Powaga

W przypadku innych zastosowań zobacz Grawitacja (ujednoznacznienie) .

„Grawitacja” i „Prawo grawitacji” przekierowują tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz Grawitacja (ujednoznacznienie) i Prawo grawitacji (ujednoznacznienie) .

Gwiazdy z trzech masywnych galaktyk ( UGC 6945 ) są przyciągane przez grawitację.

W fizyce grawitacja (z łac. gravitas 'waga') jest fundamentalną interakcją , która powoduje wzajemne przyciąganie się wszystkich rzeczy posiadających masę lub energię . Grawitacja jest zdecydowanie najsłabszym z czterech podstawowych oddziaływań, około 10 ³⁸ razy słabszym niż oddziaływanie silne , 10 ³⁶ razy słabszym niż oddziaływanie elektromagnetyczne i 10 ²⁹ razy słabszym niż oddziaływanie słaba interakcja . W rezultacie nie ma istotnego wpływu na poziomie cząstek subatomowych . Jednak grawitacja jest najbardziej znaczącą interakcją między obiektami w skali makroskopowej i determinuje ruch planet , gwiazd , galaktyk , a nawet światła .

Na Ziemi grawitacja nadaje ciężar przedmiotom fizycznym , a grawitacja Księżyca jest odpowiedzialna za przypływy podksiężycowe w oceanach (odpowiednie przypływy na antypodach są spowodowane bezwładnością Ziemi i Księżyca krążących wokół siebie). Grawitacja pełni również wiele ważnych funkcji biologicznych, pomagając kierować wzrostem roślin w procesie grawitropizmu i wpływając na obieg płynów w organizmach wielokomórkowych . Badanie skutków stanu nieważkości wykazało, że grawitacja może odgrywać rolę w funkcjonowaniu układu odpornościowego i różnicowaniu komórek w organizmie człowieka.

Przyciąganie grawitacyjne między pierwotną materią gazową we wszechświecie pozwoliło jej łączyć się i tworzyć gwiazdy , które ostatecznie skondensowały się w galaktyki, więc grawitacja jest odpowiedzialna za wiele wielkoskalowych struktur we wszechświecie. Grawitacja ma nieskończony zasięg, chociaż jej efekty stają się słabsze, gdy obiekty oddalają się.

Grawitację najdokładniej opisuje ogólna teoria względności (zaproponowana przez Alberta Einsteina w 1915 r. ) , która opisuje grawitację nie jako siłę, ale jako zakrzywienie czasoprzestrzeni , spowodowane nierównomiernym rozkładem masy i powodujące ruch mas wzdłuż geodezyjnego linie. Najbardziej ekstremalnym przykładem tego zakrzywienia czasoprzestrzeni jest czarna dziura , z której nic – nawet światło – nie może uciec, gdy przekroczy horyzont zdarzeń czarnej dziury . Jednak w przypadku większości zastosowań grawitacja jest dobrze przybliżona przez Prawo powszechnego ciążenia Newtona , które opisuje grawitację jako siłę przyciągającą dowolne dwa ciała do siebie, z wielkością proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi:

$${\ Displaystyle F = G {\ Frac {m_ {1} m_ {2}} {r ^ {2}}},}$$

gdzie F to siła, m ₁ i m ₂ to masy oddziałujących obiektów, r to odległość między środkami mas, a G to stała grawitacji .

Obecne modele fizyki cząstek elementarnych sugerują, że najwcześniejszy przypadek grawitacji we Wszechświecie, prawdopodobnie w postaci grawitacji kwantowej , supergrawitacji lub osobliwości grawitacyjnej , wraz ze zwykłą przestrzenią i czasem , rozwinął się w epoce Plancka (do 10-43 ^sekund po narodziny wszechświata), prawdopodobnie ze stanu pierwotnego, takiego jak fałszywa próżnia , próżnia kwantowa lub cząstka wirtualna , w nieznany dotąd sposób. Naukowcy pracują obecnie nad opracowaniem teorii grawitacji zgodnej z mechaniką kwantową , kwantowej teorii grawitacji, która umożliwiłaby połączenie grawitacji we wspólną strukturę matematyczną (teorię wszystkiego ) z pozostałymi trzema podstawowymi oddziaływaniami fizycznymi.

Definicje

Grawitacja to wzajemne przyciąganie się wszystkich mas we wszechświecie, znane również jako przyciąganie grawitacyjne. Grawitacja to przyciąganie grawitacyjne na powierzchni planety lub innego ciała niebieskiego.

