Gravitatea este forța cea mai puternică din Univers, una dintre cele patru fundamente fundamentale ale universului, care determină structura sa. Odată, datorită ei, au apărut planete, stele și galaxii întregi. Astăzi păstrează Pământul în orbită pe călătoria sa neterminată în jurul Soarelui.
Atracția este de mare importanță pentru viața de zi cu zi a omului. Datorită acestei puteri invizibile, oceanele lumii noastre vibrează, râurile curg, picăturile de ploaie cad la pământ. Din copilărie, simțim greutatea corpului și a obiectelor din jur. Influența gravitației asupra activității noastre economice este imensă.
Prima teorie a gravității a fost creată de Isaac Newton la sfârșitul secolului al XVII-lea. Legea sa din lume descrie această interacțiune în cadrul mecanicii clasice. Mai mult, acest fenomen a fost descris de Einstein în teoria generală a relativității, care a fost lansată la începutul secolului trecut. Procesele care se produc odată cu puterea particulelor elementare ar trebui să explice teoria cuantică a gravitației, dar ea nu a fost încă creată.
Astăzi știm mai multe despre natura gravitației decât în vremea lui Newton, dar, în ciuda secolelor de studiu, acesta rămâne un adevărat obstacol al fizicii moderne. În teoria gravitației existente, există multe pete albe și încă nu înțelegem exact ce provoacă acest lucru și cum se transferă această interacțiune. Și, bineînțeles, suntem departe de a putea controla forța gravitației, astfel încât antigravitația sau levitația va exista mult timp numai în paginile romanești de science fiction.
Ce a căzut pe capul lui Newton?
Oamenii s-au gândit la natura forței, care atrage obiecte pe pământ în orice moment, dar Isaac Newton a reușit să ridice vălul de secret numai în secolul al XVII-lea. Baza pentru descoperirea sa a pus lucrările lui Kepler și Galileo - oameni de știință străluciți care au studiat mișcările corpurilor celeste.
Un altul și jumătate de secol înainte de Legea Newtoniană a lumii, astronomul polonez Copernic a crezut că atracția este "... nimic altceva decât tendința naturală cu care tatăl universului a dotat toate particulele, și anume să se unească într-un întreg și să formeze corpuri sferice". Descartes a considerat atracția ca o consecință a perturbațiilor în eterul lumii. Filosoful și omul de știință grec Aristotel a fost convins că masa afectează viteza caderii corpurilor. Și numai Galileo Galileo la sfârșitul secolului al XVI-lea a dovedit că acest lucru nu este adevărat: dacă nu există rezistență la aer, toate obiectele sunt accelerate în mod egal.
Contrar legendei comune despre cap și măr, Newton a căutat să înțeleagă natura gravitației de mai bine de douăzeci de ani. Legea sa de gravitate este una dintre cele mai semnificative descoperiri științifice ale tuturor timpurilor și popoarelor. Este universală și vă permite să calculați traiectoriile corpurilor celeste și să descrieți cu exactitate comportamentul obiectelor din jurul nostru. Teoria clasică a cerului a pus bazele mecanicii cerești. Cele trei legi ale lui Newton le-au oferit oamenilor de știință ocazia de a descoperi noi planete, literalmente "la vârful pixului", la urma urmei, datorită lor, omul a reușit să depășească gravitatea pământului și să zboare în spațiu. Ei au adus o bază științifică strictă sub conceptul filosofic al unității materiale a universului, în care toate fenomenele naturale sunt interconectate și controlate de reguli fizice generale.
Newton nu a publicat doar o formulă pentru a calcula forța care atrage corpuri unii altora, el a creat un model complet, care a inclus și analiza matematică. Aceste concluzii teoretice au fost confirmate în mod repetat în practică, inclusiv prin utilizarea celor mai moderne metode.
În teoria Newtoniană, orice obiect material generează un câmp de atracție, care se numește gravitație. Mai mult, forța este proporțională cu masa ambelor corpuri și invers proporțională cu distanța dintre ele:
F = (Gm1 m2) / r2
G este constanta gravitațională, care este de 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). El a fost primul care a calificat-o pe Henry Cavendish în 1798.
În viața de zi cu zi și în disciplinele aplicate, forța cu care pământul atrage corpul este numită ponderea sa. Atracția dintre oricare două obiecte materiale din Univers este ceea ce gravitatea este în cuvinte simple.
