Жақын тартылыс және энергия тартылысы

Кіріспе

Масса мен энергияның тартылысы

Физикада гравитация (лат. gravitas – салмақ) – барлық массасы бар заттардың арасында өзара тартылысқа себеп болатын негізгі өзара әрекеттесу. Гравитация төрт негізгі өзара әрекеттесудің ең әлсізі болып табылады, мықты өзара әрекеттесуден шамамен 1038 есе әлсіз, электромагниттік күштен 1036 есе әлсіз және әлсіз өзара әрекеттесуден 1029 есе әлсіз. Сондықтан, оның субатомдық бөлшектер деңгейінде елеулі әсері жоқ. Дегенмен, гравитация макроскопиялық масштабтағы заттар арасындағы ең маңызды өзара әрекеттесу болып табылады және планеталардың, жұлдыздардың, галактикалардың, тіпті жарықтың қозғалысын анықтайды. Жерде гравитация физикалық денелерге салмақ береді, ал Айдың гравитациясы мұхиттардағы теңіз толқындарына жауапты. Антиподальдық толқынның пайда болуына Жер мен Айдың бір-бірінің айналасында айналуының инерциясы себеп болады. Гравитация көптеген маңызды биологиялық функцияларды атқарады, өсімдіктердің өсуін гравитропизм процесі арқылы бағыттап, көпжасушалы организмдердегі сұйықтықтардың айналысына әсер етеді. Әлемдегі бастапқы газ тәрізді заттардың арасындағы гравитациялық тартылыс оларды біріктіріп, жұлдыздарды құрады, олар кейін галактикаларға айналды. Сондықтан гравитация әлемдегі көптеген ірі құрылымдардың пайда болуына жауапты. Гравитацияның таралу радиусы шексіз, бірақ заттар бір-бірінен алшақтаған сайын оның әсері әлсірейді. Гравитацияны ең дәл сипаттаған – Альберт Эйнштейннің 1915 жылы ұсынған жалпы салыстырмалылық теориясы. Бұл теория гравитацияны күш ретінде емес, массаның тепе-тең емес таралуынан туындаған кеңістік-уақыттың қисықтығы ретінде қарастырады және массалардың геодезиялық сызықтармен қозғалуына себеп болады. Кеністік-уақыттың қисықтығының ең экстремалды мысалы – қара тесік, одан ештеңе, тіпті жарық та, қара тесіктің оқиға горизонтын өткеннен кейін қашып шыға алмайды. Алайда, көптеген жағдайларда гравитация Ньютонның әмбебап тартылыс заңымен жақсы жуықталады. Бұл заң гравитацияны кез келген екі дененің бір-біріне тартылуына себеп болатын күш ретінде сипаттайды, оның шамасы олардың массаларының көбейтіндісіне пропорционал және олардың арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал. Қазіргі бөлшектер физикасының модельдері әлемдегі гравитацияның ең алғашқы күйі, мүмкін кванттық гравитация, супергравитация немесе гравитациялық сингулярлық, кеңістік пен уақытпен бірге Планк эпохасында (әлемнің пайда болуынан кейін 10−43 секундқа дейін) пайда болған болуы мүмкін. Бұл, жалған вакуум, кванттық вакуум немесе виртуалды бөлшектер сияқты бастапқы күйден, қазіргі кезде белгісіз жолмен пайда болған болуы мүмкін. Қазіргі таңдағы ғалымдар кванттық механикамен үйлесетін гравитация теориясын жасау жұмыстарын жүргізіп жатыр. Бұл кванттық гравитация теориясы гравитацияны физиканың басқа үш негізгі өзара әрекеттесуімен ортақ математикалық негізде (барлық нәрсенің теориясы) біріктіруге мүмкіндік береді.

