Gravitação

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Gravitação é natural fenómeno pelo qual todos os objectos com massa atraem-se mutuamente, e é um dos mais forças fundamentais da física. Na vida cotidiana, a gravitação é mais comumente visto como a agência que dá objetos peso. Ele é responsável por manter a Terra e os outros planetas em seu órbitas em torno do Sol; por manter a Lua em sua órbita ao redor da Terra, para a formação de marés ; para convecção (pelo qual fluidos quentes subir); para aquecer o interior de formação de estrelas e planetas a temperaturas muito altas; e para vários outros fenômenos que observamos. Gravitação é também a razão para a própria existência da Terra , o Sol , ea maioria dos objetos macroscópicos no universo ; sem ele, a matéria não teria fundiram-se em estes grandes massas e vida , como a conhecemos, não existiria.

Modern física descreve a gravitação usando a teoria geral da relatividade , mas o muito mais simples Lei da gravitação universal de Newton oferece uma excelente aproximação na maioria dos casos.

Os termos gravitação e gravidade são principalmente intercambiáveis no uso diário, mas no uso científico pode ser feita uma distinção. "Gravitação" é um termo geral que descreve a influência atraente que todos os objectos com massa exercer um sobre o outro, enquanto "gravidade" refere-se especificamente a uma força que é suposto em algumas teorias (tais como Newton) a ser a causa desta atracção. Em contrapartida, na relatividade geral gravitação é devido a curvaturas no espaço-tempo que causam movimento inercial objetos para acelerar em direção ao outro.

Gravitação mantém os planetas em órbita em torno do Sol (Não está à escala)

História da teoria gravitacional

História antiga

Os esforços para entender a gravidade começou nos tempos antigos. Filósofos em Índia antiga explicou o fenômeno do século 8 aC. Conforme Kanada, fundador do Escola Vaisheshika, " Peso provoca queda, é imperceptível e conhecido por inferência. "

No século 4 aC, a Filósofo grego Aristóteles acreditava que não havia efeito sem causar, e portanto não há movimento sem força . Ele hipótese de que tudo tentou avançar para o seu devido lugar no esferas cristalinas dos céus, e que os corpos físicos caiu em direção ao centro da Terra em proporção ao seu peso.

Brahmagupta, no Brahmasphuta Siddhanta (AD 628), respondeu aos críticos do heliocêntrica do sistema de Aryabhata (476-550 AD) afirmando que "todas as coisas pesadas são atraídos para o centro da terra" e que "todas as coisas pesadas cair para a terra por uma lei da natureza, pois é da natureza da terra para atrair e para manter as coisas, uma vez que é a natureza da água a fluir, que de fogo para queimar, e que de vento para colocar em movimento ... A terra é a única coisa baixa, e as sementes sempre voltar a ele, em qualquer direção que você pode jogá-los fora, e nunca subir para cima da terra. "

No século 9, o mais velho Banu Musa irmão, Muhammad ibn Musa, em sua Astral Motion e a força de atração, a hipótese de que havia uma força de atração entre corpos celestes, prenunciando A lei de Newton da gravitação universal. Nos 1000s, o Persa cientista Ibn al-Haytham (Alhacen), no Mizan al-Hikmah, discutiu a teoria da atração entre massas , e parece que ele estava ciente da magnitude da aceleração devida à gravidade. Em 1121, Al-Khazini, em O Livro da Balança de Sabedoria, diferenciado entre força , massa , e peso, e descobriu que a gravidade varia de acordo com a distância a partir do centro da Terra, que acreditava que o peso dos corpos pesados aumentar à medida que eles estão mais longe do centro da Terra. Todas estas primeiras tentativas de tentar explicar a força da gravidade eram de natureza filosófica e seria Isaac Newton que deu a primeira descrição correta da gravidade .

Revolução científica

Trabalho moderno na teoria gravitacional começou com o trabalho de Galileu Galilei no final do século 16 e início do século 17. Em sua famosa (embora provavelmente apócrifa) experimento soltando bolas da Torre de Pisa , e mais tarde com medidas cuidadosas de bolas rolando para baixo inclina, Galileu mostrou que a gravitação acelera todos os objetos com a mesma taxa. Este foi um importante ponto de partida da crença de Aristóteles de que objetos mais pesados são acelerados mais rápido. (Galileu postulou corretamente a resistência do ar como a razão que os objetos mais leves podem cair mais lentamente em uma atmosfera.) Trabalho de Galileu preparou o palco para a formulação da teoria da gravidade de Newton.

