Топ-10: самые интересные факты и теории о гравитации

Невесомость! Что может лучше отражать романтику и экзотичность космоса? В реальности это явление доставляет космонавтам и организующим полёт инженерам множество проблем: мало того, что продолжительное пребывание в невесомости вредно для здоровья, так ещё и множество элементарных бытовых действий превращается в требующие особой изобретательности задачи. К счастью, в уютной космоопере есть простое решение — искусственная гравитация
.

Галилео и Движение

Философия Аристотеля о движении материи к какому-то естественному месту господствовала около 2000 лет. Пока на сцену истории науки не вышел, щурясь от яркого света, синьор Галилео Галилей. Он немного постоял с задумчивым видом и взялся за дело. Изобретатель начал с усердием катать объекты разного веса вниз по наклоненным доскам. Он на самом деле ничего не сбрасывал с Пизанской башни. Несмотря на популярные истории на этот счет. В ходе своих экспериментов Галилей обнаружил, что все доступные ему предметы (кошки, чайники, велосипедные покрышки) имеют одинаковое ускорение при свободном падении независимо от своего веса.

Теории гравитации

Сегодня ученым известно свыше десятка различных теорий гравитации. Их подразделяют на классические и альтернативные теории. Наиболее известными представителем первых является классическая теория гравитации Исаака Ньютона, которая была придумана известным британским физиком еще в 1666 году. Суть ее заключается в том, что массивное тело в механике порождает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе менее крупные объекты. В свою очередь последние также обладают гравитационным полем, как и любые другие материальные объекты во Вселенной.

Следующая популярная теория гравитации была придумана всемирно известным германским ученым Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Эйнштейну удалось более точно описать гравитацию, как явление, а также объяснить ее действие не только в классической механике, но и в квантовом мире. Его общая теория относительности описывает способность такой силы, как гравитация, влиять на пространственно-временной континуум, а также на траекторию движения элементарных частиц в пространстве.

А Вы смотрели: Быстрые радиовсплески – межгалактические магистрали инопланетян?

Самая точная гравитационная карта Земли

Среди альтернативных теорий гравитации наибольшего внимания, пожалуй, заслуживает релятивистская теория, которая была придумана нашим соотечественником, знаменитым физиком А.А. Логуновым. В отличие от Эйнштейна, Логунов утверждал, что гравитация – это не геометрическое, а реальное, достаточно сильное физическое силовое поле. Среди альтернативных теорий гравитации известны также скалярная, биметрическая, квазилинейная и другие.

Был этот мир глубокой мглой окутан…

Всем известна история о том, как сэр Исаак Ньютон изобрел теорию гравитации, приняв на свой затылок внезапный удар не по возрасту зрелого яблока. Но, конечно же, это всего лишь миф. На самом деле это было не яблоко, а арбуз, и он не упал, а сгнил. И не на голове Ньютона, а в поле дяди Армена…

На самом деле заслуга Ньютона заключался в том, что он понял одну важную вещь: падение тел, которое мы наблюдаем на Земле, является проявлением тех же сил, которые испытывают Луна и другие космические объекты. И именно эти силы удерживает их на месте по отношению друг к другу. Это открытие Ньютона было основано на работах Галилея. Также ученым была использована гелиоцентрическая модель и другие идеи польского астронома Николая Коперника.

Разработка Ньютоном закона всемирного тяготения, чаще называемого законом гравитации, свела эти две гипотезы в математическую формулу. Которая, как оказалось, могла применяться для определения силы притяжения между любыми двумя объектами, имеющими массу. В итоге Ньютон создал целую систему гравитации и движения. Именно она будет официальным научным пониманием природы соответствующих процессов на протяжении более двух веков.

Искусственная гравитация: от «Космической одиссеи» Кубрика до античастицы

Проблемы с вестибулярным аппаратом — не единственное последствие длительного пребывания в условиях микрогравитации. Астронавты, которые проводят на МКС больше месяца, часто страдают от нарушения сна, замедления работы сердечно-сосудистой системы и метеоризма.

