Какво е гравитацията?

Художник

Изображението на художника на гравитационни вълни около двоична система. Гравитацията е фундаментална сила в природата, но това е много загадка за учените. (Изображение кредит: shutterstock)



От основните сили на Вселената само една доминира във всеки момент от нашето съзнателно преживяване: гравитацията. Той ни държи близо до земята, дърпа бейзболните и баскетболните топки от въздуха и дава на мускулите ни нещо, с което да се борим. Космически гравитацията е също толкова последица. От срутването на водородни облаци в звезди до слепването на галактики, гравитацията представлява един от малкото играчи, които определят широките ходове на еволюцията на Вселената.



В известен смисъл историята на гравитацията е и историята на физиката, като някои от най -големите имена в областта намират слава, като определят силата, която управлява живота им. Но дори след повече от 400 години обучение, загадъчната сила все още е в основата на някои от най -големите загадки на дисциплината.

Гравитацията като универсална сила

Днес, учените знаят за четири сили - неща, които привличат (или отблъскват) един обект към (или от) друг. The силна сила и слабата сила действат само вътре в центровете на атомите. Електромагнитната сила управлява обекти с излишен заряд (като електрони, протони и чорапи, разбъркани върху размит килим), а гравитацията управлява обекти с маса.



Първите три сили до голяма степен избягаха от вниманието на човечеството до последните векове, но хората отдавна спекулират за гравитацията, която действа върху всичко - от дъждовни капки до оръдия. Старогръцки и индийските философи забелязаха, че обектите естествено се движат към земята, но това ще изисква светкавица Исак Нютон да издигне гравитацията от неизвестна склонност на обектите към измеримо и предвидимо явление.

Скокът на Нютон, който става публичен в трактата му от 1687 г. Математически принципи на естествената философия , трябваше да осъзнае, че всеки обект във Вселената - от песъчинка до най -големите звезди - дърпа всеки друг обект. Това понятие обединяваше събития, които изглеждаха напълно несвързани, от ябълки, падащи на Земята (въпреки че вероятно не вдъхновиха неговия пробив, Нютон е работил близо до ябълково дърво ) към планетите, обикалящи около Слънцето. Той също така добави числа към привличането: Удвояването на масата на един обект прави привличането му два пъти по -силно, определи той и приближаването на два обекта два пъти по -близо удвоява взаимното им теглене. Нютон опакова тези идеи в своя универсален закон на гравитацията.

Гравитацията като геометрията на пространството

Описанието на Нютон на гравитацията беше достатъчно точно откриват съществуването на Нептун в средата на 1800-те, преди някой да може да го види, но законът на Нютон не е съвършен. През 1800 -те години, астрономите забелязаха че елипсата, проследена от орбитата на Меркурий, се движи по -бързо около Слънцето, отколкото теорията на Нютон предполагаше, че би трябвало, което предполага леко несъответствие между неговия закон и природните закони. Пъзелът е решен в крайна сметка от теорията на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, публикувана през 1915 г.



Преди Айнщайн да публикува своята новаторска теория, физиците са знаели как да изчислят гравитационното привличане на планетата, но разбирането им защо гравитацията се държи по този начин е напреднало малко над това на древните философи. Тези учени разбраха, че всички обекти привличат всички останали с мигновена и безкрайно далечна сила, както постулира Нютон, и много физици от епохата на Айнщайн се задоволиха да оставят това. Но докато работи върху своята теория за специалната относителност, Айнщайн беше решил, че нищо не може да пътува мигновено и привличането на гравитацията не трябва да прави изключение.

Векове наред физиците разглеждат космоса като празна рамка, срещу която се разиграха събитията . Той беше абсолютен, непроменен и не съществуваше във физически смисъл. Общата теория на относителността насърчава пространството, както и времето, от статичен фон до вещество, донякъде подобно на въздуха в една стая. Айнщайн смята, че пространството и времето заедно съставляват тъканта на Вселената и че този материал „пространство -време“ може да се разтяга, компресира, усуква и завърта - влачейки всичко в себе си за пътуването.

