Gravitation

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Gravitation est un produit naturel phénomène par lequel tous les objets de masse se attirent mutuellement, et est l'un des forces fondamentales de la physique. Dans la vie quotidienne, la gravitation est le plus souvent considéré comme l'organisme qui donne objets poids. Il est responsable de la tenue de la Terre et les autres planètes dans leur orbites autour du Soleil; pour maintenir la Lune dans son orbite autour de la Terre, pour la formation des marées ; pour convection (par laquelle les fluides chauds montent); pour chauffer l'intérieur des étoiles et des planètes formant à des températures très élevées; et pour divers autres phénomènes que nous observons. La gravitation est aussi la raison de l'existence même de la Terre , le Soleil , et la plupart des objets macroscopiques dans le univers ; sans elle, serait question ne ont fusionné dans ces grandes masses et la vie , comme nous le savons, ne existerait pas.

Moderne de la physique décrit la gravitation en utilisant la théorie générale de la relativité , mais le plus simple La loi de Newton de la gravitation universelle fournit une excellente approximation dans la plupart des cas.

Les termes gravitation et la gravité sont essentiellement interchangeables dans l'usage quotidien, mais dans l'usage scientifique une distinction peut être faite. "Gravitation" est un terme général décrivant l'influence attractive que tous les objets dont la masse exercent sur l'autre, tandis que la «gravité» se réfère spécifiquement à une vigueur qui est censé, dans certains théories (comme Newton) d'être la cause de cette attraction. En revanche, dans la relativité générale est due à la gravitation courbures de l'espace-temps qui causent des objets en mouvement par inertie à accélérer vers l'autre.

Gravitation maintient les planètes en orbite autour du Soleil (Pas à l'échelle)

Histoire de la gravitation

Première histoire

Efforts pour comprendre la gravité ont commencé dans les temps anciens. Philosophes Inde ancienne a expliqué le phénomène de la 8ème siècle avant JC. Selon Kanada, fondateur de la École Vaisheshika, " Poids provoque la chute, ce est imperceptible et connu par inférence. "

Dans le 4ème siècle avant JC, le Philosophe grec Aristote croyait qu'il n'y avait pas sans effet causer, et donc pas de mouvement sans vigueur . Il a émis l'hypothèse que tout a essayé de se déplacer vers sa place dans le sphères cristallines des cieux, et que les corps physiques ont chuté vers le centre de la Terre en proportion de leur poids.

Brahmagupta, dans la Brahmasphuta Siddhanta (AD 628), a répondu aux critiques de la héliocentrique système Aryabhata (AD 476-550) indiquant que «toutes choses lourdes sont attirés vers le centre de la terre» et que «toutes choses lourdes tomber à la terre par une loi de la nature, car ce est la nature de la terre pour attirer et de garder les choses, car ce est la nature de l'eau de se écouler, que du feu de brûler, et que de vent pour mettre en mouvement ... La terre est la seule chose faible, et les graines toujours revenir à elle, dans la direction que vous peuvent les jeter, et de ne jamais lever en haut de la terre. "

Au 9ème siècle, l'aîné Beni Moussa frère, Muhammad ibn Musa, dans son Astral mouvement et la force d'attraction, l'hypothèse qu'il y avait une force d'attraction entre corps célestes, préfigurant La loi de Newton de la gravitation universelle. Dans les 1000s, la Persan scientifique Ibn al-Haytham (Alhacen), dans le Mizan al-Hikmah, a discuté de la théorie de l'attraction entre les masses , et il semble qu'il était conscient de la amplitude de l'accélération due à la gravité. En 1121, Al-Khazini, dans Le Livre de la Balance de la Sagesse, une distinction entre la force , la masse , et poids, et a découvert que la gravité varie avec la distance à partir du centre de la Terre, se il pense que le poids des corps lourds augmente car ils sont plus éloignés du centre de la Terre. Tous ces premières tentatives d'essayer d'expliquer la force de gravité étaient de nature philosophique et il serait Isaac Newton qui a donné la première description correcte de gravité .