Недавно НАСА завершило эксперимент, в ходе которого ученые сравнили геном братьев-близнецов: один из них провел на МКС почти год, другой совершал лишь кратковременные полеты и большую часть времени находился на Земле. Долговременное пребывание в космосе привело к тому, что 7% ДНК первого астронавта изменились навсегда — речь идет о генах, связанных с иммунной системой, формированием костной ткани, кислородным голоданием и избыточным количеством углекислого газа в организме.

В условиях микрогравитации человек будет вынужден бездействовать: речь идет не о пребывании астронавтов на МКС, а о полетах в глубокий космос. Чтобы выяснить, как такой режим повлияет на здоровье астронавтов, Европейское космическое агентство (ESA) на 21 день положило 14 добровольцев в наклоненную в сторону головы кровать. Эксперимент, который позволит на практике проверить новейшие методы борьбы с невесомостью — такие как улучшенные режимы физических упражнений и питания — намерены совместно провести НАСА и Роскосмос.

Но в случае, если люди решат отправить корабли к Марсу или Венере, понадобятся более экстремальные решения — искусственная гравитация.

Как гравитация может существовать в космосе

Прежде всего стоит понять, что гравитация существует везде — в некоторых местах она слабее, в других сильнее. И космическое пространство не является исключением.

МКС и спутники находятся под постоянным влиянием гравитации: если объект находится на орбите, он, говоря упрощенно, падает вокруг Земли. Подобный эффект возникает, если бросить мяч вперед — прежде чем упасть на землю, он немного пролетит в направлении броска. Если бросить мяч сильнее, он пролетит дальше. Если вы супермен, а мяч — ракетный двигатель, он не упадет на землю, а облетит вокруг нее и продолжит вращаться, постепенно выходя на орбиту.

Микрогравитация предполагает, что люди внутри корабля не находятся в воздухе — они падают с корабля, а тот, в свою очередь, падает вокруг Земли.

Благодаря тому, что гравитация является силой притяжения между двумя массами, мы остаемся на поверхности Земли, когда идем по ней, а не уплываем в небо. В этом случае вся масса Земли притягивает массу наших тел к своему центру.

Врезка

Когда корабли выходят на орбиту, они свободно плавают в космическом пространстве. Они по-прежнему подвержены гравитационному притяжению Земли, но корабль и находящиеся в нем предметы или пассажиры подвержены гравитации одинаково. Существующие аппараты недостаточно массивны, чтобы создать заметное притяжение, поэтому люди и предметы в нем не стоят на полу, а «плавают» в воздухе.

Как создать искусственную гравитацию

Искусственной гравитации как таковой не существует, чтобы ее создать, человеку необходимо узнать всё об естественной гравитации. В научной фантастике существует концепция имитации гравитации: она позволяет экипажу космических кораблей ходить по палубе, а предметам стоять на ней.

В теории существует два способа создать имитацию гравитации, и ни один из них пока не был использован в реальной жизни. Первый — это использование центростремительной силы для моделирования силы тяжести. Корабль или станция при этом должны представлять собой колесоподобную конструкцию, состоящую из нескольких постоянно вращающихся сегментов.

Согласно этой концепции, центростремительное ускорение аппарата, толкающее модули к центру, создаст подобие гравитации или условия, аналогичные земным. Эта концепция была продемонстрирована в «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика и в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана.

Автором этого проекта считается немецкий ученый-ракетчик и инженер Вернер фон Браун, который руководил разработкой ракеты «Сатурн-5», доставившей на Луну экипаж «Аполлон-11» и еще несколько пилотируемых аппаратов.

Будучи директором Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, фон Браун популяризировал идею российского ученого Константина Циолковского о создании тороидальной космической станции на основе конструкции со ступицами, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая тянет предметы к внешней окружности колеса. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС.

Однако у этого метода есть существенные недостатки: чем меньше космический корабль, тем быстрее он должен вращаться — это приведет к возникновению так называемой силы Корнолиса, при которой на точки, расположенные дальше от центра, сила тяжести будет влиять сильнее, чем на более близкие к нему. Другими словами, сила тяжести будет действовать на голову астронавтов сильнее, чем на ноги, что вряд ли им понравится.

Чтобы избежать этого эффекта, размер корабля должен в несколько раз превышать размер футбольного поля — вывод такого аппарата на орбиту будет стоить крайне дорого, учитывая, что стоимость одного килограмма груза при коммерческих запусках варьируется от $1,5 тыс. до $3 тыс.

Другой метод создания имитации гравитации более практичен, но также крайне дорог — речь идет о методе ускорения. Если корабль на определенном отрезке пути сначала будет разгоняться, а затем развернется и начнет тормозить, то возникнет эффект искусственной гравитации.

Для реализации этого метода потребуются колоссальные запасы топлива — дело в том, что двигатели должны работать почти непрерывно за исключением короткого перерыва в середине пути — во время разворота корабля.

Реальные примеры

Несмотря на высокую стоимость запуска аппаратов с имитацией гравитации, компании по всему миру пытаются построить такие корабли и станции.

Реализовать концепцию Фон Брауна пытается компания Gateway foundation — исследовательский фонд, который планирует построить вращающуюся станцию на орбите Земли. Предполагается, что по окружности колеса будут располагаться капсулы, которые смогут покупать государственные и частные аэрокосмические компании для проведения исследований. Некоторые капсулы будут проданы в качестве вилл самым богатым жителям Земли, а другие будут использоваться как отели для космических туристов.

Стыковочный отсек будет находится в центре станции — оттуда людей и грузы будут доставлять на лифтах в капсулы.

Способ привлечения денег компания выбрала неоднозначный: она намерена организовать лотерею, победители которой помимо денежного вознаграждения получат возможность бесплатно полететь на станцию и провести ночь в ее капсуле. Когда аппарат будет выведен на орбиту, в компании не раскрывают.

Врезка

Над созданием аппарата с искусственной гравитацией для проведения долговременных космических исследований работала и НАСА. В 2011 году космическое агентство представило концепцию вращающегося космического корабля с надувными модулями Nautilus-X, который должен был снизить влияние микрогравитации на ученых, находящихся на его борту.

Предполагалось, что проект будет стоить всего $3,7 млрд — очень мало для подобных аппаратов, — а на его строительство потребуется 64 месяца. Однако Nautilus-X так и не вышел за рамки первоначальных чертежей и предложений.

Вывод

Пока самый вероятный способ получить имитацию гравитации, которая защитит корабль от последствий ускорения и даст постоянное притяжение без необходимости постоянно использовать двигатели — это обнаружить частицу с отрицательной массой. Все частицы и античастицы, которые ученые когда-либо обнаружили, имеют положительную массу. Известно, что отричательная масса и гравитационная масса равны друг другу, однако пока исследователям не удавалось продемонстрировать это знание на практике.

Исследователи из эксперимента ALPHA в ЦЕРНе уже создали антиводород — стабильную форму нейтрального антивещества — и работает над его изоляцией от всех других частиц на очень низких скоростях. Если ученым удастся это сделать, вероятно, в ближайшее время искусственная гравитация станет реальнее, чем сейчас.

Но Сатана недолго ждал реванша…

Следующий важный шаг в нашем понимании гравитации сделал физик – теоретик Альберт Эйнштейн. Он изложил его в своей общей теории относительности. Ученый описал отношения между материей и ее движением посредством базового допущения, что объекты, имеющие массу, фактически изгибают саму ткань пространства и времени. Подобный эффект изменяет путь объектов таким образом, что внешне мы расцениваем это изменение как результат действия гравитационных сил. В большинстве случаев, с которыми мы имеем дело, это полностью согласуется с классическим законом тяготения Ньютона. Но в некоторых случаях, в присутствии мощных гравитационных полей, или на околосветовых скоростях, все становится по другому.

Гравитационное излучение

Гравитационное излучение в двойной системе

Гравитационное излучение или гравитационная волна – термин, впервые введенный в физику и космологии известным ученым Альбертом Эйнштейном. Гравитационное излучение в теории гравитации порождается движением материальных объектов с переменным ускорением. Во время ускорения объекта гравитационная волна как бы «отрывается» от него, что приводит к колебаниям гравитационного поля в окружающем пространстве. Это и называют эффектом гравитационной волны.