Teoria da gravitação de Newton

Em 1687, Inglês matemático Sir Isaac Newton publicou Principia , o que levanta a hipótese de o lei do inverso do quadrado da gravitação universal. Em suas próprias palavras, "Deduzi que as forças que mantêm os planetas em suas órbitas devem ser reciprocamente como os quadrados de suas distâncias do centro sobre o qual eles giram; e, assim, em comparação a força necessária para manter a Lua em sua esfera com a força da gravidade para a superfície da terra; e encontrou-os responder a quase bastante ".

A teoria de Newton teve seu maior sucesso quando foi utilizado para prever a existência de Netuno com base em movimentos de Urano , que não podem ser totalmente explicadas pelas ações dos outros planetas. Cálculos por John Couch Adams e Urbain Le Verrier tanto previu a posição geral do planeta, e os cálculos de Le Verrier são o que levou Johann Gottfried Galle para a descoberta de Netuno.

Ironicamente, foi outra discrepância na órbita de um planeta que ajudou a apontar falhas na teoria de Newton. Até o final do século 19, sabia-se que a órbita de Mercúrio não poderia ser contabilizados inteiramente sob a teoria de Newton, mas todas as pesquisas para outro corpo perturbadora (como um planeta que orbita o Sol ainda mais perto do que Mercúrio) tinha sido infrutífero. O problema foi resolvido em 1915 por Albert Einstein novo 's Teoria Geral da Relatividade , que representou a discrepância na órbita de Mercúrio.

Embora a teoria de Newton foi substituída, a maioria dos cálculos gravitacionais não-relativistas modernos ainda são feitas utilizando a teoria de Newton, porque é uma teoria muito mais simples de trabalhar do que a Relatividade Geral , e dá resultados suficientemente precisos para a maioria das aplicações.

A relatividade geral

Na relatividade geral , os efeitos da gravitação são atribuídas a espaço-tempo curvatura em vez de uma força. O ponto de partida para a relatividade geral é a princípio da equivalência, o que equivale queda livre com o movimento inercial. O problema que esta cria é que os objectos em queda livre pode acelerar com respeito um ao outro. Na física newtoniana , uma tal aceleração não pode ocorrer a menos que pelo menos um dos objetos está sendo operado por uma força (e, portanto, não está se movendo inercial).

Para lidar com essa dificuldade, Einstein propôs que o espaço-tempo é curvo pela matéria, e que objetos em queda livre estão se movendo ao longo de caminhos localmente retas no espaço-tempo curvo. (Este tipo de caminho é chamado um geodésica.) Mais especificamente, Einstein descobriu a equações de campo da relatividade geral, que se referem a presença de matéria ea curvatura do espaço-tempo e são nomeado após ele. O Equações de campo de Einstein são um conjunto de 10 simultânea, não-linear, equações diferenciais . As soluções das equações de campo são os componentes do tensor métrico do espaço-tempo. Um tensor métrico descreve uma geometria do espaço-tempo. Os caminhos geodésicos para um espaço-tempo são calculados a partir do tensor métrico.

Notáveis soluções das equações de campo de Einstein incluem:

• O Solução de Schwarzschild, que descreve o espaço-tempo em torno de um esfericamente simétrica não- girando sem carga enorme objeto. Para objetos compactos o suficiente, esta solução gerou um buraco negro com uma central de singularidade. Para distâncias radiais a partir do centro que são muito maiores do que o Raio de Schwarzschild, as acelerações previstos pela solução de Schwarzschild são praticamente idênticas às previstas pela teoria da gravidade de Newton.
• O Solução Reissner-Nordström, em que o objeto central tem uma carga elétrica. Para as cargas com um comprimento, que são menos do que o comprimento geometrizado da massa do objecto geometrizada, esta solução produz buracos negros com dois horizontes de eventos.
• O Kerr solução para girar objetos maciços. Esta solução também produz buracos negros com vários horizontes de eventos.
• O Solução de Kerr-Newman para carregada, girando objetos maciços. Esta solução também produz buracos negros com vários horizontes de eventos.
• O cosmológica Solução Robertson-Walker, que prevê a expansão do universo .

A relatividade geral tem tido muito sucesso por causa de como suas previsões de fenômenos que não são exigidas pela teoria da gravidade foram confirmados regularmente. Por exemplo:

• A relatividade geral explica a anômala periélio precessão do planeta Mercúrio .
• A previsão de que o tempo corre mais lento em potenciais inferiores foi confirmada pela Pound-Rebka experimento, o Experimento Hafele-Keating, eo GPS.
• A previsão da deflexão da luz foi primeiro confirmada por Arthur Eddington em 1919, e tem sido mais recentemente fortemente confirmados através da utilização de um quasar que passa por trás do Sol como visto da Terra . Veja também lente gravitacional.
• O temporização da luz que passa perto de um objeto massivo foi identificado pela primeira vez Irwin Shapiro em 1964 em sinais de espaçonaves interplanetárias.
• Radiação gravitacional foi indiretamente confirmado por meio de estudos de binário pulsares.
• A expansão do universo (previsto pela Alexander Friedmann) foi confirmada por Edwin Hubble em 1929.

Gravidade ea mecânica quântica

Várias décadas após a descoberta da relatividade geral percebeu-se que a relatividade geral é incompatível com a mecânica quântica . É possível descrever a gravidade no quadro da teoria quântica de campos como o outro forças fundamentais, com a força atrativa da gravidade surge devido à troca de virtual gravitões, da mesma maneira como a força electromagnética resulta de troca de virtuais fotões . Esta reproduz a relatividade geral no limite clássico. No entanto, esta abordagem não a curtas distâncias da ordem do Comprimento de Planck, onde uma teoria mais completa de gravidade quântica (ou uma nova abordagem para a mecânica quântica) é necessária. Muitos acreditam que a teoria completa para ser a teoria das cordas , ou mais atualmente M Theory .

Especificidades

A gravidade da Terra

Cada corpo planetário (incluindo a Terra) é rodeado pelo seu próprio campo gravitacional, que exerce uma força atrativa em todos os objetos. Assumindo um planeta esfericamente simétrico (uma aproximação razoável), a força deste campo, em qualquer ponto é proporcional à massa do corpo planetário e inversamente proporcional ao quadrado da distância a partir do centro do corpo.

A força do campo gravitacional é numericamente igual à aceleração de objectos sob a sua influência, e o seu valor na superfície da Terra, denotado g, é de aproximadamente 9,8 m / s² (32,2 pés / s²) como o média padrão. Isto significa que, ignorando a resistência do ar, um objecto em queda livre perto da superfície da terra, a sua velocidade aumenta com 9,8 m / s (32,2 pés / s ou 22 mph) para cada segundo da sua descida. Assim, um objecto a partir de resto se atingir uma velocidade de 9,8 m / s (32 ft / s) depois de um segundo, de 19,6 m / s (64 pés / s) após dois segundos, e assim por diante, a adição de 9,8 m / s para cada velocidade resultante. De acordo com a terceira Lei de Newton, a própria Terra experimenta uma força igual e oposta à que atuar sobre o objeto em queda, o que significa que a Terra também acelera em direção ao objeto. No entanto, porque a massa da Terra é enorme, a aceleração da Terra por esta mesma força é desprezível, quando medido em relação ao sistema de centro de massa .

Equações para um corpo em queda

Bola caindo livremente por gravidade. Veja o texto para descrição.

As equações cinemáticas e dinâmicas que descrevem a trajetória de queda dos corpos são consideravelmente mais simples se a força gravitacional é assumido constante. Esta suposição é razoável para a queda de objectos para a Terra sobre as distâncias verticais relativamente curtas de nossa experiência cotidiana, mas não se sustenta ao longo de distâncias maiores, como trajetórias de naves espaciais, uma vez que a aceleração devida à gravidade da Terra é muito menor a grandes distâncias.