In physics, gravity (from lat gravitas 'weight') is a fundamental interaction which causes mutual attraction between all things that have mass. Gravity is, by far, the weakest of the four fundamental interactions, approximately 1038 times weaker than the strong interaction, 1036 times weaker than the electromagnetic force and 1029 times weaker than the weak interaction. As a result, it has no significant influence at the level of subatomic particles. However, gravity is the most significant interaction between objects at the macroscopic scale, and it determines the motion of planets, stars, galaxies, and even light. On Earth, gravity gives weight to physical objects, and the Moon's gravity is responsible for sublunar tides in the oceans. The corresponding antipodal tide is caused by the inertia of the Earth and Moon orbiting one another. Gravity also has many important biological functions, helping to guide the growth of plants through the process of gravitropism and influencing the circulation of fluids in multicellular organisms. The gravitational attraction between the original gaseous matter in the universe caused it to coalesce and form stars which eventually condensed into galaxies, so gravity is responsible for many of the large scale structures in the universe. Gravity has an infinite range, although its effects become weaker as objects get farther away. Gravity is most accurately described by the general theory of relativity, proposed by Albert Einstein in 1915, which describes gravity not as a force, but as the curvature of spacetime, caused by the uneven distribution of mass, and causing masses to move along geodesic lines. The most extreme example of this curvature of spacetime is a black hole, from which nothing—not even light—can escape once past the black hole's event horizon. However, for most applications, gravity is well approximated by Newton's law of universal gravitation, which describes gravity as a force causing any two bodies to be attracted toward each other, with magnitude proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them. Current models of particle physics imply that the earliest instance of gravity in the universe, possibly in the form of quantum gravity, supergravity or a gravitational singularity, along with ordinary space and time, developed during the Planck epoch (up to 10−43 seconds after the birth of the universe), possibly from a primeval state, such as a false vacuum, quantum vacuum or virtual particle, in a currently unknown manner. Scientists are currently working to develop a theory of gravity consistent with quantum mechanics, a quantum gravity theory, which would allow gravity to be united in a common mathematical framework (a theory of everything) with the other three fundamental interactions of physics.

Анықтамалар

Гравитация, сондай-ақ гравитациялық тартылыс деп аталады, ғаламдағы барлық массалардың бір-біріне өзара тарту күші. Гравитация – планетаның немесе басқа аспан денелерінің бетіндегі гравитациялық тартылыс; «гравитация» гравитациядан өзге, планетаның айналуынан туындайтын центробегтік күшті де қамтуы мүмкін (Қараңыз: #Жердің гравитациясы). Аристотельдің көзқарасы Ежелгі Грецияда кеңінен қабылданғанмен, гравитацияның тарту күші Жерге ғана тән емес екенін дұрыс болжаған Плутарх сияқты басқа да ойшылдар болды. Гравитация күш екенін түсінбесе де, ежелгі грек философы Архимед үшбұрыштың ауырлық ортасын анықтады. Ол егер екі тең салмақтың ауырлық ортасы бірдей болмаса, онда екі салмақтың ауырлық ортасы олардың ауырлық орталарын қосатын түзудің ортасында болады деп болжады. Екі ғасырдан кейін римдік инженер және сәулетші Витрувий өзінің «Сәулет» еңбегінде гравитация заттың салмағына емес, оның «табиғатына» байланысты деген пікірді білдірді. 6-шы ғасырда Византиялық Александриялық ғалым Джон Филопон импульс теориясын ұсынды, ол Аристотельдің «қозғалыстың жалғасуы күштің үздіксіз әрекетіне байланысты» деген теориясын, уақыт өте келе азаятын себепші күшті қосу арқылы өзгертеді. 7-шы ғасырда Үндістан математигі және астрономы Брахмагупта гравитация – Жерге заттарды тартатын тартымды күш деген идеяны ұсынды және оны сипаттау үшін гурутвакаршан терминін қолданды. Ежелгі Таяу Шығыста гравитация күші талқылаудың қызу ошағы болды. Парсы зиялысы Аль Бируни гравитация күші Жерге ғана тән емес деп сенді және басқа аспан денелері де гравитациялық тартылыс күшіне ие болуы керек деп дұрыс тұжырымдады. Ал Әл Хазини Аристотельдің орнына, ғаламдағы барлық материя Жердің орталығына тартылады деген пікірді қолдады.

