Что такое гравитация?

Художник

Художественное изображение гравитационных волн вокруг двойной системы. Гравитация - фундаментальная сила в природе, но для ученых это большая загадка. (Изображение предоставлено Shutterstock)





Из фундаментальных сил Вселенной только одна доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта: гравитация. Он удерживает нас близко к земле, вытаскивает бейсбольные и баскетбольные мячи из воздуха и дает нашим мышцам то, с чем нужно бороться. С космической точки зрения гравитация имеет такое же значение. От сжатия водородных облаков в звезды до склеивания галактик воедино гравитация представляет собой одного из немногих факторов, определяющих общие черты эволюции Вселенной.

В некотором смысле история гравитации - это также история физики, когда некоторые из самых известных имен в этой области получили известность, определив силу, которая управляла их жизнями. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила по-прежнему лежит в основе некоторых из величайших загадок дисциплины.

Гравитация как универсальная сила

Сегодня, ученые знают о четырех силах - вещи, которые притягивают (или отталкивают) один объект к (или от) другому. В сильная сила а слабые силы действуют только внутри центров атомов. Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны, протоны и носки, шаркая по пушистому ковру), а гравитация управляет объектами с массой.



Первые три силы в значительной степени ускользали от внимания человечества до недавних столетий, но люди давно размышляли о гравитации, которая действует на все, от капель дождя до пушечных ядер. Древнегреческий и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к земле, но для этого потребуется вспышка озарения от Исаак Ньютон поднять гравитацию от непостижимой тенденции объектов к измеримому и предсказуемому явлению.

Скачок Ньютона, о котором стало известно в его трактате 1687 г. Математические основы естественной философии , было осознать, что каждый объект во Вселенной - от песчинки до самых больших звезд - притягивает все остальные объекты. Это понятие объединило события, которые казались совершенно не связанными друг с другом, от падения яблок на Землю (хотя, вероятно, это не вдохновило его на прорыв, Ньютон работал возле яблони ) к планетам, вращающимся вокруг Солнца. Он также определил числовое значение притяжения: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а приближение двух объектов вдвое ближе к четырехкратному увеличению их взаимного притяжения. Ньютон заключил эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Гравитация как геометрия пространства

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы обнаружить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог это увидеть, но закон Ньютона несовершенен. В 1800-х годах астрономы заметили что эллипс, начертанный орбитой Меркурия, двигался вокруг Солнца быстрее, чем предсказывала теория Ньютона, что предполагает небольшое несоответствие между его законом и законами природы. В конечном итоге загадка была разрешена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году.



До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как рассчитать гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, не намного лучше, чем у древних философов. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все другие с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эйнштейновской эпохи были довольны тем, что оставили все как есть. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может перемещаться мгновенно, и сила тяжести не должна быть исключением.

На протяжении веков физики относились к космосу как пустая структура, против которой разыгрываются события . Он был абсолютным, неизменным и не существовал - ни в каком физическом смысле - на самом деле. Общая теория относительности способствовала превращению пространства, а также времени из статического фона в субстанцию, напоминающую воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной, и что этот материал «пространство-время» может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться, таща за собой все, что есть в нем.

Исполнитель



Художественная концепция гравитации, изгибающей ткань пространства-времени вокруг Земли и Солнца.(Изображение предоставлено Shutterstock)

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени - это то, что порождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такой как Земля или Солнце, искривляет пространство вокруг себя, как скала искривляет течение реки. Когда другие объекты движутся поблизости, они следуют кривизне пространства, как лист может следовать за водоворотом вокруг камня (хотя эта метафора не идеальна, потому что, по крайней мере, в случае планет, вращающихся вокруг Солнца, пространство-время не течет. '). Мы видим, как планеты вращаются по орбите, а яблоки падают, потому что они следуют путями через искаженную форму Вселенной. В повседневных ситуациях эти траектории соответствуют силе, предсказанной законом Ньютона.

Полевые уравнения общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, иллюстрирующих, как материя и энергия искажают пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения орбиты Меркурия, а также искривление звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года. [ На фотографиях: эксперимент Эйнштейна 1919 года по поводу солнечного затмения проверяет общую теорию относительности ]

Гравитация как инструмент открытия

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что стало ориентиром для космических открытий.

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметил в 1960-х годах, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы вращать звезды, как собака стряхивает капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не расходились, казалось, что-то помогало им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубина и Форда предоставили убедительные доказательства, подтверждающие более раннюю теорию швейцарского астронома Фрица Цвикки, предложенную в 1930-х годах, о том, что некое невидимое разнообразие масс ускоряет галактики в соседнем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная «темная материя» искажает пространство-время настолько, чтобы не повредить галактики и скопления галактик. Другие, однако, задаются вопросом, может ли сама гравитация действовать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае потребуется корректировка как уравнений Ньютона, так и уравнений Эйнштейна.

Изменения в общей теории относительности должны быть действительно деликатными, поскольку недавно исследователи начали обнаруживать одно из самых тонких предсказаний теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в пространстве. С 2016 года исследовательское сотрудничество, работающее с тремя детекторами в Соединенных Штатах и ​​Европе, измерило несколько гравитационных волн, проходящих через Землю. Еще детекторы в пути , запустив новая эра астрономии в котором исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды - не по испускаемому ими свету, а по тому, как они сотрясают ткань пространства при столкновении.

Тем не менее, череда экспериментальных успехов общей теории относительности затушевывает то, что многие физики считают фатальной теоретической ошибкой: она описывает классическое пространство-время, но вселенная в конечном итоге оказывается квантовой или состоящей из частиц (или `` квантов ''), таких как кварки и электроны. .

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единой гладкой ткани вступает в противоречие с квантовой картиной Вселенной как набора острых маленьких кусочков. Как продлить царствование Стандартная модель физики элементарных частиц , который охватывает все известные частицы, а также три другие фундаментальные силы (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы покрыть пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одной из самых глубоких загадок современной физики.

Дополнительные ресурсы: