Эйнштейну удалось более точно описать гравитацию, как явление, а также объяснить ее действие не только в классической механике, но и в квантовом мире. Его общая теория относительности описывает способность такой силы, как гравитация, влиять на пространственно-временной континуум, а также на траекторию движения элементарных частиц в пространстве.

Среди альтернативных теорий гравитации наибольшего внимания, пожалуй, заслуживает релятивистская теория, которая была придумана нашим соотечественником, знаменитым физиком А. А. Логуновым. В отличие от Эйнштейна, Логунов утверждал, что гравитация — это не геометрическое, а реальное, достаточно сильное физическое силовое поле. Среди альтернативных теорий гравитации известны также скалярная, биметрическая, квазилинейная и другие.

Людям, побывавшим в космосе и возвратившимся на Землю, достаточно трудно на первых порах привыкнуть к силе гравитационного воздействия нашей планеты. Иногда на это уходит несколько недель.
Доказано, что человеческое тело в состоянии невесомости может терять до 1% массы костного мозга в месяц.
Наименьшей силой притяжения в Солнечной системе среди планет обладает Марс, а наибольшей — Юпитер.
Известные бактерии сальмонеллы, которые являются причиной кишечных заболеваний, в состоянии невесомости ведут себя активнее и способны причинить человеческому организму намного больший вред.
Среди всех известных астрономических объектов во Вселенной наибольшей силой гравитации обладают черные дыры. Черная дыра размером с мячик для гольфа, может обладать той же гравитационной силой, что и вся наша планета.
Сила гравитации на Земле одинакова не во всех уголках нашей планеты. К примеру, в области Гудзонова залива в Канаде она ниже, чем в других регионах земного шара.

Направление и гравитация — анимация в приложениях Windows — Windows apps

Twitter LinkedIn Facebook Адрес электронной почты

Статья
09/27/2022
Чтение занимает 2 мин

Направленные сигналы помогают закрепить ментальную модель пути, который пользователь проделывает в интерфейсе. Очень важно, чтобы направление любого движения поддерживало и непрерывность пространства, и целостность объектов в пространстве.

Направленное движение подвергается таким силам, как гравитация. Применение сил к движению усиливает естественное чувство движения.

Примеры

Если у вас установлено приложение коллекции WinUI 2 , щелкните здесь, чтобы открыть приложение и увидеть движение в действии.

Получение приложения коллекции WinUI 2 (Microsoft Store)
Получить исходный код (GitHub)

Направление движения

Направление движения соответствует физическому движению. Так же, как в природе, объекты могут перемещаться по любой оси — X, Y, Z. Так мы воспринимаем движение объектов на экране. При перемещении объектов избегайте неестественных конфликтов. Имейте в виду, откуда приходят и переходят объекты, и всегда поддерживайте конструкции более высокого уровня, которые могут использоваться в сцене, например направление прокрутки или иерархия макета.

Направление навигации

Для направления навигации между сценами в приложении характерна концептуальность. Пользователи переходят вперед и назад. Сцены появляются в поле зрения и уходят из него. Эти концепции в сочетании с физическим перемещением помогают пользователю.

Когда навигация вызывает перемещение объекта из предыдущей сцены в новую, объект просто перемещается из точки A в точку B. Чтобы повысить реалистичность перемещения объекта, добавляется стандартная анимация, а также ощущение силы притяжения.

При переходе назад перемещение отображается в обратном порядке (из точки B в точку A). Когда пользователи переходят назад, они рассчитывают как можно быстрее вернуться к предыдущему состоянию. Движение происходит быстрее, более прямолинейно и с замедлением в анимации.

Здесь эти принципы применяются, так как выбранный элемент остается на экране во время навигации вперед и назад.

Когда навигация вызывает вымещение расположенных на экране элементов, важно показать, куда уходит старая сцена и откуда появляется новая.

Это имеет несколько преимуществ:

Закрепление ментальной модели пространства у пользователя.
Продолжительность выхода сцены обеспечивает больше времени для подготовки содержимого для анимации для входящей сцены.
Это повышает воспринимаемую производительность приложения.

Существует 4 сдержанных направления навигации для рассмотрения.

Переадресация Празднуйте содержимое, которое вводит сцену таким образом, чтобы не сталкивались с исходящим содержимым. Содержимое замедляется в сцене.

Переадресация Содержимое завершается быстро. Объекты ускоряют работу с экрана.

Назад Аналогично переадресации, но обратно.

Назад То же, что и переадресация, но обратный.

Сила тяготения

Сила тяготения делает процессы более естественными. Объекты, которые перемещаются по оси Z и не привязываются к сцене с помощью возможностей на экране, могут повлиять на гравитацию. Как объект ломается от сцены и до того, как он достигает escape-скорости, гравитация тянет вниз на объект, создавая более естественную кривую траектории объекта по мере его перемещения.

Гравитация обычно проявляется, когда объект должен переходить от одной сцены к другой. Из-за этого подключенная анимация использует концепцию гравитации.

Здесь на элемент в верхней строке сетки воздействует гравитация, что вызывает его небольшое падение по мере отрыва от своего места и перемещения на передний план.

Обзор движения
Согласование по времени и реалистичная анимация

Жизнь с гравитацией и без нее

Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, сыграло важнейшую роль в эволюции человека и наземных животных. Однако гравитационная физиология — наука о месте гравитационных сил и взаимодействий в структурно -функциональной организации живых систем — возникла не так давно, всего полвека назад. Чтобы понять, до какой степени живые организмы зависят от силы земного притяжения, потребовалось это притяжение преодолеть, то есть выйти в космос. Специалисты по гравитационной физиологии регулярно встречаются вместе, чтобы рассказать о своих исследованиях и обсудить проблемы. Очередной, 25-й Международный симпозиум по гравитационной физиологии состоялся в Москве в июне 2004 года. В нем принимали участие ученые из России, США, Франции, Германии, Японии и других стран. На симпозиуме побывала специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь» кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Иммерсионная модель (погружение в воду через пленку или в гидрокостюме) позволяет имитировать многие эффекты невесомости.

Камбаловидная мышца, названная так из-за своей плоской формы, несет основную нагрузку по поддержанию тела в вертикальном положении.

Специальный башмак, который имитирует опорную нагрузку. Давление на стопу оказывает сжатый воздух, нагнетаемый компрессором в ритме ходьбы или бега.

Если кость не испытывает нормальной опорной нагрузки, толщина слоев губчатой костной ткани уменьшается.

‹

›

Открыть в полном размере

Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее гравитация «учтена» практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. Но чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос, туда, где сила тяжести практически исчезает. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирова ние живого организма зависит от величины гравитационных сил. Именно с началом космической эры возникла гравитационная биология как наука. У нас в стране такие исследования сосредоточились в Институте медико-биологических проблем РАН.

ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭКСКУРС, ИЛИ ОБРЕТЕНИЕ ТОЧКИ ОПОРЫ

Жизнь, как известно, зародилась в океане, и первые позвоночные, заселившие толщу воды, находились в состоянии, которое можно назвать псевдоневесомостью. Более точное определение для этих условий — безопорность. И надо сказать, рыбы и другие морские позвоночные животные превосходно адаптированы к существованию в среде без опоры, у них достаточно хорошо развиты системы движения и ориентации в трехмерном пространстве. Гравитационные проблемы возникли с выходом животных на сушу. Надо было не только поддерживать положение тела в пространстве (ведь здесь уже нет выталкивающей архимедовой силы), но и передвигаться, добывать пропитание. Ползание на брюхе или прыжки не самый удобный способ передвижения, доступный к тому же только относительно мелким животным. (Кстати, крупнейшие позвоночные животные — киты — способны существовать только в океане благодаря архимедовой силе, компенсирующей силу тяжести.) На земле крупным животным пришлось приподнимать тело над землей, и с этого момента заработали все закономерности гравитационной физиологии.

Нужны были механизмы, противостоящие силе тяжести, поэтому эволюция и те силы, которые ею управляли, встроили гравитационный фактор почти в каждую систему. Начала формироваться не только усиленная костно-мышечная система с развитыми конечностями, удерживающая тело в пространстве над землей в покое и в движении, но и система обеспечения всех частей тела кислородом и питательными веществами — мощный сердечный насос, способный гнать кровь вверх. А когда предки человека встали на ноги, также потребовалась перестройка механизмов нервной системы, управляющих движением конечностей (об этом на симпозиуме рассказал молодой французский ученый Ж. Куртен).

УВИДЕТЬ В КОСМОСЕ, ИЗУЧАТЬ НА ЗЕМЛЕ

Хотя гравитационная физиология тесно связана с космическими исследованиями, наука эта вполне земная. Ее достижения уже нашли (и еще найдут!) применение в медицине для лечения заболеваний нервной системы и двигательного аппарата. Более того, основные эксперименты с участием человека сейчас проводят не в космосе, а на Земле. Космос позволяет выявить роль гравитации, но не позволяет корректно изучать ее. Физические упражнения, которые помогают космонавтам выжить на орбите, не дают возможности проводить «чистые» эксперименты. К тому же на Земле рядом с испытуемым всегда находится бригада врачей, готовых немедленно оказать помощь. На борту космической станции ситуация иная, там здоровьем и работоспособностью экипажа рисковать никак нельзя.

Строго говоря, космический корабль или спутник, находящийся на околоземной орбите, не обеспечивает состояние полной невесомости. Небольшая сила тяжести там все же есть, и такие условия называют микрогравитацией. Настоящую невесомость можно получить в аппарате, который летит с постоянной скоростью и не испытывает каких-либо гравитационных возмущений со стороны других небесных тел. А полет по орбите вокруг планеты — это, по сути, долгое-долгое падение, вплоть до самой посадки. Однако это отличие, важное с точки зрения физики, для физиологии значения не имеет, и микрогравитацию организм воспринимает как полное отсутствие тяготения.

На Земле состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Довольно много экспериментов с параболическими полетами проводят американские ученые, однако состояние невесомости при этом длится 40 секунд — ничтожно мало по сравнению даже с одним витком космического корабля вокруг Земли.

Гораздо более удобными оказались экспериментальные модели, которые имитируют некоторые эффекты уменьшенной гравитации. Одна из таких замечательных моделей, придуманная в нашей стране еще в 1973 году, — иммерсия, или сухое погружение. Бассейн с водой покрывают свободно расположенной водонепроницаемой пленкой, человек ложится на эту пленку, но с водой при этом не соприкасается, вода смыкается над человеком в пленке, и наружу торчит одна голова. Такая модель как раз и обеспечивает ту самую безопорность, которая существует в океане.