Ғылыми революция

XVI ғасырдың ортасында Еуропаның түрлі ғалымдары ауыр заттардың жылдамдықпен құлайтыны туралы Аристотельдің пікірін тәжірибе жүзінде жоққа шығарды. Атап айтқанда, испандық доминикан діни қызметкері Доминго де Сото 1551 жылы еркін құлаған денелердің біркелкі үдеуге ие болатынын жазды. 1586 жылы Делфт мұнарасындағы тәжірибе кезінде фламанд физигі Саймон Стевин мұнарадан түсірілген әртүрлі өлшемдегі және салмақты екі зеңбірек досы бірдей жылдамдықпен құлайтынын байқады. XVI ғасырдың соңында Галилео Галилейдің көлбеу беткейден сырғанап түсетін шарларды мұқият өлшеуі, оған гравитациялық үдеудің барлық заттар үшін бірдей екенін анықтауға мүмкіндік берді. Галилей ауа кедергісінің тығыздығы төмен және бетінің ауданы үлкен заттардың атмосферада баяу құлауына себеп болатынын болжады. 1604 жылы Галилей құлайтын дененің қашықтығы өткен уақыттың квадратына пропорционалды екенін дұрыс болжады. Бұл кейін 1640-1650 жылдар аралығында итальяндық иезуит ғалымдары Грималди мен Риччоли растады. Олар сондай-ақ маятниктің тербелісін өлшеу арқылы Жердің гравитация күшінің шамасын есептеп шығарды.

Жалпы салыстырмалылық теориясы

Ақырында астрономдар Ньютон теориясымен түсіндірілмейтін Меркурий планетасының орбитасындағы эксцентрицитетті байқады: орбитаның перигелиі ғасыр сайын шамамен 42,98 доға секундқа өсіп отырды. Бұл қарама-қайшылықтың ең айқын түсіндірмесі әлі ашылмаған аспан денелері болды, мысалы, Меркурийден де Күнге жақын айналатын планета, бірақ мұндай денені табуға жасалған барлық әрекеттер сәтсіз аяқталды. 1915 жылы Альберт Эйнштейн Меркурий орбитасын дәл моделеуге қабілетті жалпы салыстырмалылық теориясын жасады. Жалпы салыстырмалылық теориясында гравитацияның әсері күш емес, кеңістік-уақыт қисықтығымен байланыстырылады. Эйнштейн бұл идеяны эквиваленттілік принципі түрінде зерттеді, кейін ол бұл жаңалықты «өмірімдегі ең бақытты ой» деп сипаттады. Бұл теорияда еркін түсу инерциялық қозғалысқа тең деп есептеледі, яғни еркін түсетін инерциялық денелер жердегі инерциялық емес бақылаушыларға қатысты үдеуге ие болады. Ньютон физикасынан өзгеше, Эйнштейн бұл үдеудің дененің әсер етуіне күш түсірілмей тұрып та пайда болуы мүмкін деп сенді. Эйнштейн кеңістік-уақыттың материямен қисайтынын және еркін түсетін денелердің қисайған кеңістік-уақытта жергілікті түзу жолмен қозғалатынын ұсынды. Бұл түзу жолдар геодезиялық жолдар деп аталады. Ньютонның бірінші қозғалыс заңындағыдай, Эйнштейн дененің үстіне күш әсер еткен жағдайда оның геодезиялық жолдан ауытқуына себеп болатынына сенді. Мысалы, Жер бетінде тұрған адамдар геодезиялық жолмен қозғалуына кедергі келтіріледі, өйткені Жердің механикалық қарсылығы оларға жоғары бағытталған күш түсіреді. Осы себепті кеңістік-уақыттағы геодезиялық жолмен қозғалу инерциялық деп есептеледі. Эйнштейннің гравитация туралы сипаттамасы көптеген физиктер тарапынан тез қабылданып, бұрынғыда түсіндіруге қиын болған тәжірибелік нәтижелердің кең ауқымын түсіндіруге мүмкіндік берді. Келесі жылдары көптеген тәжірибелер жалпы салыстырмалылық теориясын қосымша растады. Бүгінде Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы абсолютті дәлдік қажет болатын барлық гравитациялық есептеулерде қолданылады, бірақ Ньютонның кері квадрат заңы да пайдалы және жеткілікті дәл жуықтама болып табылады.

