Гравитация — фундаментальное взаимодействие, которое определяет структуру Вселенной. Эта сила не только удерживает нас на Земле, но и управляет движением планет, формирует галактики и искривляет само пространство-время. В статье разбираемся, как работает гравитация.
Главное:
Гравитация — это сила, которая притягивает объекты друг к другу.
Она зависит от массы объектов и расстояния между ними. Чем больше масса и меньше расстояние, тем сильнее притяжение.
Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, а Альберт Эйнштейн показал, что гравитация — это искривление пространства-времени.
В космосе гравитация не исчезает полностью, но слабеет, потому что расстояние между объектами очень велико.
Создать искусственную гравитацию можно через центробежную силу или постоянное ускорение корабля.
Что такое гравитация простыми словами
Гравитацией называют силу, которая притягивает объекты друг к другу. Это фундаментальное взаимодействие, свойственное всем материальным объектам во Вселенной.
Сила притяжения зависит строго от двух величин: массы тел и расстояния между ними. Чем массивнее объект, и чем ближе к нему находится другое тело, тем сильнее будет гравитационное воздействие.
Ярче всего это проявляется в космических масштабах. Гравитация Земли, обусловленной ее колоссальной массой, удерживает на орбите Луну, не дает «убежать» в пространство атмосфере и придает вес всем предметам на поверхности. Именно она заставляет яблоко падать на землю, а не притягиваться, например, к голове прохожего.
Это же взаимодействие в более глобальном смысле формирует структуру Вселенной: планеты обращаются вокруг звезд, звезды собираются в галактики.
На гравитацию влияет расстояние. Чем дальше объекты находятся друг от друга, тем слабее сила притяжения.
История открытия и изучения гравитации
Наблюдать за проявлениями гравитации люди начали еще в глубокой древности. Однако путь к фундаментальным законам занял столетия.
Аристотель (IV в. до н.э.) полагал, что тяжелые тела стремятся к центру Вселенной (которым он считал Землю) в силу своей «природы». Его представления господствовали в науке почти две тысячи лет.
Галилео Галилей (конец XVI — начало XVII вв.) первым решил проверить умозрительные теории экспериментом. Легенда гласит, что он сбрасывал шары разной массы с Пизанской башни. На самом деле ученый использовал наклонные плоскости для замедления процесса падения. Галилей обнаружил, что все тела падают с одинаковым ускорением, если не учитывать сопротивление воздуха.
Немецкий астроном Иоганн Кеплер (XVII в.) анализировал наблюдения за планетами, сделанные его учителем Тихо Браге. Он сформулировал три закона, которые описывали движение планет вокруг Солнца по эллиптической траектории.
Исаак Ньютон в 1687 году опубликовал труд «Математические начала натуральной философии», где сформулировал закон всемирного тяготения. По легенде, толчком к открытию стало падение яблока, которое натолкнуло ученого на мысль, что сила, заставляющая яблоко падать, может простираться до Луны.
К началу XX века в теории Ньютона обнаружились небольшие, но важные нестыковки, например, в описании орбиты Меркурия. В 1915 году Альберт Эйнштейн предложил принципиально новое понимание гравитации в Общей теории относительности (ОТО).
Согласно Эйнштейну, гравитация — это не сила, а следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.
В 2015 году обсерватория LIGO впервые напрямую зафиксировала гравитационные волны — рябь пространства-времени, вызванную слиянием двух черных дыр. Это стало блестящим подтверждением ОТО.
Главной нерешенной задачей современной физики остается создание квантовой теории гравитации, которая объединила бы Общую теорию относительности с квантовой механикой.
Как работает гравитация: классические теории и законы
Классическое понимание гравитации базируется на двух фундаментальных теориях, которые описывают это взаимодействие на принципиально разных уровнях, но при этом преемственно связаны.
Закон всемирного тяготения Ньютона
В 1687 году Исаак Ньютон сформулировал знаменитый закон, который на столетия стал основой небесной механики. Его открытие позволило впервые математически точно описать движение планет и земных объектов.
Закон всемирного тяготения звучит так:
«Все материальные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между их центрами».
Формула: F = G × (m₁ × m₂) / r².
Где:
F — сила притяжения;
m₁ и m₂ — массы тел;
r — расстояние между ними;
G — гравитационная постоянная.
Закон объяснил, почему планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам (законы Кеплера стали следствием ньютоновской механики), почему существуют приливные силы, и почему все тела на Земле падают с одинаковым ускорением.
Общая теория относительности Эйнштейна
В 1915 году Альберт Эйнштейн предложил новую концепцию, которая переосмыслила саму природу гравитации.
Основная идея Общей теории относительности: гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени под воздействием массы и энергии.
Массивные объекты, такие как звезды и планеты, «прогибают» вокруг себя четырехмерную ткань пространства-времени. Другие тела движутся в этом искривленном поле по кратчайшим путям, которые называются геодезическими линиями. Таким образом, Земля движется вокруг Солнца не потому, что его сила тянет ее, а потому, что она перемещается по искривленной орбите вокруг массивного объекта.
Теория Эйнштейна не только объяснила тонкие эффекты, неподвластные Ньютону (например, смещение перигелия Меркурия), но и предсказала новые явления: гравитационное линзирование, замедление времени в гравитационном поле и существование черных дыр.
Теория Бранса — Дикке
В 1961 году физики Карл Бранс и Роберт Дикке предложили альтернативную теорию гравитации, являющуюся развитием идей Эйнштейна. В их модели, помимо кривизны пространства-времени, гравитационное взаимодействие зависит от скалярного поля, связанного с фундаментальными постоянными Вселенной, такими как постоянная тяготения G. Это означало, что «сила» гравитации могла немного меняться в пространстве и времени.
Гравитация в квантовой физике
На квантовом уровне гравитация ведет себя иначе, чем в привычном мире. Если обычную силу можно представить как притяжение между предметами, то в мире элементарных частиц гравитация почти незаметна. Ее влияние в триллионы раз слабее электромагнитных сил.
Ученые столкнулись с проблемой: законы квантовой физики и теория гравитации Эйнштейна работают по разным правилам. Первая описывает частицы в готовом пространстве, вторая утверждает, что само пространство может искривляться.
Проблему пытаются решить с помощью двух теорий.
Теория струн. Согласно гипотезе, все частицы — это колеблющиеся струны. Разные вибрации рождают разные частицы, а гравитация возникает как один из типов таких колебаний.
Петлевая квантовая гравитация. В рамках этой теории предполагается, что пространство и время состоят из мельчайших неделимых ячеек. В малых масштабах пространство напоминает квантовую «пену», в больших — становится целостным.
Обе теории пытаются объяснить, что происходило в момент Большого взрыва, и почему галактики распределены по космосу неравномерно. Однако экспериментально проверить эти идеи пока невозможно — для этого нужны приборы, способные изучать объекты в миллиарды раз мельче атомного ядра.
Есть ли гравитация в космосе, и возможно ли создать искусственную гравитацию
Гравитация существует во всем космосе и не исчезает даже на орбите Земли. Сила притяжения в районе Международной космической станции (МКС) составляет примерно 89% от земной.
Астронавты на МКС испытывают состояние невесомости не из-за отсутствия гравитации, а потому, что станция вместе с ними находится в свободном падении — но не стремится к Земле, а движется по орбите.
Создать искусственную гравитацию можно двумя основными способами:
За счет центробежной силы. Вращающийся космический корабль создаст эффект притяжения, «прижимая» объекты к внешним стенкам.
С помощью ускорения. Постоянное движение корабля с ускорением 9,8 м/с² создаст эффект, аналогичный земной гравитации.
Для реализации первого способа потребуется корабль огромных размеров. При радиусе 100 метров ему потребуется делать два оборота в минуту. Большие скорости вращения вызовут у людей головокружение и дезориентацию. Второй способ требует колоссальных затрат энергии.
На МКС искусственную гравитацию не создают, поскольку текущие эксперименты требуют именно условий невесомости
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о гравитации.
Может ли гравитация исчезнуть?
Гравитация не может исчезнуть, поскольку является свойством материи. Даже если убрать все объекты, пространство-время сохранит плоскую геометрию, но это не означает исчезновения гравитации — просто не будет масс, которые ее проявляют.
Почему мы не чувствуем гравитацию Солнца?
Солнце далеко, его гравитационное воздействие значительно слабее земного. Мы находимся близко к массивной Земле, чье притяжение доминирует. Гравитация Солнца влияет на всю Солнечную систему, но не ощущается отдельным человеком.
Как гравитация влияет на время?
Согласно теории относительности, время течет медленнее вблизи массивных объектов. Атомные часы на уровне моря идут чуть медленнее, чем на спутниках. Этот эффект учитывают в GPS-навигации, где поправка составляет миллиардные доли секунды.
