חוק הכבידה. מדענים על כוח הכבידה

ניוטון היה הראשון שקבע שנפילת אבן על כדור הארץ, תנועת כוכבי הלכת סביב השמש, תנועת הירח סביב כדור הארץ נגרמת מכוח או אינטראקציה כבידה.

אינטראקציה בין גופים ממרחק מתבצעת באמצעות שדה הכבידה שנוצר על ידם. הודות למספר עובדות ניסיוניות, הצליח ניוטון לבסס את התלות של כוח המשיכה בין שני גופים במרחק ביניהם. חוק ניוטון, הנקרא חוק המשיכה האוניברסלית, קובע שכל שני גופים נמשכים זה לזה בכוח פרופורציונלי למכפלת המסות שלהם ובפרופורציה הפוך לריבוע המרחק ביניהם. החוק נקרא אוניברסלי או אוניברסלי, מכיוון שהוא מתאר את האינטראקציה הכבידתית בין זוג של גופים כלשהם ביקום שיש להם מסה. הכוחות הללו חלשים מאוד, אך אין להם מחסומים.

החוק במונחים מילוליים הוא:

כוח משיכה

הגלובוס מדווח על אותה תאוצה g = 9.8m/s2 לכל הגופים הנופלים לכדור הארץ, מה שנקרא תאוצת הנפילה החופשית. וזה אומר שכדור הארץ פועל, מושך, את כל הגופים עם כוח שנקרא כוח משיכה. זהו סוג מיוחד של כוחות כבידה אוניברסליים. כוח הכבידה הוא , תלוי במסת הגוף m, נמדד בקילוגרמים (ק"ג). הערך g = 9.8m/s2 נלקח כקירוב; בקווי רוחב שונים ובקוי אורך שונים, ערכו משתנה מעט בשל העובדה ש:

• רדיוס כדור הארץ משתנה מהקוטב לקו המשווה (מה שמוביל לירידה בערך g בקו המשווה ב-0.18%);
• האפקט הצנטריפוגלי שנגרם מסיבוב תלוי בקו הרוחב הגיאוגרפי (מפחית את הערך ב-0.34%).

חוסר משקל

נניח שגוף נופל תחת השפעת כוח הכבידה. כוחות אחרים לא פועלים עליו. תנועה זו נקראת נפילה חופשית. בפרק הזמן שבו רק Fstrand פועל על הגוף, הגוף יהיה בחוסר משקל. בנפילה חופשית, משקלו של אדם נעלם.

משקל הוא הכוח שבו גוף מותח מתלה או פועל על משענת אופקית.

את מצב חוסר המשקל חווה צנחן בזמן קפיצה, אדם בזמן קפיצת סקי, נוסע במטוס נופל לתוך חור אוויר. אנחנו מרגישים חוסר משקל רק לזמן קצר מאוד, רק כמה שניות. אבל אסטרונאוטים בחללית שטסה במסלול כשהמנועים כבויים חווים חוסר משקל במשך זמן רב. החללית נמצאת במצב של נפילה חופשית, והגופות מפסיקות לפעול על התמיכה או המתלה - הן בחוסר משקל.

לווייני אדמה מלאכותיים

אפשר להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ אם לגוף יש מהירות מסוימת. באמצעות חוק הכבידה, ניתן לקבוע את המהירות שבה גוף בעל מסה m, המסתובב במסלול מעגלי סביב כוכב הלכת, לא ייפול עליו ויהיה הלוויין שלו. שקול את התנועה של גוף במעגל סביב כדור הארץ. הגוף מושפע מכוח הכבידה מכדור הארץ. מהחוק השני של ניוטון יש לנו:

מכיוון שהגוף נע במעגל בתאוצה צנטריפטית:

כאשר r הוא רדיוס המסלול המעגלי, R = 6400 ק"מ הוא רדיוס כדור הארץ, ו-h הוא הגובה מעל פני כדור הארץ שבו נע הלוויין. הכוח F הפועל על גוף בעל מסה m שווה ל , כאשר Mz = 5.98 * 1024 ק"ג היא מסת כדור הארץ.
יש לנו: . מבטא את המהירות היא תיקרא הקוסמי הראשון הוא המהירות הנמוכה ביותר, שבתקשורתה לגוף הוא הופך ללוויין מלאכותי של כדור הארץ (AES).

זה נקרא גם מעגלי. ניקח את הגובה שווה ל-0 ונמצא את המהירות הזו, היא שווה בערך ל:
זה שווה למהירות של לוויין שמסתובב סביב כדור הארץ במסלול מעגלי בהיעדר התנגדות אטמוספרית.
ניתן לראות מהנוסחה שמהירותו של לוויין אינה תלויה במסה שלו, מה שאומר שכל גוף יכול להפוך ללוויין מלאכותי.
אם תיתן לגוף מהירות גדולה יותר, הוא יתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ.

המהירות הקוסמית השנייה נקראת המהירות הנמוכה ביותר, המאפשרת לגוף להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ללא השפעת כוחות נוספים ולהפוך ללוויין של השמש.

מהירות זו נקראה פרבולית, היא מתאימה למסלול הפרבולי של הגוף בשדה הכבידה של כדור הארץ (אם אין התנגדות אטמוספרית). ניתן לחשב זאת מהנוסחה:

כאן r הוא המרחק ממרכז כדור הארץ לאתר השיגור.
על פני כדור הארץ . יש עוד מהירות אחת, שבה הגוף יכול לעזוב את מערכת השמש ולגלוש במרחבי החלל.

המהירות הקוסמית השלישית, המהירות הנמוכה ביותר שמאפשרת לחללית להתגבר על כוח המשיכה של השמש ולעזוב את מערכת השמש.

המהירות הזו

לפי איזה חוק אתה מתכוון לתלות אותי?
– ואת כולם אנו תולים לפי חוק אחד – חוק הכבידה האוניברסלית.

חוק הכבידה

תופעת הכבידה היא חוק הכבידה האוניברסלית. שני גופים פועלים זה על זה בכוח שהוא ביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם וביחס ישר למכפלת המסות שלהם.

מבחינה מתמטית, אנו יכולים לבטא את החוק הגדול הזה באמצעות הנוסחה

כוח הכבידה פועל על פני מרחקים עצומים ביקום. אבל ניוטון טען שכל העצמים נמשכים הדדית. האם זה נכון ששני אובייקטים כלשהם מושכים זה את זה? רק תארו לעצמכם, ידוע שכדור הארץ מושך אתכם יושבים על כיסא. אבל האם אי פעם חשבת על העובדה שמחשב ועכבר מושכים זה את זה? או עיפרון ועט על השולחן? במקרה זה, אנו מחליפים את מסת העט, את מסת העיפרון בנוסחה, מחלקים בריבוע המרחק ביניהם, תוך התחשבות בקבוע הכבידה, נקבל את כוח המשיכה ההדדית שלהם. אבל, הוא ייצא כל כך קטן (בשל המסות הקטנות של העט והעיפרון) שלא נרגיש בנוכחותו. דבר נוסף הוא כשמדובר בכדור הארץ ובכיסא, או בשמש ובכדור הארץ. ההמונים משמעותיים, מה שאומר שאנחנו כבר יכולים להעריך את השפעת הכוח.

בואו נחשוב על האצת נפילה חופשית. זוהי פעולת חוק המשיכה. תחת פעולת כוח, הגוף משנה מהירות ככל שהמסה לאט יותר. כתוצאה מכך, כל הגופים נופלים לכדור הארץ באותה תאוצה.

מה הסיבה לכוח הייחודי הבלתי נראה הזה? עד היום, קיומו של שדה כבידה ידוע ומוכח. ניתן ללמוד עוד על אופי שדה הכבידה בחומר הנוסף בנושא.

תחשוב מה זה כוח משיכה. מאיפה זה? מה זה מייצג? הרי לא יכול להיות שכוכב הלכת מסתכל על השמש, רואה עד כמה היא מרוחקת, מחשב את הריבוע ההפוך של המרחק בהתאם לחוק הזה?

כיוון כוח המשיכה

יש שני גופים, נניח גוף A ו-B. גוף A מושך את גוף B. הכוח שבו פועל גוף A מתחיל על גוף B ומכוון לגוף A. כלומר, הוא "לוקח" את גוף B ומושך אותו לכיוונו . גוף B "עושה" את אותו הדבר עם גוף A.

כל גוף נמשך על ידי כדור הארץ. כדור הארץ "לוקח" את הגוף ומושך אותו לכיוון מרכזו. לכן, כוח זה תמיד יהיה מכוון אנכית כלפי מטה, והוא מופעל ממרכז הכובד של הגוף, זה נקרא כוח משיכה.

העיקר לזכור

כמה שיטות של חקר גיאולוגי, חיזוי גאות ושפל, ולאחרונה, חישוב התנועה של לוויינים מלאכותיים ותחנות בין-כוכביות. חישוב מוקדם של מיקומם של כוכבי הלכת.

האם אנחנו יכולים להקים ניסוי כזה בעצמנו, ולא לנחש אם כוכבי לכת, עצמים נמשכים?

