Гравитация

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Jump to navigation Jump to search
Серия статии на тема

Класическа механика

PendulumWithMovableSupport.svg
Импулс  · Сила  · Енергия  · Работа  · Мощност  · Скорост  · Ускорение  · Инерционен момент  · Момент на сила  · Момент на импулса

Гравитацията (също гравитационно взаимодействие, всемирно привличане, универсално притегляне, от латински gravitas — тежест[1]) е едно от четирите фундаментални взаимодействия в природата. Тя е естествено явление, при което всички обекти, които имат маса се привличат (или гравитират) едно към друго, като се започне от атоми и фотони и се стигне до планети и звезди. Тъй като енергията и масата са еквивалентни, всички форми на енергия (включително светлината) причиняват гравитация и са под нейното въздействие. На Земята гравитацията придава тежест на физическите обекти, а лунната гравитация причинява приливите и отливите. Гравитационното привличане на първоначалната газообразна материя, присъстваща във Вселената започва да образува звездите, а звездите от своя страна се групират заедно в галактики[2]. Гравитационното взаимодействие, подобно на електромагнитното има неограничен обхват, въпреки че неговите ефекти стават все по-слаби в по-далечните обекти. За разлика от него обаче силата на гравитацията между обектите винаги е на привличане, докато при електромагнитното взаимодействие тя може да бъде и отблъскване. Единственото условие за наличие на гравитация е наличието на обекти с маса. Между всеки два обекта с маса във Вселената съществува гравитационно взаимодействие, оттук следва че всеки отделен обект с маса във Вселената изпитва привличане едновременно към всички останали обекти във Вселената и на свой ред ги привлича[3].

Гравитацията е най-точно описана от общата теория на относителността (предложена от Алберт Айнщайн през 1915 г.), която описва гравитацията не като сила, а като последица от изкривяването на пространство-времето, причинена от неравномерното разпределение на масата[4][5]. Най-яркият пример за това изкривяване е черната дупка, от която нищо, дори и светлина, не може да избяга, след като мине зад хоризонта на събитията. При повечето приложения обаче гравитацията с добро приближение се дава от закона за универсалната гравитация на Нютон (при ниска скорост в сравнение с тази на светлината и маси от порядъка на слънчевата маса), който описва гравитацията като сила, която кара две тела да се привличат, като тази сила е пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Гравитацията е най-слабата от четирите фундаментални взаимодействия във физиката, приблизително 1038 пъти по-слаба от силното, 1036 пъти по-слаба от електромагнитното и 1029 пъти по-слаба от слабото. Вследствие на това то няма значително влияние на ниво субатомни частици. За разлика от това, тя е доминираща сила в макроскопичен мащаб и е причина за формирането и орбитата на астрономическите тела. Например, гравитацията е причина Земята и другите планети да обикалят Слънцето и предизвиква образуването на приливи и отливи, образуването и еволюцията на Слънчевата система, звездите и галактиките.

Теорията на гравитацията винаги е обект на много изследвания. Научната общност счита, че те ще спомогнат да се формулира по-пълна теория, която да включва и взима предвид ефекта и последиците от микроскопичен (квантов) характер [6], наречени квантова гравитация. Това е едно от основните предизвикателства за физиците през 21 век.

История на гравитационната теория[редактиране | редактиране на кода]

Аранхуес, Мадрид, Испания, водата във фонтана е илюстрация на гравитацията, водата описва парабола

Ранна история[редактиране | редактиране на кода]

Гърция и Рим[редактиране | редактиране на кода]

От древни времена съществуват много опити да се разбере и обясни гравитационната сила. През 4-ти век пр.н.е. гръцкият философ Аристотел вярва, че няма ефект без причина и движение без сила. Според него причината за движението надолу на тежки тела, като елементът земя, е свързано с тяхната природа, което ги кара да се движат надолу към центъра на Вселената, което е тяхното естествено място. Обратно, леки тела като елементът огън се движат по своята същност нагоре към вътрешната повърхност на сферата на Луната. Така в системата на Аристотел тежките тела не са привлечени от Земята чрез външна сила на гравитацията, а са насочени към центъра на вселената поради вътрешни гравитати или тежести[7][8].

В книга VII на „За архитектурата“ римският инженер и архитект Витрувий твърди, че гравитацията не зависи от тежестта на веществото, а от природата.

