Niutonas pirmasis nustatė, kad akmens kritimą į Žemę, planetų judėjimą aplink Saulę ir Mėnulio judėjimą aplink Žemę sukelia jėga arba gravitacinė sąveika.
Sąveika tarp kūnų per atstumą vyksta per jų sukuriamą gravitacinį lauką. Dėl daugybės eksperimentinių faktų Niutonas sugebėjo nustatyti dviejų kūnų traukos jėgos priklausomybę nuo atstumo tarp jų. Niutono dėsnis, vadinamas visuotinės traukos dėsniu, teigia, kad bet kurie du kūnai vienas kitą traukia jėga, proporcinga jų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Įstatymas vadinamas universaliu arba universaliu, nes jis apibūdina gravitacinę sąveiką tarp bet kokių Visatoje esančių kūnų, turinčių masę, poros. Šios jėgos labai silpnos, bet joms nėra kliūčių.
Įstatymas tiesiogine išraiška atrodo taip:
Gravitacija
Žemės rutulys visiems į Žemę krentantiems kūnams suteikia vienodą pagreitį g = 9,8 m/s2, vadinamą gravitacijos pagreičiu. Tai reiškia, kad Žemė veikia, traukia visus kūnus jėga, vadinama gravitacija. Tai ypatinga universaliosios gravitacinės jėgos rūšis. Gravitacijos jėga yra 
, priklauso nuo kūno masės m, matuojamos kilogramais (kg). Vertė g = 9,8 m/s2 imama kaip apytikslė vertė skirtingose platumose ir skirtingose ilgumose jos reikšmė šiek tiek keičiasi dėl to, kad:
- Žemės spindulys kinta nuo ašigalio iki pusiaujo (dėl to g vertė ties pusiauju sumažėja 0,18%);
- Sukimosi sukeltas išcentrinis efektas priklauso nuo geografinės platumos (sumažina reikšmę 0,34%).
Nesvarumas
Tarkime, kad kūnas patenka į gravitacijos poveikį. Kitos jėgos jo neveikia. Šis judėjimas vadinamas laisvu kritimu. Tuo laikotarpiu, kai kūną veikia tik F sunkus, kūnas bus nesvarumo būsenoje. Laisvo kritimo metu dingsta žmogaus svoris.
Svoris – tai jėga, kuria kūnas ištempia pakabą arba veikia horizontalią atramą.
Nesvarumo būseną patiria parašiutininkas šuolio metu, žmogus šuolio su slidėmis metu, o lėktuvo keleivis įkritęs į oro kišenę. Nesvarumą jaučiame tik labai trumpai, vos kelias sekundes. Tačiau astronautai erdvėlaivyje, skriejančiame orbitoje su išjungtais varikliais, ilgą laiką patiria nesvarumą. Erdvėlaivis yra laisvo kritimo būsenoje, o kūnai nustoja veikti atramą ar pakabą – jie yra nesvarumo būsenoje.
Dirbtiniai žemės palydovai
Įveikti Žemės gravitaciją įmanoma, jei kūnas turi tam tikrą greitį. Naudodamiesi gravitacijos dėsniu, galime nustatyti greitį, kuriuo m masės kūnas, besisukantis apskritimo orbita aplink planetą, nenukris ant jo ir taps jos palydovu. Apsvarstykite kūno judėjimą apskritimu aplink Žemę. Kūną veikia Žemės gravitacijos jėga. Iš antrojo Niutono dėsnio turime:
Kadangi kūnas juda apskritimu įcentriniu pagreičiu:
Kur r yra apskritimo orbitos spindulys, R = 6400 km yra Žemės spindulys, o h yra aukštis virš Žemės paviršiaus, kuriuo juda palydovas. Jėga F, veikianti m masės kūną, lygi 
, kur Mz = 5,98*1024 kg – Žemės masė.
Mes turime: 
. Išreiškiantis greitį 
tai bus vadinama Pirmasis kosminis greitis yra mažiausias greitis, kuriuo kūnas perduodamas, jis tampa dirbtiniu Žemės palydovu (AES).
Jis taip pat vadinamas apskritimu. Mes paimame aukštį, lygų 0, ir randame šį greitį, jis yra maždaug lygus: 
Jis lygus dirbtinio palydovo, besisukančio aplink Žemę žiedine orbita, greičiui, nesant atmosferos pasipriešinimo. 
Iš formulės matote, kad palydovo greitis nepriklauso nuo jo masės, o tai reiškia, kad dirbtiniu palydovu gali tapti bet kuris kūnas.
Jei suteiksite kūnui didesnį greitį, jis įveiks Žemės gravitaciją.
Antrasis kosminis greitis yra mažiausias greitis, leidžiantis kūnui be jokių papildomų jėgų įveikti gravitaciją ir tapti Saulės palydovu.
Šis greitis buvo vadinamas paraboliniu, jis atitinka parabolinę kūno trajektoriją Žemės gravitaciniame lauke (jei nėra atmosferos pasipriešinimo). Jį galima apskaičiuoti pagal formulę: 
Čia r yra atstumas nuo Žemės centro iki paleidimo vietos.
Netoli Žemės paviršiaus 
. Yra dar vienas greitis, kuriuo kūnas gali išeiti iš Saulės sistemos ir klajoti erdvės platybėse.
Trečiasis pabėgimo greitis, mažiausias greitis, leidžiantis erdvėlaiviui įveikti Saulės gravitaciją ir palikti Saulės sistemą.
Šis greitis 
Pagal kokį įstatymą tu mane pakarti?
– Ir mes pakabiname visus pagal vieną dėsnį – Visuotinės gravitacijos dėsnį.
Gravitacijos dėsnis
Gravitacijos reiškinys yra visuotinės gravitacijos dėsnis. Du kūnai veikia vienas kitą jėga, kuri yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui ir tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai.
Matematiškai šį puikų dėsnį galime išreikšti formule
Gravitacija Visatoje veikia dideliais atstumais. Tačiau Niutonas teigė, kad visi objektai yra vienas kitą traukiantys. Ar tiesa, kad bet kurie du objektai traukia vienas kitą? Įsivaizduokite, žinoma, kad Žemė jus traukia sėdint ant kėdės. Bet ar kada pagalvojote, kad kompiuteris ir pelė traukia vienas kitą? Arba pieštukas ir rašiklis guli ant stalo? Tokiu atveju į formulę pakeičiame rašiklio masę ir pieštuko masę, padalijame iš atstumo tarp jų kvadrato, atsižvelgdami į gravitacinę konstantą, ir gauname jų tarpusavio traukos jėgą. Bet jis bus toks mažas (dėl mažų rašiklio ir pieštuko masių), kad nejaučiame jo buvimo. Visai kas kita, kai kalbama apie Žemę ir kėdę, ar Saulę ir Žemę. Masės yra reikšmingos, vadinasi, jau galime įvertinti jėgos poveikį.
Prisiminkime laisvojo kritimo pagreitį. Tai yra traukos dėsnio poveikis. Veikiamas jėgos, kūnas keičia greitį kuo lėčiau, tuo didesnė jo masė. Dėl to visi kūnai į Žemę krenta vienodu pagreičiu.
Kas sukelia šią nematomą unikalią jėgą? Šiandien gravitacinio lauko egzistavimas yra žinomas ir įrodytas. Daugiau apie gravitacinio lauko prigimtį galite sužinoti papildomoje medžiagoje šia tema.
Pagalvok apie tai, kas yra gravitacija? Iš kur tai? Kas tai? Ar tikrai negali būti taip, kad planeta žiūri į Saulę, mato, kaip toli ji yra, ir pagal šį dėsnį apskaičiuoja atvirkštinį atstumo kvadratą?
Gravitacijos kryptis
Yra du kūnai, tarkime, kūnas A ir B. Kūnas A traukia kūną B. Jėga, kuria veikia kūnas A, prasideda nuo kūno B ir yra nukreipta į kūną A. Tai yra, jis „paima“ kūną B ir traukia jį link savęs. . Kūnas B „daro“ tą patį su kūnu A.
Kiekvieną kūną traukia Žemė. Žemė "paima" kūną ir traukia jį link centro. Todėl ši jėga visada bus nukreipta vertikaliai žemyn, ir ji veikiama nuo kūno svorio centro, ji vadinama sunkio jėga.
Svarbiausia atsiminti
Kai kurie geologinių tyrinėjimų, potvynių ir potvynių prognozavimo metodai, o pastaruoju metu – dirbtinių palydovų ir tarpplanetinių stočių judėjimo skaičiavimas. Išankstinis planetų padėčių skaičiavimas.
