Что такое гравитация и как она работает: от яблока Ньютона до черных дыр
Мы живем — и это факт — на планете. Это может показаться очевидным, но во Вселенной такое положение дел скорее исключение. Большая часть Вселенной представляет собой пустое пространство. Если бы вы магическим образом перенеслись в случайную точку космоса, велика вероятность, что вы оказались бы в миллионе световых лет до ближайшего объекта.
Жизнь на планете формирует своеобразное, немного искаженное представление о физике. Брошенный предмет по законам движения должен просто продолжать лететь дальше с постоянной скоростью. Но вместо этого он поднимается, замедляется, на мгновение замирает и падает обратно.
Одно из главных отличий жизни на планете от пребывания в глубоком космосе — сильная гравитация. Вдали, на расстояниях в миллиарды и триллионы километров, притяжение Земли ничтожно. На самой Земле же это вполне ощутимая сила, а в некоторых уголках Вселенной она может быть гораздо сильнее привычной нам.
Что такое гравитация
Гравитация — это универсальное притяжение между телами, обладающими массой. Прежде чем говорить о гравитации дальше, нужно понять, что такое масса. Дать ей строгое определение непросто, но в первом приближении это количество вещества в объекте. Чем больше «содержимого» в теле, тем больше его масса.
Размер при этом не является решающим. Два тела, одно из которых намного больше другого, могут иметь одинаковую массу. В таком случае вещество в большем теле распределено более разреженно — говорят, что у него меньшая плотность. Плотность — это масса, приходящаяся на единицу объема.
Все о Юпитере: особенности самой большой планеты Солнечной системы
С научной точки зрения масса показывает, насколько тело сопротивляется изменению своего движения: объект с большой массой труднее разогнать, чем маломассивный. Однако масса проявляется и через гравитацию.
Любые два объекта во Вселенной притягиваются друг к другу: планеты — к звездам, спутники — к планетам, а человек — к Земле. Эта сила действует всегда и на любом расстоянии, хотя по мере удаления быстро ослабевает. Принцип ее работы довольно прост: чем больше масса тела, тем сильнее его притяжение. И чем дальше от него вы находитесь, тем слабее оно ощущается. Поэтому Земля удерживает у своей поверхности океаны, атмосферу и все, что находится на ней, а Солнце — планеты на орбитах вокруг себя.
Может показаться, что в космосе гравитации нет, но это не так. Притяжение присутствует везде: Луна удерживается Землей, Земля — Солнцем, а Солнце движется под влиянием гравитации нашей Галактики. Даже на орбите Земли сила тяжести почти такая же, как на поверхности.
Возникает вопрос: почему тогда космонавты на МКС невесомы? То, что обычно называют «нулевой гравитацией», на самом деле не ее отсутствие. На высоте станции притяжение Земли составляет около 90% от земного. Однако космонавты находятся в состоянии свободного падения — они непрерывно падают вокруг Земли.
Что такое МКС, где она находится и с какой скоростью движется: полный гид
Вес — это не просто притяжение, а сила реакции опоры. Когда человек стоит на земле, поверхность давит на него вверх, и именно это ощущается как вес. В свободном падении опоры нет, поэтому и веса нет. Это состояние называют микрогравитацией (она же невесомость).
Здесь заодно становится ясна разница между массой и весом: вес может исчезнуть, а масса остается всегда.
Занимательный факт: фотоны — частицы света — не имеют массы, но их траектория все равно искривляется гравитацией. Дело в том, что гравитация искривляет само пространство-время. Свет движется по его структуре, как транспорт по дороге: если дорога изгибается, изгибается и путь. В экстремальном случае, когда масса объекта очень велика, искривление становится настолько сильным, что свет уже не может покинуть его окрестности. Такая область называется черной дырой.
Кто открыл гравитацию
На протяжении большей части человеческой истории гравитация была просто данностью. Ее не понимали и почти не исследовали. Только в середине XVII века ученые, среди которых были Роберт Гук и Исаак Ньютон, начали описывать ее математически. С этого времени появилось систематическое понимание того, как работает притяжение.
