Гравитация это взаимодействие двух материальных тел ошибка

Правила явного определения. Ошибки, возможные в определении

1.
Определение должно быть соразмерным,
т. е. объём определяющего понятия должен
быть равен объему определяемого понятия.
Dfd.
= Dfп,.

Это
правило часто нарушается, в результате
чего в определении возникают логические
ошибки. Типы этих логических ошибок:

а.
Широкое
определение,
когда определяющее понятие по об ему
шире, чем определяемое понятие Dfd
< Dfп.
Такая ошибка содержится в следующих
определениях: “Гравитация — это
взаимодействие двух материальных тел”;
“Костер — источник тепла”.

41

Понятие
“окружность” неправильно определяется
так: “Это фи­гура, которая описывается
движущимся концом отрезка, когда другой
его конец закреплен, или фигура, которая
образована дви­жущимся концом циркуля”.
С помощью этого определения нельзя
отличить понятие “окружность” от
понятия “дуга”, так как не указано, что
окружность — это кривая замкнутая линия.

Приведем
пример из истории философии. Древнегреческий
философ Платон дал такое определение
понятия “человек”:

“Человек
— это двуногое животное без перьев”. На
лекцию Пла­тона в Академию другой
философ Диоген с целью доказать
ло­гическую ошибку Платона в определении
понятия принес ощи­панного петуха и
выпустил его в аудиторию со словами:
“Вот человек Платона”. Утверждают, что
Платон признал свою ошиб­ку и уточнил
первоначальное определение: “Человек
— это дву­ногое животное без перьев с
широкими ногтями”.

б.
Узкое
определение,
когда определяющее понятие по объе­му
уже, чем определяемое понятие. Dfd
> Dfп.
Например: “Вер­шина — самая высокая
часть холма”, однако и у горы есть
верши­на. Другое: “Совесть — это
осознание человеком ответственно­сти
перед самим собой за свои действия и
поступки” (а перед обществом?).

42

в.
Определение
в одном отношении широкое, в другом —
узкое.
Например: “Ящик — тара для хранения
овощей”. С одной стороны, это широкое
определение, так как тарой для хранения
овощей может быть мешок и контейнер и
т. д., с другой стороны, это узкое
определение, так как ящик пригоден для
хранения и цемента, и песка, а не только
овощей.

2.
Определение не должно содержать круга.
Круг
возникает тогда, когда определяемое
понятие и определяющее понятие выражаются
одно через другое. В определении “Вращение
есть движение вокруг своей оси” будет
допущен круг, если до этого понятие
“ось” было определено через понятие
“вращение” (“Ось — это прямая, вокруг
которой происходит вращение”.

Круг
возникает и тогда, когда определяемое
понятие характеризуется через него же,
но лишь выражено иными словами, или
когда определяемое понятие включается
в определяющее понятие в качестве его
части. Такие определения носят название
тавтологий. Например: “Смешное — это
то, что вызывает смех”; “Сверхпроводник
— вещество, обнаруживающее явление
сверхпроводимости”; “Количество —
характеристика предмета с его
количественной стороны”.

Логически
некорректным является употребление
таких, например, тавтологий, как “масляное
масло”, “трудоемкий труд”, “порученное
поручение”, “прогрессирующий прогресс”,
“заданная задача”, “изобрету
изобретение”, “поиграем в игру”,
“памятный сувенир”, “подытожим итоги”,
“старый старик” и др. Иногда можно
встретить выражения типа “Закон есть
закон”, “Жизнь есть жизнь” и т.д.,
которые представляют собой прием
усиления, а не сообщения в предикате
какой-то информации о субъекте, так как
субъект и предикат тождественны. Такие
выражения не претендуют на определение
соответствующего понятия: “закон”,
“жизнь” или др.

3.
Определение должно быть четким, ясным.
Это правило означает, что смысл и объем
понятий, входящих в Dfn
должен
быть ясным и определенным. Определения
понятий должны быть свободными от
двусмысленности; не допускается подмена
их метафорами, сравнениями и т. д.

Не
являются правильными определениями
следуют суждения: “Лень — мать всех
пороков”; “Природа — это наука,

43

способствующая
пониманию вопросов, относящихся к
духовной истине” (Р. Эмерсон); “Упрямство
— порок ума”; “Такт — это разум сердца”
(К. Гуцков); “Неблагодарность — род
слабости” (И. В. Гете). Эти истинные
суждения представляют собой интересные
метафоры, поучительные афоризмы, которыми
мы пользуемся при передаче информации,
но они не являются опре­делениями
понятий.

Гравитация (от лат. gravis, «тяжелый») — это сила, которая притягивает два тела друг к другу. Все, что имеет материю, то есть все, к чему можно прикоснуться, имеет также гравитационное притяжение. Гравитация является одной из четырех фундаментальных сил во Вселенной наряду с электромагнетизмом, а также сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Хотя это самая слабая сила, она наиболее видима. Из-за работы гравитационной силы люди могут ходить по Земле, а планеты — вращаться по орбите вокруг Солнца.

Степень гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Таким образом, объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, то все предметы и объекты притягивается к ней. Например, яблоки падают на землю, а не притягиваются, к примеру, к голове человека.

Расстояние также влияет на гравитацию. Чем дальше объект, тем гравитационное притяжение слабее.

Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Древнегреческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который, по его мнению, находился в середине Земли.

Однако поляк Николай Коперник в XVI веке понял, что траектории планет на небе определяются положением Солнца, которое и является центром Солнечной системы. Век спустя британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку Солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.

В наши дни действующей теорией, описывающей гравитацию, является общая теория относительности Эйнштейна.

