Jak naprawdę działa grawitacja

24

Mam zaledwie 12 lat i ciągle zastanawiam się i próbuję zrozumieć, jak naprawdę działa grawitacja. Na YouTube wszyscy zawsze mówią o przedmiotach wypaczających czasoprzestrzeń wokół siebie i korzystają z analogii trampoliny. Nadal nie rozumiem grawitacji, ponieważ gdyby przestrzeń była jak trampolina, Ziemia kręciłaby się w kierunku Słońca wraz ze wszystkimi innymi planetami, prawda? Czy ktoś mógłby mi wyjaśnić, jak grawitacja naprawdę działa bez analogii trampoliny?

Jens
źródło
5
Powielone na physics.SE: physics.stackexchange.com/questions/243317/...
David Hammen
2
Trampolina w „prawdziwym świecie” ma tarcie działające na przedmioty na jej powierzchni, dlatego stopniowo tracą energię i skręcają do wewnątrz. W kosmosie nie ma tarcia, więc planety pozostają na orbicie prawie na zawsze.
pjc50
9
Obowiązkowe odniesienie do XKCD .
Przywróć Monikę
3
Obowiązkowe odniesienie Feynmana . (Mówi o magnesach, ale lekcja o tym, jak myślisz o rzeczach, ma zastosowanie w każdej nauce.)
jpmc26,
3
@Zaibis Nie czuj się zbyt oświecony - myślę, że Luaan po prostu się myli. Jeśli zahamujesz orbitujący obiekt, rzeczywiście straci on energię i wysokość. W nowej najniższej pozycji (perygeum) będzie miał większą prędkość, ale przez cały czas suma nowej prędkości i „energii potencjalnej” z pola grawitacyjnego jest mniejsza niż na pierwotnej orbicie, o czym świadczy fakt, że będzie za wolny w apogeum, aby utrzymać oryginalną wyższą orbitę (spowolniliśmy ją tam!). Por. moja odpowiedź na komentarz Luaan pod moim postem poniżej. Myli wpływ dwóch niezwiązanych sił pływowych na Księżyc.
Peter - przywróć Monikę

Odpowiedzi:

27

Po pierwsze: „Jak naprawdę działa grawitacja” jest głębokim pytaniem i każdy poważny naukowiec szybko przyznałby, że mamy tylko niepełny działający model. Z pewnością słyszałeś o ogólnej teorii względności ; pierwszy obraz na stronie to twoja trampolina.

Nasz model roboczy, Ogólna teoria względności, działa, ponieważ bardzo ładnie wyjaśnia wiele obserwacji. (Ostrożnie, oto kolejne głębokie pytanie: „Wyjaśnia” oznacza, że ​​możemy przewidzieć niektóre obserwacje na podstawie innych obserwacji na podstawie modelu grawitacji, jaki mamy w głowie. Niekoniecznie oznacza to, że rozumiemy „prawdziwą naturę” podstawy problemy.) Jesteśmy jednak bardzo pewni, że model działa w szerokim zakresie obserwacji. Jedną z ostatnich obserwacji „po raz pierwszy”, która była zgodna z przewidywaniami i dała nam więcej zaufania do modelu, były ostatnio zderzające się dwie czarne dziury. Ostatnio? Cóż, miliardy lat temu. Właśnie się o tym dowiedzieliśmy ostatnio. Oto link do artykułu w New York Timesie z imponującym wideo. (Myślę, że nadal można czytać ograniczoną liczbę artykułów Timesa za darmo, więc wypróbuj.)

Nasz model grawitacji jest niekompletny, ponieważ nie łączy się dobrze z modelem natury, który mamy dla innych rzeczy (cząstki elementarne, fizyka kwantowa). Przez jakiś czas (około 70 lat) wcale się nie łączyło; Sam Einstein całkowicie nie zdołał połączyć kropek, co prawdopodobnie nie było zachęcające, ponieważ otrzymał Cenę Nobla za położenie jednego z fundamentów fizyki kwantowej i był oczywistym autorytetem w dziedzinie grawitacji. Gdyby nie mógł tego zrobić, kto mógłby?