Изучение гравитационных воздействий не ограничивается микрогравитацией. Серьезные последствия, причем проявляющиеся сразу, оказывает гипергравитация, или перегрузка. Такие состояния возникают, например, при взлете и посадке самолетов и космических аппаратов, а моделируют их и изучают с помощью центрифуги.

МЫШЕЧНЫЙ ТОНУС ПОМОГАЕТ СОСУДАМ

Как организм узнает, что гравитационное поле такое, а не другое, что оно есть или что его нет, что изменилось его направление?

У животных и человека важнейшая гравитационно-чувствительная система — сердечно-сосудистая. Кровь под действием силы тяжести стремится опуститься вниз, но в организме выработались определенные системы противодействия этому фактору. В том числе барорецепторная система, регулирующая давление крови в верхней части тела, в каротидных артериях, которые снабжают мозг, что жизненно важно. Барорецепторы — это клетки, нервные окончания которых реагируют на давление крови. Например, если давление снижается, они включают систему поддержания давления. Но если падение давления происходит слишком резко и барорецепторы не успевают срабатывать, наступает потеря сознания. Эта ситуация хорошо знакома многим, если не всем людям. Человек просыпается утром, встает — кружится голова. У больного, который постоянно лежит в постели и адаптировался к горизонтальному положению, развивается гравитационная, или ортостатическая, недостаточность: любая попытка принять вертикальное положение («ортостаз» в переводе с латинского означает «прямо стою») вызывает большие трудности.

Чтобы бороться с такой ситуацией, нужно понять, как организовано поддержание ортостатической функции. В последние годы стало ясно, что помимо барорецепторов существует еще один важнейший механизм регуляции давления крови — так называемый мышечный насос. Раньше ему не придавали большого значения, поскольку вены, по которым кровь поднимается от нижней части тела к сердцу, не имеют такого гладкомышечного слоя, как артерии, то есть почти не обладают собственным насосным действием. Так как же происходит проталкивание крови? Член-корреспондент РАН Инеса Бенедиктов на Козловская выдвинула гипотезу о роли мышечного тонуса в функционировании сосудистой системы. В обычных условиях у человека постоянно напряжены мышцы конечностей, брюшного пресса. Задача удерживать тело и передвигаться требует от них постоянного тонуса. Этот мышечный тонус и позволяет проталкивать кровь чисто механически. Если тонус снижен, проталкивание крови резко ухудшается.

Совсем недавно в совместных российско-французских исследованиях на борту Международной космической станции и в экспериментах с иммерсией было показано, что в невесомости (или при ее моделировании) увеличивается податливость, мягкость вен. На симпозиуме об этих данных сообщили кандидат медицинских наук Г. Фомина и профессор О. Л. Виноградова.

МЫ ЧУВСТВУЕМ ГРАВИТАЦИЮ… ПОДОШВАМИ

Итак, гравитационные изменения в работе сердечно-сосудистой системы связаны с тонусом мышц, но от чего зависит этот мышечный тонус? Самая гравитационно-чувствительная мышца человека — камбаловидная. Находится она на задней поверхности голени в глубине, сразу над ахилловым сухожилием, и закрыта двумя головками икроножной мышцы. Камбаловидная мышца одна «тянет» 70 кг веса человека, а когда он бегает и прыгает — еще больше. Американцы подсчитали, что на эту мышцу при динамических нагрузках приходится до 10 весов тела, конечно, однократно, в момент толчка.

В невесомости или в экспериментах, ее моделирующих, тонус камбаловидной мышцы резко падает. Как мышца узнает о том, что уровень гравитации стал другим? Конечно, поступают какие-то сигналы от нервной системы, но и в самой мышечной ткани, по-видимому, есть клеточные и молекулярные датчики. Сейчас их изучение только началось, появились представления о механочувствительных каналах в мембране клеток, но эта область пока еще остается белым пятном в науке.

Зато удалось выявить существование совершенно нового органа чувств. В учебниках этого еще нет, но гравитационные физиологи уже признали существование новой сенсорной системы, реагирующей на изменение гравитации, — системы восприятия опоры. Роль новых органов чувств выполняют подошвы ног, а точнее, расположенные в них рецепторы глубокой кожной чувствительно сти — так называемые тельца Фатера-Пачини. Они открыты еще в XIX веке, но их роль в гравирецепции установлена совсем недавно. Конечно, мы воспринимаем подошвами не вес тела, а силу реакции опоры, равную весу по величине и противоположную по направлению, но физиологической сущности это не меняет.

Как именно работают тельца Фатера-Пачини, пока не ясно. Ученые полагают, что механическое воздействие силы реакции опоры передается через нервную систему и влияет на состояние определенных клеток спинного мозга — мотонейронов. В результате в зависимости от силы реакции опоры включаются или выключаются системы, управляющие работой тех мышц, которые поддерживают позу, — это так называемая позно-тоническая система. Другая мышечная система — локомоторная — обеспечивает быстрые и резкие движения в пространстве. Кстати, наличие двух мышечных систем — открытие гравитационной физиологии, связанное с именем И. Б. Козловской. Именно тоническая система противостоит силе тяжести.

Любимая экспериментальная модель для изучения мышечного тонуса — иммерсия, о которой речь шла выше. Эта модель действительно обеспечивает безопорность. По законам гидростатики давление со всех сторон одинаково, а потому организм давления не чувствует. Однако если искусственно имитировать опору, то мышечный тонус можно поддерживать на должном уровне и в условиях иммерсии. Для этого в Институте медико-биологических проблем изобрели уникальный тренажер, который представляет собой башмак с пневматическим приводом. Воздух, сжимаясь, оказывает периодическое давление на стопу, имитируя ходьбу. С такими тренировками мышечный тонус у испытуемых после семидневного погружения в воду оставался в норме.

Ученые пытаются понять, как происходит регуляция мышечной активности на уровне клетки. Как система белкового синтеза мышечных волокон узнает, что ей надо прекращать работу? Как система распада белка получает сигнал — атакуй, повышай активность? Ясно, что существует система, которая «чувствует», работает мышца или нет. Один из возможных механизмов связан с ионами кальция. Недавно стало известно, что при разгрузке (и, конечно, в отсутствие мышечных сокращений) уровень кальция в мышечных волокнах повышен. Интересно, что если связать избыточный кальций, то можно избежать многих неблагоприятных эффектов невесомости. Об этих первых экспериментах со связыванием кальция на симпозиуме рассказал Б. С. Шенкман.

ГРАВИТАЦИЯ, СОЛЬ И ВОДА

То, что тело человека состоит на 70% из воды, давно известно, но вода эта, в соответствии с принятой в физиологии моделью, находится в разных секторах: внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость (сюда относятся жидкости полостей — брюшной, грудной, церебральной) и сосудистая (кровь). Эволюция добилась того, чтобы не только состав, но и объем жидкости организма поддерживался постоянным, поскольку это дает человеку и крупным животным наибольшую свободу в приспособлении к различным условиям внешней среды.

Как обеспечивается такое постоянство состава и объема? У здорового человека работают механизмы как пассивной регуляции, на основе физико-химических законов, так и с помощью биологически активных веществ. Когда что-то разлаживается, возникают отеки или же несахарный диабет, при котором организм не способен задержать выпитую жидкость.

До того как человек полетел в космос, ученые не подозревали, что функция поддержания состава и объема жидкости зависит от гравитации. Но оказывается, что на снижение силы тяжести организм реагирует направленными усилиями по уменьшению объема внеклеточной жидкости. Объем внутрисосудистой жидкости тоже уменьшается. Если бы человеку предстояло всю оставшуюся жизнь провести на борту космической станции, то эту реакцию следовало бы назвать адаптивной: в невесомости с пониженным объемом жидкости легче жить и работать. Но при возвращении на Землю после продолжительных космических полетов (дольше нескольких суток) возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг. И дело не только в понижении мышечного тонуса, но и в том, что у сердечно-сосудистой системы просто не хватает объема крови, чтобы заполнить все сосудистое русло.

Казалось бы, достаточно дать человеку выпить воды или раствора солей, но все не так просто. Системы регуляции водно-солевого обмена требуют времени для обратной перестройки, и поначалу жидкость в организме не задерживается. На симпозиуме прозвучал доклад Мартины Хеер из кельнского Центра авиакосмической физиологии. Она рассказала, что по данным, полученным в полетах немецких космонавтов, в условиях реальной невесомости в коже и соединительных тканях начинает откладываться натрий, но не в виде иона, а в связанной с белком форме. Подобный механизм «запасания» минеральных веществ существует у млекопитающих, которые впадают в спячку. Почему это происходит у космонавтов — пока не ясно.

КОСМИЧЕСКИЙ ОСТЕОПОРОЗ И КАК С НИМ БОРОТЬСЯ

Изучение костной системы — один из важнейших разделов гравитационной физиологии. Отсутствие нагрузок на кости в условиях микрогравитации приводит к понижению минеральной плотности кости, что очень похоже на остеопороз. Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. В нижних конечностях процесс потери кальция выражен сильнее, чем в верхних, а в черепе кальций даже откладывается. Как показали исследования доктора медицинских наук В. С. Оганова, процесс восстановления нормальной минеральной плотности занимает в 2-3 раза больше времени, чем длится космический полет, и после продолжительных космических экспедиций растягивается на годы.

Предотвратить потерю кальция — насущная задача, поскольку космонавт, возвращаясь на Землю, испытывает перегрузки посадки. Если кость потеряла прочность, перегрузка может привести к компрессионному перелому позвонков или даже к перелому трубчатых костей.

Для изучения процессов в костной ткани в земных экспериментах используют модель с вывешиванием крыс за хвост. При этом крыса опирается о пол передними лапками, а вот задние как бы находятся в состоянии невесомости. В нормальных условиях кости скелета у крысы растут до самой старости, а при вывешивании их рост затормаживается. Замедляется и процесс ремоделирования — постоянного обновления костной ткани. В экспериментах, которые проводила И. М. Ларина, потерю кальция у крыс удалось предотвратить с помощью ибандроната — препарата, который замедляет рассасывание костной ткани. Возможно, в ближайшем будущем этот препарат войдет в состав космической бортовой аптечки.

КЛЕТКИ НЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ

Первые исследования на клетках, которые проводили до полета человека в космос, давали противоречивые результаты. Исследовательская техника была несовершенна, модели не отработаны, случалось, что клетки гибли, и тогда скептики начинали утверждать — космос для человека закрыт. Но по мере усовершенствования экспериментального оборудования и моделей выяснилось, что на клеточном уровне все не так страшно. Клетки в космосе размножались, продуцировали обычные для них вещества. На некоторый период возобладало мнение, что невесомость на клетки вообще не действует, что клетка слишком маленькая, силу тяжести она не ощущает, и только на физиологическом уровне можно уловить какой-то эффект. И лишь исследования последних лет убедительно показали: микрогравитация все-таки влияет на клетки, но ее влияние неразрушительно, и одна из точек приложения — цитоскелет. Структурные элементы цитоскелета — актиновые нити, которые в норме равномерно заполняют объем клетки, сдвигаются к краям. При этом изменяется функционирование и рецепторов, и ионных каналов. Клетка как бы адаптирует свою жизнедеятельность под уменьшенную гравитацию.

Можно ли как-то использовать микрогравитацию в биотехнологических целях? Обсуждаются проекты выращивания клеток хряща или костной ткани, но для этого требуется оборудование, которое не так-то просто разместить в ограниченном пространстве космической станции.

Пока что на МКС проходят более простые, но не менее важные эксперименты с иммунными клетками, о которых рассказала на симпозиуме Л. Б. Буравкова. Объектами исследования стали так называемые естественные киллеры, составляющие 5-8% среди всей популяции лимфоцитов, которые распознают и уничтожают опухолевые клетки, а также клетки, пораженные вирусом, и клетки с отклонениями от нормы. Первые эксперименты показали, что микрогравитация не нарушает межклеточного взаимодействия, но активность киллеров может меняться. Сейчас ученые приступили к изучению влияния микрогравитации на стволовые клетки.

КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЛЕЧЕНИИ ЗЕМНЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Одна из задач гравитационной физиологии — понять, как невесомость действует на здоровье космонавтов, и помочь в разработке профилактических мер. Однако многие полученные результаты могут быть востребованы и в практике земной медицины.

Весьма перспективная область исследования — поведение мышечных ферментов при миопатиях. Заболевания эти тяжелые, нередко приводящие к смертельному исходу в молодом возрасте. Например, при миодистрофии Дюшенна больные редко доживают до 20 лет, а в России с таким диагнозом рождаются 3 человека на 10 тысяч.

У здорового человека при интенсивной мышечной нагрузке в кровь из мышечных волокон выходит довольно значительное количество фермента креатинфосфокиназы. Почему это происходит, пока не совсем ясно, видимо, мембрана мышечных клеток под нагрузкой становится «дырявой». Аналогичное явление, но без больших физических нагрузок наблюдается у больных миопатией, при этом концентрация фермента в крови еще выше. А вот в космосе и в экспериментах с иммерсией поступление молекул этого фермента в кровь резко снижается. Эти результаты дают надежду, что с помощью иммерсии удастся снизить повреждающее воздействие факторов, которые приводят к миопатии. В лаборатории Б.С. Шенкмана пока проводят соответствующие исследования на животных.

Некоторые методы, разработанные в отделе сенсомоторной физиологии и профилактики, которым руководит И. Б. Козловская, уже активно внедряются в клинику. С помощью нагрузочных костюмов сейчас лечат детский церебральный паралич, инсульт, болезнь Паркинсона. На очереди применение искусственной опоры — того самого пневматического башмака, о котором уже говорилось. К его испытаниям приступают в нервной клинике Российского государственного медицинского университета.

Исследования в космической области помогают разработать новые способы фармакологического воздействия на водно-солевой обмен, лечения состояний, связанных с обезвоживанием.

КАК ДОЛЕТЕТЬ ДО МАРСА

Физиологическим проблемам полета на Марс был посвящен доклад директора Института медико-биологических проблем академика А. И. Григорьева. Успехи космонавтики последних десятилетий делают такой проект достаточно реальным. Накоплен опыт биомедицинской поддержки долговременных экспедиций на орбитальных станциях и полетов на Луну, где сила гравитации меньше земной примерно в 6 раз. А после Луны естественная ближайшая цель космических исследований — Марс. Благодаря непилотируемым полетам наши знания о Красной планете существенно возросли.

Какие основные трудности ждут человека во время такого полета? Минимальная расчетная продолжительность экспедиции — 500 суток, то есть полтора года, причем полет будет проходить в автономном режиме. Если на станцию, расположенную на околоземной орбите, всегда можно выслать корабль с дополнительным продовольствием и топливом, то в дальней экспедиции экипажу придется рассчитывать только на свои силы. Факторов, которые будут «подтачивать» эти силы, очень и очень много: стресс из-за вынужденного нахождения в ограниченном пространстве и искусственном окружении, космическая радиация, отсутствие привычного магнитного поля. Но прежде всего — изменение гравитационного поля. Во время пилотируемого полета на Марс человек столкнется с разными уровнями гравитации. Во-первых, это гипергравитация (перегрузка) во время взлета и посадки. Во-вторых, микрогравитация (невесомость) в течение длительного межпланетного перелета. В-третьих, гипогравитация на поверхности Марса, которая составляет 38% от земной силы тяжести.

Перегрузки тяжелы для организма: это огромное напряжение для мышц, костей, сосудов. Меняется и метаболизм: возрастает потребление кислорода, падает температура тела, нарушается суточный ритм. По счастью, такие нагрузки кратковременны, и подготовиться к ним можно, тренируясь на центрифугах.

Казалось бы, по сравнению с перегрузкой невесомость должна доставлять более приятные ощущения. Но, как уже говорилось выше, отсутствие силы тяжести чревато неприятными последствиями для самых разных систем организма: происходит перераспределение жидкости в организме, снижаются сократительная способность мышечных волокон и минеральная плотность костной ткани, усиливается риск переломов и образования камней в почках.

В космическом полете изменяется состояние вестибулярного аппарата и сенсорных систем. Происходит расстройство всех форм зрительных движений. Причем микрогравитация влияет как на скорость, так и на точность зрительной реакции. А ведь задача человека в длительном полете — не просто выдержать нагрузки, но и сохранить способность к сложной операторской деятельности. Долетев до Марса, надо будет посадить на поверхность планеты спускаемый модуль, а затем стартовать. А для успешной работы на Марсе необходима быстрая адаптация к марсианской гравитации после долгого пребывания в невесомости.

Как справиться с проблемой неблагоприятного влияния невесомости в условиях длительного полета? Первым делом приходит в голову мысль о создании искусственной гравитации. Идею искусственной гравитации, создаваемой с помощью вращения, впервые выдвинул еще Циолковский. Она была реализована на искусственном спутнике «Космос-936», в котором летали крысы. Однако результаты первых исследований показывают, что всех проблем искусственная гравитация не снимает. Сейчас осуществляется международный проект по изучению физиологического действия искусственной гравитации, в котором участвуют Россия, Германия и США.

Опыт орбитальных станций показывает, что более перспективно использование бортового комплекса тренажеров, который работает по принципу обратной связи и автоматически определяет нагрузку, необходимую космонавту.

В любом случае, если посылать человека на Марс, надо сделать все, чтобы он вернулся обратно, и вернулся здоровым.

РАЗМЫШЛЕНИЯ ПОСЛЕ СИМПОЗИУМА

Симпозиумы по гравитационной физиологии имеют свою историю. В середине 1970-х годов четыре выдающихся ученых: американцы Артур Смит и Нелло Пейс, швед Хилдинг Бьюрштедт и Олег Георгиевич Газенко, в то время директор Института медико-биологических проблем, — собрались вместе и учредили так называемую Гравитационную комиссию, а точнее, Комиссию по гравитационной физиологии Международного союза физиологических наук. С заседаний этой комиссии и начались регулярные встречи специалистов, изучающих влияние гравитации на живое, которые проходят в атмосфере неформального, дружеского общения.

«Мы все давно знаем друг друга, и каждая такая встреча — праздник, — говорит ответственный секретарь оргкомитета Б. С. Шенкман. — Такие симпозиумы нужны для того, чтобы учить молодежь, приучать наших молодых исследователей общаться и работать на международном уровне. В космической отрасли почти все эксперименты — международные. И, к сожалению, у нашей науки здесь те же проблемы, что и у страны в целом. Мы проводим хорошие, интересные эксперименты, а тонкими аналитическими технологиями (включая дорогостоящее оборудование), позволяющими исследовать клеточные и молекулярно-биологические механизмы, часто владеют только наши западные коллеги. Иначе говоря, нам крысу в космос запустить — запросто, а вот исследовать у нее гены — уже гораздо труднее. Тем не менее наша область науки выходит из прорыва. В лабораториях появляются новые приборы. Все больше молодых сотрудников возвращаются из-за границы после длительных стажировок вооруженные последними методическими достижениями. И позволю себе высказать крамольную мысль: может быть, нужно больше денег вкладывать в тонкие базисные эксперименты, новое экспериментальное оборудование. К сожалению, не все понимают, что проводить практические разработки без фундаментального научного обеспечения будет означать всего лишь возвращение к допотопному методу «проб и ошибок» (что в итоге обойдется обществу гораздо дороже). Не надо ждать от науки каждодневных сенсаций, не надо требовать от нее сиюминутных чудес. Как показывает исторический опыт, вложения в науку всегда окупаются, но не всегда — сразу».

Редакция благодарит доктора биологических наук Б. С. Шенкмана, доктора медицинских наук И. М. Ларину и доктора медицинских наук Л. Б. Буравкову за помощь в подготовке материала.

Что такое гравитация

Содержание страницы:

Гравитация от Эйнштейна
Небесная механика
Гравитационные волны
Гравитон
Квантовая гравитация
Сильные гравитационные поля
Гравитационный коллапс
Некоторые парадоксы

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.

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

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

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.
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.
В чёрной дыре прекращаются все процессы, кроме одного – гравитации. Её ничто не может поглотить или искривить.

Что такое гравитация? Путеводитель по самой загадочной силе природы

Без гравитации нас бы не было. Она обеспечивает силу, которая удерживает нас на поверхности Земли и Землю на орбите вокруг Солнца.

В первую очередь он был ответственен за формирование Солнечной системы, и именно гравитационное притяжение всего материала Солнца, стягивая его вместе, делает возможным ядерный синтез, дающий нам тепло и легкий.

Тем не менее, несмотря на свою вездесущность, гравитация является одной из самых загадочных сил во Вселенной.

Что такое гравитация?

