Nuo seniausių laikų žmonija galvojo apie tai, kaip veikia mus supantis pasaulis. Kodėl auga žolė, kodėl šviečia Saulė, kodėl mes negalime skristi... Pastarasis, beje, visada ypač domino žmones. Dabar žinome, kad visko priežastis yra gravitacija. Kas tai yra ir kodėl šis reiškinys toks svarbus šiandien, mes apsvarstysime.
Įvadas
Mokslininkai nustatė, kad visi masyvūs kūnai patiria abipusį potraukį vienas kitam. Vėliau paaiškėjo, kad ši paslaptinga jėga lemia ir dangaus kūnų judėjimą jų nuolatinėmis orbitomis. Tą pačią gravitacijos teoriją suformulavo genijus, kurio hipotezės nulėmė fizikos raidą daugeliui ateinančių amžių. Šį mokymą išplėtojo ir tęsė (nors ir visiškai kita kryptimi) Albertas Einšteinas – vienas didžiausių praėjusio amžiaus protų.
Šimtmečius mokslininkai stebėjo gravitaciją, bandė ją suprasti ir išmatuoti. Galiausiai, per pastaruosius kelis dešimtmečius net toks reiškinys kaip gravitacija buvo panaudotas žmonijai (žinoma, tam tikra prasme). Kas tai yra, koks yra nagrinėjamo termino apibrėžimas šiuolaikiniame moksle?
mokslinis apibrėžimas
Pastudijuojus senovės mąstytojų darbus, galima sužinoti, kad lotyniškas žodis „gravitas“ reiškia „gravitacija“, „trauka“. Šiandien mokslininkai taip vadina visuotinę ir nuolatinę materialių kūnų sąveiką. Jei ši jėga yra santykinai silpna ir veikia tik tuos objektus, kurie juda daug lėčiau, tai jiems taikytina Niutono teorija. Jei yra priešingai, reikėtų remtis Einšteino išvadomis.
Iš karto padarykime išlygą: šiuo metu pati gravitacijos prigimtis iš esmės nėra iki galo ištirta. Kas tai yra, mes vis dar iki galo nesuprantame.
Niutono ir Einšteino teorijos
Pagal klasikinį Izaoko Niutono mokymą, visi kūnai traukia vienas kitą jėga, kuri yra tiesiogiai proporcinga jų masei, atvirkščiai proporcinga atstumo, esančio tarp jų, kvadratui. Kita vertus, Einšteinas teigė, kad gravitacija tarp objektų pasireiškia erdvės ir laiko kreivumo atveju (o erdvės kreivumas įmanomas tik tuo atveju, jei joje yra materijos).
Ši mintis buvo labai gili, tačiau šiuolaikiniai tyrimai įrodo, kad ji kiek netiksli. Šiandien manoma, kad gravitacija erdvėje tik išlenkia erdvę: laiką galima sulėtinti ir net sustabdyti, tačiau laikinosios materijos formos keitimo realybė teoriškai nepasitvirtino. Todėl klasikinė Einšteino lygtis net nenumato galimybės, kad erdvė ir toliau darys įtaką medžiagai ir atsirandančiam magnetiniam laukui.
Didesniu mastu yra žinomas gravitacijos dėsnis (visuotinė gravitacija), kurio matematinė išraiška priklauso būtent Niutonui:
\[ F = γ \frak[-1,2](m_1 m_2) (r^2) \]
Pagal γ suprantama gravitacinė konstanta (kartais naudojamas simbolis G), kurios reikšmė yra 6,67545 × 10–11 m³ / (kg s²).
Sąveika tarp elementariųjų dalelių
Neįtikėtiną mus supančios erdvės sudėtingumą daugiausia lemia begalinis elementariųjų dalelių skaičius. Tarp jų taip pat yra įvairių sąveikų lygiais, kuriuos galime tik spėlioti. Tačiau visų tipų elementariųjų dalelių tarpusavio sąveika stipriai skiriasi. 
Galingiausia iš visų mums žinomų jėgų sujungia atomo branduolio komponentus. Norėdami juos atskirti, turite išleisti tikrai milžinišką energijos kiekį. Kalbant apie elektronus, jie yra „prisirišę“ prie branduolio tik įprastinės elektromagnetinės sąveikos būdu. Norėdami tai sustabdyti, kartais pakanka energijos, atsirandančios dėl įprasčiausios cheminės reakcijos. Gravitacija (kas tai yra, jūs jau žinote) atomų ir subatominių dalelių variante yra lengviausia sąveikos rūšis.
