Висока гравітація. Гравітаційні сили: поняття та особливості застосування формули для їх розрахунку
Таємнича сила
Дон Деянг
Сила тяжіння (або гравітація) міцно тримає нас землі і дозволяє землі обертатися навколо сонця. Завдяки цій невидимій силі дощ падає на землю, а рівень води в океані щодня то збільшується, то знижується. Гравітація утримує землю у сферичній формі, а також не дає нашій атмосфері зникнути в космічний простір. Здавалося б, ця сила тяжіння, що спостерігається щодня, повинна бути добре вивчена вченими. Але немає! Багато в чому гравітація залишається глибокої таємницею для науки. Ця таємнича сила є чудовим прикладомтого, наскільки обмежені сучасні наукові знання.
Що таке гравітація?
Ісаак Ньютон цікавився цим питанням ще 1686 року і дійшов висновку, що гравітація - це сила тяжіння, що існує між усіма предметами. Він зрозумів, що та сама сила, яка змушує яблуко падати на землю, утримує місяць на своїй орбіті. Насправді сила тяжіння Землі спричиняє те, що під час обертання навколо Землі Місяць відхиляється кожну секунду від свого прямого шляхуприблизно один міліметр (Малюнок 1). Універсальний Закон Гравітації Ньютона є одним із найбільших наукових відкриттіввсіх часів.
Гравітація – «мотузка», яка утримує об'єкти на орбіті
Малюнок 1.Ілюстрація орбіти місяця, зроблена не відповідно до масштабу. За кожну секунду місяць проходить приблизно 1 км. За цю відстань вона відхиляється від прямої колії приблизно на 1 мм – це відбувається внаслідок гравітаційної тяги Землі (пунктирна лінія). Місяць завжди падає за (або навколо) землею, як падають і планети навколо сонця.
Сила тяжіння – одне із чотирьох фундаментальних сил природи (Таблиця 1). З чотирьох сил ця сила найслабша, і все ж вона є домінуючою щодо великих космічних об'єктів. Як показав Ньютон, приваблива гравітаційна сила між двома будь-якими масами стає все менше і менше в міру того, як відстань між ними стає все більшою і більшою, але вона ніколи повністю не досягає нуля (дивіться «Задум гравітації»).
Тому кожна частка у всьому всесвіті фактично притягує будь-яку іншу частинку. На відміну від сил слабкої та сильної ядерної взаємодії, сила тяжіння є далекоючою (Таблиця 1). Магнітна сила та сила електричної взаємодіїтакож є дальнодіючими силами, але гравітація унікальна тим, що вона дальнодіюча і завжди приваблива, а значить, вона ніколи не може вичерпатися (на відміну від електромагнетизму, в якому сили можуть або притягувати, або відштовхувати).
Починаючи з великого вченого-креаціоніста Майкла Фарадея у 1849 році, фізики постійно шукали прихований зв'язок між силою тяжіння та силою електромагнітної взаємодії. В даний час вчені намагаються поєднати всі чотири фундаментальні сили в одне рівняння або так звану «Теорію всього», але безуспішно! Гравітація залишається найзагадковішою та найменш вивченою силою.
Гравітацію неможливо будь-яким чином захистити. Яким би не був склад перегороджувальної перегородки, вона не мають жодного впливу на тяжіння між двома розділеними об'єктами. Це означає, що у лабораторних умовах неможливо створити антигравітаційну камеру. Сила тяжіння не залежить від хімічного складуоб'єктів, але залежить від їхньої маси, відомої нам як вага (сила тяжіння на об'єкт дорівнює вазі цього об'єкта - чим більша маса, тим більше сила або вага.) Блоки, що складаються зі скла, свинцю, льоду або навіть стирофому, і мають однакову масу , будуть відчувати (і надавати) однакову гравітаційну силу. Ці дані були отримані в ході експериментів і вчені досі не знають, як їх можна теоретично пояснити.
Задум у гравітації
Сила F між двома масами m 1 і m 2 , що знаходяться на відстані r, може бути записана у вигляді формули F = (G m 1 m 2)/r 2
Де G – це гравітаційна постійна, вперше виміряна Генрі Кавендішїм у 1798 році.
Це рівняння показує, що гравітація знижується в міру того, як відстань r між двома об'єктами стає більше, але повністю ніколи не досягає нуля.
Природа цього рівняння, що підкоряється закону зворотних квадратів, просто захоплює. Зрештою, немає жодної необхідної причини, чому сила тяжіння має діяти саме так. У безладному, випадковому та еволюціонуючому всесвіті такі довільні ступені, Як r 1.97 або r 2.3 здавалися б більш імовірними. Однак точні вимірипоказали точну міру, принаймні, до п'яти десяткових розрядів, 2.00000. Як сказав один дослідник, цей результат здається «надто вже точним».2 Ми можемо зробити висновок, що сила тяжіння свідчить про точний, створений дизайн. Насправді, якби ступінь хоч трохи відхилилася від двох, орбіти планет і весь всесвіт стали б нестабільними.
Посилання та примітки
- Говорячи технічною мовою, G = 6.672 x 10 -11 Nm 2 kg -2
- Томпсен, Д., «Дуже точно про гравітацію», Science News 118(1):13, 1980.
То що таке насправді гравітація? Яким чином ця сила здатна діяти в такому величезному, порожньому космічному просторі? І навіщо вона взагалі існує? Науці ніколи не вдалося відповісти на ці основні питання про закони природи. Сила тяжіння не може з'явитися повільно шляхом мутацій або природного відбору. Вона діє від початку існування всесвіту. Як і всякий інший фізичний закон, Гравітація, безсумнівно, є чудовим свідченням запланованого створення.
Одні вчені намагалися пояснити гравітацію за допомогою невидимих частинок, гравітони, що рухаються між об'єктами. Інші говорили про космічні струни і гравітаційних хвильах. Нещодавно вченим за допомогою спеціально створеної лабораторії LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) вдалося лише побачити ефект гравітаційних хвиль. Але природу цих хвиль, як фізично об'єкти взаємодіють друг з одним на величезних відстанях, змінюючи їх фору, все ж таки залишається для всіх великим питанням. Ми просто не знаємо природу виникнення сили гравітації і як вона утримує стабільність всього всесвіту.