Ar galime patys atlikti tokį eksperimentą ir neatspėti, ar planetos ir objektai traukia?
Tokia tiesioginė patirtis padaryta Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) – anglų fizikas ir chemikas) naudojant paveikslėlyje parodytą įrenginį. Idėja buvo pakabinti strypą su dviem rutuliais ant labai plono kvarcinio siūlelio ir tada iš šono prie jų atnešti du didelius švino rutulius. Rutuliukų pritraukimas šiek tiek susuks siūlą – nežymiai, nes traukos jėgos tarp įprastų daiktų yra labai silpnos. Tokio prietaiso pagalba Cavendish galėjo tiesiogiai išmatuoti abiejų masių jėgą, atstumą ir dydį ir taip nustatyti gravitacinė konstanta G.
Unikalus gravitacinės konstantos G, apibūdinančios gravitacinį lauką erdvėje, atradimas leido nustatyti Žemės, Saulės ir kitų dangaus kūnų masę. Todėl Cavendishas savo eksperimentą pavadino „Žemės svėrimu“.
Įdomu tai, kad įvairūs fizikos dėsniai turi tam tikrų bendrų bruožų. Atsigręžkime į elektros dėsnius (Kulono jėga). Elektrinės jėgos taip pat atvirkščiai proporcingos atstumo kvadratui, bet tarp krūvių, ir nevalingai kyla mintis, kad šiame šablone slypi gili prasmė. Iki šiol niekas negalėjo įsivaizduoti gravitacijos ir elektros kaip dviejų skirtingų tos pačios esmės apraiškų.
Jėga čia taip pat kinta atvirkščiai, atsižvelgiant į atstumo kvadratą, tačiau elektrinių ir gravitacinių jėgų dydžio skirtumas yra ryškus. Bandydami nustatyti bendrą gravitacijos ir elektros prigimtį, mes atrandame tokį elektrinių jėgų pranašumą prieš gravitacijos jėgas, kad sunku patikėti, kad abu turi tą patį šaltinį. Kaip galima sakyti, kad vienas galingesnis už kitą? Juk viskas priklauso nuo to, kokia masė ir koks krūvis. Aptariant, kaip stipriai veikia gravitacija, neturite teisės sakyti: „Paimkime tokio ir tokio dydžio masę“, nes renkatės patys. Bet jei paimsime tai, ką mums siūlo pati Gamta (jos pačios skaičiai ir matai, kurie neturi nieko bendra su mūsų coliais, metais, su mūsų matais), tada galėsime palyginti. Imame elementarią įkrautą dalelę, pavyzdžiui, elektroną. Dvi elementarios dalelės, du elektronai dėl elektros krūvio atstumia vienas kitą jėga, atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui, ir dėl gravitacijos vėl traukia viena kitą jėga, atvirkščiai proporcinga kvadratui. Atstumas.
Klausimas: koks yra gravitacinės jėgos ir elektrinės jėgos santykis? Gravitacija reiškia elektrinį atstūmimą kaip vienas skaičius su 42 nuliais. Tai sukelia giliausią sumišimą. Iš kur gali atsirasti toks didžiulis skaičius?
Žmonės šio didžiulio koeficiento ieško kituose gamtos reiškiniuose. Jie bando visokius didelius skaičius, o jei reikia didelio skaičiaus, kodėl gi nepaimant, tarkime, Visatos skersmens santykio su protono skersmeniu – stebėtina, kad tai irgi skaičius su 42 nuliais. Ir taip jie sako: gal šis koeficientas lygus protono skersmens ir Visatos skersmens santykiui? Tai įdomi idėja, tačiau Visatai palaipsniui plečiantis, turi keistis ir gravitacinė konstanta. Nors ši hipotezė dar nepaneigta, mes neturime jokių jos naudai įrodymų. Priešingai, kai kurie įrodymai rodo, kad gravitacinė konstanta taip nepasikeitė. Šis didžiulis skaičius iki šiol tebėra paslaptis.
Einšteinas turėjo modifikuoti gravitacijos dėsnius pagal reliatyvumo principus. Pirmasis iš šių principų teigia, kad atstumas x negali būti įveiktas akimirksniu, o pagal Niutono teoriją jėgos veikia akimirksniu. Einšteinas turėjo pakeisti Niutono dėsnius. Šie pakeitimai ir patikslinimai yra labai maži. Vienas iš jų yra toks: kadangi šviesa turi energijos, energija lygi masei, o visos masės traukia, šviesa taip pat traukia, todėl, eidama pro Saulę, turi būti nukreipta. Taip iš tikrųjų atsitinka. Einšteino teorijoje gravitacijos jėga taip pat šiek tiek pakeista. Tačiau šio labai nedidelio gravitacijos dėsnio pakeitimo pakanka paaiškinti kai kuriuos akivaizdžius Merkurijaus judėjimo nelygumus.
Fiziniams reiškiniams mikropasaulyje galioja kitokie dėsniai nei pasaulio reiškiniams dideliu mastu. Kyla klausimas: kaip gravitacija pasireiškia mažų svarstyklių pasaulyje? Į tai atsakys kvantinė gravitacijos teorija. Tačiau kvantinės gravitacijos teorijos dar nėra. Žmonėms dar nelabai sekėsi sukurti gravitacijos teoriją, kuri visiškai atitiktų kvantinės mechanikos principus ir neapibrėžtumo principus.
Pagal Niutono dėsnius, kūnas gali judėti su pagreičiu tik veikiamas jėgos. Nes Krintantys kūnai juda su pagreičiu, nukreiptu žemyn, tada juos veikia gravitacijos jėga Žemės link. Tačiau ne tik Žemė turi savybę visus kūnus veikti gravitacijos jėga. Izaokas Niutonas teigė, kad tarp visų kūnų yra gravitacinės jėgos. Šios jėgos vadinamos visuotinės gravitacijos jėgos arba gravitacinis pajėgos.
Išplėtęs nusistovėjusius modelius - Žemės kūnų traukos jėgos priklausomybę nuo atstumų tarp kūnų ir sąveikaujančių kūnų masių, gautų stebėjimų metu, Niutonas atrado 1682 m. visuotinės gravitacijos dėsnis:Visi kūnai traukia vienas kitą, visuotinės gravitacijos jėga yra tiesiogiai proporcinga kūnų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui:
Visuotinių gravitacinių jėgų vektoriai nukreipti išilgai tiesės, jungiančios kūnus. Proporcingumo koeficientas G vadinamas gravitacinė konstanta (universali gravitacijos konstanta) ir yra lygus
.
Gravitacija Gravitacinė jėga, veikianti visus Žemės kūnus, vadinama:
.
Leisti 
yra Žemės masė ir 
– Žemės spindulys. Panagrinėkime laisvojo kritimo pagreičio priklausomybę nuo pakilimo virš Žemės paviršiaus aukščio:
Kūno svoris. Nesvarumas
Kūno svoris - jėga, kuria kūnas spaudžia atramą ar pakabą dėl šio kūno pritraukimo prie žemės. Kūno svoris taikomas atramai (pakabai). Kūno svorio dydis priklauso nuo to, kaip kūnas juda su atrama (pakaba).
Kūno svoris, t.y. jėga, kuria kūnas veikia atramą, ir tamprumo jėga, kuria atrama veikia kūną, pagal trečiąjį Niutono dėsnį yra lygios absoliučia verte ir priešinga kryptimi.
Jei kūnas stovi ant horizontalios atramos arba juda tolygiai, jį veikia tik gravitacija ir atramos tamprumo jėga, todėl kūno svoris yra lygus gravitacijai (tačiau šios jėgos veikia skirtingus kūnus):
.
Esant pagreitintam judėjimui, kūno svoris nebus lygus gravitacijos jėgai. Panagrinėkime m masės kūno judėjimą, veikiant gravitacijai ir elastingumui su pagreičiu. Pagal 2-ąjį Niutono dėsnį:
Jei kūno pagreitis nukreiptas žemyn, tai kūno svoris yra mažesnis už gravitacijos jėgą; jei kūno pagreitis nukreiptas aukštyn, tai visi kūnai yra didesni už gravitacijos jėgą.
Kūno svorio padidėjimas, atsirandantis dėl pagreitinto atramos ar pakabos judėjimo, vadinamas perkrova.
Jei kūnas krinta laisvai, tada iš formulės * išplaukia, kad kūno svoris lygus nuliui. Svorio išnykimas, kai atrama juda laisvojo kritimo pagreičiu, vadinamas nesvarumas.
Nesvarumo būsena stebima lėktuve ar erdvėlaivyje, kai jis juda su gravitacijos pagreičiu, nepriklausomai nuo judėjimo greičio. Už Žemės atmosferos ribų, išjungus reaktyvinius variklius, erdvėlaivį veikia tik universaliosios gravitacijos jėga. Veikiamas šios jėgos erdvėlaivis ir visi jame esantys kūnai juda vienodu pagreičiu; todėl laive stebimas nesvarumo reiškinys.
Kūno judėjimas veikiant gravitacijai. Dirbtinių palydovų judėjimas. Pirmasis pabėgimo greitis
Jei kūno judėjimo modulis yra daug mažesnis už atstumą iki Žemės centro, tai universaliosios gravitacijos jėga judėjimo metu gali būti laikoma pastovia, o kūno judėjimas tolygiai pagreitėja. Paprasčiausias kūno judėjimo veikiamas gravitacijos atvejis yra laisvas kritimas su nuliniu pradiniu greičiu. Šiuo atveju kūnas juda laisvo kritimo pagreičiu link Žemės centro. Jei yra pradinis greitis, kuris nėra nukreiptas vertikaliai, tada kūnas juda lenktu keliu (parabolė, jei neatsižvelgiama į oro pasipriešinimą).
Tam tikru pradiniu greičiu liestiniu būdu į Žemės paviršių išmestas kūnas, veikiamas gravitacijos, nesant atmosferos, gali judėti ratu aplink Žemę nenukrisdamas ant jos ir nenutoldamas nuo jos. Šis greitis vadinamas pirmasis pabėgimo greitis, o taip judantis kūnas yra dirbtinis žemės palydovas (AES).
Nustatykime pirmąjį Žemės pabėgimo greitį. Jei kūnas, veikiamas gravitacijos, tolygiai juda aplink Žemę apskritimu, tada gravitacijos pagreitis yra jo įcentrinis pagreitis:
.
Taigi pirmasis pabėgimo greitis yra lygus
.
Bet kurio dangaus kūno pirmasis pabėgimo greitis nustatomas tokiu pačiu būdu. Gravitacijos pagreitį atstumu R nuo dangaus kūno centro galima rasti naudojant antrąjį Niutono dėsnį ir visuotinės gravitacijos dėsnį:
.
Vadinasi, pirmasis pabėgimo greitis atstumu R nuo M masės dangaus kūno centro yra lygus
.
Norint paleisti dirbtinį palydovą į žemąją Žemės orbitą, pirmiausia jis turi būti ištrauktas iš atmosferos. Todėl erdvėlaiviai paleidžiami vertikaliai. 200–300 km aukštyje nuo Žemės paviršiaus, kur atmosfera yra reta ir beveik neturi įtakos palydovo judėjimui, raketa daro posūkį ir suteikia palydovui pirmąjį pabėgimo greitį vertikaliai statmena kryptimi. .
Mes visi vaikštome žeme, nes ji mus traukia. Jei Žemė nepritrauktų visų savo paviršiuje esančių kūnų, mes atsistumtume nuo jos ir skristume į kosmosą. Bet tai neįvyksta, ir visi žino apie gravitacijos egzistavimą.
Ar mes traukiame Žemę? Mėnulis traukia!
Ar traukiame Žemę prie savęs? Juokingas klausimas, tiesa? Bet išsiaiškinkime. Ar žinote, kokie potvyniai yra jūrose ir vandenynuose? Kasdien vanduo išeina iš krantų, kelias valandas kabo nežinia kur, o paskui, lyg nieko nebūtų nutikę, grįžta atgal.
Taigi vanduo šiuo metu yra ne kažkur nežinomoje vietoje, o maždaug vandenyno viduryje. Ten susidaro kažkas panašaus į vandens kalną. Neįtikėtina, tiesa? Vanduo, turintis savybę skleistis, ne tik teka žemyn, bet ir formuoja kalnus. O šiuose kalnuose susikaupusi didžiulė vandens masė.
Tiesiog įvertinkite visą vandens tūrį, kuris atoslūgių metu palieka krantus, ir suprasite, kad kalbame apie milžiniškus kiekius. Bet jei taip atsitiks, turi būti tam tikra priežastis. Ir yra priežastis. Priežastis slypi tame, kad šį vandenį traukia Mėnulis.
Sukdamasis aplink Žemę Mėnulis pereina per vandenynus ir pritraukia vandenyno vandenis. Mėnulis sukasi aplink Žemę, nes jį traukia Žemė. Bet pasirodo, kad ji pati taip pat traukia Žemę prie savęs. Tačiau žemė jai per didelė, tačiau jos įtakos pakanka, kad vanduo judėtų vandenynuose.
Visuotinės gravitacijos jėga ir dėsnis: sąvoka ir formulė
Dabar eikime toliau ir pagalvokime: jei du didžiuliai kūnai, būdami šalia, abu traukia vienas kitą, ar ne logiška manyti, kad ir mažesni kūnai trauks vienas kitą? Ar jie tiesiog daug mažesni ir jų patraukli jėga bus maža?
Pasirodo, ši prielaida yra visiškai teisinga. Tarp absoliučiai visų Visatoje esančių kūnų yra traukos jėgos arba, kitaip tariant, visuotinės gravitacijos jėgos.
Izaokas Niutonas pirmasis atrado šį reiškinį ir suformulavo jį dėsnio forma. Visuotinės gravitacijos dėsnis teigia: visi kūnai traukia vienas kitą, o jų traukos jėga yra tiesiogiai proporcinga kiekvieno kūno masei ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui:
F = G * (m_1 * m_2) / r^2 ,
čia F – traukos tarp kūnų vektoriaus dydis, m_1 ir m_2 – šių kūnų masės, r – atstumas tarp kūnų, G – gravitacinė konstanta.
Gravitacinė konstanta yra skaitine prasme lygi jėgai, kuri egzistuoja tarp 1 kg masės kūnų, esančių 1 metro atstumu. Ši vertė buvo nustatyta eksperimentiškai: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2.
Grįžtant prie pradinio klausimo: „ar mes traukiame Žemę?“, galime drąsiai atsakyti: „taip“. Pagal trečiąjį Niutono dėsnį, Žemę traukiame lygiai ta pačia jėga, kuria Žemė mus traukia. Šią jėgą galima apskaičiuoti pagal visuotinės gravitacijos dėsnį.
Ir pagal antrąjį Niutono dėsnį, kūnų įtaka vienas kitam bet kokia jėga išreiškiama pagreičio forma, kurį jie suteikia vienas kitam. Tačiau suteikiamas pagreitis priklauso nuo kūno masės.
Žemės masė yra didelė, ir tai suteikia mums gravitacijos pagreitį. Ir mūsų masė yra nereikšminga, palyginti su Žeme, todėl pagreitis, kurį mes suteikiame Žemei, yra praktiškai lygus nuliui. Štai kodėl mus traukia Žemė ir einame ja, o ne atvirkščiai.
Ne tik pats paslaptingiausias gamtos jėgos, bet ir galingiausias.
Žmogus progreso kelyje
Istoriškai taip pasirodė Žmogus kaip jis juda į priekį progreso būdaiįvaldė vis stipresnes gamtos jėgas. Jis pradėjo, kai neturėjo nieko, išskyrus lazdą, suspaudusią kumštyje, ir savo fizines jėgas.
Tačiau jis buvo išmintingas ir į savo tarnybą įtraukė gyvūnų fizinę jėgą, prijaukindamas juos. Arklys paspartino bėgimą, kupranugaris padarė dykumą pravažiuojamą, dramblys – pelkėtas džiungles. Tačiau net ir stipriausių gyvūnų fizinės jėgos yra neišmatuojamai mažos, palyginti su gamtos jėgomis.
Žmogus pirmasis pavergė ugnies stichiją, bet tik labiausiai susilpnėjusiose jos versijose. Iš pradžių – daugelį amžių – kaip kurą naudojo tik medieną – labai mažai energijos sunaudojantį kurą. Kiek vėliau šį energijos šaltinį išmoko panaudoti vėjo energijai, vyras pakėlė į orą baltą burės sparną – ir lengvas laivas kaip paukštis skraidė per bangas.