Gravitacijos laukas šiuo atveju yra toks silpnas, kad sunku įsivaizduoti. Kaip bebūtų keista, bet būtent jie „seka“ dangaus kūnų, kurių masės kartais neįmanoma įsivaizduoti, judėjimą. Visa tai įmanoma dėl dviejų gravitacijos ypatybių, kurios ypač ryškios didelių fizinių kūnų atveju:
- Skirtingai nuo atominių jėgų, gravitacinė trauka yra labiau pastebima kuo toliau nuo objekto. Taigi, Žemės gravitacija savo lauke išlaiko net Mėnulį, o panaši Jupiterio jėga be vargo palaiko kelių palydovų orbitas vienu metu, kurių kiekvieno masė gana panaši į Žemės!
- Be to, ji visada suteikia trauką tarp objektų, o esant atstumui ši jėga silpnėja esant mažam greičiui.
Daugiau ar mažiau nuosekli gravitacijos teorija susiformavo palyginti neseniai ir būtent remiantis šimtmečių senumo planetų ir kitų dangaus kūnų judėjimo stebėjimų rezultatais. Užduotį labai palengvino tai, kad jie visi juda vakuume, kur kitos galimos sąveikos tiesiog nėra. Galilėjus ir Kepleris, du puikūs to meto astronomai, savo vertingiausiais stebėjimais padėjo atverti kelią naujiems atradimams.
Tačiau tik didysis Izaokas Niutonas sugebėjo sukurti pirmąją gravitacijos teoriją ir išreikšti ją matematiniu vaizdu. Tai buvo pirmasis gravitacijos dėsnis, kurio matematinis vaizdas pateiktas aukščiau.
Niutono ir kai kurių jo pirmtakų išvados
Skirtingai nuo kitų fizinių reiškinių, egzistuojančių mus supančiame pasaulyje, gravitacija pasireiškia visada ir visur. Reikia suprasti, kad pseudomoksliniuose sluoksniuose dažnai sutinkamas terminas „nulinė gravitacija“ yra itin neteisingas: net nesvarumas erdvėje nereiškia, kad žmogaus ar erdvėlaivio neveikia kokio nors masyvaus objekto trauka.
Be to, visi materialūs kūnai turi tam tikrą masę, išreikštą jiems veikiančios jėgos forma ir dėl šio smūgio gautą pagreitį.
Taigi gravitacinės jėgos yra proporcingos objektų masei. Skaitmeniškai jas galima išreikšti gavus abiejų svarstomų kūnų masių sandaugą. Ši jėga griežtai paklūsta atvirkštinei priklausomybei nuo atstumo tarp objektų kvadrato. Visos kitos sąveikos gana skirtingai priklauso nuo atstumų tarp dviejų kūnų.
Mišios kaip kertinis teorijos akmuo
Objektų masė tapo ypatingu ginčo tašku, aplink kurį remiasi visa modernioji Einšteino gravitacijos ir reliatyvumo teorija. Jei prisimenate Antrąjį, tikriausiai žinote, kad masė yra privaloma bet kurio fizinio materialaus kūno savybė. Tai parodo, kaip objektas elgsis, jei jam bus taikoma jėga, nepaisant jo kilmės.
Kadangi visi kūnai (pagal Newtoną) įsibėgėja, kai juos veikia išorinė jėga, tai nuo masės priklauso, kokio dydžio bus šis pagreitis. Pažvelkime į aiškesnį pavyzdį. Įsivaizduokite motorolerį ir autobusą: jei juos pritaikysite lygiai tokia pačia jėga, skirtingu laiku jie pasieks skirtingą greitį. Visa tai paaiškinama gravitacijos teorija.
Koks yra masės ir traukos santykis?
Jei mes kalbame apie gravitaciją, tada masė šiame reiškinyje atlieka visiškai priešingą vaidmenį tam, kurį ji atlieka objekto jėgos ir pagreičio atžvilgiu. Būtent ji pati yra pagrindinis traukos šaltinis. Jei paimsite du kūnus ir pamatysite, kokia jėga jie pritraukia trečiąjį objektą, esantį vienodais atstumais nuo pirmųjų dviejų, tada visų jėgų santykis bus lygus pirmųjų dviejų objektų masių santykiui. Taigi traukos jėga yra tiesiogiai proporcinga kūno masei. 
