Gravitacija - galia, kuri sukūrė visatą

Patrauklumo jėga lemia visų dangiškųjų kūnų judėjimą.

Gravitacija yra galingiausia Visatos jėga, viena iš keturių pagrindinių visatos pamatų, kuri lemia jos struktūrą. Kartą jos dėka kilo planetos, žvaigždės ir visos galaktikos. Šiandien ji saugo Žemę orbitoje savo nesibaigiančioje kelionėje aplink Saulę.

Patrauklumas yra labai svarbus kasdieniam žmogaus gyvenimui. Dėl šios nematomos galios, mūsų pasaulio vandenynai pulsuoja, upių tekėjimas, lietaus lašai nukrenta į žemę. Nuo vaikystės jaučiame mūsų kūno ir aplinkinių objektų svorį. Sunkumo įtaka mūsų ekonominei veiklai yra didžiulė.

Pirmąja gravitacijos teorija sukūrė Izaokas Niutonas XVII a. Pabaigoje. Jo Pasaulio įstatymas apibūdina šią sąveiką klasikinės mechanikos sistemoje. Šį reiškinį plačiau apibūdino Einšteinas savo bendroje reliatyvumo teorijoje, kuri buvo išleista praėjusio amžiaus pradžioje. Procesai, vykstantys su elementariųjų dalelių galia, turėtų paaiškinti kvantinės gravitacijos teoriją, tačiau ji dar turi būti sukurta.

Šiandien apie gravitacijos prigimtį žinome daug daugiau nei Niutono metu, tačiau, nepaisant šimtmečių trukmės studijų, jis vis dar išlieka tikra šiuolaikinės fizikos kliūtimi. Esamoje gravitacijos teorijoje yra daug baltų dėmių, ir mes vis dar tiksliai nesuprantame, kas ją sukelia, ir kaip ši sąveika perduodama. Ir, žinoma, esame labai toli nuo to, kad negalime kontroliuoti gravitacijos jėgos, kad anti-gravitacija ar levitacija ilgą laiką egzistuotų tik mokslinės fantastikos romanų puslapiuose.

Kas nukrito į Niutono galvą?

Žmonės galvojo apie jėgos pobūdį, kuris visą laiką pritraukia objektus į žemę, tačiau Izaokas Niutonas sugebėjo pakelti paslapties šydą tik XVII a. Jo persilaužimo pagrindas buvo Keplerio ir „Galileo“ kūriniai - puikūs mokslininkai, tiriantys dangiškųjų kūnų judesius.

Dar vienas su puse amžiaus prieš Newtono pasaulio įstatymą Lenkijos astronomas Copernicus tikėjo, kad patrauklumas yra "... nieko, bet tik natūrali tendencija, su kuria Visatos tėvas talentavo visas daleles, būtent suvienyti į vieną visumą, sudarančią sferinius kūnus". Descartes laikė patrauklumą kaip pasaulio eterio sutrikimų pasekmes. Graikų filosofas ir mokslininkas Aristotelis buvo įsitikinęs, kad masė daro įtaką krintančių kūnų greičiui. Ir tik „Galileo Galilei“ XVI a. Pabaigoje įrodė, kad tai nėra tiesa: jei nėra oro pasipriešinimo, visi objektai yra paspartinti taip pat.

Svorio Newtono dvidešimties metų gyvenimas prasidėjo gravitacijos teorijos raidoje. Istorijos apie obuolius - nieko daugiau nei graži legenda

Priešingai bendrajai legendai apie galvą ir obuolį, Niutonas daugiau nei dvidešimt metų išvyko į gravitacijos pobūdį. Jo gravitacijos įstatymas yra vienas svarbiausių visų laikų ir tautų mokslinių atradimų. Tai universalus ir leidžia jums apskaičiuoti dangiškųjų kūnų trajektorijas ir tiksliai aprašyti aplinkinių objektų elgesį. Klasikinė dangaus teorija padėjo dangaus mechanikos pamatus. Trys Niutono įstatymai suteikė mokslininkams galimybę atrasti naujas planetas pažodžiui „švirkštimo priemonės gale“, galų gale, jų dėka žmogus sugebėjo įveikti žemės gravitaciją ir skristi į kosmosą. Jie atnešė griežtą mokslinę bazę pagal visatos materialiosios vienybės filosofinę koncepciją, kurioje visi gamtos reiškiniai yra tarpusavyje susiję ir valdomi bendromis fizinėmis taisyklėmis.