Burlaivis ant bangų
Jis apnuogino vėjo gūsius vėjo malūno mentes – ėmė suktis sunkūs girnų akmenys, barškėti malūnėlių grūstuvės. Tačiau visiems aišku, kad oro čiurkšlių energija toli gražu nėra sutelkta. Be to, ir burė, ir malūnas bijojo vėjo smūgių: audra suplėšė bures ir nuskandino laivus, audra sulaužė sparnus ir apvertė malūnus.
Dar vėliau žmogus pradėjo užkariauti tekantį vandenį. Ratas yra ne tik primityviausias iš prietaisų, galinčių paversti vandens energiją sukamuoju judesiu, bet ir mažiausiai galingas, palyginti su įvairiais tipais.
Žmogus vis ėjo į priekį pažangos laiptais ir jam reikėjo vis daugiau energijos.
Jis pradėjo naudoti naujas kuro rūšis – jau perėjus prie anglies deginimo kilogramo kuro energijos intensyvumas padidėjo nuo 2500 kcal iki 7000 kcal – beveik tris kartus. Tada atėjo laikas naftai ir dujoms. Kiekvieno iškastinio kuro kilogramo energijos kiekis vėl padidėjo pusantro ar du kartus.
Garo varikliai pakeitė garo turbinas; malūno ratus pakeitė hidraulinės turbinos. Tada vyras ištiesė ranką dalijančiam urano atomui. Tačiau pirmasis naujos rūšies energijos panaudojimas turėjo tragiškų pasekmių – 1945 m. Hirosimos branduolinis gaisras per kelias minutes sudegino 70 tūkstančių žmonių širdžių.
1954 m. į tinklą paleido pirmoji pasaulyje sovietinė atominė elektrinė, pavertusi urano galią spinduliuojančia elektros srovės jėga. Ir reikia pažymėti, kad kilograme urano yra du milijonus kartų daugiau energijos nei kilograme geriausios naftos.
Tai buvo iš esmės nauja ugnis, kurią būtų galima pavadinti fizine, nes būtent fizikai tyrė procesus, lemiančius tokių pasakiškų energijos kiekių gimimą.
Uranas nėra vienintelis branduolinis kuras. Jau dabar naudojamas galingesnis kuras – vandenilio izotopai.
Deja, žmogus dar nesugebėjo pavergti vandenilio-helio branduolinės liepsnos. Jis moka akimirksniu įžiebti visą degančią ugnį, sukeldamas reakciją vandenilinėje bomboje urano sprogimo blyksniu. Tačiau mokslininkai taip pat mato vis labiau artėjantį vandenilio reaktorių, kuris generuos elektros srovę dėl vandenilio izotopų branduolių susiliejimo su helio branduoliais.
Vėlgi, energijos kiekis, kurį žmogus gali pasisemti iš kiekvieno kuro kilogramo, padidės beveik dešimt kartų. Bet ar šis žingsnis bus paskutinis ateinančioje žmonijos galios prieš gamtos jėgas istorijoje?
Ne! Priekyje yra gravitacinės energijos formos įvaldymas. Gamta supakuota dar apdairiau nei vandenilio ir helio sintezės energija. Šiandien tai yra labiausiai koncentruota energijos forma, kurią žmogus gali net įsivaizduoti.
Nieko toliau ten dar nematyti, už mokslo pažangos. Ir nors galime drąsiai teigti, kad jėgainės veiks žmonėms, paversdamos gravitacinę energiją į elektros srovę (o galbūt į dujų srautą, išeinantį iš reaktyvinio variklio antgalio, arba į planuojamą visur esančių silicio ir deguonies atomų transformaciją). į itin retų metalų atomus), Kol kas nieko negalime pasakyti apie tokios jėgainės detales (raketinis variklis, fizinis reaktorius).
Visuotinės gravitacijos jėga galaktikų gimimo pradžioje
Visuotinės gravitacijos jėga yra galaktikų gimimo ištakos iš priešžvaigždinės materijos, kaip yra įsitikinęs akademikas V.A. Ambartsumyanas. Jis užgesina žvaigždes, kurios išnaudojo savo laiką, išnaudodamos žvaigždžių kurą, gautą gimstant.
Apsidairykite aplinkui: viską Žemėje daugiausia valdo ši jėga.
Būtent tai lemia sluoksniuotą mūsų planetos sandarą – litosferos, hidrosferos ir atmosferos kaitą. Būtent ji laiko storą oro dujų sluoksnį, kurio apačioje ir kurių dėka mes visi egzistuojame.
Be gravitacijos Žemė iš karto iškristų iš savo orbitos aplink Saulę, o pats Žemės rutulys subyrėtų, draskomas išcentrinių jėgų. Sunku rasti ką nors, kas vienaip ar kitaip nebūtų priklausoma nuo visuotinės gravitacijos jėgos.
Žinoma, senovės filosofai, labai pastabūs žmonės, negalėjo nepastebėti, kad akmuo, išmestas aukštyn, visada sugrįžta. Platonas IV amžiuje prieš Kristų tai paaiškino sakydamas, kad visos Visatos substancijos linksta ten, kur susikaupia dauguma panašių medžiagų: mestas akmuo nukrenta ant žemės arba nukrenta į dugną, išsiliejęs vanduo prasiskverbia į artimiausią tvenkinį ar į upė teka į jūrą, ugnies dūmai veržiasi link giminingų debesų.
Platono mokinys Aristotelis paaiškino, kad visi kūnai turi ypatingų sunkumo ir lengvumo savybių. Sunkieji kūnai – akmenys, metalai – skuba į Visatos centrą, lengvieji kūnai – ugnis, dūmai, garai – į periferiją. Ši hipotezė, paaiškinanti kai kuriuos reiškinius, susijusius su visuotinės traukos jėga, gyvuoja daugiau nei 2 tūkstančius metų.
Mokslininkai apie visuotinės gravitacijos jėgą
Turbūt pirmasis iškėlė klausimą apie visuotinės gravitacijos jėga tikrai moksliškai, egzistavo Renesanso genijus – Leonardo da Vinci. Leonardo skelbė, kad gravitacija būdinga ne tik Žemei, kad yra daug gravitacijos centrų. Taip pat jis išreiškė mintį, kad gravitacijos jėga priklauso nuo atstumo iki svorio centro.
Koperniko, Galilėjaus, Keplerio, Roberto Huko darbai vis labiau priartino prie visuotinės gravitacijos dėsnio idėjos, tačiau galutinėje formuluotėje šis dėsnis amžinai siejamas su Izaoko Niutono vardu.
Izaokas Niutonas apie visuotinės gravitacijos jėgą
Gimė 1643 m. sausio 4 d. Baigė Kembridžo universitetą, tapo bakalauru, vėliau – mokslų magistranu.
Izaokas Niutonas Viskas, kas toliau seka, yra begalinis mokslinis darbas. Tačiau pagrindinis jo darbas yra „Matematiniai gamtos filosofijos principai“, išleistas 1687 m. ir paprastai vadinamas tiesiog „Principais“. Būtent juose suformuluotas didysis. Turbūt visi jį prisimena iš vidurinės mokyklos laikų.
Visi kūnai traukia vienas kitą jėga, tiesiogiai proporcinga šių kūnų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui...
Kai kurios šios formuluotės nuostatos galėjo numatyti Niutono pirmtakus, tačiau niekam niekada nepavyko to pasiekti iki galo. Prireikė Niutono genialumo, kad šie fragmentai būtų sujungti į vieną visumą, kad Žemės gravitacija būtų išplėsta iki Mėnulio, o Saulės – į visą planetų sistemą.
Iš visuotinės gravitacijos dėsnio Niutonas išvedė visus anksčiau Keplerio atrastus planetų judėjimo dėsnius. Paaiškėjo, kad tai tiesiog jos pasekmės. Be to, Niutonas parodė, kad ne tik Keplerio dėsniai, bet ir nukrypimai nuo šių dėsnių (trijų ir daugiau kūnų pasaulyje) yra visuotinės gravitacijos pasekmė... Tai buvo didelis mokslo triumfas.
Atrodė, kad pagaliau buvo atrasta ir matematiškai aprašyta pagrindinė gamtos jėga, kuri judina pasaulius – jėga, valdanti oro molekules, obuolius ir Saulę. Niutono žengtas žingsnis buvo milžiniškas, neišmatuojamai didžiulis.