Классическая теория тяготения Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.

Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.

Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.

Теория гравитации Эйнштейна

В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной. Он построил так называемые крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из шаров физик поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, в результате чего проволока слегка скручивалась. Это явление позволило ему рассчитать величину G.

Примечательно, что оценка Кавендиша для G всего на 1% отличалась от принятого на сегодняшний день значения 6,674 × 10^-11 м^3/кг^1 * с^2. Чтобы получить точное значение, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн произвел следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, преломляются чрезвычайно массивными объектами. В рамках его теории гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы и энергии.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных объектов с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не может точно описать, как движутся объекты.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила его специальную теорию относительности, которую ученый разработал за десятилетие до этого. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.

В своей специальной теории относительности Эйнштейн определил, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, не движущихся с ускорением, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. В результате он обнаружил, что пространство и время переплетаются, и события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем попытаться катить шарик по краю батута, он будет двигаться по спирали внутрь к этому объекту.

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году NASA запустило гравитационный зонд Gravity Probe B. По данным агентства, оси точно откалиброванных гироскопов спутника с течением времени очень незначительно дрейфовали, что соответствует теории Эйнштейна.

Эйнштейн предсказал, что такие события, как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые определила такой сигнал. Гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру. Это произошло, предположительно, 1,3 млрд лет назад.

С тех пор LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.

Чему равна сила гравитации

Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.

Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.

Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.

Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.

Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.

Современное представление о гравитации

Научные исследования в области гравитации продолжаются. Теория относительности Эйнштейна объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; однако открытия в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц показали, что ее нельзя отнести к взаимодействиям в квантовой физике. Проще говоря, эйнштейновская теория не работает в микромире. В связи с этим получило развитие направление «квантовой гравитации» или квантового описания гравитационного взаимодействия.

Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.

В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.

Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.

Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.

Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.

В 1990-х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречит предсказаниям общей теории относительности, согласно которой гравитация должна замедлять расширение. Чтобы объяснить это явление, космологи начали ссылаться на «темную энергию», силу, которая составляет почти три четверти материи и энергии во Вселенной и поэтому раздвигает ее. Но происхождение темной энергии по сей день остается загадкой. Некоторые исследователи пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной без темной энергии, предполагая, что если общая теория относительности неверна, а гравитация ослабевает в космических масштабах. Но до сих пор никто не придумал способ проверить данную теорию.

Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.

Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.

Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.

Как преодолеть гравитацию

Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы объект двигался по орбите вокруг планеты. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость. Чтобы выйти за гра­ни­цу сфе­ры зем­но­го при­тя­же­ния, которая заканчивается на рас­стоя­нии около 930 тыс. км от Зем­ли, ско­рость объ­ек­та долж­на со­став­лять около 16,6 км/с. Это третья космическая скорость.

Если бы не было гравитации

В соответствии с вышеприведенными законами физики на практике такая ситуация невозможна.

Бывший астронавт NASA, физик Джей Баки, отмечает, что наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Когда сила тяжести почти исчезает (например, на борту МКС), организм начинает перестраиваться. За время миссий в космосе члены экипажей кораблей теряют костную массу и мышечный тонус, а также чувство равновесия.

Доктор Кевин Фонг добавляет, что количество эритроцитов в организме падает, что приводит к так называемой космической анемии. При этом раны заживают дольше, а также снижается иммунитет, наблюдаются проблемы со сном. Таким образом, в отсутствие гравитации мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды развивались бы иначе.

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании предположил, что в отсутствие гравитации Земля начала бы вращаться с большой угловой скоростью как раскручиваемая над головой веревка. Таким образом, любые объекты на планете улетели бы прямо в космос, как и вода с атмосферой. Только укрепленные строения могли бы какое-то время держаться на поверхности Земли.

В конечном счете отсутствие гравитации разрушит саму планету. Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны.

Похожий пример, но с Солнцем, приводит канал Discovery News в своем видео.

Без гравитации не осталось бы ни звезд, ни планет, а Вселенная стала бы смесью рассеянных атомов и молекул.

Возможна ли искусственная гравитация

Когда человек оказывается в космосе, далеко от гравитационных воздействий, испытываемых на поверхности Земли, он переживает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек как бы «плавает» внутри него. В связи с этим возникает вопрос — как создать условия искусственной гравитации, при которых человек сможет не летать, а спокойно ходить по космическому кораблю?

Пока нужный эффект можно получить только через ускорение. В случае с космическим кораблем — заставить его вращаться. Тогда можно можно получить центробежную тягу, как на Земле. Но для путешествия в другую звездную систему придется ускорять корабль по пути туда и замедлять по прибытии обратно. Человеческий организм вряд ли сможет перенести такие нагрузки. Например, чтобы разогнаться до «импульсной скорости» как в фильме «Звездный путь», до нескольких процентов от скорости света, то пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g (единиц ускорения, вызванного гравитацией) в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвращает ток крови в теле человека. В Роскосмосе изучают идею встроенной центрифуги на борту корабля, в которую космонавты смогут периодически заходить, чтобы испытывать силу тяжести и снижать негативные последствия от пребывания в невесомости.

Предполагалось, что искусственная гравитация возможна при отрицательной гравитационной массе, которая, как ожидалось, свойственна антиматерии. Однако Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружила, что инертная масса антипротона («зеркального отражения» протона, который отличается знаками всех характеристик физического взаимодействия) совпадает с массой протона. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, то физики заметили бы разницу. Получается, что действие гравитации на антипротоны и протоны совпадает. Кроме того, в ЦЕРН получили антиводород — первую стабильную форму антиматерии. Но ее изучают, и пока сдвигов в теории антиматерии нет.