Niutonas ne tik paskelbė formulę, kad apskaičiuotų jėgą, kuri pritraukia kūnus vieni kitiems, sukūrė pilną modelį, kuris taip pat apėmė matematinę analizę. Šios teorinės išvados buvo pakartotinai patvirtintos praktikoje, įskaitant moderniausių metodų taikymą.

Niutono teorijoje bet koks materialus objektas sukuria patrauklumo lauką, vadinamą gravitaciniu. Be to, jėga yra proporcinga abiejų kūnų masei ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų:

F = (G m1 m2) / r2

G yra gravitacinė konstanta, kuri yra 6,67 × 10–11 m³ / (kg · s²). Jis pirmą kartą galėjo apskaičiuoti Henry Cavendish 1798 m.

Kasdieniame gyvenime ir taikomose disciplinose jėga, su kuria žemė pritraukia kūną, vadinama jos svoriu. Visų dviejų materialių objektų pritraukimas visatoje yra tai, kas yra sunkus žodis.

Patrauklumo jėga yra silpniausia iš keturių pagrindinių fizikos sąveikų, tačiau jos savybių dėka ji gali reguliuoti žvaigždžių sistemų ir galaktikų judėjimą:

  • Atrakcija veikia bet kuriuo atstumu, tai yra pagrindinis skirtumas tarp sunkumo ir stiprių bei silpnų branduolinių sąveikų. Didėjant atstumui, jo veiksmas mažėja, bet jis niekada tampa nuliu, todėl galime pasakyti, kad net du atomai skirtinguose galaktikos galuose turi abipusį poveikį. Tai tik labai maža;
  • Gravitacija yra universalus. Patrauklumo laukas būdingas bet kuriam materialiam kūnui. Mokslininkai mūsų planetoje ar erdvėje dar nežinojo objekto, kuris nedalyvautų tokio tipo sąveikoje, todėl gravitacijos vaidmuo Visatos gyvenime yra milžiniškas. Tai skiriasi nuo elektromagnetinės sąveikos, kurios poveikis kosmoso procesams yra minimalus, nes gamtoje daugelis kūnų yra elektra neutralūs. Gravitacinės jėgos negali būti ribojamos ar tikrinamos;
  • Jis veikia ne tik medžiagoje, bet ir energijoje. Jam cheminių objektų sudėtis nėra svarbi, tik jų masė vaidina svarbų vaidmenį.

Naudojant Niutono formulę, traukos jėga gali būti lengvai apskaičiuojama. Pavyzdžiui, sunkumas ant mėnulio yra kelis kartus mažesnis už žemę, nes mūsų palydovui yra gana maža masė. Bet pakanka formuoti reguliarias ebbas ir srautus vandenynuose. Žemėje laisvo kritimo pagreitis yra maždaug 9,81 m / s2. Ir polių, jis yra šiek tiek didesnis nei pusiaujo.

Svorio jėga lemia mėnulio judėjimą aplink žemę, kuri sukelia potvynių pakitimą vandenynuose

Nepaisant milžiniškos svarbos tolesniam mokslo vystymuisi, Niutono įstatymai turėjo keletą silpnų vietų, kurios tyrėjams nesuteikė poilsio. Nebuvo aišku, kaip gravitacija veikia per visiškai tuščią erdvę milžiniškiems atstumams ir neįsivaizduojamu greičiu. Be to, duomenys palaipsniui pradėjo kauptis, kurie prieštaravo Niutono įstatymams: pavyzdžiui, gravitacijos paradoksas arba gyvsidabrio perihelio perkėlimas. Akivaizdu, kad visuotinės agresijos teorija reikalauja tobulinimo. Šis garbė nukrito į puikių vokiečių fizikų Albertą Einšteiną.

Reliatyvumo ir reliatyvumo teorija

Niutono atsisakymas diskutuoti apie gravitacijos prigimtį („Aš nesukursiu hipotezių“) buvo akivaizdus jo koncepcijos trūkumas. Nenuostabu, kad per ateinančius metus atsirado daugelis gravitacijos teorijų.

Dauguma jų priklausė vadinamiesiems hidrodinaminiams modeliams, kurie bandė pateisinti mechaninių objektų sąveikos su tam tikromis tarpinėmis medžiagomis, turinčiomis tam tikrų savybių, atsiradimą. Mokslininkai ją pavadino skirtingai: „vakuumas“, „eteris“, „gravitono srautas“ ir tt Šiuo atveju traukos jėga tarp kūnų atsirado dėl šios medžiagos pasikeitimo, kai jį sugėrė objektai arba tikrinami srautai. Iš tikrųjų, visos tokios teorijos turėjo vieną rimtą trūkumą: gana tiksliai prognozuoti gravitacinės jėgos priklausomybę nuo atstumo, jie turėjo paskatinti lėtinti kūnus, judėjusius „eterio“ ar „gravitono srauto“ atžvilgiu.

Einšteinas kreipėsi į šį klausimą kitaip. Savo bendroje reliatyvumo teorijoje (GTR) sunkumas vertinamas ne kaip jėgų sąveika, bet kaip pačios erdvės laiko savybė. Bet koks objektas, turintis masę, sukelia jo kreivumą, kuris sukelia patrauklumą. Šiuo atveju gravitacija yra geometrinis efektas, kuris laikomas ne euklido geometrijos pagrindu.

Paprasčiau tariant, erdvės ir laiko kontinuumas paveikia medžiagą, sukelia jo judėjimą. Ir tai, savo ruožtu, veikia erdvę, „nurodydama“, kaip jį lenkti.

Svorio gravitacija Einšteino požiūriu

Patrauklumo jėgos veikia mikrokosmuose, bet elementariųjų dalelių lygmeniu jų įtaka, palyginti su elektrostatine sąveika, yra nereikšminga. Fizikai mano, kad gravitacinė sąveika pirmosiomis akimirkomis (10–43 sek.) Nebuvo mažesnė už kitus.

Šiuo metu bendroji reliatyvumo teorija siūloma gravitacijos sąvoka yra pagrindinė darbo hipotezė, kurią priėmė dauguma mokslo bendruomenės ir patvirtinta daugelio eksperimentų rezultatais.

Einšteinas savo darbe numatė nuostabius gravitacinių jėgų padarinius, kurių dauguma jau buvo patvirtinti. Pavyzdžiui, masyvių kūnų galimybė lenkti šviesos spindulius ir net sulėtinti laiko praėjimą. Pastarasis reiškinys yra būtinai atsižvelgiama, kai veikia pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos, tokios kaip GLONASS ir GPS, kitaip per kelias dienas jų klaida būtų dešimtys kilometrų.

Be to, Einšteino teorijos pasekmė yra vadinamieji subtilūs gravitacijos efektai, tokie kaip gravitacijos magnetinis laukas ir inercijos atskaitos sistemų inercija (taip pat žinomas kaip „Lense-Thirring“ efektas). Šios jėgos apraiškos yra tokios silpnos, kad ilgą laiką jų nebuvo galima aptikti. Tik 2005 m. NASA unikalios Gravity Probe B misijos dėka buvo patvirtintas „Lense-Thirring“ efektas.

Gravitacinė spinduliuotė arba svarbiausias pastarųjų metų atradimas

Gravitacinės bangos yra geometrinės erdvės laiko struktūros svyravimai, sklindantys šviesos greičiu. Šio fenomeno egzistavimą taip pat prognozavo Einšteinas bendrojo reliatyvumo požiūriu, tačiau dėl jėgos silpnumo jo dydis yra labai mažas, todėl jo negalima ilgai aptikti. Kalbėjo tik netiesioginiai įrodymai, kad radiacija egzistuoja.

Tokios bangos sukuria bet kokius materialius objektus, judančius asimetriniu pagreitis. Mokslininkai juos apibūdina kaip „erdvės laiko trapus“. Galingiausi tokios spinduliuotės šaltiniai yra galaktikų ir griuvimo sistemų susidūrimas, susidedantis iš dviejų objektų. Tipiškas pastarojo atvejo pavyzdys yra juodųjų skylių arba neutronų žvaigždžių suliejimas. Tokiuose procesuose gravitacinė spinduliuotė gali praeiti daugiau kaip 50% visos sistemos masės.

Taigi jūs galite pavaizduoti „erdvės laiko trapus“, kurie yra gravitacinė spinduliuotė

Gravitacinės bangos pirmą kartą buvo rastos 2015 m., Naudojant dvi LIGO observatorijas. Beveik iš karto šis įvykis įgijo didžiausią fizikos atradimą pastaraisiais dešimtmečiais. 2017 m. Jam buvo skirta Nobelio premija. Po to mokslininkai kelis kartus sugebėjo nustatyti gravitacinę spinduliuotę.

Praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje - prieš pat eksperimentinį patvirtinimą - mokslininkai pasiūlė naudoti gravitacinę spinduliuotę tolimojo susisiekimo srityje. Jo neabejotinas pranašumas yra aukštas sugebėjimas pereiti per bet kurią medžiagą be absorbcijos. Tačiau šiuo metu vargu ar įmanoma, nes yra didelių sunkumų, kylančių dėl šių bangų generavimo ir priėmimo. Taip, o tikros žinios apie sunkumo pobūdį yra nepakankamos.

Šiandien įvairiose pasaulio šalyse yra keletas įrenginių, panašių į LIGO, o naujai statomi. Tikėtina, kad artimiausioje ateityje daugiau sužinosime apie gravitacinę spinduliuotę.

Alternatyvios pasaulio plačiosios teorijos ir jų kūrimo priežastys

Šiuo metu dominuojanti gravitacijos sąvoka yra GR. Ji sutinka su visa esama eksperimentinių duomenų ir stebėjimų grupe. Tuo pačiu metu ji turi daug atvirai silpnų vietų ir prieštaringų punktų, todėl nebandoma kurti naujų modelių, paaiškinančių sunkumo pobūdį.

Visos iki šiol sukurtos pasaulinio suvokimo teorijos gali būti suskirstytos į kelias pagrindines grupes:

  • standartas;
  • alternatyva;
  • kvantinis;
  • vieno lauko teorija.

XIX a. Buvo bandoma sukurti naują pasaulinės koncepcijos koncepciją. Įvairūs autoriai buvo eteris arba korpusinė šviesos teorija. Tačiau GR atėjimas nutraukė šiuos tyrimus. Paskelbus, pasikeitė mokslininkų tikslas - dabar jų pastangos buvo skirtos pagerinti Einšteino modelį, įskaitant naujus gamtos reiškinius jame: dalelių nugarą, Visatos plėtrą ir kt.

Iki 1980-ųjų pradžios fizikai eksperimentiškai atmetė visas koncepcijas, išskyrus tas, kurios įtraukė GTR kaip neatskiriamą dalį. Šiuo metu atsirado mados „eilutės teorijos“, kurios atrodė labai perspektyvios. Tačiau patyręs šių hipotezių patvirtinimas nerastas. Per pastaruosius dešimtmečius mokslas pasiekė didelį aukštį ir sukaupė daugybę empirinių duomenų. Šiandien bandymai sukurti alternatyvias gravitacijos teorijas daugiausia yra įkvėpti kosmologiniais tyrimais, susijusiais su tokiomis sąvokomis kaip "tamsioji medžiaga", "infliacija", "tamsioji energija".

Vienas pagrindinių šiuolaikinės fizikos uždavinių yra dviejų pagrindinių krypčių: kvantinės teorijos ir bendrojo reliatyvumo suvienijimas. Mokslininkai siekia susieti patrauklumą su kitomis sąveikos rūšimis, taip sukuriant „visko teoriją“. Būtent tai daro kvantinė gravitacija - fizikos filialas, kuris bando pateikti kvantinį gravitacinės sąveikos aprašymą. Šios krypties atšaka yra kilpos gravitacijos teorija.

Nepaisant aktyvių ir ilgalaikių pastangų, šis tikslas dar nėra pasiektas. Ir ši problema nėra net sudėtinga: paprasčiausiai kvantinės teorijos ir GR pagrindas yra visiškai skirtingos paradigmos. Kvantinė mechanika dirba su fizinėmis sistemomis, veikiančiomis įprastos erdvės laiko fone. Reliatyvumo teorijoje pati erdvė-laikas yra dinamiškas komponentas, priklausantis nuo klasikinių sistemų parametrų.

Kartu su pasaulio mokslinėmis hipotezėmis yra ir teorijų, kurios yra toli nuo šiuolaikinės fizikos. Deja, pastaraisiais metais tokia „opus“ tiesiog užtvindė internetą ir knygų parduotuvių lentynos. Kai kurie tokių kūrinių autoriai paprastai informuoja skaitytoją, kad gravitacijos nėra, o Niutono ir Einšteino įstatymai yra išradimai ir paslaptys.

Pavyzdžiui, „mokslininko“ Nikolajo Levašovo darbas, teigiantis, kad Niutonas nežinojo pasaulio įstatymo, ir tik planetos ir mūsų mėnulis, mėnulis, turi gravitacinę jėgą Saulės sistemoje. Šio „rusų mokslininko“ įrodymai veda gana keistai. Vienas iš jų yra amerikietiško NEAR Shoemaker zondo skrydis į asteroidą „Eros“, kuris vyko 2000 m. Nesant traukos tarp zondo ir dangaus kūno Levašovo nuomone, Newtono darbų netikrumas ir fizikų, kurie paslėpia tiesą apie žmones, sąmokslą.

Tiesą sakant, kosminis laivas sėkmingai baigė savo misiją: pirma, jis pateko į asteroidinę orbitą, o po to padarė savo minkštą nusileidimą.

Dirbtinis sunkumas ir kodėl tai reikalinga

Su gravitacija susijusios dvi sąvokos, kurios, nepaisant jų esamos teorinės padėties, yra plačiai žinomos plačiajai visuomenei. Tai antigravitacija ir dirbtinis sunkumas.

Antigravitacija yra gravitacijos jėgos neutralizavimo procesas, kuris gali žymiai sumažinti jį arba netgi pakeisti ją atbaidymu. Šios technologijos įvaldymas sukeltų tikrą transporto, aviacijos, kosminės erdvės tyrinėjimą ir radikaliai pakeitė visą gyvenimą. Tačiau šiuo metu antigravitacijos galimybė netgi neturi teorinio patvirtinimo. Be to, remiantis GTR, šis reiškinys visiškai neįmanomas, nes mūsų Visatoje negali būti neigiamos masės. Gali būti, kad ateityje daugiau sužinosime apie gravitaciją ir išmoksime statyti orlaivius pagal šį principą.

Antigravitacija. Deja, iki šiol vienintelis būdas ...

Dirbtinis sunkumas yra žmogaus sukeltas esamo gravitacijos jėgos pakeitimas. Šiandien mums nereikia tokios technologijos, tačiau padėtis tikrai pasikeis po to, kai prasidės ilgalaikė kelionė kosmosu. Ir tai yra mūsų fiziologija. Žmogaus kūnas, „pripratęs“ milijonais metų evoliucijos iki nuolatinio Žemės sunkumo, yra labai neigiamas dėl sumažinto gravitacijos poveikio. Ilgas buvimas net ir mėnulio sunkumo sąlygomis (šešis kartus silpnesnis nei žemės) gali sukelti liūdnas pasekmes. Patrauklumo iliuziją galima sukurti naudojant kitas fizines jėgas, tokias kaip inercija. Tačiau šios galimybės yra sudėtingos ir brangios. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.

Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.

Žiūrėti vaizdo įrašą: Zeitgeist: Judame Pirmyn 2011 (Kovo 2024).