Сила тяжіння та Писання
Два місця з Біблії можуть допомогти нам зрозуміти природу гравітації та фізичну наукув цілому. Перше місце, Колосянам 1:17, пояснює, що Христос «є перш за все, і все їм стоїть». Грецька дієслово стоїть (συνισταω sunistao) означає: зчіплятися, зберігатися чи утримуватися разом. Грецьке використання цього слова за межами Біблії означає посудина з водою, що міститься в ньому.. Слово, яке використовується в книзі Колоссянам, стоїть у досконалому часі, що як правило, вказує на справжній стан, який виник з завершеного минулого дії. Один із використовуваних фізичних механізмів, про який йде мова, явно сила тяжіння, встановлена Творцем і безпомилково підтримувана й сьогодні. Тільки уявіть: якби на мить перестала діяти сила тяжіння, безперечно, настав би хаос. Усі небесні тіла, включаючи землю, місяць та зірки, не утримувалися б більше разом. Увесь час розділилося б на окремі, маленькі частини.
Друге місце Писання, Євреїв 1:3, заявляє, що Христос «тримає все словом Своєї сили».Слово тримає (φερω pherō) знову описує підтримування або збереження всього, включаючи гравітацію. Слово тримає, що використовується в цьому вірші, означає набагато більше, ніж просто утримання ваги. Воно включає контроль над усіма рухами, що відбуваються, і змінами всередині всесвіту. Це нескінченне завдання виконується через всемогутнє Слово Господа, за допомогою якого почав існувати сам всесвіт. Гравітація, «таємнича сила», яка і через чотириста років досліджень залишається погано вивченою, є одним із проявів цієї приголомшливої божественної турботи про всесвіт.
Спотворення часу та простору та чорні діри
Загальна теорія відносності Ейнштейна розглядає гравітацію як силу, бо як викривлення самого простору поблизу масивного об'єкта. Згідно з передбаченнями, світло, яке традиційно слідує за прямими лініями, викривляється при проходженні по викривленому простору. Вперше це було продемонстровано, коли астроном сер Артур Еддінгтон виявив зміну зірки, що здається, під час повного затемнення 1919 року, вважаючи, що промені світла згинаються під впливом сили тяжіння сонця.
Загальна теорія відносності також передбачає, що й тіло досить щільне, його сила тяжкості спотворить простір настільки сильно, що світло взагалі зможе через нього проходити. Таке тіло поглинає світло і все інше, що захопила його сильна гравітація, і зветься Чорна діра. Таке тіло можна виявити тільки з його гравітаційним ефектамна інші об'єкти, по сильному викривленню світла навколо нього та по сильної радіації, що випромінюється речовиною, яка на нього падає.
Вся речовина всередині чорної діри стиснута у центрі, який має нескінченну щільність. «Розмір» дірки визначається обріїм подій, тобто. кордоном, що оточує центр чорної діри, і ніщо (навіть світло) не може вийти за її межі. Радіус діри називається радіусом Шварцшильда, на честь німецького астронома Карла Шварцшильда (1873-1916), і обчислюється за формулою R S = 2GM/c 2 де c - це швидкість світла у вакуумі. Якби сонце потрапило у чорну дірку, його радіус Шварцшильда становив би лише 3 км.
Існує надійний доказ, що після того, як ядерне паливо масивної зіркивичерпується, вона більше не може протистояти колапсу під своєю власною величезною вагою і потрапляє в чорну дірку. Вважається, що чорні дірки з масою мільярди сонців існують у центрах галактик, включаючи нашу галактику, Чумацький шлях. Багато вчених вважають, що суперяскраві і дуже віддалені об'єкти під назвою квазари використовують енергію, яка виділяється, коли речовина падає в чорну дірку.
Відповідно до передбачень загальної теорії відносності, сила тяжкості також спотворює час. Це також було підтверджено дуже точними атомним годинником, які на рівні моря йдуть на кілька мікросекунд повільніше, ніж на територіях вище за рівень моря, де сила тяжіння Землі трохи слабша. Поблизу горизонту подій це явище помітніше. Якщо спостерігати за годинником астронавта, який наближається до горизонту подій, ми побачимо, що годинник іде повільніше. Перебуваючи в горизонті подій, годинник зупиниться, але ми ніколи не зможемо цього побачити. І навпаки, астронавт не помітить, що його годинник іде повільніше, але він побачить, що наш годинник іде швидше і швидше.
Основною небезпекою для астронавта біля чорної діри були б приливні сили, спричинені тим, що сила тяжіння сильніша на тих частинах тіла, які знаходяться ближче до чорної діри, ніж на частинах далі від неї. За своєю силою приливні сили біля чорної дірки, що має масу зірки, сильніше за будь-який ураган і запросто розривають на дрібні шматочки все, що їм трапляється. Однак тоді як гравітаційне тяжіння зменшується з квадратом відстані (1/r 2), припливно-відливне явище зменшується з кубом відстані (1/r 3). Тому на відміну від прийнятої думки гравітаційна сила (включаючи приливну силу) на горизонтах подій великих чорних дірок слабша, ніж на маленьких чорних дірах. Так що приливні сили на горизонті подій чорної дірки в космосі, що спостерігається, були б менш помітні, ніж м'який вітерець.
Розтяг часу під дією сили тяжіння поблизу горизонту подій є основою нової космологічної моделіфізика-креаціоніста, доктора Рассела Хамфріса, про яку він розповідає у своїй книзі «Світло зірок та час». Ця модель, можливо, допомагає вирішити проблему того, як ми можемо бачити світло віддалених зірок у молодому всесвіті. До того ж на сьогодні вона є науковою альтернативою небіблейській, яка ґрунтується на філософських припущеннях, що виходять за рамки науки.
Примітка
Гравітація, «таємнича сила», яка і через чотириста років досліджень залишається погано вивченою.