Pirmasis genialaus mokslininko kūrinių populiarintojas prancūzų rašytojas François Marie Arouet, visame pasaulyje žinomas Voltero slapyvardžiu, sakė, kad Niutonas staiga suprato, kad egzistuoja jo vardu pavadintas įstatymas, kai pažvelgė į krentantį obuolį.
Pats Niutonas niekada neužsiminė apie šį obuolį. Ir vargu ar verta šiandien gaišti laiką šiai gražiai legendai paneigti. Ir, matyt, Niutonas per loginį samprotavimą suprato didžiulę gamtos galią. Tikriausiai būtent tai buvo įtraukta į atitinkamą skyrių „Pradžia“.
Visuotinės gravitacijos jėga veikia branduolio skrydį
Tarkime, kad ant labai aukšto kalno, tokio aukšto, kad jo viršūnės nebėra atmosferoje, sumontavome milžinišką artilerijos gabalą. Jo vamzdis buvo pastatytas griežtai lygiagrečiai Žemės rutulio paviršiui ir iššautas. Aprašęs lanką, šerdis patenka į Žemę.
Didiname užtaisą, geriname parako kokybę ir vienaip ar kitaip priverčiame patrankos sviedinį judėti didesniu greičiu po kito šūvio. Šerdies aprašytas lankas tampa plokštesnis. Šerdis nukrenta daug toliau nuo mūsų kalno papėdės.
Taip pat padidiname įkrovą ir šauname. Šerdis skrenda tokia plokščia trajektorija, kad leidžiasi lygiagrečiai Žemės rutulio paviršiui. Šerdis nebegali nukristi į Žemę: tuo pačiu greičiu, kuriuo mažėja, Žemė ištrūksta iš po jos. Ir, aprašęs žiedą aplink mūsų planetą, šerdis grįžta į išvykimo tašką.
Tuo tarpu ginklą galima išimti. Juk branduolio skrydis aplink Žemės rutulį užtruks ilgiau nei valandą. Ir tada šerdis greitai skris virš kalno viršūnės ir išskris į naują skrydį aplink Žemę. Jei, kaip susitarėme, šerdis nepatirs jokio oro pasipriešinimo, ji niekada negalės nukristi.
Tam pagrindinis greitis turėtų būti artimas 8 km/sek. Ką daryti, jei padidinsime branduolio skrydžio greitį? Pirmiausia jis skris lanku, plokštesniu už žemės paviršiaus kreivumą, ir pradės tolti nuo Žemės. Tuo pačiu metu jo greitis sumažės veikiant Žemės gravitacijai.
Ir galiausiai, apsisukęs, jis pradės kristi atgal į Žemę, bet praskris pro ją ir uždarys ne ratą, o elipsę. Šerdis judės aplink Žemę lygiai taip pat, kaip Žemė juda aplink Saulę, būtent elipsėje, kurios viename iš židinių bus mūsų planetos centras.
Jei dar padidinsite pradinį šerdies greitį, elipsė taps labiau ištempta. Galima šią elipsę ištempti taip, kad šerdis pasiektų Mėnulio orbitą ar net gerokai toliau. Tačiau kol pradinis šio branduolio greitis neviršys 11,2 km/sek, jis išliks Žemės palydovu.
Šerdis, kuri iššaudama pasiekė didesnį nei 11,2 km/s greitį, amžinai skris nuo Žemės paraboline trajektorija. Jei elipsė yra uždara kreivė, tada parabolė yra kreivė, turinti dvi atšakas, einančios į begalybę. Judėdami elipse, kad ir kokia ji būtų pailgėjusi, neišvengiamai sistemingai grįšime į pradinį tašką. Judėdami palei parabolę, mes niekada negrįšime į pradinį tašką.
Tačiau, palikęs Žemę tokiu greičiu, šerdis dar negalės skristi į begalybę. Galinga Saulės gravitacija sulenks savo skrydžio trajektoriją, uždarydama ją aplink save kaip planetos trajektoriją. Šerdis taps Žemės, nepriklausomos mažytės planetos mūsų planetų šeimoje, seserimi.
Norint nukreipti šerdį už planetų sistemos ribų, įveikti Saulės gravitaciją, reikia duoti jai didesnį nei 16,7 km/sek greitį ir nukreipti taip, kad prie šio greičio būtų pridėtas ir pačios Žemės judėjimo greitis.
Maždaug 8 km/sek. greitis (šis greitis priklauso nuo kalno, iš kurio šauna mūsų patranka, aukščio) vadinamas apskritimu, 8–11,2 km/sek. – elipsės formos, nuo 11,2 iki 16,7 km/s – paraboliniu. o virš šio skaičiaus – išlaisvinamuoju greičiu.
Čia reikia pridurti, kad nurodytos šių greičių vertės galioja tik Žemei. Jei gyventume Marse, apskritimo greitis mums būtų daug lengviau pasiekiamas – jis tesiekia apie 3,6 km/sek, o parabolinis greitis tik šiek tiek didesnis nei 5 km/sek.
Tačiau pasiųsti šerdį į kosmosą iš Jupiterio būtų daug sunkiau nei iš Žemės: apskritimo greitis šioje planetoje siekia 42,2 km/sek., o parabolinis – net 61,8 km/sek!
Saulės gyventojams būtų sunkiausia palikti savo pasaulį (jei, žinoma, toks galėtų egzistuoti). Šio milžino žiedinis greitis turėtų būti 437,6, o atitrūkimo – 618,8 km/sek!
Taigi Niutonas XVII amžiaus pabaigoje, likus šimtui metų iki pirmojo brolių Montgolfier oro baliono skrydžio, likus dviem šimtams metų iki pirmųjų brolių Wrightų lėktuvo skrydžių ir beveik ketvirtį tūkstantmečio prieš pirmųjų skystojo kuro raketų pakilimas, parodė kelią į dangų palydovams ir erdvėlaiviams.
Visuotinės gravitacijos jėga būdinga kiekvienai sferai
Naudojant visuotinės gravitacijos dėsnis buvo atrastos nežinomos planetos, sukurtos kosmogoninės Saulės sistemos atsiradimo hipotezės. Buvo atrasta ir matematiškai aprašyta pagrindinė gamtos jėga, valdanti žvaigždes, planetas, obuolius sode ir dujų molekules atmosferoje.
Bet mes nežinome visuotinės gravitacijos mechanizmo. Niutono gravitacija nepaaiškina, bet aiškiai parodo šiuolaikinę planetų judėjimo būseną.
Mes nežinome, kas sukelia visų Visatos kūnų sąveiką. Ir negalima sakyti, kad Niutono ši priežastis nesidomėjo. Daug metų jis svarstė galimą jos mechanizmą.
Beje, tai išties itin paslaptinga galia. Jėga, kuri pasireiškia per šimtus milijonų kilometrų erdvės, kurioje iš pirmo žvilgsnio nėra jokių materialių darinių, kurių pagalba būtų galima paaiškinti sąveikos perkėlimą.
Niutono hipotezės
IR Niutonas griebėsi hipotezė apie tam tikro eterio, kuris tariamai užpildo visą Visatą, egzistavimą. 1675 metais trauką į Žemę jis paaiškino tuo, kad eteris, užpildantis visą Visatą, nenutrūkstamais srautais veržiasi į Žemės centrą, užfiksuodamas visus šio judėjimo objektus ir sukurdamas gravitacijos jėgą. Tas pats eterio srautas veržiasi link Saulės ir, nešdamas su savimi planetas bei kometas, užtikrina jų elipsines trajektorijas...
Tai nebuvo labai įtikinama hipotezė, nors ji buvo absoliučiai matematiškai logiška. Tačiau 1679 m. Niutonas sukūrė naują hipotezę, paaiškinančią gravitacijos mechanizmą. Šį kartą jis suteikia eteriui savybę turėti skirtingą koncentraciją šalia planetų ir toli nuo jų. Kuo toliau nuo planetos centro, tuo tariamai tankesnis eteris. Ir ji turi savybę išspausti visus materialius kūnus iš tankesnių sluoksnių į ne tokius tankius. Ir visi kūnai yra išspausti ant Žemės paviršiaus.
1706 m. Niutonas griežtai neigė patį eterio egzistavimą. 1717 m. jis vėl grįžo prie hipotezės apie eterio išspaudimą.
Puikios Niutono smegenys stengėsi įminti didžiąją paslaptį ir jos nerado. Tai paaiškina tokį aštrų mėtymą iš vienos pusės į kitą. Niutonas mėgo sakyti:
Aš nekeliau hipotezių.
