Каков физический смысл гравитационной постоянной кратко

Обновлено: 02.07.2024

Оби-Ван Кеноби сказал, что сила скрепляет галактику. То же самое можно сказать и о гравитации. Факт – гравитация позволяет нам ходить по Земле, Земле вращаться вокруг Солнца, а Солнцу двигаться вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Как понять гравитацию? Об этом - в нашей статье.

Есть множество гипотез и мнений. Насчитывается более десятка теорий гравитации, альтернативных и классических. Мы рассмотрим самые интересные, актуальные и современные.

Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие

Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.

гравитация;
электромагнетизм;
сильное взаимодействие;
слабое взаимодействие.

На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.

Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.

В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.

До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.

Закон всемирного тяготения

Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1667 году. Конечно, этот закон существовал еще при динозаврах и намного раньше.

Античные философы задумывались над существованием силы тяготения. Галилей экспериментально рассчитал ускорение свободного падения на Земле, открыв, что оно одинаково для тел любой массы. Кеплер изучал законы движения небесных тел.

Ньютону удалось сформулировать и обобщить результаты наблюдений. Вот что у него получилось:

Два тела притягиваются друг к другу с силой, называемой гравитационной силой или силой тяготения.

Формула силы притяжения между телами:

G – гравитационная постоянная, m – массы тел, r – расстояние между центрами масс тел.

Каков физический смысл гравитационной постоянной? Она равна силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 килограмм каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга.

Закон всемирного тяготения

По теории Ньютона, каждый объект создает гравитационное поле. Точность закона Ньютона была проверена на расстояниях менее одного сантиметра. Конечно, для малых масс эти силы незначительны, и ими можно пренебречь .

Формула Ньютона применима как для расчету силы притяжения планет к солнцу, так и для маленьких объектов. Мы просто не замечаем, с какой силой притягиваются, скажем, шары на бильярдном столе. Тем не менее эта сила есть и ее можно рассчитать.

Сила притяжения действует между любыми телами во Вселенной. Ее действие распространяется на любые расстояния.

Закон всемирного тяготения Ньютона не объясняет природы силы притяжения, но устанавливает количественные закономерности. Теория Ньютона не противоречит ОТО. Ее вполне достаточно для решения практических задач в масштабах Земли и для расчета движения небесных тел.

Гравитация в ОТО

Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.

Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?

В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.

Чем массивнее объект, тем сильнее он искривляет пространство

Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие гравитационных волн

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но открыли их только через сто лет, в 2015.

Что такое гравитационные волны? Снова проведем аналогию. Если бросить камень в спокойную воду, от места его падения по поверхности воды пойдут круги. Гравитационные волны – такая же рябь, возмущение. Только не на воде, а в мировом пространстве-времени.

Вместо воды – пространство-время, а вместо камня, скажем, черная дыра. Любое ускоренное передвижение массы порождает гравитационную волну. Если тела находятся в состоянии свободного падения, при прохождении гравитационной волны расстояние между ними изменится.

Моделирование гравитационных волн от слияния двух черных дыр

Так как гравитация – очень слабое взаимодействие, обнаружение гравитационных волн было связано с большими техническими трудностями. Современные технологии позволили обнаружить всплеск гравитационных волн только от сверхмассивных источников.

Подходящее событие для регистрации гравитационной волны - слияние черных дыр. К сожалению или к счастью, это происходит достаточно редко. Тем не менее ученым удалось зарегистрировать волну, которая буквально раскатилась по пространству Вселенной.

Для регистрации гравитационных волн был построен детектор диаметром 4 километра. При прохождении волны регистрировались колебания зеркал на подвесах в вакууме и интерференция света, отраженного от них.

Гравитационные волны подтвердили справедливость ОТО.

Гравитация и элементарные частицы

В стандартной модели за каждое взаимодействие отвечают определенные элементарные частицы. Можно сказать, что частицы являются переносчиками взаимодействий.

За гравитацию отвечает гравитон – гипотетическая безмассовая частица, обладающая энергией. Кстати, в нашем отдельном материале читайте подробнее о наделавшем много шума бозоне Хиггса и других элементарных частицах.

Напоследок приведем несколько любопытных фактов о гравитации.