Ісаак Ньютон (1642–1727)
Фотографія: Wikipedia.org
Ісаак Ньютон (1642–1727)
Ісаак Ньютон опублікував свої відкриття про гравітацію та рух небесних тілу 1687 році, у своїй відомій роботі « Математичні початки». Деякі читачі швидко зробили висновок, що всесвіт Ньютона не залишив місця для Бога, оскільки все тепер можна пояснити за допомогою рівнянь. Але Ньютон зовсім так не думав, про що він і сказав у другому виданні відомої роботи:
«Наша найпрекрасніша сонячна система, планети та комети можуть бути результатом лише плану та панування розумної та сильної істоти».
Ісаак Ньютон був не лише вченим. Крім науки, він майже все своє життя присвятив дослідженню Біблії. Його коханими біблійними книгамибули: книга Даниїла та книга Одкровення, в яких описуються Божі плани на майбутнє. Насправді Ньютон написав більше теологічних праць, ніж наукових.
Ньютон шанобливо ставився до інших вчених, таких як Галілео Галілей. До речі Ньютон народився того ж року, коли помер Галілей, в 1642 році. Ньютон писав у своєму листі: «Якщо я й бачив далі за інших, то тому, що стояв на плечахгігантів». Незадовго до смерті, мабуть, розмірковуючи про таємницю сили тяжіння, Ньютон скромно писав: «Не знаю, як мене сприймає світ, але сам собі я здаюся тільки хлопчиком, що грає на морському березі, який розважається тим, що час від часу шукає камінчик більш строкатий, ніж інші, або красиву черепашку, тоді як переді мною розстилається величезний океан недослідженої істини».
Ньютона поховано у Вестмінстерському абатстві. Латинська напис з його могилі закінчується словами: «Нехай смертні радіють, що серед них жила така прикраса людського роду».
Сили гравітаційного тяжінняіснують між усіма матеріальними тілами у Всесвіті. Ця сила дозволяє існувати великим скупченням маси, тобто зірок і планет. Багато явищ у природі пояснюються дією сил всесвітнього тяжіння. Рух планет у Сонячній системі, рух штучних супутниківЗемлі, траєкторії польоту балістичних ракет, рух тіл поблизу Землі, зникнення матерії та енергії у сфері чорної діри – всі ці явища знаходять пояснення з урахуванням закону всесвітнього тяжіння і законів динаміки.
Йоганн Кеплер
(1571-1630)
Всі тіла притягуються один до одного з силою, прямо пропорційною їх масам і обернено пропорційною квадрату відстані між ними
Закон всесвітнього тяжіння справедливий лише для:
а) тіл, розміри яких значно менші, ніж відстані між ними;
б) тіл, що мають форму кулі;
в) для кулі великого радіусу, що взаємодіє з тілами, розміри яких значно менші за розміри кулі.
Фізичний сенс гравітаційної постійної G
Коефіцієнт пропорційності G однаковий всім тіл у природі. Його називають гравітаційної постійної: G = 6,67·10–11 Н·м2/кг2 (СІ) Гравітаційна постійна чисельно дорівнює силі тяжіння між двома точковими тілами масою 1 кг кожна, якщо відстань між ними дорівнює 1 м.
Торсіонні ваги, на яких Генрі Кавендіш в 1797 р. вперше виміряв постійну всесвітню тяжіння G
Англійський вчений лорд Кавендіш у 18 столітті зробив досвід з вимірювання гравітаційної постійної за допомогою крутильних ваг. Цей досвід довів також, що гравітаційна взаємодія є між будь-якими тілами.
Сучасні торсіонні ваги, на яких вчені з Вашингтонського університету, уточнюють значення постійного всесвітнього тяжіння G.
Ісаак Ньютон (1643-1727)
Ісаак Ньютон (портрет роботи невідомого художника). Без перебільшення один із найбільших наукових умів за всю історію людства. Саме Ньютону ми завдячуємо тією картиною фізичного світу, що склалася на сьогоднішній день.
«Тут спочиває сер Ісаак Ньютон, дворянин, який майже божественним розумом перший довів із смолоскипом математики рух планет, шляхи комет та припливи океанів. Він досліджував відмінність світлових променів і різні властивості квітів, що проявляються при цьому... Нехай смертні радіють, що існує така прикраса роду людського».
Знаменитої яблуні в родовому маєтку Ньютона у Вулсторпі (графство Лінкольншир, Англія) давно немає, проте шляхом живцювання від неї вже не одне покоління нових яблунь. Ця, наприклад, росте у дворі коледжу Бебсон у Велслі (штат Массачусетс, США)
Приклади прояву сили всесвітнього тяжіння
Одним із проявів сили всесвітнього тяжіння є сила тяжіння. Так прийнято називати силу тяжіння тіл до Землі поблизу її поверхні. Сила тяжіння спрямовано центру Землі. За відсутності інших сил тіло вільно падає Землю із прискоренням вільного падіння.
На цьому знімку 93 парашутисти, тримаючись один за одного, летять вниз зі швидкістю 180 км/год. Утворити подібну фігуру у повітрі та падати з однаковою швидкістю їм допомагають закони фізики.
Прискорення вільного падіння Землі
Значення прискорення вільного падіння на поверхні однорідної кулястої планети можна визначити, якщо відома маса Mта радіус Rпланети:
Якщо застосувати цю формулу для обчислення прискорення вільного падіння на Землі, ми отримаємо
Прискорення вільного падіння залежить
Від висоти над поверхнею Землі;
Від широти території (Земля неінерційна система відліку);
Від густини порід земної кори;
Від форми Землі (плеската біля полюсів).
Практичне застосування прискорення вільного падіння
На одній і тій широті місцевості значення g можуть бути різні. Пов'язано це з відмінностями у густині земних надр. Там, наприклад, де земні надрамають велику щільність(наприклад, де залягає родовище залізняку), значення g буде більшим за середнє: g>gср. Відхилення g від середнього значення називають гравітаційною аномалією. На цьому заснована гравіметрична розвідка надр Землі.
