Gravitāte ir visspēcīgākais spēks Visumā, kas ir viens no četriem galvenajiem Visuma pamatiem, kas nosaka tās struktūru. Reiz, pateicoties viņai, radās planētas, zvaigznes un visas galaktikas. Šodien tā saglabā Zemi orbītā tās nebeidzamā ceļojumā ap Sauli.
Atrakcija ir ļoti svarīga cilvēka ikdienas dzīvē. Pateicoties šai neredzamajai varai, mūsu pasaules okeāni pulsējas, upju plūsma, lietus pilieni nokrīt zemē. Kopš bērnības mēs jūtam ķermeņa un apkārtējo objektu svaru. Smaguma ietekme uz mūsu saimniecisko darbību ir milzīga.
Pirmo gravitācijas teoriju izveidoja Īzaks Ņūtons XVII gs. Beigās. Viņa Pasaules likums apraksta šo mijiedarbību klasiskās mehānikas ietvaros. Plašāk šo parādību Einšteins aprakstīja savā vispārējā relativitātes teorijā, kas tika izlaista pagājušā gadsimta sākumā. Procesiem, kas notiek ar elementāru daļiņu spēku, vajadzētu izskaidrot kvantu smaguma teoriju, bet tas vēl nav izveidots.
Šodien mēs zinām par smaguma būtību daudz vairāk nekā Ņūtona laikā, bet, neskatoties uz gadsimtiem ilgušajām studijām, tas joprojām ir aktuāls mūsdienu fizikas klupšanas akmens. Esošajā smaguma teorijā ir daudz baltu plankumu, un mēs joprojām nesaprotam, kas to izraisa un kā šī mijiedarbība tiek nodota. Un, protams, mēs esam ļoti tālu no spējas kontrolēt smaguma spēku, lai anti-gravitācija vai levitācija ilgu laiku pastāvētu tikai zinātniskās fantastikas romānu lapās.
Kas nokrita uz Ņūtona galvu?
Cilvēki domāja par spēka raksturu, kas visu laiku piesaista priekšmetus zemei, bet Īzāks Ņūtons izdeva noslēpumainības plīvuru tikai septiņpadsmitajā gadsimtā. Viņa sasniegumu pamatā bija Keplera un Galileo - izcili zinātnieku darbi, kuri pētīja debess ķermeņu kustības.
Vēl pusotrs gadsimtā pirms Ņūtona pasaules likuma Polijas astronoms Copernicus uzskatīja, ka pievilcība ir "... nekas, bet gan dabīgā tendence, ar kuru Visuma tēvs apveltīja visas daļiņas, proti, apvienot vienā veselā, veidojot sfēriskas struktūras". Descartes uzskatīja, ka piesaiste ir pasaules ētera traucējumu sekas. Grieķu filozofs un zinātnieks Aristotelis bija pārliecināts, ka masa ietekmē krītošo ķermeņu ātrumu. Un tikai Galileo Galilei XVI gs. Beigās pierādīja, ka tā nav taisnība: ja nav gaisa pretestības, visi objekti tiek paātrināti tādā pašā veidā.
Pretēji kopīgajai leģendai par galvu un ābolu, Ņūtons devās izprast gravitācijas dabu vairāk nekā divdesmit gadus. Viņa smaguma likums ir viens no nozīmīgākajiem visu laiku un tautu zinātniskajiem atklājumiem. Tas ir universāls un ļauj jums aprēķināt debess ķermeņu trajektorijas un precīzi aprakstīt apkārtējo objektu uzvedību. Klasiskā debesu teorija noteica debess mehānikas pamatus. Ņūtona trīs likumi deva zinātniekiem iespēju atklāt jaunas planētas burtiski "pildspalvu galā", galu galā, pateicoties viņiem, cilvēks varēja pārvarēt zemes gravitāciju un lidot kosmosā. Viņi cēla stingru zinātnisko bāzi saskaņā ar visuma materiālās vienotības filozofisko koncepciju, kurā visas dabas parādības ir savstarpēji saistītas un kontrolētas ar vispārējiem fiziskiem noteikumiem.
Ņūtons ne tikai publicēja formulu, lai aprēķinātu spēkus, kas piesaista ķermeņus viens otram, bet arī izveidoja pilnīgu modeli, kas ietver arī matemātisko analīzi. Šie teorētiskie secinājumi ir atkārtoti apstiprināti praksē, tostarp izmantojot modernākās metodes.
Ņūtona teorijā jebkurš materiāls objekts rada pievilcības lauku, ko sauc par gravitāciju. Turklāt spēks ir proporcionāls abu ķermeņu masai un apgriezti proporcionāls attālumam starp tiem:
F = (G m1 m2) / r2
G ir gravitācijas konstante, kas ir 6,67 × 10–11 m³ / (kg · s²). Viņš vispirms varēja aprēķināt Henriju Kavendiku 1798. Gadā.
Ikdienas dzīvē un lietišķajās disciplīnās spēks, ar kuru zeme piesaista ķermeni, tiek saukta par tā svaru. Visu divu materiālo objektu piesaiste Visumā ir tas, kas ir vienkāršs.
Piesaistes spēks ir vājākais no četriem galvenajiem fizikas mijiedarbības veidiem, bet, pateicoties tās īpašībām, tā spēj regulēt zvaigžņu sistēmu un galaktiku kustību:
- Atrakcija darbojas jebkurā attālumā, tā ir galvenā atšķirība starp gravitāciju un spēcīgajām un vājajām kodolreakcijām. Palielinoties attālumam, tā darbība samazinās, bet tā nekad nekļūst par nulli, tāpēc varam teikt, ka pat diviem atomiem dažādos galaktikas galos ir savstarpēja ietekme. Tas ir tikai ļoti mazs;
- Gravitācija ir universāla. Atrakciju joma ir raksturīga jebkuram materiālam ķermenim. Zinātnieki vēl nav atklājuši mūsu planētas vai kosmosa objektu, kas nepiedalītos šāda veida mijiedarbībā, tāpēc smaguma loma Visuma dzīvē ir milzīga. Tas atšķiras no elektromagnētiskās mijiedarbības, kuras ietekme uz kosmosa procesiem ir minimāla, jo lielākajā daļā ķermeņu ir elektriski neitrāli. Gravitācijas spēkus nevar ierobežot vai pārbaudīt;
- Tā darbojas ne tikai jautājumos, bet arī enerģijā. Viņam objektu ķīmiskais sastāvs nav svarīgs, tikai to masai ir nozīme.
Izmantojot Ņūtona formulu, piesaistes spēku var viegli aprēķināt. Piemēram, smagums uz mēness ir vairākas reizes mazāks nekā uz Zemes, jo mūsu satelītam ir relatīvi maza masa. Bet tas ir pietiekami, lai veidotu regulāri ebbs un plūsmas okeānos. Zemē brīvā kritiena paātrinājums ir aptuveni 9,81 m / s2. Un pie stabiem tas ir nedaudz lielāks par ekvatoru.
Neskatoties uz milzīgo nozīmi zinātnes tālākai attīstībai, Ņūtona likumiem bija vairāki vāji punkti, kas pētniekiem nedeva atpūtu. Nebija skaidrs, kā smagums darbojas absolūti tukšā vietā milzīgiem attālumiem un neiedomājamā ātrumā. Turklāt dati pakāpeniski sāka uzkrāt, kas bija pretrunā ar Ņūtona likumiem: piemēram, gravitācijas paradokss vai dzīvsudraba periheliona pārvietošana. Bija skaidrs, ka universālās agresijas teorija prasa izsmalcinātību. Šis gods nokrita līdz izcili vācu fiziķim Albertam Einšteinam.