До этого люди, разумеется, замечали падение тел и движение небесных светил, но объясняли их по-разному. В античной науке, прежде всего у Аристотеля, считалось, что тяжелые тела «стремятся» к своему естественному месту — к центру мира, которым тогда представлялась Земля. Камень падает вниз не потому, что его что-то тянет, а потому, что такова его природа.
Со временем стало ясно, что такое объяснение не работает для движения планет. Они не падают на Землю и не движутся по простым кругам вокруг нее. В XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему, поместив в центр Солнце. Позднее Иоганн Кеплер, опираясь на точные наблюдения Тихо Браге, установил, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Однако почему именно так происходит, оставалось непонятным.
Ответ предложил Исаак Ньютон. Он предположил, что одна и та же причина объясняет и падение яблока на Землю, и движение Луны вокруг нее. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, и это притяжение зависит от их масс и расстояния между ними. Так появилась теория всемирного тяготения — первая строгая физическая модель гравитации.
Ньютон показал, что если учитывать эту силу, то орбиты планет и движение спутников становятся естественным следствием законов движения. Луна на самом деле непрерывно падает к Земле, но из-за своей скорости все время промахивается мимо нее — поэтому она остается на орбите.
После Ньютона гравитацию долго понимали как обычную силу притяжения. Планеты притягиваются к Солнцу, камень — к Земле. Теория прекрасно описывала движение планет и спутников, но оставался вопрос: каким именно образом объекты могут воздействовать друг на друга через пустое пространство?
Следующий шаг сделал Альберт Эйнштейн в начале XX века. Он заметил важную вещь: ускорение и гравитация ведут себя одинаково. Если человек находится в закрытой кабине ускоряющегося лифта, предметы будут «падать» к полу так же, как на поверхности Земли. Изнутри отличить ускорение от гравитации невозможно.
В общей теории относительности гравитация перестала быть «силой» в привычном смысле. Масса не тянет другие тела на расстоянии. Масса искривляет пространство-время, а тела и свет движутся по его геометрии. Иными словами, планеты обращаются вокруг Солнца не потому, что их что-то постоянно притягивает: они продолжают двигаться вперед, но в искривленном пространстве их путь замыкается в орбиту.
Сегодня гравитация изучается не только по движению планет и звезд. Ее проявления регистрируют по гравитационным волнам — колебаниям пространства-времени, возникающим, например, при слиянии черных дыр и нейтронных звезд. Так представление о гравитации прошло путь от наблюдения падающего камня до точных измерений космических катастроф.
Как работает гравитация: законы и теории
Гравитацию можно не только описывать качественно, но и точно рассчитывать. Для этого физики сформулировали законы и уравнения, позволяющие вычислять силу притяжения, движение спутников и траектории космических аппаратов.
Закон всемирного тяготения
В 1687 году Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения — первое количественное описание гравитации.
Любое тело, обладающее массой, создает гравитационное притяжение и действует на другие тела. Сила притяжения зависит от трех факторов: массы самого объекта, массы притягиваемого тела и расстояния между ними. Причем решающим оказывается расстояние: сила уменьшается пропорционально квадрату расстояния. При увеличении дистанции вдвое притяжение ослабевает в четыре раза, а при увеличении в десять раз — уже в сто.
Это записывается формулой:
F = G · m₁m₂ / r²
где F — сила притяжения, m₁ и m₂ — массы тел, r — расстояние между их центрами, и G — гравитационная постоянная.
Гравитация всегда притягивает, отталкивать она не может. Ее действие особенно наглядно в движении тел.
Ускорение свободного падения
Камень, выпущенный из руки, падает на землю. Менее очевидно, что по мере падения он ускоряется. Сила сообщает телу ускорение: чем дольше она действует, тем больше меняется скорость. Поэтому камень, сброшенный с большей высоты, ударится о землю с большей скоростью.
Вблизи поверхности Земли это ускорение почти одинаково для всех тел и называется ускорением свободного падения:
g ≈ 9,8 м/с²
Оно связано с массой и размером планеты и выражается формулой:
g = GM / R²
где M — масса планеты, а R — расстояние до ее центра.
На Земле ускорение частично маскируется сопротивлением воздуха и трением. В космосе же действие гравитации проявляется особенно ясно.