Индия[редактиране | редактиране на кода]

Арябхата първо определя силата, за да обясни защо обектите не падат, когато земята се върти и разработва геоцентрична слънчева система на гравитация, с ексцентричен елиптичен модел на планетите, където планетите се въртят около осите си и следват елиптични орбити, Слънцето и Луната се въртят около земята в епицикъл. Индийският астроном и математик Брахмагупта описва гравитацията като привлекателна сила и използва термина gurutvākarṣaṇ за гравитацията[9][10][11]. Философът в древна Индия Канада, основателят на школата Вайшешика, се опитва да обясни гравитационната сила така: „Тежестта причинява падане, това е неосезаемо и се знае по подразбиране.“

Научната революция[редактиране | редактиране на кода]

Съвременната, модерна трактовка на гравитацията започва с работите на Галилео Галилей в края на 16 век и началото на 17 век. Чрез известния си опит (макар и вероятно апокрифен[12]) с падащи сферични тела от кулата в Пиза и по-късно с внимателни измервания на малки сфери, търкалящи се по наклонена равнина, Галилео показва, че земното ускорение е едно и също за всички тела[13]. Това противоречи на вярванията на Аристотел, според който по-тежките тела се ускоряват по-бързо (Галилео правилно посочва съпротивлението на въздуха като причината за впечатлението, че по-леките тела падат по-бавно). Работата на Галилео дава основите на формулирането на теорията на Нютон за гравитацията[14].

Закон на Нютон за гравитацията[редактиране | редактиране на кода]

Гравитацията държи планетите в орбита около Слънцето

Първият математически модел, описващ гравитацията, е създаден от сър Исак Нютон и е изложен в публикувания от него през 1687 труд Математически начала на натурофилософията (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) Основните следствия от този труд са законите на Нютон за движението и закона на Нютон за всемирното привличане (гравитация). Той казва: „Аз заключих, че силите, които придържат планетите към техните орбити, трябва да са реципрочни на квадрата на разстоянието помежду им. Ето защо сравних силата, нужна за да държи Луната в орбитата ѝ, с гравитационната сила на повърхността на Земята и открих, че резултатите са доста близки.“[15]

Формулата е:

където:

  • F е величината на силата на привличане между двете материални точки,
  • G е гравитационната константа,
  • m1 е масата на първата материална точка,
  • m2 е масата на втората материална точка,
  • r е разстоянието между двете материални точки.
Исак Нютон

Нютоновият закон се радва на най-големия си успех, след като предвижда съществуването на планетата Нептун, базирайки се на движението на Уран, което не би могло да се обясни чрез действията на другите планети. Пресмятанията и на Джон Кауч Адамс, и на Юрбен Льоверие предсказват приблизителната позиция на планетата, а изчисленията на Льоверие довеждат до откриването на Нептун от Йохан Готфрид Гал.

По ирония на съдбата, аномалии в орбитата на друга планета, Меркурий, спомага за откриването на недостатъци в теорията на Нютон. В края на 19 век се знае, че орбитата на Меркурий не може да се определи напълно чрез закона на Нютон, въпреки всички търсения за друго смущаващо орбитата тяло (като планета, обикаляща около Слънцето, по-близо дори от Меркурий) са безплодни. Проблемът е разрешен през 1915 г. от Общата теория на относителността на Айнщайн, която обяснява нарушенията в орбитата на Меркурий.

Нютон не успява да създаде теория за гравитацията, която обяснява кое причинява самото притегляне. Трудът му „Principia“ завършва с думите: „До сега аз изяснявах небесните явления и приливите на моретата на основание силите на привличане, но аз не посочих причините на самото притегляне. Тази сила произлиза от някаква причина, която прониква до центъра на Слънцето и планетите без намаляване на тази способност… като нейното действие се разпространява на огромни разстояния, намалявайки пропорционално на квадрата на разстоянието… Причината за тези свойства на силите на привличане аз досега не мога да изведа от явленията, а хипотези аз не измислям“.

Обща теория на относителността[редактиране | редактиране на кода]

Двуизмерен образ на изкривяването на пространство-времето. Наличието на материя променя геометрията на пространство-времето, тази (изкривена) геометрия се интерпретира като гравитация.

