Az emberiség ősidők óta gondolkodik a körülöttünk lévő világ működésén. Miért nő a fű, miért süt a Nap, miért nem tudunk repülni... Ez utóbbi egyébként mindig is különösen érdekelte az embereket. Most már tudjuk, hogy mindennek a gravitáció az oka. Mi ez, és miért olyan fontos ez a jelenség a mai napon, megvizsgáljuk.
Bevezetés
A tudósok azt találták, hogy minden hatalmas test kölcsönös vonzódást tapasztal egymás iránt. Ezt követően kiderült, hogy ez a titokzatos erő határozza meg az égitestek állandó pályájukon való mozgását is. Ugyanezt a gravitációs elméletet fogalmazta meg egy zseni, akinek hipotézisei előre meghatározták a fizika fejlődését az elkövetkező évszázadokban. Ezt a tanítást Albert Einstein – az elmúlt évszázad egyik legnagyobb elméje – fejlesztette és folytatta (bár teljesen más irányban).
A tudósok évszázadok óta figyelték a gravitációt, megpróbálták megérteni és mérni. Végül az elmúlt néhány évtizedben még egy olyan jelenséget is az emberiség szolgálatába állítottak (bizonyos értelemben persze), mint a gravitáció. Mi ez, mi a szóban forgó kifejezés definíciója a modern tudományban?
tudományos meghatározás
Ha tanulmányozza az ókori gondolkodók műveit, megtudhatja, hogy a latin "gravitas" szó "gravitációt", "vonzást" jelent. Ma a tudósok így hívják az anyagi testek közötti egyetemes és állandó kölcsönhatást. Ha ez az erő viszonylag gyenge, és csak olyan tárgyakra hat, amelyek sokkal lassabban mozognak, akkor Newton elmélete alkalmazható rájuk. Ha az ellenkezője a helyzet, akkor Einstein következtetéseit kell használni.
Azonnal tegyünk egy fenntartást: jelenleg magát a gravitáció természetét elvileg még nem vizsgálták teljesen. Hogy mi az, még mindig nem értjük teljesen.
Newton és Einstein elméletei
Isaac Newton klasszikus tanítása szerint minden test olyan erővel vonzódik egymáshoz, amely egyenesen arányos a tömegével, fordítottan arányos a közöttük lévő távolság négyzetével. Einstein ezzel szemben amellett érvelt, hogy a tárgyak közötti gravitáció a tér és az idő görbülete esetén nyilvánul meg (és a tér görbülete csak akkor lehetséges, ha van benne anyag).
Ez az elképzelés nagyon mély volt, de a modern kutatások némileg pontatlannak bizonyítják. Ma úgy tartják, hogy a térbeli gravitáció csak meghajlítja a teret: az időt le lehet lassítani, sőt meg is lehet állítani, de az ideiglenes anyag alakjának megváltoztatásának valóságát elméletileg nem erősítették meg. Ezért a klasszikus Einstein-egyenlet még arra sem ad esélyt, hogy a tér továbbra is befolyásolja az anyagot és a kialakuló mágneses teret.
Nagyobb mértékben ismert a gravitáció (univerzális gravitáció) törvénye, amelynek matematikai kifejezése pontosan Newtonhoz tartozik:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
γ alatt a gravitációs állandót értjük (néha a G szimbólumot használjuk), melynek értéke 6,67545 × 10-11 m³ / (kg s²).
Az elemi részecskék közötti kölcsönhatás
A minket körülvevő tér hihetetlen összetettsége nagyrészt a végtelen számú elemi részecskének köszönhető. Különféle kölcsönhatások is vannak köztük olyan szinteken, amelyeket csak sejteni tudunk. Azonban az elemi részecskék egymás közötti kölcsönhatásának minden típusa jelentősen különbözik erősségükben. 
Az általunk ismert erők közül a legerősebb köti össze az atommag összetevőit. Elválasztásukhoz valóban kolosszális mennyiségű energiát kell elköltenie. Ami az elektronokat illeti, csak közönséges elektromágneses kölcsönhatás révén "csatlakoznak" az atommaghoz. Megállításához néha elég a leghétköznapibb kémiai reakció eredményeként megjelenő energia. A gravitáció (mi az, már tudja) az atomok és szubatomi részecskék változatában a legkönnyebb kölcsönhatás.
A gravitációs tér ebben az esetben olyan gyenge, hogy nehéz elképzelni. Furcsa módon, de ők „követik” az égitestek mozgását, amelyek tömegét néha elképzelhetetlen. Mindez a gravitáció két sajátossága miatt lehetséges, amelyek különösen a nagy fizikai testek esetében érvényesülnek:
- Az atomi erőkkel ellentétben a gravitációs vonzás jobban észrevehető, minél távolabb van az objektumtól. Tehát a Föld gravitációja még a Holdat is a mezőjében tartja, a Jupiter hasonló ereje pedig könnyedén támogatja több műhold pályáját egyszerre, amelyek mindegyikének tömege eléggé összemérhető a Földével!
- Ezenkívül mindig vonzerőt biztosít a tárgyak között, és a távolsággal ez az erő kis sebességnél gyengül.
A többé-kevésbé koherens gravitációs elmélet kialakulása viszonylag nemrégiben történt, és éppen a bolygók és más égitestek mozgásának évszázados megfigyelései alapján. A feladatot nagyban megkönnyítette, hogy mindannyian légüres térben mozognak, ahol egyszerűen nincs más lehetséges kölcsönhatás. Galileo és Kepler, a kor két kiemelkedő csillagásza legértékesebb megfigyeléseikkel segítettek utat nyitni az új felfedezéseknek.
De csak a nagy Isaac Newton volt képes megalkotni a gravitáció első elméletét és kifejezni azt matematikai ábrázolással. Ez volt a gravitáció első törvénye, amelynek matematikai ábrázolását fentebb mutatjuk be.
Newton és néhány elődjének következtetései
A körülöttünk lévő világban létező egyéb fizikai jelenségektől eltérően a gravitáció mindig és mindenhol megnyilvánul. Meg kell értenie, hogy az áltudományos körökben gyakran előforduló "nulla gravitáció" kifejezés rendkívül helytelen: még a súlytalanság az űrben sem jelenti azt, hogy egy személyre vagy egy űrrepülőgépre ne hatna valamilyen hatalmas tárgy vonzása.
Ezen túlmenően minden anyagi testnek van egy bizonyos tömege, amelyet a rájuk ható erő formájában fejeznek ki, és az ütközés következtében elért gyorsulást.
Így a gravitációs erők arányosak a tárgyak tömegével. Számszerűen úgy fejezhetők ki, hogy megkapjuk mindkét figyelembe vett test tömegének szorzatát. Ez az erő szigorúan engedelmeskedik az objektumok közötti távolság négyzetétől való fordított függőségnek. Minden más kölcsönhatás egészen másképpen függ két test közötti távolságtól.
A mise, mint az elmélet sarokköve
A tárgyak tömege különös vitaponttá vált, amely köré Einstein egész modern gravitációs és relativitáselmélete épül. Ha emlékszel a másodikra, akkor valószínűleg tudod, hogy a tömeg minden fizikai anyagi test kötelező jellemzője. Megmutatja, hogyan fog viselkedni egy tárgy, ha erőt fejtenek ki rá, függetlenül az eredetétől.
Mivel minden test (Newton szerint) felgyorsul, ha külső erő hat rá, a tömeg határozza meg, hogy mekkora lesz ez a gyorsulás. Nézzünk egy világosabb példát. Képzeljünk el egy robogót és egy buszt: ha pontosan ugyanazt az erőt fejtjük ki rájuk, különböző időpontokban eltérő sebességet fognak elérni. Mindezt a gravitáció elmélete magyarázza.
Mi a kapcsolat a tömeg és a vonzalom között?
Ha gravitációról beszélünk, akkor a tömeg ebben a jelenségben teljesen ellentétes szerepet játszik azzal, amit egy tárgy erejével és gyorsulásával kapcsolatban játszik. Ő maga a vonzalom elsődleges forrása. Ha veszünk két testet, és megnézzük, milyen erővel vonzzák a harmadik tárgyat, amely egyenlő távolságra van az első kettőtől, akkor az összes erő aránya megegyezik az első két tárgy tömegének arányával. Így a vonzási erő egyenesen arányos a test tömegével. 
Ha figyelembe vesszük Newton harmadik törvényét, láthatjuk, hogy ő pontosan ugyanezt mondja. A gravitációs erő, amely a vonzásforrástól egyenlő távolságra lévő két testre hat, közvetlenül függ ezen tárgyak tömegétől. A mindennapi életben arról beszélünk, hogy egy test milyen erővel vonzódik a bolygó felszínéhez, mint súlyához.
Összefoglalunk néhány eredményt. Tehát a tömeg szorosan összefügg az erővel és a gyorsulással. Ugyanakkor ő határozza meg azt az erőt, amellyel a gravitáció hat a testre.
A testek gyorsulásának jellemzői gravitációs térben
Ez az elképesztő kettősség az oka annak, hogy ugyanabban a gravitációs térben teljesen különböző objektumok gyorsulása egyenlő lesz. Tegyük fel, hogy két testünk van. Az egyikhez rendeljünk z tömeget, a másikhoz Z. Mindkét tárgyat leejtjük a földre, ahol szabadon esnek.
Hogyan határozható meg a vonzási erők aránya? Ezt a legegyszerűbb matematikai képlet mutatja - z / Z. Ez csak az a gyorsulás, amelyet a gravitációs erő hatására kapnak, pontosan ugyanannyi lesz. Egyszerűen fogalmazva, a test gyorsulása a gravitációs térben semmilyen módon nem függ a tulajdonságaitól.
Mitől függ a gyorsulás a leírt esetben?
Csak (!) függ az ezt a mezőt létrehozó objektumok tömegétől, valamint azok térbeli helyzetétől. A tömeg kettős szerepét és a különböző testek egyenlő gyorsulását a gravitációs térben viszonylag régóta fedezték fel. Ezek a jelenségek a következő nevet kapták: „Egyenértékűség elve”. Ez a kifejezés még egyszer hangsúlyozza, hogy a gyorsulás és a tehetetlenség gyakran egyenértékű (természetesen bizonyos mértékig).
G fontosságáról
Az iskolai fizika kurzusból emlékszünk arra, hogy a szabadesés gyorsulása bolygónk felszínén (a Föld gravitációja) 10 m / s² (természetesen 9,8, de ezt az értéket használjuk a számítás megkönnyítése érdekében). Így, ha nem vesszük figyelembe a légellenállást (jelentős magasságban, kis esési távolsággal), akkor a hatás akkor érhető el, amikor a test 10 m / s gyorsulási növekményt kap. minden másodperc. Így egy ház második emeletéről leesett könyv a repülése végére 30-40 m/sec sebességgel fog mozogni. Egyszerűen fogalmazva, 10 m/s a gravitáció "sebessége" a Földön belül. 
A gravitációból adódó gyorsulást a fizikai irodalomban "g" betűvel jelölik. Mivel a Föld alakja bizonyos mértékig inkább mandarinra, mint gömbre hasonlít, ennek a mennyiségnek az értéke közel sem azonos minden régiójában. Tehát a sarkokon nagyobb a gyorsulás, a magas hegyek tetején pedig kisebb lesz.
A gravitáció még a bányászatban is fontos szerepet játszik. a jelenségek néha sok időt takaríthatnak meg. A geológusokat tehát különösen érdekli a g ideálisan pontos meghatározása, mivel ez kivételes pontossággal teszi lehetővé az ásványlelőhelyek feltárását és megtalálását. Amúgy hogy néz ki a gravitációs képlet, amelyben fontos szerepet játszik az általunk figyelembe vett érték? Ott van:
Jegyzet! Ebben az esetben a gravitációs képlet G alatt a "gravitációs állandót" jelenti, amelynek értékét már fentebb megadtuk.
Egy időben Newton megfogalmazta a fenti elveket. Tökéletesen megértette az egységet és az egyetemességet, de nem tudta leírni e jelenség minden aspektusát. Ez a megtiszteltetés Albert Einsteint ért, aki az ekvivalencia elvét is meg tudta magyarázni. Neki köszönheti az emberiség a tér-idő kontinuum természetének modern megértését.
Relativitáselmélet, Albert Einstein művei
Isaac Newton idejében úgy vélték, hogy a referenciapontok valamiféle merev „rudakként” ábrázolhatók, amelyek segítségével megállapítható a test helyzete a térbeli koordináta-rendszerben. Ugyanakkor azt feltételezték, hogy minden megfigyelő, aki ezeket a koordinátákat jelöli, egyetlen időtérben lesz. Azokban az években ezt a rendelkezést annyira kézenfekvőnek tartották, hogy megkérdőjelezésére vagy kiegészítésére nem tettek kísérletet. És ez érthető, mert bolygónkon belül nincs eltérés ebben a szabályban.
Einstein bebizonyította, hogy a mérés pontossága akkor lenne igazán jelentős, ha a hipotetikus óra a fénysebességnél jóval lassabban mozogna. Egyszerűen fogalmazva, ha egy, a fénysebességnél lassabban mozgó megfigyelő két eseményt követ, akkor azok egyszerre történnek vele. Ennek megfelelően a második megfigyelő számára? amelyek sebessége azonos vagy több, az események különböző időpontokban történhetnek.
De hogyan kapcsolódik a gravitációs erő a relativitáselmélethez? Vizsgáljuk meg ezt a kérdést részletesen.
A relativitáselmélet és a gravitációs erők kapcsolata
Az elmúlt években hatalmas számú felfedezés született a szubatomi részecskék területén. Egyre erősebb a meggyőződés, hogy hamarosan megtaláljuk a végső részecskét, amelyen túl nem osztható fel világunk. Annál ragaszkodóbb az az igény, hogy pontosan megtudjuk, hogyan hatnak univerzumunk legkisebb „tégláira” azok az alapvető erők, amelyeket a múlt században vagy még korábban fedeztek fel. Különösen kiábrándító, hogy a gravitáció természetét még nem magyarázták meg.
Éppen ezért Einstein után, aki megállapította Newton klasszikus mechanikájának „tehetetlenségét” a vizsgált területen, a kutatók a korábban szerzett adatok teljes újragondolására összpontosítottak. Sok szempontból maga a gravitáció is felülvizsgálaton ment keresztül. Mi ez a szubatomi részecskék szintjén? Van ennek bármi értelme ebben a csodálatos sokdimenziós világban?
Egyszerű megoldás?
Eleinte sokan azt feltételezték, hogy a Newton-féle gravitáció és a relativitáselmélet közötti eltérés egészen egyszerűen az elektrodinamika területéből származó analógiákkal magyarázható. Feltételezhető, hogy a gravitációs tér mágnesesként terjed, ami után az égitestek kölcsönhatásaiban "közvetítőnek" nyilvánítható, megmagyarázva a régi és az új elmélet közötti számos ellentmondást. A helyzet az, hogy akkor a vizsgált erők relatív terjedési sebessége sokkal kisebb lenne, mint a fénysebesség. Tehát hogyan függ össze a gravitáció és az idő?
Elvileg magának Einsteinnek is majdnem sikerült egy relativisztikus elméletet felépítenie éppen ilyen nézetek alapján, egyetlen körülmény akadályozta meg szándékát. Az akkori tudósok egyike sem rendelkezett olyan információval, amely segíthetné a gravitáció "sebességének" meghatározását. De sok információ volt a nagy tömegek mozgásával kapcsolatban. Mint ismeretes, ezek csak az erőteljes gravitációs mezők általánosan elismert forrásai voltak.
A nagy sebesség erősen befolyásolja a testek tömegét, és ez egyáltalán nem olyan, mint a sebesség és a töltés kölcsönhatása. Minél nagyobb a sebesség, annál nagyobb a test tömege. A probléma az, hogy fénysebességű vagy annál nagyobb mozgás esetén az utolsó érték automatikusan végtelenné válna. Ezért Einstein arra a következtetésre jutott, hogy nem gravitációs, hanem tenzormező létezik, amelynek leírásához sokkal több változót kellene használni.
Követői arra a következtetésre jutottak, hogy a gravitáció és az idő gyakorlatilag nincs összefüggésben. Az a tény, hogy ez a tenzormező maga hathat a térre, de nem képes befolyásolni az időt. A zseniális modern fizikus, Stephen Hawking azonban más álláspontot képvisel. De ez egy teljesen más történet...
