Gravitacija - što je to? Moć gravitacije. Zemljina gravitacija

Čovječanstvo je dugo razmišljala o tome kako svijet djeluje. Zašto raste trava, zašto sunce sja, zašto ne možemo letjeti? Potonji, usput, uvijek je bio osobito zanimljiv za ljude. Sad znamo da je razlog za sve gravitacije. Ono što je, i zašto je taj fenomen tako važan u mjerilu svemira, razmotrit ćemo danas.

prodromni

Znanstvenici su otkrili da sve masivna tijela međusobno privlače međusobno. Kasnije se ispostavilo da ova tajanstvena sila određuje kretanje nebeskih tijela duž njihovih trajnih putanja. Ista teorija gravitacije formulirala je sjajnu Isaac Newton, čije su hipoteze unaprijed odredile razvoj fizike već stoljećima unaprijed. Razvio se i nastavio (iako u sasvim drugačijem smjeru) ovaj nauk Albert Einstein - jedan od najvećih umova prošlog stoljeća.

Tijekom stoljeća znanstvenici su promatrali privlačnost, nastojeći razumjeti i mjeriti. Konačno, staviti u službu humanosti u posljednjih nekoliko desetljeća (u nekom smislu, naravno) čak i takva stvar kao gravitacija. Što je to, koja je definicija pojma u modernoj znanosti?

Znanstvena definicija

Ako proučavate djela drevnih mislilaca, možete saznati da latinska riječ "gravitas" znači "težina", "atrakcija". Danas, znanstvenici to nazivaju univerzalnom i stalnom interakcijom između materijalnih tijela. Ako je ova sila relativno slaba i djeluje samo na objekte koji se kreću puno sporije brzina svjetlosti, onda je Newtonova teorija primjenjiva na njih. Ako se situacija obrati, onda bi se trebali koristiti Einsteinovi zaključci.

Odmah napravi rezervu: u ovom trenutku sama narav gravitacije nije u potpunosti shvaćena u načelu. Još uvijek u potpunosti ne znamo što je to.

Teorije Newtona i Einsteina

Prema klasičnim učenjima Isaaca Newtona, sva tijela privlače jedni druge snagom koja je izravno proporcionalna njihovoj masi, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti koja se nalazi između njih. Einstein je tvrdio da se gravitacija između objekata očituje u slučaju zakrivljenosti prostora i vremena (a zakrivljenost prostora je moguća samo ako u njemu postoji materija).

Ova je misao bila vrlo duboka, ali suvremene studije dokazuju da je to nešto netočno. Danas se vjeruje da se gravitacija u prostoru svodi samo na prostor: vrijeme se može podesiti i čak zaustaviti, ali stvarnost promjene oblika vremena nije teoretski potvrđena. Stoga, klasična Einsteinova jednadžba ne pruža ni šansu da će prostor i dalje utjecati na materiju i na nove magnetsko polje.

Poznato je zakon gravitacije (univerzalna gravitacija), matematički izraz koji pripada samo Newtonu:

F = gama- frac [-1.2] {m_1 m_2} {r ^ 2} ]

ispod gama- se podrazumijeva kao gravitacijska konstanta (ponekad se koristi simbol G) čija je vrijednost 6.67545 × 10minus-11 msup3 - / (kgmiddot-s2).

Interakcija između elementarnih čestica

Nevjerojatna složenost okolnog prostora uvelike je povezana s beskonačnim brojem elementarnih čestica. Između njih postoje i razne interakcije na tim razinama, od kojih se možemo samo nagađati. Međutim, sve vrste interakcije elementarnih čestica znatno se razlikuju u njihovoj čvrstoći.

Najmoćnija od svih snaga koje su nam poznate sastojci su atomske jezgre. Da biste ih odspojili, morate potrošiti istinski kolosalnu količinu energije. Što se tiče elektrona, oni su "povezani" s jezgrom samo običnim elektromagnetska interakcija. Zaustaviti ga, ponekad dovoljno energije koja se pojavljuje kao posljedica najčešće kemijske reakcije. Gravitacija (ono što je, već znate) u verziji atoma i subatomskih čestica najlakši je način interakcije.