Ir nors, kai tik galėjome įsitikinti, tai nėra visiškai tiesa, galima tvirtai teigti dar kai ką: Niutonas mokėjo aiškiai atskirti neginčijamus dalykus nuo nepastovių ir prieštaringų hipotezių. O „Principuose“ yra didžiojo dėsnio formulė, bet nebandoma paaiškinti jo mechanizmo.
Didysis fizikas šią mįslę paliko ateities žmogui. Jis mirė 1727 m.
Tai neišspręsta iki šios dienos.
Diskusija apie fizinę Niutono dėsnio esmę truko du šimtmečius. Ir galbūt ši diskusija nebūtų susijusi su pačia įstatymo esme, jei ji tiksliai atsakytų į visus jam užduodamus klausimus.
Tačiau faktas yra tas, kad laikui bėgant paaiškėjo, kad šis įstatymas nėra universalus. Kad būna atvejų, kai jis negali paaiškinti to ar kito reiškinio. Pateikime pavyzdžių.
Visuotinės gravitacijos jėga Seeligerio skaičiavimuose
Pirmasis iš jų – Seeligerio paradoksas. Laikydamas, kad Visata yra begalinė ir tolygiai užpildyta materija, Seeligeris pagal Niutono dėsnį bandė apskaičiuoti visuotinės gravitacijos jėgą, kurią tam tikru momentu sukuria visa be galo didelė begalinės Visatos masė.
Tai nebuvo lengva užduotis grynosios matematikos požiūriu. Įveikęs visus sudėtingiausių transformacijų sunkumus, Seeligeris nustatė, kad norima visuotinės gravitacijos jėga yra proporcinga Visatos spinduliui. O kadangi šis spindulys lygus begalybei, tai gravitacinė jėga turi būti be galo didelė. Tačiau praktikoje mes to nepastebime. Tai reiškia, kad visuotinės gravitacijos dėsnis galioja ne visai Visatai.
Tačiau galimi ir kiti paradokso paaiškinimai. Pavyzdžiui, galime daryti prielaidą, kad materija nevienodai užpildo visą Visatą, tačiau jos tankis palaipsniui mažėja ir galiausiai kažkur labai toli materijos visai nėra. Tačiau įsivaizduoti tokį vaizdą reiškia pripažinti erdvės egzistavimo be materijos galimybę, o tai apskritai yra absurdiška.
Galime manyti, kad visuotinės gravitacijos jėga silpnėja greičiau nei didėja atstumo kvadratas. Tačiau tai verčia suabejoti nuostabia Niutono dėsnio harmonija. Ne, ir šis paaiškinimas mokslininkų netenkino. Paradoksas liko paradoksu.
Merkurijaus judėjimo stebėjimai
Dar vienas faktas – visuotinės gravitacijos jėgos veikimas, nepaaiškintas Niutono dėsniu Merkurijaus judėjimo stebėjimai- arčiausiai planetos. Tikslūs skaičiavimai, naudojant Niutono dėsnį, parodė, kad perhelionas, elipsės taškas, kuriuo Merkurijus juda arčiausiai Saulės, turėtų pasislinkti 531 lanko sekunde per 100 metų.
O astronomai nustatė, kad šis poslinkis yra lygus 573 lanko sekundėms. Šio pertekliaus – 42 lanko sekundės – mokslininkai taip pat negalėjo paaiškinti, pasitelkę tik iš Niutono dėsnio kylančias formules.
Paaiškino Seeligerio paradoksą, Merkurijaus perihelio poslinkį ir daugybę kitų paradoksalių reiškinių bei nepaaiškinamų faktų. Albertas Einšteinas, vienas didžiausių, jei ne didžiausias visų laikų fizikas. Tarp erzinančių smulkmenų buvo klausimas eterinis vėjas.
Alberto Michelsono eksperimentai
Atrodė, kad šis klausimas tiesiogiai nesusijęs su gravitacijos problema. Jis susijęs su optika, su šviesa. Tiksliau, nustatyti jo greitį.
Šviesos greitį pirmasis nustatė danų astronomas Olafas Roemeris, stebint Jupiterio palydovų užtemimą. Tai atsitiko dar 1675 m.
Amerikos fizikas Albertas Michelsonas pabaigoje, naudodamas savo sukurtą aparatą, atliko eilę šviesos greičio nustatymo antžeminėmis sąlygomis.
1927 m. jis suteikė šviesos greičiui 299 796 + 4 km/sek vertę – tai buvo puikus taiklumas tiems laikams. Bet esmė kita. 1880 m. jis nusprendė ištirti eterinį vėją. Jis norėjo pagaliau nustatyti to paties eterio egzistavimą, kurio buvimu jie bandė paaiškinti ir gravitacinės sąveikos, ir šviesos bangų perdavimą.
Michelsonas buvo turbūt ryškiausias savo laiko eksperimentatorius. Jis turėjo puikią įrangą. Ir jis buvo beveik tikras dėl sėkmės.
Patirties esmė
Patirtis buvo taip numatyta. Žemė savo orbitoje juda maždaug 30 km/s greičiu. Juda per eterį. Tai reiškia, kad šviesos greitis iš šaltinio, stovinčio prieš imtuvą, palyginti su Žemės judėjimu, turėtų būti didesnis nei iš šaltinio, stovinčio kitoje pusėje. Pirmuoju atveju prie šviesos greičio reikia pridėti eterinio vėjo greitį, antruoju atveju šviesos greitis turi sumažėti.
Žinoma, Žemės skriejimo aplink Saulę greitis yra tik viena dešimtoji tūkstantoji šviesos greičio. Aptikti tokį mažą terminą labai sunku, tačiau ne veltui Michelsonas buvo vadinamas tikslumo karaliumi. Jis panaudojo protingą metodą, norėdamas užfiksuoti „subtilius“ šviesos spindulių greičio skirtumus.
Jis padalino spindulį į du lygius srautus ir nukreipė juos viena kitai statmenomis kryptimis: palei dienovidinį ir išilgai lygiagretės. Atsispindėję nuo veidrodžių spinduliai sugrįžo. Jei lygiagrečiai einantį pluoštą paveiktų eterinis vėjas, jį pridėjus prie dienovidinio pluošto atsirastų trukdžių pakraščiai, o dviejų pluoštų bangos būtų nefazės.
Tačiau Michelsonui buvo sunku išmatuoti abiejų spindulių kelius tokiu tikslumu, kad jie būtų visiškai identiški. Taigi jis pastatė aparatą taip, kad nebūtų trukdžių pakraščių, ir tada pasuko 90 laipsnių.
Dienovidinis spindulys tapo platumos ir atvirkščiai. Jei pučia eterinis vėjas, po okuliaru turi atsirasti juodos ir šviesios juostelės! Bet jų ten nebuvo. Galbūt, sukdamas aparatą, mokslininkas jį pajudino.
Vidurdienį jį pastatė ir sutvirtino. Galų gale, be to, kad jis taip pat sukasi aplink ašį. Ir todėl skirtingu paros metu platumos spindulys užima skirtingą padėtį artėjančio eterinio vėjo atžvilgiu. Dabar, kai prietaisas griežtai nejuda, galima įsitikinti eksperimento tikslumu.
Vėl nebuvo jokių trukdžių pakraščių. Eksperimentas buvo atliktas daug kartų, ir Michelsonas, o kartu ir visi to meto fizikai buvo nustebinti. Nebuvo aptiktas eterinis vėjas! Šviesa judėjo į visas puses vienodu greičiu!
Niekas nesugebėjo to paaiškinti. Michelsonas vėl ir vėl kartojo eksperimentą, tobulino įrangą ir galiausiai pasiekė beveik neįtikėtiną matavimo tikslumą, eilės tvarka didesnį nei būtina eksperimento sėkmei. Ir vėl nieko!
Alberto Einšteino eksperimentai
Kitas didelis žingsnis žinios apie visuotinės gravitacijos jėgą padarė Albertas Einšteinas.
Albertas Einšteinas kartą buvo paklaustas:
Kaip priėjote prie savo specialiosios reliatyvumo teorijos? Kokiomis aplinkybėmis jums šovė geniali idėja? Mokslininkas atsakė: „Visada įsivaizdavau, kad taip yra“.
Galbūt jis nenorėjo būti atviras, o gal norėjo atsikratyti erzinančio pašnekovo. Tačiau sunku įsivaizduoti, kad Einšteino atrasta laiko, erdvės ir greičio sąsajų samprata buvo įgimta.