Historia

Osobny artykuł: Historia teorii grawitacji

Świat starożytny

Naturę i mechanizm grawitacji badało wielu starożytnych uczonych. W Grecji Arystoteles wierzył , że przedmioty spadają na Ziemię, ponieważ Ziemia jest centrum Wszechświata i przyciąga do siebie całą masę we Wszechświecie. Uważał również, że prędkość spadającego obiektu powinna rosnąć wraz z jego ciężarem, co później okazało się fałszywe. Chociaż pogląd Arystotelesa był powszechnie akceptowany w całej starożytnej Grecji, byli inni myśliciele, tacy jak Plutarch , którzy słusznie przewidzieli, że przyciąganie grawitacyjne nie jest unikalne dla Ziemi.

Chociaż nie rozumiał grawitacji jako siły, starożytny grecki filozof Archimedes odkrył środek ciężkości trójkąta. Postulował również, że gdyby dwa równe ciężarki nie miały tego samego środka ciężkości, środek ciężkości obu ciężarków razem znajdowałby się pośrodku linii łączącej ich środki ciężkości. Dwa wieki później rzymski inżynier i architekt Witruwiusz twierdził w swoim De architectura że grawitacja nie zależy od ciężaru substancji, ale raczej od jej „natury”. W VI wieku n.e. bizantyjski uczony aleksandryjski Jan Filoponus zaproponował teorię impetu, która modyfikuje teorię Arystotelesa, że ​​„kontynuacja ruchu zależy od ciągłego działania siły”, poprzez włączenie siły sprawczej, która maleje z czasem.

W Indiach matematyk-astronom Aryabhata po raz pierwszy zidentyfikował grawitację, aby wyjaśnić, dlaczego obiekty nie są odpychane od Ziemi przez siłę odśrodkową obrotu planety . Później, w VII wieku n.e., Brahmagupta zaproponował ideę, że grawitacja jest siłą przyciągającą, która przyciąga przedmioty na Ziemię i użył terminu gurutvākarṣaṇ , aby to opisać.

Na starożytnym Bliskim Wschodzie grawitacja była tematem zaciekłej debaty. Perski intelektualista Al-Biruni uważał, że siła grawitacji nie jest unikalna dla Ziemi, i słusznie założył, że inne ciała niebieskie również powinny wywierać przyciąganie grawitacyjne. W przeciwieństwie do tego, Al-Khazini zajmował to samo stanowisko co Arystoteles, że cała materia we Wszechświecie jest przyciągana do środka Ziemi.

Krzywa Wieża w Pizie , gdzie według legendy Galileo przeprowadził eksperyment dotyczący prędkości spadających obiektów

Rewolucja naukowa

Główny artykuł: rewolucja naukowa

W połowie XVI wieku różni europejscy naukowcy eksperymentalnie obalili pogląd Arystotelesa , że ​​cięższe przedmioty spadają szybciej. W szczególności hiszpański dominikanin Domingo de Soto napisał w 1551 r., że ciała spadające swobodnie przyspieszają jednostajnie . De Soto mógł być pod wpływem wcześniejszych eksperymentów przeprowadzonych przez innych księży dominikanów we Włoszech, w tym Benedetto Varchi , Francesco Beato, Luca Ghini i Giovan Bellaso co było sprzeczne z naukami Arystotelesa o upadku ciał. Giambattista Benedetti , włoski fizyk z połowy XVI wieku, opublikował artykuły, w których twierdził, że z powodu ciężaru właściwego przedmioty wykonane z tego samego materiału, ale o różnej masie spadałyby z tą samą prędkością. Podczas eksperymentu z wieżą w Delft z 1586 r. flamandzki fizyk Simon Stevin zauważył, że dwie kule armatnie o różnych rozmiarach i ciężarze spadały z tą samą prędkością po upuszczeniu z wieży. Wreszcie pod koniec XVI wieku Galileo Galilei Dokładne pomiary piłek toczących się po pochyłościach pozwoliły mu stanowczo ustalić, że przyspieszenie grawitacyjne jest takie samo dla wszystkich obiektów. Galileo postulował, że opór powietrza jest przyczyną wolniejszego spadania obiektów o małej gęstości i dużej powierzchni w atmosferze.

W 1604 roku Galileusz słusznie postawił hipotezę, że odległość spadającego przedmiotu jest proporcjonalna do kwadratu czasu , który upłynął. Zostało to później potwierdzone przez włoskich naukowców jezuitów Grimaldi i Riccioli w latach 1640-1650. Obliczyli również wielkość grawitacji Ziemi , mierząc oscylacje wahadła.