Eventually, astronomers noticed an eccentricity in the orbit of the planet Mercury which could not be explained by Newton's theory: the perihelion of the orbit was increasing by about 42.98 arcseconds per century. The most obvious explanation for this discrepancy was an as yet undiscovered celestial body, such as a planet orbiting the Sun even closer than Mercury, but all efforts to find such a body turned out to be fruitless. In 1915, Albert Einstein developed a theory of general relativity which was able to accurately model Mercury's orbit. In general relativity, the effects of gravitation are ascribed to spacetime curvature instead of a force. Einstein began to toy with this idea in the form of the equivalence principle, a discovery which he later described as "the happiest thought of my life." In this theory, free fall is considered to be equivalent to inertial motion, meaning that free falling inertial objects are accelerated relative to non inertial observers on the ground. In contrast to Newtonian physics, Einstein believed that it was possible for this acceleration to occur without any force being applied to the object. Einstein proposed that spacetime is curved by matter, and that free falling objects are moving along locally straight paths in curved spacetime. These straight paths are called geodesics. As in Newton's first law of motion, Einstein believed that a force applied to an object would cause it to deviate from a geodesic. For instance, people standing on the surface of the Earth are prevented from following a geodesic path because the mechanical resistance of the Earth exerts an upward force on them. This explains why moving along the geodesics in spacetime is considered inertial. Einstein's description of gravity was quickly accepted by the majority of physicists, as it was able to explain a wide variety of previously baffling experimental results. In the coming years, a wide range of experiments provided additional support for the idea of general relativity. Today, Einstein's theory of relativity is used for all gravitational calculations where absolute precision is desired, although Newton's inverse square law continues to be a useful and fairly accurate approximation.

Қазіргі заманғы зерттеулер

Қазіргі физикада жалпы салыстырмалылық теориясы гравитацияны түсінудің негізгі аясы болып табылады. Физиктер жалпы салыстырмалылық теориясының негізін құрайтын Эйнштейн өрісі теңдеулеріне шешімдер табу жұмысын жалғастыруда, ал кейбір ғалымдар жалпы салыстырмалылық теориясы белгілі бір жағдайларда қолданылмайтын болуы мүмкін деген болжам айтады. Тұрақты Эйнштейннің гравитациялық тұрақтысы деп аталады. Зерттеудің маңызды бағыты – Эйнштейн өрісі теңдеулерінің нақты шешімдерін табу. Бұл теңдеулерді шешу, белгілі бір физикалық жағдайларда кеңістік-уақыттың қисықтығы мен геометриясын анықтайтын метрикалық тензордың нақты мәнін есептеумен байланысты. Мұндай шешімдердің формальды анықтамасы жоқ, бірақ көптеген ғалымдар оларды элементар функциялар немесе сызықты дифференциалдық теңдеулер арқылы өрнектеуге болады деп келіседі. Теңдеулердің ең маңызды шешімдерінің қатарында: Шварцшильд шешімі, ол шар тәрізді симметриялы, айналмайтын және зарядталмаған массивті объектінің айналасындағы кеңістік-уақытты сипаттайды. Бұл шешім жеткілікті тығыз объектілер үшін орталық сингулярлықпен қара тесік тудырады. Орталық массадан алыс нүктелерде Шварцшильд шешімімен болжалған үдеулер Ньютонның гравитация теориясымен болжалған үдеулерге дерлік тең келеді. Рейсснер–Нордстрем шешімі, ол зарядталған, айналмайтын шар тәрізді симметриялы объектіні талдайды және 1916 мен 1921 жылдар аралығында бірнеше тәуелсіз зерттеушілермен ашылды. Кейбір жағдайларда бұл шешім екі оқиға көкжиегі бар қара тесіктердің болуын болжауға мүмкіндік береді. Керр шешімі, ол Шварцшильд шешімін айналатын массивті объектілерге жалпылайды. Эйнштейн өрісі теңдеулеріне айналудың әсерін ескерудің қиындығына байланысты бұл шешім 1963 жылға дейін табылмады. Керр–Ньюман шешімі зарядталған, айналатын массивті объектілер үшін. Бұл шешім 1964 жылы Керр шешімі үшін қолданылған күрделі координаттарды түрлендірудің сол әдісін пайдалана отырып алынды. Космологиялық Фридманн–Лематр–Робертсон–Уокер шешімі, 1922 жылы Александр Фридманн ашқан және 1927 жылы Жорж Лематр растаған. Бұл шешім Ғаламның кеңеюін болжауымен революциялық болды, ол жеті жылдан кейін Эдвин Хабблдің өлшеулері арқылы расталды. Ол сонымен қатар жалпы салыстырмалылық теориясының статикалық Ғаламмен үйлеспейтінін көрсетті, ал Эйнштейн кейіннен өзінің өріс теңдеулерін кеңеймейтін Ғаламды ескеру үшін жасағаны қате екенін мойындады. Бүгінгі күні Эйнштейн өрісі теңдеулерінің шешілмеген көптеген маңызды жағдайлары бар. Олардың ішіндегі ең маңыздысы – екі дене мәселесі, ол Күн мен Жер сияқты өзара әрекеттесетін екі массивті объектінің немесе екі жұлдыздан тұратын екілік жұлдыз жүйесінің айналасындағы кеңістік-уақыттың геометриясына қатысты. Үш немесе одан да көп массивті денелердің өзара әрекеттесуін қарастырғанда ("n дене мәселесі") жағдай одан да күрделі болады, және кейбір ғалымдар Эйнштейн өрісі теңдеулері бұл жағдайда ешқашан шешілмейді деп күдіктенеді. Дегенмен, Ньютоннан кейінгі кеңею әдісін қолдану арқылы n дене мәселесінде өріс теңдеулеріне жуықтап шешім табу әлі де мүмкін. Жалпы, Эйнштейн өрісі теңдеулерінің жоғары сызықтықсыздығы оларды ең нақты жағдайлардан басқа барлық жағдайларда шешуді қиындатады.

In modern physics, general relativity remains the framework for the understanding of gravity. Physicists continue to work to find solutions to the Einstein field equations that form the basis of general relativity, while some scientists have speculated that general relativity may not be applicable at all in certain scenarios. The constant is referred to as the Einstein gravitational constant. A major area of research is the discovery of exact solutions to the Einstein field equations. Solving these equations amounts to calculating a precise value for the metric tensor (which defines the curvature and geometry of spacetime) under certain physical conditions. There is no formal definition for what constitutes such solutions, but most scientists agree that they should be expressable using elementary functions or linear differential equations. Some of the most notable solutions of the equations include:
The Schwarzschild solution, which describes spacetime surrounding a spherically symmetric non rotating uncharged massive object. For compact enough objects, this solution generated a black hole with a central singularity. At points far away from the central mass, the accelerations predicted by the Schwarzschild solution are practically identical to those predicted by Newton's theory of gravity. The Reissner–Nordström solution, which analyzes a non rotating spherically symmetric object with charge and was independently discovered by several different researchers between 1916 and 1921. In some cases, this solution can predict the existence of black holes with double event horizons. The Kerr solution, which generalizes the Schwarzchild solution to rotating massive objects. Because of the difficulty of factoring in the effects of rotation into the Einstein field equations, this solution was not discovered until 1963. The Kerr–Newman solution for charged, rotating massive objects. This solution was derived in 1964, using the same technique of complex coordinate transformation that was used for the Kerr solution. The cosmological Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker solution, discovered in 1922 by Alexander Friedmann and then confirmed in 1927 by Georges Lemaître. This solution was revolutionary for predicting the expansion of the Universe, which was confirmed seven years later after a series of measurements by Edwin Hubble. It even showed that general relativity was incompatible with a static universe, and Einstein later conceded that he had been wrong to design his field equations to account for a Universe that was not expanding. Today, there remain many important situations in which the Einstein field equations have not been solved. Chief among these is the two body problem, which concerns the geometry of spacetime around two mutually interacting massive objects, such as the Sun and the Earth, or the two stars in a binary star system. The situation gets even more complicated when considering the interactions of three or more massive bodies (the "n body problem"), and some scientists suspect that the Einstein field equations will never be solved in this context. However, it is still possible to construct an approximate solution to the field equations in the n body problem by using the technique of post Newtonian expansion. In general, the extreme nonlinearity of the Einstein field equations makes it difficult to solve them in all but the most specific cases.

Гравитация және кванттық механика

Үлкен масштабтағы гравитацияның әсерін болжаудағы сәттілігіне қарамастан, жалпы салыстырмалылық теориясы кванттық механикамен үйлесімсіз. Себебі жалпы салыстырмалылық теориясы гравитацияны кеңістік-уақыттың үздіксіз бұрмалануы ретінде сипаттайды, ал кванттық механика барлық күштер кванттар деп аталатын дискретті бөлшектердің алмасуынан туындайды деп санайды. Бұл қайшылық физиктерді ерекше алаңдатады, өйткені қалған үш негізгі күш (күшті күш, әлсіз күш және электромагнетизм) ондаған жылдар бұрын кванттық негізде келісімге келген. Осының салдарынан, қазіргі зерттеушілер гравитация мен кванттық механиканы біріктіретін теорияны іздеуді бастады. Бір жолы – кванттық өріс теориясының аясында гравитацияны сипаттау, бұл теория басқа негізгі өзара әрекеттесулерді дәл сипаттауға мүмкіндік берді. Электромагниттік күш виртуалды фотондардың алмасуынан туындайды, ал гравитацияның кванттық өріс теориясы бойынша сипаттамасы виртуалды гравитондардың алмасуы болып табылады. Бұл сипаттама классикалық лимитте жалпы салыстырмалылықты қайта жасайды. Дегенмен, бұл тәсіл Планк ұзындығына жуық қысқа қашықтықтарда сәтсіздікке ұшырайды, онда толыққанды кванттық гравитация теориясы (немесе кванттық механикаға жаңа көзқарас) қажет. 2024 жылдың 23 ақпанында зерттеушілер микроскопиялық деңгейде гравитацияны өлшеген зерттеулер туралы хабарлады.

Жалпы салыстырмалылық теориясының сынақтары

Жалпы салыстырмалылық теориясының болжамдарын тексеру тарихи тұрғыдан қиын болды, себебі олар кішкентай энергиялар мен массалар үшін Ньютонның гравитациясының болжамдарына өте ұқсас келеді. Дегенмен, оның дамуынан бері эксперименттік нәтижелердің үздіксіз сериясы теорияны қолдап келеді: Эддингтон жұлдыз жарығының бұрылысын, Ньютонның корпускулалық теориясы болжағаннан екі есе көп өлшеді, бұл жалпы салыстырмалылық теориясының болжамдарымен сәйкес келді. Эддингтонның талдауы кейіннен күмәндалғанмен, бұл эксперимент Эйнштейнді бірден әйгілі етті және жалпы салыстырмалылық теориясының ғылыми қауымдастықта кеңінен қабылдануына себеп болды. 1959 жылы американдық физиктер Роберт Паунд пен Глен Ребка гравитациялық уақыттың өзгеруін болжауды растау үшін гамма-сәулелерін пайдаланған эксперимент жүргізді. Сәулелерді 74 фут биіктіктегі мұнарадан жіберіп, төменгі жағындағы жиілігін өлшегенде, ғалымдар жарық гравитациялық көзға қарай қозғалғанда қызыл түске қарай ығысатынын растады. Байқалған қызыл ығысу гравитациялық өріс болғанда уақыттың баяу жүретіні туралы идеяны да қолдады. Ірі денеге жақын өтетін жарықтың уақыт кешігуін 1964 жылы Ирвин И. Шапиро ғарыш кемелерінің сигналдары арқылы анықтады. 1971 жылы ғалымдар Cygnus галактикасында алғашқы қара тесікті тапты. Қара тесік кішкентай жұлдызды жұтып алғанда рентген сәулелерін шығарып тұрғандықтан анықталды, және ол Cygnus X-1 деп аталды. Бұл жаңалық жалпы салыстырмалылық теориясының тағы бір болжамын растады, өйткені Эйнштейннің теңдеулері жарық жеткілікті үлкен және тығыз денеден қашып кете алмайтынын көрсетеді. Жалпы салыстырмалылық теориясы гравитация жарық пен материяға тең әсер етеді деп мәлімдейді, яғни жеткілікті үлкен дене жарықты өзінің айналасына бұрап, гравитациялық линза жасай алады. Бұл құбылыс алғаш рет 1979 жылы Аризонадағы Китт Пик Ұлттық обсерваториясындағы 2,1 метрлік телескоппен бақылау арқылы расталды, онда YGKOW G1 галактикасының айналасынан бұрылған сол квазардың екі көрінісі байқалды. Айналмалы үлкен дене өзінің айналасындағы кеңістік-уақытты бұрауы керек деген идея – фрейм сүйреу, 2011 жылы Gravity Probe B нәтижелерімен расталды. 2015 жылы LIGO обсерваториясы жалпы салыстырмалылық теориясы болжаған әлсіз гравитациялық толқындарды анықтады. Ғалымдар бұл толқындардың 1,5 миллиард жарық жылы қашықтықтағы қара тесіктердің бірігуінен пайда болғанын сендіреді.

Testing the predictions of general relativity has historically been difficult, because they are almost identical to the predictions of Newtonian gravity for small energies and masses. Still, since its development, an ongoing series of experimental results have provided support for the theory: Eddington measured starlight deflections twice those predicted by Newtonian corpuscular theory, in accordance with the predictions of general relativity. Although Eddington's analysis was later disputed, this experiment made Einstein famous almost overnight and caused general relativity to become widely accepted in the scientific community. In 1959, American physicists Robert Pound and Glen Rebka performed an experiment in which they used gamma rays to confirm the prediction of gravitational time dilation. By sending the rays down a 74 foot tower and measuring their frequency at the bottom, the scientists confirmed that light is redshifted as it moves towards a source of gravity. The observed redshift also supported the idea that time runs more slowly in the presence of a gravitational field. The time delay of light passing close to a massive object was first identified by Irwin I. Shapiro in 1964 in interplanetary spacecraft signals. In 1971, scientists discovered the first ever black hole in the galaxy Cygnus. The black hole was detected because it was emitting bursts of x rays as it consumed a smaller star, and it came to be known as Cygnus X 1. This discovery confirmed yet another prediction of general relativity, because Einstein's equations implied that light could not escape from a sufficiently large and compact object. General relativity states that gravity acts on light and matter equally, meaning that a sufficiently massive object could warp light around it and create a gravitational lens. This phenomenon was first confirmed by observation in 1979 using the 2.1 meter telescope at Kitt Peak National Observatory in Arizona, which saw two mirror images of the same quasar whose light had been bent around the galaxy YGKOW G1. Frame dragging, the idea that a rotating massive object should twist spacetime around it, was confirmed by Gravity Probe B results in 2011. In 2015, the LIGO observatory detected faint gravitational waves, the existence of which had been predicted by general relativity. Scientists believe that the waves emanated from a black hole merger that occurred 1.5 billion light years away.

