От древни времена човечеството се замисля как работи светът около нас. Защо расте тревата, защо грее слънцето, защо не можем да летим... Последното, между другото, винаги е представлявало особен интерес за хората. Сега знаем, че причината за всичко е гравитацията. Какво е това и защо това явление е толкова важно в днешния ден, ще разгледаме.
Въведение
Учените са открили, че всички масивни тела изпитват взаимно привличане едно към друго. Впоследствие се оказа, че тази мистериозна сила определя и движението на небесните тела по постоянните им орбити. Същата теория за гравитацията е формулирана от гений, чиито хипотези предопределиха развитието на физиката за много векове напред. Развит и продължен (макар и в съвсем различна посока) това учение е Алберт Айнщайн - един от най-великите умове на миналия век.
От векове учените са наблюдавали гравитацията, опитвайки се да я разберат и измерят. И накрая, през последните няколко десетилетия дори такова явление като гравитацията беше поставено в услуга на човечеството (в известен смисъл, разбира се). Какво е това, каква е дефиницията на въпросния термин в съвременната наука?
научна дефиниция
Ако изучавате произведенията на древните мислители, можете да разберете, че латинската дума "gravitas" означава "гравитация", "привличане". Днес учените наричат така универсалното и постоянно взаимодействие между материалните тела. Ако тази сила е относително слаба и действа само върху обекти, които се движат много по-бавно, тогава теорията на Нютон е приложима за тях. Ако е обратното, трябва да се използват заключенията на Айнщайн.
Нека направим резервация веднага: в момента самата природа на самата гравитация по принцип не е напълно проучена. Какво е това, ние все още не разбираме напълно.
Теории на Нютон и Айнщайн
Според класическото учение на Исак Нютон всички тела се привличат едно към друго със сила, която е право пропорционална на тяхната маса, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието, което лежи между тях. Айнщайн, от друга страна, твърди, че гравитацията между обектите се проявява в случай на кривина на пространството и времето (а кривината на пространството е възможна само ако в него има материя).
Тази идея беше много дълбока, но съвременните изследвания доказват, че е донякъде неточна. Днес се смята, че гравитацията в космоса само огъва пространството: времето може да бъде забавено и дори спряно, но реалността на промяната на формата на временната материя не е теоретично потвърдена. Следователно класическото уравнение на Айнщайн дори не предвижда шанс пространството да продължи да влияе върху материята и възникващото магнитно поле.
В по-голяма степен е известен законът на гравитацията (всемирната гравитация), чийто математически израз принадлежи именно на Нютон:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
Под γ се разбира гравитационната константа (понякога се използва символът G), чиято стойност е 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Взаимодействие между елементарни частици
Невероятната сложност на пространството около нас до голяма степен се дължи на безкрайния брой елементарни частици. Има и различни взаимодействия между тях на нива, за които можем само да гадаем. Въпреки това, всички видове взаимодействие на елементарни частици помежду си се различават значително по силата си. 
Най-мощната от всички познати ни сили свързва компонентите на атомното ядро. За да ги разделите, трябва да изразходвате наистина колосално количество енергия. Що се отнася до електроните, те са "прикрепени" към ядрото само чрез обикновено електромагнитно взаимодействие. За да го спре, понякога е достатъчна енергията, която се появява в резултат на най-обикновена химическа реакция. Гравитацията (какво е, вече знаете) във варианта на атомите и субатомните частици е най-лесният вид взаимодействие.
Гравитационното поле в този случай е толкова слабо, че е трудно да си го представим. Колкото и да е странно, но именно те „следват“ движението на небесните тела, чиято маса понякога е невъзможно да си представим. Всичко това е възможно благодарение на две особености на гравитацията, които са особено изразени при големите физически тела:
- За разлика от атомните сили, гравитационното привличане е по-забележимо, колкото по-далече от обекта. И така, гравитацията на Земята държи дори Луната в нейното поле, а подобна сила на Юпитер лесно поддържа орбитите на няколко спътника наведнъж, масата на всеки от които е доста сравнима със земната!
- Освен това винаги осигурява привличане между обектите и с разстоянието тази сила отслабва при ниска скорост.
Формирането на повече или по-малко последователна теория за гравитацията се случи сравнително наскоро и точно въз основа на резултатите от вековни наблюдения на движението на планетите и други небесни тела. Задачата беше значително улеснена от факта, че всички те се движат във вакуум, където просто няма други възможни взаимодействия. Галилей и Кеплер, двама изключителни астрономи от онова време, помогнаха да се проправи пътя за нови открития с най-ценните си наблюдения.
