Gravity är den mest kraftfulla kraften i universum, en av de fyra grundläggande grundarna för universum, som bestämmer sin struktur. En gång, tack vare henne, uppstod planeter, stjärnor och hela galaxer. Idag håller jorden jorden i omlopp på sin oändliga resa runt solen.
Attraktionen är av stor betydelse för människans dagliga liv. Tack vare den här osynliga kraften, pulserar världens oceaner, floder, regnfall faller till marken. Sedan barndomen känner vi kroppens och omgivande föremåls vikt. Tyngdets inverkan på vår ekonomiska aktivitet är enorm.
Den första gravitationsteorin skapades av Isaac Newton i slutet av XVII-talet. Hans lag av världen beskriver denna interaktion inom ramen för klassisk mekanik. Mer allmänt beskrivs detta fenomen av Einstein i sin allmänna relativitetsteori, som släpptes i början av förra seklet. Processerna som förekommer med kraften hos de elementära partiklarna bör förklara kvantteoriens tyngdkraft, men den har ännu inte skapats.
Idag vet vi om gravitationens natur mycket mer än vid Newtons tid, men trots århundraden av studier är det fortfarande ett verkligt hinder för modern fysik. I den befintliga tyngdkraften finns det många vita fläckar, och vi förstår inte precis vad som orsakar det och hur denna interaktion överförs. Och naturligtvis är vi väldigt långt ifrån att kunna styra tyngdkraften, så att anti-gravitation eller levitation kommer att finnas en länge bara på sidorna av science fiction-romaner.
Vad föll på Newtons huvud?
Människor tänkte på kraftens natur, som lockar föremål till marken hela tiden, men Isaac Newton lyckades lyfta slöjan av hemlighet endast under sjuttonhundratalet. Grunden för hans genombrott lät Keplers och Galileos verk - strålande forskare som studerade rörelser av himmelska kroppar.
Ett och ett och ett halvt sekel före världens newtonska lag antog den polska astronomen Copernicus att attraktionen är "... bara den naturliga tendens som universumsfader gav alla partiklar till att förena sig med en helhet och bilda sfäriska kroppar". Descartes ansåg attraktion som en följd av störningar i världen eter. Den grekiska filosofen och forskaren Aristoteles var övertygad om att massan påverkar hastigheten på fallande kroppar. Och endast Galileo Galilei i slutet av XVI-talet visade att detta inte är sant: om det inte finns något luftmotstånd, accelereras alla föremål på samma sätt.
I motsats till den gemensamma legenden om huvudet och äpplet gick Newton för att förstå gravitationens natur i mer än tjugo år. Hans tyngdpunkt är en av de viktigaste vetenskapliga upptäckterna av alla tider och folk. Det är universellt och låter dig beräkna de himmelska kroppens banor och beskriver exakt hur beteendet hos objekt runt oss är. Den klassiska teorin om himlen lagde grunden till himmelsk mekanik. Newtons tre lagar gav vetenskapsmännen möjlighet att upptäcka nya planeter bokstavligen "på spetsen av penna", trots allt tack vare dem kunde mannen övervinna jordens gravitation och flyga in i rymden. De tog en strikt vetenskaplig grund under det filosofiska begreppet universums materiella enhet, där alla naturfenomen är sammankopplade och kontrollerade av allmänna fysiska regler.
Newton publicerade inte bara en formel för att beräkna den kraft som lockar kroppar till varandra, han skapade en komplett modell, som också inkluderade matematisk analys. Dessa teoretiska slutsatser har i flera fall bekräftats i praktiken, inklusive användning av de modernaste metoderna.
I newtonisk teori genererar något materialobjekt ett attraktivt fält, som kallas gravitations. Dessutom är kraften proportionell mot kroppens massa och omvänt proportionell mot avståndet mellan dem:
F = (Gm1 m2) / r2
G är gravitationskonstanten, som är 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Han kunde först beräkna Henry Cavendish år 1798.
I vardagen och i tillämpade discipliner kallas den kraft med vilken jorden lockar kroppen, som dess vikt. Attraktionen mellan några två materiella föremål i universum är vilken tyngdkraft är i enkla ord.
Attraktionskraften är den svagaste av de fyra grundläggande interaktionerna i fysiken, men tack vare dess egenskaper kan den reglera rörelsen hos stjärnsystem och galaxer:
- Attraktionen fungerar på vilket avstånd som helst, det här är den största skillnaden mellan tyngdkraften och starka och svaga kärnvalsinteraktioner. Med ökande avstånd minskar dess verkan, men det blir aldrig noll, så vi kan säga att även två atomer i olika ändar av galaxen har en ömsesidig effekt. Det är bara mycket litet;
- Gravity är universell. Åtkomstfältet är inneboende i någon materiell kropp. Forskare har ännu inte upptäckt på vår planet eller i rymden ett objekt som inte skulle delta i samspelet av denna typ, så gravitationens roll i universums liv är enorm. Detta skiljer sig från den elektromagnetiska interaktionen, vars effekt på rymdprocesser är minimal, eftersom de flesta kroppar är elektriskt neutrala i naturen. Gravitationsstyrkorna kan inte begränsas eller screenas;
- Det handlar inte bara om materia, men också på energi. För honom spelar objektets kemiska sammansättning ingen roll, bara deras massa spelar en roll.
Med hjälp av Newtons formel kan attraktionskraften enkelt beräknas. Till exempel är gravitationen på månen flera gånger mindre än den på jorden, eftersom vår satellit har en relativt liten massa. Men det är nog att bilda regelbundna ebbs och flöden i oceanerna. På jorden är accelerationen av fritt fall cirka 9,81 m / s2. Och vid polerna är det något större än vid ekvatorn.
Trots den enorma betydelsen för den vidare utvecklingen av vetenskapen hade Newtons lagar ett antal svaga punkter som inte gav vila till forskarna. Det var inte klart hur gravitationen verkar genom ett helt tomt utrymme för enorma avstånd och med en otänkbar hastighet. Dessutom började data gradvis ackumulera som motsatte sig Newtons lagar: till exempel gravitationsparadoxen eller förskjutningen av Mercury-perihelionen. Det blev uppenbart att teorin om universell aggression kräver förfining. Denna ära föll till mycket av den briljanta tyska fysikern Albert Einstein.
Attraktion och relativitetsteorin
Newtons vägran att diskutera gravitationens karaktär ("Jag uppfattar inte hypoteser") var en uppenbar svaghet i hans koncept. Inte överraskande, under de följande åren såg många gravitationsteorier.
De flesta av dem tillhörde de så kallade hydrodynamiska modellerna, som försökte rättfärdiga uppkomsten av en mekanisk växelverkan av materiella föremål med något mellanliggande ämne som har vissa egenskaper. Forskare kallade det annorlunda: "vakuum", "eter", "gravitonflöde" etc. I detta fall uppstod dragningskraften mellan kropparna som ett resultat av en förändring av detta ämne när det absorberades av föremål eller screenade flöden. I själva verket hade alla sådana teorier en allvarlig nackdel: Noggrannare förutsägelse av gravitationsstyrkan beroende av avstånd, de måste leda till retardation av kroppar som rörde sig i förhållande till "etern" eller "gravitonflödet".
Einstein närmade sig denna fråga från en annan vinkel. I sin allmänna relativitetsteori (GTR) betraktas tyngdkraften inte som en växelverkan av krafter, utan som en egenskap av rymdtiden själv. Varje objekt som har en massa leder till sin krökning, vilket medför attraktion. I detta fall är tyngdkraften en geometrisk effekt, vilken anses vara inom ramen för icke-euklidisk geometri.
Enkelt uttryckt, påverkar rymdtidskontinuen materia och orsakar dess rörelse. Och det påverkar i sin tur rymden, "pekar" honom hur man böjer.
Åtgärdskrafterna verkar i mikrokosmen, men vid nivå av elementära partiklar är deras inflytande, jämfört med den elektrostatiska interaktionen, försumbar. Fysiker tror att gravitationsinteraktionen inte var sämre än de andra i de första ögonblicken (10 -43 sek.) Efter Big Bang.
