Пространство-время можно представить как равномерно растянутую плотную ткань со сферой в центре — как ткань прогибается под давлением сферы, так и пространство-время прогибается под давлением массивных объектов.
На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы
Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно разделить на четыре категории: Гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые силы. Недавно физики обнаружили возможные доказательства существования пятой фундаментальной силы природы, о которой мы уже сообщали ранее. Пришло время понять, как работают фундаментальные вещи.
Читайте Hitech на сайте.
Фундамент Вселенной
О каких силах вы знаете? Гравитация, натяжение струны, сила пружины, сжатие пружины, удар тела, сила трения, сила взрыва, сопротивление воздуха и среды, поверхностное натяжение жидкостей, сила Ван-дер-Ваальса — и список можно продолжать. Однако все эти силы являются производными от четырех фундаментальных сил. Они также называются фундаментальными взаимодействиями и отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с тессерами, то взаимодействие между ними — это клей. Ученые определили четыре взаимодействия, от самого слабого к самому сильному: гравитационное, самое слабое, электромагнитное и самое сильное. Они не могут быть сведены к более простым, поэтому их называют фундаментальными.
Стоит напомнить, что сейчас известно о существовании четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).
Сила тяжести — гравитационное взаимодействие
Гравитация — это сила притяжения между двумя объектами, обладающими массой или энергией. Все наблюдали эту фундаментальную силу, и именно благодаря ей вы можете сидеть, стоять или лежать. Гравитация проявляется в падении камня со скалы, в движении планеты вокруг звезды, в морских приливах и отливах, за которые отвечает Луна. Гравитация — самая интуитивно понятная и известная из фундаментальных сил, но ее нелегко объяснить.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, вероятно, вдохновленный падением яблока с дерева. Он описал его как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей Общей теории относительности (ОТО) предложил, что гравитация не является притяжением или силой. Вместо этого она является следствием искривления пространства-времени объектами. Большой объект действует на пространство-время примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, деформирует материал и заставляет другие, меньшие объекты на листе падать в середину.
Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровне. Подумайте об этом так: Насколько трудно поднять мяч с земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия уравновешивают гравитацию всей Земли. А на молекулярном и атомном уровне гравитация практически не влияет на другие фундаментальные силы.
Общие сведения
Если вы интересуетесь астрономией, то наверняка задавались вопросом, что представляет собой такое понятие, как гравитация или закон всемирного тяготения. Гравитация — это универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми объектами во Вселенной.
Открытие закона всемирного тяготения приписывается знаменитому английскому физику Исааку Ньютону. Многие из вас наверняка знают историю о яблоке, упавшем на голову знаменитого ученого. Однако взгляд на историю показывает, что гравитация была известна задолго до времен древних философов и ученых, таких как Эпикур. Тем не менее, Ньютон был первым, кто описал гравитационное взаимодействие между телами в рамках классической механики. Его теория была развита другим известным ученым, Альбертом Эйнштейном, который в своей общей теории относительности более подробно описал действие гравитации в пространстве и ее роль в пространственно-временном континууме.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила притяжения между двумя точками массы, разделенными расстоянием, обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна двум массам. Гравитация — это сила дальнего действия. То есть, независимо от того, как движется тело массы, его гравитационный потенциал в классической механике зависит исключительно от положения объекта в данный момент времени. Чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное поле — тем сильнее гравитационная сила. Космические объекты, такие как галактики, звезды и планеты, обладают наибольшей гравитационной силой и соответственно сильными гравитационными полями.
Гравитационные поля
Гравитационное поле Земли
Гравитационное поле — это расстояние, в пределах которого происходит гравитационное взаимодействие между объектами во Вселенной. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное поле — и тем заметнее его влияние на другие физические тела в данном пространстве. Гравитационное поле объекта является динамическим. Суть предыдущего утверждения заключается в том, что потенциальная энергия притяжения между двумя телами не меняется при их движении по замкнутому контуру. Из этого следует другой известный закон сохранения для суммы динамической и кинетической энергии в замкнутом контуре.
В материальном мире гравитационное поле имеет огромное значение. Все материальные объекты во Вселенной, обладающие массой, имеют массу. Гравитационное поле способно воздействовать не только на материю, но и на энергию. Под воздействием гравитационных полей крупных космических объектов, таких как черные дыры, квазары и сверхмассивные звезды, формируются солнечные системы, галактики и другие астрономические скопления, которые характеризуются логической структурой.
Последние научные открытия показывают, что знаменитое расширение Вселенной также основано на законах гравитационного взаимодействия. В частности, сильные гравитационные поля, как от малых, так и от больших объектов, способствуют расширению Вселенной.
Гравитационное излучение
Гравитационное излучение в бинарной звездной системе
Гравитационное излучение или гравитационная волна — термин, впервые введенный в физику и космологию известным ученым Альбертом Эйнштейном. Гравитационное излучение в теории гравитации возникает при движении материальных объектов с переменным ускорением. Когда объект ускоряется, гравитационная волна как бы «удаляется» от него, вызывая колебания гравитационного поля в окружающем пространстве. Это называется эффектом гравитационной волны.
Хотя гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна и другими теориями гравитации, они никогда не были непосредственно обнаружены. В основном это связано с их чрезвычайно малым размером. Однако в астрономии есть косвенные доказательства, которые могут подтвердить это явление. Эффект гравитационных волн можно наблюдать, например, при сближении двойных звезд. Наблюдения подтверждают, что скорость сближения двойных звезд в определенной степени зависит от потери энергии этих космических объектов, которая предположительно преобразуется в гравитационное излучение. Ученые смогут надежно подтвердить эту гипотезу в ближайшем будущем с помощью нового поколения телескопов Advanced LIGO и VIRGO.
Гравитационное взаимодействие – коротко, описание, схема, видео
Планета Земля
Автор Анималов В.С. 2 минуты на чтение Опубликовано 22.08.2010 Обновлено 26.02.2020
Эффект гравитационного взаимодействия наиболее ярко проявляется в океанских приливах и отливах. Однако подобный эффект может наблюдаться и в твердых телах.
Влияние гравитации на Луну
Луна меньше, поэтому часть ее поверхности возвышается на 25-30 метров. Степень протяженности Луны, конечно, ограничена. Луна состоит в основном из скалистых тел, а скалы не очень упругие.
Однако прочность Луны на растяжение не очень мала, поскольку ее ядро, как и ядро Земли, состоит из расплавленной породы. А когда Луне не повезло оказаться на одной прямой с Землей и Солнцем, сильные землетрясения сотрясают Луну, поскольку более крупные небесные тела, Земля и Солнце, буквально разрывают наш естественный спутник на части.
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она может ускорять объекты, давайте рассмотрим на примере Земли и Луны. Земля — довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета сильно искажает ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Кажется, что он просто движется по кривизне или наклону (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует никакая сила. Он просто следует определенному пути. Но почему тогда все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не падают на орбиту?
Солнце и Луна искажают ткань пространства-времени.
Причиной этого, по мнению исследователей, является орбита, которую занимает объект — она зависит от ряда факторов, включая скорость, орбиту и массу рассматриваемых объектов. Именно поэтому сотни астрономов по всему миру следят за тем, сколько комет и астероидов ежедневно пролетают мимо Земли и не сталкиваются с ее орбитой.
И если вы задаетесь вопросом, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, вам обязательно нужно прочитать статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он обсуждает последние разработки в этой области и показывает, что в ближайшем будущем искусственная гравитация перестанет встречаться только в научной фантастике.
Слабое взаимодействие
Этот тип взаимодействия недолговечен и происходит через очень короткие промежутки времени (10-15-10-22 см). При слабом взаимодействии процессы между частицами протекают медленнее и делают большинство известных нам частиц нестабильными. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, особенно с превращением протона в нейтроны, позитроны и нейтрино, которое происходит в ядре. Носителями слабого взаимодействия являются ионы. Слабое взаимодействие — это особый тип бесконтактного взаимодействия, в котором связь происходит через обмен тяжелыми промежуточными частицами — бозонами.
Благодаря этому типу взаимодействия внутри Солнца возможны ядерные реакции, что означает, что Солнце светит и дает нам тепло благодаря слабому взаимодействию. Образование новых звезд также возможно благодаря слабому взаимодействию.
Сила слабых и сильных взаимодействий очень быстро уменьшается с расстоянием. Например, в достаточно большом атомном ядре (например, урана) притяжение нуклонов на диаметрально противоположных концах ядра очень мало. По этой причине ядро урана нестабильно и склонно к спонтанному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превышает электромагнитную силу. Это делает стабильными атомные ядра, такие как литий, натрий и т.д.
Подобно электромагнитному заряду, существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку эти силы не действуют на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше), такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы с сильным зарядом называются барионами и включают, например, нуклоны — протон и нейтрон. Таким образом, все они участвуют в сильном взаимодействии. Электрон и некоторые другие частицы не имеют такого заряда и не участвуют в сильном взаимодействии. Все частицы участвуют в слабом взаимодействии.
Существуют частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии — это нейтрино. Из-за этого свойства их очень трудно обнаружить в экспериментах.
Итак, четыре типа взаимодействий, описанные выше, определяют, как все известные объекты, от элементарных частиц до звезд и галактик, взаимодействуют друг с другом. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация определяет движение звезд и планет. Однако не все процессы во Вселенной пока можно объяснить, поэтому поиск новых типов взаимодействий продолжается.