Forța de atracție este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale ale fizicii, dar datorită caracteristicilor sale este capabilă să regleze mișcarea sistemelor și a galaxiilor stelare:
- Atracția funcționează la orice distanță, aceasta este principala diferență între gravitatea și interacțiunile nucleare puternice și slabe. Cu distanța tot mai mare, acțiunea lui scade, dar nu ajunge niciodată la zero, deci putem spune că chiar doi atomi din diferitele capete ale galaxiei au un efect reciproc. Este doar foarte mic;
- Gravitatea este universală. Câmpul de atracție este inerent în orice corp material. Oamenii de știință încă nu au descoperit pe planeta noastră sau în spațiu un obiect care nu ar participa la interacțiunea de acest tip, deci rolul gravitației în viața universului este enorm. Acest lucru este diferit de interacțiunea electromagnetică, efectul căruia asupra proceselor spațiale este minim, deoarece în natură majoritatea corpurilor sunt neutre din punct de vedere electric. Forțele gravitaționale nu pot fi limitate sau examinate;
- Acționează nu numai asupra materiei, ci și asupra energiei. Pentru el, compoziția chimică a obiectelor nu contează, doar masa lor joacă un rol.
Folosind formula lui Newton, forța de atracție poate fi ușor de calculat. De exemplu, gravitatea pe Lună este de câteva ori mai mică decât cea de pe Pământ, deoarece satelitul nostru are o masă relativ mică. Dar este suficient să se formeze obișnuite și fluxuri în oceane. Pe pământ, accelerarea scăderii libere este de aproximativ 9,81 m / s2. Și la polii, este ceva mai mare decât la ecuator.
În ciuda importanței enorme pentru dezvoltarea în continuare a științei, legile lui Newton au avut o serie de puncte slabe care nu au dat odihnă cercetătorilor. Nu era clar cum acționează gravitația printr-un spațiu absolut gol pentru distanțe enorme și cu o viteză de neconceput. În plus, datele treptat au început să acumuleze contradicțiile legilor lui Newton: de exemplu, paradoxul gravitațional sau deplasarea periheliului lui Mercur. A devenit evident că teoria agresiunii universale necesită rafinament. Această onoare a căzut la mulțimea strălucitului fizician german Albert Einstein.
Atracția și teoria relativității
Refuzul lui Newton de a discuta despre natura gravitației ("Nu inventez ipoteze") a fost o slăbiciune evidentă a conceptului său. Nu este surprinzător că în anii următori au apărut multe teorii ale gravității.
Cele mai multe dintre ele au aparținut așa-numitelor modele hidrodinamice, care au încercat să justifice apariția unei interacțiuni mecanice a obiectelor materiale cu o substanță intermediară care are anumite proprietăți. Cercetătorii au numit-o diferit: "vacuum", "eter", "flux gravitonic" etc. În acest caz, forța de atracție dintre corpuri a apărut ca urmare a unei schimbări în această substanță, atunci când a fost absorbită de obiecte sau fluxuri ecranate. În realitate, toate aceste teorii aveau un dezavantaj serios: cu destulă precizie de predicție a dependenței forței gravitaționale de distanța, acestea trebuiau să conducă la decelerarea corpurilor care se mișcau în raport cu "fluxul eteric" sau "gravitonul".
Einstein a abordat această problemă dintr-un unghi diferit. În teoria generală a relativității (GTR), gravitatea nu este privită ca o interacțiune a forțelor, ci ca o proprietate a spațiului în sine. Orice obiect care are o masă duce la curbura sa, ceea ce provoacă atracție. În acest caz, gravitatea este un efect geometric, care este considerat în cadrul geometriei non-euclideene.
Pur și simplu, continuumul spațiu-timp afectează materia, provocând mișcarea ei. Și asta, la rândul său, afectează spațiul, "arătându-i" cum să se îndoaie.
Forțele de atracție acționează în microcosmos, dar la nivelul particulelor elementare influența lor, în comparație cu interacțiunea electrostatică, este neglijabilă. Fizicienii cred că interacțiunea gravitațională nu a fost inferioară celorlalte în primele momente (10-43 sec.) După Big Bang.
În prezent, conceptul de gravitate, propus în teoria generală a relativității, este principala ipoteză de lucru acceptată de majoritatea comunității științifice și confirmată de rezultatele numeroaselor experimente.
Einstein, în lucrarea sa, a prevăzut efectele uimitoare ale forțelor gravitaționale, dintre care majoritatea au fost deja confirmate. De exemplu, posibilitatea unor corpuri masive de a îndoi razele luminoase și chiar de a încetini trecerea timpului. Ultimul fenomen este luat în considerare în mod obligatoriu atunci când se exploatează sisteme globale de navigație prin satelit, cum ar fi GLONASS și GPS, altfel în câteva zile eroarea lor ar fi zeci de kilometri.
În plus, consecința teoriei lui Einstein sunt așa-numitele efecte subtile ale gravitației, cum ar fi câmpul gravitațional-magnetic și inerția sistemelor de referință inerțiale (cunoscută și ca efect Lense-Thirring). Aceste manifestări de forță sunt atât de slabe încât, de mult timp, nu au putut fi detectate. Doar în 2005, datorită misiunii unice Gravity Probe B a NASA, a fost confirmat efectul Lense-Thirring.
Gravitațional radiații sau cea mai fundamentală descoperire din ultimii ani
Undele gravitaționale sunt oscilații ale unei structuri geometrice spațio-temporale, propagând la viteza luminii. Existența acestui fenomen a fost, de asemenea, prezisă de Einstein în relativitatea generală, dar datorită slăbiciunii forței, magnitudinea ei este foarte mică, de aceea nu a putut fi detectată pentru mult timp. Doar dovezile indirecte au vorbit în favoarea existenței radiației.
Astfel de valuri generează orice obiecte materiale care se mișcă cu accelerație asimetrică. Oamenii de știință îi descriu ca fiind "valuri spațio-temporale". Cele mai puternice surse de astfel de radiații sunt galaxiile colizante și sistemele de prăbușire formate din două obiecte. Un exemplu tipic al ultimului caz este fuziunea găurilor negre sau a stelelor neutronice. În astfel de procese, radiația gravitațională poate trece mai mult de 50% din masa totală a sistemului.
Undele gravitaționale au fost descoperite pentru prima dată în 2015, folosind două observatoare LIGO. Aproape imediat, acest eveniment a primit statutul celei mai mari descoperiri în fizică în ultimele decenii. În 2017, Premiul Nobel a fost premiat pentru el. După aceea, oamenii de știință au reușit de câteva ori să repare radiația gravitațională.
Înapoi în anii '70 ai secolului trecut - cu mult înainte de confirmarea experimentală - oamenii de știință au sugerat utilizarea radiațiilor gravitaționale pentru a efectua comunicații pe distanțe lungi. Avantajul său fără îndoială este abilitatea ridicată de a trece prin orice substanță fără a fi absorbit. Dar, în prezent, este cu greu posibil, deoarece există mari dificultăți în generarea și recepția acestor valuri. Da, și cunoștințele reale despre natura gravitației nu sunt suficiente.
Astăzi, există mai multe instalații în diferite țări din întreaga lume, similare cu LIGO, iar altele noi sunt construite. Este posibil ca în viitorul apropiat să învățăm mai multe despre radiațiile gravitaționale.
Teorii alternative despre largitatea lumii și motivele creării lor
În prezent, conceptul dominant de gravitate este GR. Ea este de acord cu întreaga gamă de date experimentale și observații. În același timp, are un număr mare de puncte slabe și puncte controversate, prin urmare încercările de a crea noi modele care explică natura gravitației nu se opresc.
Toate teoriile percepției pe plan mondial care au fost dezvoltate până în prezent pot fi împărțite în mai multe grupuri principale:
- standardul;
- alternativă;
- cuantică;
- teoria câmpului unic.
În secolul al XIX-lea au fost făcute încercări de a crea un nou concept global. Diverse autori au inclus eterul sau teoria corpusculară a luminii. Dar apariția GR a pus capăt acestor explorări. După publicarea sa, obiectivul oamenilor de știință sa schimbat - acum eforturile lor au vizat îmbunătățirea modelului Einstein, inclusiv a noilor fenomene naturale în el: partea din spate a particulelor, expansiunea Universului etc.