Сразу оговорюсь, данное утверждение — это не «мэйнстримная научная картина мира», а скорее что-то из области «физики сенсаций». Ну, то есть такого процесса, когда популяризатор для привлечения аудитории и повышения своего авторитета, лектор для красного словца или преподаватель для «упрощения темы» выбрасывает все необходимые стопицот оговорок и сводит некое явление к яркому, сенсационному лозунгу.

Такой вариант лежит где-то между реальным научным объяснением явления или теории и новостным заголовком в стиле «учёные доказали»: научное объяснение всё-таки присутствует, но выводы сильно выходят за пределы самой концепции и даже могут заметно дезинформировать читателя по поводу научной картины мира в целом и статуса сабжевой теории в частности.

При этом не надо думать, будто бы «иначе объяснение явления не будет ярким и не запомнится»: удачная инфографика и хорошо выстроенный текст вполне могут сделать ярким и запоминающимся описание любого явления без давления на эмоции.

Напротив, при «добавлении сенсационности» внимание переводится от интереса к структуре явления на интерес к его сенсационности. «Эйнштейн опроверг Ньютона» или «Клиперштейн опроверг Эйнштейна» притягивает внимание заявленной в заголовке состязательностью. За соревнованием многим интересно следить, и в нём проще отождествить себя с одной из сторон, начав за неё «болеть». В результате, вместо стандартных для науки попыток залатать обнаружившиеся дыры разными вариантами уточнения предыдущих теорий, дело предстаёт чем-то вроде турнира по шахматам или даже по Мортал Комбату. «Вот тут наши, а там — не наши: болей за наших!»

Так вот. Хотя Общая Теория Относительности и ставила своей целью объяснить гравитационные эффекты — в том числе, те, которые не объясняла классическая теория гравитации, у Эйнштейна и в мыслях не было её «опровергать». Хотя бы уже по той причине, что она давала очень хорошо сбывающиеся прогнозы на огромном множестве экспериментов и наблюдений. Из чего следовало, что какие бы уточнения мы ни ввели, любая новая теория должна в своём предельном случае сводиться к старой.

Причём этот предельный случай должен наблюдаться почти всегда — почти во всех явлениях, с которыми человечество имеет дело, кроме весьма малой группы явлений, с которыми не справляется текущая теория, либо же справляется, но с заметной ошибкой.

Такими явлениями, в частности, были прецессия (то есть медленный поворот оси эллипса орбиты) Меркурия и гравитационное линзирование света. ОТО дала им объяснение, что сделало её в определённом смысле лучше классической теории гравитации.

В «определённом» — потому что спектр явлений, в которых человечество умеет аналитически решать уравнения ОТО или хотя бы численно аппроксимировать это решение, на данный момент существенно уже, чем для классической теории, а вычисления в ОТО при этом оказываются радикально сложнее. Но зато несколько ранее не имеющих объяснения явлений получили хоть какое-то объяснение, причём прогнозы, сделанные по этой теории, весьма хорошо совпадают с наблюдениями.

С другой стороны, про ОТО всё ещё неясно, каким образом её примирить с квантовой механикой, да и вне квантовой механики странностей в наблюдениях — то есть их расхождений с прогнозами на основании ОТО — набралось столько, что термины, введённые для обозначения потенциальных объяснений этих расхождений, на данный момент не менее известны, чем словосочетание «теория относительности»: как минимум, «тёмная материя» и «тёмная энергия». Поэтому считать ОТО «окончательным и бесповоротным вариантом» было бы слишком самонадеянно.

Кроме объяснения некоторых ранее не имеющих достаточно хорошего объяснения явлений, в ОТО даётся альтернативный взгляд на вещи: если в классической теории пространство и время идентичны во всех системах отсчёта, а пространство, вдобавок, евклидово, то в теориях относительности они в разных системах отсчёта разные и в общем случае не евклидовы, что в ОТО условно называется «искривлением пространства-времени».

Это опять же часто преподносится как «Эйнштейн опроверг евклидовость пространства» — ведь звучит оно более интригующе. Однако и это тоже не так: Эйнштейн предложил способ описания наблюдений при помощи введения конкретной версии неевклидова пространства. Этот способ даёт сбывающиеся прогнозы, а потому такое описание следует считать верным.

Но у нас нет «универсального измерителя пространства» и скорее всего его вообще не может быть, а потому мы не можем сказать, каким является пространство «на самом деле». Мы только можем сказать, что в таком-то случае наблюдения достаточно хорошо описываются евклидовым пространством, в таком-то — пространством Минковского (случай специальной теории относительности), а в каком-то ещё — каким-то ещё.

Мало того, сама по себе математически введённая геометрия пространства физических явлений не описывает, а потому в физической теории к ней прилагаются ещё определения понятий и физические законы, действующие в пространстве с такой геометрией. Именно вот такая комбинация — геометрия пространства, определения и законы — и составляет теорию, а не что-то одно из них, отдельное.

Из этого следует, что любой набор наблюдений, вообще говоря, может быть описан более чем одной теорией. В том числе, могут быть одновременно верны в смысле сбывающихся прогнозов две теории с разной геометрией пространства и с разными введёнными там физическими законами.

Если можно математически доказать, что все выражения одной теории могут быть получены из выражений другой теории какими-то подстановками и наоборот, то эти теории сводимы друг к другу, и мы в принципе никогда не сможем сказать, какая из них описывает это самое «на самом деле».