Прискорення вільного падіння на Місяці
Власне гравітаційне поле Місяця визначає прискорення вільного падіння gл її поверхні. Маса Місяця в 81 раз менше маси Землі, а її радіус приблизно в 3,7 рази менше радіуса Землі. Тому прискорення gл визначиться виразом:
Застосування закону під час відкриття нових планет
Справжня орбіта планети Уран не збіглася з розрахунковою з урахуванням закону всесвітнього тяжіння. Обурення було викликане наявністю ще однієї планети, що за Ураном. Таким чином було виявлено планети Нептун і Плутон.
модель №1 "Гравітація всередині Землі"
модель №2 "Закони Кеплера"
модель №3 «Рух супутників у полі тяжіння Землі»
Десь у світах є чорні дірки,
Вони мають зловісну силу.
Втягнуть зірку – і як не бувало. Навіть Всесвіт ніби зник.
А кулька земної хвацько паморочиться -
Він серед зірок один веселиться.
Не знає - чорні дірки
Повні карколомної сили.
Короткочасна контрольна робота.
1. На якій відстані сила тяжіння двох кульок масами по 1 г дорівнює 6,7*10-17 Н?
А) 1 см; Б) 1 м; У) 1 км; г) 10 див.
2. Космічна ракета віддаляється від Хемлі. Як зміниться сила тяжіння, що діє з боку Землі на ракету, зі збільшенням відстані до центру Землі в 3 рази?
А) збільшиться у 3 рази; Б) зменшиться у 3 рази;
В) зменшиться у 9 разів; г) не зміниться.
3. Маса Місяця приблизно в 81 раз менше маси Землі. Чому дорівнює ставлення сили всесвітнього тяжіння F1, що діє з боку Землі на Місяць, до сили F2, що діє з Місяця на Землю?
А) 81; Б) 9; В 1; Г) 1/81.
4. Камінь вільно падає з висоти 80 м. Скільки часу тривало вільне падіння?
А) 80; Б) 8; У) 4с; г) 40 с.
5. Як зміниться сила тяжіння між двома тілами, якщо відстань між ними подвоїться, а маса одного тіла зменшиться вдвічі.
А) збільшиться у 4 рази; Б) зменшиться у 4 рази;
В) зменшиться у 8 разів; А) збільшиться у 8 разів.
Гравітаційна взаємодія
Найбільш простим завданням небесної механікиє гравітаційна взаємодія двох точкових чи сферичних тіл у порожньому просторі. Це завдання в рамках класичної механікивирішується аналітично у замкнутій формі; результат її вирішення часто формулюють у вигляді трьохзаконів Кеплера.
При збільшенні кількості тіл, що взаємодіють, завдання різко ускладнюється. Так, вже відоме завдання трьох тіл (тобто рух трьохтіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в загальному вигляді. При чисельному рішенні досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. У застосуванні до Сонячної системи ця нестійкість не дозволяє точно передбачити рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.
У окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла суттєво більше масиінших тіл (приклади: сонячна системата динаміка кілець Сатурна). У цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються кеплеровими траєкторіями навколо масивного тіла. Взаємодії між ними можна враховувати у межах теорії збурень і усередняти за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси, атрактори, хаотичність і т.д. Наочний прикладтаких явищ - складна структуракілець Сатурна.
Незважаючи на спроби точно описати поведінку системи з великої кількостіпритягуються тіл приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явище динамічного хаосу.
Сильні гравітаційні поля
У сильних гравітаційних полях, а також при русі в гравітаційному полі з релятивістськими швидкостями, Починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності (ОТО):
- зміна геометрії простору-часу;
- як наслідок, відхилення закону тяжіння від ньютоновського;
- і в екстремальних випадках - виникнення чорних дірок;
- запізнення потенціалів, пов'язане з кінцевою швидкістю поширення гравітаційних збурень;
- як наслідок, поява гравітаційних хвиль;
- ефекти нелінійності: гравітація має властивість взаємодіяти сама з собою, тому принцип суперпозиції в сильних поляхне виконується.
Гравітаційне випромінювання
Одним із важливих передбачень ОТО є гравітаційне випромінювання, наявність якого досі не підтверджено прямими спостереженнями. Однак існують вагомі опосередковані свідчення на користь його існування, а саме: втрати енергії в тісних подвійних системах, що містять компактні гравітуючі об'єкти (такі як нейтронні зірки або чорні дірки), зокрема у знаменитій системі PSR B1913+16 (пульсар Халса - Тейлора) - добре узгоджуються з моделлю ОТО, де ця енергія уноситься саме гравітаційним випромінюванням.
Гравітаційне випромінювання можуть генерувати тільки системи зі змінним квадрупольним або вищими мультипольними моментами, цей факт говорить про те, що гравітаційне випромінюваннябільшості природних джерелспрямоване, що суттєво ускладнює його виявлення. Потужність гравітаційного n-польного джерела пропорційна , якщо мультиполь має електричний тип, і - якщо мультиполь магнітного типу, де v- характерна швидкість руху джерел у випромінюючій системі, а c- швидкість світла. Таким чином, домінуючим моментом буде квадрупольний момент електричного типу, а потужність відповідного випромінювання дорівнює:
де - тензор квадрупольного моменту розподілу мас випромінюючої системи. Константа (1/Вт) дозволяє оцінити порядок величини потужності випромінювання.
Починаючи з 1969 року (експерименти Вебера ( англ.)), робляться спроби прямого виявлення гравітаційного випромінювання. У США, Європі та Японії в теперішній моментіснує кілька діючих наземних детекторів (LIGO, VIRGO, TAMA ( англ.), GEO 600), а також проект космічного гравітаційного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna – лазерно-інтерферометрична космічна антена). Наземний детектор у Росії розробляється в Науковому центріГравітаційно-Хвильових досліджень «Дулкін» республіки Татарстан.
Тонкі ефекти гравітації
Вимірювання кривизни простору на орбіті Землі (рисунок художника)
Крім класичних ефектів гравітаційного тяжіння та уповільнення часу, загальна теорія відносності передбачає існування інших проявів гравітації, які в земних умовахдуже слабкі та їх виявлення та експериментальна перевірка тому дуже скрутні. Досі подолання цих труднощів представлялося поза можливостей експериментаторів.