La începutul anilor 1980, fizicienii au respins experimental toate conceptele, cu excepția celor care au inclus GTR ca parte integrantă. În acest moment, a intrat în vogue "teoriile șir", care păreau foarte promițătoare. Dar o confirmare experimentată a acestor ipoteze nu a fost găsită. În ultimele decenii, știința a ajuns la înălțimi semnificative și a acumulat o gamă largă de date empirice. Astăzi, încercările de a crea teorii alternative de gravitate sunt inspirați în principal de cercetările cosmologice legate de concepte precum "materia întunecată", "inflația", "energia întunecată".
Una dintre principalele sarcini ale fizicii moderne este unificarea a două direcții fundamentale: teoria cuantică și relativitatea generală. Oamenii de știință caută să asocieze atracția cu alte tipuri de interacțiuni, creând astfel o "teorie a totului". Aceasta este exact ceea ce face gravitația cuantică - o ramură a fizicii care încearcă să ofere o descriere cuantică a interacțiunii gravitaționale. O ramură a acestei direcții este teoria gravitației buclei.
În ciuda eforturilor active și pe termen lung, acest obiectiv nu a fost încă atins. Problema nu este chiar în complexitatea acestei sarcini: pur și simplu baza fundamentală a teoriei cuantice și a GR este paradigmele complet diferite. Mecanica cuantică funcționează cu sisteme fizice care acționează pe fundalul spațiului-timp obișnuit. Și în teoria relativității, spațiul-timp în sine este o componentă dinamică, în funcție de parametrii sistemelor clasice care sunt în el.
Odată cu ipotezele științifice ale lumii, există și teorii care sunt departe de fizica modernă. Din păcate, în ultimii ani, un astfel de "opus" a inundat doar Internetul și rafturile de librării. Unii autori ai unor astfel de lucrări informează în general cititorul că gravitația nu există, iar legile lui Newton și Einstein sunt invenții și mistificări.
Un exemplu este lucrarea "omului de știință" Nikolai Levasov, care afirmă că Newton nu a descoperit legea lumii, și numai planetele și luna noastră, luna, au forță gravitațională în sistemul solar. Dovada acestui "om de știință rus" duce destul de ciudat. Unul dintre ele este zborul sondei americane NEAR Shoemaker către asteroizii Eros, care a avut loc în 2000. Lipsa atractivității între sonda și corpul ceresc Levașov consideră dovada falsității operei lui Newton și a conspirației fizicienilor care ascund adevărul despre gravitate de la oameni.
De fapt, nava spațială și-a încheiat cu succes misiunea: în primul rând, a intrat în orbita asteroidului, apoi a făcut o aterizare moale pe suprafața sa.
Gravitatea artificială și de ce este nevoie
Două concepte sunt asociate cu gravitatea, care, în ciuda statutului lor teoretic actual, sunt bine cunoscute publicului larg. Această antigravitate și gravitație artificială.
Antigravitatea este procesul de contracarare a forței de atracție, care poate să o reducă în mod semnificativ sau chiar să o înlocuiască prin repulsie. Stăpânirea acestei tehnologii ar duce la o adevărată revoluție în transport, aviație, explorarea spațiului cosmic și schimbarea radicală a vieții noastre. Dar, în prezent, posibilitatea antigravității nu are nici măcar o confirmare teoretică. Mai mult, pe baza GTR, acest fenomen nu este deloc fezabil, deoarece nu poate exista nici o masă negativă în Universul nostru. Este posibil ca în viitor să învățăm mai multe despre gravitate și să învățăm cum să construim aeronave pe baza acestui principiu.
Gravitatea artificială este o schimbare făcută de om la forța gravitațională existentă. Astăzi, nu avem nevoie de o astfel de tehnologie, dar situația se va schimba cu siguranța după începerea călătoriilor spațiale pe termen lung. Și lucrul este fiziologia noastră. Corpul uman, "obișnuit" de milioane de ani de evoluție până la gravitatea constantă a Pământului, este extrem de negativ în ceea ce privește efectele gravitației reduse. Starea lungă chiar și în condițiile gravitației lunare (de șase ori mai slabă decât cea a pământului) poate duce la consecințe triste. Iluzia de atracție poate fi creată folosind alte forțe fizice, cum ar fi inerția. Cu toate acestea, aceste opțiuni sunt complexe și costisitoare. 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.
