Что такое гравитация

Гравитация – это способность всех материальных тел, обладающих массой, притягиваться друг к другу.

Гравитация – самое слабое и самое дальнодействующее из фундаментальных взаимодействий, известных в природе. Маленький магнитик, размером с монетку, запросто преодолевает гравитацию Земли, прилипая к дверце холодильника. Зато, по мере увеличения расстояний между телами, гравитация играет все более существенную роль. Она работает даже тогда, когда вклад остальных взаимодействий становится нулевым. Словом, гравитация — это длинная рука Мироздания, она удерживает Вселенную в целом, не входя в местные разборки.

В общем случае гравитация описывается теорией относительности Эйнштейна, а для случаев слабой гравитации и низких,  по сравнению со скоростью света, скоростей работает теория тяготения Ньютона (яблоко падает на Землю).

В классической ньютоновской физике все более или менее понятно. Вот, кстати, как гравитация Луны вызывает земные приливы и постепенно замедляет вращение Земли, а Луну, напротив, разгоняет по околоземной орбите:

Луна, вращаясь вокруг Земли, притягивает к себе, в числе прочего, воду на ее поверхности. В силу своей текучести вода образует приливную волну, которая следует за Луной.  Но Земля вращается вокруг по своей оси быстрее, чем Луна по орбите. Как следствие, приливная волна увлекается вращением Земли и опережает Луну — а Луна притягивает ее к себе, замедляя это опережение.

Однако убегающая приливная волна тоже притягивает к себе Луну. Это несколько смещает вектор силы, воздействующий на Луну. В результате, часть этой силы удерживает Луну на орбите, уравновешивая центробежную силу, а часть — разгоняет Луну по орбите, ускоряя ее вращение вокруг Земли. Одновременно, приливная волна, увлекаемая Землей и замедляемая Луной за счет силы трения о Землю, замедляет вращение Земли.

Почему гравитация выпадает из стандартной модели?

Хорошо было физикам в эпоху Ньютона: сказал «поле», описал свойства – и, пожалуйста: вот электромагнитное поле, а вот гравитационное. О сильных и слабых взаимодействиях тогда не знали, и прекрасно жили без них.

Трудности начались с открытием атома и элементарных частиц, что привело к появлению квантовой теории и теории относительности, сначала специальной (СТО), а затем и общей (ОТО).

В квантовой теории у всякого взаимодействия должна быть частица, отвечающая за это взаимодействие. Скажем, у электромагнитного взаимодействия есть фотон. У поля Хиггса – одноименный бозон. А у гравитации нет частицы, к которой ее можно было бы однозначно привязать. Ничего похожего на гипотетический «гравитон».

Великий Батут

Самую адекватную модель гравитации предлагает общая теория относительности. В этой модели пространство и время Вселенной можно представить в виде батута: туго натянутой эластичной пленки, по которой катаются шары различной массы. Под давлением шаров пленка прогибается (степень ее эластичности описывается гравитационной постоянной), и в местах прогиба изменяются траектории других шаров. Правда, батут в этом примере двумерный, а во Вселенной есть три пространственных измерения плюс время, которое для физических тел движется только в одну сторону.

Если мы положим на такую пленку очень тяжелый груз, она прогнется очень сильно (предполагается, что порвать мы ее все-таки не можем). При достаточной глубине воронки наклон ее стенок ближе к центру может стать вертикальным или даже отрицательным — так в этой модели выглядит черная дыра.

Самое очевидное подтверждение такой модели гравитации – отклонение светового луча вблизи больших масс, которое наблюдают астрономы. Это называется гравитационным линзированием.

Самый красивый и наглядный пример гравитационного линзирования – Крест Эйнштейна. Крестом Эйнштейна называется изображение квазара, расположенного за галактикой ZW 2237+030. Квазар находится примерно в 8 млрд световых лет от Земли, а галактика — в 400 млн световых лет, в 20 раз ближе. Галактика служит линзой, отклоняя свет от квазара таким образом, что мы видим четыре одинаковых световых точки с галактикой-линзой в центре.

Еще одно экспериментальное доказательство «батутной» модели гравитации — гравитационные волны. Если мы разгоним на нашем батуте два шара помассивней и столкнем их друг с другом, то от столкновения по батуту пойдет рябь. Это и будут гравитационные волны. Но гравитация — самое слабое  из известных взаимодействий, и обнаружение гравитационных волн возможно только от сверхмассивных источников. Например, от слияния черных дыр, а это случается не каждый день.

Тем не менее, гравитационные волны астрономам удалось обнаружить.

Немного позднее удалось обнаружить и реликтовый гравитационный «гул» Вселенной, возникший в момент «Большого взрыва», когда вещество разлеталось в разные стороны.

Темная материя

А еще во Вселенной маловато материи. Той, что мы наблюдаем, мало для удержания большинства галактик от разбегания при вращении, и для объяснения многих случаев гравитационного линзирования.

Это породило гипотезу о темной материи, которая проявляет себя только в гравитационных взаимодействиях. Но это пока лишь гипотеза.

Любопытные факты о гравитации

— В сильном гравитационном поле время течет медленнее. Подтверждено экспериментально.

— Тело весом 100 килограммов на Земле будет весить на Солнце 2707.2 кг.; на Меркурии – 37,8; на Венере – 90,7; на Луне — 16,6; на Марсе — 37,7; на Юпитере – 236,4; на Сатурне — 91,5; на Уране – 88,9; на Нептуне – 112,5 и на Плутоне – 6,7 кг.

— Состояние невесомости — не отсутствие гравитации. Астронавты на орбите также испытывают гравитацию. Гравитационное поле Земли уравновешивает центробежную силу, возникающую из-за полета корабля по околоземной орбите. Кстати, чтобы преодолеть силу гравитации Земли и выйти на орбиту, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. А чтобы улететь от Земли, скажем, к Марсу, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость.

— Гравитация, которую мы наблюдаем, всегда притягивает и никогда не отталкивает. Но одна из теорий темной материи предлагает модель, в которой темная материя, собравшаяся в межгалактическом пространстве, отталкивает обычную материю, сбивая ее в галактики.

— В звёздах, в процессе термоядерных реакций, создаётся огромное давление, которое уравновешивается гравитационными силами.

Читайте также:

Астрофизики измерили массу нашей Галактики

NASA показало искривленный мир черной дыры

Вымерший моллюск помог установить продолжительность суток в древности