Teoria grawitacji Newtona

Główny artykuł: Prawo powszechnego ciążenia Newtona

Angielski fizyk i matematyk, Sir Isaac Newton (1642–1727)

Edmondowi Halleyowi rękopis zatytułowany De motu corporum in gyrum („O ruchu ciał na orbicie”) , który dostarczył fizycznego uzasadnienia praw ruchu planet Keplera . Halley był pod wrażeniem rękopisu i namawiał Newtona do rozwinięcia go, a kilka lat później Newton opublikował przełomową książkę zatytułowaną Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( Matematyczne zasady filozofii naturalnej ). W tej książce Newton opisał grawitację jako siłę uniwersalną i stwierdził, że „siły, które utrzymują planety w ich orbitach, muszą [być] wzajemnie równe kwadratom ich odległości od centrów, wokół których się obracają”. To stwierdzenie zostało później skondensowane do następującego prawa odwrotnych kwadratów:

$${\ Displaystyle F = G {\ Frac {m_ {1} m_ {2}} {r ^ {2}}},}$$

gdzie F to siła, m ₁ i m ₂ to masy oddziałujących obiektów, r to odległość między środkami mas, a G to stała grawitacji 6,674 × 10 ⁻¹¹ m ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅s ⁻² .

Principia Newtona zostały dobrze przyjęte przez społeczność naukową, a jego prawo grawitacji szybko rozprzestrzeniło się na cały świat europejski. Ponad sto lat później, w 1821 roku, jego teoria grawitacji zyskała jeszcze większe znaczenie, kiedy wykorzystano ją do przewidzenia istnienia Neptuna . W tym roku francuski astronom Alexis Bouvard wykorzystał tę teorię do stworzenia tabeli modelującej orbitę Urana , która okazała się znacznie różnić od rzeczywistej trajektorii planety. Aby wyjaśnić tę rozbieżność, wielu astronomów spekulowało, że poza orbitą Urana może znajdować się duży obiekt, który zakłóca jego orbitę. W 1846 roku astronomowie John Couch Adams i Urbain Le Verrier niezależnie wykorzystali prawo Newtona do przewidzenia położenia Neptuna na nocnym niebie, a planetę odkryto tam w ciągu jednego dnia.

Ogólna teoria względności

Zobacz też: Wprowadzenie do ogólnej teorii względności

W końcu astronomowie zauważyli ekscentryczność orbity planety Merkury , której nie można było wyjaśnić teorią Newtona: peryhelium orbity zwiększało się o około 42,98 sekundy kątowej na stulecie. Najbardziej oczywistym wyjaśnieniem tej rozbieżności było jeszcze nieodkryte ciało niebieskie (takie jak planeta krążąca wokół Słońca nawet bliżej niż Merkury), ale wszelkie próby znalezienia takiego ciała okazały się bezowocne. Wreszcie w 1915 roku Albert Einstein opracował ogólną teorię względności który był w stanie dokładnie modelować orbitę Merkurego.

W ogólnej teorii względności skutki grawitacji przypisuje się zakrzywieniu czasoprzestrzeni , a nie sile. Einstein zaczął bawić się tym pomysłem w postaci zasady równoważności , odkrycia, które później opisał jako „najszczęśliwszą myśl w moim życiu”. W tej teorii swobodny spadek jest uważany za równoważny ruchowi bezwładnościowemu, co oznacza, że ​​swobodnie spadające obiekty bezwładne są przyspieszane względem nieinercyjnych obserwatorów na ziemi. W przeciwieństwie do fizyki Newtona , Einstein wierzył, że to przyspieszenie może wystąpić bez przyłożenia do obiektu żadnej siły.

Einstein zaproponował, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiona przez materię, a swobodnie spadające obiekty poruszają się lokalnie po prostych ścieżkach w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Te proste ścieżki nazywane są geodezyjnymi . Podobnie jak w przypadku pierwszego prawa dynamiki Newtona, Einstein wierzył, że siła przyłożona do obiektu spowoduje jego odchylenie od geodezji. Na przykład ludzie stojący na powierzchni Ziemi nie mogą podążać ścieżką geodezyjną, ponieważ opór mechaniczny Ziemi wywiera na nich siłę skierowaną do góry. To wyjaśnia, dlaczego poruszanie się wzdłuż geodezji w czasoprzestrzeni jest uważane za bezwładne.

Opis grawitacji Einsteina został szybko zaakceptowany przez większość fizyków, ponieważ był w stanie wyjaśnić szeroką gamę wcześniej zaskakujących wyników eksperymentów. W nadchodzących latach szeroki zakres eksperymentów dostarczył dodatkowego wsparcia idei ogólnej teorii względności. Obecnie teoria względności Einsteina jest używana do wszystkich obliczeń grawitacyjnych, w których wymagana jest absolutna precyzja, chociaż prawo Newtona dotyczące odwrotnych kwadratów nadal jest użytecznym i dość dokładnym przybliżeniem.