Если же хоть где-то можно получить расхождение в прогнозах, то выбор между теориями можно сделать при помощи экспериментов в области этого расхождения. Причём дать неправильные прогнозы могут обе теории — вовсе не обязательно, что их будет давать только одна из них.

Однако там, где их прогнозы совпадают, они обе верны. Та, которая точнее предсказала что-то в отдельной области, как максимум, более подходящая в этой области, чем другая.

Если же у одной теории на фоне другой теории такие области есть, а у второй на фоне первой их нет, то первая теория не «более верная во всех областях», а более общая. То есть при прочих равных удобнее было бы пользоваться ею везде.

Именно при прочих равных — ведь может статься, что, как это происходит в случае с ОТО и классической теорией гравитации, более общей теорией пользоваться значительно сложнее, а потому это осмысленно только там, где более простая в использовании даёт неверные прогнозы.

Иными словами, соревнование в науке идёт несколько не так, как в шахматах или в Мортал Комбате: там совершенно не обязательно всегда есть ровно один «победитель». Новостные заголовки от этого, конечно, сильно проигрывают, да и честному лектору из-за этого тяжелее создавать в аудитории ажиотаж призывами «болеть за наших», но в одних случаях может «выигрывать» много теорий, хотя и в разной степени, а в других — «проигрывать» все сразу.

Например, нет смысла в выяснении того, Земля ли «на самом деле» движется вокруг Солнца или Солнце — вокруг Земли. Все эти варианты имеют соответствующие наблюдениям построения с одинаково хорошо сбывающимися прогнозами, причём, если бы Солнечная система состояла бы только из двух этих объектов, то даже наблюдаемая из центра любого из этих объектов траектория второго была бы столь же простым эллипсом, сколь траектория первого из центра второго. И ровно таким же простым эллипсом, как траектории их обоих относительно их центра масс.

Траектории остальных планет относительно центра Солнца, конечно, получаются проще, нежели относительно центра Земли, однако относительно него гораздо сложнее выглядит движение Луны, МКС или автомобиля на Ленинском проспекте.

В результате, выбор между возможными точками отсчёта делается не на основании того, что один из них ближе к «на самом деле», а потому, что при одинаково хорошо сбывающихся прогнозах относительно одного из них для конкретного случая некий прогноз заметно проще сделать.

Но ведь «люди думали, будто бы Солнце вращается вокруг Земли, а оказалось, что Земля — вокруг Солнца!» звучит гораздо сенсационнее. Узнав это, ты почти без усилий стал как бы умнее людей прошлого и тех современников, кто о таком не знает. Как бы этим самым определились «наши» — прогрессисты, которые знают, кто вокруг кого вращается. Потому-то эта фраза так востребована.

Аналогично дело обстоит и с несколько менее распространённой фразой про то, что «планеты просто движутся по инерции в искривлённом пространстве-времени». Это как бы «Земля — вокруг Солнца», но уже на ступеньку выше. А то предыдущую фразу уже почти все знают, поэтому возвышаться с её помощью уже почти не над кем.

Так вот, классическая теория гравитации настолько хорошо описывает поведение объектов в гравитационных полях в большинстве случаев, что подавляющее большинство расчётов делалось и делается на её основе. Устойчивость зданий, параметры шин автомобилей, корпуса кораблей, полёты самолётов и спутников, и даже полёты космических аппаратов к планетам в основном рассчитываются без использования ОТО — на базе классической теории гравитации. Причём здания стоя́т, автомобили ездят, корабли плавают, а самолёты и спутники долетают куда надо.

Несколько странно было бы при таком раскладе думать, будто «эта теория — не настоящая: на самом деле, всё не так». Гравитационная сила — в том смысле, в котором понятие «сила» понимается в классической механике — слишком обширно себя проявляет в непосредственных измерениях и расчётах, чтобы считать её несуществующей.

Но в чём же тогда штука? Почему эта фраза столь любима «ознакомившимся и прозревшими»?

Ну, во-первых, конечно, в сабжевой «сенсационности звучания». «Эйнштейн опроверг», «прозревшие прозрели», «дикари не понимают», «наши рулят!», вот это вот всё.

Во-вторых, что более осмысленно, простейший случай движения планет в этой концепции оказывается ещё более простейшим. Ведь одно дело, когда есть какая-то сила, которая поворачивает вектор скорости, в результате чего всё выглядит так, будто бы планета постоянно падает на звезду, но всё время промахивается. И другое дело, когда планета просто движется по прямой в искривлённом пространстве-времени.

Выглядит так, будто бы в первом случае надо вычислять что-то сложное, а во втором вычислять ничего не надо — это ж просто движение по инерции по прямой. Правда, чтобы вычислить это самое искривление пространства, заниматься матаном придётся несравнимо больше, чем для гравитационной силы и вектора скорости, но это ж большинство людей не делают сами — в отличие от гравитационных сил и скоростей, что-то делать с которыми всех заставляют в школах и вузах.

Плюс, конечно, изящество самой идеи: действительно, так вышло, что гравитационная сила всегда пропорциональна массе тела, в результате чего она всем телам в одной и той же точке будет сообщать одно и то же ускорение. Концепция искривлённого пространства объясняет, как же это оно так вышло, добавляя к этому объяснение того, почему в гравитационном поле и свет тоже движется не по прямой, в точности аналогичное объяснению движению тел.

Причём всё это объясняется как бы очень простыми словами: «на самом деле, они движутся по прямой, но в том пространстве, которое само кривое относительно евклидова».

Просто, удобно и изящно же, нет?

Как тут не поддаться искушению и не продолжить: «а значит, не существует гравитационных сил — существует только искривление пространства массами»?

Точнее, не массами, а скорее массэнергиями, ну да ладно.

