Почему гравитация влияет на свет
Перейти к содержимому

Почему гравитация влияет на свет

  • автор:

Что такое гравитация

Что такое гравитация? Даже не знаю, с какого определения начать, чтобы вам было более понятно. Гравитация описывает взаимодействие между всеми телами. Это искривление пространства, благодаря которому объекты с меньшей массой притягиваются к более большим.

Представьте натянутое в воздухе полотно, скатерть, что угодно. Его держат за четыре угла параллельно земле, поэтому оно кажется вполне ровным. Что будет, если бросить на это полотно яблоко? Правильно, оно деформирует ткань, образуя искривление. Так вот, если полотно – это пространство, а яблоко, скажем, — Земля, то не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы понять, что тяжелое по меркам ткани яблоко легко искривляет ее, когда попадает внутрь. Гравитация работает так же, но это еще не все.

Давайте добавим к нашему яблоку грецкий орех. Просто бросаем его на полотно в любую точку. Что произойдет дальше? Он, естественно, скатится к яблоку, так как его масса намного больше. Представьте, что орех – это наша Луна. По той же самой причине она вертится вокруг Земли. Под действием гравитации более легкие объекты как бы «скатываются» в пространстве к более тяжелым. Если мы бросим на полотно не орех, а скажем, небольшой арбуз, то все будет в точности наоборот – яблоко притянется к нему, как Земля к Солнцу.

Именно сила тяготения не дает планетам солнечной системы и всех других разлететься по космосу, «закрепляя» их около близлежащих звезд. Она же позволяет нам ходить по земле и не улетать в небо при сильном прыжке. Однако, чем мы дальше от массивного объекта, тем гравитация слабее. Так объясняется невесомость в МКС на орбите нашей планеты.

Всем вам наверняка известно про Ньютона и его рассуждениях насчет гравитации. Он считал ее одним и тем же с силой тяжести. Но это не так. Гравитация, как вы помните из начала этой статьи, описывает прямое взаимодействие между всеми телами во Вселенной. Ньютон в свое время еще не знал о существовании гравитационных полей. Гравитация определяется Законом всемирного тяготения и в земных условиях гравитационное поле носит условный характер, который нужен лишь в вычислениях.

Гравитация от Эйнштейна

Задолго до Ньютона и Эйнштейна о гравитации говорил еще Аристотель. Он выдвинул теорию о том, что скорость падения объекта напрямую зависит от его массы. Но о том, что ускорение свободного падения одинаково для всех, он не знал. Об этом догадался только Галилей.

Далее в Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн более подробно описал гравитацию, связав ее с пространством-временем. Да-да, так как они неразрывны, гравитация искривляет не только материю, но и время. Из-за этого время в космосе идет медленнее.

Гравитация от Эйнштейна

Вы помните, что орехи скатываются к яблокам и все такое, но в таком случае, почему Луна до сих пор не рухнула на Землю? Потому что сила гравитационного взаимодействия крайне слаба, но действует на абсолютно любые расстояния. Она даже имеет четкую формулу для расчета: Fg=G(m1m2/r 2 ) – то есть это зависимость масс двух объектов от квадрата расстояния между ними, умноженная на гравитационную постоянную. Эту формулу учат в школьном курсе физики, если что. Из этого следует, что чем больше масса тела, тем большее гравитационное поле оно может создать.

В таком случае, многие могут спросить: «почему Луна не падает на Землю под действием гравитации?». Взгляните на формулу – что такое G? Это гравитационная постоянная, равная 6,67408×10 -11 м 3 кг -1 с -2 . Даже если все здесь кажется вам лютейшим бредом, то 10 -11 более наглядно выглядит так: 0,00000000001. Вы отдаете себе отчет в том, на сколько это мало? Ровно настолько, что даже Луна не падает на Землю, не говоря уже о том, что вы не можете притягивать к себе мелкие предметы силой гравитационного взаимодействия, которым, кстати, тоже обладаете.

Все объекты во Вселенной так или иначе подвержены гравитации. Именно Эйнштейн заговорил об «искривлении» пространства. Он считал, что подобное взаимодействие не результат влияния сил, а изменений в самом пространственно-временном континууме. Как это происходит? Из-за массы и энергии. Думаю, многие из вас уже поняли, к чему я веду. ОТО гласит о том, что масса и энергия едины, и именно из-за их взаимодействия искривляется пространство-время. Все вы хоть раз в жизни слышали об этой формуле: E=mc 2 – она объясняет, как, но не говорит почему. Гравитация – очень обширное понятие. Она отвечает и за земное притяжение нас с вами и за расширение самой Вселенной. Поэтому описать все это каким-то единым законом до сих пор ни у кого не получилось.

Гравитационные волны

На этом можно было бы и закончить, но говорю же, понятие очень обширное, поэтому заварите кофейку, мне еще есть, что вам рассказать. Гравитационные волны излучаются массой, а после существуют сами по себе. Это определенные изменения гравитационного поля.

Чтобы представить, что это такое, достаточно представить, что водная гладь – это пространство-время, а камень – это, допустим, Земля. Бросьте камень на воду – от него пойдет рябь ровными кругами во все стороны. Поместите Землю в космос, она начнет излучать гравитационные волны. Надеюсь, понятно.

Их обнаружили относительно недавно – в 2015 году – благодаря изучению слияния двух черных дыр, из которых образовалась одна более массивная. В этом процессе и «заметили» исходящие от них гравитационные волны.

Гравитационные волны

Гравитон

Если вы еще не устали от потока информации, двигаемся дальше. Мы уже выяснили, что гравитационное взаимодействие определенно есть. Тогда оно должно переноситься какой-либо частицей, логично ведь? Главным кандидатом на эту роль является гравитон – гипотетическая частица, существование которой до сих пор не доказано. Она еще даже официально не существует, а уже породила множество споров в научном сообществе. Некоторые говорят о том, что черные дыры тоже должны излучали бы гравитоны, если бы те существовали, а это противоречит ОТО.

Были предприняты неоднократные попытки расширить стандартную модель, но все они разбились о высоченные энергии. В решении этой задачи могут помочь теории квантовой гравитации, об одной из которых я уже рассказывал. Они говорят о том, гравитоны – одно из состояний струн, а не точечные частицы. Как оно есть на самом деле, никто пока сказать не может, так как никто до сих пор не обнаружил те самые гравитоны из-за их чрезвычайно низкого гравитационного влияния.

Квантовая гравитация

Как вы понимаете, в попытках объяснить принцип действия гравитации одним законом для всей Вселенной, все ученые потерпели фиаско. Поэтому некоторые решили зайти еще дальше и попытаться разгадать эту загадку на квантовом уровне. Спойлер: у них тоже не вышло.

Но теории квантовой гравитации достаточно интересны. Точнее были интересны ровно до тех пор, пока мир не увидел первую настоящую фотографию сверхмассивной черной дыры, которая очень сильно подорвала всю концепцию данных предположений, и в очередной раз подтвердила, что ОТО так-то больше права.

К самым популярным и интересным в данной области относятся теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, о которых у меня уже есть две статьи, поэтому здесь на них заострять внимание мы не будем.