В повечето случаи, отнасящи се за слаби гравитационни полета (например изпращане на ракети до Луната или в Слънчевата система), формулата на Нютон е достатъчно точна. Според Общата теория на относителността обаче вместо на някаква сила, ефектът на гравитацията се приписва на изкривяването на пространство-времето. В основата на Общата теория на относителността лежи принципът на еквивалентността, който уеднаквява свободното падане с инерционното движение и описва свободно падащите инерционни обекти като ускорени спрямо неинерциалните наблюдатели на земята[16][17]. Проблемът, който изниква е, че свободно падащите тела се ускоряват и в Нютоновата физика такова ускорение може да се появи само ако на едно от телата действа сила (и следователно то не се движи по инерция). За да се справи с тази пречка, Айнщайн предполага, че пространство-времето се изкривява от материята и свободно падащите тела се движат по частично прави пътища в изкривеното пространство-време. Тези прави пътища се наричат ​​геодезически. Подобно на първия закон за движението на Нютон, теорията на Айнщайн гласи, че ако се приложи сила върху обект, той ще се отклони от геодезическия път. Например, ние вече не следваме геодезическия, докато стоим, защото механичната устойчивост на Земята упражнява сила върху нас, насочена нагоре и в резултат на това не сме инерционни на земята. Това обяснява защо движението по геодезиката в пространството се смята за инерционно.

Айнщайн открива полевите уравнения на общата теория на относителността, които свързват присъствието на материята и кривината на пространство-времето. Тези уравнения са кръстени на него. Уравненията на Айнщайн за полето са съставени от 10 едновременни, нелинейни, диференциални уравнения. Решенията на уравненията за полето са компоненти на метричния тензор на пространство-времето. Даден метричен тензор описва геометрията на дадено пространство-време. Геодезичните пътища на дадено пространство-време се изчисляват чрез метричния тензор.

В научната терминология гравитацията и гравитационната сила са различни понятия. „Гравитацията“ представлява привличащото влияние, което всички тела си упражняват едно на друго, докато гравитационната сила е директно следствие от това влияние, обусловено от наличието на гравитация, но определено от конкретните параметри на привличащите се тела.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Произход на думата
  2. Нарликар, Джайант Гравитация без формул. — М.: Мир, 1985. — С. 144.
  3. Charles W. Misner, Kip Thorne, John Archibald Wheeler: Gravitation, Freeman, 2000, ISBN 0-7167-0344-0.
  4. Ephraim Fischbach, Carrick L. Talmadge: The search for non-Newtonian gravity, Springer, New York 1999, ISBN 0-387-98490-9.
  5. H. Goenner, Jürgen Renn, J. Ritter (Hrsg.): The Expanding Worlds of General Relativity, Einstein Studies, Band 7, Birkhäuser, Boston 1999, S. 3–44.
  6. Richard L. Amoroso: Gravitation and cosmology – from the Hubble radius to the Planck scale, Kluwer Academic, Dordrecht 2002, ISBN 1-4020-0885-6.
  7. Edward Grant, The Foundations of Modern Science in the Middle Ages, (Cambridge: Cambridge Univ. Pr., 1996), pp. 60-1.
  8. Olaf Pedersen, Early Physics and Astronomy, (Cambridge: Cambridge Univ. Pr., 1993), p. 130
  9. Archimedes to Hawking: Laws of Science and the Great Minds Behind Them. Oxford University Press. ISBN 9780199792689.
  10. Late classical India. A. Mukherjee & Co..
  11. *Sen, Amartya. The Argumentative Indian. Allen Lane, 2005. ISBN 978-0-7139-9687-6. с. 29.
  12. Ball, Phil. Tall Tales. // Nature News. June 2005. DOI:10.1038/news050613-10.
  13. Galileo (1638), Two New Sciences, First Day Salviati speaks: "If this were what Aristotle meant you would burden him with another error which would amount to a falsehood; because, since there is no such sheer height available on earth, it is clear that Aristotle could not have made the experiment; yet he wishes to give us the impression of his having performed it when he speaks of such an effect as one which we see."
  14. Quantum Theory: A Mathematical Approach. illustrated. Springer, 2014. ISBN 978-3-319-09561-5. с. 11. Extract of page 11
  15. *Chandrasekhar, Subrahmanyan. Newton's Principia for the common reader. Oxford, Oxford University Press, 2003. (pp. 1–2). Linton, Christopher M.. From Eudoxus to Einstein—A History of Mathematical Astronomy. Cambridge, Cambridge University Press, 2004. ISBN 978-0-521-82750-8. с. 225.
  16. Gravity and Warped Spacetime. // black-holes.org. Архив на оригинала от 21 June 2011. Посетен на 2010-10-16.
  17. Dmitri Pogosyan. Lecture 20: Black Holes—The Einstein Equivalence Principle. // University of Alberta. Посетен на 2011-10-14.