Grawitacja jest najpotężniejszą siłą we Wszechświecie, jednym z czterech fundamentów wszechświata, który określa jego strukturę. Kiedyś dzięki niej powstały planety, gwiazdy i całe galaktyki. Dziś utrzymuje Ziemię na orbicie podczas niekończącej się podróży dookoła Słońca.
Atrakcyjność ma ogromne znaczenie dla codziennego życia człowieka. Dzięki tej niewidzialnej mocy oceany naszego świata pulsują, rzeki płyną, krople deszczu spadają na ziemię. Od dzieciństwa odczuwamy ciężar ciała i otaczających nas przedmiotów. Wpływ grawitacji na naszą działalność gospodarczą jest ogromny.
Pierwsza teoria grawitacji została stworzona przez Izaaka Newtona pod koniec XVII wieku. Jego Prawo na świecie opisuje tę interakcję w ramach mechaniki klasycznej. Szerzej to zjawisko opisał Einstein w swojej ogólnej teorii względności, która została wypuszczona na początku ubiegłego wieku. Procesy zachodzące z siłą cząstek elementarnych powinny wyjaśniać kwantową teorię grawitacji, ale jeszcze nie powstała.
Dziś wiemy o naturze grawitacji o wiele bardziej niż w czasach Newtona, ale mimo stuleci badań nadal pozostaje ona prawdziwą przeszkodą we współczesnej fizyce. W istniejącej teorii grawitacji istnieje wiele białych plam i wciąż nie wiemy dokładnie, co powoduje to, i jak ta interakcja jest przenoszona. Oczywiście nie jesteśmy w stanie kontrolować siły grawitacji, więc antygrawitacja lub lewitacja będą istnieć tylko na stronach powieści science fiction.
Co spadło na głowę Newtona?
Ludzie myśleli o naturze siły, która przez cały czas przyciąga przedmioty do ziemi, ale Isaac Newton zdołał podnieść zasłonę tajemnicy dopiero w XVII wieku. Podstawą jego przełomu były dzieła Keplera i Galileusza - błyskotliwych naukowców, którzy badali ruchy ciał niebieskich.
Jeszcze jeden półtora wieku przed Newtonowskim Prawem Świata, polski astronom Kopernik uważał, że atrakcją jest "... nic poza naturalną tendencją, jaką ojciec wszechświata obdarował wszystkie cząstki, a mianowicie zjednoczył się w jedną całość, formując kuliste ciała". Kartezjusz uważał atrakcję za konsekwencję perturbacji w świecie eteru. Grecki filozof i naukowiec Arystoteles był przekonany, że masa wpływa na prędkość spadających ciał. I tylko Galileo Galilei pod koniec XVI wieku udowodnił, że to nie jest prawdą: jeśli nie ma oporu powietrza, wszystkie obiekty są przyspieszane w ten sam sposób.
W przeciwieństwie do powszechnej legendy o głowie i jabłku, Newton zaczął rozumieć naturę grawitacji przez ponad dwadzieścia lat. Jego prawo grawitacji jest jednym z najważniejszych odkryć naukowych wszystkich czasów i narodów. Jest uniwersalny i pozwala obliczyć trajektorie ciał niebieskich i dokładnie opisuje zachowanie obiektów wokół nas. Klasyczna teoria nieba położyła fundamenty mechaniki niebieskiej. Trzy prawa Newtona dały naukowcom możliwość odkrywania nowych planet dosłownie "na czubku pióra", w końcu dzięki nim człowiek był w stanie przezwyciężyć grawitację ziemską i latać w kosmos. Przynieśli ścisłą bazę naukową pod filozoficzną koncepcją materialnej jedności wszechświata, w której wszystkie zjawiska naturalne są ze sobą połączone i kontrolowane przez ogólne zasady fizyczne.
Newton nie opublikował tylko formuły obliczającej siłę, która przyciąga ciała do siebie nawzajem, stworzył kompletny model, który obejmował również analizę matematyczną. Te teoretyczne wnioski zostały wielokrotnie potwierdzone w praktyce, w tym przy użyciu najnowocześniejszych metod.
W teorii Newtona każdy materialny obiekt generuje pole przyciągania, które nazywa się grawitacją. Ponadto siła jest proporcjonalna do masy obu ciał i odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi:
F = (G m1 m2) / r2
G jest stałą grawitacyjną, która wynosi 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Najpierw mógł obliczyć Henry'a Cavendisha w 1798 roku.
W codziennym życiu iw dyscyplinach stosowanych siła, z jaką ziemia przyciąga ciało, jest określana jako jego waga. Atrakcją pomiędzy dwoma dowolnymi przedmiotami materialnymi we Wszechświecie jest to, czym jest grawitacja w prostych słowach.
Siła przyciągania jest najsłabszym z czterech fundamentalnych interakcji fizyki, ale dzięki swoim właściwościom jest w stanie regulować ruch systemów gwiezdnych i galaktyk:
- Przyciąganie działa z każdej odległości, jest to główna różnica między grawitacją a silnymi i słabymi interakcjami jądrowymi. Wraz ze wzrostem odległości jego działanie maleje, ale nigdy nie staje się zerowe, więc możemy powiedzieć, że nawet dwa atomy na różnych końcach galaktyki mają wzajemny efekt. Jest po prostu bardzo mały;
- Grawitacja jest uniwersalna. Pole przyciągania jest nieodłączne w każdym materialnym ciele. Naukowcy nie odkryli jeszcze na naszej planecie ani w kosmosie obiektu, który nie uczestniczyłby w interakcji tego typu, więc rola grawitacji w życiu Wszechświata jest ogromna. Różni się to od oddziaływania elektromagnetycznego, którego wpływ na procesy kosmiczne jest minimalny, ponieważ w naturze większość ciał jest elektrycznie obojętna. Siły grawitacyjne nie mogą być ograniczone ani przesiewane;
- Działa nie tylko na materię, ale także na energię. Dla niego skład chemiczny przedmiotów nie ma znaczenia, tylko ich masa odgrywa rolę.
Korzystając z formuły Newtona, siłę przyciągania można łatwo obliczyć. Na przykład grawitacja na Księżycu jest kilka razy mniejsza niż na Ziemi, ponieważ nasz satelita ma stosunkowo małą masę. Ale wystarczy uformować regularne przypływy i przepływy w oceanach. Na Ziemi przyspieszenie swobodnego spadania wynosi około 9,81 m / s2. A na biegunach jest nieco większy niż na równiku.
Pomimo ogromnego znaczenia dla dalszego rozwoju nauki, prawa Newtona miały wiele słabych punktów, które nie dawały odpoczynku badaczom. Nie było jasne, jak grawitacja działa przez absolutnie pustą przestrzeń na ogromne odległości i na niepojętą prędkość. Ponadto stopniowo zaczęły gromadzić się dane sprzeczne z prawami Newtona: na przykład grawitacyjny paradoks lub przemieszczenie peryhelium Merkurego. Stało się oczywiste, że teoria powszechnej agresji wymaga udoskonalenia. Ten zaszczyt przypadł w udziale genialnemu niemieckiemu fizykowi, Albertowi Einsteinowi.
Atrakcyjność i teoria względności
Odmowa Newtona przed dyskusją o naturze grawitacji ("Nie wymyślam hipotez") była oczywistą słabością jego koncepcji. Nic dziwnego, że w kolejnych latach pojawiło się wiele teorii grawitacji.
Większość z nich należała do tak zwanych modeli hydrodynamicznych, które próbowały uzasadnić pojawienie się mechanicznego oddziaływania obiektów materialnych z pewną substancją pośrednią, która ma określone właściwości. Naukowcy nazywali to inaczej: "próżnią", "eterem", "strumieniem grawitonowym" itd. W tym przypadku siła przyciągania między ciałami powstała w wyniku zmiany tej substancji, kiedy została zaabsorbowana przez obiekty lub przesłonięte przepływy. W rzeczywistości wszystkie te teorie miały jedną poważną wadę: raczej dokładnie przewidując zależność siły grawitacji od odległości, musiały doprowadzić do spowolnienia ciał, które poruszały się względem "eteru" lub "strumienia grawitonowego".
Einstein podszedł do tej kwestii z innej perspektywy. W swojej ogólnej teorii względności (GTR) grawitacja nie jest postrzegana jako interakcja sił, ale jako własność samej czasoprzestrzeni. Każdy obiekt mający masę prowadzi do jego krzywizny, co powoduje przyciąganie. W tym przypadku grawitacja jest efektem geometrycznym, który jest rozpatrywany w ramach geometrii nieeuklidesowej.
Mówiąc prosto, kontinuum czasoprzestrzenne wpływa na materię, powodując jej ruch. A to z kolei wpływa na przestrzeń, "wskazując" mu, jak się zgina.
Siły przyciągania działają w mikrokosmosie, ale na poziomie cząstek elementarnych ich wpływ w porównaniu z oddziaływaniami elektrostatycznymi jest znikomy. Fizycy uważają, że interakcja grawitacyjna nie była gorsza od innych w pierwszych momentach (10 -43 s.) Po Wielkim Wybuchu.
Obecnie koncepcja grawitacji, zaproponowana w ogólnej teorii względności, jest główną hipotezą roboczą przyjętą przez większość środowiska naukowego i potwierdzoną wynikami licznych eksperymentów.
Einstein przewidział w swoich pracach zadziwiające efekty sił grawitacyjnych, z których większość została już potwierdzona. Na przykład, możliwość masywnych ciał zginać promienie świetlne, a nawet spowolnić upływ czasu. To ostatnie zjawisko jest koniecznie brane pod uwagę podczas pracy z globalnymi systemami nawigacji satelitarnej, takimi jak GLONASS i GPS, w przeciwnym razie za kilka dni ich błąd wynosiłby dziesiątki kilometrów.
Ponadto konsekwencją teorii Einsteina są tak zwane subtelne efekty grawitacji, takie jak pole grawitacyjno-magnetyczne i bezwładność inercyjnych układów odniesienia (znana również jako efekt Lense-Thirring). Te przejawy siły są tak słabe, że przez długi czas nie można było ich wykryć. Dopiero w 2005 roku dzięki unikatowej misji NASA Gravity Probe B potwierdzono efekt Lense-Thirring.
Promieniowanie grawitacyjne lub najbardziej fundamentalne odkrycie ostatnich lat
Fale grawitacyjne są oscylacjami geometrycznej struktury czasoprzestrzennej, propagującej się z prędkością światła. Istnienie tego zjawiska przewidywał również Einstein w ogólnej teorii względności, ale ze względu na słabość siły jego wielkość jest bardzo mała, dlatego nie można było jej wykryć przez długi czas. Tylko pośrednie dowody przemawiają za istnieniem promieniowania.
Fale takie generują dowolne obiekty materialne poruszające się z asymetrycznym przyspieszeniem. Naukowcy opisują je jako "fale czasoprzestrzeni". Najpotężniejszym źródłem tego promieniowania są zderzające się galaktyki i systemy zapadające się składające się z dwóch obiektów. Typowym przykładem tego ostatniego przypadku jest fuzja czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. W takich procesach promieniowanie grawitacyjne może przekroczyć 50% całkowitej masy układu.
Fale grawitacyjne odkryto w 2015 r. Za pomocą dwóch obserwatoriów LIGO. Niemal natychmiast to wydarzenie otrzymało status największego odkrycia w fizyce ostatnich dziesięcioleci. W 2017 roku przyznano mu Nagrodę Nobla. Następnie naukowcy kilkakrotnie zdołali naprawić promieniowanie grawitacyjne.
W latach 70. ubiegłego stulecia - na długo przed eksperymentalnym potwierdzeniem - naukowcy sugerowali wykorzystanie promieniowania grawitacyjnego do prowadzenia komunikacji na duże odległości. Jego niewątpliwą zaletą jest wysoka zdolność do przechodzenia przez jakąkolwiek substancję bez wchłaniania. Ale w tej chwili jest to prawie niemożliwe, ponieważ istnieją ogromne trudności z generowaniem i odbieraniem tych fal. Tak, a prawdziwa wiedza o naturze grawitacji nie wystarczy.
Obecnie istnieje kilka instalacji w różnych krajach na całym świecie, podobnie jak LIGO, i powstają nowe. Jest prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości dowiemy się więcej o promieniowaniu grawitacyjnym.
Alternatywne teorie światowej widomości i przyczyny ich powstania
Obecnie dominującą koncepcją grawitacji jest GR. Zgadza się z całym istniejącym zestawem eksperymentalnych danych i obserwacji. W tym samym czasie ma dużą liczbę jawnie słabych punktów i kontrowersyjnych punktów, dlatego też nie kończą się próby stworzenia nowych modeli wyjaśniających naturę grawitacji.
Wszystkie teorie światowej percepcji, które zostały opracowane do tej pory, można podzielić na kilka głównych grup:
- standard;
- alternatywa;
- kwantowy;
- teoria pojedynczego pola.
Próby stworzenia nowej koncepcji na całym świecie zostały dokonane w XIX wieku. Różni autorzy obejmowali eter lub korpuskularną teorię światła. Ale nadejście GR położyło kres tym poszukiwaniom. Po jej opublikowaniu zmienił się cel naukowców - teraz ich wysiłki miały na celu ulepszenie modelu Einsteina, w tym nowe zjawiska naturalne w nim: tył cząstek, ekspansja Wszechświata, itp.
Na początku lat 80. fizycy odrzucili eksperymentalnie wszystkie koncepcje, z wyjątkiem tych, w których GTR stanowi integralną część. W tym czasie pojawiły się modne "teorie strun", które wyglądały bardzo obiecująco. Ale nie znaleziono doświadczonego potwierdzenia tych hipotez. W ciągu ostatnich dziesięcioleci nauka osiągnęła znaczący wzrost i zgromadziła szeroki wachlarz danych empirycznych. Dzisiaj próby stworzenia alternatywnych teorii grawitacji inspirowane są głównie przez badania kosmologiczne związane z takimi pojęciami, jak "ciemna materia", "inflacja", "ciemna energia".
Jednym z głównych zadań współczesnej fizyki jest unifikacja dwóch podstawowych kierunków: teorii kwantowej i ogólnej teorii względności. Naukowcy dążą do powiązania atrakcyjności z innymi rodzajami interakcji, tworząc w ten sposób "teorię wszystkiego". Właśnie to robi kwantowa grawitacja - gałąź fizyki, która próbuje podać kwantowy opis grawitacyjnej interakcji. Oddziałem tego kierunku jest teoria grawitacji pętlowej.
Pomimo aktywnych i długofalowych wysiłków cel ten nie został jeszcze osiągnięty. I sprawa nie leży nawet w złożoności tego zadania: po prostu podstawa teorii kwantowej i GR to zupełnie inne paradygmaty. Mechanika kwantowa działa z systemami fizycznymi działającymi na tle zwykłej czasoprzestrzeni. W teorii względności sam czasoprzestrzeń jest składnikiem dynamicznym, w zależności od parametrów klasycznych systemów, które się w nim znajdują.
Wraz z naukowymi hipotezami świata istnieją również teorie, które są dalekie od współczesnej fizyki. Niestety, w ostatnich latach takie "opus" właśnie zalało Internet i półki księgarń. Niektórzy autorzy takich prac na ogół informują czytelnika, że grawitacja nie istnieje, a prawa Newtona i Einsteina są wynalazkami i mistyfikacjami.
Przykładem jest dzieło "naukowca" Nikołaja Lewaszowa, który twierdzi, że Newton nie odkrył prawa świata, a jedynie planety i nasz księżyc, księżyc, mają siłę grawitacji w Układzie Słonecznym. Dowody tego "rosyjskiego naukowca" są dość dziwne. Jednym z nich jest lot sondy amerykańskiej NEAR Shoemaker do asteroidy Eros, która miała miejsce w 2000 roku. Brak przyciągania między sondą a ciałem niebieskim Levashov uważa dowody fałszywości dzieł Newtona i spisek fizyków, którzy ukrywają przed ludzkością prawdę o grawitacji.
Statek kosmiczny pomyślnie zakończył swoją misję: najpierw wszedł na orbitę asteroidy, a następnie wykonał miękkie lądowanie na swojej powierzchni.
Sztuczna grawitacja i dlaczego jest potrzebna
Dwie koncepcje wiążą się z grawitacją, która, pomimo ich aktualnego statusu teoretycznego, jest dobrze znana ogółowi społeczeństwa. Ta antygrawitacja i sztuczna grawitacja.
Antygrawitacja to proces przeciwdziałania sile grawitacji, która może ją znacznie zmniejszyć, a nawet zastąpić odpychaniem. Opanowanie tej technologii doprowadziłoby do prawdziwej rewolucji w transporcie, lotnictwie, eksploracji kosmosu i radykalnie zmieniło całe nasze życie. Ale obecnie możliwość antygrawitacji nie ma nawet teoretycznego potwierdzenia. Co więcej, w oparciu o GTR, zjawisko to nie jest w ogóle wykonalne, ponieważ w naszym wszechświecie nie może istnieć żadna masa ujemna. Jest możliwe, że w przyszłości dowiemy się więcej o grawitacji i nauczymy się budować samoloty oparte na tej zasadzie.
Sztuczna grawitacja jest sztuczną zmianą istniejącej siły grawitacji. Dziś nie potrzebujemy takiej technologii, ale sytuacja zdecydowanie zmieni się po rozpoczęciu długoterminowej podróży kosmicznej. I chodzi o naszą fizjologię. Ciało ludzkie, "przyzwyczajone" przez miliony lat ewolucji do stałej grawitacji Ziemi, ma bardzo negatywny wpływ na efekty zmniejszonej grawitacji. Długie przebywanie nawet w warunkach księżycowej grawitacji (sześć razy słabszej niż ziemia) może prowadzić do smutnych konsekwencji. Złudzenie przyciągania można wytworzyć przy użyciu innych sił fizycznych, takich jak bezwładność. Jednak opcje te są złożone i kosztowne. 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.