И, таки да, если бы из всех проявлений гравитации мы бы наблюдали только вращение одного тела вокруг другого и искривление световых лучей, то действительно можно было бы сказать: «гравитационная сила — какая-то лишняя сущность, давайте лучше перейдём к более лаконичной теории».

Однако подавляющее большинство случаев, в которых мы наблюдаем проявление гравитации, не такие. Свободное падение, конечно, тоже бывает, но в основном бывает не оно.

Например, давайте рассмотрим Землю, на которой стоят весы, на которых лежит гиря. Весы показывают некий «вес тела», причём показания явно не случайны: ведь весы самого разного устройства каждый раз показывают одно и то же соотношение для любых двух одних и тех же объектов.

Причём мы можем смотреть на эти весы и с Земли, и с МКС, и из центра масс Солнечной системы, а показания на них всё время будут одними и теми же. Поэтому какие бы преобразования и искривления пространства-времени мы не ввели в теорию, нам всё время придётся объяснять вот эти вот идентичные при взгляде откуда угодно, наблюдаемые на весах показания.

Явно у такого положения вещей есть объективная причина — ведь не иллюзия же всё это. «На самом деле, гравитационной силы нет», но выглядит всё так, будто бы она однозначно есть.

Ну и как для этого, гораздо более распространённого случая, применить «простое объяснение» с «движением по прямой в искривлённом пространстве»?

Относительно Земли и весов гиря не движется. Относительно Солнца и МКС они все движутся как одно тело. Что же вызывает столь закономерные показания на весах?

Есть очень хорошая визуальная иллюстрация того, как, согласно ОТО, работает искривление пространства-времени в динамике, обязательно посмотрите.

Так вот, по ней становится — безо всякого матана — совершенно понятно, как в этой концепции устроено свободное падение и его частный случай — вращение одного тела вокруг другого.

Но вот так же просто и наглядно объяснить, почему же весы что-то закономерно показывают, уже не получается.

Да, тело «увлекается по инерции» этим «сжимающимся с ходом времени» пространством. Но ведь и весы, и поверхность Земли им точно так же увлекаются. Причём, поскольку они ближе к центру Земли, увлекаться они должны с бо́льшим ускорением, чем гиря.

Разумеется, это всё так работало бы только в том случае, если бы поверхность Земли, весы и гиря не испытывали никаких сил, в том числе, не имели бы жёсткости.

Однако жёсткость они имеют, поэтому, видимо, именно жёсткостью они и…

Постойте, они что?.. Сопротивляются искривлению пространства-времени?

Как именно это работает?

Ну ладно, как именно неясно, но они как-то сопротивляются, а потому поверхность Земли уже не покоится в искривляемом массой Земли пространстве-времени, а вместо этого ускоренно движется в нём «против направления искривления». В результате этого она упирается в весы и порождает в адрес весов то, что называется «реакцией опоры». Из-за этого весы тоже начинают двигаться в искривлённом пространстве с ускорением и порождают реакцию опоры в адрес гири. Реакция опоры по третьему закону Ньютона имеет силу противодействия (назовём её «силой Икс»), и именно это как раз и вызывает закономерные показания весов, которые в искривлённом пространстве сжимаются толкающей весы вверх поверхностью Земли и силой Икс, толкающей их верхнюю часть вниз.

С некоторыми натяжками всё сошлось. Но это точно было «более простое и понятное объяснение», чем в классической механике? В случае свободного падения возможно было проще, но тут-то?

Тем более, мы всё равно в результате пришли к «силе Икс», которая чудесным образом при возврате к евклидовому пространству совпадает с ньютоновской гравитационной силой, действующей на гирю, по величине и направлению. И разность сил, действующих на весы со стороны поверхности Земли и со стороны гири, в искривлённом пространстве тоже равна ньютоновской гравитационной силе. «Силы нет», но всё равно она как бы есть.

Кроме того, по этому рассуждению видно, что мы в данном случае практически пришли к сводимому к «классическому» объяснению этого явления: да, вместо классических сил тут фигурировало искривлённое пространство-время, однако для описания взаимодействия нам всё равно понадобились силы, причём эти силы в евклидовом пространстве оказались теми же, а в искривлённом той же оказалась их разность. Только лишь стало заметно сложнее — ведь теперь сначала придётся вычислять искривление пространства, а формулы там не чета классическому закону всемирного тяготения.

И ещё у нас вдобавок появились дополнительные вопросы: в частности, вопрос о том, за счёт чего возникают реакции опоры в искривлённом пространстве-времени. Именно такие, что в этом искривлённом пространстве поверхность Земли, весы и гиря движутся «против сжатия» с ускорением, да ещё и с разным, что как раз и вызывает закономерное сжатие весов.

Вопрос, конечно, интересный, однако интересный он сам по себе, а ситуацию с показаниями весов только усложняет.

Иными словами, в случае, который отличен от тривиального для общей теории относительности, она, возможно, позволяет более детально понять устройство гравитационных сил, но не позволяет отказаться от аналогичных им сил и не упрощает ни рассуждения, ни расчёты. Хотя и делает результат несколько более точным.

Чтобы ещё раз проиллюстрировать, что ОТО не «опровержение» классической теории, а лишь некоторое её уточнение плюс описание явлений другими абстракциями, предложу ещё один вариант взгляда на ситуацию.

Ту же систему с Землёй, весами и гирей наблюдает свободно падающий на Землю наблюдатель. Для его ассистента на поверхности Земли всё это покоится, но для падающего наблюдателя все три части системы движутся вверх с ускорением.