Будучи одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями, гравитация оказывает огромное влияние на природу.

Это свойство материи, вещества. В двух словах: вся материя притягивается ко всей другой материи. Чем больше материи и чем ближе объекты друг к другу, тем больше эта сила притяжения.

И в отличие от электричества и магнетизма, которые могут либо отталкивать, либо притягивать, гравитация всегда сближает.

Узнайте больше о гравитации:

В поисках квантовой гравитации: почему ошибаться так важно для науки
Что-то не так с гравитацией

Что такое теория гравитации Ньютона?

Портрет Исаака Ньютона (1642-1727) © Getty Images

Ньютон, как известно, заявил, что у него нет гипотезы о том, как работает гравитация.

Вместо этого, его отправной точкой для описания этого в действии была идея, что гравитация универсальна — что то же самое, что заставляет яблоко падать с дерева, удерживает Луну на орбите.

С помощью этой концепции, набора астрономических данных и нескольких умных мысленных экспериментов Ньютон смог показать, что всего три фактора влияют на гравитационное притяжение между двумя объектами: масса каждого объекта и расстояние между ними.

Хотя он никогда не записывал это в такой форме, его теория должна была показать, что гравитационное притяжение подчиняется закону обратных квадратов. Силу гравитации можно рассчитать, перемножив массы двух объектов и разделив их на квадрат расстояния между ними. Таким образом, сила притяжения возрастает по мере увеличения массы объектов или по мере их сближения.

Этого простого соотношения было достаточно, чтобы объяснить почти все движения Луны и планет, и это было бы все, что нужно НАСА для расчета безопасной траектории миссии Аполлона на Луну.

Что такое принцип эквивалентности?

Принцип эквивалентности основан на том, что Альберт Эйнштейн назвал своей «самой счастливой мыслью».

Это было то, что «если человек свободно падает, он не почувствует собственного веса». Другими словами, ускорение и гравитация совершенно эквивалентны и неразличимы.

Мы видим, как это происходит на Международной космической станции. Сила притяжения на орбитальном расстоянии станции от Земли составляет около 90% силы тяжести на поверхности, и тем не менее астронавты летают.

Астронавты на борту МКС постоянно падают на Землю © Getty Images

Причина, по которой люди парят там, заключается в том, что они постоянно падают на нашу планету. Мы могли бы ожидать, что они врежутся в поверхность Земли, но они также движутся вбок с нужной скоростью, чтобы постоянно промахиваться — вот что подразумевает нахождение на орбите.

Больше похоже на это

Принцип эквивалентности показывает, что ускорение, которое происходит при падении человека, уравновешивает его вес. Эйнштейн оторвался от своей счастливой мысли и предположил, что ускорение и гравитация — это, по сути, одно и то же.

И это вдохновило его на создание общей теории относительности, которая предсказывает силу гравитации и объясняет, как она работает.

Что такое общая теория относительности Эйнштейна?

Используя свой принцип эквивалентности, Эйнштейн смог показать, что тела с массой — от атома до звезды — искажают пространство и время.

И именно это искривление объяснило то, что Ньютон никогда не мог показать: почему гравитация способна действовать на расстоянии.

Подобно баскетбольному мячу на батуте, окруженному шариками, более массивные объекты производят большие искажения в ткани пространства-времени, втягивая близлежащие объекты и заставляя их двигаться по изогнутым траекториям. Но эффект есть и у меньших тел — каждый из нас оказывает крошечное гравитационное воздействие на окружающие нас объекты.

Альберт Эйнштейн в своей лаборатории в Принстонском университете © Getty Images

Поскольку он придерживался совершенно иного подхода, чем Ньютон, Эйнштейну пришлось использовать другой вид математики, о котором он сам изначально мало знал: математику искривленного пространства.

И он должен был принять во внимание различные вторичные эффекты, существование которых у Ньютона не было оснований подозревать, такие как неожиданное открытие, что гравитация влияет сама на себя.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна делают все то же самое, что и уравнение Ньютона, предсказывая величину силы притяжения между двумя телами, но поскольку они описывают, как все, что имеет массу, искривляет пространство и время, они могут делать гораздо больше.

Эйнштейн доказал, что Ньютон ошибался?

Абсолютно нет. Работа Ньютона была описательной: он подгонял простое математическое уравнение к тому, что наблюдал.

Его математика ничего не говорит нам о том, как работает гравитация, но как описание поведения повседневных вещей она работала очень хорошо — и работает до сих пор.

Базового ньютоновского понимания гравитации было достаточно, чтобы космический корабль «Аполлон» отправился на Луну © Getty Images

Эйнштейн помог нам понять, что вызывает силу, которую мы называем гравитацией.

Он смог показать, что существуют определенные обстоятельства, обычно когда гравитация становится очень сильной, когда уравнение Ньютона не является достаточно хорошим приближением.

В этих случаях мы должны привлечь Эйнштейна, чтобы получить более точную цифру. И Эйнштейн также оказывается полезным, чтобы делать предсказания, которые даже не были бы предусмотрены в основных принципах ньютоновской физики.

Какие у нас есть доказательства общей теории относительности?

Существует огромное количество доказательств общей теории относительности.

До того, как Эйнштейн придумал свою теорию, астрономы изо всех сил пытались объяснить аспект орбиты Меркурия, называемый его прецессией, когда его точка наибольшего сближения с Солнцем постепенно меняет положение. Уравнения Ньютона не могли полностью объяснить эффект, но работа Эйнштейна могла.

Более того, идея о том, что гравитация вызвана искривлением пространства и времени, также поддавалась проверке, потому что это означало, что (например) свет, проходящий вблизи очень массивного тела, должен двигаться по кривой линии, проходя через искривленное пространство что создает тело.

Первое доказательство того, что Эйнштейн был прав относительно гравитации, пришло в виде солнечного затмения 1919 года. © Getty Images галактики действуют как линзы, искривляя путь света позади себя.

Еще одно предсказание уравнений Эйнштейна состоит в том, что нахождение рядом с массивным телом замедляет время: вот почему нам нужно корректировать сигнал спутников GPS, которые дают нам спутниковую навигацию.

Точно так же эксперимент под названием Gravity Probe B продемонстрировал, что вращающееся массивное тело тащит за собой пространство-время, как вращающаяся ложка в меду, как и предвидел Эйнштейн.

Какое отношение гравитация имеет к черным дырам?

Предсказания теории Эйнштейна обычно являются результатом решения упрощенных версий его уравнений. Один из первых описывал сжатую массу, в которой вся материя находилась в одной точке — «гравитационная сингулярность».

Позже выяснилось, что некоторые стареющие звезды не смогут сопротивляться силе гравитации и должны схлопнуться сами в себя, чтобы образовать такую точку, создав черную дыру. Гравитация в черной дыре настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее.

Точно так же Общая теория относительности предсказывала, что сама ткань Вселенной может расширяться и сжиматься. В сочетании с наблюдениями это стало основой для нашей лучшей теории развития Вселенной: модели Большого взрыва.

Общая теория относительности также может пролить свет на темную энергию — загадочное явление, которое, кажется, ускоряет расширение Вселенной.

Что такое гравитационные волны?

Тело с массой искажает пространство и время, поэтому, если это тело ускоряется в пространстве, оно должно вызывать рябь в пространстве-времени вокруг себя.

Эти пульсации называются гравитационными волнами и движутся наружу подобно тому, как ускорение электронов вверх и вниз по антенне генерирует электромагнитные волны радио и телевидения.

Гравитационные волны, которые Эйнштейн предсказал вскоре после разработки своей общей теории относительности, должны постоянно возникать из огромного количества источников. Однако гравитация — чрезвычайно слабая сила, а это значит, что эти волны чрезвычайно трудно обнаружить.

Гравитационные волны — рябь в ткани пространства и времени — подтвердили предсказания Эйнштейна © Getty Images двумя сливающимися черными дырами.

Детекторы LIGO настолько чувствительны, что необходимо устранить любую вибрацию, от проезжающих машин до далеких волн, разбивающихся о пляж.

Гравитационные волны важны не потому, что они «доказывают теорию Эйнштейна» — у нас уже есть много доказательств для этого, — а потому, что они дают нам новый способ изучения Вселенной, оглядываясь на ее самые ранние годы, куда не мог проникнуть даже свет.

Общая теория относительности все объясняет?

Почти наверняка нет.

Общая теория относительности чрезвычайно эффективна и ни в чем не ошибается, когда дело доходит до предсказаний поведения повседневных объектов, но есть несколько обстоятельств — особенно в сердце черной дыры или при описании Вселенной до Большой Взрыв — где теория рушится.

Физика очень малого с впечатляющей точностью описывается квантовой физикой, но общая теория относительности и квантовая теория несовместимы. Все остальные силы природы «квантуются» — приходят порциями, а не постоянно варьируются.

Предполагается, что должна быть возможность разработать квантовую теорию гравитации, которая привела бы ее в соответствие с другими силами и по-прежнему давала бы те же результаты, что и теория Эйнштейна для более крупных объектов.

На данный момент лучшими попытками являются теория струн/М-теория и петлевая квантовая гравитация, но ни одна из них пока не дала каких-либо полезных предсказаний.

Может ли гравитация быть вызвана субатомной частицей?

Очень вероятно, и у него уже есть имя: гравитон. Один из способов, которым квантовая теория представляет передачу такой силы, как электромагнетизм, — это поток частиц-носителей, называемых «бозонами».

В случае электромагнетизма частицей является фотон. Каждая частица является «квантом» — куском — квантованного явления.

Итак, если гравитация является квантовым эффектом, мы предполагаем, что ее переносчиком будет гравитон. Однако не ожидайте, что в ближайшее время кто-то появится на Большом адронном коллайдере. Маловероятно, что гравитон будет взаимодействовать с другой частицей обнаруживаемым образом, поэтому в настоящее время нет реалистично мыслимого эксперимента, который мог бы его обнаружить.

Существует ли антигравитация?

Не то, чтобы мы знали. В отличие от электромагнетизма, гравитация — это односторонний эффект — она просто притягивает. Мы можем компенсировать гравитацию другими силами; вы делаете это каждый раз, когда что-то берете.

Это выглядит особенно впечатляюще, когда противодействующей силой является невидимый электромагнетизм, например, когда что-то плывет над магнитом, но это не антигравитация.

Мы также не знаем, как защититься от гравитации: она проходит сквозь все. Если бы мы могли остановить гравитацию, мы могли бы создать вечный двигатель и генерировать свободную энергию. Покрасьте одну и ту же сторону каждой лопасти водяного колеса барьерным веществом.

Лопасти на одной стороне колеса будут направлены оголенными сторонами к Земле, поэтому будут ощущать ее гравитационное притяжение, а лопасти на другой стороне будут защищены от гравитации. Так что только одна сторона колеса будет тянуться вниз, и оно будет вращаться вечно.

Единственный небольшой шанс обнаружить антигравитацию состоит в том, что антиматерия может гравитационно отталкиваться от обычной материи.

Ученые ЦЕРНа скоро получат достаточно антивещества, чтобы проверить это, но большинство физиков считают, что оно будет вести себя как обычное вещество.

Узнайте больше о космологии:

Две простые подсказки, которые говорят нам, когда возникла Вселенная
Наша Вселенная может иметь пятое измерение, которое изменит все, что мы знаем о физике
Внутри простой компьютерной программы, которая может объяснить почему Вселенная вообще существует

Руководство по изучению гравитационной силы | Inspirit

Что такое сила гравитации и как она влияет на все вокруг нас? Эта статья представляет собой введение в понятие гравитации.

Введение

Вы когда-нибудь слышали фразу «то, что поднимается, должно опускаться»? Идея была понята с тех пор, как люди были вокруг. Наши доисторические предки бросали в воздух дубинки и копья, чтобы охотиться, тогда как сейчас мы играем в бейсбол и метаем копье как вид спорта. Если подумать, даже Луна пытается упасть на землю, но движется так быстро, что постоянно промахивается! 😃 То же самое относится и к планетам, и к солнцу.

Гравитация постоянно воздействует на эти объекты, приближая их друг к другу. В этой главе мы узнаем о том, как эта таинственная сила удерживает все на месте, так что давайте приступим!

Источник

Что такое гравитационная сила?

Проще говоря, гравитация — это сила притяжения, которая существует между всеми объектами, имеющими массу. Даже на мельчайшие песчинки действуют гравитационные силы, которые притягивают частицы друг к другу. По определению сила притяжения между двумя объектами — это сила притяжения, прямо пропорциональная их массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Математическое выражение для гравитационной силы

Источник

Из приведенного выше определения мы видим, что есть два фактора, которые влияют на гравитационную силу между двумя объектами:

Масса объектов
Расстояние между объектами

Рассмотрим два объекта массами m1 и m2, разнесенные на расстояние (d). По определению гравитационная сила притяжения (F) между этими объектами определяется соотношением:

Здесь G — универсальная гравитационная постоянная, равная 6,67 × 10-11 Н·м2/кг2.

Так почему бы яблокам и апельсинам на обеденном столе не перевернуться и не слипнуться? Это потому, что сила притяжения земли на каждом плоде сильнее. В то время как гравитационные силы пытаются соединить яблоко и апельсин, фрукты сильнее удерживаются на своем месте гравитацией Земли.

Допустим, вы берете те же самые яблоко и апельсин в космос подальше от всех планет и звезд; тогда они бы легко притянулись и столкнулись друг с другом!

Основываясь на приведенной выше формуле, мы можем сделать два основных вывода относительно силы «притяжения» между двумя объектами:

Сила гравитации прямо пропорциональна массе объектов.
Это также означает, что объект большей массы будет притягивать к себе объект меньшей массы — думайте об этом как о напряженной игре в перетягивание каната!

Сила гравитации косвенно пропорциональна расстоянию между объектами.

Интересные факты о силе гравитации

Гравитация является ключом к балансу в нашей вселенной, и вот несколько случаев, когда гравитация играет огромную роль:

Сила гравитации также определяет ваш вес. Да, ты читаешь это правильно! Ускорение, создаваемое силой тяжести, которое является константой, обозначаемой как «g», определяет, сколько вы весите. Луна имеет только 1/6 гравитации Земли. Если на Земле вы весите 40 килограммов, то на Луне вы будете весить 6,6 килограмма! Однако гравитация Солнца в 27,9 раз больше земной, поэтому, если бы вы встали на Солнце (гипотетически), ваш вес составил бы около 1116 кг!
Гравитация — самая слабая из четырех фундаментальных сил. Остальные три — это электромагнитное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.
Крошечный магнит имеет достаточную электромагнитную силу, чтобы преодолеть гравитацию Земли и прилипнуть к двери вашего холодильника 😃

Заключение:

Гравитационная сила может быть описана как сила притяжения между двумя или более объектами.
Сила гравитации увеличивается по мере увеличения массы объекта.
Сила гравитации уменьшается по мере увеличения расстояния между объектами.
Сила гравитации удерживает все на земле на своих местах.

Часто задаваемые вопросы:

1. Что является примером гравитационной силы?

Когда вы подбрасываете мяч в воздух, он в конечном итоге перестает лететь к небу и возвращается обратно. Это происходит потому, что сила земного притяжения тянет мяч обратно вниз.

2. Что означает 9,8 м S²?

Ускорение свободного падения (g) относительно земли составляет 9,8 м/с². Это означает, что любой объект, брошенный с высоты (без учета сопротивления воздуха), будет ускоряться со скоростью 9,8 м/с². Мяч, брошенный со скалы, будет падать со скоростью 9,8 м/с через одну секунду после падения. Через 2 секунды он будет падать со скоростью 19,6 м/с; через 3 секунды он будет падать со скоростью 29,4 м/с и так далее.

Мы надеемся, что вам понравился этот урок, и вы узнали что-то интересное о Gravitational Force ! Присоединяйтесь к нашему сообществу Discord, чтобы получить ответы на любые вопросы и пообщаться с другими студентами, такими же, как и вы! Не забудьте загрузить наше приложение, чтобы испытать наши веселые классы виртуальной реальности — мы обещаем, это делает учебу намного веселее! 😎

Источники:

5.3 Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона. https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-physics-flexbook-2.0/section/5.3/primary/lesson/universal-law-of-gravity-phys/. По состоянию на 27 января 2022 г.
Что означает 90,8 Н/кг в среднем?. https://byjus.com/jee-questions/what-does-nine-point-eight-n-kg-mean/#:~:text=9. 8%20N%2Fkg%20is%20the,a%201%20kg% 20%20массы.&text=%20гравитация%20сила%20на%20, или%209,8%20м%2Fs2. По состоянию на 27 января 2022 г.
Ускорение гравитации. https://www.physicsclassroom.com/class/1DKin/Lesson-5/Acceleration-of-Gravity. По состоянию на 27 января 2022 г.

Jump In Camberley Adventure Park

Перейти к содержимому

Подписать отказ от прав

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО О БЕЗОПАСНОСТИ

Добро пожаловать в наш НОВЫЙ парк приключений!

Привет всем, ПОЖАЛУЙСТА, не забудьте добавить носки для захвата ко всем новым заказам, заполните отказы для всех участников и посмотрите видео о безопасности перед прибытием! Вы должны пройти регистрацию до прибытия в Jump In.

Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, прыжки на батуте, мягкие игры или скалолазание здесь!

Выберите местоCamberley

Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, батут, мягкие игры или скалолазание здесь!

Время семестра

Понедельник : с 10:00 до 19:00 (закрыто с 13:30 до 15:30 для групповых посещений)
: 30–15:30 для групповых посещений)
Четверг : 10:00–19:00 (закрыто 13:30–15:30 для групповых посещений)
Пятница : 10:00–21:00
Суббота: 900–620
Воскресенье: 9:00-17:00

Часы работы в праздничные дни

Summer Holiday Hours — 22nd July — 31st August

Monday : 10am-6. 30pm
Tuesday : 10am-6.30pm
Wednesday : 10am-6.30pm
Thursday : 10am-6.30pm
Пятница : с 10:00 до 21:00
Суббота : с 9:00 до 18:00
Воскресенье : 9:00 до 17:00

Время.

Jump In Adventure Park Кэмберли полон развлечений для всей семьи.

Наш батутный парк в Кемберли включает в себя батуты от стены до стены, гигантские подушки безопасности, боевые балки, вайпауты, акробатические дорожки, экстремальные горки, надувные лодки и многое другое!

Соберите свою семью и друзей и забронируйте сеанс Open Jump на 1–2 часа изучения и активности. Тогда почему бы не расслабиться в нашем Tuck In Café и не насладиться вкусными угощениями!

Время для малышей и мягкие игры в Кемберли

Осень в Jump In Adventure Park Кемберли полон активности независимо от погоды. Когда дети возвращаются в школу, наши популярные семестровые мероприятия возобновляются. Наше неограниченное время для малышей в середине недели работает с 10:00 до 13:30, а наш эксклюзивный час остается каждую субботу с 9:00.-10 часов утра. Родители, вы тоже можете прыгать, так как каждый билет позволяет одному малышу и одному родителю/опекуну исследовать, прыгать и смеяться вместе!

Когда программа «Время для малышей» не работает, наши мягкие игровые зоны остаются открытыми на 1,5 часа для наших маленьких гостей. Идеальное место для свиданий завершилось вкусными угощениями из нашего кафе Tuck In!

Предложение после школы

Для развлечения в середине недели, праздника или утомления детей после дождливого дня, наше предложение после школы создано специально для вас. Неограниченное количество прыжков и скалолазания с 15:30 до 18:00 (время может меняться) с кусочком пиццы (на вкус она просто восхитительна!)

Детские дни рождения в Кемберли

Наши отмеченные наградами дни рождения очень популярны. Заблаговременное бронирование, чтобы зарезервировать желаемый слот, очень важно сейчас. Мы проводим вечеринки Jumpin’, Pumpin’, в которых каждый захочет поучаствовать! Наши батуты и НОВЫЕ пакеты для вечеринок с мягкими играми даже получили награды как лучшие в своем районе (мы не любим хвастаться, но мы очень гордимся ими!)

Если вы ищете идеи для детского дня рождения, ознакомьтесь с наши VIP-пакеты или эксклюзивная аренда, потрясающие тематические комнаты и, самое главное, уборка сделана для вас!

И, наконец, не забудьте подписаться на нас в Facebook и Instagram, чтобы быть в курсе всех последних предложений, событий и развлечений на сайте!

Facebook

Instagram

Tik Tok

Время и цены

Специальные мероприятия

Все сеансы должны быть забронированы онлайн и НЕ включают носки Grip. Часы пик: выходные и школьные каникулы, включая праздничные дни

Все заказы должны быть сделаны онлайн. Посмотрите наше руководство, если вам нужна помощь.