Серед них, зокрема, можна назвати захоплення інерційних систем відліку (або ефект Лензе-Тіррінга) та гравітомагнітне поле. У 2005 році автоматичний апарат НАСА Gravity Probe B провів безпрецедентний за точністю експеримент із вимірювання цих ефектів поблизу Землі. Обробка отриманих даних велася до травня 2011 року та підтвердила існування та величину ефектів геодезичної прецесії та захоплення інерційних системвідліку, хоч і з точністю, дещо меншою спочатку передбачуваною.
Після інтенсивної роботи з аналізу та вилучення перешкод вимірювань, остаточні підсумки місії були оголошені на прес-конференції з NASA-TV 4 травня 2011 року та опубліковані у Physical Review Letters. Виміряна величина геодезичної прецесії склала −6601,8±18,3 мілісекундидуги на рік, а ефекту захоплення - −37,2±7,2 мілісекундидуги на рік (пор. теоретичними значеннями−6606,1 mas/рік та −39,2 mas/рік).
Класичні теорії гравітації
також: Теорії гравітаціїВ зв'язку з тим що квантові ефектигравітації надзвичайно малі навіть у найекстремальніших експериментальних та спостережних умовах, досі не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що у переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описомгравітаційної взаємодії.
Існує сучасна канонічна класична теоріягравітації - загальна теорія відносності, і безліч гіпотез, що уточнюють її, і теорій різного ступенярозробленості, що конкурують між собою. Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення у межах того наближення, у якому нині здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених або відомих теорійгравітації.
Загальна теорія відносності
У стандартному підході загальної теорії відносності (ОТО) гравітація сприймається спочатку не як силова взаємодія, бо як прояв викривлення простору-часу. Таким чином, у ВТО гравітація інтерпретується як геометричний ефект, причому простір-час розглядається в рамках неевклідової риманової (точніше псевдо-риманової) геометрії. Гравітаційне поле (узагальнення ньютоновського гравітаційного потенціалу), іноді зване також полем тяжіння, в ВТО ототожнюється з тензорним метричним полем - метрикою чотиривимірного простору-часу, а напруженість гравітаційного поля - з афінною зв'язкою.
Стандартним завданням ОТО є визначення компонентів метричного тензора, що в сукупності задають геометричні властивостіпростору-часу, за відомим розподілом джерел енергії-імпульсу в системі чотиривимірних координат. У свою чергу, знання метрики дозволяє розраховувати рух пробних частинок, що еквівалентно знанню властивостей поля тяжіння в даній системі. У зв'язку з тензорним характером рівнянь ОТО, і навіть зі стандартним фундаментальним обгрунтуванням її формулювання, вважається, що гравітація також має тензорний характер. Одним із наслідків є те, що гравітаційне випромінювання має бути не нижчим за квадрупольний порядок.
Відомо, що у ВТО є труднощі у зв'язку з неінваріантністю енергії гравітаційного поля, оскільки дана енергіяне описується тензором і може бути теоретично визначено різними способами. У класичній ОТО також виникає проблема опису спін-орбітальної взаємодії (оскільки спин протяжного об'єкта також не має однозначного визначення). Вважається, що існують певні проблеми з однозначністю результатів та обґрунтуванням несуперечності (проблема гравітаційних сингулярностей).
Проте експериментально ОТО підтверджується до останнього часу (2012 рік). Крім того, багато альтернативних ейнштейнівських, але стандартних для сучасної фізики підходів до формулювання теорії гравітації призводять до результату, що збігається з ОТО в низькоенергетичному наближенні, яке тільки й доступне зараз експериментальній перевірці.
Теорія Ейнштейна - Картана
Теорія Ейнштейна - Картана (ЕК) була розроблена як розширення ОТО, внутрішньо включає опис впливу на простір-час крім енергії-імпульсу також і спина об'єктів . Теоретично ЕК вводиться афінне кручення, а замість псевдориманової геометрії для простору-часу використовується геометрія Рімана - Картана. В результаті від метричної теорії переходять до афінної теорії простору-часу. Результуючі рівняння для опису простору-часу розпадаються на два класи. Один з них аналогічний ОТО, з тією відмінністю, що в тензор кривизни включені компоненти з афінним крученням. Другий клас рівнянь задає зв'язок тензора кручення та тензора спина матерії та випромінювання. Отримані поправки до ВТО в умовах сучасного Всесвітунастільки малі, що доки видно навіть гіпотетичних шляхів їхнього виміру.
До цих пір ми вважали, що гравітація - ОСОБЛИВИЙ вид взаємодії: варто тільки підстрибнути, як ОСОБЛИВЕ гравітаційне поле поверне нас у вихідне положення. Це поле завжди притягує до центру Землі будь-який предмет, а також відповідальне за обертання Землі навколо Сонця, а Місяця та штучних супутників – навколо Землі. Тому й не дивні спроби фізиків розібратися з цим полем, зрозуміти його суть, а в Останнім часом- Створити єдину теорію поля.
Наведемо витримку з Інтернету:
"Фундаментальні взаємодії
Матеріал з Вікіпедії: Фундаментальні взаємодії; якісно розрізняються типи взаємодії елементарних частинок і складених з них тіл.
На сьогодні достовірно відомо існування чотирьох фундаментальних взаємодій:
гравітаційного;
електромагнітного;
сильного;
слабкого.
При цьому електромагнітна та слабка взаємодії є проявами єдиної електрослабкої взаємодії.
створення єдиної теоріїфундаментальних взаємодій
Першою з теорій взаємодій стала теорія електромагнетизму, створена Максвеллом 1863 року. Потім 1915 р. Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності, що описує гравітаційне поле. З'явилася ідея побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій (яких на той момент було відомо лише дві), подібно до того, як Максвеллу вдалося створити Загальний описелектричних та магнітних явищ. Така єдина теорія об'єднала б гравітацію та електромагнетизм як приватні прояви якоїсь єдиної взаємодії.
Протягом першої половини XX століття низка фізиків зробили численні спроби створення такої теорії, проте жодної цілком задовільної моделі висунуто не було. Це, зокрема, пов'язано з тим, що загальна та теорія електромагнетизму різні за своєю суттю. Тяжіння описується викривленням простору-часу, і в цьому сенсі гравітаційне поле умовно нематеріальне (емпірично недискретно), але як і інші форми взаємодії поширюється з гранично допустимою швидкістю світла (див. Швидкість гравітації), в той час як електромагнітне поле виявляє всі необхідні .
У другій половині XX століття завдання побудови єдиної теорії ускладнилося необхідністю внесення до неї слабкої та сильної взаємодій, а також квантування теорії.
У 1967 році Саламом та Вайнбергом була створена теорія електрослабкої взаємодії, що об'єднала електромагнетизм та слабкі взаємодії. Пізніше у 1973 році було запропоновано теорію сильної взаємодії (квантова хромодинаміка). На їх основі була побудована Стандартна Модель елементарних частинок, що описує електромагнітну, слабку та сильну взаємодію.
Експериментальна перевірка Стандартної Моделі полягає у виявленні передбачених нею частинок та їх властивостей. Зараз відкриті всі елементарні часткиСтандартні моделі.
Отже, нині фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теориями: загальною теорієювідносності та Стандартною Моделлю. Їх об'єднання поки що досягти не вдалося через труднощі створення квантової теоріїгравітації. Для подальшого поєднання фундаментальних взаємодій використовуються різні підходи: теорії струн, петльова квантова гравітація, а також М-теорія."
Можна було б навести безліч цитат про стан сучасної фізики, проте всі вони звелися б до єдиного висновку – ТУПІК. Просування - лише у створенні різних фантастичних припущень типу "нора крота", " темна матерія" і т.д. Кращий спосібвиходу з глухого кута - забути про всіх сучасних уявленняхі почати все з нуля.
В результаті такого підходу і було створено електромагнітну теорію гравітації (дивись, наприклад:
1. "Гравітація"
2. "Нове про Алісу з Країни Чудес"
3. "Перезавантаження" на форумі МІФІ у розділі " Альтернативна наука" )
Вищезазначена теорія стартує з одного з фундаментальних законівзбереження і, зрештою, не виходячи за рамки класичної фізики, Виводиться хвильове рівняння А це, по суті, вже є. В отриманому хвильовому рівнянні, на відміну загальноприйнятих хвильових рівнянь, що застосовуються в сучасної фізики, присутня певна функція, яка пояснює зміст квантової механіки, принцип невизначеності Гейзенберга і т.д., повертаючи багато фізичні проблемиу лоно класичної фізики. Крім того, було отримано, що ефект тяжіння периферійного тіла до центрального формують сили електромагнітної природи конкретним виглядомелектричної та магнітної складових. Також з аналізу отриманих результатів випливає, що електромагнітне поле є змінним, причому електрична та магнітна складові поля коливаються за певними законами, які можна графічно візуалізувати. Явище гравітації формується з допомогою унікального поведінки електромагнітних полів взаємодіючих тіл. З шкільної програмиЗгадаймо дві такі схожі формули: закон всесвітнього тяжіння Ньютона та закон Кулона для заряджених частинок (тіл)".
Таким чином, гравітація має електромагнітну природу. Доказом цього є: наведений графік у роботі "Гравітація" та ПРИКЛАД №2 у роботі "Нове про Алісу з Країни Чудес" (все відразу - у роботі "Перезавантаження" на форумі МІФІ).
На графіку явно продемонстровано квантово-механічні атрибути: це і цілі числа, парні та непарні їх комбінації, експоненційне зростання графіка (особливо чітко спостерігається за відсутності точок для Землі та Сатурна), а також тригонометрична періодичність виду кривої.
У роботі "Нове про Алісу..." також сказано: "Попутно, під час вирішення завдання, були отримані рівняння і з інших областей фізики (наприклад, міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса). А це свідчить про те, що м нарешті необхідно не тільки зняти ореол містики з квантової механіки, але і по-іншому поглянути на фізичні явища, тому що польова теорія взаємодії вже сама в собі несе квантову механікуі дозволяє «на пальцях» пояснити їх зміст (наприклад, явища дифракції)». Здавалося б: до чого тут міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса та електромагнітна теорія гравітації? Відповідь дуже проста: і те, й інше має одну природу – електромагнітну. Квантується не тільки простір, енергія, а й природа взаємодії та масштаб (радіус) взаємодії.Сили Ван-дер-Ваальса безпосереднє відношенняі до сильних, і до слабких взаємодій. І тут більше не потрібно вигадувати жодних теорій, що об'єднують, так як електромагнітна теорія гравітації сама в собі несе об'єднання всіх раніше відомих фундаментальних взаємодій.
А вже на базі електромагнітної теоріїгравітації з'явився принцип квантування життя ("Нове про Алісу з Країни Чудес" та ін), що призводить до теології...
Ми живемо на Землі, ми переміщаємося по її поверхні, як по краю якоїсь скелястої скелі, що височіє над бездонною прірвою. Ми тримаємось на цьому краю прірви лише завдяки тому, що на нас діє сила тяжіння Землі; ми не падаємо з земної поверхнітільки тому, що маємо, як то кажуть, якусь певну вагомість. Ми миттєво злетіли б із цієї «скелі» і стрімко полетіли б у прірву простору, якби раптом перестала діяти сила тяжіння нашої планети. Ми нескінченно довго носилися б у безодні світового простору, не знаючи ні верху, ні низу.
Пересування по Землі
Своїм пересуванням по Земліми також зобов'язані наявності сили тяжіння. Ми ходимо по Землі і невпинно долаємо опір цієї сили, відчуваючи її дію, як деякий важкий тягар на своїх ногах. Цей «вантаж» особливо дається взнаки при підйомі в гору, коли доводиться волочити його, наче якісь важкі гирі, привішені до ніг. Він не менш різко дається взнаки і при спуску з гори, змушуючи нас прискорювати кроки.