Орбита
Любые два тела с массой притягиваются. Если на них не действуют другие силы, они будут ускоряться навстречу друг другу. Однако движение зависит от масс: более массивное тело смещается значительно меньше, а менее массивное фактически падает на него.
Когда движение определяется только гравитацией, говорят, что тело находится в состоянии свободного падения. Падающий камень движется по своей траектории, пока поверхность Земли не преграждает ему путь.
Если камень не просто уронить, а бросить, появляется горизонтальная скорость: он падает уже не под ноги, а на некотором расстоянии. Чем сильнее бросок, тем дальше он улетает.
Если же придать камню достаточно большую боковую скорость, произойдет важная вещь: он будет падать с той же скоростью, с какой кривизна Земли уходит вниз под ним. Иначе говоря, он все время падает, но постоянно промахивается мимо поверхности. Это то, что называют орбитой.
Что такое орбита простыми словами: виды и элементы орбит
Камень, брошенный с космической скоростью — около 8 км/с у поверхности Земли, — начнет двигаться по круговой траектории вокруг Земли, удерживаемый только гравитацией. Один оборот займет у него примерно 90 минут.
Круг — это простейший случай. Скорость орбитального движения зависит от массы центрального тела и расстояния до него: чем дальше, тем слабее притяжение и тем меньшая скорость требуется. Около четырехсот лет назад Иоганн Кеплер установил, что орбиты могут быть эллиптическими.
Космические скорости и скорость убегания
Планеты движутся вокруг Солнца не по кругам, а по эллипсам. Если скорость отличается от строго круговой, тело в одной точке орбиты оказывается ближе к притягивающему телу, а в другой — дальше.
Чем больше скорость, тем сильнее вытягивается орбита. Она остается замкнутой: движение повторяется, и тело по-прежнему связано гравитацией. Но при достаточно большой скорости возникает возможность покинуть притягивающее тело.
Поскольку гравитация ослабевает с расстоянием, при достаточной начальной скорости она уже не способна остановить движение: тело уходит навсегда. Эта скорость называется скоростью убегания.
Она определяется формулой:
v = √(2GM / R)
где v — скорость убегания, G — гравитационная постоянная, M — масса небесного тела, R — расстояние до его центра (для поверхности — его радиус).
Она зависит от массы и размеров небесного тела. Для Земли это около 11 км/с, для Юпитера — примерно 58 км/с, для Солнца — около 600 км/с. Превышение этой скорости означает, что возвращения уже не будет.
Можно представить это так: тело все время замедляется, но никогда полностью не останавливается. Остановка возможна только на бесконечном расстоянии. Верно и обратное: если тело падает на Землю издалека, перед столкновением его скорость достигнет той же величины — 11 км/с. Если же придать достаточно большую боковую скорость, оно пролетит мимо. Такая траектория называется параболической — открытой орбитой.
При еще большей скорости возникает гиперболическая траектория. Тело удаляется навсегда и никогда не возвращается.
Теория относительности
Ньютоновская теория очень точно описывает движение планет, спутников и космических аппаратов. В большинстве практических задач — от расчета орбит до межпланетных полетов — используют именно ее. Однако в очень сильных гравитационных полях или при больших скоростях появляются эффекты, которые она уже не может объяснить.
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна уточняет описание гравитации. Согласно ей, гравитация связана не с действием силы на расстоянии, а со свойствами пространства-времени: масса и энергия изменяют его геометрию, а движение тел определяется этой геометрией.
Эта теория объясняет ряд наблюдаемых явлений. Например, свет отклоняется рядом с массивными объектами, время вблизи массивных тел течет немного медленнее, а в экстремальных условиях возникают черные дыры — области, из которых не может выйти даже свет.
Теоретически искривление пространства-времени может быть еще сильнее: в некоторых решениях уравнений появляются кротовые норы, соединяющие разные уголки Вселенной.
Кротовые норы: существуют ли они в космосе и чем отличаются от черных дыр
Практическое значение у нее тоже есть. Без учета релятивистских поправок система спутниковой навигации GPS быстро начала бы давать заметные ошибки: часы на спутниках идут немного иначе, чем на поверхности Земли.