Квантовая гравитация

Сильные гравитационные поля

Так почему же ОТО все-таки более права? Потому что в сильных гравитационных полях возникают следующие эффекты, ее подтверждающие:

  • Закон всемирного тяготения сильно разнится с предположениями Ньютона, который о гравитационных полях не знал.
  • Видны гравитационные волны.
  • Появляются эффекты нелинейности.
  • Значительные изменения пространства-времени (нет, вы все еще их не увидите).
  • Зарождаются черные дыры и сингулярности.

И вот как раз недавнее изображение черной дыры добавило еще одно очко в пользу Общей теории относительности Эйнштейна.

Гравитационный коллапс

Гравитационным коллапсом может закончится жизнь очень массивной звезды. В ней больше нет топлива, из-за чего термоядерный процесс прекращается, устойчивость нарушается и происходит стремительное сжатие. Если внутреннее давление звезды справится с этим сжатием, небесное светило продолжит свое существование в качестве нейтронной звезды или вспыхнет как сверхновая.

Если же масса звезды окажется больше предела Оппенгеймера-Волкова, то после гравитационного коллапса она превратится в черную дыру. Если вы хотите знать точные цифры этого предела, то их пока не выяснили. Просто знайте, что это должно быть много… очень… неимоверно.

Как гравитация влияет на свет: теория относительности Эйнштейна объясняет этот феномен

Гравитация влияет на свет и наоборот

Один из самых загадочных вопросов в физике – почему гравитация, сила, влияющая на объекты, имеющие массу, также, кажется, влияет на свет, не имеющий массы. Этот парадокс озадачивал ученых десятилетиями, но ответ лежит в общей теории относительности Эйнштейна.

Поделиться

Как ведет свет

В повседневной жизни мы наблюдаем, как свет двигается по прямым линиям, не подвергаясь влиянию гравитации. Мы видим, как оно преломляется при прохождении через границу между двумя средами, например воздухом и водой. Именно поэтому предметы, такие как соломинка в стакане с водой, кажутся изогнутыми. Однако это преломление, как объясняет 24 Канал, происходит не под действием гравитации, а скорее под действием электромагнитных сил.

Но когда свет проходит вблизи массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры, он искривляется, как объясняет общая теория относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, искажение пространства-времени, вызванное гравитацией, влияет на траекторию движения объектов, в том числе и света. Вместо того чтобы двигаться вдоль прямых линий, объекты, в том числе свет, двигаются вдоль специальных «линий», которые называются геодезическими линиями, в искривленном пространстве-времени.

Поскольку свет также двигается вдоль геодезических линий, его путь также искривляется под действием гравитации, несмотря на то, что он не имеет массы. Эта концепция бросает вызов нашему традиционному пониманию гравитации как силы, влияющей только на объекты, имеющие массу.

Свет тоже может влиять на объекты

Недавние исследования предполагают, что свет также может искажать пространство-время подобно массивным объектам. Это явление известно как само гравитация света. Идея состоит в том, что поскольку электромагнитные волны, включая свет, имеют энергию и импульс, они также должны искажать пространство-время, хотя и небольшим и своеобразным способом.

Как следствие, искажение пространства-времени, созданное светом, может влиять на распространение самого света, как и предполагают уравнение общей теории относительности.

Эта поразительная концепция проливает новый свет на наше понимание гравитации и ее взаимодействия со светом. Она бросает вызов нашим традиционным представлениям о массе и гравитации и открывает новые возможности для исследования тайн Вселенной. Ученые продолжают изучать это явление, проводя эксперименты и наблюдения, чтобы раскрыть еще большее количество тонкостей воздействия гравитации на свет.

Итак, хотя свет не имеет массы, на него все равно влияет гравитация из-за искажения пространства-времени, вызванного массивными объектами. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивает основу для понимания этого явления, а недавние исследования показывают, что свет сам по себе может способствовать искажению пространства-времени.

Почему гравитация влияет на свет

Как гравитация влияет на свет: теория относительности Эйнштейна объясняет этот феномен

Гравитация влияет на свет и наоборот

Один из самых загадочных вопросов в физике – почему гравитация, сила, влияющая на объекты, имеющие массу, также, кажется, влияет на свет, не имеющий массы. Этот парадокс озадачивал ученых десятилетиями, но ответ лежит в общей теории относительности Эйнштейна.

Как ведет свет

В повседневной жизни мы наблюдаем, как свет двигается по прямым линиям, не подвергаясь влиянию гравитации. Мы видим, как оно преломляется при прохождении через границу между двумя средами, например воздухом и водой. Именно поэтому предметы, такие как соломинка в стакане с водой, кажутся изогнутыми. Однако это преломление, как объясняет 24 Канал, происходит не под действием гравитации, а скорее под действием электромагнитных сил.

Но когда свет проходит вблизи массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры, он искривляется, как объясняет общая теория относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, искажение пространства-времени, вызванное гравитацией, влияет на траекторию движения объектов, в том числе и света. Вместо того чтобы двигаться вдоль прямых линий, объекты, в том числе свет, двигаются вдоль специальных «линий», которые называются геодезическими линиями, в искривленном пространстве-времени.

Поскольку свет также двигается вдоль геодезических линий, его путь также искривляется под действием гравитации, несмотря на то, что он не имеет массы. Эта концепция бросает вызов нашему традиционному пониманию гравитации как силы, влияющей только на объекты, имеющие массу.

Свет тоже может влиять на объекты

Недавние исследования предполагают, что свет также может искажать пространство-время подобно массивным объектам. Это явление известно как само гравитация света. Идея состоит в том, что поскольку электромагнитные волны, включая свет, имеют энергию и импульс, они также должны искажать пространство-время, хотя и небольшим и своеобразным способом.

Как следствие, искажение пространства-времени, созданное светом, может влиять на распространение самого света, как и предполагают уравнение общей теории относительности.

Эта поразительная концепция проливает новый свет на наше понимание гравитации и ее взаимодействия со светом. Она бросает вызов нашим традиционным представлениям о массе и гравитации и открывает новые возможности для исследования тайн Вселенной. Ученые продолжают изучать это явление, проводя эксперименты и наблюдения, чтобы раскрыть еще большее количество тонкостей воздействия гравитации на свет.

Итак, хотя свет не имеет массы, на него все равно влияет гравитация из-за искажения пространства-времени, вызванного массивными объектами. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивает основу для понимания этого явления, а недавние исследования показывают, что свет сам по себе может способствовать искажению пространства-времени.

Воздействие гравитации на свет ⁠ ⁠

Меня давно мучает вопрос. Если свет притягивается массивными телами вроде звезд и черных дыр, из последних он вообщесвырваться не может, значит на свет(эми — электромагнитное излучение) влияет гравитация. Гравитация распространяет свое действие на бесконечное пространство, чем дальше от объекта гравитации тем меньше воздействие согласно формуле. Допустим такую модель, что у нас есть очень массивный объект гравитации, а вокруг него пустое пространство(нет ни звёзд, ни галактик, ничего). Далее испускаем фотон света в противоположную сторону от объекта гравитации. Фотон перемещается со скоростью света, и на протяжении всего пути на него действует гравитация объета. На бесконечно удаленном расстоянии действует бесконечно малая сила гравитации. Соответственно фотон должен откланиться от своей траектории в какую-либо сторону, чем дольше он будет лететь тем больше должен будет откланяться. И в итоге должен повернуть обратно к объекту гравитации.