Жердің тартылыс күші

Әрбір планеталық дене (жерді қоса алғанда) өзінің гравитациялық өрісімен қоршалған, оны Ньютон физикасымен барлық объектілерге тартымды күш ретінде қарастыруға болады. Сфералық симметриялы планетаны ескере отырып, осы өрістің күші бетінен жоғары кез келген нүктеде планеталық дененің массасына пропорционалды және дененің орталығынан қашықтықтың квадратына кері пропорционалды. Гравитациялық өрістің күші сандық тұрғыдан оның әсеріне түсетін нысандардың үдеуіне тең. Жер бетіне құлайтын нысандардың үдеу жылдамдығы ендікке, таулар мен қырқалар сияқты жер бетінің ерекшеліктеріне және, мүмкін, жер астындағы тығыздықтың ерекше жоғары немесе төмен болуына байланысты өте аз өзгереді. Салмақтар мен өлшемдер мақсатында стандарттық гравитациялық мәнді Халықаралық салмақтар мен өлшемдер бюросы Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) анықтайды. Жердегі гравитация күші – екі күштің нәтижесі (векторлық қосындысы): а) Ньютонның жалқы тартылыс заңына сәйкес тартылыс күші және б) жерге байланысты айналатын координаттар жүйесін таңдаудан туындайтын центробектік күш. Жердің айналуынан туындаған центробектік күштің әсерінен экваторда гравитация күші әлсіздейді, себебі экватордағы нүктелер Жердің орталығынан ең алыс орналасқан. Гравитация күші ендікке қарай өзгереді және экваторда шамамен 9.780 м/с²-ден полюстерде шамамен 9.832 м/с²-ге дейін артады.

Шығу тегі

Ең ерте гравитация (мүмкін кванттық гравитация, супергравитация немесе гравитациялық сингулярлық түрінде), қалыпты кеңістік және уақытпен бірге, Планк эпохасында (Ғаламның тууынан кейін 10−43 секундқа дейін) дамыды, мүмкін алғашқы күйден (жалған вакуум, кванттық вакуум немесе виртуалды бөлшектер сияқты), қазіргі кезде белгісіз жолмен. Гравитациялық сәулеленудің алғашқы тікелей куәлігі 2015 жылдың 14 қыркүйегінде LIGO детекторларымен өлшенді. Жерден 1,3 миллиард жарық жылы қашықтықтағы екі қара тесіктің соқтығысуынан пайда болған гравитациялық толқындар өлшенді. Бұл байқау Эйнштейн және басқалардың мұндай толқындардың бар екендігі туралы теориялық болжамдарын растайды. Бұл сонымен қатар гравитацияның табиғатын және Ғаламдағы оқиғаларды, соның ішінде Ұлы жарылысты практикалық түрде бақылау мен түсінуге мүмкіндік береді. Нейтрон жұлдыздары мен қара тесіктердің пайда болуы да анықтамалы гравитациялық сәулелену мөлшерін тудырады. Бұл зерттеу 2017 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Ауырлық күші жылдамдығы

2012 жылдың желтоқсан айында Қытайдағы зерттеу тобы толы және жаңа айлар кезінде Жердің су тасқынының фазалық кешігуін өлшегенін хабарлады, бұл гравитация жылдамдығы жарық жылдамдығына тең екенін көрсетеді. Яғни, егер Күн кенеттен жоғалып кетсе, Жер 8 минут бойы әдеттегідей бос кеңістікте айналып жүретін болар еді, өйткені жарық осы қашықтықты жүріп өтуге осы уақыт керек. Топтың зерттеу нәтижелері 2013 жылдың ақпан айында Science Bulletin журналында жарияланды. 2017 жылдың қазан айында LIGO және Virgo детекторлары гамма-сәулелік спутниктер мен оптикалық телескоптар бірдей бағыттан сигналдарды тіркегеннен кейін 2 секунд ішінде гравитациялық толқындарды анықтады. Бұл гравитациялық толқындардың жылдамдығы жарық жылдамдығымен сәйкес екенін растады.