Экзотический объект, состоящий из небольшой тяжёлой звезды, вращающейся со скоростью 25 раз в секунду, вокруг которого с периодом в два с половиной часа вращается белый карлик (в представлении художника). Это пульсар PSR J0348+0432, излучающий гравитационные волны. И хотя их нельзя измерить с Земли напрямую, можно измерять изменения орбиты, связанные с потерей системой энергии.
Я бы не узнал пространство-время или сбой в ядре телепортации, даже если б они залезли ко мне в постель.
— Патрик Стюарт
Читатель спрашивает:
Почему гравитация уменьшается по мере удаления от объекта? Я читал, что она уменьшается по закону обратных квадратов, но без объяснений, почему именно.
Вопрос простой, но ответ на него требуется основательный.
Физика и наука в целом обычно не занимаются вопросом «почему» в связи с естественными явлениями – обычно изучается только «как». Дайте теорию, набор законов, и физические объекты с заданными свойствами – и наука расскажет, как они будут себя вести в рамках теории. Так и с гравитацией.
Веками ньютоновская гравитация была самой успешной теорией, описывающей силы, действующие на больших масштабах. Она говорила, что все объекты Вселенной, имеющие массу, притягивают все остальные массивные объекты. А сила притяжения пропорциональна массе обоих объектов и обратно пропорциональна расстоянии между ними.
Этот закон довольно легко просчитать на современных компьютерах, и соответствие теории наблюдениям великолепное.
Но можно ли сказать что-нибудь умное относительно того, почему гравитация работает именно так? Рассмотрим наших ближайших космических соседей.
Вокруг Солнца, наибольшей массы в нашей системе, летают по кругам и эллипсам все остальные объекты, от планет до астероидов и комет. Интересно, что круги и эллипсы являются стабильными замкнутыми орбитами – указанные объекты каждый раз возвращаются в одну и ту же точку, по прошествии времени, которое мы называем годом.
Это само по себе с точки зрения математики довольно интересно. Силы – это векторы, у них есть величина и направление. В солнечной системе силы, действующие на объекты, направлены к центру Солнца. Если вам нужно, чтобы что-нибудь летало вокруг Солнца по замкнутой орбите, у вас есть только два варианта.
Либо вам нужна сила, подчиняющаяся закону обратных квадратов (гравитация), либо сила, линейно возрастающая с расстоянием (пружина). Есть теорема, которая доказывает, что кроме этих двух возможностей других больше нет.
Поэтому она может увеличиваться или уменьшаться с расстоянием, но только одним способом, иначе у нас не будет стабильных замкнутых орбит.
А поскольку именно такие орбиты нужны для стабильных и умеренных температур, при которых может существовать жизнь – нам в самом деле повезло, что именно по таким законам работает Вселенная.
Бывают силы, увеличивающиеся с расстоянием – например, сильное взаимодействие. Есть даже пример силы, у которой нет направления и которая является постоянной – тёмная энергия.
Но закон обратных квадратов – это не всё, что можно сказать о гравитации. Более того, поскольку в нашей системе есть незамкнутая орбита, нам нужно заменить ньютоновскую гравитацию на более свежую общую теорию относительности.
Орбита Меркурия испытывает прецессию и не замыкается на себя. Это был первый звоночек, сообщающий о несовершенстве ньютоновской теории. Полвека ушло на решение этой проблемы и появление ОТО. И мы поняли, что гравитация не совсем точно следует закону обратных квадратов – это лишь приближение, действующее для больших расстояний и малых масс и энергий.
У нас появилась куча новых предсказаний, подтвердившихся экспериментами, включая гравитационное линзирование света, другая механика обращения по орбитам массивных тел на коротких дистанциях, гравитационное красное смещение и многое другое.
Но самым главным выводом оказался тот, что тела, двигающиеся по орбитам, строго говоря не подчиняются закону обратных квадратов.
Все орбиты, согласно ОТО, рождаются из сил, которые чуть сильнее, чем закон обратных квадратов, поэтому они со временем уменьшаются. Внутренние планеты первыми сходят с орбит, за ними следуют более отдалённые миры, поскольку расстояние до них больше. В конце концов, при отсутствии других сил, всё придёт по спирали к центру притяжения системы.
scienceblogs.com/startswithabang/files/2013/11/white-dwarf-stars-death-dance_37620_600x450.jpeg
Если бы Земля вращалась вокруг бесконечно живущего солнца, ей потребовалось бы 10150 лет для полного угасания орбиты. Действительно стабильных и замкнутых орбит во Вселенной просто не существует.
По крайней мере, согласно ОТО – наилучшей на данный момент теории, описывающей гравитацию. Для малых масс и больших расстояний она вырождается в классическую ньютоновскую теорию.
Но почему же именно ОТО управляет гравитацией во Вселенной именно таким способом? Точно сказать не может никто.
Поэтому придётся довольствоваться стандартным ответом: гравитация работает так, потому что так устроены законы природы. Можно представить Вселенную с другими законами – но нам досталась такая, и мы не понимаем на самом деле, почему законы устроены именно так. Мы можем делать наблюдения, выводить законы, проверять их – и, может быть, когда-нибудь мы поймём, почему они именно такие.
Комментарии (28)
Kroid
08.07.2015 07:35+14>Почему гравитация уменьшается?
>Точно сказать не может никто. Лучше посмотрите на картинки со звездами.
kalmarius
08.07.2015 08:13+13Немного не так:
>Почему гравитация уменьшается с расстоянием?
>Вопрос простой, но ответ на него требуется основательный.
>Поэтому придётся довольствоваться стандартным ответом: гравитация работает так, потому что так устроены законы природы.
nickolaym
08.07.2015 17:11+6— Папа, почему небо синее?
— А чёрт его знает…
— Папа, почему трава зелёная?
— А чёрт её знает…
— Папа, почему солнце жёлтое?
(мама) — Не приставай к папе!
(папа) — Нет. Пусть спрашивает. Иначе откуда он узнает, как мир устроен.
Arheus
08.07.2015 09:53+1обратно пропорциональна расстоянии между ними
обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
forgotten
08.07.2015 10:02+10> Орбита Меркурия испытывает прецессию и не замыкается на себя. Это был первый звоночек, сообщающий о несовершенстве ньютоновской теории. Полвека ушло на решение этой проблемы и появление ОТО.
Это неверное утверждение, и следующие абзацы также неверны. Орбита Меркурия прецессирует на 565 секунд дуги за сто лет. 526 из них объясняются на классическом уровне — притяжением других планет Солнечной системы. А вот оставшиеся 39 секунд — вот это был открытый вопрос, объяснённый только в рамках ОТО.
Иными словами, и на классическом уровне орбиты нестабильны и незамкнуты. ОТО вносит дополнительные 7% возмущений, и то только для самого быстрого тела системы — Меркурия. Для остальных планет эффект ОТО ничтожен.forgotten
08.07.2015 10:20+5Дополню, что в ньютоновой механике стабильной может быть орбита из двух тел и некоторые конфигурации орбит трёх тел. Движение трёх тел вообще не имеет алгебраического решения (а четырёх и более — даже и аналитического) и, за исключением некоторых специальных случаев, нестабильно.
soniq
08.07.2015 22:08Можно уточнить, что вы называете алгебраическим решением, а что аналитическим?
Просто тут в вики пишут, что алгебраическое уравнение, это конечный полином, а такой слабенькой штучкой точно никак нельзя описать периодическое движение.