Следовательно, через бесконечно долгое время можно будет увидеть на объекте гравитации тот самый вернувшийся фотон?

И ещё если свет притягивается гравитацей, то свет притягивается друг к другу или нет? Допустим, есть два луча света испускаемых параллельно в вакууме. То на бесконечно удаленном растоянии лучи начнут притягиваться, и уже будут не параллельными?

239 постов 2.3K подписчик

Подписаться Добавить пост

Правила сообщества

Запрещено:
— Оскорблять участников сообщества, а так же пользователей Пикабу.
— Публиковать посты, которые не относятся к физике
— Рекламировать кого-либо, чего-либо
— Нарушать правила Пикабу.

7 месяцев назад

>>> «. И в итоге должен повернуть обратно к объекту гравитации.»

В общем случае это не верно.

Любите бесконечные ряды? �� Скажем, к какому значению стремится сумма следующего бесконечного ряда:

1 + 2 + 3 + 4 + 5 + . + n + . = ?

Правильно! К бесконечности. Может показаться, что если бесконечно что-то складывать, то всегда в результате сумма будет стремиться к бесконечности для любого ряда. Но это не так. Например, сумма ряда:

1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + . + 1/2^n + . = 2

Внезапно? Но почему так? Смотрите, предположим мы хотим дойти от 0 до 2. На первом шагу проходим половину расстояния от 0 до 2, то есть 1. Затем мы проходим ещё половину оставшегося расстояния (от 1 до 2), то есть 1/2. Итого, за 2 шага мы прошли 1 + 1/2. Затем мы проходим еще половину от оставшегося расстояния (от 1,5 до 2), то есть 1/4. Итого, за 3 шага мы прошли уже 1 + 1/2 + 1/4. Затем мы проходим ещё половину от оставшегося расстояния.

Я думаю, Вы уловили тенденцию. Этим способом мы никогда не дойдем до 2! Выходит что сумма бесконечного числа слагаемых может быть конечна.

С гравитацией также. Только вместо суммы будет интеграл по бесконечному расстоянию, но итог тот же – хотя гравитационное взаимодействие простирается бесконечно далеко, оно не способно забрать у тела энергии больше чем некоторое конечное число E. Если тело имеет энергии больше чем это число E, то гравитация никогда не сможет развернуть тело назад.

Вы наверное слышали об второй космической скорости? Это как раз про это – какую скорость (энергию) надо сообщить телу, чтобы оно преодолело гравитацию стартового тела и никогда бы на него не вернулось.

7 месяцев назад

Фотон даже в скорости не потеряет, но покраснеет. От стыда, наверное. =)

7 месяцев назад

Суть гравитации — изменение геометрии пространства-времени.

Т.е. они (фотоны) путешествуют по искривлённому гравитацией пространству-времени, не испытывая, непосредственно, гравитационного воздействия на себя (грубо, но точно).

Плюс фотоны не обладают массой покоя, поэтому друг к другу не притягиваются (единственная на сегодня «частица» без массы покоя).

раскрыть ветку
7 месяцев назад

Кстати, если наш объект обладает достаточно сильным гравитационным полем (например, он — чёрная дыра), то можно, хотя и очень непросто, добиться того, чтобы фотоны находились на постоянной орбите вокруг него. Вот тут описано подробнее (статься на английском языке): https://profoundphysics.com/can-light-orbit-a-black-hole-the.

раскрыть ветку
6 месяцев назад

Вы чуть чуть не верно представляете себе действие гравитации на фотон: вы представляете гравитацию как силу, действующую напрямую на объект, будто лебедка, которая тянет другие предметы к себе. Гравитация же на самом деле действует на пространство и время — тяжелый объект давит на матрас и всё, что попадает в образовавшуюся воронку скатывается к этому тяжелому объекту.

Похожие посты
12 часов назад

Не каждую сталь получится закалить и вот почему⁠ ⁠

Оказывается, далеко не все стальные детали можно закаливать. Существует стереотипное мнение, что раскали буквально любую железяку до красного каления, опусти её в воду и получишь гарантированное упрочнение. Но нет! Ответ кроется в правильном определении термина «закалка». Но, обо всём по порядку.

Не каждую сталь получится закалить и вот почему Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Познавательно, Длиннопост

Процесс упрочнения детали с помощью закалки гораздо более интересен и многогранен, чем это кажется на первый взгляд. Существует огромное количество особенностей, о которых знают далеко не все. И одну из них мы сейчас разберем.

Речь пойдет про невозможность закаливания сталей, содержащих в составе углерода меньше, чем 0,3%. Точнее как. «Невозможность» тут слово явно лишнее. Что-то произойдёт в той или иной форме, но полноценного упрочнения не будет.

Немножко основных знаний

Мы помним, что закалкой называется процесс упрочнения материала, который заключается в нагреве образца до критической температуры и его последующего охлаждения с установленной скоростью.

В образце может происходить перестроение одной решетки в другую (закалка с полиморфным превращением), а может просто фиксироваться имеющаяся структура (закалка без фазового превращения, но со старением).

Не каждую сталь получится закалить и вот почему Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Познавательно, Длиннопост

В случае, когда полиморфное превращение происходит, упрочнение достигается за счёт формирование «особенной» напряженной структуры в образце. Углерод при резком охлаждении начинает ерзать по внутреннему пространству и формирует мартенсит. Это как уменьшать клетку, в которой сидит кошка. Процесс тут бездиффузионный, т.е. скорость его огромная. За это время кошка углерод не успевает «выбегать из клетки». Система сжимается, а он её распирает, формируя механические напряжения и упрочнение.

Во втором случае упрочняющим фактором является или выделение дополнительной фазы, которая в результате распадётся диффузионным путем, или старение, которое, в общем-то, имеет тот же смысл.

Условия формирования упрочнений

Остановимся сейчас на закалке с превращением, которая свойственна для сталей. Из сказанного выше следует, что для появления упрочнения при проведении закалки нужно соблюдать следующие факторы:

  • В стали должен быть углерод, причем достаточное его количество
  • Нужно соблюдать такую скорость закалки, чтобы клетка сжималась раньше, чем оттуда успеет вылезти кошка. Мы помним, что кошка=углерод, а клетка=структура стали
  • Нужно, чтобы образовавшееся упрочнение не «портилось» от естественных диффузионных процессов

Давайте посмотрим, почему не получится закаливать стали, если углерода в них меньше 0,3%.

Углерод в них, вроде бы, и есть. Понятно, что чистое железо не закалится, потому что будь в нём хоть тысяча перестроений решетки, не будет углерода внутри, который организует пересыщенный твёрдый раствор внедрения.

Примерно также будет, если углерода слишком мало. Даже если и удастся «прижать» его решеткой, которую он потом будет упрочнять изнутри, нужно делать это очень быстро. Примерно как ловить таракана сачком. И тут ещё интересный базовый момент.

Невозможно на практике организовать такую охлаждающую среду, которая позволит стали охлаждаться со скоростью, быстрее критической.

Не каждую сталь получится закалить и вот почему Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Познавательно, Длиннопост

Если углерода меньше, то нам нужно имеющиеся атомы углерода, успеть «прижучить» деформацией решетки. Но превращение должно быть очень быстрым, что не позволит углероду перемещаться в следствие диффузионных процессов.

Если взять стали, в которых углерода содержится 0,3% и меньше, то тут мы и встречаемся с этой проблемой. В теории их возможно закалить, потому что превращение решетки происходит. Но углерод не образует перенасыщенный твёрдый раствор, потому что его мало и потому что охладить так быстро железяку стандартными способами физически невозможно (не рассматриваем всякие бустеры типа жидкого азота).

Когда образец тонюсенький, в нем успевает образоваться нужная структура и процесс закалки происходит. Но образцы толщиной даже с десяток миллиметров уже не успевают охлаждаться достаточно быстро для полноценного мартенситного превращения.

Аустенит при охлаждении частично или полностью будет распадаться на смесь, которая практически соответствует по механическим свойствам исходной структуре.

Выходит, что далеко не каждую сталь можно закаливать.

Ну и . приглашаю почитать интересные эксклюзивные статьи и заметки в Telegram-канал моего проекта.

А тут я рассказываю про специфику научного познания и про то, как делать изобретения.

Показать полностью 3
Поддержать
19 часов назад

Что такое свет? – астрофизик Антон Бирюков | Лекции по астрономии и астрофизике | Научпоп⁠ ⁠

Свет — это частица или электромагнитная волна? Почему раскалённый уголёк светится? Что такое абсолютно чёрное тело и ультрафиолетовая катастрофа? Какими необычными свойствами обладает свет? Есть ли частица, чья скорость может превышать скорость света?

Об этом рассказывает Антон Бирюков, астрофизик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории Космических проектов Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

Показать полностью
2 дня назад

Телескоп «Джеймс Уэбб» прислал беспрецедентную фотографию центра нашей галактики⁠ ⁠

Космический телескоп Джеймс Уэбб, запущенный в космос несколько лет назад, вновь, радует нас новыми фотографиями. В прошлом году мы увидели фотографию газовой туманности «Столпы творения». Снимок был настолько завораживающим, что мы конечно же, ждали новых снимков. И дождались.

Телескоп

Тот самый исторический снимок центра Млечного Пути, сделанный Джеймсом Уэббом

На этот раз Джеймс Уэбб сделал подробную фотографию центра галактики, в которой мы с вами живем — Млечного пути. Скажем так, что фотография очень подробная и очень детализированная. Конечно, технологии, примененные на телескопе — передовые, поэтому и снимки настолько детализированные.

Известно, что в центральной части Млечного пути расположена сверхмассивная черная дыра Стрелец А. Там же, в центре галактики, всего в 300 световых годах от Стрельца А расположена область, где идет интенсивное звездообразование. Данная область носит название Стрелец С. Эту область и сфотографировал в инфракрасном диапазоне телескоп Джеймс Уэбб. Как говорится, подробности на снимке получились беспрецедентными, что позволило ученым сделать ряд интересных открытий в этой области.

В области Стрелец С находится около 500 тысяч звезд. Там же располагается целое скопление формирующихся протозвезд. В самом центре этого скопления расположена массивная протозвезда, масса которой в 30 раз больше нашего Солнца. Вообще, данное облако настолько плотное, что свет излучаемый звездами, которые расположены за облаком не достигают нас, поэтому Джеймс Уэбб не может их запечатлеть.

В целом, центр нашей галактики удален от нашей звездной системы на 25 тысяч световых лет. Это относительно близко, поэтому у ученых есть уникальная возможность изучать не только сам центр галактики и области рядом с ним, но и, даже отдельные звезды, которые располагаются там. И космический телескоп Джеймс Уэбб, безусловно, поможет им в этом. Ученые смогут изучать процесс образования звезд и другие происходящие процессы в данной интересной для ученых области нашей галактики.

Если Вам понравилась статья — поставьте лайк. Будем рады вашей подписке на нашу страницу в Пикабу и сообщество в ВК

Показать полностью
Поддержать
3 дня назад

Астроном Владимир Сурдин о популяризации науки | Лекции по астрономии и астрофизике | Научпоп⁠ ⁠

Астроном Владимир Сурдин рассказывает о своём видении просвещения, его преимуществах и недостатках, и о своём пути в популяризации науки.

Владимир Георгиевич Сурдин, астроном, кандидат физико-математических наук, доцент физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

Показать полностью
4 дня назад

Астрономические олимпиады и изучение астрономии в школах – Олег Угольников | Лекции по астрономии⁠ ⁠

Как в астрономию приходят любители и профессионалы? Какова судьба астрономии в школьной программе нашей страны? Какое значение для распространения знаний по астрономии имеют астрономические олимпиады? Почему важно изучать и популяризировать астрономию? Какое значение в этом имеют визуальная и прикладная составляющие?

Рассказывает Олег Угольников, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН, председатель Центральной предметно-методической комиссии Всероссийской олимпиады школьников по астрономии.

Ролик создан при поддержке Ассоциации волонтёрских центров в рамках Международной премии МЫВМЕСТЕ.

Показать полностью
5 дней назад

Что такое оптические магнитометры и как они используются в медицине? – Антон Макаров | Научпоп⁠ ⁠

Что такое магнитометры и каких типов они бывают? Какие магнитометры используются в МРТ и почему эти устройства такие громоздкое и дорогие? В чём особенность оптических магнитометров и как их можно использовать в медицине? Как может выглядеть мир будущего, когда магнитометрические технологии выйдут на новый более высокий уровень?

Рассказывает Антон Макаров, научный сотрудник Лаборатории квантовых сенсоров Института лазерной физики Сибирского отделения РАН.

Ролик создан при поддержке Ассоциации волонтёрских центров в рамках Международной премии МЫВМЕСТЕ.

Показать полностью
6 дней назад

Если б нам такое на физике показывали⁠ ⁠

Ядерная энергия простыми словами⁠ ⁠

Привет �� Сегодня расскажу о том, что такое ядерная энергия, как её получают и что для этого нужно ☢️

Первый ключ к пониманию

Эйнштейн в 1905 году вывел одну из самых известных формул в мире E = mc², где E — энергия, m — масса, а с — скорость света в вакууме. Зная эту формулу, можно сделать два важных вывода. Во-первых, энергия может быть преобразована в массу и наоборот. Во-вторых, при скорости частицы близкой к скорости света энергия, в которую масса будет преобразована, будет колоссальной. Это наш первый ключ�� к пониманию ядерной энергии

Откуда берётся энергия?

Известно, что масса ядра любого атома в состоянии покоя (без движения) всегда меньше, чем масса составляющих его протонов и нейтронов, взятых отдельно. Это явление называется дефект массы. Как же так получается? У протонов и нейтронов есть масса, но объединяясь в ядро, они начинают взаимодействовать друг с другом и часть их массы превращается в энергию связи между ними. Во время распада энергия превращается обратно в массу, но не вся — часть высвобождается. Мы стали ещё ближе к ядерной энергии��

Реакция распада

Масса ядра атома зависит от того, сколько протонов и нейтронов внутри. Между ними действует ядерная сила — фундаментальная и самая мощная из известных сил, целью которой является поддержание целостности ядра — его стабильности. Но у ядерной силы есть главный противник — Кулоновская сила отталкивания, которая действует между протонами. В таблице Менделеева элементы представлены в порядке увеличения массы ядра. Чем больше масса ядра, тем больше ядерных сил нужно, чтобы удержать его от распада. Поэтому тяжёлые элементы нестабильны и стремятся к распаду на более лёгкие и стабильные, выделяя при этом излучение. Их как раз и называют радиоактивными, а сам процесс — реакция распада��

Ядерная энергия простыми словами Познавательно, Интересное, Научпоп, Наука, Физика, Атомная энергетика, Ядерная физика, Энергия, Длиннопост

Распад дело такое — кому-то нужно доли секунды, а кому-то септилионы (10²⁴) лет. Причем при распаде разных элементов выделяется разное количество энергии, соответственно одни элементы расщеплять эффективнее, чем другие. Это работает даже в пределах одного элемента. Практически у каждого элемента есть несколько альтер-эго — они называются изотопы. У них одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, поэтому им присуща разная стабильность, разные свойства и самое главное — разное количество высвобождаемой энергии при делении. Например, уран является одним из самых популярных компонентов для ядерного топлива в мире, но в природе он на 99% состоит из изотопа урана 238, который при распаде выделяет не так много энергии, как хотелось бы. Что же делать?�� Есть пара вариантов.

Ядерное топливо

Чтобы стать ядерным топливом, элемент должен отвечать, как минимум, двум критериям: высвобождать колоссальное количество энергии при распаде и, самое главное, выделять нейтрон. Нейтроны, вылетая с огромной скоростью, будут врезаться в соседние атомы, вызывая их распад, с последующим выделением энергии и появлением других нейтронов. Это называется цепная реакция, и именно этот принцип лежит в основе ядерной энергетики⚛️

Ядерная энергия простыми словами Познавательно, Интересное, Научпоп, Наука, Физика, Атомная энергетика, Ядерная физика, Энергия, Длиннопост

Добыча ядерного топлива

Чтобы получить из урана ядерное топливо, у нас есть два пути. Первый вариант — обогатить урановую руду, состоящую из урана 235 и урана 238, с помощью специальных центрифуг, где в процессе вращения более тяжелый уран 238 сместится к краю. Это даст возможность убрать какое-то его количество из породы, тем самым повысив концентрацию урана 235. Сырье для ядерного топлива готово✔️ При последующем попадании в него нейтроном, содержащиеся в нём изотопы урана 235 будут превращаться в уран 236, который и даст необходимую энергию при распаде.

Ядерная энергия простыми словами Познавательно, Интересное, Научпоп, Наука, Физика, Атомная энергетика, Ядерная физика, Энергия, Длиннопост

Ещё один способ получить ядерное топливо — это превратить исходный уран 238 в изотоп урана 239, который затем при распаде будет давать плутоний 239 — ещё один элемент, соответствующий всем критериям ядерного топлива.

Теперь ты стал ближе к понимаю ядерной энергии, так что можно и поумничать �� В следующий раз расскажу про ещё один тип ядерной реакции — термоядерную. Энергия от неё достигает Земли в виде фотонов и превращается в тепло, которое мы ощущаем☀️Следи за обновлениями в моём канале. Буду рад твоей подписке!

Показать полностью 3
7 дней назад

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем⁠ ⁠

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

Схема нашей галактики Млечный Путь. Взято из Яндекс-картинок

Космос всегда манил людей. Ученым мужам, да и простым жителям Земли во все времена был интересен вопрос: «А что же скрывается там — выше облаков»? И действительно, днем когда светит яркое светило, а ночью оно уходит за горизонт и взору представляются огромная Луна на фоне бесконечного числа звезд. Но люди не были глупыми и уже с глубокой древности стали понимать в чем дело. Но развитие технологий не позволяли им заглянуть дальше. Прошли века и вот, теперь люди изучают далекий космос с помощью автоматических зондов, роверов и космических телескопов. Тем не менее, некоторые вопросы так и остаются неразгаданными, либо до конца неясными.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

Схема нашей галактики Млечный Путь. Показана «тёмная зона», которая недосягаема для современных телескопов, ввиду того, что их загораживает центр галактики. Взято из Яндекс-картинок

Мы знаем, что живем мы на планете Земля, которая обращается вокруг звезды, которая носит название Солнце. В свою очередь, Солнце обращается вокруг галактики, именуемой с древних времен Млечным Путем. В принципе, на этом можно и закончить сказ, но разве, вы никогда не задумывались, что находится в центре нашей галактики? Ясно дело, что в центре Солнечной Системы находится Солнце. Но что же в центре Млечного Пути? Сегодня вы узнаете ответ на этот вопрос. С одной стороны, откуда нам знать, ведь мы находимся так далеко от центра, что и предполагать нет смысла, а там мы никогда все равно не побываем.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

На данной изображении вы видите предполагаемый вид нашей галактики сбоку. Взято из Яндекс-картинок

Так вот, чтобы понимать масштабы нашей галактики, нужно знать ее размеры. Естественно, что мы никогда не видели нашу галактику со стороны, а это значит, что ее форма может быть совершенно иной, чем мы ее представляем. По последним данным ученых, Млечный Путь, скорее всего имеет спиральную форму с расходящимися от центра галактики рукавами. Так вот, на одном из рукавов мы и живем. По подсчетам ученых, галактика имеет следующие размеры: диаметр в поперечнике равен 100 000 — 120 000 световых лет, а толщина галактики (если это можно так назвать) — 1000 световых лет диск и 3000 световых лет — балдж, то есть вздутие в котором расположен центр. Огромные масштабы, не правда ли? Считается, что в нашей галактике около 400 млрд звезд. В основном они все расположены непосредственно в самом диске галактики.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

На данной фотографии вы видите центр нашей галактики, который расположен в той области, указанной красным квадратом. К слову, центр галактики мы видим сбоку, с ребра. Взято из Яндекс-картинок

Подсчитано, что наше Солнце расположено примерно в 28 000 световых лет от центра галактики. К слову, один световой год равен 9 460 730 472 581 км, а вернее почти 9,5 трлн км. Вот такое расстояние преодолевает свет за один земной год. Ну что же? Далеко? В масштабах Вселенной, не сказать, что прям уж так сильно далеко, но тем не менее. И вообще, если рассматривать галактику в поперечнике, то наше Солнце расположено ближе к краю галактику, чем к центру. Мы расположены во внутренней стороне рукава Ориона и все, что нас окружает — это составные части этого рукава.

Если рассматривать галактику по толщине, то мы ближе к северному краю галактики, ближе к ее северной плоскости. И да, галактика имеет как северный полюс, так и южный. Так проще рассматривать стороны расположения. Думаю, что понятно объяснил. Нужно еще понимать то, что мы видим нашу галактику на небе с ребра, а рукавов полноценно не увидим из-за неудобного расположения на внутренней стороне диска Ориона. То есть, о реальном ее виде можно только догадываться. Есть у галактики и тёмная зона, расположенная за центром галактики, которую мы по понятным причинам не видим. Но Солнечная система вращается вокруг галактики и делает это примерно за 200 млн лет.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

А тут вы видите ту же самую фотографию нашей галактики, только без обозначений. В центре виден тот самый центр Млечного Пути. Виден балдж. Завораживающее зрелище, не правда ли? Взято из Яндекс-картинок

Когда вы взглянете в южном направлении в сторону созвездий Щита, Скорпиона и Стрельца, то именно там и расположен центр галактики. Там вы и увидите огромного скопление звезд. Но если смотреть в другие части звездного неба, то видны и другие составляющие, которые расположены вне нашей галактики. Это и ближайшая к нам спиральная галактика Туманность Андромеды, и Магеллановы Облака и многое другое. Ну а что же расположено в самом центре галактики? Там расположен звездный балдж, это такое утолщение в центре галактики, в котором вращается огромное количество старых звезд. С ребра галактика напоминает диск сбоку, а по центре утолщение как у юлы.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

А вот и центр галактики — чёрная дыра Стрелец А. Взято из Яндекс-картинок

Наша галактика наполнена межзвездной пылью и из-за этого идущий свет из центра сильно рассеивается и ослабляется. Тут нас выручают не просто оптические телескопы, а уже такие, которые могут наблюдать участки галактики как в радиодиапазоне, так и в диапазоне рентгеновских, инфракрасных и гамма-лучей. Тут, ближе к центру количество звезд становится еще больше, по сути тут расположен огромный газовый диск. Его радиус 2300 световых лет. Масса же огромна: 100 млн масс Солнца. Еще дальше расположено кольцо из молекулярного водорода. Оно имеет свойство расширяться и вращаться. Его масса 100 тысяч масс Солнца, радиус 480 световых лет. Дальше, в центре этого образования расположен пресловутый центр Млечного Пути — сверхмассивная чёрная дыра.

Что же находится в центре галактики, в которой мы живем Космос, Вселенная, Галактика, Земля, Астрофизика, Астрономия, Космонавтика, Планета Земля, Планета, Млечный путь, Длиннопост

А вот и центр галактики — чёрная дыра Стрелец А. Взято из Яндекс-картинок

Масса этой чёрной дыры составляет больше 4 млн масс Солнца. Диаметр же 44 млн км. К слову, диаметр Солнца — 1 млн 392 тысячи км. Вот такие гигантские размеры у центра нашей галактики. Это не сказки, а реальные обоснованные исследования ученых. Чёрная дыра имеет своё название: Стрелец А. Вокруг же ослепительное свечение и звездные штормы. В общем, много-много яркого света. Вообще, в конце хотелось бы сказать, что если бы не было черной дыры в центре Млечного Пути, то не было бы того гравитационного поля, которое и удерживает всю массу вещества вместе со звездами. Да и мы живем на огромном безопасном для нас расстоянии от этого беспокойного центра, поэтому бояться нам нечего.

Если Вам понравилась статья — поставьте лайк. Будем рады вашей подписке на нашу страницу в Пикабу и сообщество в ВК

Почему гравитация движется со скоростью света?

Если посмотреть на Солнце через 150 миллионов километров космоса, который разделяет наш мир от ближайшей звезды, свет, который вы видите, не показывает Солнце на текущий момент, а каким оно было 8 минут и 20 секунд назад. Это потому что свет движется не мгновенно (а со скоростью света, хаха): его скорость составляет 299 792,458 километра в секунду (подробности этого невероятного факта здесь). Именно такое время нужно свету, чтобы преодолеть путь от фотосферы Солнца до нашей планеты. Но силе тяжести не обязательно нужно вести себя так же; возможно, как предсказывала теория Ньютона, гравитационная сила представляет собой мгновенное явление и ощущается всеми объектами с массой во Вселенной, через все эти огромные космические расстояния, одновременно.

Гравитация

Так ли это в действительности? Если Солнце бы мгновенно исчезло, полетела бы Земля сразу же по прямой линии или же продолжила вращаться вокруг местоположения Солнца в течение еще 8 минут и 20 секунд? По общей теории относительности, ответ ближе ко второму варианту, поскольку не масса определяет гравитацию, а искривление пространства, которое определяется суммой всей материи и энергии в нем. Если бы Солнце исчезло, пространство стало бы не искривленным, а плоским, но эта трансформация была бы не мгновенной. Поскольку пространство-время — это ткань, переход стал бы неким «переливанием», которое отправило бы гигантскую рябь — гравитационные волны — через Вселенную, подобную ряби от брошенного в пруд камня.

Гравитация

Скорость этой ряби определяется так же, как и скорость всего остального в ОТО: ее энергией и массой. Поскольку гравитационные волны не обладают массой, но имеют конечную энергию, они должны двигаться со скоростью света. А это значит, что Земля притягивается не к тому месту, где находится в пространстве Солнце, а к тому, где оно было чуть больше восьми минут назад.

Гравитация

Если бы это была единственная разница между теориями гравитации Эйнштейна и Ньютона, мы немедленно заключили бы, что Эйнштейн ошибался. Орбиты планет так хорошо изучены и так точно и долго записывались (с конца 1500-х!), что если бы гравитация просто притягивала планеты к месту Солнца со скоростью света, предсказанные положения планет сильно не соответствовали бы их актуальному положению. Необходима блестящая логика, чтобы понять, что законы Ньютона требуют невероятной скорости гравитации такой точности, что если бы это было единственное ограничение, скорость гравитации должна была бы быть больше чем в 20 миллиардов раз быстрее скорости света.

Гравитация

Но в ОТО есть еще один кусок головоломки, который имеет большое значение: орбитальная скорость планеты по мере ее движения вокруг Солнца. Земля, например, тоже движется, «покачиваясь» на волнах гравитации и часто опускаясь не там, где поднималась. Налицо два эффекта: скорость каждого объекта влияет на то, как он испытывает силу гравитации, а с ней и изменения в гравитационных полях.

Гравитация

Но что особенно интересно, так это то, что изменения в гравитационном поле при конечной скорости гравитации и эффекты зависимых от скорости взаимодействий почти точно уравновешиваются. Именно неточность этого равновесия позволяет нам определить экспериментально, какая теория соответствует нашей Вселенной: ньютонова модель «бесконечной скорости гравитации» или эйнштейнова модель «скорость гравитации равна скорости света». В теории, мы знаем, что скорость гравитации должна соответствовать скорости света. Но гравитационная сила Солнца слишком слабая, чтобы измерить этот эффект. На самом деле, изменить его очень сложно, поскольку когда нечто движется с постоянной скоростью в постоянном гравитационном поле, никакого наблюдаемого эффекта нет вовсе. В идеале, нам нужна была бы система, в которой массивный объект движется с изменяющейся скорость через меняющееся гравитационное поле. Другими словами, нам нужна система, состоящая из тесной пары вращающихся наблюдаемых останков звезд, хотя бы одна из которых будет нейтронной.

