В статье мы исследуем одно из самых захватывающих явлений во Вселенной - гравитацию и ответим на вопрос Александра Ащеулова "Как гравитация воздействует на фотон, безмассовую частицу?". Готовы? Ну тогда начнем сий сказ с самого начала.
Жили были два выдающихся ученых, которые внесли значительный вклад в понимание этого феномена. Главное, что нужно знать о гравитации, - это то, что любой объект во Вселенной, обладающий массой, притягивает к себе другие объекты. Это универсальное явление, которое не зависит от размеров тел.
Сила гравитационного притяжения зависит от массы объекта: чем больше масса, тем сильнее притяжение. Например, объект с большой массой будет притягивать к себе более легкий объект. Кроме того, расстояние между двумя массами влияет на величину гравитационной силы: чем оно больше, тем сила слабее. Эта зависимость обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами.
Ньютон объяснил, что гравитация управляет движением небесных тел: планеты вращаются вокруг Солнца, луны - вокруг планет, следуя законам гравитации. Например, Земля не падает на Солнце благодаря балансу между гравитационным притяжением и угловым моментом.
Однако возникает вопрос: как гравитация действует на таких огромных расстояниях, как, например, 150 миллионов километров между Землей и Солнцем? В отличие от физического контакта, как в случае с ударом по мячу, гравитация действует через пустое пространство, создавая невидимую связь между небесными телами.
Упоминание удара по мячу в контексте объяснения гравитации может показаться несвязанным, однако это сравнение используется для иллюстрации разницы между двумя видами взаимодействия: контактным взаимодействием и действием на расстоянии, как в случае с гравитацией.
Когда вы ударяете по мячу, происходит прямое физическое взаимодействие между вашей рукой (или ногой) и мячом. Это контактное взаимодействие: для того чтобы мяч двигался, ему необходимо приложить физическую силу напрямую.
В отличие от этого, гравитация работает по совершенно другому принципу. Гравитационное притяжение между двумя объектами, например, между Землей и Луной, происходит без физического контакта. Это действие на расстоянии. Гравитационные силы действуют через пустое пространство, не требуя непосредственного контакта между объектами. Это одна из основных загадок и красот гравитации: её способность оказывать влияние на расстоянии, соединяя объекты во Вселенной без какого-либо физического соединения.
Таким образом, упоминание удара по мячу служит для подчеркивания этой фундаментальной разницы между двумя типами взаимодействия в физике.
Вопрос о природе гравитации волновал ученых на протяжении веков. До Эйнштейна главенствующей теорией была концепция Ньютона, представляющая гравитацию как силу притяжения между массами. Однако, принимая во внимание огромные расстояния в космосе, ученые сталкивались с проблемой объяснения действия этой силы.
Эйнштейн предложил революционное решение, утверждая, что гравитация — это не сила, а следствие искривления пространства-времени, вызванного наличием массы. Он сравнивал Вселенную с тканью, которая искривляется под воздействием объектов с массой. Эта аналогия помогает наглядно представить, как более массивные объекты (как "тяжелый человек на мате") искривляют пространство вокруг себя, в результате чего менее массивные объекты (как "стройный человек на краю материи") склонны двигаться в сторону искривления. Подобным образом, Солнце искривляет пространство-время, в результате чего Земля притягивается к нему.
Эйнштейн пришел к этому выводу, проводя мысленные эксперименты. Один из самых известных — мысленный эксперимент с лифтом. Он представил, что если человек падает в свободном падении в лифте, он не ощущает никакой силы — это состояние невесомости. Таким образом, Эйнштейн показал, что свободное падение и невесомость по своей сути идентичны. Это открытие помогло ему сформулировать принципы общей теории относительности.
Согласно Эйнштейну, масса сообщает пространству-времени, как искривляться, а пространство-время — массе, как двигаться. Этот принцип стал фундаментальным для понимания гравитации в современной физике. Эйнштейн доказал свою теорию не только мысленными экспериментами, но и математическими уравнениями, которые позже были подтверждены экспериментально. Это открытие считается одним из важнейших в истории физики и существенно повлияло на наше понимание Вселенной.
Представим ситуацию, в которой мы находимся в лифте в космическом пространстве, где отсутствует гравитация. Если в этот лифт установить двигатель, который будет толкать его вверх с ускорением 9,8 м/с² (эквивалентно гравитации Земли), мы начнем ощущать силу, подобную гравитации. Предметы внутри лифта, например, мячи, начнут падать на пол, а мы будем ощущать давление на дно лифта, подобно тому, как мы ощущаем гравитацию на Земле.
