Гравитационное поле физика кратко

Обновлено: 02.07.2024

Гравитацио́нное по́ле, или по́ле тяготе́ния — физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие [1] .

Содержание

Гравитационное поле в классической физике

$F=G\frac<m_1 m_2></p> <p>$

Здесь — гравитационная постоянная, приблизительно равная 673 \cdot 10^" width="" height="" />
м³/(кг с²), — расстояние между точками.

Для расчёта поля в более сложных случаях, когда тяготеющие массы нельзя считать материальными точками, можно воспользоваться тем фактом, что поле ньютоновского тяготения потенциально. Если обозначить плотность вещества ρ, то потенциал поля φ удовлетворяет уравнению Пуассона:

$\Delta \varphi = -4 \pi G \rho$

Недостатки ньютоновской модели тяготения

Практика показала, что классический закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел. Однако ньютоновская теория содержала ряд серьёзных недостатков. Главный из них — необъяснимое дальнодействие: сила притяжения передавалась неизвестно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. Кроме того, если Вселенная, как тогда предполагали, евклидова и бесконечна, и при этом средняя плотность вещества в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс: потенциал поля всюду обращается в бесконечность. В конце XIX века обнаружилась ещё одна проблема: заметное расхождение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия.

На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году, с созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены. Теория Ньютона оказалась приближением более общей теории, применимым при выполнении двух условий:

Скорости движения в этой системе незначительны по сравнению со скоростью света.

Гравитационное поле в общей теории относительности

Другие существенные отличия гравитационного поля ОТО от ньютоновского: возможность нетривиальной топологии пространства, особых точек, гравитационные волны.

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.

Общие сведения

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.

Материалы по теме

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

Гравитационное излучение в двойной системе

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.

Интересные эффекты гравитации

Материалы по теме

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.

Самая точная гравитационная карта Земли

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.

Люди с древности задумывались о том, какая сила притягивает предметы к Земле. Явление гравитации пытались объяснить такие великие умы, как Ньютон и Эйнштейн, но до сих пор оно остается не до конца изученным

Степень гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Таким образом, объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, то все предметы и объекты притягивается к ней. Например, яблоки падают на землю, а не притягиваются, к примеру, к голове человека.

Расстояние также влияет на гравитацию. Чем дальше объект, тем гравитационное притяжение слабее.

Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Древнегреческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который, по его мнению, находился в середине Земли.

Однако поляк Николай Коперник в XVI веке понял, что траектории планет на небе определяются положением Солнца, которое и является центром Солнечной системы. Век спустя британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку Солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.

В наши дни действующей теорией, описывающей гравитацию, является общая теория относительности Эйнштейна.

Классическая теория тяготения Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.

Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.

Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.

Теория гравитации Эйнштейна

В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной. Он построил так называемые крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из шаров физик поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, в результате чего проволока слегка скручивалась. Это явление позволило ему рассчитать величину G.

Примечательно, что оценка Кавендиша для G всего на 1% отличалась от принятого на сегодняшний день значения 6,674 × 10^-11 м^3/кг^1 * с^2. Чтобы получить точное значение, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн произвел следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, преломляются чрезвычайно массивными объектами. В рамках его теории гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы и энергии.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных объектов с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не может точно описать, как движутся объекты.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила его специальную теорию относительности, которую ученый разработал за десятилетие до этого. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.

В своей специальной теории относительности Эйнштейн определил, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, не движущихся с ускорением, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. В результате он обнаружил, что пространство и время переплетаются, и события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем попытаться катить шарик по краю батута, он будет двигаться по спирали внутрь к этому объекту.

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году NASA запустило гравитационный зонд Gravity Probe B. По данным агентства, оси точно откалиброванных гироскопов спутника с течением времени очень незначительно дрейфовали, что соответствует теории Эйнштейна.

Эйнштейн предсказал, что такие события, как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые определила такой сигнал. Гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру. Это произошло, предположительно, 1,3 млрд лет назад.

С тех пор LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.

Чему равна сила гравитации

Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.

Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.

NASA в рамках проекта GRACE создало визуализацию гравитационных аномалий на Земле. Красным цветом показаны области, где гравитация сильнее, а синим — где она слабее стандартных значений (Фото: NASA)

Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.

Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.

Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.

