Как гравитация действительно работает

24

Мне всего 12 лет, и я постоянно удивляюсь и пытаюсь понять, как на самом деле работает гравитация. На YouTube каждый всегда говорит об объектах, деформирующих пространство-время вокруг себя, и использует аналогию с батутом. Я до сих пор не понимаю гравитации, потому что, если бы космос был похож на батут, тогда Земля шла бы к Солнцу вместе со всеми другими планетами, верно? Так может ли кто-нибудь объяснить мне, как гравитация действительно работает без аналогии с батутом?

Jens
источник
5
Дублируется по физике. SE: физика
Дэвид Хаммен,
2
Батут «реального мира» имеет трение, действующее на предметы на его поверхности, поэтому они постепенно теряют энергию и движутся по спирали внутрь. В космосе нет трения, поэтому планеты остаются на орбите почти вечно.
pjc50
9
Обязательная ссылка XKCD .
Восстановить Монику
3
Обязательная ссылка Фейнмана . (Разговоры о магнитах, но урок о том, как вы думаете о вещах, применим в любой науке.)
jpmc26
3
@Zaibis Не чувствуй себя слишком просветленным - я думаю, что Луаан просто неправ. Если вы тормозите орбитальный объект, он действительно потеряет энергию и высоту. В новой самой низкой позиции (перигее) он будет иметь более высокую скорость, но во всех случаях сумма новой скорости и «потенциальной энергии» гравитационного поля меньше, чем на исходной орбите, что подтверждается тем фактом, что она будет слишком медленным в апогее, чтобы поддерживать первоначальную более высокую орбиту (мы замедлили это там!). Ср мой ответ на комментарий Luaan под моим постом ниже. Он путает воздействие двух несвязанных приливных сил на Луну.
Питер - Восстановить Монику

Ответы:

27

Прежде всего: «Как работает гравитация» - это глубокий вопрос, и любой серьезный ученый быстро признает, что все, что у нас есть, - это неполная рабочая модель. Вы, конечно, слышали об общей теории относительности ; первое изображение на странице - ваш батут.

Наша рабочая модель, Общая теория относительности, работает, потому что она очень хорошо объясняет многие наблюдения. (Осторожно, вот еще один глубокий вопрос: «Объясняет» означает, что мы можем предсказать некоторые наблюдения из других наблюдений с помощью модели гравитации, которая у нас в голове. Это не обязательно означает, что мы понимаем «реальную природу» лежащего в основе проблемы.) Но мы очень уверены, что модель работает над широким спектром наблюдений. Одним из последних наблюдений «впервые», которое последовало за предсказаниями и, таким образом, придало нам больше уверенности в модели, было столкновение двух черных дыр в последнее время. Недавно? Ну, миллиарды лет назад. Мы только что узнали об этом в последнее время. Вот ссылка на статью в New York Times с впечатляющим видео, (Я думаю, что все еще можно прочитать ограниченное количество статей Times бесплатно, так что попробуйте.)

Наша модель гравитации неполна, потому что она плохо связана с моделью природы, которую мы имеем для других вещей (элементарных частиц, квантовой физики). Некоторое время (около 70 лет или около того) он вообще не связывался; Самому Эйнштейну совершенно не удалось соединить точки, что, вероятно, не было обнадеживающим, поскольку он получил Нобелевскую цену за то, что заложил одну из основ квантовой физики, и был очевидным авторитетом в области гравитации. Если он не мог этого сделать, то кто мог?

Если я не ошибаюсь, физики сегодня прогрессируют медленно. Эта связь между квантовой физикой и гравитацией является одной из основных нерешенных проблем современной физики.

Наконец, позвольте мне ответить на ваше беспокойство по поводу планет, спиральных к солнцу. Я полагаю, что эта идея, вероятно, исходит от настоящих шаров на реальном батуте. Вы, вероятно, знаете, что шары теряют скорость из-за трения, почти так же, как вы замедляете свой велосипед, когда прекращаете крутить педали. Часть кинетической энергии превращается в тепло.

И знаешь, что? Вы правы. Если бы у нас было достаточно времени, планеты в конечном итоге упали бы на солнце.Низколетящие спутники падают обратно на землю через несколько лет, потому что все еще есть следы атмосферы, замедляющие их там. Причина в том, что во всех крупных процессах во вселенной существует «трение» в более широком смысле. Это на самом деле один из фундаментальных физических принципов, составляющих мир, который мы знаем. Просто почти вакуум между планетами не обеспечивает такого большого трения, и планеты представляют собой довольно массивные тела с огромной массой и кинетической энергией. Им потребуется много времени, чтобы потерять достаточно энергии, чтобы они были так близко, чтобы коснуться солнца. (Возможно, слишком долго, чтобы происходить вообще.) На самом деле, во времена человеческой жизни планеты, луны и прочее являются почти идеальными примерами движения без трения. Но в астрономическом масштабе времени- миллиарды лет, - конечно, есть трения. Например, луна показывает нам всегда одну и ту же сторону, потому что трение замедлило свое вращение, так что вращение теперь «зафиксировано» на своей орбите.

Итог: идея о том, что гравитация изгибает пространство и время, до сих пор «объясняет» все крупномасштабные наблюдения; «батут» - хорошая модель для двумерного «пространства», то есть поверхности, если вы игнорируете трение.

Питер - Восстановить Монику
источник
Луна также намного дальше, чем была в прошлом. Приливное трение уменьшает его орбитальную скорость, что увеличивает орбитальный радиус. В настоящее время радиус увеличивается примерно на четыре сантиметра в год.
Луаан
6
+1 за «Мы не совсем уверены, но вот некоторые из наших лучших догадок, основанных на наблюдениях».
Корт Аммон - Восстановить Монику
1
Пожалуйста, исправьте утверждение о луне. Луна не синхронизирована («заблокирована») случайно, но из-за приливных сил гравитации - более близкая сторона луны страдает от большей гравитации, чем другая. Эта сила может заставить объект увеличить его вращение, если он будет вращаться медленнее, чем скорость вращения.
libik
2
@libik Я не вижу ничего, что потребовало бы исправления (в частности, я не говорил и не подразумевал «случайно» - напротив, я упоминал трение как причину). Можно было бы упомянуть приливные силы, но я подумал, что трение достаточно хорошее, но не слишком сильно. Вы делаете интересную точку с возможным ускорением вращения из-за приливных сил; но это все еще замедление (близко к 0) относительно его орбитальной системы отсчета.
Питер - Восстановить Монику
2
@Luaan В игре есть две приливные силы. (1) Луна получает энергию от вращения Земли от приливных сил, которые на нее оказывает вращающаяся земля , ускоряя ее в направлении вращения Земли. Как вы говорите, это поднимает (медленно) в гравитации Земли. (2) Циклическая деформация Луны («разминание»), вызванная вращением Луны в неоднородном гравитационном поле Земли, преобразует (ed) часть вращательной энергии в тепло, в конечном итоге синхронизируя орбиту и вращение, и в этот момент почти не происходит никаких приливов Луны. больше (за исключением тех из-за либрации, я полагаю).
Питер - Восстановить Монику
20

Почему объекты не убегают ?

Рассмотрим сначала объект со скоростью и без гравитации в действии:

побег?

Затем этот синий объект станет все более и более далеким, если он продолжит в том же направлении.

Но это не продолжается в том же направлении, через некоторое время гравитация большого черного объекта изменила свой ход:

новый курс

Это происходит снова, и снова, и снова:

повторение

Ваш вопрос: почему объект не входит в спираль? Возможно, вы думаете, что когда он приближается, гравитация становится сильнее, и поэтому объект вынужден приближаться еще ближе.

Но когда он падает ближе, его скорость увеличивается. Как мы уже видели, скорость объекта пытается заставить его убежать. Поэтому, когда он ближе, у него больше скорости, чтобы противодействовать повышенной гравитации.

Изменить: Просто в случае более буквального толкования вашего вопроса, батут в оригинальной аналогии вызывает трения, и, следовательно, спирали, но пространство является вакуумом.

Hohmannfan
источник
1
Я думаю, что ключ к тому, почему он не падает, состоит в том, что в космосе у нас нет трения - на батуте энергия постоянно удаляется из шара посредством трения, тогда как в космосе нет ничего, что могло бы замедлить нашу планету, поэтому это только продолжается
Джефф
@Jeff Отредактировано в
Hohmannfan
4
Мой учитель физики в средней школе сказал: «Земля все время падает на Солнце, но продолжает скучать по ней из-за своей скорости».
Питер - Восстановить Монику
3

Аналогия с батутом полезна, если вы понимаете гравитацию в рамках общей теории относительности. Концептуальная проблема заключается в том, что на самом деле пространство-время заключено в 4, а не в 3 измерения, т. Е. Включая время.

Фактически, когда Земля вращается вокруг Солнца, она теряет очень маленькое количество энергии в виде гравитационных волн. Итак, Земля на самом деле движется к Солнцу. Дело в том, что это излучение гравитационных волн настолько мало, что к тому времени, когда мы наблюдаем какое-либо значительное спирали, Земля и Солнце уже перестали бы существовать. Задолго до этого Солнечная система становится нестабильной из-за хаотических эффектов, уже содержащихся в классической ньютоновской механике.

Santi
источник
1

Отличный вопрос!

Вы слышали о первом законе Ньютона? Это говорит о том, что объект в движении продолжает двигаться с той же скоростью и в том же направлении если на него не действует сила .

Когда мы катим мяч по земле, он в конце концов остановится. До Ньютона многие считали, что все замедляется само собой. Идея Ньютона заключалась в том, что это неправда, и фактически единственная причина, по которой катящийся шар замедляется, состоит в том, что земля и воздух тереть или толкают мяч, чтобы замедлить его.

На батуте мяч будет тереться о материал батута и о воздух, что замедляет его. Это единственная причина, по которой шар заканчивается по спирали к центру.

Когда нет ничего, что могло бы замедлить объект, оно не будет спирально приближаться к середине, оно будет просто вращаться и вращаться вечно. В космосе нет (почти) ничего, чтобы замедлить объект.

Если вам трудно в это поверить, вы можете написать компьютерную программу, которая сделает все расчеты и посмотрим, что произойдет! Я сделал пример симуляции для вас. Вы увидите, что без трения планета окажется там, где она начиналась, каждый раз, когда она вращается вокруг Солнца. Если вы измените начальную скорость планеты с 20 на 40, а затем нажмете «Запустить» вверх, вы увидите более круговую орбиту. Вы можете изменить другие вещи и посмотреть, что произойдет. Я надеюсь, что вы найдете это полезным!

Artelius
источник
Хорошая симуляция. (Хотя планета избежала солнца после того, как она приблизилась. :-))
Питер - Восстановить Монику
Это пасхальное яйцо;) На самом деле это хорошая дискуссионная точка зрения - она ​​напоминает нам, что симуляция моделирует ТОЛЬКО гравитацию, а не столкновения, а также, что когда планета очень близко приближается к солнцу, временной шаг симуляции вызывает большие неточности. Это может быть уменьшено с помощью более сложных численных методов, таких как Рунге-Кутта, но теперь я намного выше этого вопроса!
Артелиус
Я не знаю, будет ли это то же самое моделирование, когда вы будете делать это, но если вы измените условие цикла for i < 1вместо, i < 5а вы измените параметр timeout на setInterval 10вместо 100, то моделирование станет намного приятнее смотреть , Он работает немного быстрее, но частота кадров намного выше, поэтому движение внешнего тела не так зубчатое.
Алекс
Спасибо Алекс! На самом деле параметр тайм-аута должен быть 20, а затем (при условии, что ваш процессор достаточно быстр), это та же симуляция. На моем компьютере это замедляет симуляцию на 25%, возможно потому, что мой процессор недостаточно быстр. Тем не менее, это выглядит более гладким; вот новая упрощенная версия: jsfiddle.net/0erknpk8/38
Артелиус
-2

Индукционная рефракция струны нейтрино является причиной гравитации. Некоторые скажут, что нейтрино незначительны, но Дирак, Хокинг и Тайсон думают иначе, и большинство игнорирует эффект заряженной частицы, движущейся со скоростью света. Имейте в виду, что никто не может или не доказал, что масса - это свойство материи, больше эффекта.

Зайдите на www.themechanismofreality.com, этот сайт объясняет, как именно работает гравитация. Каждый физик, который исследует это, соглашается, что это правильно. От ЦЕРНа до физического факультета Пекинского университета согласны с тем, что это «фантастическая связь между физикой гравитона и теорией струн»! Это также косвенно подтвердили LIGO и объявление о гравитационной волне. Наслаждайтесь!

SkipBerne
источник
Это ссылка только для ответа. (не поощряется), также, эта бумага кажется немного странной к концу.
Хоманнфан
У меня есть ноющее чувство, что отсутствие математики, ссылок и сотрудничества указывает на то, что это не революционная наука, а в большинстве случаев научно-популярная статья. Это тяжело; Конечно, не стоит добавлять математику, чтобы казаться серьезным. Но такого рода прорыв, который меняет парадигму (который, как мне кажется, востребован здесь, поскольку я никогда не слышал об этом раньше), чрезвычайно редок.
Питер - Восстановить Монику
Чтобы сделать теорию в статье более приемлемой, вы можете попытаться представить ее в контексте. Например, начните с того, что общепринятая теория (и ее знаменитые сторонники) считают нейтрино и как он взаимодействует, и почему другое предположение может объяснить гравитацию.
Питер - Восстановить Монику