Все ли планеты имеют гравитацию? Интересные факты о гравитации

С гравитацией мы сталкиваемся каждый день. Яблоко падает с дерева, планета вращается вокруг солнца. Вы тяжело поднимаетесь на велосипеде на холм и разгоняетесь с другой стороны. Все эти вещи относятся к гравитации, работающей точно так, как установил Исаак Ньютон почти три с половиной столетия.

Универсальный закон

Он говорит нам о том, что разрозненные на первый взгляд явления, от падающих яблок до вращающихся по орбите планет, происходят из-за того, что массивные объекты испытывают притяжение между собой, которое следует установленной формуле. Величина гравитационного притяжения увеличивается пропорционально их массам, уменьшается в зависимости от расстояния между ними и имеет абсолютную величину, в конечном счете определяемую универсальной фундаментальной постоянной природы, гравитационной постоянной.

Однако при всей своей кажущейся универсальности гравитация на самом деле, безусловно, самая слабая из четырех сил природы. Единственная причина, по которой она кажется такой весомой, заключается в локальном присутствии чрезвычайно большой массы Земли, которая притягивает и все остальное вниз.

Не законом единым

И действительно, оказывается, что теория Ньютона - далеко не последнее слово в области гравитации. Теория Эйнштейна, сформулированная в 1916 году, описывает гравитацию как свойство не отдельных тел, а Вселенной в целом. Гравитация - это просто геометрия, результат искривления массивными объектами пространства и времени вокруг них.

Это описание может показаться не менее абсурдным, чем у Ньютона, но на данный момент оно выдержало все испытания. Это означает, что гравитация стоит отдельно от трех других фундаментальных сил, электромагнетизма и сильного и слабого ядерных взаимодействий, которые являются квантовыми силами, описываемыми квантовой теорией поля и передаваемыми квантовыми частицами.

Загадки гравитации

И гравитация остается на многих уровнях фундаментально загадочной. Почему она такая слабая по сравнению с другими силами? Почему она только притягивает, а не толкает? И почему она позволила зародиться жизни? Если бы она была чуть меньше, расширение пространства преодолело бы воздействие гравитации на материю в новорожденной Вселенной, звезды и галактики никогда бы не сформировались. Если бы "если бы" было чуть больше, звезды или галактики быстро схлопнулись бы сами по себе и друг в друга. Мы должны поблагодарить многое за то, что гравитация такая, какая она есть.

Что такое гравитация

Без гравитации мы бы не существовали. Она обеспечивает силу, которая удерживает нас на поверхности и благодаря этому мы можем жить на планете. Именно гравитационное притяжение всего материала на Солнце, стягивающее его плотно друг к другу, делает возможным синтез, дающий нам тепло и свет, то есть еще раз определило наличие жизни на планете. Тем не менее, несмотря на свою повсеместность, гравитация является одной из самых загадочных сил во Вселенной.

Фундаментальная сила природы

Будучи одной из сил природы – наряду с электромагнетизмом и сильными и слабыми ядерными взаимодействиями - гравитация является чрезвычайно влиятельным природным явлением. Это свойство материи, вещества. В двух словах: вся материя притягивается к другой. И чем ее больше, тем больше эта сила притяжения. И в отличие от электричества и магнетизма, гравитация всегда только сближает предметы. Будь у нее иные свойства, еще неизвестно, какой была бы наша с вами жизни. Но сегодня мы можем жить совершенно спокойно.

Что такое принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности основан на том, что Альберт Эйнштейн назвал своей “самой счастливой мыслью”. Это означало, что “если человек свободно падает, он не почувствует собственного веса”. Другими словами, ускорение и гравитация в точности эквивалентны и неотличимы. Мы видим, как это происходит на Международной космической станции. Сила тяжести на расстоянии орбиты станции от Земли составляет около 90 процентов от силы тяжести на поверхности – и все же астронавты парят. Астронавты на борту МКС постоянно падают к Земле, для них это норма жизни, их специально учат адаптироваться к таким условиям.

Что такое общая теория Эйнштейна

Исходя из своего принципа эквивалентности, Эйнштейн смог показать, что тела с массой – любой, от атома до звезды – искривляют пространство и время. И именно это искривление объяснило то, чего Ньютон никогда не мог показать: почему гравитация способна действовать на расстоянии.

Подобно баскетбольному мячу на батуте, окруженному шариками, более массивные объекты создают большие деформации в ткани пространства-времени, притягивая близлежащие объекты и заставляя их двигаться по изогнутым траекториям. Но даже небольшие тела оказывают влияние – каждый из нас оказывает крошечную гравитационную силу на окружающие нас объекты.

Поскольку он придерживался совершенно иного подхода, чем Ньютон, Эйнштейну пришлось использовать другой вид математики, о котором он сам изначально мало знал: математику искривленного пространства. И ему пришлось принять во внимание различные вторичные эффекты, о существовании которых у Ньютона не было причин подозревать, такие как удивительное открытие, что гравитация влияет сама на себя.

Доказал ли Эйнштейн, что Ньютон ошибался

Абсолютно нет. Работа Ньютона была описательной: он привел простое математическое уравнение к тому, что наблюдалось. Его математика ничего не говорит нам о том, как работает гравитация, но как описание поведения повседневных вещей, она работала очень хорошо – и работает до сих пор.

Базового ньютоновского понимания гравитации было достаточно, чтобы доставить космический корабль "Аполлон" на Луну. Эйнштейн помог нам понять, что вызывает силу, которую мы называем гравитацией. Он смог показать, что существуют определенные обстоятельства, как правило, когда притяжение гравитации становится очень сильным, когда уравнение Ньютона не является достаточно хорошим приближением.

Какое отношение гравитация имеет к "черным дырам"

Предсказания теории Эйнштейна обычно являются результатом решения упрощенных версий его уравнений. В одном из самых ранних описывалась сжатая масса, в которой вся материя находилась в одной точке – "гравитационной сингулярности". Позже стало понятно, что некоторые стареющие звезды не смогут противостоять притяжению гравитации и должны будут коллапсировать внутрь себя, образуя подобную точку, создавая "черную дыру". Гравитация в черной дыре настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу.

Аналогичным образом, общая теория относительности предсказала, что сама ткань Вселенной может расширяться и сжиматься. В сочетании с наблюдениями это стало основой для нашей лучшей теории о том, как развивалась Вселенная: модели Большого взрыва. Также теория относительности может пролить свет на темную энергию – таинственное явление, которое, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной.

Существует ли такая вещь как антигравитация

Насколько нам известно, нет. В отличие от электромагнетизма, гравитация - это односторонний эффект - она просто притягивает. Мы можем компенсировать гравитацию другими силами; вы делаете это каждый раз, когда что-то берете в руки. Это выглядит особенно впечатляюще, когда противодействующей силой является невидимый электромагнетизм – например, когда что–то парит над магнитом, - но это не антигравитация.