По мере вращения нейтронных звезд, они пульсируют, и эти импульсы видны нам на Земле всякий раз, когда полюс нейтронной звезды проходит через нашу линию визирования. Предсказания теории гравитации Эйнштейна невероятно чувствительны к скорости света, так что с самого первого обнаружения бинарной системы пульсаров в 1980-х годах, PSR1913+16 (Халса-Тейлора), мы свели скорость гравитации до равной скорости света с погрешностью измерения всего в 0,2%.

Конечно, это непрямое измерение. Мы смогли осуществить косвенное измерение другого типа в 2002 году, когда в результате случайного совпадения Земля, Юпитер и очень мощный радиоквазар (QSO J0842+1835) выстроились на одну линию визирования. По мере движения Юпитера между Землей и квазаром, гравитационное искривление Юпитера позволило нам измерить скорость гравитации, исключить бесконечную скорость и определить, что она где-то между 2,55 х 10 8 и 3,81 х 10 8 метров в секунду, что полностью соответствует предсказаниям Эйнштейна.

В идеале, мы могли бы измерить скорость этой ряби напрямую за счет прямого обнаружения гравитационных волн. LIGO нашла первую такую, в конце концов. К сожалению, из-за нашей неспособности правильно триангулировать место рождения этих волн, мы не знаем, с какой стороны они пришли. Рассчитав дистанцию между двумя независимыми детекторами (в Вашингтоне и Луизиане) и измерив разницу во времени прибытия сигнала, мы можем определить, что скорость гравитации соответствует скорости света и определить самые жесткие ограничения по скорости.

Тем не менее, самые жесткие ограничения дают нам косвенные измерения от очень редких систем пульсаров. Лучшие результаты на настоящий момент говорят нам, что скорость гравитации между 2,993 х 10 8 и 3,003 х 10 8 метров в секунду, что прекрасно подтверждает ОТО и ужасно сказывается на альтернативных теориях гравитации (прости, Ньютон).

Свет и гравитация

После того как Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, он понял, что теория была неполной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в ней утверждалось, что никакое физическое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света, а это противоречило теории тяготения Ньютона, согласно которой сила тяжести между удаленными объектами возникает мгновенно. Во-вторых, теория была справедлива только для движения с постоянной скоростью. Поэтому в течение следующих десяти лет Эйнштейн напряженно работал, стараясь сформулировать новую полевую теорию гравитации и распространить свою теорию относительности на движение с ускорением 1 .

Впервые он заметно продвинулся в конце 1907 года, когда работал над большой статьей о теории относительности для научного ежегодника. Как я говорил раньше, мысленный эксперимент со свободно падающим лифтом, в котором находится наблюдатель, привел его к осознанию принципа, гласящего, что локальные эффекты в ускоренной системе и системе, находящейся в гравитационном поле, неразличимы[43].

Человек в закрытом лифте без окон чувствует, что его ноги прижимает к полу, но он не в состоянии сказать, из-за того ли это происходит, что лифт в космическом пространстве ускоренно движется вверх, или из-за того, что лифт находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Если он вынет монетку из кармана и отпустит ее, она в обоих случаях будет падать на пол с ускорением. А человек, который плавает в невесомости в закрытом лифте, не будет знать, парит ли он потому, что лифт находится в свободном падении, или потому, что завис в невесомости в космическом пространстве 2 .

Эти соображения привели Эйнштейна к формулировке “принципа эквивалентности”, которым он будет руководствоваться, когда будет работать и над созданием теории гравитации, и над обобщением специальной теории относительности. “Я понял, что смогу продолжить или обобщить принцип относительности, распространив его на движение в ускоренных системах, а не только в тех, которые движутся с постоянной скоростью, – позже пояснил он, – и считал, что таким образом я одновременно буду в состоянии решить проблему гравитации”.

Он понял, что так же, как эквивалентны инертная и гравитационная массы, эквивалентны и все инерционные и гравитационные эффекты, например “поле ускорения” [44] и гравитационное поле. Он понял, что все они – проявления одного и того же явления, которое мы сейчас иногда называем инерционно-гравитационным полем 3 .

Как заметил Эйнштейн, одним из следствий этой эквивалентности является то, что гравитация должна искривить световой луч. Это легко показать, используя мысленный эксперимент с лифтом. Представьте себе, что лифт ускоренно движется вверх, а лазерный луч входит через небольшое отверстие в одной из стенок. К тому времени, как он достигнет противоположной стены, пятно окажется немного ближе к полу, поскольку лифт продвинулся вверх. Если бы вы нарисовали его траекторию при движении через кабину лифта, она оказалась бы изогнутой из-за ускоренного движения лифта вверх. Принцип эквивалентности требует, чтобы этот эффект был одинаковым, когда лифт движется ускоренно вверх и когда он находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Таким образом, при прохождении через гравитационное поле луч света должен казаться искривленным.

За почти четыре года, прошедшие после формулировки этого принципа, Эйнштейн не очень продвинулся в этом направлении, поскольку его отвлекла проблема световых квантов, и тогда он сосредоточился в основном на ней. Но в 1911 году он признался Мишелю Бессо, что устал заниматься квантами и опять вернулся к теории гравитационного поля, которая должна помочь ему обобщить теорию относительности. Решение этой проблемы заняло у него еще почти четыре года, и кульминацией этих усилий стало создание гениальной теории в ноябре 1915 года.

В статье “О влиянии силы тяжести на распространение света”, которую он послал в Annalen der Physik в июне 1911 года, он вернулся к своей идее 1907 года и сформулировал ее в виде строгого принципа. “В статье, опубликованной четыре года назад, мы уже пытались ответить на вопрос, влияет ли тяготение на распространение света, – начал он. – Мы теперь еще раз убедились в том, что один из самых важных выводов указанной работы поддается экспериментальной проверке”[45]. В процессе вычислений Эйнштейн предсказывает величину отклонения света, проходящего вблизи Солнца, его гравитационным полем: “Луч света, проходя мимо Солнца, будет отклоняться на 0,83 угловой (дуговой) секунды”[46].

И на этот раз он формулировал теорию из первых принципов и постулатов, а затем, пользуясь уравнениями этой теории, вычислял значения некоторых характеристик, которые экспериментаторы могли бы проверить в своих опытах. Как и прежде, он закончил свою статью рекомендацией поставить эксперимент: “Так как звезды в соседней с Солнцем области неба становятся видимыми при полных солнечных затмениях, это следствие теории можно сравнить с опытом. Было бы очень желательно, чтобы астрономы поставили такой эксперимент” [47] 4 .

Эрвин Финлей Фрейндлих, молодой астроном из Берлинской университетской обсерватории, прочитал статью и загорелся идеей провести описанный эксперимент. Но это невозможно было сделать до тех пор, пока не произойдет затмение и не будет виден свет от звезд, расположенных вблизи Солнца, а подходящего затмения не предвиделось еще три года.

Тогда Фрейндлих предложил попытаться измерить отклонение света звезд, вызванное гравитационным полем Юпитера. Увы, Юпитер оказался недостаточно тяжелым для решения этой задачи. “Если бы только у нас имелась гораздо большая планета, чем Юпитер! – пошутил Эйнштейн в письме Фрейндлиху в конце этого лета. – Но природа не считает нужным облегчать нам работу по открытию ее законов” 5 .

Теория, согласно которой световые лучи могут искривляться, поставила некоторые интересные вопросы. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется по прямой линии. Плотники и строители сейчас используют лазерные уровни для проведения прямых линий при строительстве домов. Если лучи света искривляются при прохождении через области изменяющегося гравитационного поля, как можно определить прямую линию?

Траекторию светового луча, проходящего через меняющееся гравитационное поле, можно представить в виде линии, проведенной на сфере или деформированной поверхности. В этом случае самым коротким путем между двумя точками окажется кривая линия – например, геодезическая, которая на нашей планете представляет собой большую дугу или большую окружность. Возможно, искривление луча света означает, что ткань пространства, через которое проходит световой луч, изгибается под действием силы тяжести. Кратчайший путь через область пространства, деформированную вследствие гравитации, может оказаться довольно сильно отличающимся от прямых линий в евклидовой геометрии.

Появился еще один намек на то, что, возможно, понадобится новый тип геометрии. Эйнштейну это стало очевидно, когда он рассмотрел случай вращающегося диска. Когда диск вращается, с точки зрения наблюдателя, не участвующего в движении, длина окружности, которую он описывает, сокращается в направлении его движения. Диаметр окружности, однако, не претерпевает никаких сокращений. Таким образом, отношение длины окружности диска к ее диаметру уже не будет равно п. В таких случаях евклидова геометрия неприменима.

Вращательное движение является одной из форм движения с ускорением, так как в каждый момент времени точка на окружности претерпевает изменение направления движения, а это значит, что направление ее скорости изменяется (то есть возникает ускорение). В соответствии с принципом эквивалентности, поскольку для описания этого типа ускорения требуется неевклидова геометрия, она же должна описывать и гравитацию 6 .

К сожалению, как видно по результатам экзаменов Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, в неевклидовой геометрии он был не слишком силен. К счастью, в Цюрихе у него нашелся старый друг и одноклассник, который как раз хорошо ее знал.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Что такое гравитация и как она работает

Что такое гравитация и как она работает

Гравитация является одной из базовых сил Вселенной. Она присутствует в каждом моменте нашей жизни, держит нас рядом с Землей, позволяет использовать инструменты и взаимодействовать с предметами. Гравитация оказывает непосредственное влияние на наше тело и играет очень важную роль в нашем существовании. Рассказываем что это такое и как она работает.

Поделиться

От коллапса водородных облаков у звезды до склеивания галактик – гравитация является одной из немногих сил, которые определяют эволюцию Вселенной.

В некотором смысле история гравитации – это также история физики, где некоторые из самых громких имен в этой области прославились, определив силу, руководившую их жизнью. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила все еще лежит в основе некоторых величайших тайн физики.

Каждый день на нас действуют четыре фундаментальных силы. Сильное взаимодействие и слабое взаимодействие действуют только внутри центров атомов. Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны и протоны), а гравитация управляет объектами с массой.

Первые три силы в значительной степени избегали внимания человечества до последних веков, но люди давно размышляли о действующей на все гравитации, от капель дождя до пушечных ядер.

Исследование гравитации

Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественно движутся к земле, но Исааку Ньютону понадобилась проницательность, чтобы поднять гравитацию из непостижимой тенденции объектов в измеримое и предполагаемое явление.

Эпоха Ньютона

Скачок Ньютона, который стал известным в его трактате 1687 года «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», заключался в том, чтобы понять, что каждый объект во Вселенной – от песчинки до величайших звезд – притягивает любой другой объект. Это понятие объединило события, казавшиеся несвязанными, от падающих на Землю яблок до планет, вращающихся вокруг Солнца.

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон / Фото google

Он также определил числа для тяготения: удвоение массы одного объекта делает его тяготение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное тяготение в четыре раза. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы выявить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, описываемый орбитой Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем предполагала теория Ньютона, которая подразумевает небольшое несоответствие между его законом и законами природы. В конце концов загадка была решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году.

Эпоха Эйнштейна

До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как рассчитать гравитационное тяготение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все остальные с мгновенной и бесконечно дальновидной силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна довольствовались этим. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может передвигаться мгновенно и гравитация не должна быть исключением.

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн / Фото google

Согласно Стэнфордской энциклопедии философии, на протяжении веков физики рассматривали пространство как пустую структуру, на фоне которой разыгрывались события. Оно было абсолютным, неизменным и не существовало – ни в каком физическом смысле – на самом деле. Общая теория относительности превратила пространство и время из статического фона в субстанцию, в нечто схожее с воздухом в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной и что этот «пространственно-временный» материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться – притягивая все за собой.

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени рождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такая как Земля или Солнце, искривляет пространство вокруг себя, как скала меняет течение реки. Когда другие объекты двигаются поблизости, они следуют за искривлением пространства, как лист дерева следует за водоворотом вокруг скалы (хотя эта метафора не идеальна, потому что по крайней мере в случае планет, которые вращаются вокруг Солнца, пространство-время не «течет»). Мы видим, как планеты вращаются, а яблоки падают, потому что они направляются сквозь искаженную форму Вселенной.

Гравитация

Гравитация космических тел влияет на материю пространства-времени / Фото physicsworld

Уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, иллюстрирующих, как материя и энергия деформируют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказал изменения орбиты Меркурия, а также отклонение звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает, как взаимодействуют массы, что стало инструкцией для космических открытий.

Современная эпоха

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметили в 1960-х годах, что галактики, кажется, вращаются достаточно быстро, чтобы образовать звезды, как собака стряхивает с себя воду. Но поскольку галактики, которые они изучали, не крутились, казалось, что-то помогает им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубин и Форда предоставили веские доказательства в поддержку ранней теории швейцарского астронома Фрица Цвикки, выдвинутой в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в ближайшем скоплении.

Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная «темная материя» искажает пространство-время настолько, что галактики и скопления галактик остаются нетронутыми. Другие, однако, задают вопрос, может ли сама гравитация притягивать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.

Изменения в общей теории относительности должны быть действительно тонкими, поскольку недавно исследователи начали выявлять один из тончайших прогнозов теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в космосе.

Новая эра астрономии

С 2016 года исследовательское сотрудничество, которое управляет тремя детекторами в США и Европе, измерило многочисленные гравитационные волны, проходящие через Землю. На подходе новые детекторы, открывающие новую эру астрономии, в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды – не по их свету, излучаемому ими, а по тому, как они влияют на ткань пространства при столкновении.

Гравитационные волны

Гравитационные волны / Фото NASA

Тем не менее, ряд экспериментальных успехов общей теории относительности (ОТВ) свидетельствует о ее несовершенстве, которое многие физики считают фатальной теоретической неудачей. Дело в том, что ОТВ описывает классическое пространство-время, тогда как Вселенная оказывается квантовой или состоит из частиц (или «квантов»), таких как кварки и электроны.

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единственной гладкой ткани противоречит квантовой картине Вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить стандартную модель физики элементарных частиц, которая охватывает все известные частицы, а также три других фундаментальных взаимодействия (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы охватить пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одной из главных задач. Поэтому самые глубокие загадки современной физики нам еще предстоит разгадать.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *