Почему тело, подлетающее к черной дыре, не будет разорвано и другие заблуждения о гравитационном взаимодействии
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Почему тело, подлетающее к черной дыре, не будет разорвано и другие заблуждения о гравитационном взаимодействии
© Алиса Сербиненко / ПостНаука
ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов рассказать о гравитации — силе, из-за которой все тела стремятся упасть на Землю, — и единственном фундаментальном взаимодействии, в котором напрямую участвуют все частицы, которые мы знаем.
Это правда, но отчасти. Зависит это от орбиты. На низких орбитах спутники вечно вокруг Земли не обращаются. Это связано с тем, что, помимо гравитации, существуют и другие факторы. То есть если бы, допустим, у нас была только Земля и мы бы запустили на ее орбиту спутник, то он летал бы очень долго. Летать вечно он не будет, потому что существуют различные возмущающие факторы, которые его могут свести с орбиты. В первую очередь это торможение в атмосфере, то есть это негравитационные факторы. Таким образом, связь этого мифа с гравитацией неочевидна.
Если спутник обращается на высоте до тысячи километров над Землей, то торможение в атмосфере будет влиять. На более высоких орбитах начинают действовать прочие гравитационные факторы — притяжение Луны, других планет . Если спутник оставить бесконтрольно на орбите вокруг Земли, то его орбита будет эволюционировать хаотически на больших интервалах времени из-за того, что Земля не единственное притягивающее тело. Не уверен, что эта хаотическая эволюция обязательно приведет к падению спутника на Землю — он может улететь или перейти на другую орбиту. Другими словами, он может летать вечно, но не по одной и той же орбите.
Дмитрий Вибе
доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН
Это неправда. Иногда кажется, что раз на МКС космонавты находятся в состоянии невесомости, то и земная гравитация на них не действует. Это не так. Более того, она там почти такая же, как на Земле.
Можно представить себе такую картину. Построим башню высотой километров 400 (неважно, что сейчас нет таких материалов, чтобы ее сделать). Поставим наверху стул и сядем на него. Мимо пролетает МКС, то есть мы находимся совсем-совсем рядом. Мы сидим на стуле и «весим» (хотя по сравнению с нашим весом на поверхности Земли мы полегчали, но зато нам надо надеть скафандр, так что это компенсирует наше «похудание»), а на МКС космонавты парят в невесомости. Но мы находимся в одном и том же гравитационном потенциале.
Современные теории гравитации являются геометрическими. То есть массивные тела искажают пространство-время вокруг себя. Чем ближе мы к тяготеющему телу, тем больше искажение. Как вы двигаетесь по искривленному пространству — это уже не так важно. Оно остается искривленным, то есть гравитация никуда не делась.
Сергей Попов
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Это неправда. Парадами планет называют такие моменты, когда все планеты выстраиваются в цепочку по направлению к Солнцу и их гравитационные силы складываются арифметически. Разумеется, на одной прямой все планеты никогда не соберутся, но если ограничиться требованием, чтобы все восемь планет собрались в гелиоцентрическом секторе с углом раствора не более 90°, то такие «большие» парады иногда происходят — в среднем один раз за 120 лет.
Может ли совместное влияние планет изменить гравитацию на Земле? Любители физики знают, что сила тяготения изменяется прямо пропорционально массе тела и обратно пропорционально квадрату расстояния до него (М/R2). Наибольшее гравитационное влияние на Землю оказывают (она не очень массивна, но расположена близко) и (он очень массивен). Простой расчет показывает, что наше притяжение к Венере даже при наибольшем с ней сближении в 50 млн раз слабее нашего притяжения к Земле; для Юпитера это соотношение составляет 30 млн. То есть если ваш вес около 70 кг, то Венера и Юпитер тянут вас к себе с силой примерно в 1 миллиграмм. Во время парада планет они тянут в разные стороны, практически компенсируя влияние друг друга.
Но это еще не все. Обычно под гравитацией Земли мы понимаем не силу притяжения к планете, а наш вес.
А он зависит еще и от того, как мы движемся. Например, космонавтов на МКС и нас с вами Земля притягивает почти одинаково, но у них там невесомость, поскольку они находятся в состоянии свободного падения, а мы упираемся в Землю. А по отношению к другим планетам мы все ведем себя, как экипаж МКС: вместе с Землей мы свободно «падаем» на каждую из окружающих планет. Поэтому мы не ощущаем даже того миллиграмма, о котором было сказано выше.
Но некоторый эффект все же есть. Дело в том, что мы, живя на поверхности Земли, и сама Земля, если иметь в виду ее центр, находимся на разном расстоянии от притягивающих нас планет. Эта разница не превышает размера Земли, но иногда имеет значение. Именно из-за нее в океанах под влиянием притяжения Луны и Солнца возникают приливы и отливы. Но если иметь в виду человека и притяжение к планетам, то этот приливный эффект невероятно слаб (в десятки тысяч раз слабее прямого притяжения к планетам) и составляет для каждого из нас менее одной миллионной доли грамма — практически ноль.
Владимир Сурдин
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ
Это неправда. При приближении к сила гравитации и приливные силы возрастают. Но вовсе не обязательно приливные силы становятся крайне велики, когда объект подлетает к горизонту событий.
Приливные силы зависят от массы, вызывающего прилив тела, расстояния до него и от размеров объекта, в котором формируется прилив. Важно, что расстояние считается до центра тела, а не до поверхности. Так что приливные силы на горизонте черной дыры всегда имеют конечное значение.
У черной дыры размер прямо пропорционален массе. Так что, если мы возьмем какой-то предмет и будем кидать его в разные черные дыры, приливные силы будут зависеть только от массы черной дыры. Причем чем больше масса, тем прилив слабее на горизонте.
Это проявляется в . Например, если звезда падает на сверхмассивную черную дыру в центре галактики, то при массе дыры, скажем, 10 миллионов масс Солнца прилив будет достаточно велик, чтобы разорвать звезду. Образовавшееся облако газа сформирует диск вокруг дыры, и мы увидим яркий объект — квазар. Если же масса дыры в 1000 раз больше (а такие есть), то звезда будет проглочена целиком: прилив слишком слаб, чтобы ее разорвать. Поэтому не будет диска — не будет и яркого объекта.
Кстати, поэтому в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» героев не разрывает на горизонте сверхмассивной черной дыры.
Сергей Попов
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Это правда, но отчасти. Макроскопические тела состоят из большого количества микроскопических частиц. Электромагнетизм — это сила, которая на микроскопическом уровне ответственна за все явления, которые изучаются в курсе механики: за силу трения, силу реакции опоры, силу упругости.
Возьмем атом водорода. Это протон, вокруг которого летает электрон. Он определяет нашу массу и массу объектов, которые нас окружают. Это такой кирпичик, из чего все сделано. У него есть электрический заряд и масса. Электрический заряд определяет силу электромагнитного взаимодействия, а масса определяет силу гравитационного взаимодействия.
Однако почему, когда мы говорим о больших объектах, мы говорим об их массе, а не об электрическом заряде? Это связано с тем, что в природе есть электрические заряды двух разных знаков, а у массы всегда один «знак», и все частицы гравитационно притягиваются.
В случае электромагнетизма частицы одного электрического заряда отталкиваются, а разного — притягиваются. Когда наблюдатель смотрит на систему с положительным и отрицательным зарядами, например на атом, то она нейтральная. По этой причине, когда мы рассматриваем систему из многих протонов, то есть макроскопическое тело, где вокруг протонов с положительным зарядом летают электроны с отрицательным, система электрически нейтральна. Поэтому на таких масштабах «выигрывает» уже гравитация, она оказывает основное влияние. К примеру, если говорить о галактиках, то основные силы здесь — гравитационные. А электромагнитных сил нет.
Дмитрий Горбунов
доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, лауреат Премии президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых ученых
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