Nowoczesne badania

We współczesnej fizyce ogólna teoria względności pozostaje ramą dla zrozumienia grawitacji. Fizycy nadal pracują nad znalezieniem rozwiązań równań pola Einsteina , które stanowią podstawę ogólnej teorii względności, podczas gdy niektórzy naukowcy spekulują, że ogólna teoria względności może w ogóle nie mieć zastosowania w niektórych scenariuszach.

Równania pola Einsteina

Równania pola Einsteina to układ 10 równań różniczkowych cząstkowych opisujących wpływ materii na zakrzywienie czasoprzestrzeni. System jest często wyrażany w formie

$${\ Displaystyle G _ {\ mu \ nu} + \ Lambda g _ {\ mu \ nu} = \ kappa T_ {\ mu \ nu},}$$

gdzie G _μν to tensor Einsteina , g _μν to tensor metryczny , T _μν to tensor energii naprężenia , Λ to stała kosmologiczna , to $}$ stała grawitacji i $\ displaystyle c$ { prędkość światła . Stała ${\ Displaystyle \ kappa = {\ frac {8 \ pi G} {c ^ {4}}}}$ jest określany jako stała grawitacji Einsteina.

Ilustracja metryki Schwarzschilda, która opisuje czasoprzestrzeń wokół kulistego, nienaładowanego i nieobrotowego obiektu o masie

Głównym obszarem badań jest odkrycie dokładnych rozwiązań równań pola Einsteina. Rozwiązanie tych równań sprowadza się do obliczenia dokładnej wartości tensora metrycznego (który określa krzywiznę i geometrię czasoprzestrzeni) w określonych warunkach fizycznych. Nie ma formalnej definicji tego, co składa się na takie rozwiązania, ale większość naukowców zgadza się, że powinny one być wyrażalne za pomocą funkcji elementarnych lub liniowych równań różniczkowych . Niektóre z najbardziej godnych uwagi rozwiązań równań obejmują:

• Rozwiązanie Schwarzschilda , które opisuje czasoprzestrzeń otaczającą sferycznie symetryczny, nieobrotowy, nienaładowany , masywny obiekt. W przypadku wystarczająco zwartych obiektów to rozwiązanie wygenerowało czarną dziurę z centralną osobliwością . W punktach oddalonych od masy centralnej przyspieszenia przewidziane przez rozwiązanie Schwarzschilda są praktycznie identyczne z przewidywanymi przez teorię grawitacji Newtona.
• Reissnera -Nordströma , które analizuje nieobrotowy sferycznie symetryczny obiekt z ładunkiem i zostało niezależnie odkryte przez kilku różnych badaczy w latach 1916-1921. W niektórych przypadkach to rozwiązanie może przewidzieć istnienie czarnych dziur z podwójnymi horyzontami zdarzeń .
• Rozwiązanie Kerra , które uogólnia rozwiązanie Schwarzchilda na obracające się masywne obiekty. Ze względu na trudność uwzględnienia efektów rotacji w równaniach pola Einsteina rozwiązanie to zostało odkryte dopiero w 1963 roku.
• Kerra -Newmana dla naładowanych, obracających się masywnych obiektów. To rozwiązanie zostało wyprowadzone w 1964 roku przy użyciu tej samej techniki transformacji zespolonych współrzędnych, która została użyta w rozwiązaniu Kerra.
• Kosmologiczne rozwiązanie Friedmanna – Lemaître – Robertsona – Walkera , odkryte w 1922 roku przez Alexandra Friedmanna , a następnie potwierdzone w 1927 roku przez Georgesa Lemaître'a . Rozwiązanie to było rewolucyjne w przewidywaniu ekspansji Wszechświata , co zostało potwierdzone siedem lat później po serii pomiarów dokonanych przez Edwina Hubble'a . Pokazała nawet, że ogólna teoria względności jest niezgodna ze statycznym wszechświatem , a Einstein później przyznał, że popełnił błąd, projektując swoje równania pola, aby wyjaśnić Wszechświat, który się nie rozszerzał.

Obecnie pozostaje wiele ważnych sytuacji, w których równania pola Einsteina nie zostały rozwiązane. Najważniejszym z nich jest problem dwóch ciał , który dotyczy geometrii czasoprzestrzeni wokół dwóch oddziałujących na siebie masywnych obiektów (takich jak Słońce i Ziemia lub dwie gwiazdy w układzie podwójnym ) . Sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana, gdy weźmiemy pod uwagę interakcje trzech lub więcej masywnych ciał („ n -problem ciała"), a niektórzy naukowcy podejrzewają, że równania pola Einsteina nigdy nie zostaną rozwiązane w tym kontekście. Jednak nadal możliwe jest skonstruowanie przybliżonego rozwiązania równań pola w problemie n-ciał za pomocą techniki post -Rozwinięcie Newtona Ogólnie rzecz biorąc, ekstremalna nieliniowość równań pola Einsteina utrudnia ich rozwiązanie we wszystkich przypadkach, z wyjątkiem najbardziej specyficznych.

Grawitacja i mechanika kwantowa

Główne artykuły: Grawiton i grawitacja kwantowa

Pomimo sukcesu w przewidywaniu skutków grawitacji w dużych skalach, ogólna teoria względności jest ostatecznie niezgodna z mechaniką kwantową . Dzieje się tak, ponieważ ogólna teoria względności opisuje grawitację jako płynne, ciągłe zniekształcenie czasoprzestrzeni, podczas gdy mechanika kwantowa utrzymuje, że wszystkie siły powstają w wyniku wymiany dyskretnych cząstek zwanych kwantami . Ta sprzeczność jest szczególnie irytująca dla fizyków, ponieważ pozostałe trzy podstawowe siły (oddziaływanie silne, oddziaływanie słabe i elektromagnetyzm) zostały pogodzone z ramami kwantowymi dziesiątki lat temu. W rezultacie współcześni badacze zaczęli szukać teorii, która mogłaby połączyć grawitację i mechanikę kwantową w bardziej ogólne ramy.

Jednym ze sposobów jest opisanie grawitacji w ramach kwantowej teorii pola , której udało się dokładnie opisać inne podstawowe oddziaływania . Siła elektromagnetyczna powstaje w wyniku wymiany wirtualnych fotonów , gdzie według opisu QFT grawitacja zachodzi wymiana wirtualnych grawitonów . Ten opis odtwarza ogólną teorię względności w klasycznej granicy . Jednak to podejście zawodzi na krótkich odległościach rzędu długości Plancka , gdzie pełniejsza teoria grawitacji kwantowej (lub nowe podejście do mechaniki kwantowej).

Testy ogólnej teorii względności

Testowanie przewidywań ogólnej teorii względności było historycznie trudne, ponieważ są one prawie identyczne z przewidywaniami newtonowskiej grawitacji dla małych energii i mas. Mimo to, od czasu jej opracowania, ciągła seria wyników eksperymentów zapewniła wsparcie dla tej teorii:

Całkowite zaćmienie Słońca w 1919 roku było jedną z pierwszych okazji do sprawdzenia przewidywań ogólnej teorii względności.

• W 1919 roku brytyjski astrofizyk Arthur Eddington był w stanie potwierdzić przewidywane soczewkowanie grawitacyjne światła podczas tegorocznego zaćmienia Słońca . Zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Eddington zmierzył odchylenia światła gwiazd dwa razy większe od przewidywanych przez newtonowską teorię korpuskularną. Chociaż analiza Eddingtona została później zakwestionowana, eksperyment ten rozsławił Einsteina niemal z dnia na dzień i spowodował, że ogólna teoria względności stała się powszechnie akceptowana w społeczności naukowej.
• W 1959 roku amerykańscy fizycy Robert Pound i Glen Rebka przeprowadzili eksperyment , w którym wykorzystali promienie gamma do potwierdzenia przewidywania grawitacyjnej dylatacji czasu . Wysyłając promienie w dół 74-metrowej wieży i mierząc ich częstotliwość na dole, naukowcy potwierdzili, że światło jest przesunięte ku czerwieni , gdy zbliża się do źródła grawitacji. Zaobserwowane przesunięcie ku czerwieni potwierdziło również pogląd, że czas biegnie wolniej w obecności pola grawitacyjnego.
• Opóźnienie czasowe światła przechodzącego blisko masywnego obiektu zostało po raz pierwszy zidentyfikowane przez Irwina I. Shapiro w 1964 roku w sygnałach międzyplanetarnych statków kosmicznych.
• W 1971 roku naukowcy odkryli pierwszą w historii czarną dziurę w galaktyce Łabędzia . Czarna dziura została wykryta, ponieważ emitowała impulsy promieniowania rentgenowskiego, pochłaniając mniejszą gwiazdę, i stała się znana jako Cygnus X-1 . Odkrycie to potwierdziło kolejną prognozę ogólnej teorii względności, ponieważ równania Einsteina sugerowały, że światło nie może uciec z wystarczająco dużego i zwartego obiektu.
• Ogólna teoria względności mówi, że grawitacja działa w równym stopniu na światło i materię, co oznacza, że ​​wystarczająco masywny obiekt może zakrzywić światło wokół niego i stworzyć soczewkę grawitacyjną . Zjawisko to zostało po raz pierwszy potwierdzone obserwacjami przeprowadzonymi w 1979 roku za pomocą 2,1-metrowego teleskopu w Kitt Peak National Observatory w Arizonie, który dostrzegł dwa lustrzane odbicia tego samego kwazara, którego światło zostało zagięte wokół galaktyki YGKOW G1 .
• Przeciąganie klatek , pomysł, że obracający się masywny obiekt powinien zakręcać wokół siebie czasoprzestrzeń, został potwierdzony przez wyniki Gravity Probe B w 2011 roku.
• W 2015 roku obserwatorium LIGO wykryło słabe fale grawitacyjne , których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Naukowcy uważają, że fale pochodziły z połączenia czarnych dziur , które miało miejsce 1,5 miliarda lat świetlnych stąd.