Gravitacijsko polje u ovom slučaju je toliko slabo da je teško zamisliti. Čudno kako se čini, kretanje nebeskih tijela, čija je masa ponekad nemoguće zamisliti, "gledaju" ih. Sve je to moguće zbog dvije značajke gravitacije, koje su posebno izražene u slučaju velikih fizičkih tijela:

• Za razliku od atomske sile, gravitacijska atrakcija je vidljivija na udaljenosti od objekta. Dakle, gravitacija Zemlje čuva čak i Mjesec u svom polju, a slična snaga Jupitera lako podržava orbite nekoliko satelita, a masa svake od njih je sasvim usporediva s zemaljskom!
• Osim toga, uvijek pruža atrakciju između objekata, a s udaljenosti ova sila slabi pri maloj brzini.

Stvaranje više ili manje skladne teorije gravitacije došlo je relativno nedavno, a upravo je to bilo rezultat stoljeća promatranja gibanja planeta i drugih nebeskih tijela. Zadatak je bio uvelike olakšan činjenicom da se svi kreću u vakuumu, gdje jednostavno nema drugih mogućih interakcija. Galileo i Kepler - dva izvanredna astronoma tog vremena, sa svojim vrijednim promatranjima pomogla su pripremiti teren za nova otkrića.

Ali samo veliki Isaac Newton je uspio stvoriti prvu teoriju gravitacije i izraziti ga u matematičkom prikazu. To je bio prvi zakon gravitacije, matematički prikaz koji je gore prikazan.

Zaključci Newtona i nekih njegovih prethodnika

Za razliku od ostalih fizičkih fenomena koji postoje u svijetu oko nas, gravitacija se očituje uvijek i svugdje. Treba razumjeti da se termin „nulta gravitacija”, koji se često nalaze u pseudo-znanstvenim krugovima, to nije točno: ni bestežinsko stanje u prostoru, ne znači da je osoba ili brod ne vrijedi atrakcija masivnog objekta.

Osim toga, sva materijalna tijela imaju određenu masu, izraženu u obliku sile koja je primijenjena na njih, i ubrzanje dobivenom ovom akcijom.

Dakle, sile gravitacije su proporcionalne masi objekata. U numeričkom smislu, oni se mogu izraziti dobivanjem produkta mase oba razmatrana tijela. Ova sila je strogo podložna inverznoj ovisnosti o kvadratu udaljenosti između objekata. Sve druge interakcije u potpunosti ovise o udaljenosti između dva tijela.

Misa kao kamen temeljac teorije

Masa objekata postala je posebna kontroverzna točka oko koje se gradi čitava moderna teorija gravitacije i relativnosti Einsteina. Ako se sjetite drugog Newtonov zakon, vjerojatno znate da je masa neophodna osobina svakog fizičkog materijalnog tijela. Ona pokazuje kako će se objekt ponašati ako se na nju primijeni sila, bez obzira na njegovo podrijetlo.

Budući da su sva tijela (prema Newtonu) ubrzana djelovanjem vanjskih sila, to je masa koja određuje koliko će to biti ubrzanje. Razmotrimo razumljiviji primjer. Zamislite skuter i autobus: ako primite apsolutno istu silu na njih, istovremeno će doći do različitih brzina. Sve to objašnjava teoriju gravitacije.

Kakav je odnos između mase i privlačnosti?

Ako govorimo o gravitaciji, onda masa u ovom fenomenu igra potpuno suprotnu ulogu od onoga što igra u odnosu na silu i ubrzanje objekta. To je primarni izvor same atrakcije. Ako uzmete dva tijela i vidite s kojom snagom privlače treći objekt koji se nalazi na jednakim udaljenostima od prva dva, onda će omjer svih sila biti jednak omjeru mase prva dva objekta. Dakle, sila atrakcije izravno je proporcionalna masovini tijela.