Ne, žinoma, iš pradžių blykstelėjo spėjimas, ryškus kaip žaibas. Tada prasidėjo jo plėtra. Ne, nėra jokių prieštaravimų su žinomais reiškiniais. Ir tada pasirodė tie penki puslapiai, užpildyti formulėmis, kurie buvo paskelbti fizikos žurnale. Puslapiai, kurie atvėrė naują fizikos erą.
Įsivaizduokite kosmose skrendantį žvaigždėlaivį. Iš karto perspėsime: žvaigždėlaivis yra labai unikalus, toks, apie kurį niekada neskaitėte mokslinės fantastikos istorijose. Jo ilgis yra 300 tūkstančių kilometrų, o greitis, tarkime, 240 tūkstančių km/sek. Ir šis erdvėlaivis praskrenda pro vieną iš tarpinių platformų erdvėje, prie jos nesustodamas. Visu greičiu.
Vienas iš jo keleivių stovi žvaigždėlaivio denyje su laikrodžiu. O tu ir aš, skaitytojau, stovime ant platformos – jos ilgis turi atitikti žvaigždėlaivio dydį, t.y 300 tūkstančių kilometrų, nes kitaip jis negalės ant jo nusileisti. Ir dar turime laikrodį rankose.
Pastebime: tuo momentu, kai erdvėlaivio nosis pasiekė galinį mūsų platformos kraštą, ant jo sužibėjo žibintas, apšviesdamas jį supančią erdvę. Po sekundės šviesos spindulys pasiekė priekinį mūsų platformos kraštą. Dėl to neabejojame, nes žinome šviesos greitį ir pavyko tiksliai nustatyti atitinkamą momentą laikrodyje. Ir žvaigždėlaivyje...
Tačiau šviesos pluošto link skriejo ir žvaigždėlaivis. Ir mes tikrai matėme, kad šviesa apšvietė laivagalio dalį, kai ji buvo kažkur netoli platformos vidurio. Tikrai matėme, kad šviesos spindulys nenukeliavo 300 tūkstančių kilometrų nuo laivapriekio iki laivagalio.
Tačiau žvaigždėlaivio denyje esantys keleiviai yra tikri dėl kitko. Jie įsitikinę, kad jų spindulys apėmė visą 300 tūkstančių kilometrų atstumą nuo laivapriekio iki laivagalio. Juk jis tam skyrė visą sekundę. Jie taip pat visiškai tiksliai tai aptiko savo laikrodyje. O kaip gali būti kitaip: juk šviesos greitis nepriklauso nuo šaltinio greičio...
Kaip tai? Mes matome vieną dalyką iš stacionarios platformos, bet jie mato ką nors kita žvaigždėlaivo denyje? Kas nutiko?
Einšteino reliatyvumo teorija
Iš karto reikia pažymėti: Einšteino reliatyvumo teorija iš pirmo žvilgsnio tai absoliučiai prieštarauja mūsų nusistovėjusiam pasaulio sandaros supratimui. Galima sakyti, kad tai prieštarauja ir sveikam protui, kaip mes įpratę jį reprezentuoti. Taip yra buvę ne kartą mokslo istorijoje.
Tačiau sferinės Žemės formos atradimas taip pat prieštaravo sveikam protui. Kaip žmonės gali gyventi priešingoje pusėje ir neįkristi į bedugnę?
Mums Žemės sferiškumas yra neabejotinas faktas, o sveiko proto požiūriu bet kokios kitos prielaidos yra beprasmės ir laukinės. Tačiau atsitraukite nuo savo laiko, įsivaizduokite pirmą šios idėjos pasirodymą ir taps aišku, kaip sunku būtų ją priimti.
Na, ar būtų lengviau pripažinti, kad Žemė nejuda, o skrieja savo trajektorija dešimtis kartų greičiau nei patrankos sviedinys?
Visa tai buvo sveiko proto nesėkmės. Štai kodėl šiuolaikiniai fizikai to niekada nekalba.
Dabar grįžkime prie specialiosios reliatyvumo teorijos. Pirmą kartą pasaulis apie tai sužinojo 1905 metais iš straipsnio, pasirašyto mažai žinomu vardu – Albertu Einšteinu. O jam tuo metu tebuvo 26 metai.
Iš šio paradokso Einšteinas padarė labai paprastą ir logišką prielaidą: stebėtojo, esančio platformoje, požiūriu, judančiame vežime praėjo mažiau laiko, nei matavo jūsų laikrodis. Vagone laikas sulėtėjo, lyginant su laiku stovint perone.
Iš šios prielaidos logiškai išplaukė absoliučiai nuostabūs dalykai. Paaiškėjo, kad į darbą tramvajumi einantis žmogus, lyginant su tuo pačiu keliu einančiu pėsčiuoju, dėl greičio ne tik sutaupo laiko, bet ir jam važiuoja lėčiau.
Tačiau nesistenkite taip išsaugoti amžinos jaunystės: net tapę vežimo vairuotoju ir trečdalį savo gyvenimo praleisite tramvajuje, per 30 metų įgysite vargu ar daugiau nei milijoninę sekundės dalį. Kad laiko padidėjimas būtų pastebimas, turite judėti greičiu, artimu šviesos greičiui.
Pasirodo, kūnų greičio padidėjimas atsispindi jų masėje. Kuo kūno greitis artimesnis šviesos greičiui, tuo didesnė jo masė. Kai kūno greitis lygus šviesos greičiui, jo masė lygi begalybei, t.y. ji didesnė už Žemės, Saulės, Galaktikos, visos mūsų Visatos masę... Tai masė, kuri gali būti sutelktas į paprastą trinkelių akmenį, pagreitindamas jį iki greičio
Sveta!
Tai nustato apribojimą, kuris neleidžia jokiam materialiam kūnui išvystyti šviesos greičiui prilygstančio greičio. Juk masei augant, ją pagreitinti darosi vis sunkiau. Ir begalinė masė negali būti pajudinta iš savo vietos jokia jėga.
Tačiau gamta padarė labai svarbią šio įstatymo išimtį visai dalelių klasei. Pavyzdžiui, fotonams. Jie gali judėti šviesos greičiu. Tiksliau, jie negali judėti kitu greičiu. Neįmanoma įsivaizduoti nejudančio fotono.
Kai stovi, jis neturi masės. Neutrinai taip pat neturi ramybės masės, be to, jie pasmerkti amžinam nekontroliuojamam skrydžiui kosmosu didžiausiu mūsų Visatoje įmanomu greičiu, neaplenkdami šviesos ir neatsilikdami nuo jos.
Ar ne tiesa, kad kiekviena iš mūsų išvardintų specialiosios reliatyvumo teorijos pasekmių yra stebina ir paradoksali! Ir kiekvienas, žinoma, prieštarauja „sveikai protui“!
Bet štai kas įdomu: ne savo specifine forma, o kaip plačia filosofine pozicija, visas šias nuostabias pasekmes numatė dialektinio materializmo pradininkai. Ką rodo šie rezultatai? Apie ryšius, jungiančius energiją ir masę, masę ir greitį, greitį ir laiką, judančio objekto greitį ir ilgį...
Einšteino atradimas apie tarpusavio priklausomybę, kaip cementas (plačiau:), jungiantis armatūrą arba pamatų akmenis, sujungė dalykus ir reiškinius, kurie anksčiau atrodė vienas nuo kito nepriklausomi, ir sukūrė pagrindą, ant kurio pirmą kartą mokslo istorijoje , atrodė, kad įmanoma pastatyti darnų pastatą. Šis pastatas yra idėja, kaip veikia mūsų Visata.
Bet pirmiausia – bent keli žodžiai apie bendrąją reliatyvumo teoriją, kurią taip pat sukūrė Albertas Einšteinas.
Albertas Einšteinas Šis pavadinimas – bendroji reliatyvumo teorija – ne visai atitinka teorijos, kuri bus aptariama, turinį. Ji nustato erdvės ir materijos tarpusavio priklausomybę. Matyt, teisingiau būtų taip vadinti erdvės ir laiko teorija, arba gravitacijos teorija.
Tačiau šis pavadinimas taip susipynė su Einšteino teorija, kad net kelti klausimą dėl jo pakeitimo daugeliui mokslininkų dabar atrodo nepadoru.
Bendroji reliatyvumo teorija nustatė materijos ir ją talpinančios laiko bei erdvės tarpusavio priklausomybę. Paaiškėjo, kad erdvė ir laikas ne tik neįsivaizduojami kaip egzistuojantys atskirai nuo materijos, bet ir jų savybės priklauso nuo juos užpildančios materijos.