Этот мысленный эксперимент демонстрирует, что ускорение может создавать эффект, аналогичный гравитации. Это ключевое открытие в физике, показывающее, что гравитация и ускорение тесно связаны. Если лифт перестанет ускоряться и будет плавать в пространстве, внутри него вновь наступит состояние невесомости. Когда мы бросаем мяч в таком лифте, он будет двигаться по прямой линии, так как влияние гравитации отсутствует.
Эти наблюдения демонстрируют взаимосвязь между гравитацией, ускорением и движением объектов в различных условиях. Они помогают лучше понять, как работает гравитация, и открывают новые горизонты для исследования космоса и физики в целом.
Перейдем к одной из наиболее интригующих идей Альберта Эйнштейна, связанную с искривлением света в присутствии гравитации. Согласно теории относительности, свет всегда движется прямолинейно и с постоянной скоростью. Однако Эйнштейн предположил, что в условиях сильной гравитации или ускорения даже свет может искривляться.
Вернемся в наш любимый лифт, который ускоряется в космическом пространстве. Если мы бросим мяч внутри этого лифта, он будет двигаться по изогнутой траектории и упадет на пол лифта. Теперь, если мы заменим мяч на луч света и направим его в лифте, согласно Эйнштейну, свет также будет искривляться.
Это предположение Эйнштейна оказалось революционным: свет, не имеющий массы, в условиях искривленного пространства-времени также может испытывать искривление. Этот эффект очень мал при небольшом ускорении, например, 9,8 м/с² (эквивалентно ускорению свободного падения на Земле). Однако при значительном ускорении, например, в 10 раз больше (98 м/с²), искривление света может стать заметным.
Эйнштейн предсказал, что искривление света в условиях сильной гравитации или ускорения должно быть наблюдаемым, хотя и очень малым. Это предположение подтвердилось в реальных астрономических наблюдениях, когда свет от далеких звезд искривляется под воздействием гравитационных полей больших масс, таких как планеты или черные дыры.
В 1915 году Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, в которой предсказал, что гравитация может искривлять свет. На тот момент эта идея показалась многим необычной и сложной для понимания.
Эйнштейн утверждал, что вблизи массивных объектов, таких как Солнце, свет от далеких звезд будет искривляться. Чтобы подтвердить эту теорию, необходимо было измерить искривление света вблизи такого массивного объекта. На тот момент такие эксперименты были чрезвычайно сложны, так как необходимо было наблюдать звезды вблизи Солнца, что возможно лишь во время полного солнечного затмения.
В 1919 году британский астроном Артур Эддингтон воспользовался полным солнечным затмением, чтобы провести такое наблюдение. Он заметил, что свет от звезд, расположенных позади Солнца, действительно искривляется, и звезды кажутся находящимися в других местах, чем они находятся на самом деле. Этот эффект был точно таким, как Эйнштейн предсказал в своей теории.
Обнаружение Эддингтона стало одним из первых и самых важных экспериментальных подтверждений общей теории относительности. Оно не только подтвердило предсказание Эйнштейна об искривлении света, но и способствовало революционным изменениям в научном понимании гравитации и структуры Вселенной. Это открытие помогло утвердить теорию относительности как одну из основных теорий в физике и астрономии.
Так как гравитация воздействует на фотон, безмассовую частицу?
Этот вопрос затрагивает один из фундаментальных аспектов современной физики, связанный с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Согласно классической физике, гравитация действует только на объекты с массой, и, следовательно, свет, который не имеет массы, не должен подвергаться её влиянию. Однако, общая теория относительности предлагает другой подход к пониманию гравитации.
Эйнштейн предположил, что гравитация не просто сила притяжения между массами, а результат искривления пространства-времени, вызванного наличием массы. Это искривление влияет на движение всех объектов, включая свет, проходящий вблизи массивных объектов, таких как планеты или звёзды.
Когда световой луч проходит рядом с массивным объектом, он движется по прямой линии в искривлённом пространстве-времени. С точки зрения внешнего наблюдателя, который предполагает, что пространство плоское, световой луч кажется искривляющимся. Это явление наблюдается, например, при гравитационном линзировании — когда свет от далёких звёзд искривляется под воздействием гравитационного поля другого объекта, такого как галактика, находящаяся между наблюдателем и звездой.
Таким образом, хотя свет не имеет массы и не подвержен прямому гравитационному притяжению, он всё равно оказывается под влиянием гравитации из-за искривления пространства-времени, вызванного массивными объектами.
Не забудьте подписаться на наш канал, чтобы не пропустить наши последние публикации! Если вам понравился контент, пожалуйста, оставьте лайк и поделитесь им с друзьями. Ваши отзывы и поддержка важны для нас! Ну а если хотите разбор в уравнениях, то дайте знать!