Ako uzmete u obzir Newtonov treći zakon, možete biti sigurni da točno kaže istu stvar. Sila gravitacije, koja djeluje na dva tijela koja se nalaze na jednakoj udaljenosti od izvora privlačnosti, izravno ovisi o masi tih predmeta. U svakodnevnom životu govorimo o sili kojom tijelo privlači površinu planete, kao svoju težinu.

Pretpostavimo neke rezultate. Dakle, masa je usko povezana s silom i ubrzanjem. Istodobno je ona koja određuje silu s kojom će atrakcija djelovati na tijelu.

Značajke ubrzanja tijela u gravitacijskom polju

Ova nevjerojatna dualnost je razlog da će u istom gravitacijskom polju ubrzanje potpuno različitih objekata biti jednako. Pretpostavimo da imamo dva tijela. Jedan od njih dodjeljuje masu z, a drugu - Z. Obadva objekta se ispuštaju na zemlju, gdje slobodno pada.

Kako se određuje odnos sila privlačnosti? Prikazuje najjednostavniju matematičku formulu - z / Z. To je samo ubrzanje koje primaju kao rezultat djelovanja sile privlačenja, bit će točno isto. Jednostavno rečeno, ubrzanje koje tijelo ima u gravitacijskom polju ne ovisi o njegovim svojstvima.

Što određuje ubrzanje u ovom slučaju?

To ovisi samo o (!) Masi objekata koji stvaraju ovo polje, kao i njihovu prostornu poziciju. Dvostruka uloga mase i jednaka ubrzanja različitih tijela u gravitacijskom polju otkrivena su relativno dugo. Ti su fenomeni dobili sljedeći naslov: "Načelo ekvivalencije". Ovaj pojam još jednom naglašava da je ubrzanje i inercija često jednaki (u određenoj mjeri, naravno).

Važnost G

Iz školskog kolegija fizike sjetimo se da je ubrzanje gravitacije na površini našeg planeta (Zemljina gravitacija) 10 m / s.² (9,8 naravno, ali za jednostavnost izračuna ova vrijednost se koristi). Dakle, ako ne uzmemo u obzir otpornost na zraku (na značajnoj visini s malom padom kapljice), tada će se učinak postići kada tijelo postigne povećanje ubrzanja od 10 m / s. svaki drugi. Dakle, knjiga koja je pala s drugog kata kuće, do kraja leta kretat će se brzinom od 30-40 m / s. Jednostavno rečeno, 10 m / s je "brzina" gravitacije unutar Zemlje.

Ubrzanje slobodnog pada fizičke literature označeno je slovom "g". Budući da oblik Zemlje u nekoj mjeri više nalikuje mandarinu nego kuglici, vrijednost ove veličine daleko je ista u svim svojim regijama. Dakle, na polovima ubrzanje je veće, a na vrhovima visokih planina postaje manja.

Čak iu ekstraktivnoj industriji, ne najmanje uloga igra gravitacija. Fizika ove pojave može ponekad uštedjeti puno vremena. Dakle, geolozi su posebno zainteresirani za savršeno preciznu definiciju g, jer omogućava izuzetnu preciznost istraživanje i pronalaženje mineralnih naslaga. Usput, kako izgleda gravitacijska formula u kojoj količina koja nas u obzir igra važnu ulogu? Ovdje je:

F = G × M1 × M2 / R2

Obratite pažnju! U ovom slučaju, gravitacijska formula podrazumijeva "gravitacijsku konstantu" pod G, čija vrijednost smo već dali gore.

U jednom je trenutku Newton formulirao gore navedena načela. On je savršeno razumio i jedinstvo i univerzalnost gravitacijska sila, ali nije mogao opisati sve aspekte ovog fenomena. Ta je čast pala na Alberta Einsteina, koja je također mogla objasniti načelo ekvivalentnosti. Njemu se čovječanstvo obvezuje suvremenim razumijevanjem same prirode prostorno-vremenskog kontinuiteta.

Teorija relativnosti, djelo Alberta Einsteina

U dane Isaaca Newtona, smatralo se da se referentne točke mogu prikazati u obliku nekih krutih "šipki", pomoću kojih se uspostavlja položaj tijela u prostornom koordinatnom sustavu. Istodobno je pretpostavljeno da će svi promatrači koji obilježavaju te koordinate biti u istom vremenskom prostoru. U tim se godinama ova odredba smatralo toliko očitim da nije bilo pokušaja da se ona pobijede ili nadopunjuju. I to je razumljivo, jer unutar našeg planeta nema odstupanja u ovom pravilu.

Einstein je pokazao da je točnost mjerenja će biti jako značajna ako je hipotetski sat kreće puno sporije nego brzine svjetlosti. Jednostavno rečeno, ako se promatrač koji se kreće sporije od brzine svjetlosti slijedi dva događaja, pojavit će se za njega istodobno. Prema tome, za drugog promatrača? brzina koja je jednaka ili više, događaje se mogu pojaviti u različito vrijeme.

Ali kako je sila gravitacije povezana s teorijom relativnosti? To ćemo pitanje detaljno proširiti.

Veza između teorije relativnosti i gravitacijskih sila

Posljednjih godina, ogromna količina otkrića napravljena je u području subatomskih čestica. Uvjerenje raste kako ćemo naći posljednju česticu, iza koje se naš svijet ne može raspasti. Postaje upornije treba da znam točno kako to utječe na sitne „cigle” našeg svemira su fundamentalne sile koje su otkrivene u prošlom stoljeću, pa čak i ranije. Posebno je uvredljivo da sama priroda gravitacije još nije objašnjena.

Zato je, nakon Einsteina, koji je ustanovio "nesposobnost" Newtonove klasične mehanike na polju koji se razmatra, istraživači su se usredotočili na potpuno preispitivanje ranije dobivenih podataka. U mnogim aspektima, sama je gravitacija bila podvrgnuta reviziji. Što je to na razini subatomskih čestica? Ima li to značenje u ovom čudesnom multidimenzionalnom svijetu?

Jednostavno rješenje?

U početku, mnogi su mislili da je odstupanje Newtonova gravitacija i teorija relativnosti može se objasniti vrlo jednostavno, analogiju iz elektrodinamike. To bi bilo moguće pretpostaviti da je gravitacijsko polje širi poput magnetskog polja, nakon čega je moguće proglasiti „posrednika” u interakcijama nebeskih tijela, objašnjavajući mnoge nedosljednosti stare i nove teorije. Stvar je u tome da se tada relativna brzina širenja sila koje se razmatraju pokazala se znatno nižom od svjetlosne brzine. Pa kako se gravitacija i vrijeme odnose?

U principu, Einstein je gotovo uspio izgraditi relativističku teoriju na temelju upravo takvih stavova, ali samo jedna okolnost spriječila je njegovu namjeru. Niti jedan od znanstvenika toga vremena nije imao nikakve informacije koje bi mogle pomoći u određivanju "brzine" gravitacije. Ali bilo je mnogo informacija povezanih s kretanjem velikih masa. Kao što znate, oni su bili univerzalno priznati izvor nastanka moćnih gravitacijskih polja.

Velike brzine snažno utječu na mase tijela, a to uopće nije slično interakciji brzine i naboja. Što je veća brzina, to je veća masa tijela. Problem je u tome što će posljednja vrijednost automatski postati beskonačna u slučaju gibanja brzinom svjetlosti ili više. Dakle, Einstein je zaključio da nema gravitacije, a tenzor polje za opisivanje koji treba koristiti mnogo više varijabla.

Njegovi sljedbenici došli su do zaključka da gravitacija i vrijeme nisu praktički nepovezani. Činjenica je da to polje tenzorskog polja može djelovati na prostor, ali na neko vrijeme to ne može utjecati. Međutim, genijska fizika modernosti Stephena Hawkinga ima drugu točku gledišta. Ali to je još jedna priča ...