Ці напрями - "верх" і "низ" - вказує нам лише сила тяжіння. У всіх точках земної поверхні вона спрямована майже центру Землі. Тому поняття «низ» і «верх» будуть діаметрально протилежними для так званих антиподів, тобто людей, що мешкають на діаметрально протилежних частинах поверхні Землі. Наприклад, той напрямок, який живуть у Москві, показує «низ», жителям Вогненної Землі показує «верх». Напрями, що показують «низ» для людей, що знаходяться на полюсі та на екваторі, становлять прямий кут; вони перпендикулярні між собою.
Поза Землею, при віддаленні від неї, сила тяжіння зменшується, оскільки зменшується сила тяжіння (сила тяжіння Землі, як і будь-якого іншого світового тіла, поширюється у просторі необмежено далеко) і збільшується відцентрова силаяка зменшує силу тяжкості. Отже, чим вище ми будемо піднімати якийсь вантаж, наприклад, на повітряній кулі, тим менше буде важити цей вантаж.
Відцентрова сила Землі
Внаслідок добового обертаннявиникає відцентрова сила Землі. Ця сила всюди лежить на поверхні Землі діє у напрямі, перпендикулярному до земної осіі убік від неї. Відцентрова силаневелика в порівнянні з силою тяжіння. На екваторі вона сягає найбільшої величини. Але й тут, згідно з обчисленнями Ньютона, відцентрова сила становить лише 1/289 частку сили тяжіння. Чим далі на північ від екватора, тим менша відцентрова сила. На самому полюсі вона дорівнює нулю.
На деякій висоті відцентрова силазросте настільки, що вона дорівнюватиме силі тяжіння, і сила тяжіння стане спочатку рівної нулю, а потім, зі збільшенням відстані від Землі, прийме від'ємне значенняі буде безупинно зростати, будучи спрямована в протилежний бікстосовно Землі.
Сила тяжіння
Рівнодійна сили тяжіння Землі та відцентрової сили називається силою тяжіння. Сила тяжіння у всіх точках земної поверхні була б однакова, якби наша абсолютно точної та правильної кулі, якби її маса всюди була однаковою щільності і, нарешті, якщо не було б добового обертання навколо осі.
Але, оскільки наша Земля не є правильною кулею, не складається у всіх своїх частинах з порід однакової щільності і весь час обертається, отже, сила тяжіння в кожній точці земної поверхні дещо різна.
Отже, у кожній точці земної поверхні величина сили тяжіння залежить від величини відцентрової сили, що зменшує силу тяжіння, від щільності земних порід та відстані від центру Землі. Чим більша ця відстань, тим менша сила тяжіння. Радіуси Землі, які одним своїм кінцем начебто впираються в земний екватор, – найбільші. Радіуси, які мають своїм кінцем точку Північного або Південного полюса, - Найменші. Тому всі тіла на екваторі мають менший тягар (менша вага), ніж на полюсі.
Відомо що на полюсі сила тяжіння більша, ніж на екваторі, на 1/289 частку.
Цю різницю тяжкості тих самих тіл на екваторі і на полюсі можна дізнатися при їх зважуванні за допомогою пружинних ваг. Якщо ж ми зважуватимемо тіла на терезах з гирями, то цієї різниці ми не помітимо. Терези будуть показувати ту саму вагу, як на полюсі, так і на екваторі; гірі, як і тіла, які зважуються, теж, звичайно, зміняться у вазі.
Припустимо, що корабель із вантажем важить у заполярних областях, поблизу полюса, близько 289 тисяч тонн. Після приходу в порти поблизу екватора корабель з вантажем важитиме вже близько 288 тисяч тонн. Таким чином, на екваторі корабель втратив у вазі близько тисячі тонн.
Всі тіла тримаються на земній поверхні лише тому, що у них діє сила тяжкості. Вранці, встаючи з ліжка, ви можете спустити ноги на підлогу тільки тому, що ця сила тягне їх униз.
Сила тяжіння усередині Землі
Подивимося, як змінюється сила тяжіння усередині Землі. З поглибленням усередину Землі сила тяжіння безперервно збільшується до певної глибини. На глибині близько тисячі кілометрів сила ваги матиме максимальне (найбільше) значення та збільшиться порівняно з її середньою величиноюна земній поверхні (9,81 м/сек) приблизно п'ять відсотків. При подальшому поглибленні сила тяжіння безперервно зменшуватиметься і в центрі Землі дорівнюватиме нулю.
Припущення щодо обертання Землі
Наша Земля обертаючисьробить повний оборотнавколо своєї осі о 24 годині. Відцентрова сила, як відомо, зростає пропорційно квадрату кутової швидкості.
Отже, якщо Земля прискорить своє обертання навколо осі у 17 разів, то відцентрова сила збільшиться у 17 разів у квадраті, тобто у 289 разів. У звичайних умовах, як сказано вище, відцентрова сила на екваторі становить 1/289 частку сили тяжіння. При збільшенні у 17 разів сила тяжіння та відцентрова сила робляться рівними. Сила тяжіння – рівнодіюча цих двох сил – при подібному збільшенні швидкості осьового обертанняЗемлі дорівнюватиме нулю.
Ця швидкість обертання Землі навколо осі називається критичною, оскільки за такої швидкості обертання нашої планети всі тіла на екваторі втратили б свій тягар. Тривалість доби в цьому критичному випадку складатиме приблизно 1 годину 25 хвилин. При подальшому прискоренні обертання Землі всі тіла (насамперед на екваторі) спочатку втратять свою вагомість, а потім відкинуть. відцентровою силоюу простір, а сама Земля цією ж силою буде розірвана на частини.
Висновок наше було б правильним, якби Земля була абсолютно тверде тілоі при прискоренні свого обертального рухуне змінила б своєї форми, тобто, якби радіус земного екваторазберіг свою величину. Але відомо, що при прискоренні обертання Землі поверхня її повинна буде зазнати деякої деформації: вона стискатиметься в напрямку полюсів і розширюватиметься в напрямку екватора; вона буде набувати все більш і більш плескатий вигляд. Довжина радіусу земного екватора при цьому почне зростати і цим збільшувати відцентрову силу.
Таким чином, тіла на екваторі втратять свою тяжкість раніше, ніж швидкість обертання Землі збільшиться в 17 разів, і катастрофа із Землею настане раніше, ніж доба скоротить свою тривалість до 1 години 25 хвилин. Інакше кажучи, критична швидкість обертання Землі буде дещо меншою, а гранична довжина доби дещо більшою.
Уявіть собі подумки, що швидкість обертання Землі внаслідок якихось невідомих причин наблизиться до критичної. Що тоді стане із земними мешканцями?
Насамперед усюди на Землі доба складатиме, наприклад, близько двох-трьох годин. День і ніч змінюватимуться калейдоскопічно швидко. Сонце, як у планетарії, дуже швидко пересуватиметься небом, і тільки-но ви встигнете прокинутися і вмитися, як воно вже сховається за горизонтом, і на зміну йому настане ніч. Люди перестануть точно орієнтуватися у часі. Ніхто не знатиме, яка зараз кількість місяця і який день тижня. Нормальна людське життябуде дезорганізовано.
Маятниковий годинник сповільнить свій хід, а потім усюди зупиняться. Адже вони ходять тому, що на них діє сила тяжіння. Адже й у нашому побуті, коли «ходики» починають відставати чи поспішати, то необхідно вкорочувати чи подовжувати їхній маятник, а то ще й підвішувати до маятника якийсь додатковий вантаж.
Тіла на екваторі втрачатимуть свою вагомість. У цих уявних умовах легко можна буде піднімати важкі тіла. Не складе особливих труднощів звалити на плечі коня, слона або підняти навіть цілий будинок. Птахи втратять нагоду приземлятися. Ось паморочиться над коритом з водою зграя горобців. Вони голосно цвірінькають, але не в змозі спуститися. Покинута ним жменя зерна повисла б над Землею окремими зернинами.
Нехай, далі, швидкість обертання Землі дедалі більше наближається до критичної. Наша планета сильно деформується і набуває все більш плескатого вигляду. Вона уподібнюється каруселі, що швидко обертається, і загрожує ось-ось скинути з себе своїх мешканців.
Річки тоді перестануть текти. Вони являтимуть собою довгі стоячі болота. Величезні океанські кораблі ледве торкатимуться своїми днищами водної гладі, підводні човни не в змозі зануритися в глибини моря, риби та морські тварини плаватимуть поверхнею морів і океанів, вони вже не зможуть сховатися в морській безодні. Моряки вже не зможуть кинути якір, вони перестануть володіти кермами своїх суден, великі та малі кораблі стоятимуть нерухомо.
Ось ще одна уявна картина.
Пасажирський залізничний поїзд стоїть на вокзалі. Свисток уже дано; поїзд має відійти. Машиніст вжив усіх залежних від нього заходів. Кочегар щедро кидає в топку вугілля. Великі іскри летять із труби паровоза. Колеса відчайдушно крутяться. Але паровоз стоїть нерухомо. Його колеса не торкаються рейок, і немає тертя між ними. Настане момент, коли люди не матимуть змоги спуститися на підлогу; вони, як мухи, прилипають до стелі.
Нехай швидкість обертання Землі збільшується. Відцентрова сила дедалі більше перевершує за своєю величиною силу тяжіння… Тоді люди, тварини, предмети домашнього вжитку, вдома, всі предмети, що знаходяться на Землі, весь тваринний її світ будуть відкинуті у світовий простір.
Від Землі відокремиться Австралійський материк і колосальною чорною хмарою повисне у просторі. У глиб безмовної прірви, геть від Землі, полетить Африка. У величезну кількість сферичних крапель перетворяться води Індійського океануі теж полетять у безмежні дали. Середземне море, не встигнувши ще перетворитися на гігантські скупчення крапель, всієї своєї товщої води відокремиться від днища, яким вільно можна буде пройти від Неаполя до Алжиру.
Нарешті швидкість обертання настільки збільшиться, відцентрова сила настільки зросте, що вся Земля розірветься на частини.
Однак і цього статися не може. Швидкість обертання Землі, як ми вже говорили вище, не зростає, а навпаки, навіть трохи зменшується, - щоправда, настільки мало, що, як ми вже знаємо, за 50 тисяч років тривалість доби збільшується лише на одну секунду. Інакше кажучи, Земля тепер обертається з такою швидкістю, яка необхідна, щоб під теплотворними, живлющими променями Сонця багато тисячоліть процвітала тварина і рослинний світпланети.
Значення тертя
Подивимося тепер, яке значення має тертяі що було б, якби воно не було. Тертя, як відомо, шкідливо відбивається на нашому одязі: у пальто насамперед зношуються рукави, а у черевиків підошви, оскільки рукави та підошви найбільше схильні до дії тертя. Але уявіть собі на хвилину, що поверхня нашої планети була добре відполірована, абсолютно гладка, і можливість тертя була б виключена. Чи могли б ми ходити такою поверхнею? Звичайно, ні.
Всім відомо, що навіть льодом і натертою підлогою йти дуже важко і доводиться остерігатися, щоб не впасти. Адже поверхня льоду і натертої підлоги все ж таки має деяке тертя.
Якби на поверхні Землі зникла сила тертя, то на нашій планеті завжди панував би невимовний хаос. Якщо не буде ніякого тертя, то буде вічно вирувати море і ніколи не вщухне буря. Піщані смерчі не перестануть висіти над Землею, і дутиме вітер. Мелодійні звуки роялю, скрипки та страшне ревіння хижих звірів змішаються і без кінця поширюватимуться в повітрі.
За відсутності тертя тіло, що почало рухатися, ніколи б не зупинилося. По абсолютно гладкій земній поверхні вічно перемішалися б у найрізноманітніших напрямках різні тілата предмети. Смішний і трагічний був би світ Землі, якби не існувало тертя та тяжіння Землі.