Specyfika

Grawitacja Ziemi

Początkowo nieruchomy obiekt, który może swobodnie spadać pod wpływem grawitacji, spada na odległość proporcjonalną do kwadratu czasu, który upłynął. Ten obraz rozciąga się na pół sekundy i został zarejestrowany z szybkością 20 błysków na sekundę.

Główny artykuł: Grawitacja Ziemi

Każde ciało planetarne (w tym Ziemia) jest otoczone własnym polem grawitacyjnym, które można przedstawić za pomocą fizyki newtonowskiej jako wywierające przyciągającą siłę na wszystkie obiekty. Zakładając sferycznie symetryczną planetę, siła tego pola w dowolnym punkcie nad powierzchnią jest proporcjonalna do masy ciała planetarnego i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od środka ciała.

Gdyby obiekt o masie porównywalnej z masą Ziemi spadł w jego kierunku, można by zaobserwować odpowiednie przyspieszenie Ziemi.

Siła pola grawitacyjnego jest liczbowo równa przyspieszeniu obiektów pod jego wpływem. Szybkość przyspieszania spadających obiektów w pobliżu powierzchni Ziemi różni się bardzo nieznacznie w zależności od szerokości geograficznej, cech powierzchni, takich jak góry i grzbiety, oraz być może niezwykle dużej lub niskiej gęstości podpowierzchniowej. Dla celów miar i wag standardowa wartość grawitacji jest zdefiniowana przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag w ramach Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI).

Siła grawitacji na Ziemi jest wypadkową (suma wektorów) dwóch sił: (a) przyciągania grawitacyjnego zgodnie z powszechnym prawem ciążenia Newtona oraz (b) siły odśrodkowej, która wynika z wyboru ziemskiej, obracającej się ramy Odniesienia. Siła grawitacji jest najsłabsza na równiku ze względu na siłę odśrodkową spowodowaną ruchem obrotowym Ziemi oraz ponieważ punkty na równiku znajdują się najdalej od środka Ziemi. Siła grawitacji zmienia się wraz z szerokością geograficzną i wzrasta od około 9,780 m/s ² na równiku do około 9,832 m/s ² na biegunach. Kanadyjska Zatoka Hudsona ma mniejszą grawitację niż jakiekolwiek miejsce na Ziemi.

Pochodzenie

Najwcześniejsza grawitacja (prawdopodobnie w postaci grawitacji kwantowej, supergrawitacji lub osobliwości grawitacyjnej ), wraz ze zwykłą przestrzenią i czasem, rozwinęła się w epoce Plancka (do 10-43 ^sekund po narodzinach Wszechświata), prawdopodobnie od pierwotnego stanu (takiego jak fałszywa próżnia , próżnia kwantowa lub cząstka wirtualna ) w obecnie nieznany sposób.

Promieniowanie grawitacyjne

LIGO Hanford zlokalizowane w Waszyngtonie w Stanach Zjednoczonych, gdzie po raz pierwszy zaobserwowano fale grawitacyjne we wrześniu 2015 r .

Główny artykuł: Fala grawitacyjna

Ogólna teoria względności przewiduje, że energia może być transportowana z układu poprzez promieniowanie grawitacyjne. Pierwszym pośrednim dowodem na promieniowanie grawitacyjne były pomiary układu podwójnego Hulse-Taylor w 1973 r. Układ ten składa się z pulsara i gwiazdy neutronowej krążących wokół siebie. Jego okres orbitalny zmniejszył się od czasu jego pierwszego odkrycia z powodu utraty energii, co jest zgodne z ilością strat energii spowodowanych promieniowaniem grawitacyjnym. Badania te zostały nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 roku.

Pierwszy bezpośredni dowód na promieniowanie grawitacyjne został zmierzony 14 września 2015 r. przez detektory LIGO . Zmierzono fale grawitacyjne emitowane podczas zderzenia dwóch czarnych dziur 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Ta obserwacja potwierdza teoretyczne przewidywania Einsteina i innych, że takie fale istnieją. Otwiera również drogę do praktycznej obserwacji i zrozumienia natury grawitacji i wydarzeń we Wszechświecie, w tym Wielkiego Wybuchu. Gwiazda neutronowa i czarna dziura formacja wytwarza również wykrywalne ilości promieniowania grawitacyjnego. Badania te zostały nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2017 roku.

Prędkość grawitacji

Główny artykuł: Prędkość grawitacji

W grudniu 2012 roku zespół badawczy w Chinach ogłosił, że wykonał pomiary opóźnienia fazowego pływów Ziemi podczas pełni i nowiu, które wydają się dowodzić, że prędkość grawitacji jest równa prędkości światła. Oznacza to, że gdyby Słońce nagle zniknęło, Ziemia krążyłaby normalnie wokół pustego punktu przez 8 minut, czyli tyle czasu, ile światło potrzebuje na pokonanie tej odległości. Odkrycia zespołu zostały opublikowane w Science Bulletin w lutym 2013 r.

W październiku 2017 r. detektory LIGO i Virgo odebrały sygnały fal grawitacyjnych w ciągu 2 sekund od satelity promieniowania gamma i teleskopów optycznych, które dostrzegły sygnały z tego samego kierunku. Potwierdziło to, że prędkość fal grawitacyjnych była taka sama jak prędkość światła.

Anomalie i rozbieżności

Nie mylić z anomalią grawitacyjną .

Istnieją pewne obserwacje, które nie są odpowiednio uwzględnione, co może wskazywać na potrzebę lepszych teorii grawitacji lub być może być wyjaśnione w inny sposób.

Krzywa rotacji typowej galaktyki spiralnej: przewidywana ( A ) i obserwowana ( B ). Rozbieżność między krzywymi jest przypisywana ciemnej materii .

• Ekstraszybkie gwiazdy : gwiazdy w galaktykach poruszają się z rozkładem prędkości , w którym gwiazdy na obrzeżach poruszają się szybciej niż powinny, zgodnie z obserwowanymi rozkładami normalnej materii. Galaktyki w gromadach galaktyk wykazują podobny wzór. Ciemna materia , która oddziałuje grawitacyjnie, ale nie elektromagnetycznie, wyjaśnia rozbieżność. Zaproponowano również różne modyfikacje dynamiki Newtona .
• Anomalia przelotu : różne statki kosmiczne doświadczyły większego przyspieszenia niż oczekiwano podczas manewrów wspomagania grawitacji .
• Przyspieszenie ekspansji : Wydaje się, że metryczna ekspansja przestrzeni przyspiesza. Aby to wyjaśnić, zaproponowano ciemną energię . Niedawne alternatywne wyjaśnienie jest takie, że geometria przestrzeni nie jest jednorodna (ze względu na gromady galaktyk) i że kiedy dane są ponownie interpretowane w celu uwzględnienia tego, ekspansja mimo wszystko nie przyspiesza, jednak wniosek ten jest kwestionowany.
• Anomalny wzrost jednostki astronomicznej : Ostatnie pomiary wskazują, że orbity planet rozszerzają się szybciej, niż gdyby odbywało się to wyłącznie przez utratę masy przez Słońce.
• Dodatkowe energetyczne fotony : Fotony podróżujące przez gromady galaktyk powinny zyskiwać energię, a następnie tracić ją ponownie w drodze na zewnątrz. Przyspieszająca ekspansja Wszechświata powinna zatrzymać fotony oddające całą energię, ale nawet biorąc to pod uwagę, fotony z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła zyskują dwukrotnie więcej energii niż oczekiwano. Może to wskazywać, że grawitacja spada szybciej niż odwrotność kwadratu w pewnych skalach odległości.
• Bardzo masywne obłoki wodoru : Linie widmowe lasu Lyman-alfa sugerują, że obłoki wodoru są bardziej zbite razem w pewnych skalach niż oczekiwano i, podobnie jak ciemny przepływ , mogą wskazywać, że grawitacja spada wolniej niż odwrotność kwadratu w pewnych skalach odległości.