Современное представление о гравитации

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

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

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

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

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

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

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

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

Как преодолеть гравитацию

Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы объект двигался по орбите вокруг планеты. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость. Чтобы выйти за границу сферы земного притяжения, которая заканчивается на расстоянии около 930 тыс. км от Земли, скорость объекта должна составлять около 16,6 км/с. Это третья космическая скорость.

Если бы не было гравитации

В соответствии с вышеприведенными законами физики на практике такая ситуация невозможна.

Бывший астронавт NASA, физик Джей Баки, отмечает, что наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Когда сила тяжести почти исчезает (например, на борту МКС), организм начинает перестраиваться. За время миссий в космосе члены экипажей кораблей теряют костную массу и мышечный тонус, а также чувство равновесия.

Доктор Кевин Фонг добавляет, что количество эритроцитов в организме падает, что приводит к так называемой космической анемии. При этом раны заживают дольше, а также снижается иммунитет, наблюдаются проблемы со сном. Таким образом, в отсутствие гравитации мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды развивались бы иначе.

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании предположил, что в отсутствие гравитации Земля начала бы вращаться с большой угловой скоростью как раскручиваемая над головой веревка. Таким образом, любые объекты на планете улетели бы прямо в космос, как и вода с атмосферой. Только укрепленные строения могли бы какое-то время держаться на поверхности Земли.

В конечном счете отсутствие гравитации разрушит саму планету. Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны.

Похожий пример, но с Солнцем, приводит канал Discovery News в своем видео.

Без гравитации не осталось бы ни звезд, ни планет, а Вселенная стала бы смесью рассеянных атомов и молекул.

Возможна ли искусственная гравитация

Одну из них для удобства назовем отрицательной формой, а другую положительной. Состоят эти формы из взаимно перпендикулярных силовых линий электрического и магнитного полей и они не могут находиться в кинетическом покое. Теперь рассмотрим варианты их устойчивого существования:

Вариант 1. Квант излучения.

Такая форма имеет линейную скорость равной скорости света и направленной перпендикулярно плоскости силовых линий полей. В придачу к этому, квант имеет угловую скорость вращения силовых линий полей по оси своего линейного движения. Величина угловой скорости определяет длину волны излучения. Ну вот и покончили с квантово-волновым дуализмом. Квант излучения представлен на рисунке ниже.

Вариант 2. Заряженная частица или электрон/протон

Как я уже писал выше, форма материи не имеет права находиться в кинетическом покое, но это совершенно не означает только поступательное движение. Ниже приведена форма материи, которая может не иметь линейной скорости равной скорости света, но угловая скорость хотя бы одной из силовых линий поля, равна угловой скорости света. Угловая скорость света – это новое понятие. Численного значения его я не скажу – не смог вычислить, но в рамках данной гипотезы предполагаю, что она есть. Более того, вращение силовой линии поля с угловой скоростью света приводит к тому, что взаимодействие внешней среды с этой силовой линией поля возможно только до определенного расстояния от оси ее вращения, как показано на рисунке ниже. Рисунок дан для заряженных частиц электрон и протон. Хочу сразу обратить Ваше внимание на то, что эти частицы ничем другим, кроме знаков своего поля не отличаются и имеют только две силовые линии магнитного и электрического полей.

Вариант 3. Нейтрон.

Сразу дам его представление на рисунке ниже.

Можно заметить, что существуют два нейтрона – один образованный отрицательной формой, а второй положительной. И здесь возникает некое кажущееся несоответствие с мирозданием. Но минуту терпения.
Прежде чем перейти к нейтрону придется отвлечься на то, что такое сила гравитации и в соответствии с ней, измеряемая величина притяжения тел.
Давайте нарисуем классическую модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра. Как мы знаем, такое вращение заряженных частиц порождает магнитное поле, что собственно и нарисовано на рисунке ниже. При этом, силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя, но всегда найдется не нулевая площадь, которую эти силовые линии будут пересекать. Эта область заштрихована на рисунке.

Все тела только притягиваются
Сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами
Сила притяжения прямо пропорциональна количеству и размеру атомов, составляющих эти тела

Одноименные силовые линии электрического поля отталкиваются не зависимо от их направления.
Разноименные силовые линии электрического поля притягиваются не зависимо от их направления
Одноименные силовые линии магнитного поля притягиваются, если их направления совпадают и отталкиваются если их направления противоположны.
Разноименные силовые линии магнитного поля отталкиваются не зависимо от направления.

Читайте также: