Тяготение

Тяготение

Лекция 2.2

ТЯГОТЕНИЕ.

Как движутся планеты и каково место Земли во Вселенной.

Гелиоцентрическая система мира. Еще в Древней выдвинул гипотезу об обращении Земли вокруг Солнца. Однако в течение нескольких столетий господствовала система Птолемея, поддержанная Аристотелем, в которой Земля рассматривалась как центр Вселенной. Это тормозило прогресс естествознания.

Важнейшим моментом в подготовке научной революции XVI – XVII вв. было переосмысление вопроса о месте Земли во Вселенной. Выдвинутая польским ученым Николаем Коперником (1473 – 1543 гг.) гелиоцентрическая система мира, отводящая Земле положение лишь одной из планет Солнечной системы – крупнейшее событие в истории естествознания. Отказ от идеи о центральном положении Земли во Вселенной ставил под сомнение предложенную Аристотелем картину мира, в которой все явления делились на земные и небесные, не сводимые друг к другу и подчинявшиеся различным законам

Коперник в 1530 - 1532 гг. написал сочинение «О вращении небесных сфер». В главе IX, которая называется «О том, можно ли приписать Земле несколько движений и о центре мира», Коперник пишет:

«Я полагаю, что тяготение есть не что иное, как некоторое природное стремление, сообщенное частям божественным провидением творца Вселенной, чтобы они стремились к целостности и единству, сходясь к форме шара. Вполне вероятно, что это свойство присуще также Солнцу, Луне и остальным блуждающим светилам, чтобы при его действии они продолжали бы пребывать в своей шарообразной форме, совершая, тем не менее, различные круговые движения. …если мы согласимся, что Солнце неподвижно,… то восходы и заходы знаков зодиака и неподвижных звезд, …стояния, попятные и прямые движения планет окажутся принадлежащими не им, а происходящими от движения Земли».

В главе XI «Доказательство тройного движения Земли» говорится: «Нужно допустить, что Земля имеет три движения:

-первое, соответствующее дню и ночи обращение вокруг оси Земли в направлении с востока на запад;

-второе – зто годовое движение центра, который описывает вокруг Солнца зодиакальный круг с запада на восток, т. е. в направлении последовательности знаков (зодиака);

-третье – деклинационное движение тоже с годовым обращением, но против последовательности знаков, т. е. противоположно движению центра.

…два идущие навстречу движения заставляют ось Земли оставаться в одном и том же положении…»

Законы движения планет. Иоганн Кеплер (1571 – 1650 гг.) в 1609 г. в книге «Небесная астрономия или Небесная механика» сформулировал два закона движения планет, а через 10 лет в книге «Гармония мира» добавил к ним третий:

1-й закон Кеплера	Планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце
2-й закон Кеплера	Прямая, соединяющая планету с Солнцем, за равные промежутки времени «заметает» равные площади.
3-й закон Кеплера	Кубы радиусов больших полуосей двух планетарных орбит относятся как квадраты периодов обращения этих планет.

Что заставляет планеты двигаться вокруг Солнца.

Во времена Коперника существовало мнение, что ангелы толкают планеты по орбите. Знаменитый американский физик Ричард Фейнман с иронией замечает, что это недалеко от истины, только ангелы толкают планеты к центру. Вектор скорости направлен по касательной к траектории движения, поэтому, чтобы планета, двигаясь по – инерции, не сошла с орбиты, нужна сила, направленная перпендикулярно вектору скорости, т. е. к центру кривизны.

Закон всемирного тяготения. Исаак Ньютон (1643 – 1727 гг.) В 1687 г. в сочинении «Математические начала натуральной философии» излагает суть закона всемирного тяготения и устанавливает:

Сила тяготения прямо пропорциональна массам взаимдействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами.

«Луна тяготеет к земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на орбите… Сила, с которой Луна удерживается на своей орбите, направлена к Земле и обратно пропорциональна квадратам расстояний мест до центра Земли».

По оценке Ньютона центростремительное ускорение Луны, расположенной на расстоянии 60-ти земных радиусов, в 3600 раз меньше, чем ускорение камня у поверхности Земли, что соответствует закону обратных квадратов

Гравитационная сила: F = G

Гравитационная постоянная G = 6,6*10-11 н м2 /кг2 равна силе притяжения двух сферических масс по1 килограмму, центры которых расположенных на расстоянии 1 метр.

Согласно второму закону Ньютона гравитационная сила сообщает всем телам ускорение в поле тяготения. Г. Галилей эмпирическим путем установил, что в вакууме все тела падают на землю с одинаковым ускорением. Действительно:

G = mg следовательно g = G

Ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела. Оно определяется массой и размерами объекта (планеты), создающего поле тяготения.