Teorie alternatywne

Główny artykuł: Alternatywy dla ogólnej teorii względności

Historyczne teorie alternatywne

• Arystotelesowska teoria grawitacji
• Teoria grawitacji Le Sage'a (1784) zwana także grawitacją LeSage'a, ale pierwotnie zaproponowana przez Fatio i dalej rozwinięta przez Georgesa-Louisa Le Sage'a , oparta na wyjaśnieniu opartym na płynach, w którym lekki gaz wypełnia cały Wszechświat.
• Teoria grawitacji Ritza , Ann. chemia fizyka 13, 145, (1908) s. 267–271, Elektrodynamika Webera – Gaussa zastosowana do grawitacji. Klasyczny rozwój peryhelii.
• Teoria grawitacji Nordströma (1912, 1913), wczesny konkurent ogólnej teorii względności.
• Teoria Kaluzy Kleina (1921)
• Teoria grawitacji Whiteheada (1922), kolejny wczesny konkurent ogólnej teorii względności.

Współczesne teorie alternatywne

• grawitacji Bransa-Dicke'a (1961)
• Grawitacja indukowana (1967), propozycja Andrieja Sacharowa , zgodnie z którą ogólna teoria względności może wynikać z kwantowych teorii pola materii
• Teoria strun (koniec lat 60.)
• ƒ(R) grawitacja (1970)
• Teoria Horndeskiego (1974)
• Supergrawitacja (1976)
• W zmodyfikowanej dynamice Newtona (MOND) (1981) Mordehai Milgrom proponuje modyfikację drugiej zasady dynamiki Newtona dla małych przyspieszeń
• Kosmologiczna teoria grawitacji samotworzenia (1982) autorstwa GA Barbera, w której teoria Bransa-Dicke'a została zmodyfikowana, aby umożliwić tworzenie masy
• Grawitacja kwantowa w pętli (1988) Carlo Rovelli , Lee Smolin i Abhay Ashtekar
• Niesymetryczna teoria grawitacji (NGT) (1994) autorstwa Johna Moffata
• Grawitacja tensorowo-wektorowo-skalarna (TeVeS) (2004), relatywistyczna modyfikacja MOND autorstwa Jacoba Bekensteina
• Teoria kameleona (2004) autorstwa Justina Khoury'ego i Amandy Weltman .
• Teoria Pressurona (2013) autorstwa Oliviera Minazzoli i Aurélien Hees.
• Konformalna grawitacja
• Grawitacja jako siła entropiczna , grawitacja powstająca jako zjawisko emergentne z termodynamicznej koncepcji entropii.
• W teorii nadciekłej próżni grawitacja i zakrzywiona czasoprzestrzeń powstają jako zbiorowy tryb wzbudzenia nierelatywistycznego nadciekłego tła .
• Masywna grawitacja , teoria, w której grawitony i fale grawitacyjne mają niezerową masę

Zobacz też

• Antygrawitacja , idea neutralizacji lub odpychania grawitacji
• Sztuczna grawitacja
• Równania dla spadającego ciała
• Prędkość ucieczki
  • Ucieczka atmosferyczna
• Prawo Gaussa dla grawitacji
• Potencjał grawitacyjny
• Środowisko mikro-g , zwane także mikrograwitacją
• Prawa ruchu Newtona
• Standardowy parametr grawitacyjny
• Nieważkość

przypisy

•   Halliday, Dawid; Roberta Resnicka; Kenneth S. Krane (2001). Fizyka t. 1 . Nowy Jork: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-32057-9 .
•   Słownik terminów naukowych i technicznych McGraw-Hill (wyd. 4), Nowy Jork: McGraw-Hill , 1989, ISBN 0-07-045270-9
•   Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Fizyka dla naukowców i inżynierów (wyd. 6). Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8 .
•   Tipler, Paweł (2004). Fizyka dla naukowców i inżynierów: mechanika, oscylacje i fale, termodynamika (wyd. 5). WH Freemana. ISBN 978-0-7167-0809-4 .

Dalsza lektura

•   Thorne, Kip S .; Misner, Charles W.; Wheeler, John Archibald (1973). Grawitacja . WH Freemana. ISBN 978-0-7167-0344-0 .
• Panek, Ryszard (2 sierpnia 2019). „Wszystko, co myślałeś, że wiesz o grawitacji, jest błędne” . Washington Post .

Linki zewnętrzne

• Wykłady Feynmana z fizyki, tom. I Ch. 7: Teoria grawitacji
• „Grawitacja” , Encyklopedia matematyki , EMS Press , 2001 [1994]
• „Grawitacja, teoria” , Encyklopedia matematyki , EMS Press , 2001 [1994]