10 фактов о гравитации

Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы тело (например, космический зонд) двигалось 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.
Объекты с наиболее сильной гравитацией – черные дыры. Их гравитация настолько велика, что они притягивают даже свет (фотоны).
Ни в одном уравнении квантовой механики вы не найдете силы гравитации. Дело в том, что при попытке включения гравитации в уравнения, они теряют свою актуальность. Это одна из самых важных проблем современной физики.
Слово гравитация происходит от латинского “gravis”, что означает “тяжелый”.
Чем массивнее объект, тем сильнее гравитация. Если человек, который на Земле весит 60 килограмм, взвесится на Юпитере, весы покажут 142 килограмма.
Ученые NASA пытаются разработать гравитационный луч, который позволит перемещать предметы бесконтактно, преодолевая силу притяжения.
Астронавты на орбите также испытывают гравитацию. Точнее, микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.
Гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает.
Черная дыра, размером с теннисный мяч, притягивает объекты с той же силой, что и наша планета.

Состояние невесомости - это не отсутствие гравитации

Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, по какой формуле рассчитывается сила притяжения. Если гранит науки придавливает вас к земле сильнее, чем гравитация, обращайтесь в наш студенческий сервис. Мы поможем учиться легко при самых больших нагрузках!

Гравитационная постоянная – это коэффициент в законе всемирного тяготения:

Но каков же физический смысл гравитационной постоянной? Правильно ли мы понимаем суть закона всемирного тяготения?

Не кажется ли вам странным, что закон описывает взаимодействие ДВУХ тел, совершенно не учитывая влияние других? В то время как ВСЕМИРНОЕ тяготение – это явление, охватывающее взаимодействие всех тел во вселенной.

Значение гравитационной постоянной было неизвестно Ньютону. И он даже не знал, каким образом его можно было бы рассчитать. Это сделал другой ученый – Кавендиш – в 1798 году.

В этом небольшом видео очень хорошо демонстрируется сам эксперимент:

Обратите внимание, как поставлен эксперимент. В нём используются ВЕСЫ. Это очень важная деталь эксперимента. Без неё эксперимент не удастся. Если вы просто подвесите на нитках два шарика, то между ними не будет никакого притяжения. И никакие сверхточные измерения этого не зафиксируют.

А что такое весы? Это гармоническая, самоуравновешивающаяся система, которая балансирует за счет взаимодействия с Землей. И в данном эксперименте мы рассматриваем взаимодействие двух весов, которые стремятся уравновеситься с движением Земли! Однако экспериментатор приписывает эффект притяжения самим шарикам, полностью игнорируя влияние Земли и её движения! И это главная ошибка, которая приводит ко множеству других логических ошибок и неверных выводов.

Но для понимания всей глубины этого универсального закона вселенной недостаточно вычисления константы, нужно уметь чувствовать, осознавать действие этих законов в самом себе. И тогда он становится не просто сухой формулой, а универсальным нравственным законом развития и бытия.

Жесть, Гульмира. Земля действует одинаково на оба шара. Весы крутильные и поэтому реагируют на притяжение шаров друг к другу, силы, знаете, имеют направление, притяжение к земле действует не по тому направлению, на которое реагирует крутильная установка. И физический смысл гравитационной постоянной в том, что она показывает силу гравитационного взаимодействия двух тел, массами по 1 кг на расстоянии 1 метр друг от друга. Сила, имеющая порядок 10 в минус 11 степени, очень мала, поэтому эксперимент по её определению сложен, "в самом себе" искать её странновато. С 1798 года прошло какое-то количество лет, и технологии проведения опытов продвинулись, чтобы проверить величину. короче, бродит в вас знание, как вино. И киснет.

Земля действует не на шары, а на ВЕСЫ. Сами по себе шары не притянутся, т.к. обладают идеальной формой. Взаимодействие возникает только между телами или системами, имеющими какую-либо полярность.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Со школьной скамьи большинство из нас знает о существовании такой фундаментальной физической константы как гравитационная постоянная или постоянной Ньютона. Гораздо меньше людей смогут вспомнить, хотя бы приблизительно, величину этой константы. И практически никто не сможет дать её физическое толкование. И дело здесь вовсе не в плохом усвоении школьного материала. Просто современная наука пока не в состоянии объяснить природу этой постоянной. Более того до сих пор не известно её точное значение. На сегодняшний день погрешность вычисления G составляет тысячные доли процента. При этом измерения, проводимые различными группами исследователей, дают сильно различающиеся результаты. Этот факт подтверждается приведённой ниже диаграммой и подталкивает к мысли, что гравитационная константа не такая уж и константа, а скорее переменная.