Relativitātes pievilcība un teorija
Ņūtona atteikums apspriest smaguma būtību („Es neizdomāju hipotēzes”) bija acīmredzams viņa koncepcijas vājums. Nav pārsteidzoši, ka nākamajos gados parādījās daudzas smaguma teorijas.
Lielākā daļa no tām piederēja tā sauktajiem hidrodinamiskajiem modeļiem, kas mēģināja attaisnot materiālo objektu mehāniskās mijiedarbības ar kādu starpproduktu, kam ir noteiktas īpašības, rašanos. Pētnieki to nosauca citādi: "vakuums", "ēteris", "gravitona plūsma" utt. Šajā gadījumā piesaistes spēks starp ķermeņiem radās, mainoties šai vielai, kad to absorbēja objekti vai pārbaudītas plūsmas. Patiesībā visām šādām teorijām bija viens nopietns trūkums: drīzāk precīzi prognozējot gravitācijas spēka atkarību no attāluma, tām vajadzēja novest pie tādu ķermeņu palēnināšanās, kas pārvietojās attiecībā pret „ēteru” vai “gravitona plūsmu”.
Einšteins pievērsās šim jautājumam no cita viedokļa. Savā vispārējā relativitātes teorijā (GTR) gravitāciju neuzskata par spēku mijiedarbību, bet gan par kosmosa laika īpašību. Jebkurš objekts, kam ir masa, noved pie tā izliekuma, kas izraisa pievilcību. Šajā gadījumā gravitācija ir ģeometrisks efekts, kas tiek ņemts vērā ne-eiklīda ģeometrijas ietvaros.
Vienkārši runājot, kosmosa laika kontinuācija ietekmē lietu, izraisot tās kustību. Un tas savukārt ietekmē telpu, "norādot", kā saliekt.
Atraktīvie spēki darbojas mikrokosmā, bet elementāru daļiņu līmenī to ietekme, salīdzinot ar elektrostatisko mijiedarbību, ir niecīga. Fiziķi uzskata, ka gravitācijas mijiedarbība nebija mazāka par citiem pirmajos brīžos (10-43 sek.) Pēc lielā sprādziena.
Pašlaik vispārējā relativitātes teorijā ierosinātā gravitācijas koncepcija ir galvenā darba hipotēze, ko pieņēmusi lielākā daļa zinātnieku kopienas un ko apstiprina vairāku eksperimentu rezultāti.
Einšteins savā darbā paredzēja pārsteidzošos gravitācijas spēku efektus, no kuriem lielākā daļa jau ir apstiprināti. Piemēram, masveida ķermeņu iespēja saliekt gaismas starus un pat palēnināt laika gaitu. Pēdējā parādība ir obligāti jāņem vērā, darbojoties globālās satelītnavigācijas sistēmās, piemēram, GLONASS un GPS, pretējā gadījumā dažu dienu laikā to kļūda būtu desmitiem kilometru.
Turklāt Einšteina teorijas sekas ir tā saucamās smalkas gravitācijas sekas, piemēram, gravitācijas magnētiskais lauks un inerciālo atskaites sistēmu inercija (saukta arī par Lense-Thirring efektu). Šīs spēka izpausmes ir tik vājas, ka tās ilgu laiku nevarēja atklāt. Tikai 2005. gadā, pateicoties NASA unikālajai Gravity Probe B misijai, tika apstiprināta Lense-Thirring iedarbība.
Gravitācijas starojums vai pēdējo gadu fundamentālais atklājums
Gravitācijas viļņi ir ģeometriskas telpas laika struktūras svārstības, kas izplatās pēc gaismas ātruma. Šīs parādības esamību Einšteins paredzēja arī vispārējā relativitātē, bet spēka vājuma dēļ tā lielums ir ļoti mazs, tāpēc to nevarēja noteikt ilgu laiku. Tikai netiešie pierādījumi liecina par radiācijas esamību.
Šādi viļņi rada jebkādus materiālus objektus, kas pārvietojas ar asimetrisku paātrinājumu. Zinātnieki tos apraksta kā "kosmosa laiku ripples". Spēcīgākie šāda starojuma avoti ir galaktiku sadursme un sabrukšanas sistēmas, kas sastāv no diviem objektiem. Tipisks pēdējo gadījumu piemērs ir melno caurumu vai neitronu zvaigznes saplūšana. Šādos procesos gravitācijas starojums var pāriet vairāk nekā 50% no sistēmas kopējās masas.
Gravitācijas viļņi pirmo reizi tika atklāti 2015. gadā, izmantojot divas LIGO observatorijas. Gandrīz tūlīt šis notikums pēdējo desmitgažu laikā saņēma lielāko fizikas atklājumu statusu. 2017. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija. Pēc tam zinātnieki vairākas reizes ir spējuši noteikt gravitācijas starojumu.
Pagājušā gadsimta 70. gados - ilgi pirms eksperimentālā apstiprinājuma - zinātnieki ieteica izmantot gravitācijas starojumu, lai veiktu tālsatiksmes sakarus. Tās neapšaubāma priekšrocība ir augsta spēja iet caur jebkuru vielu bez absorbcijas. Bet šobrīd tas ir gandrīz neiespējami, jo pastāv milzīgas grūtības šo viļņu radīšanā un uzņemšanā. Jā, un reālas zināšanas par smaguma būtību nav pietiekamas.
Šodien dažādās pasaules valstīs ir vairākas iekārtas, līdzīgi kā LIGO, un tiek veidotas jaunas. Iespējams, ka tuvākajā nākotnē mēs uzzināsim vairāk par gravitācijas starojumu.
Alternatīvas pasaules paplašināšanās teorijas un to radīšanas iemesli
Pašlaik dominējošais smaguma jēdziens ir GR. Tā piekrīt visam eksperimentālo datu un novērojumu klāstam. Tajā pašā laikā tai ir liels skaits atklāti vāju punktu un pretrunīgu punktu, tāpēc netiek pārtraukti mēģinājumi radīt jaunus modeļus, kas izskaidro smaguma būtību.
Visas pasaules mēroga uztveres teorijas, kas ir izstrādātas līdz šim, var iedalīt vairākās galvenajās grupās:
- standarts;
- alternatīva;
- kvantu;
- viena lauka teorija.
Mēģinājumi izveidot jaunu pasaules mēroga koncepciju tika veikti XIX gadsimtā. Dažādi autori ietvēra ētera vai korpusu gaismas teoriju. Bet GR atnākšana izbeidza šos pētījumus. Pēc tā publicēšanas zinātnieku mērķis ir mainījies - tagad viņu centieni bija vērsti uz Einšteina modeļa uzlabošanu, tai skaitā jaunām dabas parādībām tajā: daļiņu muguru, Visuma paplašināšanos utt.
Līdz 1980. gadu sākumam fiziķi eksperimentāli noraidīja visus jēdzienus, izņemot tos, kas bija GTR kā neatņemama sastāvdaļa. Šajā laikā ieradās modē "stīgu teorijas", kas izskatījās ļoti daudzsološas. Taču nav konstatēts pieredzējis šo hipotēžu apstiprinājums. Pēdējās desmitgadēs zinātne ir sasniegusi ievērojamus augstumus un uzkrājusi plašu empīrisko datu klāstu. Šodien mēģinājumi radīt alternatīvas smaguma teorijas galvenokārt ir radīti kosmoloģisko pētījumu rezultātā, kas saistīti ar tādiem jēdzieniem kā "tumšā viela", "inflācija", "tumšā enerģija".
Viens no galvenajiem mūsdienu fizikas uzdevumiem ir divu pamatvirzienu apvienošana: kvantu teorija un vispārējā relativitāte. Zinātnieki cenšas piesaistīt pievilcību ar cita veida mijiedarbību, tādējādi radot “visu teoriju”. Tas ir tieši tas, ko dara kvantu gravitācija - fizikas filiāle, kas cenšas sniegt kvantisku aprakstu par gravitācijas mijiedarbību. Šīs virziena filiāle ir cilpas gravitācijas teorija.
Neskatoties uz aktīviem un ilgtermiņa centieniem, šis mērķis vēl nav sasniegts. Un jautājums nav pat šī uzdevuma sarežģītības ziņā: vienkārši kvantu teorijas un GR pamatā ir pilnīgi atšķirīgas paradigmas. Kvantu mehānika strādā ar fiziskām sistēmām, kas darbojas pret parastā kosmosa laiku. Relativitātes teorijā pati kosmosa laiks ir dinamisks komponents atkarībā no tajā esošo klasisko sistēmu parametriem.
Līdztekus pasaules zinātniskajām hipotēzēm ir arī teorijas, kas ir tālu no mūsdienu fizikas. Diemžēl pēdējos gados šāds "opuss" tikko applūst internetu un grāmatnīcu plauktos. Daži šādu darbu autori parasti informē lasītāju, ka gravitācijas nav, un Ņūtona un Einšteina likumi ir izgudrojumi un noslēpumi.
Piemērs ir „zinātnieka” Nikolaja Levašova darbs, kurš apgalvo, ka Ņūtons nav atklājis pasaules likumu, un tikai planētām un mūsu mēness, mēness, ir gravitācijas spēks Saules sistēmā. Pierādījumi par šo "krievu zinātnieku" rada diezgan dīvainu. Viens no tiem ir amerikāņu NEAR Shoemaker zondes lidojums uz asteroīdu Erosu, kas notika 2000. gadā. Atrodoties starp zondi un debess ķermeni Levashov, tiek uzskatīti pierādījumi par Ņūtona darbiem un fiziķu sazvērestību, kas slēpj patiesību par cilvēkiem.
Faktiski kosmosa kuģis veiksmīgi pabeidza savu misiju: pirmkārt, tas iegāja asteroīdu orbītā un pēc tam uz mīksta nolaišanās uz tās virsmas.
Mākslīgais smagums un tas, kāpēc tas ir nepieciešams
Divi jēdzieni ir saistīti ar smagumu, kas, neskatoties uz to pašreizējo teorētisko statusu, ir plaši pazīstami plašai sabiedrībai. Šī antigravitācija un mākslīgā gravitācija.
Antigravitācija ir gravitācijas spēka novēršanas process, kas var ievērojami samazināt to vai pat aizstāt to ar atbaidīšanu. Šīs tehnoloģijas apguve novestu pie reālas revolūcijas transporta, aviācijas, kosmosa izpētes un radikāli mainītu visu mūsu dzīvi. Bet šobrīd anti-gravitācijas iespējai pat nav teorētiska apstiprinājuma. Turklāt, pamatojoties uz GTR, šī parādība vispār nav iespējama, jo mūsu Visumā nevar būt negatīvas masas. Iespējams, ka nākotnē mēs uzzināsim vairāk par smagumu un uzzināsim, kā veidot lidaparātu, pamatojoties uz šo principu.
Mākslīgā gravitācija ir cilvēka radīta pārmaiņa esošajā gravitācijas spēkā. Šodien mums nav vajadzīga šāda tehnoloģija, bet situācija noteikti mainīsies pēc ilgtermiņa kosmosa brauciena sākuma. Un tā ir mūsu fizioloģija. Cilvēka ķermenis, "kas pieradis" ar miljoniem gadu ilgušu evolūciju uz Zemes pastāvīgo smagumu, ir ārkārtīgi negatīvs attiecībā uz samazināta smaguma ietekmi. Ilgstoša uzturēšanās pat Mēness smaguma apstākļos (sešas reizes vājāka nekā Zemes) var radīt bēdīgas sekas. Piesaistes ilūziju var izveidot, izmantojot citus fiziskus spēkus, piemēram, inerci. Tomēr šīs iespējas ir sarežģītas un dārgas. 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.