Révolution scientifique

Travail moderne sur la théorie gravitationnelle a commencé avec le travail de Galileo Galilei à la fin du 16ème siècle et début du 17ème siècle. Dans son célèbre (mais probablement apocryphe) expérience tomber des boules de la Tour de Pise , et plus tard avec des mesures précises de boules qui roulent vers le bas incline, Galileo a montré que la gravitation accélère tous les objets à la même vitesse. Ce était un changement majeur de la croyance d'Aristote que les objets les plus lourds sont accélérés rapidement. (Galileo correctement postulé résistance de l'air comme la raison que les objets plus légers peuvent tomber plus lentement dans une atmosphère.) L'œuvre de Galilée a préparé le terrain pour la formulation de la théorie de la gravitation de Newton.

La théorie de la gravitation de Newton

En 1687, le mathématicien anglais Sir Isaac Newton a publié Principia , qui émet l'hypothèse la la loi inverse du carré de la gravitation universelle. Dans ses propres mots, "je en ai déduit que les forces qui maintiennent les planètes dans leurs orbes doivent être réciproquement comme les carrés de leurs distances des centres sur lesquels ils tournent; et ainsi comparé la force nécessaire pour maintenir la Lune dans son orbe avec la force de la pesanteur à la surface de la Terre; et nous avons constaté qu'ils répondent à peu près ".

La théorie de Newton a connu son plus grand succès quand il a été utilisé pour prédire l'existence de Neptune fondées sur des mouvements de Uranus qui ne pouvaient pas être pris en compte par les actions des autres planètes. Calculs John Couch Adams et Urbain Le Verrier fois prédit la position générale de la planète, et les calculs de Le Verrier sont ce qui a conduit Johann Gottfried Galle à la découverte de Neptune.

Ironiquement, ce est une autre différence dans l'orbite d'une planète qui a aidé à souligner des failles dans la théorie de Newton. À la fin du 19ème siècle, il était connu que l'orbite de Mercure ne pouvait pas être pris en compte entièrement sous la théorie de Newton, mais toutes les recherches pour un autre corps troublant (comme une planète en orbite autour du Soleil encore plus proche que Mercure) avait été infructueuse. Le problème a été résolu en 1915 par Albert Einstein nouvelle s ' Théorie de la relativité générale , qui représente la différence dans l'orbite de Mercure.

Bien que la théorie de Newton a été remplacée, la plupart des calculs gravitationnels non relativistes modernes sont toujours faites en utilisant la théorie de Newton parce que ce est une théorie beaucoup plus simple à travailler que la relativité générale , et donne des résultats suffisamment précis pour la plupart des applications.

La relativité générale

Dans la relativité générale , les effets de la gravitation sont attribués à l'espace-temps courbure au lieu d'une force. Le point de départ de la relativité générale est le principe d'équivalence, ce qui équivaut chute libre avec le mouvement inertiel. La question que cela crée est que les objets-chute libre peuvent accélérer par rapport à l'autre. Dans la physique newtonienne , une telle accélération ne peut se produire que si au moins l'un des objets est exploité par une force (et donc ne se déplace pas par inertie).

Pour faire face à cette difficulté, Einstein a proposé que l'espace-temps est courbé par la matière, et que les objets en chute libre se déplacent le long des chemins localement droites dans l'espace-temps courbe. (Ce type de voie est appelée un géodésique.) Plus précisément, Einstein a découvert le équations du champ de la relativité générale, qui concernent la présence de la matière et la courbure de l'espace-temps et sont nommés après lui. Le Équation d'Einstein sont un ensemble de 10 simultanément, non-linéaire, les équations différentielles . Les solutions des équations de champ sont les composantes de la tenseur métrique de l'espace-temps. Un tenseur métrique décrit une géométrie de l'espace-temps. Les chemins géodésiques pour un espace-temps sont calculées à partir du tenseur métrique.

Notable Solutions des équations de champ d'Einstein comprennent:

• Le Solution de Schwarzschild, qui décrit l'espace-temps autour d'un symétrie sphérique non rotation non chargée objet massif. Pour suffisamment d'objets compacts, cette solution a généré un trou noir avec une centrale singularité. Pour des distances radiales du centre qui sont beaucoup plus grande que la Rayon de Schwarzschild, les accélérations prédites par la solution de Schwarzschild sont pratiquement identiques à celles prédites par la théorie de la gravitation de Newton.
• Le Solution Reissner-Nordström, dans lequel l'objet central a une charge électrique. Pour les frais avec un longueur qui est inférieure à la longueur géométrisée de la masse de l'objet géométrisée, cette solution produit trous noirs avec deux horizons d'événements.
• Le Solution de Kerr pour faire tourner des objets massifs. Cette solution permet également de trous noirs avec de multiples horizons d'événements.
• Le Solution de Kerr-Newman pour charge, la rotation des objets massifs. Cette solution permet également de trous noirs avec de multiples horizons d'événements.
• Le cosmologique Solution Robertson-Walker, qui prédit l'expansion de l' univers .