Ввиду того, что он свободно падает, имеющимися у него в руках приборами он не может установить наличие гравитационного поля.

Отвлечёмся от того, что он мог бы его обнаружить по градиенту гравитации — чтобы этого не допустить, мы могли бы рассмотреть гравитационное поле не Земли, а бесконечной пластины, у которого градиент гравитационного поля нулевой.

Каким образом он может объяснить показания весов?

Он мог бы предположить, что стрелка просто закреплена в нужном положении, однако ассистент, стоящий на поверхности, мог бы продемонстрировать ему, что это не так, убирая и снова помещая на весы гирю.

Есть ли у наблюдателя выход, кроме как догадаться о гравитационном поле, мысленно переместить себя в систему координат поверхности Земли и в ней всё посчитать? Может ли он это объяснить в своей системе координат или она для такого в принципе непригодна, что означало бы существование непригодных для определённых расчётов систем координат?

Наблюдатель может вспомнить о тех ощущениях, которые человек испытывает в начинающем движение лифте или в трогающемся поезде. Органы чувств говорят нам о том, что в этот момент определённо возникает какая-то сила — её чувствует наше тело, поскольку органы начинают сильнее давить друг на друга. И возьми мы с собой динамометр, он бы тоже показал наличие этой дополнительной силы.

Если Земля движется на наблюдателя с ускорением, то есть сила, неизвестного происхождения, которая её «толкает». В свою очередь, поверхность упирается в весы и толкает их тоже. А весы упираются в гирю и толкают эту гирю. Гиря противодействует часам по третьему закону Ньютона. Получается, на весы с одной стороны давит гиря, а с другой — поверхность Земли. Именно это и вызывает сжатие чего-то там в весах и закономерные на них показания.

Заметьте, в этом объяснении нигде не фигурировала гравитация. Да, для наблюдателя всё ещё неясно, какого именно происхождения сила толкает навстречу ему всю эту конструкцию, но по наблюдениям он может определить, что такая сила есть, и даже, зная массу Земли вместе с гирей и весами, вычислить её величину.

Кроме того, он может вычислить силу, сжимающую весы, — если знает отдельно массу Земли, весов и гири. И сопоставить её с показаниями весов, чтобы экспериментально убедиться в верности своих построений.

Поскольку всё это вычисляется по классической механике, результаты будут слегка отличаться от вычисления по ОТО, однако симметрия в объяснении тут весьма хорошо прослеживается: ОТО объясняла явление через искривление пространства-времени, а теория падающего наблюдателя — через наличие инерциальной силы неизвестной природы, однако показания весов после этого объяснялись уже через идентичный набор сил, пусть и с несколько различающейся точностью.

Все три теории закономерно объясняют процесс. И все три совпадают экспериментом — с поправкой на малые отличия в точности. Есть ли тогда повод считать, что одна из них «настоящая» и «опровергает две другие»?

Да, при переходе от «теории падающего наблюдателя» к теории классической гравитации мы получим дополнительные сведения о происхождении силы, а при переходе от классической гравитации к ОТО — ещё более дополнительные сведения о ней и заодно объяснение этих небольших расхождений между теорией и экспериментом, однако все три — уточнение и детализация процесса, рассматриваемого с разных точек зрения и с привлечением разных абстракций, а не опровержения друг друга подобно тому, как теория эволюционного абиогенеза опровергала бы гипотезу сотворения жизни Демиургом и наоборот.

Пример с падающим наблюдателем, кстати, не случаен: изначальным стремлением Эйнштейна было описание гравитации таким образом, чтобы оно не отличалась от описания неинерциальных систем отсчёта. Кое предположение основано на том, что и в гравитационном поле, и в неинерциальных системах на все тела действует некоторая сила, пропорциональная массе каждого из тел, а потому всё выглядит так, будто бы она не пытается двигать их массу, а напрямую сообщает им ускорение.

Полная идентичность гравитации и неинерциальных систем в рамках ОТО пока ещё под вопросом, однако сходств несомненно весьма много, то есть через искривление пространства-времени такое описание, видимо, действительно можно дать.

Рассмотрим, наконец, аргумент про то, что наблюдаемое искривление света рядом с массивными телами опровергает классическую теорию гравитации.

Тоже нет: классическая теория гравитации вообще никак не описывает взаимодействие гравитации со светом. Хотя бы по той причине, что во времена Ньютона частица «фотон с нулевой массой покоя» ещё не вводилась в рассмотрение (по версии Ньютона фотоны имели массу, а концепции «массы, отличной от массы покоя», тогда не было), а потому, собственно, та теория никак не могла всё это описывать.

Причём тут нельзя даже сказать: «ну, вот тогда ещё не знали, а потом узнали».

Дело в том, что «фотон» в современных теориях лишь в некоторых отношениях подобен частицам вещества, а не во всех. В частности, взвесить его на весах, чтобы узнать его массу покоя, невозможно. Экспериментально можно лишь измерить его импульс, что было сделано только после появления квантовой механики и специальной теории относительности.

Понятие же «массы покоя» вводится Специальной Теорией Относительности, а концепция «корпускулярного фотона» в текущем его понимании — квантовой механикой (хотя, повторюсь, другие версии «корпускулярных фотонов» предлагались и раньше). И из построений СТО и квантовой механики, на базе некоторых сделанных в них предположений, уже следует, что «масса покоя фотона» равна нулю.

СТО и квантовая механика, кстати, на данный момент между собой всё ещё не полностью совместимы, а потому далеко не факт, что концепции фотонов и масс даже в них самих полностью идентичны — вполне может оказаться, что где-то есть различия.