חוויה ישירה כזו שנעשתה קוונדיש (הנרי קוונדיש (1731-1810) - פיזיקאי וכימאי אנגלי)באמצעות המכשיר המוצג באיור. הרעיון היה לתלות מוט עם שני כדורים על חוט קוורץ דק מאוד ואז להביא שני כדורי עופרת גדולים לצדם. המשיכה של הכדורים תסובב מעט את החוט - מעט, כי כוחות המשיכה בין עצמים רגילים חלשים מאוד. בעזרת מכשיר כזה, קוונדיש הצליח למדוד ישירות את הכוח, המרחק והגודל של שתי המסות ובכך לקבוע קבוע כבידה G.

הגילוי הייחודי של קבוע הכבידה G, המאפיין את שדה הכבידה בחלל, אפשר לקבוע את מסת כדור הארץ, השמש וגרמי שמים נוספים. לכן, קוונדיש כינה את החוויה שלו "שוקלת כדור הארץ".

מעניין לציין שלחוקי הפיזיקה השונים יש כמה תכונות משותפות. נפנה לחוקי החשמל (כוח קולומב). כוחות חשמליים גם הם ביחס הפוך לריבוע המרחק, אבל כבר בין המטענים, ומתעוררת מחשבה לא רצונית שלתבנית זו יש משמעות עמוקה. עד עכשיו, איש לא הצליח להציג את כוח הכבידה והחשמל כשני ביטויים שונים של אותה מהות.

הכוח כאן גם משתנה הפוך לריבוע המרחק, אבל ההבדל בגודל הכוחות החשמליים וכוחות הכבידה בולט. בניסיון לבסס את האופי המשותף של כוח הכבידה והחשמל, אנו מוצאים עדיפות כזו של כוחות חשמליים על כוחות כבידה, עד שקשה להאמין שלשניהם יש אותו מקור. איך אתה יכול להגיד שאחד חזק מהשני? הרי הכל תלוי מה המסה ומה המטען. בוויכוח על האופן שבו פועל כוח הכבידה, אין לך זכות לומר: "בוא ניקח מסה בגודל כזה ואחר", כי אתה בוחר אותה בעצמך. אבל אם ניקח את מה שהטבע עצמה מציעה לנו (המספרים והמידות שלה, שאין להם שום קשר לסנטימטרים, השנים, המידות שלנו), אז נוכל להשוות. ניקח חלקיק טעון יסודי, כמו למשל, אלקטרון. שני חלקיקים יסודיים, שני אלקטרונים, בשל המטען החשמלי דוחים זה את זה בכוח פרופורציונלי הפוך לריבוע המרחק ביניהם, ובשל כוח הכבידה הם נמשכים זה לזה שוב בכוח ביחס הפוך לריבוע של מֶרְחָק.

שאלה: מה היחס בין כוח הכבידה לכוח החשמלי? גרביטציה קשורה לדחייה חשמלית כפי שאחד קשור למספר עם 42 אפסים. זה מעורר תמיהה עמוקה. מאיפה יכול להגיע מספר עצום כזה?

אנשים מחפשים את הגורם העצום הזה בתופעות טבע אחרות. הם עוברים כל מיני מספרים גדולים, ואם רוצים מספר גדול, למה לא לקחת, נניח, את היחס בין קוטר היקום לקוטר של פרוטון – למרבה ההפתעה, זה גם מספר עם 42 אפסים. והם אומרים: אולי המקדם הזה שווה ליחס בין קוטר הפרוטון לקוטר היקום? זוהי מחשבה מעניינת, אך ככל שהיקום מתרחב בהדרגה, גם קבוע הכבידה חייב להשתנות. למרות שהשערה זו טרם הופרכה, אין לנו כל ראיה לטובתה. להיפך, כמה עדויות מצביעות על כך שקבוע הכבידה לא השתנה בדרך זו. המספר העצום הזה נותר בגדר תעלומה עד היום.

איינשטיין היה צריך לשנות את חוקי הכבידה בהתאם לעקרונות היחסות. הראשון מבין העקרונות הללו אומר שלא ניתן להתגבר על המרחק x באופן מיידי, בעוד שלפי התיאוריה של ניוטון, כוחות פועלים באופן מיידי. איינשטיין היה צריך לשנות את חוקי ניוטון. שינויים אלה, חידודים קטנים מאוד. אחד מהם הוא זה: מכיוון שלאור יש אנרגיה, אנרגיה שווה למסה, וכל המסות מושכות, האור גם מושך, ולכן, עובר ליד השמש, חייב להיות מוטה. כך זה קורה בפועל. כוח הכבידה שונה מעט גם בתיאוריה של איינשטיין. אבל השינוי הקל מאוד הזה בחוק הכבידה מספיק רק כדי להסביר כמה מהאי-סדירות הנראית לעין בתנועתו של מרקורי.

תופעות פיזיקליות במיקרוקוסמוס כפופות לחוקים אחרים מאשר תופעות בעולם של קנה מידה גדול. נשאלת השאלה: כיצד מתבטא כוח הכבידה בעולם של קנה מידה קטן? תורת הקוונטים של כוח הכבידה תענה על כך. אבל אין עדיין תורת קוונטים של כוח הכבידה. אנשים עדיין לא הצליחו מאוד ביצירת תיאוריית כוח הכבידה התואמת באופן מלא עם עקרונות מכאניים קוונטיים ועם עקרון אי הוודאות.

על פי חוקי ניוטון, תנועת גוף בתאוצה אפשרית רק בפעולת כוח. כי גופים נופלים נעים בתאוצה המופנית כלפי מטה, ואז הם מושפעים מכוח המשיכה לכדור הארץ. אבל לא רק לכדור הארץ יש את התכונה לפעול על כל הגופים בכוח המשיכה. אייזק ניוטון הציע שכוחות משיכה פועלים בין כל הגופים. כוחות אלו נקראים כוחות הכבידהאוֹ כבידהכוחות.

לאחר שהרחיב את החוקים שנקבעו - התלות של כוח המשיכה של גופים לכדור הארץ במרחקים בין הגופים ובמסות הגופים המקיימים אינטראקציה, שהתקבלה כתוצאה מתצפיות - גילה ניוטון ב-1682 חוק הכבידה:כל הגופים נמשכים זה לזה, כוח הכבידה האוניברסלי עומד ביחס ישר למכפלת מסות הגופים וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם:

הווקטורים של כוחות הכבידה האוניברסליים מכוונים לאורך הקו הישר המחבר את הגופים. גורם המידתיות G נקרא קבוע כבידה (קבוע כבידה אוניברסלי)ושווה ל

.

כוח משיכהנקרא כוח המשיכה הפועל מכדור הארץ על כל הגופים:

.

תן
היא מסת כדור הארץ, ו
הוא רדיוס כדור הארץ. שקול את התלות של האצת הנפילה החופשית בגובה העלייה מעל פני כדור הארץ:

משקל גוף. חוסר משקל

משקל גוף -הכוח שבו גוף לוחץ על תומך או מתלה עקב משיכת הגוף הזה לקרקע. משקל הגוף מוחל על התמיכה (השעיה). כמות משקל הגוף תלויה באופן שבו הגוף נע עם תמיכה (השעיה).

משקל גוף, כלומר. הכוח שבו הגוף פועל על התמיכה, והכוח האלסטי שבו התמיכה פועלת על הגוף, בהתאם לחוק השלישי של ניוטון, שווים בערכם המוחלט ומנוגדים בכיוון.

אם הגוף במנוחה על משענת אופקית או נע באופן אחיד, רק כוח הכובד והכוח האלסטי מצד התומך פועלים עליו, לכן משקל הגוף שווה לכוח הכובד (אך כוחות אלו מוחלים על גופים שונים):

.

בתנועה מואצת, משקל הגוף לא יהיה שווה לכוח הכבידה. שקול את התנועה של גוף בעל מסה m תחת פעולת כוח הכבידה וגמישות עם תאוצה. לפי החוק השני של ניוטון:

אם תאוצת הגוף מכוונת כלפי מטה, אז משקל הגוף קטן מכוח הכבידה; אם תאוצת הגוף מכוונת כלפי מעלה, אז כל הגופים גדולים מכוח הכבידה.

העלייה במשקל הגוף הנגרמת על ידי תנועה מואצת של התמיכה או המתלה נקראת להעמיס יותר מדי.

אם הגוף נופל בחופשיות, אז מהנוסחה * עולה שמשקל הגוף הוא אפס. היעלמות המשקל במהלך תנועת התמיכה עם האצת הנפילה החופשית נקראת חוסר משקל.

מצב חוסר המשקל נצפה במטוס או בחללית כשהם נעים בהאצת הנפילה החופשית, ללא קשר למהירות תנועתם. מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ, כאשר מנועי הסילון כבויים, רק כוח הכבידה האוניברסלי פועל על החללית. בהשפעת כוח זה, החללית וכל הגופים בה נעים באותה תאוצה; לכן, תופעת חוסר המשקל נצפית בספינה.

