重力 - それは何ですか? 重力。地球重力

人類は太古の昔から、私たちを取り巻く世界の仕組みについて考えてきました。なぜ草が生えるのか、なぜ太陽は輝くのか、なぜ私たちは飛べないのか...ちなみに、後者は常に人々の関心を集めてきました。今、私たちはすべての理由が重力であることを知っています. それは何であり、なぜこの現象が今日の私たちにとってそれほど重要なのかを考えてみましょう.

序章

科学者たちは、すべての巨大な物体が相互に引き付け合うことを発見しました。その後、この不思議な力が、一定の軌道での天体の動きも決定することが判明しました。まさに同じ重力理論が天才によって定式化され、その仮説はその後何世紀にもわたって物理学の発展を決定づけました。（まったく異なる方向ではあるが）この教えは、前世紀の最も偉大な精神の1つであるアルバート・アインシュタインによって開発され、継続された.

何世紀にもわたって、科学者は重力を観察し、それを理解し測定しようとしてきました。最後に、ここ数十年で、重力のような現象でさえ、人類の役に立つようになりました (もちろん、ある意味では)。それは何ですか、現代科学における問題の用語の定義は何ですか?

科学的定義

古代の思想家の作品を研究すると、ラテン語の「gravitas」が「重力」、「引力」を意味することがわかります。今日、科学者たちは、物質間の普遍的で絶え間ない相互作用をそう呼んでいます。この力が比較的弱く、はるかにゆっくり動く物体にのみ作用する場合、ニュートンの理論はそれらに適用できます。状況が逆の場合は、アインシュタインの結論を使用する必要があります。

すぐに予約しましょう。現時点では、重力の性質自体は原理的に十分に研究されていません。それが何であるか、私たちはまだ完全には理解していません。

ニュートンとアインシュタインの理論

アイザックニュートンの古典的な教えによれば、すべての物体は、それらの質量に正比例し、物体間の距離の 2 乗に反比例する力で互いに引き付けられます。一方、アインシュタインは、物体間の重力は、空間と時間の曲率の場合に現れると主張しました (空間の曲率は、その中に物質がある場合にのみ可能です)。

この考えは非常に奥深いものでしたが、現代の研究はそれがいくらか不正確であることを証明しています. 今日、宇宙の重力は空間を曲げるだけであると考えられています。時間は遅くなり、停止することさえありますが、一時的な物質の形状を変えるという現実は理論的に確認されていません. したがって、古典的なアインシュタインの方程式は、空間が物質と出現する磁場に影響を与え続ける可能性さえ提供していません。

より広い範囲で、重力の法則（万有引力）が知られており、その数式は正確にニュートンに属しています。

\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ の下では、重力定数 (記号 G が使用される場合もあります) が理解され、その値は 6.67545 × 10−11 m³ / (kg s²) です。

素粒子間の相互作用

私たちの周りの空間の信じられないほどの複雑さは、主に無数の素粒子によるものです。私たちが推測することしかできないレベルで、それらの間にはさまざまな相互作用もあります。ただし、素粒子同士のすべてのタイプの相互作用は、その強度が大きく異なります。

私たちが知っているすべての力の中で最も強力な力は、原子核の構成要素を結びつけます。それらを分離するには、本当に膨大な量のエネルギーを費やす必要があります。電子に関しては、それらは通常の電磁相互作用によってのみ原子核に「付着」しています。それを止めるには、ごく普通の化学反応の結果として現れるエネルギーで十分な場合があります。原子と亜原子粒子のバリアントにおける重力 (それが何であるかは既にご存じです) は、最も簡単な種類の相互作用です。

この場合の重力場は非常に弱いため、想像するのは困難です。奇妙なことに、質量が想像できない天体の動きを「追う」のは彼らです。これはすべて、大きな物体の場合に特に顕著になる重力の 2 つの特徴によって可能になります。

原子間力とは異なり、引力は物体から離れるほど顕著になります。そのため、地球の重力は月さえもその場に保持し、木星の同様の力は一度に複数の衛星の軌道を簡単に支えます。それぞれの質量は地球の質量に匹敵します!
さらに、それは常にオブジェクト間に引力を提供し、距離が離れるとこの力は低速で弱まります。

多かれ少なかれ首尾一貫した重力理論の形成は、比較的最近、惑星や他の天体の運動の何世紀にもわたる観察結果に基づいて正確に行われました。この作業は、それらがすべて真空中で移動するという事実によって大幅に促進されました。そこでは、他に可能な相互作用はまったくありません。当時の 2 人の傑出した天文学者であるガリレオとケプラーは、最も貴重な観測によって新しい発見への道を開くのに役立ちました。

しかし、偉大なアイザックニュートンだけが重力の最初の理論を作成し、それを数学的表現で表現することができました。これが重力の第一法則であり、その数学的表現は上に示されています。

ニュートンと彼の前任者の結論

私たちの周りの世界に存在する他の物理現象とは異なり、重力はいつでもどこでも現れます。科学に近い分野でよく使われる「無重力」という用語は非常に正しくないことを理解する必要があります。宇宙で無重力であっても、人や宇宙船が何らかの巨大な物体の引力の影響を受けないという意味ではありません。

さらに、すべての物体には一定の質量があり、それらに加えられた力と、この衝撃によって得られる加速度の形で表されます。

したがって、重力は物体の質量に比例します。数値的には、考慮された両方の物体の質量の積を取得することによって表現できます。この力は、オブジェクト間の距離の 2 乗に対する逆依存性に厳密に従います。他のすべての相互作用は、2 つの物体間の距離によって大きく異なります。

理論の基礎としての質量

オブジェクトの質量は、アインシュタインの現代の重力理論と相対性理論全体が構築される特定の論点となっています。第二を覚えているなら、質量は物理的な物体の必須の特性であることをおそらく知っているでしょう。原点に関係なく、力が加えられた場合にオブジェクトがどのように動作するかを示します。

すべての物体 (ニュートンによれば) は外力が作用すると加速するため、この加速の大きさを決定するのは質量です。より明確な例を見てみましょう。スクーターとバスを想像してみてください。まったく同じ力を加えると、異なる時間に異なる速度に達します。これはすべて重力の理論によって説明されます。

質量と引力の関係は？

重力について言えば、この現象における質量は、物体の力と加速度に関して果たす役割とはまったく逆の役割を果たします。魅力そのものの主な源は彼女です。 2 つの物体を取り、それらが最初の 2 つの物体から等距離にある 3 番目の物体を引き付ける力を見ると、すべての力の比率は最初の 2 つの物体の質量の比率に等しくなります。したがって、引力は物体の質量に正比例します。

ニュートンの第三法則を考えると、彼がまったく同じことを言っていることがわかります。引力の源から等距離にある2つの物体に作用する重力は、これらの物体の質量に直接依存します。日常生活では、物体が地球の表面に引き付けられる力をその重量として話します。

いくつかの結果をまとめましょう。したがって、質量は力と加速度に密接に関係しています。同時に、重力が体に作用する力を決定するのは彼女です。

重力場における物体の加速度の特徴

この驚くべき二重性が、同じ重力場では、まったく異なる物体の加速度が等しくなる理由です。 2 つの体があるとします。そのうちの 1 つに質量 z を割り当て、もう 1 つに Z を割り当てます。両方のオブジェクトが地面に落とされ、そこで自由に落下します。

引力の比率はどのように決定されますか? これは、最も単純な数式 - z / Z で示されます。それは、重力の結果として彼らが受ける加速度であり、まったく同じになります. 簡単に言えば、重力場で物体が持つ加速度は、その特性にまったく依存しません。

上記の場合、加速度は何に依存しますか?

それは、このフィールドを作成するオブジェクトの質量と、それらの空間位置にのみ (!) 依存します。重力場における質量の二重の役割と、さまざまな物体の等しい加速度は、比較的長い間発見されてきました。これらの現象は、「等価性の原理」という名前が付けられています。この用語は、加速と慣性がしばしば同等であることを強調しています (もちろん、ある程度まで)。

Gの重要性について

学校の物理コースから、私たちの惑星の表面の自由落下の加速度 (地球の重力) は 10 m/s² (もちろん 9.8 ですが、この値は計算を簡単にするために使用されます) であることを覚えています。したがって、空気抵抗が考慮されていない場合（落下距離が小さいかなりの高さで）、体が10 m / sの加速度増分を取得したときに効果が得られます。一秒ごと。したがって、家の 2 階から落ちた本は、飛行の終わりまでに 30 ～ 40 m/秒の速度で移動します。簡単に言えば、10 m/s は地球内の重力の「速度」です。