Хотя гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, а также другими теориями гравитации, они еще ни разу не были обнаружены напрямую. Связано это в первую очередь с их чрезвычайной малостью. Однако в астрономии существуют косвенные свидетельства, способные подтвердить данный эффект. Так, эффект гравитационной волны можно наблюдать на примере сближения двойных звезд. Наблюдения подтверждают, что темпы сближения двойных звезд в некоторой степени зависят от потери энергии этих космических объектов, которая предположительно затрачивается на гравитационное излучение. Достоверно подтвердить эту гипотезу ученые смогут в ближайшее время при помощи нового поколения телескопов Advanced LIGO и VIRGO.

А Вы смотрели: Диапазон масс звезд

В поисках квантовой гравитации

Однако, в некоторых случаях, даже общая теория относительности молчит и причмокивает карамелькой. Физика обнаружила случаи, когда общая теория относительности несовместима с пониманием квантовой физики.

Один из наиболее известных примеров подобного конфликта можно обнаружить на границе горизонта событий черной дыры. В этом месте гладкая структура пространства-времени становиться несовместима с гранулярностью энергии, необходимой квантовой физике. Теоретически эта проблема была решена физиком Стивеном Хокингом. Согласно его гипотезе черные дыры излучают энергию в форме излучения Хокинга. (Как просто!)

Однако всеобъемлющая теория гравитации, которая может включить и квантовую физику, до сих пор не разработана. У физиков есть много кандидатов на такую ​​теорию. И наиболее популярной из них является теория струн. Но ни одна из этих теорий не дает достаточных экспериментальных доказательств (или даже достаточных экспериментальных предсказаний) для проверки и ее широкого признания в качестве правильного описания физической реальности.

Примеры[править]

В сериале/книге «Пространство» гравитация как раз достигается использованием двигателя Эпштейна, который первую половину пути разгоняет корабль, а потом разворачивается и замедляет его. При этом непонято разве что ограничение максимальной скорости, т. к. все перемещения происходят только с ускорениями.

• В теории этот двигатель создаёт абсолютную тягу, которая позволяет двигаться относительно самого пространства а не небесных тел, но тут возникает проблема что в разных направлениях скорость относительно даже Солнца будет разная, так как оно движется относительно центра галактики с астрономической скоростью, а с какой скоростью движется сама наша галактика вообще вопрос без ответа.

Тайны, связанные с гравитацией

В дополнение к необходимости разработки квантовой теории гравитации, есть еще две загадки. Они основаны на экспериментах и тоже связаны с гравитацией. И их еще предстоит решить. Ученые обнаружили, что для того, чтобы наше нынешнее понимание гравитации можно было бы применять ко всей Вселенной, должна существовать невидимая сила притяжения (называемая темной материей), которая помогает удерживать галактики вместе. А также невидимая сила отталкивания (называемая темной энергией ). Которая раздвигает далекие галактики все быстрее и быстрее…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать всей Вселенной!

Материалы по теме «Гравитация»

Темная материя и темная энергия

В современной физике существует два понятия механики: классическая и квантовая. Квантовая механика была выведена относительно недавно и принципиально отличается от механики классической. В квантовой механике у объектов (квантов) нет определенных положений и скоростей, все здесь базируется на вероятности. То есть, объект может занимать определенное место в пространстве в определенный момент времени. Куда переместиться он дальше, достоверно определить нельзя, а только с высокой долей вероятности.

Интересный эффект гравитации заключается в том, что она способна искривлять пространственно-временной континуум. Теория Эйнштейна гласит, что в пространстве вокруг сгустка энергии или любого материального вещества пространство-время искривляется. Соответственно меняется траектория частиц, которые попадают под воздействие гравитационного поля этого вещества, что позволяет с высокой долей вероятности предсказать траекторию их движения.

Гравитация в ОТО

Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.

Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?

В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.

Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.

Представим пространство в виде упругого листа. Если положить на него легкий теннисный мячик, поверхность останется ровной. Но если рядом с мячиком положить тяжелую гирю, она продавит на поверхности ямку, и мячик начнет скатываться к большой и тяжелой гире. Это и есть «гравитация».

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие

Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия:

• гравитация;
• электромагнетизм;
• сильное взаимодействие;
• слабое взаимодействие.

Гравитация – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий.
На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.

Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.

В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.

До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.