תנועת גוף בהשפעת כוח הכבידה. תנועה של לוויינים מלאכותיים. מהירות קוסמית ראשונה

אם מודול העקירה של הגוף קטן בהרבה מהמרחק למרכז כדור הארץ, אז כוח הכבידה האוניברסלי במהלך התנועה יכול להיחשב קבוע, ותנועת הגוף מואצת באופן אחיד. המקרה הפשוט ביותר של תנועה של גוף תחת פעולת כוח הכבידה הוא נפילה חופשית עם מהירות התחלתית אפסית. במקרה זה, הגוף נע עם האצת הנפילה החופשית לכיוון מרכז כדור הארץ. אם יש מהירות התחלתית שאינה מכוונת אנכית, אז הגוף נע לאורך נתיב מעוקל (פרבולה, אם לא נלקחת בחשבון התנגדות אוויר).

במהירות התחלתית מסוימת, גוף המושלך למשיק לפני כדור הארץ, בפעולת כוח הכבידה בהיעדר אטמוספירה, יכול לנוע במעגל סביב כדור הארץ מבלי ליפול עליו ומבלי להתרחק ממנו. מהירות זו נקראת מהירות קוסמית ראשונהוהגוף נע בדרך זו - לוויין אדמה מלאכותי (AES).

בואו נגדיר את המהירות הקוסמית הראשונה עבור כדור הארץ. אם גוף תחת השפעת כוח הכבידה נע סביב כדור הארץ בצורה אחידה במעגל, אז תאוצת הנפילה החופשית היא התאוצה הצנטריפטית שלו:

.

מכאן שהמהירות הקוסמית הראשונה היא

.

המהירות הקוסמית הראשונה עבור כל גוף שמימי נקבעת באותו אופן. ניתן למצוא את תאוצת הנפילה החופשית במרחק R ממרכז גוף שמימי באמצעות החוק השני של ניוטון וחוק הכבידה האוניברסלית:

.

לכן, המהירות הקוסמית הראשונה במרחק R ממרכז גוף שמימי בעל מסה M שווה ל

.

כדי לשגר לוויין למסלול קרוב לכדור הארץ, תחילה יש להוציא אותו מהאטמוספירה. לכן, ספינות חלל משגרות אנכית. בגובה של 200 - 300 ק"מ מפני השטח של כדור הארץ, שם האטמוספרה נדירה וכמעט ואין לה השפעה על תנועת הלוויין, הרקטה עושה סיבוב ומודיעה ללוויין על המהירות הקוסמית הראשונה בכיוון המאונך לכיוון הלוויין. אֲנָכִי.

כולנו הולכים על כדור הארץ כי הוא מושך אותנו. אם כדור הארץ לא היה משך את כל הגופים שעל פני השטח שלו, אז, לאחר שנדחקנו ממנו, היינו עפים לחלל. אבל זה לא קורה, וכולם יודעים על קיומו של כוח הכבידה הארצי.

האם אנחנו מושכים את כדור הארץ? לונה מושכת!

האם אנו מושכים את כדור הארץ אלינו? שאלה מגוחכת, נכון? אבל בוא נראה. האם אתה יודע מה הגאות והשפל בים ובאוקיינוסים? מדי יום יוצאים המים מהחוף, מסתובבים כמה שעות ואז, כאילו כלום לא קרה, חוזרים בחזרה.

אז המים בשלב זה אינם ידועים היכן, אלא בערך באמצע האוקיינוס. נוצר משהו כמו הר מים. לא ייאמן, נכון? מים, הנוטים להתפשט, לא רק זורמים בעצמם, אלא גם יוצרים הרים. ובהרים האלה מרוכזת מסה עצומה של מים.

רק קחו בחשבון את נפח המים הכולל שמתרחק מהחוף בזמן שפל, ותבינו שאנחנו מדברים על כמויות ענקיות. אבל אם זה יקרה, חייבת להיות סיבה כלשהי. ויש סיבה. הסיבה נעוצה בעובדה שהירח מושך את המים האלה.

כשהוא מסתובב סביב כדור הארץ, הירח עובר מעל האוקיינוסים ומושך אליו את מי האוקיינוס. הירח סובב סביב כדור הארץ כי הוא נמשך על ידי כדור הארץ. אבל, מסתבר שהיא עצמה בו זמנית מושכת את כדור הארץ לעצמה. כדור הארץ, לעומת זאת, גדול מדי עבורה, אבל השפעתה מספיקה כדי להעביר מים באוקיינוסים.

כוח וחוק הכבידה האוניברסלית: מושג ונוסחה

ועכשיו נמשיך ונחשוב: אם שני גופים ענקיים, בהיותם בקרבת מקום, שניהם מושכים זה את זה, האם אין זה הגיוני להניח שגם גופים קטנים יותר ימשכו זה את זה? האם רק שהם הרבה יותר קטנים וכוח המשיכה שלהם יהיה קטן?

מסתבר שההנחה הזו נכונה לחלוטין. לחלוטין בין כל הגופים ביקום ישנם כוחות משיכה או, במילים אחרות, כוחות משיכה אוניברסליים.

אייזק ניוטון היה הראשון שגילה וניסח תופעה כזו בצורה של חוק. חוק הכבידה האוניברסלית אומר: כל הגופים נמשכים זה לזה, בעוד שכוח המשיכה שלהם עומד ביחס ישר למסה של כל אחד מהגופים וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם:

F = G * (m_1 * m_2) / r^2 ,

כאשר F הוא הערך של וקטור כוח המשיכה בין הגופים, m_1 ו-m_2 הן המסות של הגופים הללו, r הוא המרחק בין הגופים, G הוא קבוע הכבידה.

קבוע הכבידה שווה מספרית לכוח הקיים בין גופים בעלי מסה של 1 ק"ג, הנמצאים במרחק של מטר אחד. ערך זה נמצא בניסוי: G=6.67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2 .

אם נחזור לשאלתנו המקורית, "האם אנחנו מושכים את כדור הארץ?", נוכל לענות בביטחון "כן". לפי החוק השלישי של ניוטון, אנו מושכים את כדור הארץ באותו כוח בדיוק כמו שכדור הארץ מושך אותנו. ניתן לחשב כוח זה מחוק הכבידה האוניברסלית.

ולפי החוק השני של ניוטון, ההשפעה של גופים זה על זה על ידי כל כוח מתבטאת בצורה של התאוצה שהם מקנים זה לזה. אבל התאוצה המוענקת תלויה במסת הגוף.

המסה של כדור הארץ גדולה, והיא מעניקה לנו את האצת הנפילה החופשית. והמסה שלנו זניחה בהשוואה לכדור הארץ, ולכן התאוצה שאנו נותנים לכדור הארץ היא כמעט אפס. לכן אנחנו נמשכים לכדור הארץ והולכים עליו, ולא להיפך.

לא רק הכי מסתורי איתני הטבעאבל גם הכי חזק.

איש בדרך להתקדמות

היסטורית, זה היה בן אנושככל שאתה מתקדם נתיבים של התקדמותהשתלט על כוחות הטבע החזקים יותר מתמיד. הוא התחיל כשהיה לו רק מקל באגרופו והכוח הפיזי שלו.

אבל הוא היה חכם, והוא הביא את הכוח הפיזי של בעלי החיים לשירותו, והפך אותם לבית. הסוס האיץ את ריצתו, הגמל הפך את המדבר לעביר, הפיל את הג'ונגל הביצות. אבל הכוחות הפיזיים של אפילו בעלי החיים החזקים ביותר קטנים לאין שיעור בהשוואה לכוחות הטבע.

האדם הראשון הכניע את יסוד האש, אבל רק בגרסאותיו המוחלשות ביותר. בתחילה - במשך מאות שנים - הוא השתמש רק בעץ כדלק - סוג דלק בעל אנרגיה נמוכה מאוד. מעט מאוחר יותר, הוא למד להשתמש באנרגיית הרוח ממקור האנרגיה הזה, אדם הרים את הכנף הלבנה של המפרש לאוויר – וספינה קלה עפה כמו ציפור מעל הגלים.

סירת מפרש על הגלים

הוא חשף את להבי טחנת הרוח למשבי הרוח - והאבנים הכבדות של אבני הריחיים הסתובבו, עלי הגריסים קישקשו. אבל ברור לכולם שהאנרגיה של מטוסי האוויר רחוקה מלהיות מרוכזת. בנוסף, גם המפרש וגם טחנת הרוח פחדו ממכות רוח: הסופה קרעה את המפרשים והטביעה את הספינות, הסופה שברה את הכנפיים והפכה את הטחנות.

גם מאוחר יותר, החל האדם לכבוש את המים הזורמים. הגלגל הוא לא רק המכשיר הפרימיטיבי ביותר המסוגל להמיר את אנרגיית המים לתנועה סיבובית, אלא גם בעל הכוח הנמוך ביותר בהשוואה לאלה השונים.

האדם התקדם בסולם ההתקדמות והיה זקוק ליותר ויותר אנרגיה.
הוא החל להשתמש בסוגי דלק חדשים - כבר המעבר לשריפת פחם העלה את עוצמת האנרגיה של קילוגרם דלק מ-2500 קק"ל ל-7000 קק"ל - כמעט פי שלושה. ואז הגיע הזמן לנפט וגז. שוב, תכולת האנרגיה של כל קילוגרם של דלק מאובנים גדלה פי אחד וחצי עד פעמיים.

מנועי קיטור הוחלפו בטורבינות קיטור; גלגלי הטחנה הוחלפו בטורבינות הידראוליות. ואז הושיט האיש את ידו אל אטום האורניום הבקיע. עם זאת, לשימוש הראשון בסוג חדש של אנרגיה היו השלכות טרגיות - הלהבה הגרעינית של הירושימה ב-1945 שרפה 70 אלף לבבות אנושיים בתוך דקות.

ב-1954 נכנסה לפעולה תחנת הכוח הגרעינית הסובייטית הראשונה בעולם, והפכה את כוח האורניום לכוח הקרינה של זרם חשמלי. ויש לציין שק"ג אורניום מכיל פי שני מיליון יותר אנרגיה מקילוגרם מהנפט הטוב ביותר.

זו הייתה אש חדשה ביסודה, שניתן לכנותה פיזיקלית, כי פיזיקאים הם שחקרו את התהליכים המובילים להולדת כמויות כה נפלאות של אנרגיה.
אורניום אינו הדלק הגרעיני היחיד. כבר נעשה שימוש בסוג חזק יותר של דלק - איזוטופי מימן.

למרבה הצער, האדם עדיין לא הצליח להכניע את הלהבה הגרעינית מימן-הליום. הוא יודע איך להצית לרגע את האש הכול-בוערת שלו, להצית את התגובה בפצצת מימן בהבזק של פיצוץ אורניום. אבל קרוב יותר ויותר, מדענים רואים כור מימן, שייצור זרם חשמלי כתוצאה מהיתוך של גרעינים של איזוטופי מימן לגרעיני הליום.

שוב, כמות האנרגיה שאדם יכול לקחת מכל קילוגרם דלק תגדל כמעט פי עשרה. אך האם הצעד הזה יהיה האחרון בהיסטוריה הקרובה של כוח האדם על איתני הטבע?

לֹא! קדימה - השליטה בצורת הכבידה של האנרגיה. הוא ארוז באופן זהיר יותר מטבעו אפילו מהאנרגיה של היתוך מימן-הליום. כיום זוהי צורת האנרגיה המרוכזת ביותר שאדם יכול אפילו לנחש לגביה.

שום דבר נוסף עדיין לא נראה שם, מעבר לקצה החוד של המדע. ולמרות שאנו יכולים לומר בביטחון שתחנות כוח יעבדו עבור אדם, יעבדו אנרגיית כבידה לזרם חשמלי (או אולי לזרם גז שעף מתוך פיית מנוע סילון, או לתוך הטרנספורמציה המתוכננת של האטומים בכל מקום של סיליקון וחמצן לאטומים של מתכות נדירות במיוחד), אנחנו עדיין לא יכולים לומר דבר על הפרטים של תחנת כוח כזו (מנוע רקטי, כור פיזי).

כוח הכבידה האוניברסלי במקורות לידת הגלקסיות

כוח הכבידה האוניברסלי נמצא במקורות לידת הגלקסיותמחומר יוקרתי, כפי שאקדמאי V.A. Ambartsumyan משוכנע. זה גם מכבה את הכוכבים ששרפו את זמנם, לאחר שהוציאו את הדלק הכוכבי שהוקצה להם בלידה.

כן, תסתכל סביב: כל דבר על פני כדור הארץ נשלט במידה רבה על ידי הכוח הזה.

היא זו שקובעת את המבנה השכבתי של הפלנטה שלנו - החלפת הליתוספירה, ההידרוספירה והאטמוספירה. היא זו שמחזיקה שכבה עבה של גזי אוויר, שבתחתיתה ובזכותה כולנו קיימים.

אם לא היה כוח משיכה, כדור הארץ היה פורץ מיד ממסלולו סביב השמש, והכדור עצמו היה מתפרק, נקרע על ידי כוחות צנטריפוגליים. קשה למצוא משהו שלא יהיה, במידה זו או אחרת, תלוי בכוח הכבידה האוניברסלי.

כמובן, הפילוסופים העתיקים, אנשים מאוד שומרי מצוות, לא יכלו שלא לשים לב שאבן שנזרקה כלפי מעלה תמיד חוזרת. אפלטון במאה ה-4 לפני הספירה הסביר זאת בכך שכל חומרי היקום נוטים למקום שבו מרוכזים רוב החומרים הדומים: אבן שנזרקה נופלת לקרקע או יורדת לקרקעית, מים שנשפכו מחלחלים לבריכה הקרובה או לתוך נהר העושה את דרכו אל הים, עשן של אש זוהר אל ענני משפחתו.

תלמידו של אפלטון, אריסטו, הבהיר שלכל הגופים יש תכונות מיוחדות של כבדות וקלילות. גופים כבדים - אבנים, מתכות - ממהרים למרכז היקום, אור - אש, עשן, אדים - לפריפריה. השערה זו, המסבירה חלק מהתופעות הקשורות לכוח הכבידה האוניברסלי, קיימת כבר יותר מאלפיים שנה.

מדענים על כוח הכבידה

כנראה הראשון להעלות את השאלה של כוח המשיכהממש מדעי, היה הגאון של הרנסנס - לאונרדו דה וינצ'י. לאונרדו הכריז שכבידה אופיינית לא רק לכדור הארץ, אלא שיש הרבה מרכזי כובד. והוא גם הציע שכוח הכובד תלוי במרחק למרכז הכובד.

יצירותיהם של קופרניקוס, גלילאו, קפלר, רוברט הוק התקרבו יותר ויותר לרעיון חוק הכבידה האוניברסלית, אך בניסוחו הסופי חוק זה קשור לנצח בשמו של אייזק ניוטון.

אייזק ניוטון על כוח הכבידה

נולד ב-4 בינואר 1643. הוא סיים את לימודיו באוניברסיטת קיימברידג', הפך לרווק, ואז - מאסטר במדעים.

כל מה שאחריו הוא עושר אינסופי של יצירות מדעיות. אבל עבודתו העיקרית היא "העקרונות המתמטיים של הפילוסופיה הטבעית", שפורסם ב-1687 ונקרא בדרך כלל פשוט "התחלות". בהם מנוסח הגדול. בטח כולם זוכרים אותו מהתיכון.

כל הגופים נמשכים זה לזה בכוח שהוא ביחס ישר למכפלת המסות של הגופים הללו וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם ...

קודמיו של ניוטון יכולים לצפות כמה הוראות של ניסוח זה, אך הוא עדיין לא נמסר לאיש בשלמותו. היה צורך בגאונותו של ניוטון כדי להרכיב את השברים הללו למכלול אחד על מנת להפיץ את המשיכה של כדור הארץ לירח, והשמש - לכל המערכת הפלנטרית.

מחוק הכבידה האוניברסלית, ניוטון שאב את כל חוקי התנועה של כוכבי הלכת, שהתגלו קודם לכן על ידי קפלר. הם פשוט היו ההשלכות שלו. יתרה מכך, ניוטון הראה שלא רק חוקי קפלר, אלא גם סטיות מחוקים אלו (בעולם של שלושה גופים או יותר) הם תוצאה של כבידה אוניברסלית... זה היה ניצחון גדול של המדע.

נראה היה שכוח הטבע העיקרי, המניע את העולמות, התגלה לבסוף ותואר מתמטית, הכוח שאליו כפופות מולקולות האוויר, התפוחים והשמש. ענק, ענק לאין שיעור היה הצעד שעשה ניוטון.

הפופולארי הראשון של עבודתו של מדען מבריק, הסופר הצרפתי פרנסואה מארי ארואה, המפורסם בעולם תחת השם הבדוי וולטייר, אמר שניוטון ניחש לפתע את קיומו של חוק הקרוי על שמו כשהביט בתפוח נופל.

ניוטון עצמו מעולם לא הזכיר את התפוח הזה. ובקושי שווה לבזבז היום זמן על הפרכת האגדה היפה הזו. וככל הנראה, ניוטון הגיע להבין את כוחו הגדול של הטבע על ידי חשיבה לוגית. סביר להניח שהוא נכלל בפרק המקביל של "התחלות".

כוח הכבידה משפיע על מעוף הגרעין

נניח שעל הר גבוה מאוד, כל כך גבוה שפסגתו כבר יצאה מהאטמוספירה, הקמנו כלי ארטילרי ענק. הקנה שלו הוצב מקביל לחלוטין לפני השטח של הגלובוס ונורה. תיאור הקשת הליבה נופלת על הקרקע.

אנחנו מגבירים את המטען, משפרים את איכות אבק השריפה, בדרך זו או אחרת אנו מבצעים את הליבה לזוז במהירות גבוהה יותר לאחר הירייה הבאה. הקשת המתוארת על ידי הליבה הופכת שטוחה יותר. הליבה נופלת הרבה יותר רחוק מרגלי ההר שלנו.

אנחנו גם מגבירים את המטען ויורים. הגרעין עף לאורך מסלול כה עדין שהוא יורד במקביל לפני השטח של הגלובוס. הליבה כבר לא יכולה ליפול לכדור הארץ: באותה מהירות שבה הוא נופל, כדור הארץ בורח מתחתיו. ולאחר שתיאר את הטבעת סביב הפלנטה שלנו, הליבה חוזרת לנקודת המוצא.

ניתן להסיר את האקדח בינתיים. אחרי הכל, הטיסה של הגרעין מסביב לגלובוס תארך יותר משעה. ואז הליבה תטאטא במהירות את ראש ההר ותעבור למעגל חדש סביב כדור הארץ. סתיו, אם, כפי שסיכמנו, הליבה לא תחווה שום התנגדות אוויר, היא לעולם לא תוכל.

מהירות הליבה עבור זה צריכה להיות קרובה ל-8 ק"מ לשנייה. ואם תגביר את מהירות הטיסה של הליבה? תחילה הוא יעוף בקשת, עדינה יותר מהעקמומיות של פני כדור הארץ, ויתחיל להתרחק מכדור הארץ. במקביל, מהירותו בהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ תרד.

ולבסוף, בהסתובב, הוא יתחיל, כביכול, ליפול בחזרה לכדור הארץ, אבל הוא יעוף על פניו ולא ישלים עוד מעגל, אלא אליפסה. הליבה תנוע סביב כדור הארץ בדיוק באותו האופן שבו נע כדור הארץ סביב השמש, כלומר לאורך אליפסה, באחד המוקדים שלו יהיה ממוקם מרכז כוכב הלכת שלנו.

אם נגביר עוד יותר את המהירות ההתחלתית של הגרעין, האליפסה תתברר כנמתחת יותר. אפשר למתוח אליפסה זו בצורה כזו שהגרעין יגיע למסלול הירח או אפילו הרבה יותר רחוק. אבל עד שהמהירות ההתחלתית של הגרעין הזה תעלה על 11.2 ק"מ לשנייה, הוא יישאר לוויין של כדור הארץ.

הגרעין, שקיבל מהירות של למעלה מ-11.2 קמ"ש בעת ירי, יעוף לנצח מכדור הארץ לאורך מסלול פרבולי. אם אליפסה היא עקומה סגורה, אז פרבולה היא עקומה שיש לה שני ענפים העוברים עד אינסוף. לנוע לאורך אליפסה, לא משנה כמה היא עשויה להיות מוארכת, בהכרח נחזור באופן שיטתי לנקודת ההתחלה. נעים לאורך פרבולה, לעולם לא נחזור לנקודת ההתחלה.

אבל, לאחר שעזב את כדור הארץ במהירות זו, הגרעין עדיין לא יוכל לעוף עד אינסוף. כוח הכבידה העוצמתי של השמש יכופף את מסלול טיסתה, יסגור סביב עצמו כמו מסלול של כוכב לכת. הליבה תהפוך לאחותו של כדור הארץ, כוכב לכת זעיר במשפחת כוכבי הלכת שלנו.

כדי לכוון את הגרעין אל מחוץ למערכת הפלנטרית, כדי להתגבר על משיכה השמש, יש צורך לומר לו מהירות של יותר מ-16.7 קמ"ש, ולכוון אותו כך שמהירות התנועה של כדור הארץ עצמו תתווסף למהירות זו. .

מהירות של כ-8 קמ"ש (מהירות זו תלויה בגובה ההר שממנו יורה האקדח שלנו) נקראת מהירות מעגלית, מהירויות מ-8 עד 11.2 קמ"ש הן אליפטיות, מ-11.2 עד 16.7 ק"מ לשנייה הן פרבוליות, ומעל המספר הזה - מהירויות משחררות.

כאן יש להוסיף כי הערכים הנתונים של מהירויות אלו תקפים רק עבור כדור הארץ. אם היינו חיים על מאדים, היה לנו הרבה יותר קל להשיג את המהירות המעגלית - שם היא רק כ-3.6 ק"מ לשנייה, והמהירות הפרבולית היא רק מעט יותר מ-5 ק"מ לשנייה.

מצד שני, יהיה הרבה יותר קשה לשלוח את הגרעין לטיסת חלל מצדק מאשר מכדור הארץ: המהירות המעגלית על כוכב הלכת הזה היא 42.2 ק"מ לשנייה, והמהירות הפרבולית היא אפילו 61.8 ק"מ לשנייה!

יהיה קשה ביותר לתושבי השמש לעזוב את עולמם (אם, כמובן, כזה יכול להתקיים). המהירות המעגלית של הענק הזה צריכה להיות 437.6, ומהירות ההפרדה - 618.8 קמ"ש!

אז ניוטון בסוף המאה ה-17, מאה שנים לפני הטיסה הראשונה של הכדור פורח שהתמלא באוויר חם על ידי האחים מונטגולפייר, מאתיים שנה לפני הטיסות הראשונות של המטוס של האחים רייט, וכמעט רבע. של מילניום לפני ההמראה של הרקטות הנוזליות הראשונות, הצביע על הדרך לשמיים עבור לוויינים וחלליות.

כוח הכבידה טבוע בכל תחום

על ידי שימוש ב חוק הכבידהכוכבי לכת לא ידועים התגלו, נוצרו השערות קוסמוגוניות של מקור מערכת השמש. כוחו העיקרי של הטבע, השולט בכוכבים, כוכבי הלכת, התפוחים בגן ומולקולות הגז באטמוספירה, התגלה ותואר מתמטית.

אבל אנחנו לא מכירים את מנגנון הכבידה האוניברסלית. הכבידה הניוטונית אינה מסבירה, אלא מייצגת חזותית את המצב הנוכחי של תנועה פלנטרית.

איננו יודעים מה גורם לאינטראקציה של כל גופי היקום. ואי אפשר לומר שניוטון לא התעניין בסיבה הזו. במשך שנים רבות הוא הרהר במנגנון האפשרי שלו.

אגב, זה אכן כוח מסתורי ביותר. כוח שמתבטא במאות מיליוני קילומטרים של מרחב, נטול כל תצורות חומריות במבט ראשון, בעזרתו ניתן היה להסביר את העברת האינטראקציה.

ההשערות של ניוטון

ו ניוטוןנקטו הַשׁעָרָהעל קיומו של אתר מסוים שממלא לכאורה את היקום כולו. בשנת 1675, הוא הסביר את המשיכה לכדור הארץ בכך שהאתר הממלא את היקום כולו ממהר למרכז כדור הארץ בזרמים רציפים, לוכד את כל העצמים בתנועה זו ויוצר כוח כבידה. אותה זרימה של אתר ממהרת אל השמש וגוררת את כוכבי הלכת, השביטים, מבטיחה את המסלולים האליפטיים שלהם...

זו לא הייתה השערה משכנעת במיוחד, אם כי הגיונית לחלוטין מבחינה מתמטית. אבל כעת, ב-1679, יצר ניוטון השערה חדשה המסבירה את מנגנון הכבידה. הפעם הוא מעניק לאתר את התכונה שיש לו ריכוז שונה ליד כוכבי הלכת ורחוק מהם. ככל שמתרחק ממרכז הפלנטה, האתר כביכול צפוף יותר. ויש לו את התכונה לסחוט את כל גופי החומר מתוך השכבות הצפופות יותר שלהם לשכבות פחות צפופות. וכל הגופים נדחסים אל פני כדור הארץ.

בשנת 1706, ניוטון מכחיש בחריפות את עצם קיומו של האתר. ב-1717 הוא חוזר שוב להשערת האתר הסוחט החוצה.

המוח הגאוני של ניוטון נלחם על פתרון התעלומה הגדולה ולא מצא אותו. זה מסביר זריקה חדה כזו מצד לצד. ניוטון נהג לומר:

אני לא מעלה השערות.

ולמרות שכפי שרק הצלחנו לאמת, זה לא לגמרי נכון, אנחנו בהחלט יכולים לקבוע משהו אחר: ניוטון הצליח להבחין בבירור בין דברים שאין עליהם עוררין מהשערות לא יציבות ושנויות במחלוקת. וביסודות יש נוסחה של החוק הגדול, אבל אין ניסיון להסביר את המנגנון שלו.
הפיזיקאי הגדול הוריש את החידה הזו לאיש העתיד. הוא נפטר בשנת 1727.
זה לא נפתר גם היום.

הדיון על המהות הפיזית של חוק ניוטון ארך מאתיים שנה. ואולי הדיון הזה לא היה נוגע לעצם מהותו של החוק, אילו יענה בדיוק על כל השאלות שהופנו אליו.

אבל עובדה היא שעם הזמן התברר שהחוק הזה אינו אוניברסלי. שיש מקרים שהוא לא יכול להסביר תופעה כזו או אחרת. בואו ניתן דוגמאות.

כוח הכבידה בחישוביו של סיליגר

הראשון שבהם הוא הפרדוקס של סיליגר. בהתחשב ביקום כאינסופי ומלא בחומר באופן אחיד, ניסה סיליגר לחשב, על פי חוק ניוטון, את כוח הכבידה האוניברסלי שנוצר על ידי כל המסה הגדולה לאין שיעור של היקום האינסופי בנקודה כלשהי בו.

זו הייתה משימה לא קלה מנקודת מבט של מתמטיקה טהורה. לאחר שהתגבר על כל הקשיים של הטרנספורמציות המורכבות ביותר, מצא סיליג'ר שהכוח הרצוי של הכבידה האוניברסלית הוא פרופורציונלי לרדיוס של היקום. ומכיוון שהרדיוס הזה שווה לאינסוף, אז כוח הכבידה חייב להיות גדול לאין שיעור. עם זאת, איננו רואים זאת בפועל. המשמעות היא שחוק הכבידה האוניברסלי אינו חל על היקום כולו.

עם זאת, אפשריים גם הסברים אחרים לפרדוקס. לדוגמה, אנו יכולים להניח שחומר אינו ממלא באופן שווה את כל היקום, אך צפיפותו פוחתת בהדרגה ולבסוף, במקום רחוק מאוד אין חומר כלל. אבל לדמיין תמונה כזו פירושו להודות באפשרות של קיומו של חלל ללא חומר, וזה בדרך כלל אבסורדי.

אפשר להניח שכוח הכבידה נחלש מהר יותר משגדל ריבוע המרחק. אבל זה מטיל ספק בהרמוניה המפתיעה של חוק ניוטון. לא, וההסבר הזה לא סיפק את המדענים. הפרדוקס נשאר פרדוקס.

תצפיות על תנועתו של מרקורי

עובדה נוספת, פעולת כוח הכבידה האוניברסלית, שאינה מוסברת על ידי חוק ניוטון, הביאה תצפית על תנועתו של מרקורי- הכי קרוב לכוכב הלכת. חישובים מדויקים לפי חוק ניוטון הראו שהפרהליון - נקודת האליפסה שלאורכה נעה מרקורי הקרובה ביותר לשמש - צריכה לעבור ב-531 שניות קשת תוך 100 שנים.

ואסטרונומים מצאו שהשינוי הזה שווה ל-573 שניות קשת. גם את העודף הזה - 42 שניות קשת - לא ניתן היה להסביר על ידי מדענים, תוך שימוש רק בנוסחאות הנובעות מחוק ניוטון.

הוא הסביר גם את הפרדוקס של סיליג'ר, וגם את עקירת הפרהליון של מרקורי, ועוד תופעות פרדוקסליות רבות ועובדות בלתי מוסברות אלברט איינשטיין, אחד הפיזיקאים הגדולים, אם לא הגדול בכל הזמנים. בין הדברים הקטנים והמעצבנים הייתה השאלה של רוח ערכית.

ניסויים מאת אלברט מיכלסון

נראה היה ששאלה זו אינה נוגעת ישירות לבעיית הכבידה. הוא התייחס לאופטיקה, לאור. ליתר דיוק, להגדרת המהירות שלו.

האסטרונום הדני היה הראשון שקבע את מהירות האור. אולף רמרצופה בליקוי הירחים של צדק. זה קרה כבר בשנת 1675.

פיזיקאי אמריקאי אלברט מיכלסוןבסוף המאה ה-18, הוא ערך סדרה של קביעות של מהירות האור בתנאים יבשתיים, באמצעות המנגנון שתכנן.

בשנת 1927, הוא נתן את מהירות האור 299796 + 4 קמ"ש, שהיה דיוק מצוין לאותם זמנים. אבל מהות העניין שונה. בשנת 1880 הוא החליט לחקור את הרוח האתרית. הוא רצה לבסס לבסוף את קיומו של אותו אתר, שבנוכחותו ניסו להסביר גם את העברת האינטראקציה הגרביטציונית וגם את העברת גלי האור.

מיכלסון היה כנראה הנסיין המדהים ביותר בתקופתו. היה לו ציוד מעולה. והוא היה כמעט בטוח בהצלחה.

מהות הניסיון

חוויההוגה כך. כדור הארץ נע במסלולו במהירות של כ-30 ק"מ לשנייה.. נע באוויר. המשמעות היא שמהירות האור ממקור שנמצא לפני המקלט ביחס לתנועת כדור הארץ חייבת להיות גדולה יותר מאשר ממקור שנמצא בצד השני. במקרה הראשון, יש להוסיף את מהירות הרוח האתרית למהירות האור; במקרה השני, מהירות האור חייבת לרדת בערך זה.

כמובן שמהירות כדור הארץ במסלולו סביב השמש היא רק אלפית ממהירות האור. קשה מאוד למצוא מונח קטן כל כך, אבל מיכלסון נקרא מלך הדיוק מסיבה כלשהי. הוא השתמש בדרך גאונית כדי לתפוס את ההבדל ה"חמקמק" במהירויות של קרני האור.

הוא פיצל את האלומה לשני זרמים שווים וכיוון אותם לכיוונים מאונכים זה לזה: לאורך המרידיאן ולאורך המקביל. שהשתקפו מהמראות, חזרו הקרניים. אם האלומה העוברת לאורך ההקבלה חוותה את השפעת הרוח האתרית, כאשר היא נוספה לאלומת המרידיונל, היו צריכים להיווצר שולי הפרעה, הגלים של שתי הקורות היו מוזזים בשלב.

עם זאת, היה קשה למיכלסון למדוד את הנתיבים של שתי הקרניים בדיוק רב כל כך, כך שהם היו זהים לחלוטין. לכן, הוא בנה את המנגנון כך שלא יהיו שולי הפרעה, ואז סובב אותו ב-90 מעלות.

קרן המרידיונל הפכה לרוחב ולהיפך. אם יש רוח אתרית, פסים שחורים ובהירים צריכים להופיע מתחת לעינית! אבל הם לא היו. אולי, כשסובב את המכשיר, המדען הזיז אותו.

הוא הקים את זה בצהריים ותיקן את זה. אחרי הכל, חוץ מזה, הוא גם מסתובב סביב הציר שלו. ולפיכך, בזמנים שונים של היום, אלומת הרוחב תופסת מיקום שונה ביחס לרוח האתרית המתקרבת. כעת, כאשר המנגנון הוא ללא תנועה לחלוטין, אפשר להיות משוכנעים בדיוק של הניסוי.

שוב לא היו שולי הפרעות. הניסוי בוצע פעמים רבות, ומיכלסון, ואיתו כל הפיזיקאים של אז, נדהמו. הרוח הארצית לא זוהתה! האור נע לכל הכיוונים באותה מהירות!

אף אחד לא הצליח להסביר את זה. מיכלסון חזר על הניסוי שוב ושוב, שיפר את הציוד, ולבסוף השיג דיוק מדידה כמעט מדהים, בסדר גודל גדול מהנדרש להצלחת הניסוי. ושוב כלום!

ניסויים מאת אלברט איינשטיין

הצעד הגדול הבא פנימה ידע על כוח הכבידהעשה אלברט איינשטיין.
אלברט איינשטיין נשאל פעם:

איך הגעת לתורת היחסות המיוחדת שלך? באילו נסיבות הגעת לרעיון מבריק? המדען ענה: "תמיד נראה לי שזה המצב.

אולי הוא לא רצה להיות גלוי, אולי רצה להיפטר מבן השיח המעצבן. אבל קשה לדמיין שהרעיון של איינשטיין על הקשרים בין זמן, מרחב ומהירות היה מולד.

לא, כמובן, בהתחלה הייתה תחושה, בהירה כמו ברק. ואז התחילה הפיתוח. לא, אין סתירות עם תופעות ידועות. ואז הופיעו חמשת העמודים המלאים בנוסחאות, שפורסמו בכתב עת פיזי. דפים שפתחו עידן חדש בפיזיקה.

דמיינו ספינת חלל טסה בחלל. נזהיר אותך מיד: ספינת הכוכבים מאוד מוזרה, מהסוג שלא קראת עליה בסיפורי מדע בדיוני. אורכו הוא 300 אלף ק"מ, ומהירותו היא, ובכן, נניח, 240 אלף קמ"ש. והחללית הזו עפה על פני אחת מפלטפורמות הביניים בחלל, מבלי לעצור בה. במלוא המהירות.

אחד הנוסעים עומד על סיפון ספינת החלל עם שעון. ואתה ואני, הקורא, עומדים על במה - אורכה חייב להתאים לגודלה של ספינת חלל, כלומר 300 אלף קילומטרים, אחרת היא לא תוכל להיצמד אליה. ויש לנו גם שעון בידיים.

אנו שמים לב שברגע שבו החרטום של ספינת החלל הדביק את הקצה האחורי של הרציף שלנו, הבהב עליו פנס שהאיר את החלל המקיף אותו. שנייה לאחר מכן, קרן אור הגיעה לקצה הקדמי של הרציף שלנו. אנחנו לא מפקפקים בכך, כי אנחנו יודעים את מהירות האור, והצלחנו לזהות בדיוק את הרגע המתאים בשעון. ועל ספינת כוכבים...

אבל גם ספינת הכוכבים טסה לעבר אלומת האור. ודי בהחלט ראינו שהאור האיר את הירכתיים שלו ברגע שהוא היה איפשהו קרוב לאמצע הרציף. בהחלט ראינו שקרן האור לא מכסה 300 אלף קילומטרים מהחרטום ועד ירכתי הספינה.

אבל הנוסעים על סיפון ספינת החלל בטוחים במשהו אחר. הם בטוחים שהקורה שלהם כיסתה את כל המרחק מחרטום ועד ירכתיים של 300 אלף קילומטרים. אחרי הכל, הוא השקיע בזה שנייה שלמה. גם הם רשמו את זה בצורה מדויקת לחלוטין על השעונים שלהם. ואיך יכול להיות אחרת: אחרי הכל, מהירות האור אינה תלויה במהירות המקור...

איך זה? אנחנו רואים דבר אחד מפלטפורמה קבועה, ואחר להם על סיפון ספינת חלל? מה הבעיה?

תורת היחסות של איינשטיין

יש לציין מיד: תורת היחסות של איינשטייןבמבט ראשון, זה סותר לחלוטין את הרעיון הקבוע שלנו לגבי מבנה העולם. אפשר לומר שזה גם סותר את השכל הישר, כפי שאנחנו רגילים להציג אותו. זה קרה פעמים רבות בהיסטוריה של המדע.

אבל גילוי הכדוריות של כדור הארץ היה מנוגד לשכל הישר. איך אנשים יכולים לחיות בצד הנגדי ולא ליפול לתהום?

עבורנו, הכדוריות של כדור הארץ היא עובדה ללא ספק, ומנקודת המבט של השכל הישר, כל הנחה אחרת היא חסרת משמעות ופראית. אבל צא אחורה מזמנך, דמיינו את ההופעה הראשונה של הרעיון הזה, ותבינו כמה קשה יהיה לקבל אותו.

ובכן, האם היה קל יותר להודות שכדור הארץ אינו חסר תנועה, אלא טס לאורך מסלולו מהר עשרות מונים מכדור תותח?

כל אלה היו הריסות השכל הישר. לכן, פיזיקאים מודרניים אף פעם לא מתייחסים אליו.

כעת נחזור לתורת היחסות המיוחדת. העולם זיהה אותה לראשונה בשנת 1905 ממאמר חתום בשם לא ידוע - אלברט איינשטיין. והוא היה אז רק בן 26.

איינשטיין הניח הנחה מאוד פשוטה והגיונית מתוך הפרדוקס הזה: מנקודת מבטו של צופה על הרציף, במכונית נוסעת חלף פחות זמן ממה שמדד שעון היד שלך. במכונית חלף הזמן הואט בהשוואה לזמן על הרציף הנייח.

דברים מדהימים למדי נבעו באופן הגיוני מההנחה הזו. התברר שאדם שנוסע לעבודה בחשמלית, בהשוואה להולך רגל שנוסע באותה הדרך, לא רק חוסך זמן בגלל המהירות, אלא גם הולך לו לאט יותר.

עם זאת, אל תנסה לשמר כך את הנעורים הנצחיים: גם אם תהפוך לנהג כרכרה ותבלה שליש מחייך בחשמלית, בעוד 30 שנה תרוויח בקושי יותר ממיליונית השנייה. כדי שהרווח בזמן יהיה מורגש, יש צורך לנוע במהירות הקרובה למהירות האור.

מסתבר שהעלייה במהירות של גופים באה לידי ביטוי במסה שלהם. ככל שמהירות הגוף קרובה יותר למהירות האור, כך מסתו גדולה יותר. במהירות של גוף השווה למהירות האור, המסה שלו שווה לאינסוף, כלומר, היא גדולה מהמסה של כדור הארץ, השמש, הגלקסיה, כל היקום שלנו... זו כמה מסה יכול להיות מרוכז באבן מרצפת פשוטה, ולהאיץ אותה למהירות
סווטה!

הדבר מטיל מגבלה שאינה מאפשרת לשום גוף חומרי לפתח מהירות השווה למהירות האור. אחרי הכל, ככל שהמסה גדלה, קשה יותר ויותר לפזר אותה. ואי אפשר להזיז מסה אינסופית בשום כוח.

עם זאת, הטבע עשה חריג חשוב מאוד לחוק זה עבור מחלקה שלמה של חלקיקים. למשל, לפוטונים. הם יכולים לנוע במהירות האור. ליתר דיוק, הם לא יכולים לנוע בשום מהירות אחרת. לא יעלה על הדעת לדמיין פוטון חסר תנועה.

כשהוא נייח, אין לו מסה. כמו כן, לנייטרינו אין מסת מנוחה, והם גם נידונים לטיסה נצחית חסרת מעצורים בחלל במהירות המקסימלית האפשרית ביקום שלנו, מבלי לעקוף את האור ולעמוד בו.

האין זה נכון שכל אחת מההשלכות של תורת היחסות המיוחדת הרשומה על ידינו היא מפתיעה, פרדוקסלית! וכל אחד, כמובן, מנוגד ל"שכל הישר"!

אבל הנה מה שמעניין: לא בצורתו הקונקרטית, אלא כעמדה פילוסופית רחבה, כל ההשלכות המדהימות הללו ניבאו על ידי מייסדי המטריאליזם הדיאלקטי. מה אומרות ההשלכות הללו? על הקשרים המחברים בין אנרגיה ומסה, מסה ומהירות, מהירות וזמן, מהירות ואורך של עצם נע...

גילוי התלות ההדדית של איינשטיין, כמו מלט (עוד:), חיבור חיזוק, או אבני יסוד, חיבר יחד דברים ותופעות שנראו בעבר בלתי תלויים זה בזה ויצרו את הבסיס שעליו היה לראשונה בתולדות המדע. אפשר לבנות בניין הרמוני. הבניין הזה הוא ייצוג של איך היקום שלנו עובד.

אבל קודם, לפחות כמה מילים על תורת היחסות הכללית, שיצרה גם אלברט איינשטיין.

השם הזה - תורת היחסות הכללית - לא לגמרי תואם את תוכנה של התיאוריה, עליה נדון. הוא מבסס תלות הדדית בין מרחב וחומר. כנראה שיהיה נכון יותר לקרוא לזה תורת המרחב-זמן, או תורת הכבידה.

אבל השם הזה צמח כל כך קרוב לתיאוריה של איינשטיין, שאפילו העלאת השאלה של החלפתו נראית כעת מגונה בעיני מדענים רבים.

תורת היחסות הכללית ביססה את התלות ההדדית בין החומר לבין הזמן והמרחב המכילים אותו. התברר שלא רק שאי אפשר לדמיין את המרחב והזמן כקיימים בנפרד מהחומר, אלא שתכונותיהם תלויות גם בחומר הממלא אותם.

נקודת מוצא לדיון

לכן, אפשר רק לפרט נקודת מוצא לדיוןולהסיק כמה מסקנות חשובות.

בתחילת המסע בחלל, אסון בלתי צפוי הרס את הספרייה, קרן הסרטים ומאגרים אחרים של המוח, זכרם של אנשים שעפים בחלל. וטבעו של כוכב הלכת הילידים נשכח בשינוי של מאות שנים. אפילו חוק הכבידה האוניברסלית נשכח, כי הרקטה טסה בחלל הבין-גלקטי, שם היא כמעט ואינה מורגשת.

עם זאת, מנועי הספינה עובדים מעולה, אספקת האנרגיה בסוללות היא כמעט בלתי מוגבלת. רוב הזמן, הספינה נעה באינרציה, ותושביה רגילים לחוסר משקל. אבל לפעמים הם מפעילים את המנועים ומאטים או מאיצים את תנועת הספינה. כאשר חרירי סילון בוערים לתוך הריק בלהבה חסרת צבע והספינה נעה בקצב מואץ, התושבים מרגישים שגופם הופך לכבד משקל, הם נאלצים להסתובב בספינה, ולא לעוף במסדרונות.

ועכשיו הטיסה קרובה לסיום. הספינה טסה עד לאחד הכוכבים ונופלת למסלולי כוכב הלכת המתאים ביותר. ספינות הכוכבים יוצאות החוצה, צועדות על קרקע ירוקה ורעננה, חוות כל הזמן את אותה תחושת כבדות, המוכרת מהתקופה שבה הספינה נעה בקצב מואץ.

אבל כדור הארץ נע בצורה שווה. הוא לא יכול לעוף לעברם בתאוצה קבועה של 9.8 מ'/שנ'2! ויש להם ההנחה הראשונה ששדה הכבידה (כוח הכבידה) והתאוצה נותנים את אותו אפקט, ואולי יש להם אופי משותף.

אף אחד מבני דורנו הארציים לא היה בטיסה כה ארוכה, אבל אנשים רבים חשו בתופעה של "השקלול" ו"הבהרת" גופם. כבר מעלית רגילה, כשהיא נעה בקצב מואץ, יוצרת את התחושה הזו. כאשר יורדים, אתה מרגיש ירידה פתאומית במשקל; בעת עלייה, להיפך, הרצפה לוחצת על הרגליים שלך בעוצמה רבה מהרגיל.

אבל תחושה אחת לא מוכיחה כלום. אחרי הכל, תחושות מנסות לשכנע אותנו שהשמש נעה בשמיים סביב כדור הארץ ללא תנועה, שכל הכוכבים וכוכבי הלכת נמצאים באותו מרחק מאיתנו, ברקיע וכו'.

מדענים הכניסו את התחושות לאימות ניסיוני. אפילו ניוטון חשב על הזהות המוזרה של שתי התופעות. הוא ניסה לתת להם מאפיינים מספריים. לאחר שמדד את הכבידה ו-, הוא היה משוכנע שהערכים שלהם תמיד שווים זה לזה.

מכל החומרים שיצר את המטוטלות של מפעל הטייס: מכסף, עופרת, זכוכית, מלח, עץ, מים, זהב, חול, חיטה. התוצאה הייתה זהה.

עקרון השקילות, שעליו אנו מדברים, הוא הבסיס לתורת היחסות הכללית, למרות שהפרשנות המודרנית של התיאוריה אינה זקוקה עוד לעיקרון זה. בהשמטת המסקנות המתמטיות הנובעות מעיקרון זה, הבה נמשיך ישירות לכמה השלכות של תורת היחסות הכללית.

נוכחותם של מסות גדולות של חומר משפיעה מאוד על המרחב שמסביב. זה מוביל לשינויים כאלה בו, שניתן להגדיר כאי-הומוגניות של החלל. אי-הומוגניות אלו מכוונות את התנועה של כל המסה הקרובה לגוף המושך.

בדרך כלל פונים לאנלוגיה כזו. תארו לעצמכם קנבס מתוח בחוזקה על מסגרת מקבילה לפני השטח של כדור הארץ. שימו עליו משקל כבד. זו תהיה מסת המשיכה הגדולה שלנו. היא, כמובן, תכופף את הקנבס ותגיע להפסקה כלשהי. כעת גלגלו את הכדור על הבד הזה בצורה כזו שחלק מהנתיב שלו נמצא ליד המסה המושכת. תלוי איך הכדור ישוגר, שלוש אפשרויות אפשריות.

1. הכדור יעוף מספיק רחוק מהשקע שנוצר כתוצאה מהסטת הקנבס ולא ישנה את תנועתו.
2. הכדור ייגע בשקע, וקווי התנועה שלו יתכופפו לעבר המסה המושכת.
3. הכדור ייפול לתוך החור הזה, לא יוכל לצאת ממנו, ויעשה סיבוב אחד או שניים סביב המסה המשיכה.

האין זה נכון שהאופציה השלישית מדגמנת בצורה יפה מאוד את לכידת כוכב או כוכב לכת של גוף זר המוטס ברישול לשדה המשיכה שלהם?

והמקרה השני הוא כיפוף המסלול של גוף שעף במהירות גדולה ממהירות הלכידה האפשרית! המקרה הראשון דומה לטיסה מחוץ לטווח המעשי של שדה הכבידה. כן, זה מעשי, כי באופן תיאורטי שדה הכבידה הוא בלתי מוגבל.

כמובן שזו אנלוגיה רחוקה מאוד, בעיקר בגלל שאף אחד לא באמת יכול לדמיין את הסטייה של המרחב התלת מימדי שלנו. מה המשמעות הפיזית של הסטייה הזו, או העקמומיות, כפי שאומרים לעתים קרובות, אף אחד לא יודע.

מתורת היחסות הכללית עולה שכל גוף חומרי יכול לנוע בשדה כבידה רק לאורך קווים מעוקלים. רק במקרים מיוחדים, העקומה הופכת לקו ישר.

גם קרן האור מצייתת לכלל זה. אחרי הכל, הוא מורכב מפוטונים בעלי מסה מסוימת בטיסה. ושדה הכבידה משפיע עליו, כמו גם על מולקולה, אסטרואיד או כוכב לכת.

מסקנה חשובה נוספת היא ששדה הכבידה משנה גם את מהלך הזמן. ליד מסה מושכת גדולה, בשדה כבידה חזק שנוצר על ידה, חלוף הזמן צריך להיות איטי יותר מאשר הרחק ממנה.

אתה מבין, ותורת היחסות הכללית טומנת בחובה מסקנות פרדוקסליות שיכולות להפוך את הרעיונות שלנו על "השכל הישר" שוב ושוב!

קריסת כבידה

בואו נדבר על תופעה מדהימה בעלת אופי קוסמי - על קריסת כבידה (דחיסה קטסטרופלית). תופעה זו מתרחשת בהצטברויות עצומות של חומר, שבהן כוחות הכבידה מגיעים לגדלים כה עצומים, שאף כוחות אחרים הקיימים בטבע אינם יכולים לעמוד בפניהם.

זכרו את הנוסחה המפורסמת של ניוטון: ככל שכוח הכבידה גדול יותר, הריבוע של המרחק בין גופים כבידה קטן יותר. לפיכך, ככל שהיווצרות החומר הופכת צפופה יותר, ככל שגודלו קטן יותר, כוחות הכבידה גדלים מהר יותר, כך חיבוקם ההרסני הוא בלתי נמנע יותר.

ישנה טכניקה ערמומית שבה הטבע נאבק בדחיסת החומר הבלתי מוגבלת לכאורה. לשם כך, הוא עוצר את עצם מהלך הזמן בתחום הפעולה של כוחות כבידה ענקיים, והמוני החומר הכבולים, כביכול, כבויים מהיקום שלנו, קפואים בחלום רדום מוזר.

הראשון מבין ה"חורים השחורים" הללו של הקוסמוס כנראה כבר התגלה. על פי ההנחה של המדענים הסובייטים O. Kh Huseynov ו A. Sh Novruzova, זוהי דלתא מזל תאומים - כוכב כפול עם מרכיב אחד בלתי נראה.

למרכיב הגלוי יש מסה של 1.8 שמש, ו"שותפו" הבלתי נראה צריך להיות, על פי חישובים, מסיבי פי ארבעה מזה הנראה לעין. אבל אין לזה עקבות: אי אפשר לראות את היצירה המדהימה ביותר של הטבע, "החור השחור".

המדען הסובייטי פרופסור K.P. Stanyukovich, כמו שאומרים, "על קצה עט", הראה באמצעות מבנים תיאורטיים גרידא שחלקיקים של "חומר קפוא" יכולים להיות מגוונים מאוד בגודלם.

• תצורות הענק שלו אפשריות, בדומה לקוואזרים, המקרינות ברציפות אנרגיה רבה כמו שמקרינים כל 100 מיליארד הכוכבים של הגלקסיה שלנו.
• יתכנו גושים הרבה יותר צנועים, השווים רק לכמה מסות שמש. גם אלה וגם חפצים אחרים יכולים להתעורר בעצמם מחומר רגיל, לא "ישן".
• ואפשרויות תצורות של מעמד שונה לחלוטין, בהתאמה במסה לחלקיקים יסודיים.

על מנת שיקומו, יש צורך קודם כל להכפיף את החומר המרכיב אותם ללחץ עצום ולהסיע אותו אל גבולות תחום השוורצשילד - תחום שבו זמן למתבונן חיצוני נעצר לחלוטין. וגם אם לאחר מכן הלחץ אפילו יוסר, החלקיקים שעבורם נעצר הזמן ימשיכו להתקיים ללא תלות ביקום שלנו.

פלנקונים

פלנקונים הם מחלקה מיוחדת מאוד של חלקיקים. יש להם, לפי ק.פ. סטניוקוביץ', תכונה מעניינת ביותר: הם נושאים חומר בעצמם בצורה ללא שינוי, כפי שהיה לפני מיליוני ומיליארדי שנים. בהסתכלות פנימה של הפלנקאון, יכולנו לראות את החומר כפי שהיה בזמן הולדת היקום שלנו. על פי חישובים תיאורטיים, ישנם כ-1080 פלנקונים ביקום, בקירוב פלנקון אחד בקוביית חלל עם צלע של 10 סנטימטרים. אגב, במקביל לסטניוקוביץ' ו(בלי קשר אליו, השערת הפלקיונים הועלתה על ידי האקדמיה מ.א. מרקוב. ​​רק מרקוב נתן להם שם אחר - מקסימונים.

מאפיינים מיוחדים של פלנקונים יכולים לשמש גם כדי להסביר טרנספורמציות פרדוקסליות לפעמים של חלקיקים אלמנטריים. ידוע שכאשר שני חלקיקים מתנגשים, רסיסים לעולם אינם נוצרים, אלא נוצרים חלקיקים יסודיים אחרים. זה באמת מדהים: בעולם הרגיל, לשבור אגרטל, לעולם לא נקבל כוסות שלמות או אפילו רוזטות. אבל נניח שבעומקו של כל חלקיק יסודי יש פלנקאון, אחד או כמה, ולפעמים הרבה פלקיונים.

ברגע התנגשות חלקיקים, ה"שקית" הקשורה בחוזקה של הפלנקאון נפתחת מעט, חלקיקים "ייפלו" לתוכו, ובמקום "יקפצו החוצה" אלו שנחשבים לנו שקמו במהלך ההתנגשות. במקביל, הפלנקיון, כרואה חשבון חרוץ, יבטיח את כל "חוקי השימור" שננקטו בעולם החלקיקים האלמנטריים.
ובכן, מה הקשר למנגנון הכבידה האוניברסלית?

"אחראים" לכבידה, על פי השערתו של ק.פ. סטניוקוביץ', הם חלקיקים זעירים, מה שנקרא גרביטונים, הנפלטים באופן רציף על ידי חלקיקים יסודיים. גרביטונים קטנים בהרבה מהאחרונים, כמו שגרגר אבק שרוקד בקרן שמש קטן יותר מהכדור.

קרינת הגרוויטונים מצייתת למספר חוקיות. בפרט, קל יותר לטוס לאותו אזור בחלל. שמכיל פחות גרביטונים. המשמעות היא שאם יש שני גרמי שמים בחלל, שניהם יקרינו גרביטונים בעיקר "לחוץ", בכיוונים מנוגדים זה לזה. זה יוצר דחף שגורם לגופים להתקרב זה לזה, למשוך זה את זה.