Гравитация — сила притяжения¶

Гравитация (от лат. gravitas — «тяжесть») — фундаментальное взаимодействие, проявляющееся в притяжении тел друг к другу. В простейшем понимании это сила, которая «притягивает» всё, что обладает массой: от падающего яблока до планет и звёзд. Гравитация responsible за орбитальное движение планет вокруг Солнца, за формирование звёзд и галактик, за то, что тела падают к Земле, а не от неё.

¶Классическое понимание

Классическая теория гравитации была создана Исааком Ньютоном в 1687 году в трактате «Математические начала натуральной философии». Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: любые два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Формула закона Ньютона:

F = G · (m₁ · m₂) / r²

где F — сила притяжения, m₁ и m₂ — массы тел, r — расстояние между центрами масс, G — гравитационная постоянная (6,674 × 10⁻¹¹ Н·м²/кг²).

Простыми словами: чем больше масса, тем сильнее притяжение; чем дальше тела друг от друга, тем слабее сила. Закон Ньютона позволил объяснить движение Луны вокруг Земли, планет вокруг Солнца, приливы и отливы, а также падение тел на Землю. Универсальность закона — он действует одинаково для яблока и для галактик — сделала его одним из величайших открытий в истории науки.

¶Теория относительности Эйнштейна

В 1915 году Альберт Эйнштейн предложил качественно новое описание гравитации — общую теорию относительности (ОТО). Согласно ОТО, гравитация — это не «сила» в привычном смысле, а проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Массивные тела, такие как Солнце, искривляют окружающее пространство-время, и другие тела движутся по геодезическим линиям в этом искривленном пространстве — что мы наблюдаем как «притяжение».

Аналогия: если положить тяжёлый шар на резиновую мембрану, она прогнётся, и катящиеся рядом шарики будут скатываться к тяжёлому. Так же ведёт себя пространство-время вокруг массивных объектов.

ОТО предсказала ряд эффектов, подтверждённых экспериментально:

• отклонение света вблизи массивных тел (проверено во время солнечного затмения 1919 года экспедицией Артура Эддингтона);
• предсуществование перигелия Меркурия;
• замедление времени в гравитационном поле (гравитационное замедление времени);
• гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, порождаемая ускоренно движущимися массами (напрямую обнаружены в 2015 году детекторами LIGO);
• существование чёрных дыр — объектов, гравитационное поле которых настолько сильно, что ничто, включая свет, не может их покинуть.

¶Гравитация в квантовой физике

Общая теория относительности описывает гравитацию на макроскопическом уровне, однако на квантовом масштабе — в мире атомов и элементарных частиц — она остаётся слабой и плохо изученной. В рамках квантовой теории поля другие три фундаментальных взаимодействия (электромагнитное, сильное и слабое) описываются обменом квантами-переносчиками: фотонами, глюонами и W/Z-бозонами. Для гравитации теоретически предсказан переносчик — гравитон, но он пока не обнаружен, и квантовая теория гравитации не создана.

Проблема объединения ОТО и квантовой механики — одна из центральных в современной теоретической физике. Среди подходов — петлевая квантовая гравитация и теория струн, предполагающая, что элементарные частицы — это колеблющиеся одномерные объекты (струны), а гравитон возникает как один из модов их колебаний.

¶Гравитация в повседневной жизни

Несмотря на то что гравитация — самое слабое из четырёх фундаментальных взаимодействий, именно она доминирует на больших расстояниях и определяет структуру Вселенной. На Земле сила тяжести ускоряет падающие тела со скоростью около 9,8 м/с² (ускорение свободного падения). Эта сила формирует атмосферу, определяет уровень Мирового океана, влияет на течение рек.

Гравитация Земли удерживает Луну на орбите, а Солнечную систему — в стабильном состоянии. На масштабе галактик гравитация удерживает звёзды, однако наблюдаемая масса вещества недостаточна для объяснения скорости вращения галактик — это привело к гипотезе о существовании тёмной материи, невидимого вещества, гравитационно взаимодействующего с обычным.

¶Исследование гравитации в России

Российские учёные внесли значительный вклад в изучение гравитации. Академик Владимир Фёдорович Мещерский заложил основы динамики тела переменной массы, что применяется при расчёте полёта ракет. Академик Лев Давидович Ландау ввёл понятие энергетического тензора импульса в общей теории относительности. В СССР и России проводятся эксперименты по сверхточному измерению гравитационной постоянной и поиску отклонений от закона Ньютона на малых расстояниях. Российские физики участвуют в международных проектах, связанных с регистрацией гравитационных волн и наблюдениями за чёрными дырами.

¶Интересные факты

• На Луне сила тяжести примерно в шесть раз слабее земной, поэтому астронавты Аполлонов могли прыгать на значительную высоту.
• Гравитация действует мгновенно в теории Ньютона, но по ОТО гравитационные волны распространяются со скоростью света.
• В центре однородного шара гравитационное поле равно нулю — сила притяжения всех частей шара взаимно уравновешивается.
• Без гравитации звёзды не сжимались бы под собственным весом и в их недрах не запускался бы термоядерный синтез — то есть звёзды бы не светили.

Источники:

• Ньютон И. «Математические начала натуральной философии», 1687
• Эйнштейн А. «Основы общей теории относительности», 1916
• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. «Теоретическая физика», т. II «Теория поля»
• Мещерский В. Ф. «Работы по механике тела переменной массы», 1949
• Misner C., Thorne K., Wheeler J. «Gravitation», 1973