La relativité générale a connu beaucoup de succès en raison de la façon dont ses prévisions de phénomènes qui ne sont pas appelés par la théorie de la gravité ont été régulièrement confirmée. Par exemple:

• Représente la relativité générale pour l'anormale périhélie précession de la planète Mercure .
• La prédiction que le temps est plus lent à des potentiels inférieurs a été confirmée par le Expérience Pound-Rebka, le Expérience de Hafele-Keating, et GPS.
• La prédiction de la déviation de la lumière a été confirmée par Arthur Eddington en 1919, et a plus récemment été fortement confirmée par l'utilisation d'un quasar qui passe derrière le Soleil vu de la Terre . Voir également lentille gravitationnelle.
• Le temporisation de la lumière passant à proximité d'un objet massif a été identifié par Irwin Shapiro en 1964 dans les signaux d'engins spatiaux interplanétaires.
• Rayonnement gravitationnel a été indirectement confirmé par des études de binaire pulsars.
• L'expansion de l'univers (prédit par le Alexander Friedmann) a été confirmée par Edwin Hubble en 1929.

la mécanique quantique et la gravité

Plusieurs décennies après la découverte de la relativité générale, il a réalisé que la relativité générale est incompatible avec la mécanique quantique . Il est possible de décrire la gravité dans le cadre de la théorie quantique des champs comme l'autre forces fondamentales, la force d'attraction de gravité se pose en raison de l'échange de virtuel gravitons, de la même façon que la force électromagnétique provient de l'échange de virtuelles photons . Ce reproduit la relativité générale dans le limite classique. Cependant, cette approche échoue à de courtes distances de l'ordre de la Longueur de Planck, où une théorie plus complète de la gravité quantique (ou une nouvelle approche de la mécanique quantique) est nécessaire. Beaucoup pensent que le théorie complète soit la théorie des cordes , ou plus actuellement M Theory .

Détails

La gravité de la Terre

Chaque corps planétaire (y compris la Terre) est entouré par son propre champ gravitationnel, qui exerce une force d'attraction sur tous les objets. En supposant une planète à symétrie sphérique (une approximation raisonnable), la force de ce champ en un point donné est proportionnelle à la masse du corps planétaire et inversement proportionnelle au carré de la distance entre le centre du corps.

La force du champ de gravitation est numériquement égale à l'accélération des objets sous son influence, et sa valeur à la surface de la Terre, notée g, est d'environ 9,8 m / s² (32,2 m / s²) comme moyenne standard. Cela signifie que, en ignorant la résistance de l'air, un objet tombant en chute libre à proximité de la surface de la terre augmente sa vitesse de 9,8 m / s (32,2 pieds / s ou 22 mph) pour chaque seconde de sa descente. Ainsi, un objet à partir de repos atteindre une vitesse de 9,8 m / s (32 pieds / s) après une seconde, 19,6 m / s (64 ft / s) après deux secondes, et ainsi de suite, en ajoutant 9,8 m / s à chaque vitesse résultante. Selon la 3ème loi de Newton, la Terre elle-même subit une force égale et opposée à celle agissant sur l'objet qui tombe, ce qui signifie que la Terre accélère également vers l'objet. Cependant, parce que la masse de la Terre est énorme, l'accélération de la Terre par cette même force est négligeable, quand elle est mesurée par rapport au système du centre de masse .

Équations pour un corps en chute

Balle en chute libre par gravité. Voir le texte pour la description.

Les équations cinématiques et dynamiques décrivant les trajectoires de la chute des corps sont considérablement plus simple si la force gravitationnelle est supposé constant. Cette hypothèse est raisonnable pour les objets tombant à terre sur les distances verticales relativement courtes de notre expérience quotidienne, mais ne tient pas sur de plus grandes distances, comme les trajectoires des engins spatiaux, depuis l'accélération due à la gravité terrestre est beaucoup plus petit à de grandes distances.