Теории квантовой гравитации
Современная физика опирается на две чрезвычайно успешные теории.
Первая — общая теория относительности. Она описывает гравитацию и отлично работает в масштабах планет, звезд и галактик.
Вторая — квантовая механика. Она описывает микромир: атомы, электроны и элементарные частицы. На ее основе построена Стандартная модель, объясняющая поведение почти всех известных частиц и три из четырех фундаментальных взаимодействий.
Проблема в том, что вместе они не работают. Каждая теория по отдельности подтверждена огромным количеством экспериментов. Но стоит попытаться применить их одновременно — например, к центру черной дыры или к самым первым мгновениям после Большого взрыва — математическое описание перестает иметь смысл. Квантовая механика и гравитация оказываются несовместимыми.
Квантовая гравитация — это попытка объединить микромир и гравитацию в единую картину. Для этого приходится модифицировать одну из теорий или обе сразу, чтобы согласовать их модели.
Различие между ними принципиальное: в квантовой механике величины — положение, импульс, энергия и спин — квантуются, то есть принимают только определенные значения. Свойства частиц описываются вероятностями. Например, электрон в атоме водорода не движется по орбите вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Вместо этого он находится в квантовом состоянии, которое задает область пространства, где его можно обнаружить с наибольшей вероятностью.
Гравитация же в общей теории относительности классическая: пространство-время гладкое, непрерывное и точно определенное.
Парадокс в следующем: свет, например, подчиняется квантовым законам электромагнетизма, но одновременно движется по искривленному гравитацией пространству-времени. Строго записать законы квантовой физики в искривленном пространстве пока не удается.
Гравитон
Один из возможных путей — предположить, что у гравитации есть собственная частица-переносчик, подобно фотону у электромагнитного взаимодействия. Ее называют гравитоном, но обнаружить его пока не никому не удалось.
Есть и другие подходы.
Петлевая квантовая гравитация
Согласно этой гипотезе, пространство-время не непрерывно, а состоит из мельчайших «квантов», своего рода ячеек. В таком описании геометрия Вселенной имеет минимальные размеры, ниже которых делить уже нельзя.
Гравитация тогда возникает как изменение структуры этой геометрии. Масса и энергия перестраивают связи между элементами пространства-времени, из-за чего меняются траектории движения тел и света.
Теория струн
Теория струн — еще один из кандидатов. Она предполагает, что частицы — это не точки, а чрезвычайно маленькие одномерные «струны». Разные режимы их колебаний соответствуют различным частицам. В этой модели гравитация возникает естественным образом. Среди возможных колебаний струны появляется состояние, ведущее себя как частица-переносчик гравитации — гравитон.
В 1970-е годы Стивен Хокинг показал, что если учитывать квантовые эффекты у горизонта событий, черные дыры не полностью черные. Они должны медленно излучать частицы и постепенно терять массу. Это явление назвали излучением Хокинга.
Пока ни одна из моделей не подтверждена экспериментально. Поэтому сегодня гравитация — парадоксальная вещь: в масштабах планет это самая точно рассчитанная сила природы, а в масштабах элементарных частиц — одна из самых загадочных.
Искусственная гравитация
Создавать гравитацию как у планеты искусственно мы пока не умеем. Чтобы возникло настоящее притяжение, нужна огромная масса — сравнимая хотя бы с крупным астероидом, а лучше с планетой. Никакая технология не позволит просто включить гравитационное поле.
Однако есть другой способ получить похожий эффект. Он основан не на самой гравитации, а на ускорении.
Если человек находится в кабине лифта, которая начинает ускоряться вверх, он почувствует давление на пол, так же, как на поверхности планеты. С точки зрения физики разницы нет: в одном случае на вас действует гравитация, в другом — инерция. Это называется принципом эквивалентности, на нем основано объяснение гравитации в общей теории относительности.
Проблема в том, что космическая станция не может постоянно разгоняться — она движется по орбите. Зато существует другой вид ускорения: вращение.
Если станция вращается, предметы внутри прижимаются к ее внешней стенке. Возникает центробежное ускорение, которое ощущается как сила тяжести. Чем больше радиус станции и выше скорость вращения, тем сильнее «гравитация».