Jeśli się nie mylę, dzisiaj fizycy robią postępy, powoli. Powiązanie fizyki kwantowej z grawitacją jest jednym z głównych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki.

Na koniec pozwólcie, że odniosę się do waszych obaw związanych z planetami spiralnymi do słońca. Ten pomysł prawdopodobnie pochodzi z rzeczywistych piłek na prawdziwej trampolinie. Prawdopodobnie wiesz, że piłki tracą prędkość z powodu tarcia, podobnie jak spowalniasz rower po zatrzymaniu pedałowania. Część energii kinetycznej jest przekształcana w ciepło.

I wiesz co? Masz rację. Przy wystarczającym czasie planety ostatecznie spadłyby na słońce.Nisko latające satelity spadają na ziemię po kilku latach, ponieważ nadal istnieją ślady atmosfery spowalniające je. Powodem jest to, że „tarcie” w szerszym znaczeniu jest zaangażowane we wszystkie procesy na dużą skalę we wszechświecie. To właściwie jedna z podstawowych zasad fizycznych, które składają się na świat, który znamy. Po prostu bliskie podciśnienie między planetami nie zapewnia tak dużego tarcia, a planety są dość masywnymi ciałami o ogromnej masie i energii kinetycznej. Minie dużo czasu, zanim stracą tyle energii, że będą tak blisko, że dotkną słońca. (Być może w ogóle za długo by się to wydarzyło.) W rzeczywistości, w czasach ludzkiego życia planety, księżyce i inne rzeczy są prawie idealnymi przykładami ruchu bez tarcia. Ale w astronomicznej skali czasu- miliardy lat - z pewnością występuje tarcie. Na przykład księżyc pokazuje nam zawsze tę samą stronę, ponieważ tarcie spowolniło jego obrót, dzięki czemu obrót jest teraz „zablokowany” na swojej orbicie.

Konkluzja: Idea, że ​​grawitacja zagina przestrzeń i czas „wyjaśnia” wszystkie dotychczasowe obserwacje na dużą skalę; „trampolina” jest dobrym modelem dla dwuwymiarowej „przestrzeni”, tj. powierzchni, jeśli zignorujesz tarcie.

Peter - Przywróć Monikę
źródło
Księżyc jest również znacznie dalej niż w przeszłości. Tarcie pływowe zmniejszyło prędkość orbity, co zwiększa promień orbity. Promień rośnie obecnie o około cztery centymetry rocznie.
Luaan
6
+1 za „Nie jesteśmy do końca pewni, ale oto niektóre z naszych najlepszych domysłów na podstawie obserwacji”.
Cort Ammon - Przywróć Monikę
1
Popraw oświadczenie dotyczące księżyca. Księżyc nie jest synchronizowany („blokowany”) przez przypadek, ale z powodu pływowych sił grawitacji - bliższa strona księżyca cierpi z powodu wyższej grawitacji niż druga. Siła ta może spowodować, że obiekt zwiększy swój obrót, jeśli obracałby się wolniej niż prędkość orbitująca.
libik
2
@libik Nie widzę niczego, co wymagałoby korekty (w szczególności nie powiedziałem ani nie sugerowałem „przypadkiem” - wręcz przeciwnie, wymieniłem tarcie jako przyczynę). Można by wspomnieć o siłach pływowych, ale myślałem, że tarcie jest wystarczająco dobre bez zbytniego objazdu. Robisz ciekawy punkt z możliwym przyspieszającym obrotem z powodu sił pływowych; ale wciąż spowalnia (do zera) w stosunku do orbitalnej ramy odniesienia.
Peter - przywróć Monikę
2
@Luaan W grze występują dwie siły pływowe. (1) Księżyc otrzymuje energię z obrotu Ziemi przez siły pływowe, jakie wywiera na nią obracająca się ziemia , przyspieszając ją w kierunku obrotu Ziemi. Podnosi to (powoli) wyżej w ziemskiej studni grawitacyjnej, jak mówisz poprawnie. (2) Cykliczna deformacja Księżyca („ugniatanie”) spowodowana przez obrót księżyca w niejednorodnym polu grawitacyjnym Ziemi przekształca (ed) część energii obrotowej w ciepło, ostatecznie synchronizując orbitę i obrót, w którym to momencie prawie nie ma przypływów księżyca więcej (chyba tych z powodu wibracji).
Peter - przywróć Monikę
20

Dlaczego przedmioty nie uciekają ?

Rozważ najpierw obiekt z prędkością i bez grawitacji w akcji:

uciekasz?

Wtedy ten niebieski obiekt będzie coraz bardziej oddalony, jeśli będzie kontynuował w tym samym kierunku.

Ale nie idzie w tym samym kierunku, po pewnym czasie grawitacja dużego czarnego obiektu zmieniła swój kurs:

nowy kurs

To się zdarza raz po raz:

powtarzać

Twoje pytanie brzmi: dlaczego obiekt nie krąży spiralnie? Być może myślisz, że w miarę zbliżania się grawitacja staje się silniejsza i dlatego obiekt jest zmuszony zbliżyć się jeszcze bardziej.

Ale kiedy opada bliżej, jego prędkość wzrasta. Jak widzieliśmy, prędkość obiektów próbuje sprawić, że ucieknie. Kiedy jest bliżej, ma większą prędkość, aby przeciwdziałać zwiększonej grawitacji.

Edycja: W przypadku bardziej dosłownej interpretacji twojego pytania, trampolina w oryginalnej analogii powoduje tarcie, a zatem spiralne, ale przestrzeń jest próżnią.

Hohmannfan
źródło
1
Myślę, że kluczem do tego, dlaczego nie spada, jest to, że w kosmosie nie mamy tarcia - na trampolinie energia jest ciągle usuwana z piłki przez tarcie, podczas gdy w kosmosie nic nie może spowolnić naszej planety, więc po prostu trwa
Jeff
@Jeff Edytowano w
Hohmannfan
4
Mój nauczyciel fizyki w liceum powiedział: „Ziemia cały czas spada w kierunku słońca, ale wciąż tęskni za jego prędkością”.
Peter - przywróć Monikę
3

Analogia trampoliny jest przydatna, jeśli rozumiesz grawitację w ramach ogólnej teorii względności. Problemem koncepcyjnym jest to, że faktycznie czasoprzestrzeń jest owinięta w 4, a nie w 3 wymiarach, tj. Łącznie z czasem.

W rzeczywistości, gdy Ziemia obraca się wokół Słońca, traci bardzo niewielką ilość energii w postaci fal grawitacyjnych. Ziemia krąży więc w kierunku Słońca. Chodzi o to, że ta emisja fal grawitacyjnych jest tak niewielka, że ​​do czasu zaobserwowania znacznej spirali Ziemia i Słońce przestałyby istnieć. Znacznie wcześniej Układ Słoneczny staje się niestabilny z powodu chaotycznych efektów zawartych już w klasycznej mechanice Newtona.

Santi
źródło
1

Świetne pytanie!

Czy słyszałeś o Pierwszym Prawie Newtona? Mówi, że obiekt w ruchu nadal porusza się z tą samą prędkością i w tym samym kierunku, chyba że działa na niego siła .

Kiedy przetoczymy piłkę po ziemi, w końcu się zatrzyma. Przed Newtonem wiele osób uważało, że wszystko samo zwalnia. Wgląd Newtona polegał na tym, że nie jest to prawdą, a właściwie jedynym powodem, dla którego tocząca się piłka zwalnia, jest to, że ziemia i powietrze ocierają się lub popychają piłkę, aby ją spowolnić.

Na trampolinie piłka będzie ocierać się o materiał trampoliny i powietrze, co go spowalnia. Jest to jedyny powód, dla którego piłka kończy się spiralnie w kierunku środka.

Kiedy nie ma nic, co mogłoby spowolnić obiekt, nie skręca w kierunku środka, po prostu będzie krążył w kółko na zawsze. W kosmosie nie ma (prawie) niczego, co mogłoby spowolnić obiekt.

Jeśli trudno ci w to uwierzyć, możesz napisać program komputerowy, który wykona wszystkie obliczenia i zobaczy, co się stanie! Zrobiłem dla ciebie przykładową symulację . Przekonasz się, że bez tarcia planeta skończy się tam, gdzie zaczęła za każdym razem, gdy okrąża Słońce. Jeśli zmienisz początkową prędkość planety z 20 na 40, a następnie klikniesz „Uruchom” w górę, zobaczysz bardziej okrągłą orbitę. Możesz zmienić inne rzeczy i zobaczyć, co się stanie. Mam nadzieję, że uznasz to za przydatne!

Artelius
źródło
Ładna symulacja. (Chociaż planeta uciekła od słońca po tym, jak się zbliżyła :-))
Peter - Przywróć Monikę
To easter egg;) Właściwie to dobry punkt do dyskusji --- przypomina nam, że symulacja to TYLKO grawitacja, a nie kolizje, a także, że kiedy planeta naprawdę zbliży się do słońca, krok czasowy symulacji powoduje duże niedokładności. Można to zmniejszyć za pomocą bardziej wyrafinowanych metod numerycznych, takich jak Runge-Kutta, ale teraz jestem daleko poza zakresem pytania!
Artelius
Nie wiem, czy to ta sama symulacja, kiedy to zrobisz, ale jeśli zmienisz warunek pętli for na i < 1zamiast, i < 5a zmienisz parametr limitu czasu na wartość setInterval na, 10zamiast 100, symulacja staje się o wiele przyjemniejsza do oglądania . Działa nieco szybciej, ale liczba klatek na sekundę jest znacznie wyższa, więc ruch zewnętrznego ciała nie jest tak postrzępiony.
Alex
Dzięki Alex! W rzeczywistości parametr limitu czasu powinien wynosić 20, a następnie (zakładając, że procesor jest wystarczająco szybki) jest to ta sama symulacja. Na moim komputerze spowalnia to symulację o 25%, prawdopodobnie dlatego, że mój procesor nie jest wystarczająco szybki. Mimo to wygląda na gładszy; oto nowa uproszczona wersja: jsfiddle.net/0erknpk8/38
Artelius
-2

Indukcyjno-strunowa indukcja strun jest przyczyną grawitacji. Niektórzy powiedzą, że neutrina są nieznaczące, ale Dirac, Hawking i Tyson myślą inaczej i większość pomija efekt naładowanej cząstki poruszającej się z prędkością światła. Pamiętaj, że nikt nie może udowodnić, że masa jest właściwością materii, a raczej efektem.

Wejdź na www.themechanismofreality.com, ta strona wyjaśnia dokładnie, jak działa grawitacja. Każdy fizyk, który to analizuje, zgadza się, że jest to poprawne. Od CERN do Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Pekinie zgadzają się, że jest to „fantastyczne połączenie fizyki grawitonu z teorią strun”! Potwierdzono to również pośrednio przez LIGO i ogłoszenie fali grawitacyjnej. Ciesz się!

SkipBerne
źródło
To jest tylko odpowiedź linku. (nie zachęca się), ten papier wydaje się nieco dziwny pod koniec.
Hohmannfan,
Mam dokuczliwe wrażenie, że brak matematyki, odniesień i współpracy wskazuje, że nie jest to nauka rewolucyjna, ale co najwyżej popularny artykuł naukowy. To jest trudne; nie należy oczywiście dodawać matematyki tylko po to, aby wyglądać poważnie. Ale tego rodzaju samotny przełom zmieniający paradygmat (który, jak sądzę, twierdzi się tutaj, ponieważ nigdy wcześniej o nim nie słyszałem) jest niezwykle rzadki.
Peter - przywróć Monikę
Aby uczynić teorię w artykule bardziej przyjemną, możesz spróbować umieścić ją w kontekście. Na przykład zacznij od tego, co konwencjonalna teoria (i jej słynni zwolennicy) sądzi, że Neutrino jest i jak oddziałuje, i dlaczego inne założenie może wyjaśnić grawitację.
Peter - przywróć Monikę