Михаил Карневский Обновлено Татьяной Сидоровой 29.03.2018 Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Безгодков Виктор 12/18/2020 10:44 ФИЗИКАВчера в 10:52ДеятельностьФизика Универа. Различные степени тяжести (гравитационная сила, притягивающая сила) и энергии (отталкивающая сила, сила отталкивания, выталкивающая сила). Различные уровни взаимодействия между двумя противоположными силами. Земля (ядерные и гравитационные силы) значительно уступает Солнцу по гравитационной силе и энергии (здесь проводится четкое различие между планетарным и звездным уровнем гравитационной силы и энергии). Ядро Солнца намного плотнее, чем ядро Земли, и содержит гораздо больше энергии. *(Полная лучистая мощность Солнца, т.е. его светимость, составляет 3 828-1026 ватт (~3,75?1028 люмен) или 3,827?1033 эрг/с. Средняя плотность теплового потока на всей планете составляет 87±2 мВт/м? или (4,42±0,10)-1013 Вт на всей Земле, что примерно в 5000 раз меньше средней солнечной радиации. Около 60% теплового потока (2,75-1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, а остальные 40% — на глобальное охлаждение. Измерения потока нейтрино из недр Земли показывают, что радиоактивный распад отвечает за 24 ТВт (2,4-1013 Вт) внутреннего тепла.* Гравитация — гравитация ядра Земли и ядра Солнца также сильно отличаются. Гравитационная постоянная Земли GM Земля 398600.448 км 3/с 2 Гравитационная постоянная Солнца GM Солнце 132712.43994 x10 6 км 3/с 2 Различные уровни взаимодействия. У Солнца он выше и сильнее, чем у Земли. Но Солнце явно уступает телу ядра Галактики по гравитационному состоянию и энергии. Из центрального, очень массивного и плотного тела галактического ядра выбрасываются очень мощные всплески энергии — выбросы плазмы и газовые облака. Иногда вспышки распространяются на расстояние до миллиона световых лет, в результате чего образуется нечто вроде круглого вытянутого газового облака. Такие облака содержат огромное количество энергии — до 10 в степени 53 (т.е. 10 в степени 53 нуля) Дж. Чтобы оценить количество этой энергии, необходимо было бы облучить всю массу десятков или даже сотен миллионов звезд (галактика NGC 6251 на расстоянии 300 миллионов световых лет имеет разбег в 4 миллиона световых лет). Галактика Лебедь А содержит огромные газовые облака со скоростями до 500 км/с. Мощность излучения этой радиогалактики сейчас порядка 1045 эрг/сек или больше, и нет причин полагать, что после взрыва она была меньше. Следовательно, энергия, выделившаяся при взрыве и последующих процессах, составила не менее 1056-1058 эрг. Очень мощные выбросы из тела очень массивного галактического ядра. Именно это и сдерживает все выброшенные (из недр) звезды, которые вращаются с огромной скоростью. Солнце постоянно движется в гравитационном пространстве — под действием гравитационного притяжения галактического ядра. Его скорость составляет 720 000 км/ч, но это все равно мало по сравнению с другими звездами. Недавно астрономы обнаружили звезду под названием S5-HVS1, которая движется со скоростью 6 миллионов километров в час. Эта звезда способна покинуть нашу галактику, но еще не сделала этого. Это очень массивное тело, в котором находится ядро галактики. Но во Вселенной есть еще более мощные тела, чем галактические ядра — это квазары, тела, которые не находятся на уровне галактик. Квазар испускает в 1000 раз больше излучения, чем целая галактика с ее мощным ядром. Квазар — это очень плотное тело (самое плотное из наблюдаемых), с такой массой, что оно удерживает вместе целые скопления галактик. Это четыре состояния гравитационной силы — гравитация и энергия. Они пришли из самой плотной точки (самое плотное состояние гравитации и энергии — центр Вселенной). Энергия постепенно расширяла пространство гравитации, мало-помалу изгоняя тела. Была создана иерархическая связь мест. Квазары связаны с центром Вселенной, который, в свою очередь, связывает скопления галактик (тел, возникающих из квазаров). Ядра галактик связаны с квазарами, а тела ядер самих галактик — с выброшенными звездами. А Солнце придавало движение Земле и другим планетам и удерживало их вместе. И Земля выбросила Луну из себя и связала ее в своей системе. Четкая линейная последовательная взаимосвязь. Связь, взаимодействие между двумя противоположными силами притяжения (гравитация) и отталкивания — энергия. ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ. Физика целого. Физика жизни во Вселенной. Интегрированная физическая картина мира. Целостность физики. Часть 167. будет продолжена. Виктор Безгодков. 16.12. 2020.