Так вот, все эти определения понятий и сущностей, введённые в рамках других, более поздних теорий с их собственными абстракциями и предположениями, вряд ли можно каким-либо образом механически перенести на более раннюю теорию. Понятие «нулевой массы покоя», относящейся к «квантовому фотону», разве что только чудом могло совпасть по физическому смыслу с той «массой», которая фигурирует в законе всемирного тяготения из классической механики. Особенно если учесть, что «массы» в квантовой механике — это не просто «массы», а частные проявления того, что там называется «энергией».

Экспериментально проверяются, напомню, в основном не предположения теорий, а их следствия, а потому один и тот же набор следствий может в общем случае получаться из разного набора предположений.

Как бы то ни было, классическая теория гравитации попросту никак не объясняет взаимодействие света с гравитационным полем и не претендует на такое объяснение. Более общие теории могут это каким-то образом объяснить и описать, однако это не будет опровержением — это будет дополнением, уточнением и/или до определённой точности сводимым к классической механике описанием более общего случая с помощью альтернативного набора абстракций.

Такое описание, разумеется, должно быть, поскольку искривление света — наблюдаемое явление. Но верно ли, что наблюдаемое искривление света навязывает нам искривление пространства-времени как единственное возможное объяснение того, как «на самом деле»?

Ну, простейшей очевидной альтернативой объяснения было бы доопределение закона всемирного тяготения так, чтобы он учитывал не просто массу, отождествляемую с массой покоя из СТО и квантовой механики, а массэнергию или какую-то ещё «эффективную массу». Поскольку в классической теории гравитации ускорение, сообщаемое телу гравитационным полем, тоже не зависит от его массы, вообще говоря, фотону можно приписать любую ненулевую «эффективную массу», объясняемую чем угодно, и наблюдаемое искривление света таким образом будет описано ровно тем же способом, что и искривление траекторий частиц вещества. И, соответственно, с той же точностью.

Конечно, по классической теории гравитации гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно, а эффектов изменения хода времени ни массы, ни скорости не вызывают. Всё это всё ещё будет давать некоторую ошибку относительно экспериментов, а потому не объяснять некоторые наблюдаемые явления, в которых ошибка будет значительной, однако как приближение такое всё ещё может работать в очень многих случаях.

Как гипотетически может работать и теория, которая объясняет расхождения неким иным способом: на данный момент ОТО лидер по количеству сбывающихся прогнозов, однако есть альтернативы, в прогнозировании некоторых явлений отстающие от ОТО (что-то из объяснимого ОТО они не объясняют вообще или дают заметно меньшую точность), но, тем не менее, прогнозирующие больше явлений, чем классическая теория гравитации, а потому гарантий невозможности построения такой теории на данный момент нет.

Кроме того, само по себе отклонение света может вызываться и ещё чем-то, что тоже связано с гравитацией, но не так, как для частиц вещества.

Например, рассмотрим банку с водой, стоящую на поверхности Земли.

Вполне очевидно, что в этом случае плотность воды у дна и у верхнего края банки разная. И эта разница, разумеется, вызвана гравитацией.

В воду можно даже чего-то такого досыпать или долить, чтобы ещё сильнее увеличить разницу в плотности.

Однако в результате того, что плотность воды переменна, свет уже не будет распространяться по прямой, если его луч упадёт на поверхность воды под углом к вертикали. Вместо этого мы увидим искривление луча.

На него, кстати, даже можно посмотреть непосредственно глазами — хотя в этом примере мы видим уже рассеянные на частицах фотоны, исходное направление пучка оных это довольно хорошо отображает.

Если теперь расширить банку до океана, окружающего всю планету, то практически любой свет, который пройдёт через воду мимо ядра планеты, будет падать на её поверхность под углом и, таким образом, искривляться с точки зрения внешнего наблюдателя.

То есть в этом случае гравитацией планеты вызвана вызвано изменение траектории свободно летящих мимо неё тел, ей же вызвана переменная плотность воды, ей же вызвано наличие в океане архимедовой силы, толкающей погружённые в океан тела против направления силы тяжести, и ей же в конечном счёте вызвано искривление света, несмотря на то, что мы тут не рассматриваем никаких иных способов воздействия гравитации на фотоны, кроме как посредством водяной среды.

«Плотность» — то есть напряжённость — гравитационного поля вокруг космических тел тоже убывает с расстоянием от их центра, как и плотность воды в этом примере, а потому гипотетически могут быть варианты объяснения наблюдаемого эффекта искривления света и через такое вот «безмассовое» взаимодействие с полем.

Этими вариантами, разумеется, полный их спектр не ограничивается, но даже их достаточно для того, чтобы понять всю глубину неверности фразы «искривление света само по себе уже доказывает неизбежность наличия искривлённого пространства-времени в любой адекватной наблюдениям теории гравитации».

В общем, неверно считать, будто бы «имеющийся набор наблюдений доказывает абсолютную верность ОТО и однозначно опровергает все остальные теории».

Нет, на данный момент ОТО — лидер по количеству сбывающихся прогнозов, однако это не означает, что абсолютно верен только подход описания при помощи искривлённого пространства-времени, а все остальные варианты описания теперь уже даже в принципе не могут оказаться верными и любой такой в обязательном порядке будет противоречить ОТО и во всех случаях ей значительно уступать.

На то, что ОТО и СТО придётся на что-то заменить или внести в них заметные модификации, намекает хотя бы уже их неполная совместимость с квантовой механикой и отсутствие единой теории поля. Так что в любом случае придётся.

Но в тех областях, где они дают достаточно точно сбывающиеся прогнозы, ни они, ни классическая механика и теория гравитации никуда не денутся, как никуда не денутся и те их абстракции, типа «гравитационной силы» или «одной и той же фиксируемой скорости света во всех системах отсчёта», которые описывают непосредственно наблюдаемое приборами — любая следующая теория будет вынуждена объяснять и их тоже.

Латинское слово gravitas означает вес и дает нам слово «гравитация», которое является силой, которая дает объектам их вес. Это также корень слова «гравитировать», которое описывает то, что делает гравитация: заставляет объекты притягиваться друг к другу. Это то, что удерживает людей на Земле и держит Землю на своем месте в Солнечной системе. Хотя древние философы задавались вопросом, почему объекты падали столетия назад, у ученых до сих пор остаются вопросы о том, как действует гравитация и сегодня.

Что такое гравитация?

Проще говоря, гравитация — это сила, которая притягивает два тела друг к другу. Все, что имеет материю, то есть все, к чему можно прикоснуться, имеет гравитационное притяжение. Это включает в себя яблоки, людей и Землю. Несмотря на термин невесомость, невозможно избежать гравитационных сил. Космонавты все еще подвержены воздействию гравитации, но они движутся так быстро, что не приближаются к центру планеты и находятся в постоянном состоянии свободного падения.

Гравитация, масса и расстояние

Степень гравитации любого объекта пропорциональна массе объекта. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, все притягивается к ее гравитационному притяжению, а это означает, что яблоки падают на землю, а не притягиваются к голове человека.

Расстояние также влияет на гравитацию. Если объект находится далеко, то гравитационное притяжение слабее. Например, в космосе есть точка, где притяжение Марса становится сильнее притяжения Земли.

Фундаментальные силы во Вселенной

По мнению физиков, четыре фундаментальные силы Вселенной — это гравитация, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Силы изменяют движение объекта, и эти четыре фундаментальные силы определяют, как все во Вселенной взаимодействует. Гравитация — самая слабая сила, но она наиболее легко видима и оказывает наибольшее влияние на крупномасштабном уровне. Это не только причина, по которой люди могут ходить по Земле, но и удерживает планеты, вращающиеся по орбите вокруг Солнца, и Солнце на своем месте в галактике.

Древняя история гравитационной теории

Древние греки верили, что сила, притягивающая предметы к Земле, была внутренней тяжестью, а не внешней силой. Тяжелые люди естественным образом притягиваются к Земле, в то время как легкие языки пламени прыгают к небу. Напротив, индийские ученые, в частности Арьябхата, говорили, что некая сила удерживает объекты на Земле, хотя его теория помещает Землю в центр вселенной. В 600-х годах н. э. математик Брахмагупта был первым, кто описал гравитацию как силу притяжения.

Гравитационная теория эпохи Возрождения

Говорят, что Галилей бросал предметы со стороны падающей Пизанской башни, чтобы наблюдать, что происходит, когда они падают. Независимо от того, была ли задействована башня или нет, Галилей обнаружил, что все объекты имеют тенденцию ускоряться с одинаковой скоростью при падении. Другие ученые основывались на своей работе, а Гримальди и Риччоли вычислили гравитационную постоянную. Другие работы по гравитации сосредоточены вокруг астрономии и Иоганна Кеплера, построенного на этих теориях для расчета орбит известных планет.

Закон всемирного тяготения

Другая легенда о гравитации гласит, что Исаак Ньютон был поражен падающим яблоком и понял, что должна быть сила, заставляющая вещи падать на землю. Он написал уравнение, в котором описывается сила гравитации, показывающее, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними. Оно также показало, что чем дальше они находятся, тем слабее тяга. Некоторые планеты двигались так, что не могли объяснить это уравнение, но по большей части оно существовало веками.

Эйнштейн и общая теория относительности

Теория общей относительности Эйнштейна изменила взгляд физиков на гравитацию. Считается, что воздействие гравитации вызвано не силой, а кривой в пространстве-времени, которая возникает вокруг крупных объектов, а скорее похожа на шар для боулинга, сидящий на батуте. Эта теория объяснила странную орбиту Меркурия и установила ньютоновскую гравитацию на его голову, поскольку гравитация больше не была силой, а следствием геометрии.

Что делает гравитация?

Гравитация оказывает несколько воздействий на реальный мир. Помимо того, что гравитация не только удерживает предметы на земле, но и придает им вес. Объекты меньше весят на планетах с меньшей гравитационной тягой. Гравитация Луны — это сила, которая создает океанские приливы. Гравитация также удерживает Землю на комфортном расстоянии от Солнца и удерживает атмосферу на месте, давая всем живым существам воздух, пригодный для дыхания, и защищая их от солнечного излучения.

Гравитация и сотворение Вселенной.

Гравитация также является существенным элементом в создании Вселенной. Газы, существующие во Вселенной, притягиваются друг к другу под действием гравитации и объединяются в крупные объекты, в том числе звезды и планеты. Некоторые исследователи считают, что именно гравитация стабилизировала частицы после Большого взрыва, остановив коллапс Вселенной. Гравитация притягивает солнечные системы друг к другу, образуя галактики, и как таковая является основополагающим элементом в создании Вселенной.

Гравитация и научные исследования

Научные исследования в области гравитации будут продолжаться и в будущем. Теория относительности объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; во Вселенной все еще есть тайны, которые ученые не могут объяснить. Гравитация не вписывается в теорию квантовых полей, и ученые до сих пор исследуют, как она соединяется с другими фундаментальными силами. Исследования гравитации также имеют более практическое применение. Космические аппараты НАСА отслеживают изменения гравитации Земли, что помогает ученым отслеживать изменения уровня моря и земной коры.