Jei atsižvelgsime į trečiąjį Niutono dėsnį, pamatytume, kad jis sako lygiai tą patį. Sunkio jėga, kuri veikia du kūnus, esančius vienodu atstumu nuo traukos šaltinio, tiesiogiai priklauso nuo šių objektų masės. Kasdieniame gyvenime mes kalbame apie jėgą, kuria kūnas pritraukiamas planetos paviršiuje kaip jo svoris.
Apibendrinkime kai kuriuos rezultatus. Taigi masė yra glaudžiai susijusi su jėga ir pagreičiu. Tuo pačiu metu ji nustato jėgą, kuria gravitacija veiks kūną.
Kūnų pagreičio ypatumai gravitaciniame lauke
Šis nuostabus dvilypumas yra priežastis, kodėl tame pačiame gravitaciniame lauke visiškai skirtingų objektų pagreitis bus vienodas. Tarkime, kad turime du kūnus. Vienam iš jų priskirkime masę z, o kitam Z. Abu objektai numesti ant žemės, kur laisvai krenta.
Kaip nustatomas traukos jėgų santykis? Tai rodo paprasčiausia matematinė formulė - z / Z. Tai tik pagreitis, kurį jie gauna dėl gravitacijos jėgos, bus lygiai toks pat. Paprasčiau tariant, kūno pagreitis gravitaciniame lauke niekaip nepriklauso nuo jo savybių.
Nuo ko priklauso pagreitis aprašytu atveju?
Tai priklauso tik (!) nuo objektų, kurie sukuria šį lauką, masės, taip pat nuo jų erdvinės padėties. Dvigubas masės vaidmuo ir vienodas įvairių kūnų pagreitis gravitaciniame lauke buvo atrastas gana ilgą laiką. Šie reiškiniai gavo tokį pavadinimą: „Ekvivalentiškumo principas“. Šis terminas dar kartą pabrėžia, kad pagreitis ir inercija dažnai yra lygiaverčiai (žinoma, tam tikru mastu).
Apie svarbą G
Iš mokyklos fizikos kurso prisimename, kad laisvo kritimo pagreitis mūsų planetos paviršiuje (Žemės gravitacija) yra 10 m / s² (žinoma, 9,8, tačiau ši vertė naudojama skaičiavimo patogumui). Taigi, jei neatsižvelgiama į oro pasipriešinimą (žymiame aukštyje esant nedideliam kritimo atstumui), poveikis bus gautas, kai kūnas įgis 10 m / s pagreičio prieaugį. kiekviena sekundė. Taigi iš antro namo aukšto nukritusi knyga iki skrydžio pabaigos judės 30-40 m/sek greičiu. Paprasčiau tariant, 10 m/s yra gravitacijos „greitis“ Žemėje. 
Pagreitis dėl gravitacijos fizinėje literatūroje žymimas raide „g“. Kadangi Žemės forma tam tikru mastu labiau primena mandariną nei sferą, šio kiekio vertė toli gražu nėra vienoda visuose jos regionuose. Taigi, ties ašigaliais pagreitis didesnis, o aukštų kalnų viršūnėse – mažesnis.
Net kasybos pramonėje gravitacija atlieka svarbų vaidmenį. reiškiniai kartais gali sutaupyti daug laiko. Taigi geologus ypač domina idealiai tikslus g nustatymas, nes tai leidžia išskirtinai tiksliai tyrinėti ir rasti naudingųjų iškasenų telkinius. Beje, kaip atrodo gravitacijos formulė, kurioje svarbų vaidmenį atlieka mūsų laikyta vertė? Štai ir ji:
Pastaba! Šiuo atveju gravitacinė formulė G reiškia „gravitacinę konstantą“, kurios reikšmę jau nurodėme aukščiau.
Vienu metu Niutonas suformulavo minėtus principus. Jis puikiai suprato ir vienybę, ir universalumą, tačiau negalėjo apibūdinti visų šio reiškinio aspektų. Ši garbė teko Albertui Einšteinui, kuris taip pat sugebėjo paaiškinti lygiavertiškumo principą. Būtent jam žmonija turi modernų supratimą apie pačią erdvės ir laiko kontinuumo prigimtį.