För närvarande är gravitationsbegreppet, som föreslagits i den allmänna relativitetsteorin, den huvudsakliga arbetshypotesen som antagits av majoriteten av det vetenskapliga samfundet och bekräftas av resultaten av många experiment.
Einstein i hans arbete förutsåg de fantastiska effekterna av gravitationskrafter, varav de flesta redan har bekräftats. Till exempel möjligheten till massiva kroppar att böja ljusstrålar och till och med sakta ner tiden. Det senare fenomenet är nödvändigtvis beaktat vid drift av globala satellitnavigationssystem som GLONASS och GPS, annars skulle det på några dagar vara fel på tiotals kilometer.
Dessutom är konsekvensen av Einsteins teori de så kallade subtila effekterna av tyngdkraften, såsom gravitationens magnetfält och trögheten i tröghetsreferenssystem (även känd som Lense-Thirring-effekten). Dessa manifestationer av kraft är så svaga att de under lång tid inte kunde detekteras. Först 2005, tack vare NASAs unika Gravity Probe B-uppdrag, bekräftades Lense-Thirring-effekten.
Gravitationsstrålning eller den mest grundläggande upptäckten under senare år
Gravitationsvågor är oscillationer av en geometrisk rymdtidstruktion som sprider sig vid ljusets hastighet. Förekomsten av detta fenomen förutspåddes också av Einstein i allmän relativitet, men på grund av kraftens svaghet är dess storlek mycket liten, därför kunde den inte detekteras under lång tid. Endast indirekta bevis talade för att det fanns strålning.
Sådana vågor genererar några materialobjekt som rör sig med asymmetrisk acceleration. Forskare beskriver dem som "rymdtidskrypningar". De mest kraftfulla källorna till sådan strålning kolliderar galaxer och kollapsande system som består av två föremål. Ett typiskt exempel på det senare fallet är fusion av svarta hål eller neutronstjärnor. Vid sådana processer kan gravitationsstrålning passera mer än 50% av systemets totala massa.
Gravitationsvågor upptäcktes först 2015 under användning av två LIGO observatorier. Nästan omedelbart fick denna händelse statusen för den största upptäckten i fysik de senaste årtiondena. År 2017 tilldelades Nobelpriset för honom. Därefter har forskare flera gånger kunnat fixa gravitationsstrålningen.
Tillbaka på 70-talet av förra seklet - långt före experimentell bekräftelse - föreslog forskare att man använde gravitationsstrålning för att genomföra fjärrkommunikation. Dess otvivelaktiga fördel är den höga förmågan att passera genom något ämne utan att absorberas. Men för närvarande är det knappast möjligt, eftersom det finns enorma svårigheter med att generera och ta emot dessa vågor. Ja, och verklig kunskap om tyngdkraften är inte tillräckligt.
Idag finns det flera installationer i olika länder runt om i världen, som liknar LIGO, och nya byggs. Det är troligt att vi inom den närmaste framtiden kommer att lära oss mer om gravitationsstrålning.
Alternativa teorier om världsfördjupning och orsakerna till deras skapande
För närvarande är det dominerande gravitationsbegreppet GR. Det överensstämmer med hela befintliga utbudet av experimentella data och observationer. Samtidigt har det ett stort antal öppet svaga punkter och kontroversiella punkter, därför försöker man skapa nya modeller som förklarar gravitationens art upphör inte.
Alla teorier om världsomspännande uppfattning som hittills har utvecklats kan delas upp i flera huvudgrupper:
- standard;
- alternativ;
- kvant;
- enkelfältteori.
Försök att skapa ett nytt koncept över hela världen gjordes under XIX-talet. Olika författare inkluderade etern eller den korpuskulära teorin om ljus. Men tillkomsten av GR sätta stopp för dessa utforskningar. Efter publiceringen har forskarnas mål ändrats - nu var deras ansträngningar inriktade på att förbättra Einstein-modellen, inklusive nya naturfenomen i den: partikelns baksida, universums expansion etc.
