Seit jeher macht sich die Menschheit Gedanken darüber, wie die Welt um uns herum funktioniert. Warum wächst Gras, warum scheint die Sonne, warum können wir nicht fliegen... Letzteres hat die Menschen übrigens schon immer besonders interessiert. Jetzt wissen wir, dass der Grund für alles die Schwerkraft ist. Was es ist und warum dieses Phänomen in der heutigen Zeit so wichtig ist, werden wir betrachten.
Einführung
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass alle massiven Körper sich gegenseitig anziehen. Anschließend stellte sich heraus, dass diese mysteriöse Kraft auch die Bewegung von Himmelskörpern auf ihren konstanten Bahnen bestimmt. Dieselbe Gravitationstheorie wurde von einem Genie formuliert, dessen Hypothesen die Entwicklung der Physik für viele kommende Jahrhunderte vorherbestimmten. Entwickelt und weitergeführt (wenn auch in eine ganz andere Richtung) wurde diese Lehre von Albert Einstein – einem der größten Köpfe des vergangenen Jahrhunderts.
Seit Jahrhunderten beobachten Wissenschaftler die Schwerkraft und versuchen, sie zu verstehen und zu messen. Schließlich wurde in den letzten Jahrzehnten sogar ein Phänomen wie die Schwerkraft in den Dienst der Menschheit gestellt (natürlich in gewissem Sinne). Was ist das, was ist die Definition des betreffenden Begriffs in der modernen Wissenschaft?
wissenschaftliche Definition
Wenn Sie die Werke antiker Denker studieren, können Sie feststellen, dass das lateinische Wort "gravitas" "Schwerkraft", "Anziehung" bedeutet. Heute nennen Wissenschaftler die universelle und konstante Wechselwirkung zwischen materiellen Körpern so. Wenn diese Kraft relativ schwach ist und nur auf Objekte wirkt, die sich viel langsamer bewegen, dann ist Newtons Theorie auf sie anwendbar. Wenn das Gegenteil der Fall ist, sollten Einsteins Schlussfolgerungen verwendet werden.
Machen wir gleich einen Vorbehalt: Derzeit ist die Natur der Schwerkraft selbst im Prinzip noch nicht vollständig untersucht. Was es ist, verstehen wir immer noch nicht ganz.
Theorien von Newton und Einstein
Nach der klassischen Lehre von Isaac Newton werden alle Körper mit einer Kraft angezogen, die direkt proportional zu ihrer Masse ist, umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, die zwischen ihnen liegt. Einstein hingegen argumentierte, dass sich die Schwerkraft zwischen Objekten im Fall der Krümmung von Raum und Zeit manifestiert (und die Krümmung des Raums nur möglich ist, wenn Materie darin ist).
Diese Idee war sehr tiefgreifend, aber die moderne Forschung beweist, dass sie etwas ungenau ist. Heute wird angenommen, dass die Schwerkraft im Weltraum den Raum nur krümmt: Die Zeit kann verlangsamt und sogar angehalten werden, aber die Realität der Formänderung temporärer Materie wurde theoretisch nicht bestätigt. Daher sieht die klassische Einstein-Gleichung nicht einmal eine Chance vor, dass der Weltraum die Materie und das entstehende Magnetfeld weiterhin beeinflusst.
In größerem Umfang ist das Gravitationsgesetz (universelle Gravitation) bekannt, dessen mathematischer Ausdruck genau zu Newton gehört:
\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
Unter γ versteht man die Gravitationskonstante (manchmal wird auch das Symbol G verwendet), deren Wert 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²) beträgt.
Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen
Die unglaubliche Komplexität des Raums um uns herum ist zu einem großen Teil auf die unendliche Anzahl von Elementarteilchen zurückzuführen. Es gibt auch verschiedene Wechselwirkungen zwischen ihnen auf Ebenen, die wir nur erahnen können. Alle Arten der Wechselwirkung von Elementarteilchen untereinander unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Stärke. 
Die stärkste aller uns bekannten Kräfte verbindet die Bestandteile des Atomkerns. Um sie zu trennen, müssen Sie eine wirklich kolossale Menge an Energie aufwenden. Was die Elektronen betrifft, so sind sie nur durch gewöhnliche elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Kern "verbunden". Um es zu stoppen, reicht manchmal die Energie, die als Ergebnis der gewöhnlichsten chemischen Reaktion entsteht. Schwerkraft (was es ist, wissen Sie bereits) in der Variante von Atomen und subatomaren Teilchen ist die einfachste Art der Wechselwirkung.
Das Gravitationsfeld ist in diesem Fall so schwach, dass es schwer vorstellbar ist. Seltsamerweise „folgen“ sie jedoch der Bewegung von Himmelskörpern, deren Masse manchmal unvorstellbar ist. All dies ist möglich durch zwei Eigenschaften der Schwerkraft, die bei großen physischen Körpern besonders ausgeprägt sind:
- Im Gegensatz zu atomaren Kräften macht sich die Gravitationsanziehung umso stärker bemerkbar, je weiter man sich vom Objekt entfernt. Die Schwerkraft der Erde hält also sogar den Mond in seinem Feld, und die ähnliche Kraft des Jupiter unterstützt problemlos die Umlaufbahnen mehrerer Satelliten gleichzeitig, deren Masse mit der der Erde durchaus vergleichbar ist!
- Darüber hinaus sorgt es immer für Anziehungskraft zwischen Objekten, und mit zunehmender Entfernung schwächt sich diese Kraft bei niedriger Geschwindigkeit ab.
Die Bildung einer mehr oder weniger kohärenten Theorie der Gravitation erfolgte vor relativ kurzer Zeit und genau auf der Grundlage der Ergebnisse jahrhundertealter Beobachtungen der Bewegung von Planeten und anderen Himmelskörpern. Die Aufgabe wurde durch die Tatsache sehr erleichtert, dass sie sich alle in einem Vakuum bewegen, wo es einfach keine anderen möglichen Wechselwirkungen gibt. Galileo und Kepler, zwei herausragende Astronomen der damaligen Zeit, halfen mit ihren wertvollsten Beobachtungen, den Weg für neue Entdeckungen zu ebnen.
Aber nur der große Isaac Newton war in der Lage, die erste Gravitationstheorie zu erstellen und sie in einer mathematischen Darstellung auszudrücken. Dies war das erste Gravitationsgesetz, dessen mathematische Darstellung oben dargestellt ist.
Schlussfolgerungen von Newton und einigen seiner Vorgänger
Im Gegensatz zu anderen physikalischen Phänomenen, die in der Welt um uns herum existieren, manifestiert sich die Schwerkraft immer und überall. Sie müssen verstehen, dass der in pseudowissenschaftlichen Kreisen oft vorkommende Begriff „Schwerkraftlosigkeit“ äußerst falsch ist: Selbst Schwerelosigkeit im Weltraum bedeutet nicht, dass ein Mensch oder ein Raumschiff nicht von der Anziehungskraft eines massiven Objekts beeinflusst wird.
Darüber hinaus haben alle materiellen Körper eine bestimmte Masse, ausgedrückt in Form einer auf sie ausgeübten Kraft und einer durch diesen Aufprall erhaltenen Beschleunigung.
Gravitationskräfte sind also proportional zur Masse von Objekten. Numerisch lassen sie sich ausdrücken, indem man das Produkt der Massen der beiden betrachteten Körper bildet. Diese Kraft gehorcht strikt der umgekehrten Abhängigkeit vom Quadrat des Abstands zwischen Objekten. Alle anderen Wechselwirkungen hängen ganz anders von den Abständen zwischen zwei Körpern ab.
Masse als Eckpfeiler der Theorie
Die Masse der Objekte ist zu einem besonderen Streitpunkt geworden, um den sich Einsteins gesamte moderne Gravitations- und Relativitätstheorie aufbaut. Wenn Sie sich an die Zweite erinnern, dann wissen Sie wahrscheinlich, dass Masse ein obligatorisches Merkmal jedes physischen materiellen Körpers ist. Es zeigt, wie sich ein Objekt verhält, wenn eine Kraft darauf ausgeübt wird, unabhängig von seinem Ursprung.
Da alle Körper (nach Newton) beschleunigen, wenn eine äußere Kraft auf sie einwirkt, bestimmt die Masse, wie groß diese Beschleunigung sein wird. Schauen wir uns ein klareres Beispiel an. Stellen Sie sich einen Roller und einen Bus vor: Wenn Sie genau die gleiche Kraft auf sie ausüben, erreichen sie zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Geschwindigkeiten. All dies wird durch die Gravitationstheorie erklärt.
Welche Beziehung besteht zwischen Masse und Anziehung?
Wenn wir von Gravitation sprechen, dann spielt die Masse bei diesem Phänomen eine völlig entgegengesetzte Rolle als bei der Kraft und Beschleunigung eines Objekts. Sie ist die Hauptquelle der Anziehungskraft. Wenn Sie zwei Körper nehmen und sehen, mit welcher Kraft sie ein drittes Objekt anziehen, das sich in gleichen Abständen von den ersten beiden befindet, dann ist das Verhältnis aller Kräfte gleich dem Verhältnis der Massen der ersten beiden Objekte. Die Anziehungskraft ist also direkt proportional zur Masse des Körpers. 
Wenn wir Newtons drittes Gesetz betrachten, können wir sehen, dass er genau dasselbe sagt. Die Schwerkraft, die auf zwei Körper wirkt, die sich in gleichem Abstand von der Anziehungsquelle befinden, hängt direkt von der Masse dieser Objekte ab. Im Alltag spricht man von der Kraft, mit der ein Körper von der Erdoberfläche angezogen wird, als seinem Gewicht.
Fassen wir einige Ergebnisse zusammen. Masse ist also eng mit Kraft und Beschleunigung verbunden. Gleichzeitig bestimmt sie die Kraft, mit der die Schwerkraft auf den Körper wirkt.
Merkmale der Beschleunigung von Körpern in einem Gravitationsfeld
Diese erstaunliche Dualität ist der Grund dafür, dass im selben Gravitationsfeld die Beschleunigung völlig unterschiedlicher Objekte gleich sein wird. Angenommen, wir haben zwei Körper. Weisen wir einem von ihnen eine Masse Z zu und dem anderen Z. Beide Objekte werden auf den Boden fallen gelassen, wo sie frei fallen.
Wie wird das Verhältnis der Anziehungskräfte bestimmt? Es wird durch die einfachste mathematische Formel gezeigt - z / Z. Das ist nur die Beschleunigung, die sie aufgrund der Schwerkraft erhalten, wird genau gleich sein. Einfach ausgedrückt hängt die Beschleunigung, die ein Körper in einem Gravitationsfeld hat, in keiner Weise von seinen Eigenschaften ab.
Wovon hängt die Beschleunigung im beschriebenen Fall ab?
Es hängt nur (!) von der Masse der Objekte ab, die dieses Feld erzeugen, sowie von ihrer räumlichen Position. Die Doppelrolle der Masse und der gleichmässigen Beschleunigung verschiedener Körper in einem Gravitationsfeld ist schon seit relativ langer Zeit bekannt. Diese Phänomene haben den folgenden Namen erhalten: "Prinzip der Äquivalenz". Dieser Begriff betont noch einmal, dass Beschleunigung und Trägheit oft (bis zu einem gewissen Grad natürlich) gleichwertig sind.
Zur Bedeutung von G
Aus dem Schulphysikkurs erinnern wir uns, dass die Beschleunigung des freien Falls auf der Oberfläche unseres Planeten (Erdgravitation) 10 m / s² beträgt (9,8 natürlich, aber dieser Wert wird zur Vereinfachung der Berechnung verwendet). Wenn also der Luftwiderstand nicht berücksichtigt wird (in einer signifikanten Höhe mit geringer Fallstrecke), wird der Effekt erzielt, wenn der Körper ein Beschleunigungsinkrement von 10 m / s erreicht. jede Sekunde. So bewegt sich ein Buch, das aus dem zweiten Stock eines Hauses gefallen ist, am Ende seines Fluges mit einer Geschwindigkeit von 30-40 m/s. Einfach ausgedrückt, 10 m/s ist die "Geschwindigkeit" der Schwerkraft innerhalb der Erde. 
Die Erdbeschleunigung wird in der physikalischen Literatur mit dem Buchstaben „g“ bezeichnet. Da die Form der Erde gewissermaßen eher einer Mandarine als einer Kugel gleicht, ist der Wert dieser Größe bei weitem nicht in allen Regionen gleich. An den Polen ist die Beschleunigung also höher und auf den Gipfeln hoher Berge wird sie geringer.
Auch im Bergbau spielt die Schwerkraft eine wichtige Rolle. Phänomene können manchmal viel Zeit sparen. Geologen interessieren sich daher besonders für die möglichst genaue Bestimmung von g, da dies die Exploration und das Auffinden von Mineralvorkommen mit außergewöhnlicher Genauigkeit ermöglicht. Wie sieht übrigens die Gravitationsformel aus, bei der der betrachtete Wert eine wichtige Rolle spielt? Da ist sie:
Beachten Sie! In diesem Fall bedeutet die Gravitationsformel mit G die „Gravitationskonstante“, deren Wert wir oben bereits angegeben haben.
Zu einer Zeit formulierte Newton die oben genannten Prinzipien. Er verstand sowohl Einheit als auch Universalität vollkommen, aber er konnte nicht alle Aspekte dieses Phänomens beschreiben. Diese Ehre fiel Albert Einstein zu, der auch das Äquivalenzprinzip erklären konnte. Ihm verdankt die Menschheit ein modernes Verständnis der eigentlichen Natur des Raum-Zeit-Kontinuums.
Relativitätstheorie, Werke von Albert Einstein
Zur Zeit von Isaac Newton glaubte man, dass sich Bezugspunkte als eine Art starre „Stäbe“ darstellen lassen, mit deren Hilfe die Position des Körpers im räumlichen Koordinatensystem festgelegt wird. Gleichzeitig wurde angenommen, dass sich alle Beobachter, die diese Koordinaten markieren, in einem einzigen Zeitraum befinden würden. In jenen Jahren galt diese Bestimmung als so selbstverständlich, dass keine Versuche unternommen wurden, sie anzufechten oder zu ergänzen. Und das ist verständlich, denn innerhalb unseres Planeten gibt es keine Abweichungen von dieser Regel.
Einstein bewies, dass die Genauigkeit der Messung wirklich signifikant wäre, wenn sich die hypothetische Uhr viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegen würde. Einfach ausgedrückt, wenn ein Beobachter, der sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, zwei Ereignisse verfolgt, dann werden sie für ihn gleichzeitig passieren. Dementsprechend für den zweiten Beobachter? deren Geschwindigkeit gleich oder größer ist, können Ereignisse zu unterschiedlichen Zeiten eintreten.
Aber wie hängt die Schwerkraft mit der Relativitätstheorie zusammen? Lassen Sie uns dieses Problem im Detail untersuchen.
Beziehung zwischen Relativitätstheorie und Gravitationskräften
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Entdeckungen auf dem Gebiet der subatomaren Teilchen gemacht. Die Überzeugung wird immer stärker, dass wir dabei sind, das letzte Teilchen zu finden, jenseits dessen unsere Welt nicht mehr geteilt werden kann. Umso dringender ist es, herauszufinden, wie genau die kleinsten „Bausteine“ unseres Universums von jenen fundamentalen Kräften beeinflusst werden, die im letzten Jahrhundert oder sogar noch früher entdeckt wurden. Besonders enttäuschend ist, dass die eigentliche Natur der Schwerkraft noch nicht erklärt wurde.
Deshalb konzentrierten sich die Forscher nach Einstein, der die „Unfähigkeit“ der Newtonschen klassischen Mechanik auf dem betrachteten Gebiet feststellte, auf ein völliges Umdenken der früher gewonnenen Daten. In vielerlei Hinsicht wurde die Schwerkraft selbst einer Überarbeitung unterzogen. Was ist es auf der Ebene der subatomaren Teilchen? Hat es irgendeine Bedeutung in dieser erstaunlichen multidimensionalen Welt?
Eine einfache Lösung?
Viele gingen zunächst davon aus, dass sich die Diskrepanz zwischen der Newtonschen Gravitation und der Relativitätstheorie ganz einfach durch Analogien aus der Elektrodynamik erklären lässt. Man könnte annehmen, dass sich das Gravitationsfeld wie ein magnetisches Feld ausbreitet, wonach es als „Vermittler“ in den Wechselwirkungen der Himmelskörper bezeichnet werden kann, was viele Widersprüche zwischen der alten und der neuen Theorie erklärt. Tatsache ist, dass dann die relativen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der betrachteten Kräfte viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit wären. Wie hängen Schwerkraft und Zeit zusammen?
Im Prinzip wäre es Einstein selbst fast gelungen, eine relativistische Theorie auf der Grundlage eben solcher Ansichten zu konstruieren, nur ein Umstand verhinderte sein Vorhaben. Keiner der damaligen Wissenschaftler hatte irgendwelche Informationen, die helfen könnten, die "Geschwindigkeit" der Schwerkraft zu bestimmen. Aber es gab viele Informationen über die Bewegungen großer Massen. Sie waren bekanntlich nur die allgemein anerkannte Quelle mächtiger Gravitationsfelder.
Hohe Geschwindigkeiten wirken sich stark auf die Massen von Körpern aus, und dies ist überhaupt nicht wie die Wechselwirkung von Geschwindigkeit und Ladung. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Masse des Körpers. Das Problem ist, dass der letzte Wert bei einer Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit oder höher automatisch unendlich werden würde. Daraus schloss Einstein, dass es kein Gravitations-, sondern ein Tensorfeld gibt, für dessen Beschreibung viel mehr Variablen verwendet werden müssten.
Seine Anhänger kamen zu dem Schluss, dass Schwerkraft und Zeit praktisch nichts miteinander zu tun haben. Tatsache ist, dass dieses Tensorfeld selbst auf den Raum wirken kann, aber es ist nicht in der Lage, die Zeit zu beeinflussen. Der brillante moderne Physiker Stephen Hawking hat jedoch eine andere Sichtweise. Aber das ist eine ganz andere Geschichte...
