Gravity er den mektigste kraften i universet, en av de fire grunnleggende fundamentene i universet, som bestemmer dens struktur. En gang, takket være henne, oppsto planeter, stjerner og hele galakser. I dag holder det jorden i bane på sin uendelige reise rundt Sola.
Tiltrengningen er av stor betydning for menneskets dagligliv. Takket være denne usynlige kraften, havene i vår verdenspulsate, elver strømmer, faller regndråper til bakken. Siden barndommen føler vi vekten av kroppen vår og omgivende gjenstander. Gravitasjonens innflytelse på vår økonomiske aktivitet er enorm.
Den første tyngdegraden ble skapt av Isaac Newton i slutten av XVII-tallet. Hans verdensloven beskriver denne samspillet innenfor rammen av klassisk mekanikk. Mer vidt dette fenomenet ble beskrevet av Einstein i sin generelle relativitetsteori, som ble utgitt i begynnelsen av forrige århundre. Prosessene som forekommer med kraften i de elementære partiklene, bør forklare kvantethetens tyngdekraft, men den har ennå ikke blitt opprettet.
I dag vet vi tyngdekraftenes natur mye mer enn på Newtons tid, men til tross for århundrer med studier, er det fortsatt en reell hindring for moderne fysikk. I den eksisterende tyngdegraden er det mange hvite flekker, og vi forstår fortsatt ikke nøyaktig hva som forårsaker det, og hvordan denne samspillet overføres. Og selvfølgelig er vi svært langt fra å kunne kontrollere tyngdekraften, slik at anti-tyngdekraften eller levitasjonen vil eksistere lenge på sider av science fiction romaner.
Hva falt på Newtons hode?
Folk tenkte på kraftens natur, som tiltrekker seg gjenstander til bakken hele tiden, men Isaac Newton klarte å løfte sløret av hemmelighold bare i det syttende århundre. Grunnlaget for hans gjennombrudd lagde Keplers og Galileos verk - strålende forskere som studerte bevegelser av himmellegemer.
Et annet og et halvt århundre før den newtonske loven av verden trodde den polske astronomen Copernicus at attraksjonen er "... bare den naturlige tendens som universets far gav alle partikler til å forene seg i en helhet og danner sfæriske kropper". Descartes betraktet attraksjon som en konsekvens av forstyrrelser i verden eter. Den greske filosofen og forskeren Aristoteles var overbevist om at massen påvirker hastigheten på fallende kropper. Og bare Galileo Galilei ved slutten av XVI-tallet viste at dette ikke er sant: Hvis det ikke er luftmotstand, akselereres alle objekter på samme måte.
I motsetning til den vanlige legen om hodet og epleet, gikk Newton for å forstå tyngdekraften i mer enn tjue år. Hans tyngdekraftslov er en av de viktigste vitenskapelige funnene av alle tider og folk. Det er universelt og lar deg beregne baner av himmellegemer og nøyaktig beskriver oppførselen til objekter rundt oss. Den klassiske teori om himmelen lagde grunnlaget for himmellegemekanikken. Newtons tre lover ga forskere muligheten til å oppdage nye planeter bokstavelig talt "på spissen av pennen". Tross alt, takket være dem, var mannen i stand til å overvinne jordens tyngdekraft og fly inn i rommet. De tok en streng vitenskapelig grunnlag under det filosofiske konseptet om universets materielle enhet, der alle naturlige fenomener er sammenkoblet og kontrollert av generelle fysiske regler.
Newton publiserte ikke bare en formel for å beregne kraften som tiltrekker seg kropper til hverandre, han opprettet en komplett modell, som også inneholdt matematisk analyse. Disse teoretiske konklusjonene er gjentatte ganger bekreftet i praksis, inkludert bruk av de mest moderne metodene.
I newtonsk teori genererer ethvert materialeobjekt et tiltrekningsfelt, som kalles gravitasjon. Videre er kraften proporsjonal med begge kroppers masse og omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem:
F = (G m1 m2) / r2
G er gravitasjonskonstanten, som er 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Han kunne først beregne Henry Cavendish i 1798.
I hverdagen og i anvendte fagområder kalles den kraften som jorden tiltrekker seg på kroppen, som dens vekt. Tiltrengningen mellom to materielle objekter i universet er hva tyngdekraften er i enkle ord.