Sous l'hypothèse d'une constante de gravité, La loi de Newton pour la gravitation simplifie F = mg, où m est la masse du corps et g est un vecteur constant avec une valeur moyenne de 9,81 m / s². L'accélération due à la gravité est égale à cette g. Un objet initialement stationnaire qui est autorisé à tomber librement par gravité descend une distance qui est proportionnelle au carré du temps écoulé. L'image sur la droite, se étendant sur une demi-seconde, a été capturé avec un flash stroboscopique à 20 flashs par seconde. Au cours de la première 1 / 20e de seconde, la balle tombe d'une unité de distance (ici, une unité est d'environ 12 mm); par 2 / 20ths il a chuté au total de 4 unités; par 3 / 20ths, 9 unités et ainsi de suite.

Dans les mêmes hypothèses de gravité constants, la énergie potentielle, E _p, d'un corps à la hauteur h est donnée par E = _p mgh (ou E _p = Wh, avec W signifie poids). Cette expression ne est valable que sur de petites distances h de la surface de la Terre. De même, l'expression pour la hauteur maximale atteinte par un corps projetée verticalement avec une vitesse v est utile pour les petites hauteurs et des petites vitesses initiales seulement. En cas de grandes vitesses initiales, nous devons utiliser le principe de conservation de l'énergie pour trouver la hauteur maximale atteinte. Cette même expression peut être résolue pour v pour déterminer la vitesse d'un objet tombe d'une hauteur h juste avant de toucher le sol, , En supposant que la résistance de l'air négligeable.

Gravité et l'astronomie

La découverte et l'application de la loi de Newton des comptes de gravité pour les informations détaillées que nous avons sur les planètes de notre système solaire, la masse du Soleil, la distance aux étoiles, quasars et même la théorie de la matière noire . Bien que nous ne avons pas voyagé dans toutes les planètes, ni au soleil, nous connaissons leurs masses. Ces masses sont obtenus en appliquant les lois de la gravité sur les caractéristiques mesurées de l'orbite. Dans l'espace un objet maintient sa en orbite en raison de la force de gravité agissant sur elle. Planètes étoiles en orbite, les étoiles orbite centres galactiques, galaxies en orbite autour d'un centre de masse en grappes, et les clusters en orbite superamas. La force de gravité est proportionnelle à la masse d'un objet et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les objets.

Rayonnement gravitationnel

Dans la relativité générale, rayonnement gravitationnel est généré dans les situations où la courbure de l'espace-temps est oscillant, comme ce est le cas avec des objets co-orbital. Le rayonnement gravitationnel émis par le système solaire est beaucoup trop petite pour mesurer. Cependant, la radiation gravitationnelle a été indirectement observé comme une perte d'énergie au fil du temps dans les systèmes de pulsars binaires tels que PSR 1913 + 16. On pense que neutrons fusions étoiles et trous noirs formation peuvent créer des quantités détectables de rayonnement gravitationnel. Observatoires de rayonnement gravitationnel tels que LIGO ont été créés pour étudier le problème. Pas de détections confirmées ont été faites de ce rayonnement hypothétique, mais que la science derrière LIGO est raffiné et que les instruments eux-mêmes sont dotés de plus grande sensibilité sur la prochaine décennie, ce qui peut changer.

Théories alternatives

Théories alternatives historiques

• Théorie aristotélicienne de gravité
• Théorie de la gravitation de Le Sage (1784) a également appelé LeSage gravité, proposé par Georges-Louis Le Sage, basé sur une explication basée fluide où un gaz léger remplit l'univers entier.
• La théorie de la gravitation Nordström (1912, 1913), un concurrent début de la relativité générale.
• La théorie de la gravitation de Whitehead (1922), un autre concurrent au début de la relativité générale.

Théories alternatives récents

• Brans-Dicke la théorie de la gravité (1961)
• Gravité induite (1967), une proposition de Andrei Sakharov selon lesquelles la relativité générale pourrait découler de théories quantiques des champs de matière.
• Rosen théorie bi-métrique de gravité
• Dans le la dynamique newtonienne modifiés (Mond) (1981), Mordehai Milgrom propose une modification de la deuxième loi de Newton de mouvement pour les petites accélérations.
• La nouvelle et très controversée la théorie de la physique des processus tente de répondre à la gravité
• Le auto-création de la théorie de la cosmologie de gravité (1982) par GA Barber dans lequel le Brans-Dicke théorie est modifiée pour permettre la création de masse.
• La théorie non symétrique gravitationnelle (NGT) (1994) de John Moffat
• Tensor vecteur-scalaire gravité (Teves) (2004), une modification relativiste de MOND par Jacob Bekenstein