Такую концепцию активно поддерживает Джефф Безос, один из главных лоббистов орбитальных колоний. Компания Blue Origin рассматривает орбитальные поселения с искусственной гравитацией как долгосрочную цель космонавтики: по его идее, промышленность со временем может быть вынесена в космос, а люди будут жить в вращающихся станциях, где условия близки к земным.
Джефф Безос: к 2045 году в космосе будут жить «миллионы людей»
Частые вопросы
Как гравитация влияет на время?
Согласно общей теории относительности, гравитация влияет не только на движение тел, но и на течение времени. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее идут часы [1].
Это измеренный эффект: часы на поверхности Земли идут немного медленнее, чем на орбитальных спутниках. Поэтому в системе GPS приходится учитывать релятивистские поправки, иначе навигация быстро начала бы давать заметные ошибки [2].
Рядом с очень массивными объектами эффект становится гораздо сильнее. Если бы мы могли посмотреть на часы, находящиеся у поверхности нейтронной звезды или рядом с черной дырой, нам бы показалось, что время там почти останавливается.
Как преодолеть гравитацию?
Выключить гравитацию невозможно: она действует всегда и на любом расстоянии. Но можно удалиться от нее достаточно, чтобы она перестала вас удерживать.
Для этого нужно достичь скорости убегания — минимальной скорости, которая нужна вам, чтобы выйти на параболическую траекторию. Для Земли она составляет около 11 км/с [3].
Может ли гравитация исчезнуть?
Нет. Пока существуют масса и энергия, существует и гравитация. Она действует бесконечно далеко, но быстро ослабевает с расстоянием [4].
Гравитация никогда не становится строго равной нулю. Теоретически ее нельзя экранировать или заблокировать, как, например, свет. Поэтому антигравитационные устройства из фантастики современной физике не известны.
Какая гравитация на Земле и других планетах?
Сила тяжести зависит от массы небесного тела и его размеров. На поверхности Земли ускорение свободного падения равно примерно 9,8 м/с². Из-за него у тел появляется вес — сила, с которой они давят на опору [5].
На других планетах он был бы другим:
Луна — около 0,16 земной (примерно в 6 раз слабее) [6]
Марс — около 0,38 земной [7]
Меркурий — около 0,38 земной [8]
Венера — около 0,9 земной [9]
Юпитер — около 2,5 земной (на уровне облаков) [10]
Сатурн — примерно как земная, около 1,1 [11]
Поэтому на Луне человек мог бы легко подпрыгивать на несколько метров, а на Юпитере, наоборот, собственный вес казался бы в несколько раз больше привычного.
Главное о гравитации
Гравитация — это универсальное притяжение между всеми объектами, обладающими массой.
Первое количественное описание гравитации дал Исаак Ньютон в 1687 году, сформулировав закон всемирного тяготения.
Сила притяжения зависит от массы тел и расстояния между ними и уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
У поверхности Земли ускорение свободного падения составляет примерно 9,8 м/с², из-за чего у тел появляется вес.
Орбита — это не отсутствие гравитации, а непрерывное свободное падение: тело постоянно падает, но все время промахивается мимо поверхности.
Чтобы покинуть притягивающее тело, нужно достичь скорости убегания (для Земли около 11 км/с).
Общая теория относительности показывает, что гравитация — это искривление пространства-времени.
В сильных полях гравитация влияет на свет и замедляет течение времени. Это учитывается, например, в системе GPS.
Квантовая механика и теория относительности пока несовместимы, поэтому физики ищут теорию квантовой гравитации.
Полностью «выключить» гравитацию нельзя, но можно создать искусственное притяжение за счет ускорения или вращения.
Читайте также:
Апофис: что такое, размер, как выглядит, что будет, если упадет на Землю
Комета Галлея: что такое, когда была последний раз, когда прилетит, размер, фото
На обложке фото эксперимента РадиоСкаф-2 или «Кедр». 3 августа 2011 года из выработавшего свой ресурс скафандра «Орлан-М» сделали спутник, поместив в него радиоприемник. Фото Роскосмоса.