Одно из последних измерений было сделано китайскими учёными на установке с торсионными подвесами в 2018 г. с погрешностью 0,0012%. Согласно этим измерениям значение гравитационной постоянной составило:

Достигнутая китайцами точность измерения G считается рекордной. Однако она на несколько порядков хуже точности измерения других фундаментальных физических констант. Например, заряда электрона или постоянной Планка, что ещё раз свидетельствует о наличии некой методической ошибки при измерении этой величины.

В этой формуле устанавливается зависимость силы притяжения от массы тел и расстояния между ними, но нет полного равенства как в известном нам со школы законе всемирного тяготения.

Историю возникновения этой странной размерности мы уже знаем. Кубические метры, делённые на килограммы и секунды в квадрате, понадобились для того, чтобы привести значение силы притяжения к нормальным единицам измерения - ньютонам.

Однако любые единицы измерения в физике всегда имеют прикладное значение и собственно определяют физический смысл того или иного математического выражения. В нашем случае единицы измерения G должны раскрывать физический смысл гравитационной постоянной. Действительно, несложный анализ единиц измерения G обнаруживает, что с точки зрения физики гравитационная постоянная равна квадрату угловой скорости [ 1/c^2 ] делённому на плотность [ кг/м^3 ].

Что за угловая скорость и плотность какой материи должны подставляться в это выражение пока неясно. Однако возвращаясь к оригинальной формуле Ньютона можно предположить, что квадрат угловой скорости это, скорее всего, произведение угловых скоростей двух материальных точек с массами m1 и m2 соответственно. Т.е. вместо квадрата угловой скорости правильно писать произведение угловых скоростей.

Ни классическая модель гравитации Ньютона, ни самая успешная теория гравитации – ОТО, не используют в своих логических построениях угловые скорости гравитирующих объектов. В этих теориях сила гравитации никак не зависит от собственного вращения материального тела. Поэтому появление угловых скоростей в формуле закона всемирного тяготения может вызвать недоумение, как у релятивистов, так и у сторонников классической механики. Но как говорится, из песни слово не выкинешь и поэтому логическое обоснование размерностям угловых скоростей в законе всемирного тяготения необходимо найти. И вот здесь очень кстати будет вспомнить о кинетической модели гравитации Фатио и эксперименте по гравитационному экранированию пробного груза с помощью вращающегося диска. Описание этого эксперимента и сути кинетической модели гравитации приведено в другой моей статье на дзене. Сейчас же будет достаточно упомянуть тот факт, что в рамках кинетической модели гравитации любое вращающееся тело испытывает б о льшее гравитационное давление. И в этом случае закон всемирного тяготения обязан учитывать собственную скорость вращения материальных точек с массами m1 и m2 уже в первом приближении. Что касается присутствия единиц измерения плотности в законе всемирного тяготения, то кинетическая модель гравитации Фатио и в этом случае может помочь нам. Так как она ясно и недвусмысленно говорит, что это должна быть плотность среды, оказывающей сопротивление гравитационному сближению материальных тел. Сопротивление среды по Фатио обратно пропорционально квадратному корню из плотности этой среды. Так как всё пространство вселенной согласно его теории пронизано гравитационными частицами, которые оказывают механическое давление на любые материальные объекты со всех сторон. Вследствие этого часть потока гравитационных частиц, двигающихся по прямой между любыми двумя физическими телами, взаимно перекрывается (затеняется) этими телами. Поэтому чем меньше плотность гравитационных частиц между двумя телами, тем сильнее они притягиваются (на самом деле приталкиваются) друг к другу. При этом гравитационное давление на любое материальное тело тем больше, чем выше его угловая скорость вращения. Вращающиеся тела перекрывают б о льший поток гравитационных частиц за единицу времени, следовательно, плотность этих частиц между двумя телами уменьшается и сопротивление среды падает.

Читайте также: