👩🏻‍🚀 🌸 👈🏻 Demandez à Ethan n ° 11: pourquoi la gravité diminue-t-elle avec la distance? 👨 ⚱️ 🔤

Un objet exotique, composé d'une petite étoile lourde tournant à une vitesse de 25 fois par seconde, autour de laquelle une naine blanche tourne avec une période de deux heures et demie (selon l'artiste). Il s'agit d'un pulsar PSR J0348 + 0432, émettant des ondes gravitationnelles. Et bien qu'ils ne puissent pas être mesurés directement à partir de la Terre, il est possible de mesurer les changements dans l'orbite associés à la perte d'énergie par le système.

Je ne reconnaîtrais pas l'espace-temps ou un échec au cœur de la téléportation, même s'ils rampaient dans mon lit.
- Patrick Stewart

Le lecteur demande:

Pourquoi la gravité diminue-t-elle avec la distance de l'objet? J'ai lu qu'elle décroît selon la loi des carrés inverses, mais sans explication pourquoi.

La question est simple, mais une réponse approfondie est requise.

La physique et la science dans leur ensemble ne traitent généralement pas de la question du «pourquoi» en rapport avec les phénomènes naturels - généralement seulement «comment» est étudié. Donnez une théorie, un ensemble de lois et des objets physiques avec des propriétés données - et la science vous dira comment ils se comporteront dans la théorie. Il en va de même avec la gravité.

Pendant des siècles, la gravité newtonienne a été la théorie la plus réussie décrivant des forces agissant à grande échelle. Elle a dit que tous les objets de l'Univers qui ont une masse attirent tous les autres objets massifs. Et la force d'attraction est proportionnelle à la masse des deux objets et inversement proportionnelle à la distance entre eux.

Cette loi est assez facile à calculer sur les ordinateurs modernes, et l'adéquation de la théorie aux observations est excellente.

Mais pouvez-vous dire quelque chose d'intelligent sur les raisons pour lesquelles la gravité fonctionne de cette façon? Considérez nos voisins spatiaux les plus proches.

Autour du Soleil, la plus grande masse de notre système, tous les autres objets, des planètes aux astéroïdes et aux comètes, volent en cercles et en ellipses. Fait intéressant, les cercles et les ellipses sont des orbites fermées stables - ces objets reviennent à chaque fois au même point, après un laps de temps, que nous appelons l'année.

Cela en soi du point de vue des mathématiques est assez intéressant. Les forces sont des vecteurs, elles ont une ampleur et une direction. Dans le système solaire, les forces agissant sur les objets sont dirigées vers le centre du soleil. Si vous avez besoin de quelque chose pour voler autour du soleil en orbite fermée, vous n'avez que deux options.

Soit vous avez besoin d'une force qui obéit à la loi des carrés inverses (gravité), ou d'une force qui augmente linéairement avec la distance (ressort). Il y a un théorème qui prouve qu'en dehors de ces deux possibilités, il n'y en a pas d'autres.

Par conséquent, il peut augmenter ou diminuer avec la distance, mais seulement dans un sens, sinon nous n'aurons pas d'orbites fermées stables.

Et comme ce sont précisément ces orbites qui sont nécessaires à des températures stables et modérées auxquelles la vie peut exister, nous sommes vraiment chanceux que l'Univers fonctionne selon de telles lois.

Il y a des forces qui augmentent avec la distance - par exemple, une forte interaction. Il y a même un exemple d'une force qui n'a pas de direction et qui est constante - l'énergie sombre.

Mais la loi des carrés inverses n'est pas tout ce que l'on peut dire sur la gravité. De plus, comme il y a une orbite ouverte dans notre système, nous devons remplacer la gravité newtonienne par une théorie générale de la relativité plus récente.

L'orbite de Mercure subit une précession et ne se verrouille pas. Ce fut la première cloche signalant l'imperfection de la théorie newtonienne. Un demi-siècle a été consacré à résoudre ce problème et l'émergence des ressources génétiques. Et nous avons réalisé que la gravité ne suit pas exactement la loi des carrés inverses - ce n'est qu'une approximation valable pour les grandes distances et les petites masses et énergies.

Nous avons un tas de nouvelles prédictions, confirmées par des expériences, y compris la lentille gravitationnelle de la lumière, d'autres mécanismes d'orbite de corps massifs à de courtes distances, un décalage vers le rouge gravitationnel, et bien plus encore.

Mais la principale conclusion était que les corps se déplaçant sur des orbites, à proprement parler, n'obéissent pas à la loi des carrés inverses.

Toutes les orbites, selon la relativité générale, naissent de forces légèrement plus fortes que la loi des carrés inverses, elles diminuent donc avec le temps. Les planètes intérieures sont les premières à quitter leurs orbites, suivies de mondes plus éloignés, car la distance qui les sépare est plus grande. Au final, en l'absence d'autres forces, tout viendra en spirale au centre de gravité du système.
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Si la Terre tournait autour du soleil vivant sans fin, il faudrait 10 ¹⁵⁰ ans pour disparaître complètement de l'orbite. Les orbites vraiment stables et fermées dans l'Univers n'existent tout simplement pas.

Au moins selon GTR - la meilleure théorie décrivant actuellement la gravité. Pour les petites masses et les grandes distances, il dégénère en théorie newtonienne classique.

Mais pourquoi le GTR contrôle-t-il la gravité dans l'Univers exactement de cette façon? Personne ne peut le dire avec certitude.

Par conséquent, vous devez vous contenter de la réponse standard: la gravité fonctionne comme ça, car les lois de la nature sont ainsi arrangées. Il est possible d'imaginer l'Univers avec d'autres lois - mais nous en avons une, et nous ne comprenons pas vraiment pourquoi les lois sont arrangées de cette façon. Nous pouvons faire des observations, dériver des lois, les vérifier - et peut-être qu'un jour nous comprendrons pourquoi elles le sont.

Demandez à Ethan n ° 11: pourquoi la gravité diminue-t-elle avec la distance?

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