Tiltrengningskraften er den svakeste av fysikkens fire fundamentale samspill, men takket være dens egenskaper er det i stand til å regulere bevegelsen av stjernesystemer og galakser:
- Tiltrengningen virker på en hvilken som helst avstand, dette er hovedforskjellen mellom tyngdekraften og sterke og svake atomreaksjoner. Med økende avstand minker dens handling, men det blir aldri null, så vi kan si at selv to atomer i forskjellige ender av galaksen har en gjensidig effekt. Det er bare veldig lite;
- Gravity er universell. Tiltrengningsfeltet er iboende i enhver materiell kropp. Forskere har ennå ikke oppdaget på vår planet eller i rommet et objekt som ikke ville delta i samspillet av denne typen, så tyngdekraften i universets liv er enorm. Dette er forskjellig fra den elektromagnetiske samspillet, hvilken effekt på romprosessene er minimal, da de fleste organer i naturen er elektrisk nøytrale. Gravitasjonskrefter kan ikke begrenses eller screenes;
- Det virker ikke bare på materie, men også på energi. For ham er den kjemiske sammensetningen av objekter ingen betydning, bare deres masse spiller en rolle.
Med Newtons formel kan tiltrekningskraften enkelt beregnes. For eksempel er tyngdekraften på månen flere ganger mindre enn den på jorden, fordi satellitten vår har en relativt liten masse. Men det er nok å danne vanlige ebbs og strømmer i havene. På jorda er akselerasjonen av fritt fall ca. 9,81 m / s2. Og ved polene er det noe større enn ved ekvator.
Til tross for den enorme betydningen for den videre utviklingen av vitenskapen, hadde Newtons lover en rekke svake punkter som ikke ga hvile til forskerne. Det var ikke klart hvordan tyngdekraften virker gjennom et absolutt tomt rom for enorme avstander, og til en uforutsigbar hastighet. I tillegg begynte data gradvis å akkumulere som motsatte Newtons lover: for eksempel gravitasjonsparadokset eller forskyvningen av kvikksølv perihelion. Det ble tydelig at teorien om universell aggresjon krever forfining. Denne ære falt til mye av den strålende tyske fysikeren Albert Einstein.
Attraksjon og relativitetsteorien
Newtons nekte å diskutere tyngdekraftenes natur ("Jeg oppdager ikke hypoteser") var en åpenbar svakhet i konseptet hans. Ikke overraskende, i de følgende årene oppstod mange teorier om tyngdekraften.
De fleste av dem tilhørte de såkalte hydrodynamiske modellene, som forsøkte å rettferdiggjøre fremveksten av en mekanisk samhandling av materielle gjenstander med noe mellomliggende stoff som har visse egenskaper. Forskere kalte det annerledes: "vakuum", "eter", "graviton flux" osv. I dette tilfellet oppsto tiltrekningskraften mellom kroppene som et resultat av en forandring i dette stoffet, da den ble absorbert av gjenstander eller skjermede strømmer. I virkeligheten hadde alle slike teorier en alvorlig ulempe: Forutsatt nøyaktig gravitasjonskraftens avhengighet på avstand, måtte de føre til retardasjon av legemer som beveget seg i forhold til "eter" eller "gravitonflux".
Einstein nærmet seg dette problemet fra en annen vinkel. I sin generelle relativitetsteori (GTR) er tyngdekraften ikke sett som en samspill av krefter, men som en egenskap av romtid selv. Ethvert objekt som har en masse fører til krumningen, noe som medfører tiltrekning. I dette tilfellet er tyngdekraften en geometrisk effekt, som vurderes innenfor rammen av ikke-euklidisk geometri.
Enkelt sagt påvirker romtidskontinuiteten saken og forårsaker bevegelsen. Og som i sin tur påvirker plassen, "peker" ham hvordan man kan bøye seg.
Tiltrengningskreftene virker i mikrokosmen, men på nivået med elementære partikler er deres påvirkning, sammenlignet med elektrostatisk interaksjon, ubetydelig. Fysikere tror at gravitasjonsinteraksjonen ikke var dårligere enn de andre i de første øyeblikkene (10 -43 sek.) Etter Big Bang.
For tiden er begrepet tyngdekraften, foreslått i den generelle relativitetsteorien, den viktigste arbeidshypotesen som godtas av flertallet av det vitenskapelige samfunnet og bekreftet av resultatene av mange eksperimenter.
Einstein i sitt arbeid forutså de fantastiske effektene av gravitasjonskrefter, hvorav de fleste allerede er bekreftet. For eksempel, muligheten for massive legemer til å bøye lysstråler og til og med bremse passasjen. Det sistnevnte fenomenet tas nødvendigvis i betraktning ved drift av globale satellittnavigasjonssystemer som GLONASS og GPS, ellers i løpet av få dager vil feilen være tiotals kilometer.
I tillegg er konsekvensen av Einsteins teori de såkalte subtile effektene av tyngdekraften, som tyngdekraftsmagnetisk felt og inerti av tröghetsreferansesystemer (også kjent som Lense-Thirring-effekten). Disse manifestasjoner av kraft er så svake at de i lang tid ikke kunne oppdages. Bare i 2005, takket være NASAs unike Gravity Probe B-oppdrag, ble Lense-Thirring-effekten bekreftet.
Gravitasjonsstråling eller den mest fundamentale oppdagelsen de siste årene
Gravitasjonsbølger er oscillasjoner av en geometrisk romtidsstruktur, som forplantes ved lysets hastighet. Eksistensen av dette fenomenet ble også spådd av Einstein i generell relativitet, men på grunn av kraftens svakhet er dens størrelse svært liten, og derfor kunne den ikke påvises i lang tid. Bare indirekte bevis talte til fordel for eksistensen av stråling.
Slike bølger genererer noen materielle gjenstander som beveger seg med asymmetrisk akselerasjon. Forskere beskriver dem som "romtidskrypsler". De mest kraftige kildene til en slik stråling kolliderer galakser og kollapsende systemer som består av to gjenstander. Et typisk eksempel på sistnevnte tilfelle er sammensmeltningen av svarte hull eller nøytronstjerner. I slike prosesser kan gravitasjonsstråling passere mer enn 50% av systemets totale masse.
Gravitasjonsbølger ble først oppdaget i 2015 ved hjelp av to LIGO observatorier. Nesten umiddelbart mottok denne begivenheten statusen til den største oppdagelsen i fysikk de siste tiårene. I 2017 ble Nobelprisen tildelt ham. Etter det har forskere flere ganger vært i stand til å fikse gravitasjonsstrålingen.
Tilbake på 70-tallet i forrige århundre - lenge før eksperimentell bekreftelse - foreslo forskere å bruke gravitasjonsstråling for å utføre langdistanse kommunikasjon. Dens utvilsomt fordel er den høye evne til å passere gjennom noe stoff uten å bli absorbert. Men for tiden er det nesten ikke mulig, fordi det er store vanskeligheter med genereringen og mottakelsen av disse bølgene. Ja, og ekte kunnskap om tyngdekraften er ikke nok.
I dag er det flere installasjoner i forskjellige land rundt om i verden, ligner LIGO, og nye bygges. Det er sannsynlig at vi i nær fremtid vil lære mer om gravitasjonsstråling.
Alternative teorier om verdensvidde og grunnene til deres opprettelse
For tiden er det dominerende gravitasjonsbegrepet GR. Den er enig med hele eksisterende utvalg av eksperimentelle data og observasjoner. Samtidig har den et stort antall åpenbart svake punkter og kontroversielle poeng, derfor forsøker å skape nye modeller som forklarer tyngdekraftenes natur ikke opphører.
Alle teorier om verdensomspennende oppfatninger som hittil har blitt utviklet, kan deles inn i flere hovedgrupper:
- standard;
- alternativ;
- quantum;
- enkeltfeltteori.
Forsøk på å skape et nytt konsept verden over ble laget i XIX århundre. Forskjellige forfattere inkluderte eteren eller den korpuskulære teorien om lys. Men tilkomsten av GR satte en stopper for disse utforskelsene. Etter utgivelsen har målene for forskere endret seg - nå var deres innsats rettet mot å forbedre Einstein-modellen, inkludert nye naturfenomener i den: partikkelenes bakside, utvidelsen av universet, etc.
Ved begynnelsen av 1980-tallet avviste fysikere alle konseptene, unntatt de som inkluderte GTR som en integrert del. På dette tidspunktet kom inn i vogue "strengteorier", som så veldig lovende ut. Men en erfaren bekreftelse av disse hypotesene er ikke funnet. I løpet av de siste tiårene har vitenskapen nådd betydelige høyder, og har samlet en rekke empiriske data. I dag er forsøk på å skape alternative tyngdeori teorier inspirert hovedsakelig av kosmologisk forskning relatert til slike begreper som "mørk materie", "inflasjon", "mørk energi".
En av hovedfagene til moderne fysikk er forening av to grunnleggende retninger: kvanteteori og generell relativitet. Forskere forsøker å knytte tiltrengning med andre typer interaksjoner, og dermed skape en "teori om alt". Dette er akkurat hva kvantevektighet gjør - en grense av fysikk som prøver å gi en kvantebeskrivelse av gravitasjonsinteraksjon. En gren av denne retningen er teorien om sløyfeviktighet.
Til tross for aktiv og langsiktig innsats, har dette målet ennå ikke blitt oppnådd. Og saken er ikke engang i kompleksiteten til denne oppgaven: det er ganske enkelt at grunnlaget for kvantteori og GR er helt forskjellige paradigmer. Kvantemekanikk arbeider med fysiske systemer som virker mot bakgrunnen til vanlig romtid. Og i relativitetsteorien er romtid selv en dynamisk komponent, avhengig av parametrene til de klassiske systemene som er i det.
Sammen med verdens vitenskapelige hypoteser er det også teorier som er langt fra moderne fysikk. Dessverre, i de senere år, så "opus" nettopp oversvømmet Internett og hyller av bokhandlere. Noen forfattere av slike arbeider informerer vanligvis leseren om at tyngdekraften ikke eksisterer, og lovene i Newton og Einstein er oppfinnelser og mystifikasjoner.
Et eksempel er arbeidet til "forskeren" Nikolai Levashov, som hevder at Newton ikke oppdaget verdens lov, og bare planetene og månen vår, månen, har tyngdekraft i solsystemet. Bevis på denne "russiske forskeren" fører ganske rart ut. En av dem er flyvningen til den amerikanske NEAR Shoemaker-sonden til asteroiden Eros, som fant sted i 2000. Fraværet av tiltrekning mellom sonden og det himmelske legemet Levashov vurderer bevis på falskheten til Newtons verk og konspirasjonen av fysikere som skjuler sannheten om tyngdekraften fra mennesker.
Faktisk har romfartøyet fullført sitt oppdrag: for det første gikk det inn i asteroidebanen, og så laget en myk landing på overflaten.
Kunstig tyngdekraft og hvorfor det er nødvendig
To begreper er knyttet til tyngdekraften, som til tross for deres nåværende teoretiske status er godt kjent for allmennheten. Denne antigravity og kunstig tyngdekraften.
Antigravity er prosessen med å motvirke tyngdekraften, noe som kan redusere det betydelig eller erstatte det med avstøtning. Mastering av denne teknologien vil føre til en reell revolusjon innen transport, luftfart, utforskning av ytre rom og radikalt forandret hele livet. Men for tiden har muligheten for tyngdekraften ikke en teoretisk bekreftelse. Videre, basert på GTR, er dette fenomenet ikke gjennomførbart, siden det ikke kan være noen negativ masse i vårt univers. Det er mulig at vi i fremtiden vil lære mer om tyngdekraft og lære å bygge fly basert på dette prinsippet.
Kunstig tyngdekraften er en menneskeskapte forandring til den eksisterende tyngdekraften. I dag trenger vi ikke slik teknologi, men situasjonen vil definitivt forandre seg etter starten på langvarig romferie. Og saken er vår fysiologi. Menneskekroppen, som er "vant" ved millioner av evolusjonsår til jordens konstant tyngdekraft, er ekstremt negativ om effektene av redusert tyngdekraft. Lang opphold selv i forholdene til månens tyngdekraft (seks ganger svakere enn jordens) kan føre til triste konsekvenser. Illusjonen av tiltrekning kan opprettes ved hjelp av andre fysiske krefter, som treghet. Imidlertid er disse alternativene komplekse og dyre. 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.