Перед прыжком каждый должен заполнить и подписать онлайн-форму об отказе от ответственности.

Пожалуйста, приходите за 15 минут до сеанса, чтобы зарегистрироваться.

Что сейчас?

Батутный парк Открытый прыжок дает вам доступ ко всем областям — от батутов до боевых лучей гладиаторов и многого другого. Сеансы длятся 1, 1,5 и 2 часа. Цены от 9,95 фунтов стерлингов

Подробнее

Доступно в…

5-звездочные отзывы. Удостоенный наград. У детского батутного дня рождения Jump In есть лучший пакет услуг для вечеринки в городе! Цены от 11,95 фунтов стерлингов на человека

Подробнее

Доступно в…

Занятия для малышей и взрослых для наших самых маленьких прыгунов. Прыгайте вместе час или больше. Цены от 10 фунтов стерлингов для детей и взрослых (5 фунтов стерлингов на человека, минимальная покупка 2 билетов)

Узнать больше

Доступно в…

Игровые занятия Jump In Soft Play — это фантастическое развлечение для ваших малышей!

Знаете ли вы, что всю зону Soft Play можно арендовать за 90 минут и сделать его исключительно своим?

В наших игровых рамах есть горки, туннели, интерактивные развлечения и несколько мини-батутов!

Подробнее

Доступно в.

..
Мягкая игра для наших маленьких гостей. В наших игровых рамах есть горки, туннели, интерактивные развлечения и несколько мини-батутов! Цены от 6,45 фунтов стерлингов за малыша.
Узнать больше
Доступно в…
Прыжки В батутных парках и парках приключений в течение всего октября проводятся специальные мероприятия Fangtastic. Половина семестра и Хэллоуин приносят большое удовольствие с множеством дополнительных мероприятий. Прыгайте, карабкайтесь, играйте, танцуйте, мастерите и наряжайтесь! Не забудьте записаться на наши жуткие вечеринки в честь Хэллоуина!
Узнать больше
Доступно в…
Наша пятничная вечеринка — это то, что вам нужно. На нашей дискотеке зажглись огни и включилась музыка. Собери друзей, чтобы отлично провести вечер. Цены от 13,50 фунтов стерлингов
Подробнее
Доступно в…
Прыжки на батуте SEN Занятия для всех, у кого есть дополнительные потребности. Цены от 8,50 фунтов стерлингов
Подробнее
Доступно в…
Перейти к этому! Получите суперфит в нашем энергичном, прыгающем, накачивающем фитнес-классе на батуте. Цены от 8,00 фунтов стерлингов
Подробнее
Доступно в…
Батутный парк After School Club включает в себя прыжки, кусочек пиццы и напитки. БЕЗГРАНИЧНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ – платите за час, оставайтесь до последней сессии дня! (Только срок). Цены от 11,50 фунтов стерлингов
Подробнее
Доступно в…
Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, прыжки на батуте, мягкие игры или скалолазание здесь!
Выберите местоположениеCamberley
900:30 Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, прыжки на батуте, мягкие игры или скалолазание здесь!
This Just in.
..
Jump in Camberley – идеальное место для вечеринки по случаю дня рождения Jumpin! Дни рождения в Camberley Jump In Camberley с гордостью предлагает идеальные решения для вечеринок для всех, кто хочет отпраздновать особое событие! С более чем 50 взаимосвязанными батутами, вышибалом, баскетболом, экстремальными горками, огромным надувным и Wipeout & Battle Beam — что может быть лучше…
Подробнее
Социализация Очень важно дать детям, обучающимся на дому, полноценную всестороннюю подготовку, чтобы они могли освоить все жизненные навыки, которые им понадобятся, чтобы вырасти готовыми ко всему, что встретится на их пути! Для многих из нас дом — прекрасное место для начала обучения, но добавление регулярных экскурсий…
Подробнее
Отпразднуйте июньский юбилей с семейным визитом в Jump In Если вы ищете какие-нибудь веселые мероприятия во время Празднование июньских праздников, тогда не ищите ничего, кроме Jump In Adventure & Trampoline Park! У нас насыщенная неделя ВЕСЕЛИЯ, чтобы помочь детям отвлечься от экранов и заняться нашими батутами! Плюс…
Читать Подробнее
Найдите США
Прыжки в Camberley
6-7 Admiralty Way, Camberley GU15 3DT
0800 098 8212
ТОР. 30–15:30 для групповых посещений)
вторник: 15:30–19:00
среда: 10:00–19:00 (закрыт с 13:30 до 15:30 для групповых посещений)
четверг: 10:00–19:00 (закрыт 13:30–3: 30:00 для групповых посещений)
Пятница: 10:00 – 21:00
Суббота: 9:00 – 18:00
Воскресенье: 9с утра до 17:00
Время для малышей: с 10:00 до 13:30 (неограниченное количество игр в парке и мягких игр. Эксклюзивно для малышей до 12:00) Понедельник, среда, четверг и пятница.
9-10 утра в субботу
Relaxed SEN: 9-10 утра в воскресенье и 17-18:30 в среду
ЗАБРОНИРОВАТЬ СЕЙЧАС
Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, батут, мягкие игры или скалолазание здесь!
Выберите местоCamberley
Забронируйте вечеринку по случаю дня рождения, батут, мягкие игры или скалолазание здесь!
Остаток в Know
Держитесь в курсе всех The Jumpin ‘News и предлагает
Выберите LocationaberdeencamberleyEndinburghelstreeenfieldesheripswichshrewsburysloughwarwick
Местные места
913913.