Закон всемирного тяготения носит универсальный характер, гравитационные силы имеют неограниченный радиус действия и определяют структуру Вселенной.

Порядок расположения планет Солнечной системы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Солнце	Меркурий	Венера	Земля	Марс	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
Если смотреть с северного полюса, то все планеты вращаются против часовой стрелки.

Ньютон оставил миру прекрасное «руководство пользователя» по гравитации. Более 300 лет закон всемирного тяготения успешно используют для расчета траекторий движения снарядов, спутников, комет, для предсказания солнечных и лунных затмений.

Закон всемирного тяготения устанавливает причину тяготения – массу, однако он не вскрывает внутренний механизм тяготения. Он имеет серьезное противоречие с постулатом СТО о постоянстве скорости света, являющейся предельной скоростью передачи взаимодействия. Из математической формулировки закона следует, что если с одним телом что-то случится, второе почувствует это изменение мгновенно: солнце взорвется – планеты мгновенно сойдут с орбиты.

Сам Ньютон осознавал это и писал: «…непостижимо, чтобы неодушевленная, грубая материя могла без посредства чего-либо нематериального действовать и влиять на другую материю… Тяготение должно вызываться агентом, постоянно действующим по определенным законам».

Общая теория относительности (ОТО).

В 1915 году выходит статья А. Эйнштейна «Уравнения гравитационного поля», посвященная ОТО – теории тяготения. Это основная космологическая теория, на её основе производят все расчеты. Согласно ОТО тяготение возникает в результате искривления пространства – времени вблизи тел, обладающих массой, и передается в виде гравитационных волн со скоростью света.

В масштабах Вселенной не работает геометрия Евклида. Кратчайшее расстояние между двумя точками искривленной поверхности не является прямой линией, и сумма углов в треугольнике с искривленными сторонами не равна 180°. Геодезические линии пространства вблизи массивных тел представляют собой эллипсы, по которым и движутся более легкие тела, захваченные полем тяготения.

Критериями истинности физической теории являются эмпирическая подтверждаемость, а также способность объяснять и предсказывать явления. Закон всемирного тяготения объясняет и предсказывает в пределах обычных для нас макроскопических масштабах (движение снарядов, комет, ракет). ОТО имеет эмпирическое подтверждение в мегамасштабах Вселенной. Такими подтверждениями являются:

Искривление траекторий световых лучей, идущих от звезд, вблизи Солнца. Это приводит к смещению видимого положения звезды от истинного, которое определяется тогда, когда нет влияния Солнца (в ночное время или во время солнечных затмений). Можно измерить угол отклонения этих лучей.

В ноябре 1915 года Эйнштейн теоретически рассчитал, что вблизи Солнца луч, идущий от звезды, отклоняется на 0,00049° (это 1/3600¢¢). Этот угол равен раствору диафрагмы, сфокусированной на 25-пенсовую монету в 3 км от нее.

29 мая 1919г. произошло солнечное затмение. Для проверки предсказаний Эйнштейна научным астрономическим Королевским обществом Англии были организованы две экспедиции: на остров Принсипе у западного побережья Африки и в Бразилию. Через пять месяцев анализа полученных во время затмения фотографий были сделаны выводы, что предсказания Эйнштейна, основанные на ОТО, подтвердились.

За последние 40 лет множество экспериментов показали, что ОТО совместима с СТО, включая последнюю как частный случай, и имеет более точное совпадение с экспериментальными данными, чем закон всемирного тяготения.

Черные дыры - гравитационные ловушки.

В 1916 г. немецкий астроном Карл Шварцшильд находился на русском фронте и в перерыве между расчетами траекторий артиллеристских снарядов изучал ОТО. Он сделал расчеты для искривления пространства в окрестности идеальной сферической звезды («решение Шварцшильда»). Им было установлено, что при условии, когда отношение массы звезды к радиусу становится меньше некоторого критического значения, образуется гравитационная ловушка: любой объект (включая свет) захватывается пространством и не может вырваться наружу. Позднее Джон Уилер назвал их «черными дырами». Объекты разрываются гравитационной деформацией, втягиваясь к центру «черной дыры». Время при этом сильно замедляется (идея машины времени: часы идут в 10 раз медленнее – спустились на 1 год, вернулись через 10 лет в будущее).

Если радиус Солнца уменьшить с 700000 км до 3 км оно превратится в «черную дыру». При этом 1 чайная ложка солнечного вещества будет весить, как гора Эверест.

«Черная дыра» не излучает, поэтому увидеть ее невозможно. Но она оказывает гравитационное действие на другие объекты, изменяя их траектории. По изменениям траекторий космических тел определяют, где находится «черная дыра».