Sob uma suposição de gravidade constante, Lei de Newton da gravitação simplifica a F = mg, onde m é a massa do corpo e g é um vector com uma amplitude constante média de 9,81 m / s². A aceleração da gravidade é igual a este g. Um objecto inicialmente estacionário que é permitido cair livremente por acção da gravidade cai uma distância que é proporcional ao quadrado do tempo decorrido. A imagem à direita, abrangendo meio segundo, foi capturado com um flash estroboscópico em 20 flashes por segundo. Durante o primeiro 1/20 de um segundo a bola cai uma unidade de distância (aqui, uma unidade é de cerca de 12 mm); por 2 / 20ths ele caiu no total de 4 unidades; por 3 / 20ths 9 unidades, e assim por diante.

Sob as mesmas premissas de gravidade constante, a energia potencial, E _p, de um corpo a uma altura h é dada por E _p = mgh (ou E _p = Wh, com W significando peso). Esta expressão é válida apenas em pequenas distâncias h a partir da superfície da Terra. Do mesmo modo, a expressão para a altura máxima atingida por um corpo da projecção vertical com velocidade v é útil apenas para pequenas alturas e pequenas velocidades iniciais. Em caso de grandes velocidades iniciais nós temos que usar o princípio da conservação da energia para encontrar a altura máxima atingida. Esta mesma expressão pode ser resolvido para v para determinar a velocidade de um objecto deixado cair de uma altura h imediatamente antes de atingir o solo, , Supondo que a resistência do ar insignificante.

Gravidade e astronomia

A descoberta e aplicação do direito das contas de gravidade de Newton para as informações detalhadas que temos sobre os planetas do nosso sistema solar, a massa do Sol, a distância às estrelas, quasares e até mesmo a teoria da matéria escura . Apesar de não ter viajado para todos os planetas nem para a Sun, sabemos suas massas. Estas massas são obtidos através da aplicação da lei da gravidade para as características de medição da órbita. No espaço de um objeto mantém a sua órbita devido à força da gravidade actua sobre ela. Planetas orbitam estrelas, estrelas órbita centros galácticos, as galáxias orbitam um centro de massa em aglomerados, e clusters em órbita superaglomerados. A força da gravidade é proporcional à massa de um objecto e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os objectos.

Radiação gravitacional

Na relatividade geral, a radiação gravitacional é gerado em situações em que a curvatura de espaço-tempo é oscilante, como é o caso de objetos co-orbital. A radiação gravitacional emitida pelo sistema solar é demasiado pequeno para medir. No entanto, a radiação gravitacional foi indiretamente observado como uma perda de energia ao longo do tempo em sistemas binários pulsar como PSR 1913 + 16. Acredita-se que fusões estrela de nêutrons e buracos negros formação podem criar quantidades detectáveis de radiação gravitacional. Observatórios radiação gravitacional, como Ligo foram criados para estudar o problema. Não há detecções confirmadas foram feitas desta radiação hipotético, mas como a ciência por trás LIGO é refinado e como os próprios instrumentos são dotados de maior sensibilidade durante a próxima década, isso pode mudar.

Teorias alternativas

Teorias alternativas históricas

• Teoria aristotélica de gravidade
• A teoria de Le Sábio da gravitação (1784), também chamado LeSage gravidade, proposto pelo Georges-Louis Le Sage, baseado em uma explicação baseada em fluido onde um gás luz preenche todo o universo.
• A teoria de gravitação de Nordström (1912, 1913), um concorrente no início da relatividade geral.
• A teoria de Whitehead da gravitação (1922), outro concorrente início da relatividade geral.

Teorias alternativas recentes

• Teoria Brans-Dicke de gravidade (1961)
• Gravidade induzida (1967), uma proposta de Andrei Sakharov segundo a qual a relatividade geral pode surgir a partir de teorias quânticas de campo de assunto.
• Teoria bi-métrica Rosen de gravidade
• No dinâmica newtoniana modificados (MOND) (1981), Mordehai Milgrom propõe uma modificação da Segunda Lei de Newton de movimento para pequenas acelerações.
• O novo e altamente controverso Teoria do processo de Física tenta abordar gravidade
• O auto-criação teoria cosmologia de gravidade (1982) pelo GA Barber em que o Teoria Brans-Dicke é modificado para permitir a criação em massa.
• Teoria não-simétrica gravitacional (NGT) (1994) por John Moffat
• (Teves) (2004) Tensor-vetor-escalar a gravidade, uma modificação relativista da MOND por Jacob Bekenstein