Главный персонаж Вселенной

Теорема 2. Если материальную точку поместить внутри однородной среды (причем в любом месте, а не только в центре), то она не ощутит притяжения этой сферы, поскольку силы, действующие на нее со стороны всех элементарных частей сферы, в точности уравновесятся.

Эта теорема помогла тем специалистам, которые изучают недра небесных тел: стало возможным решать задачи, мысленно поместив наблюдателя внутрь планеты и не заботясь о тех слоях вещества, которые находятся снаружи от него, поскольку их суммарное притяжение равно нулю. Ньютон решил и задачу о том, как движутся две материальные точки, например планета и ее спутник, взаимно притягивающие друг друга по закону гравитации: они обращаются по эллиптической орбите вокруг общего центра масс, лежащего в фокусах эллипсов. Если сила взаимодействия изменяется обратно квадрату расстояния, то спутник действительно должен двигаться по эллипсу. Но теория Ньютона не только объяснила уже известные закономерности- она открыла и перспективу: эллипс оказался лишь частным случаем траектории; в зависимости от начальной скорости спутника ею могло быть любое коническое сечение- окружность, парабола, гипербола или, в предельном случае, прямая.

Любопытно, что закон тяготения в формулировки Ньютона справедлив только в нашем, трехмерном пространстве. Если бы мы жили в геометрическом пространстве большего или меньшего числа измерений, закон притяжения имел бы иную форму. Например в четырехмерном пространстве сила была бы обратно пропорциональна кубу расстояния. Но зачем издеваться над простым и изящным законом Ньютона, дающим зависимость 1/R2? Дело в том, что, обращаясь к реальным небесным объектам, мы замечаем их отличие от идеальных сфер. Форма Земли и Солнца лишь в первом приближении похожа на сферу. Известно, что Земля по причине вращения сплюснута вдоль полярной оси: расстояние между ее северным и южным полюсами на 43 км меньше, чем между противолежащими точками экватора. Из-за этого, к сожалению, теория Ньютона в точности не выполняется, и Земля притягивает к себе не как помещенная в ее центре массивная точка- а по более сложному закону. Нарушается простота ньютоновского закона, а значит, нарушается и простота взаимного движения тел. При этом их орбиты получаются не замкнутыми и гораздо более сложными, чем эллиптические.

Действительно, наблюдая за планетами, астрономы обнаружили, что все они движутся не точно по эллипсам, а скорее по «розеткам». Разумеется, это никого не удивило, поскольку, начиная с Ньютона, все ясно понимали, что простой эллипс, как и сама задача о двух точках, лишь первое приближение к реальности. Учитывая взаимное притяжение планет, обращающихся вокруг Солнца, удалось почти полностью объяснить форму их орбит. Траектории спутников, близких к своим планетам, в основном искажаются из-за несферичности планет, а на движение далеких спутников (в их числе- Луна) решающее влияние оказывает Солнце.

Но тщательное наблюдения не стыковались с теорией Ньютона. Не все получало физического объяснения. Например, ближайшая к Солнцу планета Меркурий движется по довольно вытянутой эллиптической орбите, поворот оси которой легко заметить. Обычно этот поворот выражает как скорость углового перемещения перигелия- ближайшей к Солнцу точки орбиты. Наблюдения показывают, что перигелий Меркурия поворачивается на 574`` за столетие в сторону движения самой планеты. Было доказано, что поворот на 531`` за 100 лет вызван влияния других планет- в основном Венеры, Юпитера и Земли. Это 93% от наблюдаемого эффекта; казалось бы, можно радоваться. Но оставшиеся 43`` в столетие не давали астрономам покоя: сказывалась профессиональная гордость за пресловутую астрономическую точность. Обнаружив неувязку в движении Меркурия, Леверье решил, что ему вторично улыбнулась удача, как в случае с Нептуном. Он вычислил параметры неизвестной планеты, которая могла бы находиться внутри орбиты Меркурия и дополнительно возмущать его движение. Ее долго искали, но не нашли. Поэтому возник парадокс: ньютоновская физика объясняет движение всех тел Солнечной системы, кроме Меркурия. К счастью пришел на помощь Энштейн и объяснил, что теория Ньютона- это лишь первое приближение к описанию природы. Вместо мелких поправок к ньютоновской теории тяготения Энштейн внес в физику нечто совершенно новое- общую теорию относительности (ОТО). Правда ее математическая форма не так проста, как у ньютоновской теории, зато она правильно описывает притяжение и движение тел. Когда на основе ОТО было рассчитано движение Меркурия, теория сошлась с наблюдениями в пределах такой точности, какую только могут дать современные астрономы. Даже значительно меньший эффект- поворот эллиптической орбиты Земли всего на 4`` в столетие- весьма точно объясняется в рамках ОТО.

Другое по теме

Проект водосливной плотины
Целью данного проекта является разработка гидроузла. Гидроузел включает в себя водосливную плотину,гидроэлектростанцию, береговой водоприемник и глухую плотину. Климатические условия. Географический район строительства – Зап. Сибирь. Геологические условия. Аллювиальные отложения в русле реки представляют собой ...

Квантовые эффекты. Ограничения применимости теории тяготения Эйнштейна
Теория Эйнштейна — не квантовая теория. В этом отношении она подобна классической электродинамике Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам точно так же, как и электромагнитное поле. В противном случае возникли бы противоречия с принципом неопределённо ...