Но само великият Исак Нютон успя да създаде първата теория за гравитацията и да я изрази в математическо представяне. Това беше първият закон на гравитацията, чието математическо представяне е представено по-горе.
Заключенията на Нютон и някои от неговите предшественици
За разлика от други физически явления, които съществуват в света около нас, гравитацията се проявява винаги и навсякъде. Трябва да разберете, че терминът "нулева гравитация", който често се среща в псевдонаучните кръгове, е изключително неправилен: дори безтегловността в космоса не означава, че човек или космически кораб не са засегнати от привличането на някакъв масивен обект.
Освен това всички материални тела имат определена маса, изразена под формата на сила, която е приложена към тях, и ускорение, получено поради това въздействие.
По този начин гравитационните сили са пропорционални на масата на обектите. Числено те могат да бъдат изразени чрез получаване на произведението на масите на двете разглеждани тела. Тази сила се подчинява стриктно на обратната зависимост от квадрата на разстоянието между обектите. Всички други взаимодействия зависят по съвсем различен начин от разстоянията между две тела.
Масата като крайъгълен камък на теорията
Масата от обекти се е превърнала в особена спорна точка, около която е изградена цялата съвременна теория на Айнщайн за гравитацията и относителността. Ако си спомняте Второто, тогава вероятно знаете, че масата е задължителна характеристика на всяко физическо материално тяло. Той показва как ще се държи даден обект, ако върху него се приложи сила, независимо от неговия произход.
Тъй като всички тела (според Нютон) се ускоряват, когато върху тях действа външна сила, масата е тази, която определя колко голямо ще бъде това ускорение. Нека да разгледаме по-ясен пример. Представете си скутер и автобус: ако приложите точно еднаква сила към тях, те ще достигнат различни скорости за различно време. Всичко това се обяснява с теорията на гравитацията.
Каква е връзката между масата и привличането?
Ако говорим за гравитация, тогава масата в това явление играе роля, напълно противоположна на тази, която играе по отношение на силата и ускорението на даден обект. Именно тя е основният източник на самото привличане. Ако вземете две тела и видите с каква сила те привличат трети обект, който се намира на равни разстояния от първите две, тогава съотношението на всички сили ще бъде равно на съотношението на масите на първите два обекта. По този начин силата на привличане е право пропорционална на масата на тялото. 
Ако разгледаме третия закон на Нютон, можем да видим, че той казва точно същото. Силата на гравитацията, която действа върху две тела, разположени на еднакво разстояние от източника на привличане, зависи пряко от масата на тези обекти. В ежедневието говорим за силата, с която едно тяло е привлечено от повърхността на планетата, като негово тегло.
Нека обобщим някои резултати. И така, масата е тясно свързана със силата и ускорението. В същото време тя е тази, която определя силата, с която гравитацията ще действа върху тялото.
Характеристики на ускорението на телата в гравитационно поле
Тази удивителна двойственост е причината, поради която в едно и също гравитационно поле ускорението на напълно различни обекти ще бъде еднакво. Да предположим, че имаме две тела. Нека присвоим маса z на единия от тях, а на другия Z. И двата обекта се пускат на земята, където падат свободно.
Как се определя съотношението на силите на привличане? Показва се с най-простата математическа формула - z / Z. Това е само ускорението, което получават в резултат на силата на гравитацията, ще бъде абсолютно същото. Просто казано, ускорението, което има едно тяло в гравитационно поле, не зависи по никакъв начин от неговите свойства.
От какво зависи ускорението в описания случай?
Зависи само (!) от масата на обектите, които създават това поле, както и от тяхното пространствено положение. Двойната роля на масата и еднаквото ускорение на различни тела в гравитационно поле са открити сравнително отдавна. Тези явления са получили следното наименование: "Принцип на еквивалентността". Този термин още веднъж подчертава, че ускорението и инерцията често са еквивалентни (до известна степен, разбира се).
За значението на Г
От училищния курс по физика си спомняме, че ускорението на свободното падане на повърхността на нашата планета (гравитацията на Земята) е 10 m / s² (9,8 разбира се, но тази стойност се използва за по-лесно изчисление). По този начин, ако не се вземе предвид съпротивлението на въздуха (на значителна височина с малко разстояние на падане), тогава ефектът ще се получи, когато тялото придобие увеличение на ускорението от 10 m / s. всяка секунда. Така книга, паднала от втория етаж на къща, ще се движи със скорост 30-40 м/сек до края на полета си. Просто казано, 10 m/s е "скоростта" на гравитацията в рамките на Земята. 
Гравитационното ускорение във физическата литература се обозначава с буквата "g". Тъй като формата на Земята до известна степен прилича повече на мандарина, отколкото на сфера, стойността на това количество далеч не е еднаква във всички нейни региони. Така че на полюсите ускорението е по-високо, а на върховете на високите планини става по-малко.
Дори в минната индустрия гравитацията играе важна роля. явленията понякога могат да спестят много време. По този начин геолозите са особено заинтересовани от идеално точното определяне на g, тъй като това позволява проучване и намиране на минерални находища с изключителна точност. Между другото, как изглежда формулата на гравитацията, в която стойността, която разгледахме, играе важна роля? Ето я:
Забележка! В този случай гравитационната формула означава с G "гравитационната константа", чиято стойност вече посочихме по-горе.
По едно време Нютон формулира горните принципи. Той отлично разбираше както единството, така и универсалността, но не можеше да опише всички аспекти на това явление. Тази чест се падна на Алберт Айнщайн, който също успя да обясни принципа на еквивалентността. Именно на него човечеството дължи съвременното разбиране на самата природа на пространствено-времевия континуум.
Теория на относителността, трудове на Алберт Айнщайн
По времето на Исак Нютон се е смятало, че референтните точки могат да бъдат представени като някакви твърди "пръчки", с помощта на които се установява положението на тялото в пространствената координатна система. В същото време се предполагаше, че всички наблюдатели, които маркират тези координати, ще бъдат в едно времево пространство. В онези години тази разпоредба се смяташе за толкова очевидна, че не бяха правени опити да бъде оспорена или допълнена. И това е разбираемо, защото в рамките на нашата планета няма отклонения в това правило.
Айнщайн доказа, че точността на измерването би била наистина значителна, ако хипотетичният часовник се движеше много по-бавно от скоростта на светлината. Просто казано, ако един наблюдател, движещ се по-бавно от скоростта на светлината, проследи две събития, то те ще се случат за него по едно и също време. Съответно за втория наблюдател? чиято скорост е еднаква или повече, събитията могат да се случват по различно време.
Но как силата на гравитацията е свързана с теорията на относителността? Нека разгледаме подробно този въпрос.
Връзка между теорията на относителността и гравитационните сили
През последните години бяха направени огромен брой открития в областта на субатомните частици. Засилва се убеждението, че сме на път да открием последната частица, отвъд която светът ни не може да бъде разделен. Колкото по-настоятелна е необходимостта да разберем как точно най-малките „тухлички“ на нашата вселена са засегнати от онези фундаментални сили, открити през миналия век или дори по-рано. Особено разочароващо е, че самата природа на гравитацията все още не е обяснена.
Ето защо след Айнщайн, който установи "недееспособността" на класическата механика на Нютон в разглежданата област, изследователите се фокусираха върху пълното преосмисляне на получените по-рано данни. В много отношения самата гравитация е претърпяла ревизия. Какво е това на ниво субатомни частици? Има ли някакво значение в този удивителен многоизмерен свят?
Просто решение?
Първоначално мнозина предположиха, че несъответствието между гравитацията на Нютон и теорията на относителността може да се обясни съвсем просто чрез привличане на аналогии от областта на електродинамиката. Може да се приеме, че гравитационното поле се разпространява подобно на магнитното, след което то може да бъде обявено за "посредник" във взаимодействията на небесните тела, обяснявайки много несъответствия между старата и новата теория. Факт е, че тогава относителните скорости на разпространение на разглежданите сили биха били много по-ниски от скоростта на светлината. И така, как са свързани гравитацията и времето?
По принцип самият Айнщайн почти успя да изгради релативистка теория, основана точно на такива възгледи, само едно обстоятелство попречи на намерението му. Никой от учените от онова време не разполагаше с никаква информация, която да помогне да се определи "скоростта" на гравитацията. Но имаше много информация, свързана с движенията на големи маси. Както е известно, те бяха само общопризнатият източник на мощни гравитационни полета.
Високите скорости силно влияят върху масите на телата и това изобщо не е като взаимодействието на скорост и заряд. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-голяма е масата на тялото. Проблемът е, че последната стойност автоматично ще стане безкрайна в случай на движение със скорост на светлината или по-висока. Следователно Айнщайн заключава, че не съществува гравитационно, а тензорно поле, за описанието на което трябва да се използват много повече променливи.
Неговите последователи стигнаха до извода, че гравитацията и времето практически нямат връзка. Факт е, че самото това тензорно поле може да действа върху пространството, но не е в състояние да повлияе на времето. Брилянтният съвременен физик Стивън Хокинг обаче има друга гледна точка. Но това е съвсем различна история...
