Sejak zaman kuno, umat manusia telah memikirkan bagaimana dunia di sekitar kita bekerja. Mengapa rumput tumbuh, mengapa Matahari bersinar, mengapa kita tidak bisa terbang ... Omong-omong, yang terakhir selalu menarik perhatian orang. Sekarang kita tahu bahwa alasan untuk semuanya adalah gravitasi. Apa itu, dan mengapa fenomena ini begitu penting di hari ini kita akan mempertimbangkan.
pengantar
Para ilmuwan telah menemukan bahwa semua benda besar mengalami ketertarikan timbal balik satu sama lain. Selanjutnya, ternyata gaya misterius ini juga menentukan pergerakan benda langit dalam orbitnya yang konstan. Teori gravitasi yang sama dirumuskan oleh seorang jenius yang hipotesisnya telah menentukan perkembangan fisika selama berabad-abad yang akan datang. Dikembangkan dan dilanjutkan (meskipun dalam arah yang sama sekali berbeda) ajaran ini adalah Albert Einstein - salah satu pemikir terbesar abad yang lalu.
Selama berabad-abad, para ilmuwan telah mengamati gravitasi, mencoba memahami dan mengukurnya. Akhirnya, dalam beberapa dekade terakhir, bahkan fenomena seperti gravitasi telah digunakan untuk kepentingan umat manusia (dalam arti tertentu, tentu saja). Apa itu, apa definisi istilah yang dimaksud dalam sains modern?
definisi ilmiah
Jika Anda mempelajari karya-karya para pemikir kuno, Anda dapat mengetahui bahwa kata Latin "gravitas" berarti "gravitasi", "daya tarik". Saat ini, para ilmuwan menyebut interaksi universal dan konstan antara benda-benda material. Jika gaya ini relatif lemah dan hanya bekerja pada benda yang bergerak jauh lebih lambat, maka teori Newton dapat diterapkan pada benda tersebut. Jika sebaliknya, kesimpulan Einstein harus digunakan.
Mari kita membuat reservasi segera: saat ini, sifat gravitasi itu sendiri pada prinsipnya belum sepenuhnya dipelajari. Apa itu, kita masih belum sepenuhnya mengerti.
Teori Newton dan Einstein
Menurut ajaran klasik Isaac Newton, semua benda tertarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan massanya, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang terletak di antara mereka. Einstein, di sisi lain, berpendapat bahwa gravitasi antara objek memanifestasikan dirinya dalam kasus kelengkungan ruang dan waktu (dan kelengkungan ruang hanya mungkin jika ada materi di dalamnya).
Gagasan ini sangat dalam, tetapi penelitian modern membuktikannya agak tidak akurat. Saat ini diyakini bahwa gravitasi di ruang angkasa hanya membengkokkan ruang: waktu dapat diperlambat dan bahkan dihentikan, tetapi realitas perubahan bentuk materi sementara belum dikonfirmasi secara teoritis. Oleh karena itu, persamaan klasik Einstein bahkan tidak memberikan peluang bahwa ruang akan terus mempengaruhi materi dan medan magnet yang muncul.
Untuk tingkat yang lebih besar, hukum gravitasi (gravitasi universal) diketahui, ekspresi matematis yang tepat dimiliki oleh Newton:
\[ F = \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
Di bawah dipahami konstanta gravitasi (kadang-kadang simbol G digunakan), yang nilainya adalah 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interaksi antar partikel elementer
Kompleksitas luar biasa dari ruang di sekitar kita sebagian besar disebabkan oleh jumlah partikel elementer yang tak terbatas. Ada juga berbagai interaksi di antara mereka di level yang hanya bisa kita tebak. Namun, semua jenis interaksi partikel elementer di antara mereka sendiri berbeda secara signifikan dalam kekuatannya. 
Yang paling kuat dari semua gaya yang kita ketahui mengikat bersama-sama komponen inti atom. Untuk memisahkannya, Anda perlu menghabiskan energi yang sangat besar. Adapun elektron, mereka "melekat" pada inti hanya dengan interaksi elektromagnetik biasa. Untuk menghentikannya, terkadang energi yang muncul sebagai hasil reaksi kimia paling biasa sudah cukup. Gravitasi (apa itu, Anda sudah tahu) dalam varian atom dan partikel subatomik adalah jenis interaksi yang paling mudah.
Medan gravitasi dalam hal ini sangat lemah sehingga sulit untuk dibayangkan. Anehnya, tetapi merekalah yang “mengikuti” pergerakan benda-benda angkasa, yang massanya terkadang mustahil untuk dibayangkan. Semua ini dimungkinkan karena dua fitur gravitasi, yang terutama diucapkan dalam kasus tubuh fisik besar:
- Tidak seperti gaya atom, tarikan gravitasi lebih terlihat semakin jauh dari objek. Jadi, gravitasi Bumi membuat Bulan tetap berada di medannya, dan gaya Jupiter yang serupa dengan mudah mendukung orbit beberapa satelit sekaligus, massa masing-masing cukup sebanding dengan Bumi!
- Selain itu, gaya ini selalu memberikan daya tarik antar objek, dan dengan jarak, gaya ini melemah pada kecepatan rendah.
Pembentukan teori gravitasi yang kurang lebih koheren terjadi relatif baru-baru ini, dan tepatnya berdasarkan hasil pengamatan gerakan planet dan benda langit lainnya selama berabad-abad. Tugas itu sangat difasilitasi oleh fakta bahwa mereka semua bergerak dalam ruang hampa, di mana tidak ada interaksi lain yang mungkin terjadi. Galileo dan Kepler, dua astronom terkemuka saat itu, membantu membuka jalan bagi penemuan-penemuan baru dengan pengamatan mereka yang paling berharga.
Tetapi hanya Isaac Newton yang hebat yang mampu menciptakan teori gravitasi pertama dan mengungkapkannya dalam representasi matematis. Ini adalah hukum gravitasi pertama, representasi matematisnya disajikan di atas.
Kesimpulan Newton dan beberapa pendahulunya
Tidak seperti fenomena fisik lain yang ada di dunia sekitar kita, gravitasi memanifestasikan dirinya selalu dan di mana-mana. Anda perlu memahami bahwa istilah "gravitasi nol", yang sering ditemukan dalam lingkaran pseudo-ilmiah, sangat salah: bahkan tanpa bobot di ruang angkasa tidak berarti bahwa seseorang atau pesawat ruang angkasa tidak terpengaruh oleh daya tarik beberapa objek besar.
Selain itu, semua benda material memiliki massa tertentu, yang dinyatakan dalam bentuk gaya yang diterapkan padanya, dan percepatan yang diperoleh karena tumbukan ini.
Dengan demikian, gaya gravitasi sebanding dengan massa benda. Secara numerik, mereka dapat diekspresikan dengan mendapatkan produk dari massa kedua benda yang dipertimbangkan. Gaya ini secara ketat mematuhi ketergantungan terbalik pada kuadrat jarak antara objek. Semua interaksi lain sangat bergantung pada jarak antara dua benda.
Massa sebagai landasan teori
Massa benda telah menjadi titik pertikaian tertentu di mana seluruh teori gravitasi dan relativitas modern Einstein dibangun. Jika Anda ingat Yang Kedua, maka Anda mungkin tahu bahwa massa adalah karakteristik wajib dari setiap tubuh material fisik. Ini menunjukkan bagaimana suatu objek akan berperilaku jika gaya diterapkan padanya, terlepas dari asalnya.
Karena semua benda (menurut Newton) berakselerasi ketika gaya eksternal bekerja pada mereka, massalah yang menentukan seberapa besar percepatan ini. Mari kita lihat contoh yang lebih jelas. Bayangkan sebuah skuter dan bus: jika Anda menerapkan gaya yang sama persis pada mereka, mereka akan mencapai kecepatan yang berbeda dalam waktu yang berbeda. Semua ini dijelaskan oleh teori gravitasi.
Apa hubungan antara massa dan gaya tarik?
Jika kita berbicara tentang gravitasi, maka massa dalam fenomena ini memainkan peran yang sepenuhnya berlawanan dengan apa yang dimainkannya dalam kaitannya dengan gaya dan percepatan suatu benda. Dialah yang merupakan sumber utama daya tarik itu sendiri. Jika Anda mengambil dua benda dan melihat dengan gaya apa mereka menarik benda ketiga, yang terletak pada jarak yang sama dari dua benda pertama, maka rasio semua gaya akan sama dengan rasio massa dua benda pertama. Dengan demikian, gaya tarik-menarik berbanding lurus dengan massa benda. 
Jika kita mempertimbangkan Hukum Ketiga Newton, kita dapat melihat bahwa dia mengatakan hal yang persis sama. Gaya gravitasi, yang bekerja pada dua benda yang terletak pada jarak yang sama dari sumber daya tarik, secara langsung tergantung pada massa benda-benda ini. Dalam kehidupan sehari-hari, kita berbicara tentang gaya yang dengannya suatu benda ditarik ke permukaan planet sebagai beratnya.
Mari kita simpulkan beberapa hasil. Jadi, massa berkaitan erat dengan gaya dan percepatan. Pada saat yang sama, dialah yang menentukan gaya yang dengannya gravitasi akan bekerja pada tubuh.
Fitur percepatan benda dalam medan gravitasi
Dualitas yang menakjubkan ini adalah alasan mengapa, di medan gravitasi yang sama, percepatan benda-benda yang sama sekali berbeda akan sama. Misalkan kita memiliki dua tubuh. Mari kita tentukan massa z untuk salah satunya, dan Z untuk yang lain.Kedua benda dijatuhkan ke tanah, di mana mereka jatuh bebas.
Bagaimana rasio gaya tarik-menarik ditentukan? Ini ditunjukkan oleh rumus matematika paling sederhana - z / Z. Hanya saja percepatan yang mereka terima akibat gaya gravitasi, akan sama persis. Sederhananya, percepatan yang dimiliki benda dalam medan gravitasi sama sekali tidak bergantung pada sifat-sifatnya.
Apa yang bergantung pada percepatan dalam kasus yang dijelaskan?
Itu hanya bergantung (!) pada massa objek yang menciptakan bidang ini, serta pada posisi spasialnya. Peran ganda massa dan percepatan yang sama dari berbagai benda dalam medan gravitasi telah ditemukan untuk waktu yang relatif lama. Fenomena ini telah menerima nama berikut: "Prinsip kesetaraan". Istilah ini sekali lagi menekankan bahwa akselerasi dan inersia seringkali setara (sampai batas tertentu, tentu saja).
Tentang pentingnya G
Dari pelajaran fisika sekolah, kita ingat bahwa percepatan jatuh bebas di permukaan planet kita (gravitasi bumi) adalah 10 m / s² (tentu saja 9,8, tetapi nilai ini digunakan untuk memudahkan perhitungan). Jadi, jika hambatan udara tidak diperhitungkan (pada ketinggian yang signifikan dengan jarak jatuh yang kecil), maka efeknya akan diperoleh ketika tubuh memperoleh peningkatan akselerasi 10 m / s. setiap detik. Jadi, sebuah buku yang jatuh dari lantai dua sebuah rumah akan bergerak dengan kecepatan 30-40 m/s pada akhir penerbangannya. Sederhananya, 10 m/s adalah "kecepatan" gravitasi di dalam Bumi. 
Percepatan karena gravitasi dalam literatur fisik dilambangkan dengan huruf "g". Karena bentuk Bumi sampai batas tertentu lebih mirip jeruk keprok daripada bola, nilai kuantitas ini jauh dari sama di semua wilayahnya. Jadi, di kutub, percepatannya lebih tinggi, dan di puncak gunung yang tinggi menjadi lebih kecil.
Bahkan dalam industri pertambangan, gravitasi memainkan peran penting. fenomena terkadang dapat menghemat banyak waktu. Dengan demikian, ahli geologi sangat tertarik pada penentuan ideal g yang akurat, karena ini memungkinkan eksplorasi dan penemuan deposit mineral dengan akurasi yang luar biasa. Omong-omong, seperti apa rumus gravitasi, di mana nilai yang telah kita pertimbangkan memainkan peran penting? Itu dia:
Catatan! Dalam hal ini, rumus gravitasi berarti dengan G "konstanta gravitasi", yang nilainya telah kita berikan di atas.
Pada suatu waktu, Newton merumuskan prinsip-prinsip di atas. Dia dengan sempurna memahami kesatuan dan universalitas, tetapi dia tidak dapat menggambarkan semua aspek dari fenomena ini. Kehormatan ini jatuh kepada Albert Einstein, yang juga mampu menjelaskan prinsip kesetaraan. Kepadanyalah umat manusia berutang pemahaman modern tentang sifat dasar kontinum ruang-waktu.
Teori relativitas, karya Albert Einstein
Pada zaman Isaac Newton, diyakini bahwa titik referensi dapat direpresentasikan sebagai semacam "batang" yang kaku, yang dengannya posisi tubuh dalam sistem koordinat spasial ditetapkan. Pada saat yang sama, diasumsikan bahwa semua pengamat yang menandai koordinat ini akan berada dalam satu ruang waktu. Pada tahun-tahun itu, ketentuan ini dianggap begitu jelas sehingga tidak ada upaya yang dilakukan untuk menentang atau melengkapinya. Dan ini bisa dimengerti, karena di dalam planet kita tidak ada penyimpangan dalam aturan ini.
Einstein membuktikan bahwa akurasi pengukuran akan sangat signifikan jika jam hipotetis bergerak jauh lebih lambat daripada kecepatan cahaya. Sederhananya, jika seorang pengamat, yang bergerak lebih lambat dari kecepatan cahaya, mengikuti dua peristiwa, maka peristiwa itu akan terjadi padanya pada saat yang bersamaan. Dengan demikian, untuk pengamat kedua? yang kecepatannya sama atau lebih, peristiwa dapat terjadi pada waktu yang berbeda.
Tapi bagaimana gaya gravitasi terkait dengan teori relativitas? Mari kita telusuri masalah ini secara detail.
Hubungan antara relativitas dan gaya gravitasi
Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah besar penemuan di bidang partikel subatom telah dibuat. Keyakinan semakin kuat bahwa kita akan menemukan partikel terakhir, di mana dunia kita tidak dapat dibagi lagi. Yang lebih mendesak adalah kebutuhan untuk mengetahui dengan tepat bagaimana "batu bata" terkecil dari alam semesta kita dipengaruhi oleh kekuatan-kekuatan fundamental yang ditemukan pada abad terakhir, atau bahkan lebih awal. Sangat mengecewakan bahwa sifat gravitasi belum dijelaskan.
Itulah sebabnya, setelah Einstein, yang menetapkan "ketidakmampuan" mekanika klasik Newton di bidang yang sedang dipertimbangkan, para peneliti memusatkan perhatian pada pemikiran ulang yang lengkap dari data yang diperoleh sebelumnya. Dalam banyak hal, gravitasi itu sendiri telah mengalami revisi. Apa itu di tingkat partikel subatom? Apakah itu memiliki arti di dunia multidimensi yang menakjubkan ini?
Solusi sederhana?
Pada awalnya, banyak yang berasumsi bahwa perbedaan antara gravitasi Newton dan teori relativitas dapat dijelaskan dengan cukup sederhana dengan menggambar analogi dari bidang elektrodinamika. Dapat diasumsikan bahwa medan gravitasi menyebar seperti medan magnet, setelah itu dapat dinyatakan sebagai "perantara" dalam interaksi benda-benda langit, menjelaskan banyak ketidakkonsistenan antara teori lama dan teori baru. Faktanya adalah bahwa kecepatan rambat relatif dari gaya-gaya yang dipertimbangkan akan jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya. Jadi bagaimana gravitasi dan waktu berhubungan?
Pada prinsipnya, Einstein sendiri hampir berhasil membangun teori relativistik berdasarkan pandangan seperti itu, hanya satu keadaan yang menghalangi niatnya. Tak satu pun dari ilmuwan pada waktu itu memiliki informasi sama sekali yang dapat membantu menentukan "kecepatan" gravitasi. Tapi ada banyak informasi terkait pergerakan massa besar. Seperti diketahui, mereka hanyalah sumber medan gravitasi kuat yang diakui secara umum.
Kecepatan tinggi sangat mempengaruhi massa benda, dan ini sama sekali tidak seperti interaksi kecepatan dan muatan. Semakin tinggi kecepatan, semakin besar massa tubuh. Masalahnya adalah bahwa nilai terakhir akan secara otomatis menjadi tak terbatas jika bergerak dengan kecepatan cahaya atau lebih tinggi. Oleh karena itu, Einstein menyimpulkan bahwa tidak ada medan gravitasi, melainkan medan tensor, untuk deskripsi yang lebih banyak variabel yang harus digunakan.
Para pengikutnya sampai pada kesimpulan bahwa gravitasi dan waktu praktis tidak berhubungan. Faktanya adalah bahwa medan tensor ini sendiri dapat bekerja pada ruang, tetapi tidak dapat mempengaruhi waktu. Namun, fisikawan modern yang brilian Stephen Hawking memiliki sudut pandang yang berbeda. Tapi itu cerita yang sama sekali berbeda...