С другой стороны, есть в матанализе понятие аналитической функции, и я вам зуб дам, что движение N планет и звезд в ньютоновской механике аналитично до самых их иррациональных корней.
kay
08.07.2015 10:06Я правильно понял, что Земля вращается вокруг Солнца и медленно к нему приближается по спирали? Почему же тогда Луна отдаляется от Земли?
ha7y
08.07.2015 10:24+10При своем суточном вращении Земля прокручивается под приливными горбами, и связанное с этим трение замедляет ее вращение, т. е. постепенно увеличивает продолжительность суток. Замедление вращения означает уменьшение момента количества движения Земли. В соответствии с законом сохранения момента количества движения момент, теряемый Землей, не может исчезнуть — он переходит к Луне, увеличивая ее орбитальный момент. Увеличение орбитального момента требует увеличения радиуса орбиты. Замедление вращения Земли, вызванное ее приливным взаимодействием с Луной, сопровождается удалением Луны от Земли.
— solareclipse.org.ru/cosmos/?p=2079
dyadyaSerezha
08.07.2015 13:55«В солнечной системе силы, действующие на объекты, направлены к центру Солнца» — силы направлены не к центру Солнца, а к каждому телу в системе, обладающему массой. Результирующая же направлена (примерно) к центру Солнца.
ildarz
08.07.2015 16:12+4Казалось бы, формулировка вопроса идеальна, чтобы рассказать, например, об антропном принципе и связанных вопросах. Ан нет, просто налито воды про «как работает гравитация» (притом, что об этом вообще-то не спрашивали).
Все-таки весьма фиговый популяризатор науки из автора.
tossshik
08.07.2015 16:25Точно сказать не может никто.
Зашел, чтобы оставить такой комментарий. Оказывается, автор уже все сделал.
OnlySlon
08.07.2015 16:55+3Пользуясь случаем дам ссылку на свое давнее поделие на JS
QtRoS
08.07.2015 23:55Здорово выглядит, но есть ощущение, что считает не совсем корректно — у меня в какой-то момент произошел очень интенсивный взрыв от столкновения, звезды разлетелись, но почти сразу остановились, изобразив полукруг. По идее, не должны тормозить без причины)
P.S. Посмотрел еще несколько сценариев — это by design, получается…OnlySlon
09.07.2015 12:59торможение сделано специально из соображений эстетики, чтобы облако звезд было, иначе они некрасиво вылетают за сцену.
QtRoS
09.07.2015 17:12Выглядит бодро, особенно если под разными углами смотреть. И чисто из интереса — почему некоторые звезды иногда улетают из галактик с большой скоростью?
OnlySlon
10.07.2015 12:42видимо им «посчастливилось» осуществить гравитационный маневр очень близко с черной дырой. Падение звезд в ЧД, равно как и взаимодействие звезд между собой не реализовано. Звезды взаимодействуют с ЧД и ЧД взаимодействуют друг с другом. Как бы вот.
mtivkov
15.07.2015 20:22«Квадрат» в законах — следствие трехмерности нашего пространства.
Сила с удалением от объекта на расстояние R как бы «распределяется» по сфере радиусом R, а площадь этой сферы пропорциональна R^2
— UPD: оказывается, выше уже дали ссылку на википедию по этому вопросу:
geektimes.ru/post/253116/#comment_8435176
ivlis
А есть ссылка на теорему про r^-2?
Eol
Минутка занудства. Ландау, Лифшиц, курс теоретической физики, том 1 «Механика», глава 3 «Интегрирование уравнений движения», параграф 14 «движение в центральном поле».
К этому аргументу — другой вопрос. В практически любом другом потенциале (лишь бы не слишком слабом), траектория будет финитна (планета не будет улетать из солнечной системы), а расстояние до солнца в любом случае будет колебаться периодично, обеспечивая нужные температурные циклы. Зачем вообще нужна замкнутость самой траектории?
И как тут не вспомнить про комикс из XKCD:
Eol
Да, и, конечно, подпись:
«Of these four forces, there's one we don't really understand.» — «Is it the weak force or the strong--» «It's gravity»
Danov
Может это?
Закон обратных квадратов