Как работает гравитация?

Каждый раз, когда вы прыгаете, вы испытываете гравитацию. Она тянет вас обратно на землю. Без гравитации вы бы улетели в атмосферу - вместе со всей остальной материей на Земле.

Вы видите гравитацию в действии каждый раз, когда роняете книгу, наступаете на весы или подбрасываете мяч в воздух. Это такое постоянное присутствие в нашей жизни, что мы редко удивляемся его загадочности, но даже с несколькими хорошо принятыми теориями, пытающимися объяснить, почему книга падает на землю (и с той же скоростью, что камешек или диван), они все еще простотеории. Тайна притяжения гравитации в значительной степени не раскрыта.

Итак, что мы знаем о гравитации? Мы знаем, что она заставляет любые два объекта во Вселенной притягиваться друг к другу. Мы знаем, что гравитация способствовала формированию Вселенной, что она удерживает Луну на орбите вокруг Земли и что ее можно использовать для более приземленных применений, таких как двигатели с гравитационным приводом или лампы с гравитационным приводом.

Что касается науки, стоящей за действием, мы знаем, что Исаак Ньютон определил гравитацию как силу, которая притягивает все объекты ко всем другим объектам. Мы знаем, что Альберт Эйнштейн сказал, что гравитация является результатом искривления пространства-времени. Эти две теории являются наиболее распространенными и широко распространенными (хотя и несколько неполными) объяснениями гравитации.

В этой статье мы рассмотрим теорию гравитации Ньютона, теорию гравитации Эйнштейна, а также коснемся более позднего взгляда на это явление.

Хотя многие люди уже заметили, что гравитация существует, Ньютон был первым, кто разработал связное объяснение гравитации, поэтому мы начнем с этого.

Ньютон выдвинул идею о том, что гравитация является предсказуемой силой. Его совокупная работа принесла ему памятник в обсерватории Гриффита.

В 1600-х годах английский физик и математик по имени Исаак Ньютон сидел под яблоней - по крайней мере, так гласит легенда. По-видимому, яблоко упало ему на голову, и он начал задаваться вопросом, почему яблоко вообще притягивается к земле.

Ньютон обнародовал свою теорию всемирного тяготения в 1680-х годах. В основном в нем излагалась идея о том, что гравитация была предсказуемой силой, которая действует на всю материю во Вселенной и зависит как от массы, так и от расстояния. Теория утверждает, что каждая частица материи притягивает любую другую частицу (например, частицы "Земли" и частицы "вас") с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Расстояние между ними.

Таким образом, чем дальше друг от друга частицы и / или чем менее массивны частицы, тем меньше гравитационная сила.

Стандартная формула для закона тяготения гласит [источник: UT]:

Гравитационная сила = (G * m1 * m2) / (d2)

где G - гравитационная постоянная, m1 и m2 - массы двух объектов, для которых вы вычисляете силу, а d - расстояние между центрами тяжести двух масс.

G имеет значение 6,67 x 10E-8 дин * см2 / гм2. Итак, если вы поместите два объекта весом 1 грамм на расстоянии 1 сантиметра друг от друга, они будут притягивать друг друга с силой 6,67 x 10E-8 дин. Дина равна примерно 0,001 грамма веса, что означает, что если у вас есть дина силы, он может поднять 0,001 грамма в гравитационном поле Земли. Итак, 6,67 x 10E-8 дин - это ничтожная сила.

Однако, когда вы имеете дело с массивными телами, такими как Земля, масса которых составляет 6E + 24 килограмма (посмотрите, сколько весит планета Земля?), Это создает довольно мощную гравитационную силу. Вот почему вы сейчас не парите в космосе.

Сила тяжести, действующая на объект, также равна весу этого объекта. Когда вы встаете на весы, шкала показывает, насколько сильно гравитация действует на ваше тело. Формула для определения веса:

вес = м * г

где m - масса объекта, а g - ускорение под действием силы тяжести. Ускорение, обусловленное гравитацией на Земле, составляет 9,8 м / с2 - оно никогда не меняется, независимо от массы объекта. Вот почему, если бы вы сбросили камешек, книгу и диван с крыши, они бы упали на землю одновременно.

В течение сотен лет теория гравитации Ньютона в значительной степени стояла особняком в научном сообществе. Это изменилось в начале 1900-х годов.

Альберт Эйнштейн, получивший Нобелевскую премию по физике в 1921 году, предложил альтернативную теорию гравитации в начале 1900-х годов. Это была часть его знаменитой Общей теории относительности, и она предлагала объяснение, сильно отличающееся от закона всемирного тяготения Ньютона. Эйнштейн вообще не верил, что гравитация - это сила; он сказал, что это искажение формы пространства-времени, иначе известное как "четвертое измерение".

Базовая физика утверждает, что если не действуют внешние силы, объект всегда будет двигаться по максимально прямой линии. Соответственно, без внешней силы два объекта, движущиеся по параллельным траекториям, всегда будут оставаться параллельными. Они никогда не встретятся.

Но факт в том, что они встречаются. Частицы, которые начинают движение по параллельным траекториям, иногда в конечном итоге сталкиваются. Теория Ньютона говорит, что это может произойти из-за гравитации, силы, притягивающей эти объекты друг к другу или к одному третьему объекту. Эйнштейн также говорит, что это происходит из-за гравитации, но в его теории гравитация не является силой. Это кривая в пространстве-времени.

Согласно Эйнштейну, эти объекты все еще движутся по максимально прямой линии, но из-за искажения пространства-времени максимально прямая линия теперь проходит по сферической траектории. Итак, два объекта, которые двигались вдоль плоской плоскости, теперь движутся вдоль сферической плоскости. И два прямых пути вдоль этой сферы заканчиваются в одной точке.

Еще более поздние теории гравитации выражают это явление в терминах частиц и волн. Согласно одной точке зрения, частицы, называемые гравитонами, вызывают притяжение объектов друг к другу. Однако гравитоны на самом деле никогда не наблюдались. И ни у того, ни у другого нет гравитационных волн, иногда называемых гравитационным излучением, которые предположительно генерируются, когда объект ускоряется внешней силой.

Гравитоны или нет, мы знаем, что то, что поднимается, должно опускаться. Возможно, когда-нибудь мы точно узнаем, почему. Но до тех пор мы можем быть удовлетворены, просто зная, что планета Земля в ближайшее время не столкнется с солнцем. Гравитация надежно удерживает его на орбите.