Полезная информация
Юридический отдел
Следуйте за нами
© 2022 Jump In. Все права защищены.
Регистрационный номер: 9334235
Сайт разработан и SEO от totalsurf.net
13: Гравитация — Физика LibreTexts
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Идентификатор страницы
4054
ОпенСтакс
ОпенСтакс
В этом разделе мы изучаем природу гравитационной силы для таких маленьких объектов, как мы сами, и для таких массивных систем, как целые галактики. Мы показываем, как сила гравитации влияет на объекты на Земле и на движение самой Вселенной. Гравитация — это первая сила, которая постулируется как сила действия на расстоянии, то есть объекты оказывают гравитационную силу друг на друга без физического контакта, и эта сила падает до нуля только на бесконечном расстоянии. Земля оказывает на вас гравитационную силу, но то же самое действует и на наше Солнце, галактику Млечный Путь и миллиарды галактик, подобных показанным выше, которые настолько далеки, что мы не можем видеть их невооруженным глазом.
13.1: Прелюдия к гравитации
Наша видимая Вселенная содержит миллиарды галактик, само существование которых обусловлено силой гравитации. Гравитация, в конечном счете, ответственна за выход энергии всех звезд — она инициирует термоядерные реакции в звездах, позволяет Солнцу нагревать Землю и делает галактики видимыми с непостижимых расстояний.
13.2: Закон всемирного тяготения Ньютона
Все массы притягиваются друг к другу с гравитационной силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Сферически симметричные массы можно рассматривать так, как если бы вся их масса находилась в центре. С несимметричными объектами можно обращаться так, как если бы их масса была сосредоточена в их центре масс, при условии, что расстояние до них от других масс велико по сравнению с их размером.
13.3: Гравитация вблизи поверхности Земли
Вес объекта — это гравитационное притяжение между Землей и объектом. Гравитационное поле представлено в виде линий, указывающих направление гравитационной силы; межстрочный интервал указывает на силу поля. Кажущийся вес отличается от фактического веса из-за ускорения объекта.
13.4: Гравитационная потенциальная энергия и полная энергия
Ускорение силы тяжести изменяется по мере удаления от Земли, и выражение для потенциальной гравитационной энергии должно отражать это изменение. Полная энергия системы представляет собой сумму кинетической и гравитационной потенциальной энергии, и эта полная энергия сохраняется при орбитальном движении. Объекты с полной энергией меньше нуля связаны; те, у которых ноль или больше, не ограничены.
13.5: Спутниковые орбиты и энергия
Орбитальные скорости определяются массой тела, находящегося на орбите, и расстоянием от центра этого тела, а не массой гораздо меньшего объекта на орбите. Период обращения также не зависит от массы объекта, находящегося на орбите. Тела сравнимых масс вращаются вокруг своего общего центра масс, а их скорости и периоды должны определяться из второго закона Ньютона и закона всемирного тяготения.
13.6: Законы движения планет Кеплера
Иоганн Кеплер тщательно проанализировал положение на небе всех известных планет и Луны, нанеся их положение через равные промежутки времени. На основе этого анализа он сформулировал три закона: первый закон Кеплера гласит, что каждая планета движется по эллипсу. Второй закон Кеплера гласит, что планета проходит равные площади за одинаковое время. Третий закон Кеплера гласит, что квадрат периода пропорционален кубу большой полуоси орбиты.
13.7: Приливные силы
Земные приливы вызваны разницей в гравитационных силах Луны и Солнца на разных сторонах Земли. Весенние или приливы (приливы) возникают, когда Земля, Луна и Солнце выровнены, а приливы или (отливы) возникают, когда они образуют прямоугольный треугольник. Приливные силы могут вызвать внутренний нагрев, изменение орбитального движения и даже разрушение тел на орбите.
13.8: Теория гравитации Эйнштейна
Согласно общей теории относительности, гравитация является результатом искажения пространства-времени, создаваемого массой и энергией. Принцип эквивалентности утверждает, что и масса, и ускорение искажают пространство-время и неразличимы в сравнимых обстоятельствах. Черные дыры, результат гравитационного коллапса, представляют собой сингулярности с горизонтом событий, пропорциональным их массе.
13.E: Гравитация (упражнения)
13.S: Гравитация (Сводка)
Миниатюра: Наша видимая Вселенная содержит миллиарды галактик, само существование которых обусловлено силой гравитации. Гравитация, в конечном счете, ответственна за выход энергии всех звезд — она инициирует термоядерные реакции в звездах, позволяет Солнцу нагревать Землю и делает галактики видимыми с непостижимых расстояний. Большинство точек, которые вы видите на этом изображении, — не звезды, а галактики. (кредит: модификация работы НАСА).
Эта страница под названием 13: Gravitation распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
Наверх
Была ли эта статья полезной?
Тип изделия
Глава
Автор
ОпенСтакс
Лицензия
СС BY
Версия лицензии
4,0
Программа OER или Publisher
ОпенСтакс
Показать оглавление
нет
Теги
source@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-1
Гравитационная сила | Факты, информация, история и определение
17 марта 2020 г.
Когда объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу, сила между ними называется гравитационной силой.
Гравитация окружает нас повсюду. Он удерживает планеты в нашей Солнечной системе, например, на орбитах вокруг Солнца. Луна остается на орбите вокруг Земли также из-за гравитации.
Человек, которому больше всего приписывают открытие гравитации, — сэр Исаак Ньютон. Как гласит легенда, он наблюдал за падающим яблоком, размышляя о силах природы.
Он понял, что какая-то сила должна действовать на падающие предметы, например, на яблоки, потому что иначе они не тронутся с места. Гравитация управляет движением планет, скрепляет галактики и определяет структуру Вселенной.
Существуют четыре основных силы природы: гравитация, электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Помимо всего этого, вот несколько фактов о силе гравитации.
Гравитация — самое слабое взаимодействие
Хотя это может показаться странным, гравитация на самом деле является самым слабым взаимодействием, которое нам известно на данный момент. Он только притягивает и не имеет отрицательной версии силы, раздвигающей вещи.
Хотя гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать галактики вместе, она настолько слаба, что мы преодолеваем ее каждый день. Когда вы выбираете объект, вы противодействуете силе гравитации всей Земли.
По сравнению с другими силами электрическая сила между электроном и протоном внутри атома примерно в один квинтиллион раз сильнее, чем гравитационное притяжение между ними. Хотя мы предполагаем, что гравитация слаба, на самом деле мы не знаем, насколько она слаба.
Гравитация не вес
Когда мы видим астронавтов, плавающих на космической станции, мы иногда говорим, что они находятся в невесомости. Однако это не так. Космонавт испытывает силу гравитации примерно на 90% от силы, которую он испытал бы на Земле.
Они действительно невесомы, но поскольку вес — это сила земли, она оказывает обратное воздействие на них на Земле. Например, в лифте вес колеблется, и мы чувствуем, как лифт ускоряется и замедляется.
Однако сила гравитации та же, но на орбите астронавты движутся вместе с космической станцией. Ничто не прижимает их к борту космического корабля, чтобы создать вес. Эйнштейн превратил эту идею вместе со своей частной теорией относительности в общую теорию относительности.
Гравитация создает волны
Эти волны движутся со скоростью света; Это предсказывала и общая теория относительности Эйнштейна. Когда две звезды или черные дыры заперты на общей орбите, они медленно сближаются, поскольку гравитационные волны уносят энергию.
Земля также излучает эти гравитационные волны, вращаясь вокруг Солнца, хотя потери энергии слишком малы, чтобы их можно было заметить. Следствием теории относительности является то, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Это относится и к гравитации. Если бы что-то случилось с Солнцем, гравитационный эффект достиг бы нас одновременно со светом от события.
Микроскопическое поведение гравитации
За исключением гравитации, другие фундаментальные силы природы описываются квантовыми теориями в наименьшем масштабе, а именно Стандартной моделью.
Мы до сих пор мало что понимаем в гравитации, отсюда и отсутствие квантовой теории гравитации. Однако исследователи стремятся раскрыть ее. Одно из этих исследований, называемое петлевой квантовой гравитацией, использует методы квантовой физики для описания структуры пространства-времени.
Основная идея состоит в том, что пространство-время подобно частице в мельчайших масштабах, как и материя. Материя будет ограничена возможностью прыгать из одной точки в другую на гибкой сетчатой структуре. Это позволяет петлевой квантовой гравитации описывать эффект гравитации в масштабе гораздо более мелком, чем ядро атома.
Другой подход называется теорией струн. В нем говорится, что частицы, даже гравитоны, представляют собой колебания струн, которые сталкиваются в размерах, слишком малых для экспериментов. Тем не менее, обе теории, или любые другие, могут предоставить проверяемые детали микроскопического поведения гравитации.
Безмассовые частицы – гравитоны
В Стандартной модели все частицы взаимодействуют между собой через другие переносящие силы частицы. Например, фотон является носителем электромагнитной силы.
Эти гипотетические частицы в квантовой гравитации называются гравитонами. Ученые недавно начали раскрывать, как они работают, исходя из общей теории относительности.
Подобно фотонам, гравитоны представляют собой безмассовые частицы, на которые может распространяться гравитация. На сегодняшний день эксперименты не обнаружили никакой массы, но они не исключают наличия крошечной крошечной массы.
Квантовая гравитация появляется на наименьшей длине
Хотя гравитация слаба, она становится сильнее по мере сближения двух объектов. В этом случае она в конечном итоге достигает той же силы, что и другие фундаментальные силы, на очень маленьком расстоянии, называемом длиной Планка. Это расстояние во много раз меньше, чем расстояние до ядра атома.
Здесь эффекты квантовой гравитации будут достаточно сильными, чтобы их можно было измерить. Однако из-за небольшого размера ни один эксперимент не может точно это проверить.
Хотя разные теории пытались постулировать и дать некоторые ответы, они не увенчались успехом. Однако наблюдения продолжаются, и надежды велики.
Источники изображений:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d1/GPB_circling_earth.jpg/300px-GPB_circling_earth.jpg
https://1.bp.blogspot.com/-wJXP4UngAmk/XWlAJymo7tI/AAAAAAAAAz0/w788Bo9gelwPB0zyFOVO5rXJIKON3-QmQCLcBGAs/s1600/images%2B%252821%2529.jpeg
cmfucmds.mos.mos. net/nvPbHFgVZFxrZfk9RD6cGC.jpg
https://images.theconversation.com/files/3536/original/r825559_7533813. jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C836%2C536&q=45&auto=format&w=926&fit
https://relativity.phy.olemiss.edu/GR/fp-content/images/10KptZoom_persp.jpg
https://cds.cern.ch/images/ATLAS-PHO-EVENTS-2014-005-1 /файл?размер=большой
https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2018/apossibleexp.jpg
Вот почему скорость гравитации должна равняться скорости света
Рябь в пространстве-времени — это то же, что и гравитационные волны, и они распространяются в пространстве со скоростью… [+] света во всех направлениях. Хотя константы электромагнетизма никогда не появляются в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна, скорость гравитации, несомненно, равна скорости света. Вот почему.
Европейская гравитационная обсерватория, Лайонел BRET/EUROLIOS
Если бы Солнце самопроизвольно прекратило излучать свет, мы бы не знали об этом в течение примерно 8 минут и 20 секунд. Свет, прибывающий сюда, на Землю, прямо в этот самый момент, был излучен фотосферой Солнца конечное время в прошлом, и его можно увидеть только сейчас, после путешествия через 150 миллионов километров (93 миллиона миль), разделяющих Солнце с Земли. Если бы Солнце погасло прямо сейчас, мы бы не узнали, пока свет не перестанет прибывать.
А как насчет гравитации? Если бы Солнце самопроизвольно (каким-то образом) исчезло, как долго Земля оставалась бы на своей эллиптической орбите, прежде чем полетела бы по прямой? Хотите верьте, хотите нет, но ответом на это должно быть точно такое же количество времени, как и для света: 8 минут и 20 секунд. Скорость гравитации не только равна скорости света с невероятной точностью с точки зрения наблюдений, но и теоретически эти две константы должны быть точно равными, иначе общая теория относительности развалится. Вот наука почему.
Закон всемирного тяготения Ньютона был заменен общей теорией относительности Эйнштейна, но. .. [+] основывался на концепции мгновенного действия (силы) на расстоянии и был невероятно простым. Гравитационная постоянная в этом уравнении, G, наряду со значениями двух масс и расстоянием между ними, являются единственными факторами, определяющими гравитационную силу. G также появляется в теории Эйнштейна.
Пользователь Викисклада Деннис Нильссон
До появления общей теории относительности нашей самой успешной теорией гравитации был универсальный закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно Ньютону, гравитационная сила между любыми двумя объектами в космосе определяется всего четырьмя параметрами:
Гравитационная постоянная Вселенной G , которая одинакова для всех.
Масса первого объекта, м , на который действует гравитационная сила. (По принципу эквивалентности Эйнштейна это то же самое м , что входит в законы движения, например F = м a . )
Масса второго объекта, M , который притягивает первый объект.
Расстояние между ними, r , которое простирается от центра масс первого объекта до центра масс второго.
Имейте в виду, что это единственные четыре параметра, которые допустимы в ньютоновской гравитации. Вы можете выполнять всевозможные вычисления из этого закона силы, чтобы получить, например, эллиптические планетарные орбиты вокруг Солнца. Но уравнения работают только в том случае, если гравитационная сила мгновенна.
Орбиты восьми больших планет различаются по эксцентриситету и разнице между перигелием… [+] (самое близкое сближение) и афелием (самое дальнее расстояние) по отношению к Солнцу. Нет фундаментальной причины, почему некоторые планеты более или менее эксцентричны, чем одна другая; это просто результат начальных условий, из которых сформировалась Солнечная система. Однако, если бы вы каким-то образом «отключили» гравитационное воздействие Солнца, планеты не разлетелись бы мгновенно, а сначала улетели бы внутренние, а затем внешние, как гравитационные сигналы от Солнца. распространяться наружу только со скоростью силы тяжести, которая должна равняться скорости света.
NASA / JPL-Caltech / R. Hurt
Это может вас немного озадачить. В конце концов, если скорость гравитации равна только скорости света, а не бесконечно быстрой силе, то Земля должна притягиваться туда, где Солнце было 8 минут и 20 секунд назад, а не там, где Солнце находится прямо сейчас, в данный конкретный момент времени. Но если вместо этого вы сделаете этот расчет и позволите Земле притягиваться к прошлому положению Солнца, а не к его текущему положению, вы получите предсказание для его орбиты, которое настолько ошибочно, что сам Ньютон, с качественными наблюдениями, проведенными менее чем за 100 лет (до времени Тихо Браге), мог бы исключить это.
На самом деле, если бы вы использовали законы Ньютона для расчета орбит планет и потребовали, чтобы они соответствовали современным наблюдениям, скорость гравитации не только должна была бы превышать скорость света, она должна была бы быть как минимум В 20 миллиардов раз быстрее: неотличимо от бесконечной скорости.
Точная модель того, как планеты вращаются вокруг Солнца, которое затем движется через галактику в… [+] другом направлении движения. Если бы Солнце просто перестало существовать, теория Ньютона предсказывает, что все они мгновенно разлетелись бы по прямым линиям, в то время как теория Эйнштейна предсказывает, что внутренние планеты продолжали бы вращаться по орбите в течение более коротких периодов времени, чем внешние планеты.
Рис Тейлор
Проблема в следующем: если у вас есть центральная сила, где связанная частица, такая как (например) Земля, притягивается к Солнцу, но движется вокруг Солнца (вращаясь или распространяясь) с конечной скоростью , вы получите чисто эллиптическую орбиту только в том случае, если скорость распространения этой силы бесконечна. Если она конечна, то вы получаете не только радиальное ускорение (по отношению к другой массе), но и компонент, который ускоряет вашу частицу по касательной.
Это сделало бы орбиты не только эллиптическими, но и нестабильными. В масштабе всего столетия орбиты существенно сместятся. К 1805 году Лаплас использовал наблюдения за Луной, чтобы продемонстрировать, что скорость ньютоновской гравитации должна быть в 7 миллионов раз больше скорости света. Современные ограничения в 20 миллиардов раз превышают скорость света, что отлично подходит для Ньютона. Но все это легло тяжелым бременем на Эйнштейна.
Один из революционных аспектов релятивистского движения, выдвинутый Эйнштейном, но ранее развитый… [+] Лоренцем, Фицджеральдом и другими, заключается в том, что быстро движущиеся объекты, по-видимому, сжимаются в пространстве и расширяются во времени. Чем быстрее вы движетесь относительно кого-то в состоянии покоя, тем больше кажется, что ваши длины сокращаются, и тем больше кажется, что время для внешнего мира расширяется. Эта картина релятивистской механики заменила старый ньютоновский взгляд на классическую механику, но также имеет огромное значение для теорий, не являющихся релятивистски инвариантными, таких как ньютоновская гравитация.
Curt Renshaw
Согласно Эйнштейну, с концептуальной точки зрения есть большая проблема с законом силы тяготения Ньютона: расстояние между любыми двумя объектами не является абсолютной величиной, а скорее зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь к любой воображаемой линии или от нее, расстояния в этом направлении будут сокращаться в зависимости от ваших относительных скоростей. Чтобы гравитационная сила была вычисляемой величиной, все наблюдатели должны были бы получать согласованные результаты, чего нельзя получить, комбинируя теорию относительности с законом силы тяготения Ньютона.
Следовательно, согласно Эйнштейну, вам нужно разработать теорию, объединяющую гравитацию и релятивистские движения, а это означает разработку общей теории относительности: релятивистской теории движения, включающей в себя гравитацию. После завершения Общая теория относительности рассказала совершенно другую историю.
Анимированный взгляд на то, как пространство-время реагирует на движение массы через него, помогает продемонстрировать, как именно,. .. [+] качественно, это не просто лист ткани, но все само пространство искривляется присутствием и свойствами материя и энергия во Вселенной. Обратите внимание, что пространство-время можно описать только в том случае, если мы включим не только положение массивного объекта, но и то, где эта масса находится во времени. И мгновенное местоположение, и прошлая история того, где находился этот объект, определяют силы, испытываемые объектами, движущимися через Вселенную.
LucasVB
Чтобы разные наблюдатели пришли к единому мнению о том, как работает гравитация, не может быть абсолютного пространства, абсолютного времени или сигнала, распространяющегося с бесконечной скоростью. Вместо этого пространство и время должны быть относительными для разных наблюдателей, и сигналы могут распространяться только со скоростями, точно равными скорости света (если распространяющаяся частица не имеет массы) или со скоростями ниже скорости света (если частица имеет масса).
Однако для того, чтобы это сработало, должен существовать дополнительный эффект, устраняющий проблему ненулевого тангенциального ускорения, вызванного конечной скоростью гравитации. Это явление, известное как гравитационная аберрация, почти полностью компенсируется тем фактом, что в общей теории относительности также есть взаимодействия, зависящие от скорости. Когда Земля движется в космосе, например, она чувствует силу Солнца, изменяющуюся по мере того, как она меняет свое положение, точно так же, как лодка, путешествующая по океану, будет опускаться в другом положении, когда ее поднимает и снова опускает подводная лодка. проходящая волна.
Гравитационное излучение испускается всякий раз, когда масса вращается вокруг другой, а это означает, что в течение долгого… [+] достаточного количества времени орбиты будут распадаться. Прежде чем первая черная дыра когда-либо испарится, Земля превратится в то, что осталось от Солнца, при условии, что ничто другое не выбросило ее ранее. Земля притягивается туда, где Солнце было примерно 8 минут назад, а не туда, где оно находится сегодня.
Американское физическое общество
Что примечательно и ни в коем случае не очевидно, так это то, что эти два эффекта почти полностью компенсируются. Тот факт, что скорость гравитации конечна, вызывает эту гравитационную аберрацию, но тот факт, что общая теория относительности (в отличие от ньютоновской гравитации) имеет взаимодействия, зависящие от скорости, позволяет ньютоновской гравитации быть таким хорошим приближением. Есть только одна скорость, которая работает, чтобы сделать эту компенсацию хорошей: если скорость гравитации равна скорости света.
Таково теоретическое обоснование того, почему скорость гравитации должна равняться скорости света. Если вы хотите, чтобы орбиты планет соответствовали тому, что мы видели, и чтобы они были согласованы для всех наблюдателей, вам нужна скорость гравитации, равная c , и чтобы ваша теория была релятивистски инвариантной. Однако есть еще одно предостережение. В общей теории относительности компенсация между гравитационной аберрацией и зависящим от скорости членом почти точна, но не совсем. Только правильная система может показать разницу между предсказаниями Эйнштейна и Ньютона.
Когда масса движется через область искривленного пространства, она испытывает ускорение из-за… [+] искривленного пространства, в котором она обитает. Он также испытывает дополнительный эффект из-за своей скорости, поскольку он движется через область, где пространственная кривизна постоянно меняется. Эти два эффекта в сочетании приводят к небольшому, крошечному отличию от предсказаний гравитации Ньютона.
Дэвид Чемпион, Институт радиоастрономии Макса Планка
В нашем районе сила гравитации Солнца слишком слаба, чтобы произвести измеримый эффект. Что вам нужно, так это система с большими гравитационными полями на малых расстояниях от массивного источника, где скорость движущегося объекта и высока, и быстро меняется (ускоряется) в гравитационном поле с большим градиентом.
Наше Солнце не дает нам этого, но окружающая среда вокруг двойной черной дыры или двойной нейтронной звезды дает! В идеале этот эффект продемонстрирует система с массивным объектом, движущимся с изменяющейся скоростью через изменяющееся гравитационное поле. И двойная система нейтронных звезд, где одна из нейтронных звезд является очень точным пульсаром, точно отвечает всем требованиям.
Когда у вас есть один объект, такой как пульсар, вращающийся в космосе, он будет пульсировать каждый раз, когда он… [+] завершает поворот на 360 градусов к случайно выровнявшемуся наблюдателю. Если вы поместите этот пульсар в двойную систему с другим плотным массивным объектом, он будет быстро перемещаться в этом пространстве, демонстрируя как эффекты гравитационной аберрации, так и взаимодействия, зависящие от скорости, а их неточное аннулирование позволяет ученым распознать релятивистские предсказания для этого. системы от ньютоновских.
ЕСО/л. Calçada
Пульсар, и особенно миллисекундный пульсар, — это лучшие естественные часы во Вселенной. Когда нейтронная звезда вращается, она испускает струю электромагнитного излучения, которая имеет шанс выровняться с перспективой Земли один раз за каждые 360 градусов. Если выравнивание правильное, мы будем наблюдать эти импульсы, поступающие с необычайно предсказуемой точностью и точностью.
Однако, если пульсар находится в двойной системе, то движение через это изменяющееся гравитационное поле вызовет излучение гравитационных волн, которые уносят энергию из гравитирующей системы. Потеря этой энергии должна откуда-то исходить и компенсируется распадом орбит пульсара. Прогнозы распада пульсара очень чувствительны к скорости гравитации; используя даже самую первую двойную систему пульсаров, когда-либо открытую самостоятельно, PSR 1913+16 (или бинарная система Халса-Тейлора) позволили нам ограничить скорость гравитации равной скорости света с точностью до 0,2%!
Скорость орбитального распада двойного пульсара сильно зависит от скорости гравитации и параметров орбиты двойной системы. Мы использовали данные о двойных пульсарах, чтобы ограничить скорость гравитации равной скорости света с точностью 99,8% и сделать вывод о существовании гравитационных волн за десятилетия до того, как их обнаружили LIGO и Virgo. Однако прямое обнаружение гравитационных волн было жизненно важной частью научного процесса, и без него существование гравитационных волн все еще оставалось бы под вопросом.
НАСА (слева), Институт радиоастрономии Макса Планка / Майкл Крамер (справа)
С тех пор другие измерения также продемонстрировали эквивалентность между скоростью света и скоростью гравитации. В 2002 году в результате случайного совпадения Земля, Юпитер и очень сильный радиоквазар (известный как QSO J0842+1835) оказались на одной линии. Когда Юпитер проходил между Землей и квазаром, его гравитационные эффекты заставляли звездный свет искривляться в зависимости от скорости гравитации.
Юпитер действительно преломлял свет от квазара, что позволило нам исключить бесконечную скорость для скорости гравитации и определить, что на самом деле она составляла от 255 миллионов до 381 миллиона метров в секунду, что согласуется с точным значение скорости света (299 792 458 м/с), а также с предсказаниями Эйнштейна. Еще недавно первые наблюдения гравитационных волн поставили нас перед еще более жесткими ограничениями.
Иллюстрация быстрого гамма-всплеска, который долгое время считался результатом слияния нейтронных звезд. Окружающая их… [+] богатая газом среда могла задержать приход сигнала, что объясняет наблюдаемую разницу в 1,7 секунды между приходом гравитационных и электромагнитных сигнатур. Это лучшее из имеющихся у нас доказательств того, что скорость гравитации должна равняться скорости света.
ESO
Из самой первой обнаруженной гравитационной волны и разницы во времени их прихода в Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана, мы непосредственно узнали, что скорость гравитации равна скорости света с точностью до 70%, что не соответствует действительности. Это не улучшение по сравнению с временными ограничениями пульсара. Но когда в 2017 году произошло прибытие как гравитационных волн, так и света от слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами, тот факт, что сигналы гамма-излучения пришли всего через 1,7 секунды после сигнала гравитационных волн, преодолев расстояние более 100 миллионов световых лет, научил нас что скорость света и скорость свободного падения отличаются не более чем на 1 квадриллионную часть: 10 ¹⁵ .