物理学の文献では、重力による加速度は文字「g」で表されます。地球の形はある程度球形というよりみかんに似ているため、この量の値はすべての地域で同じというわけにはいきません。そのため、極では加速度が高く、高い山の頂上では加速度が小さくなります。

鉱業でも、重力は重要な役割を果たします。現象により、時間を大幅に節約できる場合があります。したがって、地質学者は、理想的に正確な g の決定に特に関心を持っています。これにより、非常に正確な鉱床の探査と発見が可能になるからです。ところで、これまで考えてきた値が重要な役割を果たしている重力の式はどのようになっているのでしょうか? 彼女はそこだ：

ノート！この場合、重力式は G によって「重力定数」を意味し、その値は既に上で与えられています。

かつて、ニュートンは上記の原則を定式化しました。彼は統一性と普遍性の両方を完全に理解していましたが、この現象のすべての側面を説明することはできませんでした. この栄誉は、同等性の原則を説明することもできたアルバートアインシュタインに降りかかりました。人類が時空の連続体の性質そのものを現代的に理解できるようになったのは、彼のおかげです。

相対性理論、アルバート・アインシュタインの作品

アイザック・ニュートンの時代には、空間座標系での身体の位置を確立する助けを借りて、基準点をある種の剛体の「棒」として表すことができると考えられていました。同時に、これらの座標をマークするすべての観測者が単一の時間空間にいると想定されていました。当時、この規定は非常に明白であると考えられていたため、異議を唱えたり補足したりする試みはありませんでした。私たちの惑星内では、この規則に逸脱がないため、これは理解できます。

アインシュタインは、仮想時計が光速よりもはるかに遅く動いている場合、測定の精度が非常に重要であることを証明しました。簡単に言えば、光速よりも遅い速度で移動する 1 人の観測者が 2 つのイベントを追跡すると、それらは同時に発生します。したがって、2番目のオブザーバーは？その速度は同じかそれ以上ですが、イベントは異なる時間に発生する可能性があります。

しかし、重力は相対性理論とどのように関係しているのでしょうか? この問題について詳しく見ていきましょう。

相対論と重力の関係

近年、素粒子の分野で膨大な数の発見がなされています。私たちの世界をそれ以上分割することのできない最後の粒子を見つけようとしているという確信が強まっています。私たちの宇宙の最小の「レンガ」が、前世紀またはそれ以前に発見されたこれらの基本的な力によってどのように影響を受けるかを正確に突き止める必要性がより強く求められています. 重力の性質そのものがまだ説明されていないことは特に残念です。

そのため、検討中の領域で古典的なニュートン力学の「無能」を確立したアインシュタインの後、研究者は以前に得られたデータの完全な再考に焦点を当てました. 多くの点で、重力自体が改訂されました。素粒子のレベルでは何ですか？この驚くべき多次元世界で何か意味があるのでしょうか?

簡単な解決策？

最初は、ニュートンの重力と相対性理論の不一致は、電気力学の分野から類推を引き出すことで非常に簡単に説明できると多くの人が考えていました。重力場は磁気のように伝播すると仮定することができ、その後、天体の相互作用における「仲介者」と宣言することができ、古い理論と新しい理論の間の多くの矛盾を説明しています. 実際には、検討中の力の伝播の相対速度は、光の速度よりもはるかに遅くなります。では、重力と時間はどのように関係しているのでしょうか?

原則として、アインシュタイン自身は、まさにそのような見解に基づいて相対論を構築することにほぼ成功しましたが、彼の意図を妨げたのは 1 つの状況だけでした。当時の科学者は、重力の「速度」を決定するのに役立つ情報をまったく持っていませんでした。しかし、大きな塊の動きに関連する多くの情報がありました。知られているように、それらは一般に認識されている強力な重力場の発生源でした。

高速は物体の質量に強く影響しますが、これは速度と電荷の相互作用とはまったく異なります。速度が速ければ速いほど、体の質量は大きくなります。問題は、光速以上の移動の場合、最後の値が自動的に無限大になることです。したがって、アインシュタインは、重力場ではなくテンソル場があり、その記述にはさらに多くの変数を使用する必要があると結論付けました。