Артист



Концепция на художника за гравитацията, огъваща тъканта пространството -време около Земята и слънцето.(Изображение: Shutterstock)

Айнщайн предполага, че формата на пространството -време е това, което поражда силата, която изпитваме като гравитация. Концентрация на маса (или енергия), като Земята или слънцето, огъва пространството около нея, както скалата огъва потока на река. Когато други обекти се движат наблизо, те следват кривината на пространството, тъй като едно листо може да следва вихър около скалата (въпреки че тази метафора не е перфектна, защото поне в случая на планети, обикалящи около Слънцето, пространството -времето не тече '). Виждаме, че планетите обикалят и ябълките падат, защото следват пътеки през изкривената форма на Вселената. В ежедневните ситуации тези траектории съвпадат със силата, която законът на Нютон предвижда.

Уравненията на полето на Айнщайн за обща теория на относителността, колекция от формули, които илюстрират как материята и енергията деформират пространството -време, получиха признание, когато успешно прогнозираха промените в орбитата на Меркурий, както и огъването на звездната светлина около Слънцето по време на слънчевото затъмнение през 1919 г. [ В снимки: Експериментът на Айнщайн за слънчево затъмнение от 1919 г. тества обща относителност ]

Гравитацията като инструмент за откриване

Съвременното описание на гравитацията толкова точно предсказва как взаимодействат масите, че се е превърнало в ръководство за космически открития.

Американски астрономи Vera Rubin и Кент Форд забелязват през 60 -те години на миналия век, че изглежда галактиките се въртят достатъчно бързо, за да изтръгнат звездите, подобно на това, че куче се отърсва от водни капчици. Но тъй като изследваните от тях галактики не се развихряха, нещо изглежда им помагаше да се държат заедно. Изчерпателните наблюдения на Рубин и Форд предоставиха сериозни доказателства в подкрепа на по -ранната теория на швейцарския астроном Фриц Цвики, предложена през 30 -те години, че някакво невидимо разнообразие от маса ускорява галактиките в близкия клъстер. Повечето физици сега подозират, че тази мистериозна „тъмна материя“ деформира достатъчно време и пространство, за да запази галактиките и галактическите купове непокътнати. Други обаче се чудят дали самата гравитация може да се дърпа по-силно в мащабите на цялата галактика, като в този случай и уравненията на Нютон и Айнщайн ще се нуждаят от корекция.

Промените в общата теория на относителността наистина би трябвало да бъдат деликатни, тъй като изследователите наскоро започнаха да откриват едно от най -фините прогнози на теорията: съществуването на гравитационни вълни или вълни в пространството -време, причинени от ускорението на масите в космоса. От 2016 г. изследователско сътрудничество, работещо с три детектора в САЩ и Европа, измерва множество гравитационни вълни, преминаващи през Земята. Още детектори са на път , стартиране на a нова ера на астрономията в която изследователите изучават далечни черни дупки и неутронни звезди - не от светлината, която излъчват, а от това как тропат тъканта на космоса, когато се сблъскат.

И все пак низът от експериментални успехи на общата теория на относителността прикрива онова, което много физици виждат като фатален теоретичен провал: Той описва класическо пространство -време, но Вселената в крайна сметка изглежда квантова или съставена от частици (или „кванти“) като кварки и електрони .

Класическата представа за пространството (и гравитацията) като една гладка тъкан се сблъсква с квантовата картина на Вселената като колекция от остри малки парченца. Как да удължим царуването Стандартен модел на физиката на частиците , която обхваща всички известни частици, както и другите три фундаментални сили (електромагнетизъм, слабата сила и силната сила), за да обхване пространството и гравитацията на ниво частици, остава една от най -дълбоките загадки в съвременната физика.

Допълнителни ресурси: