מאז ימי קדם, האנושות חשבה על איך העולם סביבנו פועל. למה דשא צומח, למה השמש זורחת, למה אנחנו לא יכולים לעוף... האחרון, אגב, תמיד עניין במיוחד אנשים. עכשיו אנחנו יודעים שהסיבה לכל דבר היא כוח המשיכה. מה זה, ומדוע תופעה זו כל כך חשובה בימינו נשקול.
מבוא
מדענים גילו שכל הגופים המאסיביים חווים משיכה הדדית זה לזה. לאחר מכן התברר שהכוח המסתורי הזה קובע גם את תנועתם של גרמי השמיים במסלוליהם הקבועים. אותה תיאוריה של כוח הכבידה גובשה על ידי גאון שהשערותיו קבעו מראש את התפתחות הפיזיקה במשך מאות שנים רבות קדימה. פיתח והמשיך (אם כי בכיוון אחר לגמרי) לימוד זה היה אלברט איינשטיין - אחד מגדולי המוחות של המאה הקודמת.
במשך מאות שנים, מדענים צפו בכוח הכבידה, מנסים להבין ולמדוד אותו. לבסוף, בעשורים האחרונים, אפילו תופעה כמו כוח המשיכה הועמדה לשירות האנושות (במובן מסוים, כמובן). מה זה, מה ההגדרה של המונח המדובר במדע המודרני?
הגדרה מדעית
אם אתה לומד את יצירותיהם של הוגים קדומים, אתה יכול לגלות שהמילה הלטינית "gravitas" פירושה "כבידה", "משיכה". כיום, מדענים קוראים כך לאינטראקציה אוניברסלית וקבועה בין גופים חומריים. אם הכוח הזה חלש יחסית ופועל רק על עצמים שנעים הרבה יותר לאט, אז התיאוריה של ניוטון ישימה עליהם. אם ההפך הוא המקרה, יש להשתמש במסקנותיו של איינשטיין.
בוא נעשה הסתייגות מיד: נכון לעכשיו, עצם טבע הכבידה עצמו לא נחקר באופן עקרוני במלואו. מה זה, אנחנו עדיין לא לגמרי מבינים.
תיאוריות של ניוטון ואיינשטיין
לפי תורתו הקלאסית של אייזק ניוטון, כל הגופים נמשכים זה לזה בכוח שהוא ביחס ישר למסה שלהם, ביחס הפוך לריבוע המרחק שנמצא ביניהם. איינשטיין, לעומת זאת, טען שכוח המשיכה בין עצמים מתבטא במקרה של עקמומיות של מרחב וזמן (ועקמומיות המרחב אפשרית רק אם יש בו חומר).
הרעיון הזה היה עמוק מאוד, אבל מחקר מודרני מוכיח שהוא קצת לא מדויק. כיום מאמינים שכוח המשיכה בחלל רק מכופף את החלל: ניתן להאט ואף לעצור את הזמן, אך המציאות של שינוי צורתו של החומר הזמני לא אושרה תיאורטית. לכן, משוואת איינשטיין הקלאסית אפילו לא מספקת סיכוי שהחלל ימשיך להשפיע על החומר ועל השדה המגנטי המתהווה.
במידה רבה יותר, ידוע חוק הכבידה (כבידה אוניברסלית), שהביטוי המתמטי שלו שייך בדיוק לניוטון:
\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
תחת γ מובן קבוע הכבידה (לפעמים נעשה שימוש בסמל G), שערכו הוא 6.67545 × 10−11 m³ / (ק"ג s²).
אינטראקציה בין חלקיקים יסודיים
המורכבות המדהימה של החלל סביבנו נובעת במידה רבה מהמספר האינסופי של חלקיקים יסודיים. יש ביניהם גם אינטראקציות שונות ברמות שאנחנו יכולים רק לנחש. עם זאת, כל סוגי האינטראקציה של חלקיקים יסודיים בינם לבין עצמם שונים באופן משמעותי בחוזקם. 
הכוחות החזק ביותר מבין כל הכוחות המוכרים לנו קושרים יחד את מרכיבי גרעין האטום. כדי להפריד ביניהם, אתה צריך להוציא כמות עצומה של אנרגיה. לגבי האלקטרונים, הם "מחוברים" לגרעין רק על ידי אינטראקציה אלקטרומגנטית רגילה. כדי לעצור את זה, לפעמים מספיקה האנרגיה המופיעה כתוצאה מהתגובה הכימית הרגילה ביותר. כוח הכבידה (מה זה, אתה כבר יודע) בגרסה של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים הוא הסוג הקל ביותר של אינטראקציה.
שדה הכבידה במקרה זה כל כך חלש שקשה לדמיין. באופן מוזר, אבל הם אלה ש"עוקבים" אחר תנועתם של גרמי השמיים, שלעתים בלתי אפשרי לדמיין את המסה שלהם. כל זה אפשרי בשל שתי תכונות של כוח הכבידה, אשר בולטות במיוחד במקרה של גופים פיזיים גדולים:
- בניגוד לכוחות אטומיים, משיכה כבידה בולטת יותר ככל שמתרחקים מהעצם. אז כוח המשיכה של כדור הארץ שומר אפילו על הירח בשדה שלו, והכוח הדומה של צדק תומך בקלות במסלולים של כמה לוויינים בו זמנית, המסה של כל אחד מהם די דומה לזו של כדור הארץ!
- בנוסף, הוא תמיד מספק משיכה בין עצמים, ועם המרחק הכוח הזה נחלש במהירות נמוכה.
היווצרותה של תיאוריה קוהרנטית פחות או יותר של כבידה התרחשה לאחרונה יחסית, ודווקא על בסיס תוצאות של תצפיות בנות מאות שנים על תנועת כוכבי לכת וגרמי שמים אחרים. המשימה הוקלה מאוד על ידי העובדה שכולם נעים בחלל ריק, שבו פשוט אין אינטראקציות אפשריות אחרות. גלילאו וקפלר, שני אסטרונומים מצטיינים באותה תקופה, עזרו לסלול את הדרך לתגליות חדשות עם התצפיות החשובות ביותר שלהם.
אבל רק אייזק ניוטון הגדול הצליח ליצור את תורת הכבידה הראשונה ולבטא אותה בייצוג מתמטי. זה היה חוק הכבידה הראשון, שהייצוג המתמטי שלו מוצג לעיל.
מסקנות של ניוטון וכמה מקודמיו
בניגוד לתופעות פיזיקליות אחרות הקיימות בעולם הסובב אותנו, כוח הכבידה מתבטא תמיד ובכל מקום. אתה צריך להבין שהמונח "אפס כבידה", שנמצא לעתים קרובות בחוגים פסאודו-מדעיים, הוא שגוי ביותר: אפילו חוסר משקל בחלל לא אומר שאדם או חללית לא מושפעים ממשיכה של עצם מסיבי כלשהו.
בנוסף, לכל גופי החומר יש מסה מסוימת, המתבטאת בצורת כוח שהופעל עליהם, ותאוצה המתקבלת עקב פגיעה זו.
לפיכך, כוחות הכבידה הם פרופורציונליים למסת העצמים. מבחינה מספרית, ניתן לבטא אותם על ידי השגת התוצר של ההמונים של שני הגופים הנחשבים. כוח זה מציית בהחלט לתלות ההפוכה בריבוע של המרחק בין עצמים. כל שאר האינטראקציות תלויות באופן שונה לגמרי במרחקים בין שני גופים.
המסה כאבן היסוד של התיאוריה
מסת העצמים הפכה לנקודת מחלוקת מסוימת שסביבה בנויה כל תורת הכבידה והיחסות המודרנית של איינשטיין. אם אתה זוכר את השני, אז אתה בוודאי יודע שמסה היא מאפיין חובה של כל גוף חומרי פיזי. הוא מראה כיצד יתנהג חפץ אם יופעל עליו כוח, ללא קשר למקורו.
מכיוון שכל הגופים (לפי ניוטון) מאיצים כאשר כוח חיצוני פועל עליהם, המסה היא שקובעת כמה גדולה תהיה התאוצה הזו. בואו נסתכל על דוגמה ברורה יותר. דמיינו לעצמכם קטנוע ואוטובוס: אם תפעילו עליהם בדיוק אותו כוח, הם יגיעו למהירויות שונות בזמנים שונים. כל זה מוסבר על ידי תורת הכבידה.
מה הקשר בין מסה למשיכה?
אם מדברים על כוח הכבידה, אז המסה בתופעה זו משחקת תפקיד הפוך לחלוטין לזה שהיא ממלאת ביחס לכוח ולתאוצה של עצם. היא היא המקור העיקרי למשיכה עצמה. אם אתה לוקח שני גופים ותראה באיזה כוח הם מושכים חפץ שלישי, שנמצא במרחקים שווים מהשניים הראשונים, אז היחס בין כל הכוחות יהיה שווה ליחס המסות של שני העצמים הראשונים. לפיכך, כוח המשיכה עומד ביחס ישר למסת הגוף. 
אם ניקח בחשבון את החוק השלישי של ניוטון, נוכל לראות שהוא אומר בדיוק את אותו הדבר. כוח הכבידה, הפועל על שני גופים הממוקמים במרחק שווה ממקור המשיכה, תלוי ישירות במסה של עצמים אלה. בחיי היומיום, אנו מדברים על הכוח שבו הגוף נמשך אל פני כדור הארץ כמשקלו.
בואו נסכם כמה תוצאות. אז, מסה קשורה קשר הדוק לכוח ותאוצה. יחד עם זאת, היא זו שקובעת את הכוח שבו יפעל כוח הכבידה על הגוף.
תכונות של האצה של גופים בשדה כבידה
הדואליות המדהימה הזו היא הסיבה שבאותו שדה כבידה, התאוצה של עצמים שונים לחלוטין תהיה שווה. נניח שיש לנו שני גופים. בואו נקצה לאחד מהם מסה z, ולשני Z. שני העצמים מופלים לקרקע, שם הם נופלים בחופשיות.
כיצד נקבע היחס בין כוחות המשיכה? זה מוצג על ידי הנוסחה המתמטית הפשוטה ביותר - z / Z. זו רק התאוצה שהם מקבלים כתוצאה מכוח הכבידה, תהיה זהה לחלוטין. במילים פשוטות, התאוצה שיש לגוף בשדה כבידה אינה תלויה בשום צורה בתכונותיו.
במה תלויה התאוצה במקרה המתואר?
זה תלוי רק (!) במסת העצמים שיוצרים את השדה הזה, כמו גם במיקומם המרחבי. התפקיד הכפול של המסה והתאוצה השווה של גופים שונים בשדה כבידה התגלו במשך זמן רב יחסית. תופעות אלו קיבלו את השם הבא: "עקרון השוויון". המונח הזה מדגיש שוב שתאוצה ואינרציה הם לרוב שוות ערך (במידה מסוימת, כמובן).
על חשיבותו של ג
מהקורס בפיזיקה של בית הספר, אנו זוכרים שתאוצת הנפילה החופשית על פני כוכב הלכת שלנו (כוח הכבידה של כדור הארץ) היא 10 מ'/מ"ר (כמובן 9.8, אבל ערך זה משמש להקלת החישוב). לפיכך, אם לא נלקחת בחשבון התנגדות אוויר (בגובה משמעותי עם מרחק נפילה קטן), אז ההשפעה תתקבל כאשר הגוף יקבל תוספת תאוצה של 10 מ'/ש'. כל שנייה. כך, ספר שנפל מהקומה השנייה של בית ינוע במהירות של 30-40 מ' לשנייה עד סוף טיסתו. במילים פשוטות, 10 מ' לשנייה היא "מהירות" הכבידה בתוך כדור הארץ. 
תאוצה עקב כוח המשיכה בספרות הפיזיקלית מסומנת באות "ג". מכיוון שצורת כדור הארץ דומה במידה מסוימת יותר לקלמנטינה מאשר לכדור, ערכה של כמות זו רחוק מלהיות זהה בכל אזוריה. אז, בקטבים, התאוצה גבוהה יותר, ובראשי הרים גבוהים היא פוחתת.
אפילו בתעשיית הכרייה, כוח המשיכה משחק תפקיד חשוב. תופעות יכולות לפעמים לחסוך זמן רב. לפיכך, גיאולוגים מעוניינים במיוחד בקביעה מדויקת באופן אידיאלי של g, שכן הדבר מאפשר חקר ומציאת מרבצי מינרלים בדיוק יוצא דופן. אגב, איך נראית נוסחת הכבידה, שבה הערך שחשבנו משחק בה תפקיד חשוב? הנה היא:
הערה! במקרה זה, נוסחת הכבידה פירושה ב-G "קבוע הכבידה", שאת ערכו כבר הבאנו לעיל.
בעת ובעונה אחת, ניוטון ניסח את העקרונות לעיל. הוא הבין היטב את האחדות והאוניברסליות כאחד, אבל הוא לא יכול היה לתאר את כל ההיבטים של תופעה זו. כבוד זה נפל על אלברט איינשטיין, שגם היה מסוגל להסביר את עקרון השוויון. האנושות חייבת לו הבנה מודרנית של עצם טבעו של רצף המרחב-זמן.
תורת היחסות, עבודות של אלברט איינשטיין
בתקופתו של אייזק ניוטון האמינו שניתן לייצג את נקודות ההתייחסות כאיזשהו "מוטות" נוקשים, בעזרתם נקבע מיקומו של הגוף במערכת הקואורדינטות המרחבית. יחד עם זאת, ההנחה הייתה שכל המשקיפים המסמנים את הקואורדינטות הללו יהיו במרחב זמן אחד. באותן שנים, הוראה זו נחשבה כה ברורה, עד שלא נעשו ניסיונות לערער עליה או להשלים אותה. וזה מובן, כי בתוך הפלנטה שלנו אין סטיות בכלל זה.
איינשטיין הוכיח שהדיוק של המדידה יהיה משמעותי באמת אם השעון ההיפותטי נע הרבה יותר לאט ממהירות האור. במילים פשוטות, אם צופה אחד, שנע לאט יותר ממהירות האור, עוקב אחר שני אירועים, אז הם יקרו לו באותו הזמן. בהתאם, למתבונן השני? שמהירותם זהה או יותר, אירועים יכולים להתרחש בזמנים שונים.
אבל איך כוח הכבידה קשור לתורת היחסות? בואו נחקור את הנושא הזה בפירוט.
הקשר בין תורת היחסות וכוחות הכבידה
בשנים האחרונות התגלו מספר עצום של תגליות בתחום החלקיקים התת-אטומיים. מתחזקת האמונה שאנו עומדים למצוא את החלקיק הסופי, שמעבר לו לא ניתן לחלק את עולמנו. העיקש יותר הוא הצורך לגלות בדיוק כיצד ה"לבנים" הקטנות ביותר של היקום שלנו מושפעות מאותם כוחות יסוד שהתגלו במאה הקודמת, או אפילו קודם לכן. מאכזב במיוחד שעצם טבעו של כוח הכבידה טרם הוסבר.
זו הסיבה שאחרי איינשטיין, שביסס את "חוסר היכולת" של המכניקה הקלאסית של ניוטון באזור הנבחן, התמקדו החוקרים בחשיבה מחודשת מלאה של הנתונים שהושגו קודם לכן. במובנים רבים, כוח המשיכה עצמו עבר שינוי. מה זה ברמת החלקיקים התת-אטומיים? האם יש לזה משמעות בעולם הרב-ממדי המדהים הזה?
פתרון פשוט?
בתחילה, רבים הניחו שניתן להסביר את הפער בין כוח המשיכה של ניוטון לתורת היחסות בפשטות על ידי הוצאת אנלוגיות מתחום האלקטרודינמיקה. ניתן היה להניח ששדה הכבידה מתפשט כמו מגנטי, ולאחר מכן ניתן להכריז עליו כ"מתווך" באינטראקציות של גרמי השמיים, מה שמסביר חוסר עקביות רבות בין התיאוריה הישנה לחדשה. העובדה היא שאז מהירויות ההתפשטות היחסיות של הכוחות הנחשבים יהיו נמוכות בהרבה ממהירות האור. אז איך כבידה וזמן קשורים?
באופן עקרוני, איינשטיין עצמו כמעט הצליח לבנות תיאוריה רלטיביסטית המבוססת בדיוק על דעות כאלה, רק נסיבה אחת מנעה את כוונתו. לאף אחד מהמדענים של אותה תקופה לא היה מידע כלל שיכול לעזור לקבוע את "מהירות" הכבידה. אבל היה מידע רב הקשור לתנועות של המונים גדולים. כידוע, הם היו רק המקור המוכר בדרך כלל לשדות כבידה רבי עוצמה.
מהירויות גבוהות משפיעות מאוד על המוני הגופים, וזה בכלל לא דומה לאינטראקציה של מהירות ומטען. ככל שהמהירות גבוהה יותר, כך מסת הגוף גדולה יותר. הבעיה היא שהערך האחרון יהפוך אוטומטית לאינסוף במקרה של תנועה במהירות האור ומעלה. לכן, איינשטיין הגיע למסקנה שאין שדה כבידה, אלא שדה טנזור, שלצורך תיאורו יש להשתמש במשתנים רבים נוספים.
חסידיו הגיעו למסקנה שכוח המשיכה והזמן כמעט ואינם קשורים. העובדה היא ששדה הטנסור הזה עצמו יכול לפעול על החלל, אבל הוא לא מסוגל להשפיע על הזמן. עם זאת, לפיזיקאי המודרני המבריק סטיבן הוקינג יש נקודת מבט שונה. אבל זה סיפור אחר לגמרי...
