Gravitation

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Gravitation est un produit naturel ph??nom??ne 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 consid??r?? comme l'organisme qui donne objets poids. Il est responsable de la tenue de la Terre et les autres plan??tes dans leur orbites autour du Soleil; pour maintenir la Lune dans son orbite autour de la Terre, pour la formation des mar??es ; pour convection (par laquelle les fluides chauds montent); pour chauffer l'int??rieur des ??toiles et des plan??tes formant ?? des temp??ratures tr??s ??lev??es; et pour divers autres ph??nom??nes que nous observons. La gravitation est aussi la raison de l'existence m??me de la Terre , le Soleil , et la plupart des objets macroscopiques dans le univers ; sans elle, serait question ne ont fusionn?? dans ces grandes masses et la vie , comme nous le savons, ne existerait pas.

Moderne de la physique d??crit la gravitation en utilisant la th??orie g??n??rale de la relativit?? , 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 gravit?? sont essentiellement interchangeables dans l'usage quotidien, mais dans l'usage scientifique une distinction peut ??tre faite. "Gravitation" est un terme g??n??ral d??crivant l'influence attractive que tous les objets dont la masse exercent sur l'autre, tandis que la ??gravit???? se r??f??re sp??cifiquement ?? une vigueur qui est cens??, dans certains th??ories (comme Newton) d'??tre la cause de cette attraction. En revanche, dans la relativit?? g??n??rale est due ?? la gravitation courbures de l'espace-temps qui causent des objets en mouvement par inertie ?? acc??l??rer vers l'autre.

Gravitation maintient les plan??tes en orbite autour du Soleil (Pas ?? l'??chelle)

Histoire de la gravitation

Premi??re histoire

Efforts pour comprendre la gravit?? ont commenc?? dans les temps anciens. Philosophes Inde ancienne a expliqu?? le ph??nom??ne de la 8??me si??cle avant JC. Selon Kanada, fondateur de la ??cole Vaisheshika, " Poids provoque la chute, ce est imperceptible et connu par inf??rence. "

Dans le 4??me si??cle 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 ??mis l'hypoth??se que tout a essay?? de se d??placer vers sa place dans le sph??res cristallines des cieux, et que les corps physiques ont chut?? vers le centre de la Terre en proportion de leur poids.

Brahmagupta, dans la Brahmasphuta Siddhanta (AD 628), a r??pondu aux critiques de la h??liocentrique syst??me Aryabhata (AD 476-550) indiquant que ??toutes choses lourdes sont attir??s vers le centre de la terre?? et que ??toutes choses lourdes tomber ?? 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 ??couler, que du feu de br??ler, et que de vent pour mettre en mouvement ... La terre est la seule chose faible, et les graines toujours revenir ?? elle, dans la direction que vous peuvent les jeter, et de ne jamais lever en haut de la terre. "

Au 9??me si??cle, l'a??n?? Beni Moussa fr??re, Muhammad ibn Musa, dans son Astral mouvement et la force d'attraction, l'hypoth??se qu'il y avait une force d'attraction entre corps c??lestes, pr??figurant La loi de Newton de la gravitation universelle. Dans les 1000s, la Persan scientifique Ibn al-Haytham (Alhacen), dans le Mizan al-Hikmah, a discut?? de la th??orie de l'attraction entre les masses , et il semble qu'il ??tait conscient de la amplitude de l'acc??l??ration due ?? la gravit??. En 1121, Al-Khazini, dans Le Livre de la Balance de la Sagesse, une distinction entre la force , la masse , et poids, et a d??couvert que la gravit?? varie avec la distance ?? partir du centre de la Terre, se il pense que le poids des corps lourds augmente car ils sont plus ??loign??s du centre de la Terre. Tous ces premi??res tentatives d'essayer d'expliquer la force de gravit?? ??taient de nature philosophique et il serait Isaac Newton qui a donn?? la premi??re description correcte de gravit?? .

R??volution scientifique

Travail moderne sur la th??orie gravitationnelle a commenc?? avec le travail de Galileo Galilei ?? la fin du 16??me si??cle et d??but du 17??me si??cle. Dans son c??l??bre (mais probablement apocryphe) exp??rience tomber des boules de la Tour de Pise , et plus tard avec des mesures pr??cises de boules qui roulent vers le bas incline, Galileo a montr?? que la gravitation acc??l??re tous les objets ?? la m??me vitesse. Ce ??tait un changement majeur de la croyance d'Aristote que les objets les plus lourds sont acc??l??r??s rapidement. (Galileo correctement postul?? r??sistance de l'air comme la raison que les objets plus l??gers peuvent tomber plus lentement dans une atmosph??re.) L'??uvre de Galil??e a pr??par?? le terrain pour la formulation de la th??orie de la gravitation de Newton.

La th??orie de la gravitation de Newton

En 1687, le math??maticien anglais Sir Isaac Newton a publi?? Principia , qui ??met l'hypoth??se la la loi inverse du carr?? de la gravitation universelle. Dans ses propres mots, "je en ai d??duit que les forces qui maintiennent les plan??tes dans leurs orbes doivent ??tre r??ciproquement comme les carr??s de leurs distances des centres sur lesquels ils tournent; et ainsi compar?? la force n??cessaire pour maintenir la Lune dans son orbe avec la force de la pesanteur ?? la surface de la Terre; et nous avons constat?? qu'ils r??pondent ?? peu pr??s ".

La th??orie de Newton a connu son plus grand succ??s quand il a ??t?? utilis?? pour pr??dire l'existence de Neptune fond??es sur des mouvements de Uranus qui ne pouvaient pas ??tre pris en compte par les actions des autres plan??tes. Calculs John Couch Adams et Urbain Le Verrier fois pr??dit la position g??n??rale de la plan??te, et les calculs de Le Verrier sont ce qui a conduit Johann Gottfried Galle ?? la d??couverte de Neptune.

Ironiquement, ce est une autre diff??rence dans l'orbite d'une plan??te qui a aid?? ?? souligner des failles dans la th??orie de Newton. ?? la fin du 19??me si??cle, il ??tait connu que l'orbite de Mercure ne pouvait pas ??tre pris en compte enti??rement sous la th??orie de Newton, mais toutes les recherches pour un autre corps troublant (comme une plan??te en orbite autour du Soleil encore plus proche que Mercure) avait ??t?? infructueuse. Le probl??me a ??t?? r??solu en 1915 par Albert Einstein nouvelle s ' Th??orie de la relativit?? g??n??rale , qui repr??sente la diff??rence dans l'orbite de Mercure.

Bien que la th??orie de Newton a ??t?? remplac??e, la plupart des calculs gravitationnels non relativistes modernes sont toujours faites en utilisant la th??orie de Newton parce que ce est une th??orie beaucoup plus simple ?? travailler que la relativit?? g??n??rale , et donne des r??sultats suffisamment pr??cis pour la plupart des applications.

La relativit?? g??n??rale

Dans la relativit?? g??n??rale , les effets de la gravitation sont attribu??s ?? l'espace-temps courbure au lieu d'une force. Le point de d??part de la relativit?? g??n??rale est le principe d'??quivalence, ce qui ??quivaut chute libre avec le mouvement inertiel. La question que cela cr??e est que les objets-chute libre peuvent acc??l??rer par rapport ?? l'autre. Dans la physique newtonienne , une telle acc??l??ration ne peut se produire que si au moins l'un des objets est exploit?? par une force (et donc ne se d??place pas par inertie).

Pour faire face ?? cette difficult??, Einstein a propos?? que l'espace-temps est courb?? par la mati??re, et que les objets en chute libre se d??placent le long des chemins localement droites dans l'espace-temps courbe. (Ce type de voie est appel??e un g??od??sique.) Plus pr??cis??ment, Einstein a d??couvert le ??quations du champ de la relativit?? g??n??rale, qui concernent la pr??sence de la mati??re et la courbure de l'espace-temps et sont nomm??s apr??s lui. Le ??quation d'Einstein sont un ensemble de 10 simultan??ment, non-lin??aire, les ??quations diff??rentielles . Les solutions des ??quations de champ sont les composantes de la tenseur m??trique de l'espace-temps. Un tenseur m??trique d??crit une g??om??trie de l'espace-temps. Les chemins g??od??siques pour un espace-temps sont calcul??es ?? partir du tenseur m??trique.

Notable Solutions des ??quations de champ d'Einstein comprennent:

Le Solution de Schwarzschild, qui d??crit l'espace-temps autour d'un sym??trie sph??rique non rotation non charg??e objet massif. Pour suffisamment d'objets compacts, cette solution a g??n??r?? un trou noir avec une centrale singularit??. Pour des distances radiales du centre qui sont beaucoup plus grande que la Rayon de Schwarzschild, les acc??l??rations pr??dites par la solution de Schwarzschild sont pratiquement identiques ?? celles pr??dites par la th??orie de la gravitation de Newton.
Le Solution Reissner-Nordstr??m, dans lequel l'objet central a une charge ??lectrique. Pour les frais avec un longueur qui est inf??rieure ?? la longueur g??om??tris??e de la masse de l'objet g??om??tris??e, cette solution produit trous noirs avec deux horizons d'??v??nements.
Le Solution de Kerr pour faire tourner des objets massifs. Cette solution permet ??galement de trous noirs avec de multiples horizons d'??v??nements.
Le Solution de Kerr-Newman pour charge, la rotation des objets massifs. Cette solution permet ??galement de trous noirs avec de multiples horizons d'??v??nements.
Le cosmologique Solution Robertson-Walker, qui pr??dit l'expansion de l' univers .

La relativit?? g??n??rale a connu beaucoup de succ??s en raison de la fa??on dont ses pr??visions de ph??nom??nes qui ne sont pas appel??s par la th??orie de la gravit?? ont ??t?? r??guli??rement confirm??e. Par exemple:

Repr??sente la relativit?? g??n??rale pour l'anormale p??rih??lie pr??cession de la plan??te Mercure .
La pr??diction que le temps est plus lent ?? des potentiels inf??rieurs a ??t?? confirm??e par le Exp??rience Pound-Rebka, le Exp??rience de Hafele-Keating, et GPS.
La pr??diction de la d??viation de la lumi??re a ??t?? confirm??e par Arthur Eddington en 1919, et a plus r??cemment ??t?? fortement confirm??e par l'utilisation d'un quasar qui passe derri??re le Soleil vu de la Terre . Voir ??galement lentille gravitationnelle.
Le temporisation de la lumi??re passant ?? proximit?? d'un objet massif a ??t?? identifi?? par Irwin Shapiro en 1964 dans les signaux d'engins spatiaux interplan??taires.
Rayonnement gravitationnel a ??t?? indirectement confirm?? par des ??tudes de binaire pulsars.
L'expansion de l'univers (pr??dit par le Alexander Friedmann) a ??t?? confirm??e par Edwin Hubble en 1929.

la m??canique quantique et la gravit??

Plusieurs d??cennies apr??s la d??couverte de la relativit?? g??n??rale, il a r??alis?? que la relativit?? g??n??rale est incompatible avec la m??canique quantique . Il est possible de d??crire la gravit?? dans le cadre de la th??orie quantique des champs comme l'autre forces fondamentales, la force d'attraction de gravit?? se pose en raison de l'??change de virtuel gravitons, de la m??me fa??on que la force ??lectromagn??tique provient de l'??change de virtuelles photons . Ce reproduit la relativit?? g??n??rale dans le limite classique. Cependant, cette approche ??choue ?? de courtes distances de l'ordre de la Longueur de Planck, o?? une th??orie plus compl??te de la gravit?? quantique (ou une nouvelle approche de la m??canique quantique) est n??cessaire. Beaucoup pensent que le th??orie compl??te soit la th??orie des cordes , ou plus actuellement M Theory .

D??tails

La gravit?? de la Terre

Chaque corps plan??taire (y compris la Terre) est entour?? par son propre champ gravitationnel, qui exerce une force d'attraction sur tous les objets. En supposant une plan??te ?? sym??trie sph??rique (une approximation raisonnable), la force de ce champ en un point donn?? est proportionnelle ?? la masse du corps plan??taire et inversement proportionnelle au carr?? de la distance entre le centre du corps.

La force du champ de gravitation est num??riquement ??gale ?? l'acc??l??ration des objets sous son influence, et sa valeur ?? la surface de la Terre, not??e g, est d'environ 9,8 m / s?? (32,2 m / s??) comme moyenne standard. Cela signifie que, en ignorant la r??sistance de l'air, un objet tombant en chute libre ?? proximit?? 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 ?? partir de repos atteindre une vitesse de 9,8 m / s (32 pieds / s) apr??s une seconde, 19,6 m / s (64 ft / s) apr??s deux secondes, et ainsi de suite, en ajoutant 9,8 m / s ?? chaque vitesse r??sultante. Selon la 3??me loi de Newton, la Terre elle-m??me subit une force ??gale et oppos??e ?? celle agissant sur l'objet qui tombe, ce qui signifie que la Terre acc??l??re ??galement vers l'objet. Cependant, parce que la masse de la Terre est ??norme, l'acc??l??ration de la Terre par cette m??me force est n??gligeable, quand elle est mesur??e par rapport au syst??me du centre de masse .

??quations pour un corps en chute

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

Les ??quations cin??matiques et dynamiques d??crivant les trajectoires de la chute des corps sont consid??rablement plus simple si la force gravitationnelle est suppos?? constant. Cette hypoth??se est raisonnable pour les objets tombant ?? terre sur les distances verticales relativement courtes de notre exp??rience quotidienne, mais ne tient pas sur de plus grandes distances, comme les trajectoires des engins spatiaux, depuis l'acc??l??ration due ?? la gravit?? terrestre est beaucoup plus petit ?? de grandes distances.

Sous l'hypoth??se d'une constante de gravit??, La loi de Newton pour la gravitation simplifie F = mg, o?? m est la masse du corps et g est un vecteur constant avec une valeur moyenne de 9,81 m / s??. L'acc??l??ration due ?? la gravit?? est ??gale ?? cette g. Un objet initialement stationnaire qui est autoris?? ?? tomber librement par gravit?? descend une distance qui est proportionnelle au carr?? du temps ??coul??. L'image sur la droite, se ??tendant sur une demi-seconde, a ??t?? captur?? avec un flash stroboscopique ?? 20 flashs par seconde. Au cours de la premi??re 1 / 20e de seconde, la balle tombe d'une unit?? de distance (ici, une unit?? est d'environ 12 mm); par 2 / 20ths il a chut?? au total de 4 unit??s; par 3 / 20ths, 9 unit??s et ainsi de suite.

Dans les m??mes hypoth??ses de gravit?? constants, la ??nergie potentielle, E _p, d'un corps ?? la hauteur h est donn??e 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 m??me, l'expression $h = v ^ 2 / 2g$ pour la hauteur maximale atteinte par un corps projet??e 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'??nergie pour trouver la hauteur maximale atteinte. Cette m??me expression peut ??tre r??solue pour v pour d??terminer la vitesse d'un objet tombe d'une hauteur h juste avant de toucher le sol, $v = \ sqrt {} 2gh$ , En supposant que la r??sistance de l'air n??gligeable.

Gravit?? et l'astronomie

La d??couverte et l'application de la loi de Newton des comptes de gravit?? pour les informations d??taill??es que nous avons sur les plan??tes de notre syst??me solaire, la masse du Soleil, la distance aux ??toiles, quasars et m??me la th??orie de la mati??re noire . Bien que nous ne avons pas voyag?? dans toutes les plan??tes, ni au soleil, nous connaissons leurs masses. Ces masses sont obtenus en appliquant les lois de la gravit?? sur les caract??ristiques mesur??es de l'orbite. Dans l'espace un objet maintient sa en orbite en raison de la force de gravit?? agissant sur elle. Plan??tes ??toiles en orbite, les ??toiles orbite centres galactiques, galaxies en orbite autour d'un centre de masse en grappes, et les clusters en orbite superamas. La force de gravit?? est proportionnelle ?? la masse d'un objet et inversement proportionnelle au carr?? de la distance entre les objets.

Rayonnement gravitationnel

Dans la relativit?? g??n??rale, rayonnement gravitationnel est g??n??r?? dans les situations o?? la courbure de l'espace-temps est oscillant, comme ce est le cas avec des objets co-orbital. Le rayonnement gravitationnel ??mis par le syst??me solaire est beaucoup trop petite pour mesurer. Cependant, la radiation gravitationnelle a ??t?? indirectement observ?? comme une perte d'??nergie au fil du temps dans les syst??mes de pulsars binaires tels que PSR 1913 + 16. On pense que neutrons fusions ??toiles et trous noirs formation peuvent cr??er des quantit??s d??tectables de rayonnement gravitationnel. Observatoires de rayonnement gravitationnel tels que LIGO ont ??t?? cr????s pour ??tudier le probl??me. Pas de d??tections confirm??es ont ??t?? faites de ce rayonnement hypoth??tique, mais que la science derri??re LIGO est raffin?? et que les instruments eux-m??mes sont dot??s de plus grande sensibilit?? sur la prochaine d??cennie, ce qui peut changer.

Th??ories alternatives

Th??ories alternatives historiques

Th??orie aristot??licienne de gravit??
Th??orie de la gravitation de Le Sage (1784) a ??galement appel?? LeSage gravit??, propos?? par Georges-Louis Le Sage, bas?? sur une explication bas??e fluide o?? un gaz l??ger remplit l'univers entier.
La th??orie de la gravitation Nordstr??m (1912, 1913), un concurrent d??but de la relativit?? g??n??rale.
La th??orie de la gravitation de Whitehead (1922), un autre concurrent au d??but de la relativit?? g??n??rale.

Th??ories alternatives r??cents

Brans-Dicke la th??orie de la gravit?? (1961)
Gravit?? induite (1967), une proposition de Andrei Sakharov selon lesquelles la relativit?? g??n??rale pourrait d??couler de th??ories quantiques des champs de mati??re.
Rosen th??orie bi-m??trique de gravit??
Dans le la dynamique newtonienne modifi??s (Mond) (1981), Mordehai Milgrom propose une modification de la deuxi??me loi de Newton de mouvement pour les petites acc??l??rations.
La nouvelle et tr??s controvers??e la th??orie de la physique des processus tente de r??pondre ?? la gravit??
Le auto-cr??ation de la th??orie de la cosmologie de gravit?? (1982) par GA Barber dans lequel le Brans-Dicke th??orie est modifi??e pour permettre la cr??ation de masse.
La th??orie non sym??trique gravitationnelle (NGT) (1994) de John Moffat
Tensor vecteur-scalaire gravit?? (Teves) (2004), une modification relativiste de MOND par Jacob Bekenstein

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