Reliatyvumo teorija, Alberto Einšteino darbai
Izaoko Niutono laikais buvo manoma, kad atskaitos taškai gali būti pavaizduoti kaip kažkokie standūs „stypai“, kurių pagalba nustatoma kūno padėtis erdvinėje koordinačių sistemoje. Tuo pačiu metu buvo daroma prielaida, kad visi stebėtojai, pažymėję šias koordinates, bus vienoje laiko erdvėje. Tais metais ši nuostata buvo laikoma tokia akivaizdžia, kad nebuvo bandoma jos nuginčyti ar papildyti. Ir tai suprantama, nes mūsų planetoje šioje taisyklėje nėra jokių nukrypimų.
Einšteinas įrodė, kad matavimo tikslumas būtų tikrai reikšmingas, jei hipotetinis laikrodis judėtų daug lėčiau nei šviesos greitis. Paprasčiau tariant, jei vienas stebėtojas, judantis lėčiau nei šviesos greitis, seka du įvykius, tada jie jam įvyks tuo pačiu metu. Atitinkamai, antrajam stebėtojui? kurių greitis yra vienodas ar didesnis, įvykiai gali vykti skirtingu laiku.
Tačiau kaip gravitacijos jėga yra susijusi su reliatyvumo teorija? Išsamiai išnagrinėkime šią problemą.
Santykis tarp reliatyvumo ir gravitacinių jėgų
Pastaraisiais metais buvo padaryta daugybė atradimų subatominių dalelių srityje. Vis stiprėja įsitikinimas, kad netrukus atrasime galutinę dalelę, už kurios mūsų pasaulis negali būti padalintas. Tuo labiau reikia išsiaiškinti, kaip mažiausias mūsų visatos „plytas“ veikia tos pagrindinės jėgos, kurios buvo atrastos praėjusiame amžiuje ar net anksčiau. Ypač apmaudu, kad pati gravitacijos prigimtis dar nepaaiškinta.
Štai kodėl po Einšteino, kuris nustatė Niutono klasikinės mechanikos „nepajėgumą“ nagrinėjamoje srityje, mokslininkai sutelkė dėmesį į visišką anksčiau gautų duomenų permąstymą. Daugeliu atžvilgių pati gravitacija buvo peržiūrėta. Kas tai yra subatominių dalelių lygyje? Ar tai turi kokią nors prasmę šiame nuostabiame daugiamačiame pasaulyje?
Paprastas sprendimas?
Iš pradžių daugelis manė, kad Niutono gravitacijos ir reliatyvumo teorijos neatitikimas gali būti paaiškintas gana paprastai, remiantis analogijomis iš elektrodinamikos srities. Galima būtų daryti prielaidą, kad gravitacinis laukas sklinda kaip magnetinis, po kurio jis gali būti paskelbtas dangaus kūnų sąveikos „tarpininku“, paaiškinančiu daugybę neatitikimų tarp senosios ir naujosios teorijos. Faktas yra tas, kad tada santykiniai nagrinėjamų jėgų sklidimo greičiai būtų daug mažesni už šviesos greitį. Taigi, kaip yra susiję gravitacija ir laikas?
Iš esmės pačiam Einšteinui beveik pavyko sukurti reliatyvistinę teoriją, pagrįstą būtent tokiomis pažiūromis, tik viena aplinkybė sutrukdė jo ketinimui. Nė vienas iš to meto mokslininkų apskritai neturėjo jokios informacijos, kuri padėtų nustatyti gravitacijos „greitį“. Tačiau buvo daug informacijos, susijusios su didelių masių judėjimais. Kaip žinoma, jie buvo tik visuotinai pripažintas galingų gravitacinių laukų šaltinis.
Didelis greitis stipriai veikia kūnų mases, ir tai visai nepanaši į greičio ir krūvio sąveiką. Kuo didesnis greitis, tuo didesnė kūno masė. Problema ta, kad judant šviesos ar didesniu greičiu paskutinė reikšmė automatiškai taptų begalinė. Todėl Einšteinas padarė išvadą, kad egzistuoja ne gravitacinis, o tenzorinis laukas, kurio aprašymui reikėtų panaudoti daug daugiau kintamųjų.
Jo pasekėjai padarė išvadą, kad gravitacija ir laikas praktiškai nesusiję. Faktas yra tas, kad šis tenzorinis laukas pats gali veikti erdvę, tačiau jis negali paveikti laiko. Tačiau puikus šiuolaikinis fizikas Stephenas Hawkingas turi kitokį požiūrį. Bet tai visai kita istorija...