I början av 1980-talet avvisade fysikerna experimentellt alla begrepp, förutom de som inkluderade GTR som en integrerad del. Vid denna tid kom in i modet "strängteorier", som såg mycket lovande ut. Men en erfaren bekräftelse av dessa hypoteser har inte hittats. Under de senaste decennierna har vetenskapen nått betydande höjder och har ackumulerat en stor mängd empiriska data. Idag försöker man skapa alternativa teorier om tyngdkraften främst av kosmologisk forskning relaterad till sådana begrepp som "mörk materia", "inflation", "mörk energi".
En av de viktigaste uppgifterna i modern fysik är enandet av två grundläggande riktningar: kvantteori och generell relativitet. Forskare försöker associera attraktion med andra typer av interaktioner och därmed skapa en "teori om allt". Det här är exakt vad kvantgravitation gör - en gren av fysik som försöker ge en kvantebeskrivning av gravitationsinteraktion. En gren av denna riktning är teorin om slingans gravitation.
Trots aktiva och långsiktiga ansträngningar har detta mål ännu inte uppnåtts. Och frågan är inte ens i komplexiteten av denna uppgift: det är helt enkelt att grunden för kvantteori och GR är helt olika paradigmer. Kvantmekanik arbetar med fysiska system som verkar mot bakgrund av vanlig rymdtid. Och i relativitetsteorin är rymdtid i sig en dynamisk komponent, beroende på parametrarna för de klassiska system som finns i den.
Tillsammans med världens vetenskapliga hypoteser finns också teorier som ligger långt ifrån modern fysik. Tyvärr har sådana "opus" nyligen översvämmade internet och hyllor av bokhandlar de senaste åren. Vissa författare till sådana verk informerar i allmänhet läsaren om att tyngdkraften inte existerar, och Newton och Einsteins lagar är uppfinningar och mystifikationer.
Ett exempel är arbetet med "forskaren" Nikolai Levashov, som hävdar att Newton inte upptäckte världens lag, och bara planeterna och vår mån, månen, har gravitationskraft i solsystemet. Bevis på den här "ryska forskaren" leder ganska konstigt. En av dem är flygningen av den amerikanska NEAR Shoemaker sonden till asteroiden Eros, som ägde rum år 2000. Frånvaron av attraktion mellan sonden och den himmelska kroppen Levashov anser bevis för falskheten i Newtons verk och konspirationen av fysiker som gömmer sanningen om gravitation från människor.
Faktum är att rymdfarkosten framgångsrikt fullbordade sitt uppdrag: först gick det in i asteroidbanan och gjorde sedan en mjuk landning på dess yta.
Konstgjord gravitation och varför det behövs
Två begrepp är förknippade med gravitation, som trots sin nuvarande teoretiska status är välkända för allmänheten. Denna antigravitet och artificiell gravitation.
Antigravity är processen mot att motverka tyngdkraften, vilket kan minska det avsevärt eller till och med ersätta det genom repulsion. Mastering av denna teknik skulle leda till en verklig revolution inom transport, luftfart, utforskning av yttre rymden och radikalt förändrat hela vårt liv. Men för närvarande har möjligheten till anti-gravitation inte ens en teoretisk bekräftelse. Dessutom är detta fenomen baserat på GTR inte möjligt, eftersom det inte finns någon negativ massa i vårt universum. Det är möjligt att vi i framtiden kommer att lära oss mer om gravitation och lära oss att bygga flygplan baserat på denna princip.
Konstgjord gravitation är en konstgjord förändring av den befintliga tyngdkraften. Idag behöver vi inte sådan teknik, men situationen kommer definitivt att förändras efter starten av en långsiktig rymdresa. Och saken är vår fysiologi. Människokroppen, som "vantas" av miljontals år av evolution till jordens konstanta gravitation, är extremt negativ om effekterna av minskad tyngdkraft. Lång vistelse även under förhållandena för månens gravitation (sex gånger svagare än jordens) kan leda till sorgliga konsekvenser. Illusionen av attraktion kan skapas med hjälp av andra fysiska krafter, såsom tröghet. Men dessa alternativ är komplicerade och dyra. 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.