Atspirties taškas samprotavimui
Todėl galime tik nurodyti atspirties taškas ir pateikti keletą svarbių išvadų.
Kosminių kelionių pradžioje netikėta katastrofa sunaikino biblioteką, filmų kolekciją ir kitas kosmosu skrendančių žmonių proto ir atminties saugyklas. O gimtosios planetos gamta amžių kaitai buvo pamiršta. Pamirštamas net visuotinės gravitacijos dėsnis, nes raketa skrenda tarpgalaktinėje erdvėje, kur jos beveik nejaučiama.
Tačiau laivo varikliai dirba puikiai, o energijos tiekimas baterijose praktiškai neribojamas. Dažniausiai laivas juda pagal inerciją, o jo gyventojai yra pripratę prie nesvarumo. Tačiau kartais jie įjungia variklius ir sulėtina arba pagreitina laivo judėjimą. Kai reaktyviniai purkštukai bespalve liepsna įsiliepsnoja į tuštumą, o laivas juda pagreitintu tempu, gyventojai jaučia, kad jų kūnai darosi sunkūs, yra priversti vaikščioti aplink laivą, o ne skristi koridoriais.
O dabar skrydis artėja prie pabaigos. Laivas atskrenda prie vienos iš žvaigždžių ir patenka į tinkamiausios planetos orbitą. Erdvėlaiviai išeina į lauką, vaikšto po gaivios žalumos padengtą dirvą, nuolat patiria tą patį sunkumo jausmą, pažįstamą iš laivo judesio pagreitinto tempo.
Tačiau planeta juda tolygiai. Jis negali skristi link jų nuolatiniu 9,8 m/sek2 pagreičiu! Ir jie turi pirmąją prielaidą, kad gravitacinis laukas (gravitacinė jėga) ir pagreitis duoda tą patį poveikį ir galbūt turi bendrą pobūdį.
Nė vienas iš mūsų žemiškųjų amžininkų nebuvo tokio ilgo skrydžio, tačiau daugelis pajuto savo kūno „sunkumo“ ir „apšvietimo“ reiškinį. Net paprastas liftas, judėdamas pagreitintu tempu, sukuria šį jausmą. Kylant žemyn jaučiamas staigus svorio kritimas, priešingai, grindys spaudžia kojas didesne jėga nei įprastai.
Tačiau vienas jausmas nieko neįrodo. Juk pojūčiais bandoma įtikinti, kad Saulė juda dangumi aplink nejudančią Žemę, kad visos žvaigždės ir planetos yra vienodu atstumu nuo mūsų, dangaus skliaute ir pan.
Mokslininkai eksperimentiškai išbandė pojūčius. Niutonas taip pat galvojo apie keistą šių dviejų reiškinių tapatybę. Jis bandė jiems suteikti skaitines charakteristikas. Išmatavus gravitacinį ir , jis buvo įsitikinęs, kad jų vertės visada buvo griežtai lygios viena kitai.
Bandomosios gamyklos švytuokles jis gamino iš įvairiausių medžiagų: sidabro, švino, stiklo, druskos, medžio, vandens, aukso, smėlio, kviečių. Rezultatas buvo toks pat.
Lygiavertiškumo principas, apie kurį mes kalbame, yra bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindas, nors šiuolaikinei teorijos interpretacijai šio principo nebereikia. Praleisdami iš šio principo kylančias matematines išvadas, pereikime prie kai kurių bendrosios reliatyvumo teorijos pasekmių.
Didelių medžiagų masių buvimas labai veikia aplinkinę erdvę. Tai lemia tokius pokyčius, kuriuos galima apibrėžti kaip erdvės nevienalytiškumą. Šie nehomogeniškumas nukreipia bet kokių masių, atsidūrusių šalia traukiančio kūno, judėjimą.
Paprastai jie naudojasi šia analogija. Įsivaizduokite drobę, tvirtai ištemptą ant rėmo lygiagrečiai žemės paviršiui. Padėkite ant jo sunkų svorį. Tai bus mūsų didelė traukianti masė. Tai, žinoma, sulenks drobę ir baigsis kažkokia depresija. Dabar sukite rutulį išilgai šios drobės, kad dalis jo kelio būtų šalia traukiančios masės. Priklausomai nuo to, kaip kamuolys paleidžiamas, yra trys galimi variantai.
- Kamuolys skris pakankamai toli nuo įdubos, atsiradusios dėl drobės įlinkio, ir nepakeis jo judėjimo.
- Kamuolys palies įdubimą, o jo judėjimo linijos pasilenks traukiančios masės link.
- Rutulys įkris į šią skylę, negalės iš jos išlipti ir padarys vieną ar du apsisukimus aplink gravituojančią masę.
Ar ne tiesa, kad trečiasis variantas labai gražiai modeliuoja žvaigždės ar planetos užfiksuotą svetimkūnį, neatsargiai įskridusį į jų traukos lauką?
O antras atvejis – kūno, skriejančio didesniu nei galimas fiksavimo greitis, trajektorijos lenkimas! Pirmasis atvejis panašus į skrydį už praktinio gravitacinio lauko pasiekiamumo ribų. Taip, būtent praktiškai, nes teoriškai gravitacinis laukas yra beribis.
Žinoma, tai labai tolima analogija, visų pirma todėl, kad niekas iš tikrųjų neįsivaizduoja mūsų trimatės erdvės nukrypimo. Niekas nežino, kokia fizinė šio įlinkio arba kreivumo, kaip dažnai sakoma, prasmė.
Iš bendrosios reliatyvumo teorijos išplaukia, kad bet koks materialus kūnas gali judėti gravitaciniame lauke tik išlenktomis linijomis. Tik ypatingais ypatingais atvejais kreivė virsta tiesia linija.
Šiai taisyklei paklūsta ir šviesos spindulys. Juk jis susideda iš fotonų, kurie skrendant turi tam tikrą masę. Ir gravitacinis laukas daro jam įtaką, kaip ir molekulę, asteroidą ar planetą.
Kita svarbi išvada yra ta, kad gravitacinis laukas taip pat keičia laiko eigą. Prie didelės traukiančios masės, jos sukuriamame stipriame gravitaciniame lauke, laikas turėtų praeiti lėčiau nei toli nuo jos.
Matote, bendroji reliatyvumo teorija kupina paradoksalių išvadų, kurios dar kartą gali panaikinti mūsų „sveiko proto“ idėjas!
Gravitacinė kolapsas
Pakalbėkime apie nuostabų reiškinį, turintį kosminį pobūdį – gravitacinį kolapsą (katastrofišką suspaudimą). Šis reiškinys pasireiškia milžiniškose materijos sankaupose, kur gravitacinės jėgos pasiekia tokius milžiniškus dydžius, kad jokios kitos gamtoje egzistuojančios jėgos negali joms atsispirti.
Prisiminkite garsiąją Niutono formulę: kuo mažesnis atstumo tarp gravitacinių kūnų kvadratas, tuo didesnė gravitacinė jėga. Taigi, kuo tankesnis darosi medžiaginis darinys, tuo mažesnis jo dydis, kuo greičiau didėja gravitacijos jėgos, tuo labiau neišvengiamas jų destruktyvus apkabinimas.
Egzistuoja gudri technika, kuria gamta kovoja su iš pažiūros beribiu materijos suspaudimu. Norėdami tai padaryti, jis sustabdo patį laiko tėkmę supermilžinių gravitacinių jėgų veikimo sferoje, o surištos materijos masės atrodo atitrauktos nuo mūsų Visatos, sustingusios keistame letargiškame miege.
Pirmoji iš šių „juodųjų skylių“ kosmose tikriausiai jau buvo atrasta. Pagal sovietų mokslininkų O. Kh. ir A. Sh.
Matomas komponentas turi 1,8 saulės masės, o jo nematomas „kompanionas“, remiantis skaičiavimais, turėtų būti keturis kartus masyvesnis už matomą. Tačiau jo pėdsakų nėra: neįmanoma pamatyti nuostabiausio gamtos kūrinio – „juodosios skylės“.
Sovietų mokslininkas profesorius K. P. Staniukovičius, kaip sakoma, „savo rašiklio gale“ grynai teorinėmis konstrukcijomis parodė, kad „užšalusios medžiagos“ dalelės gali būti labai įvairaus dydžio.
- Galimi milžiniški jo dariniai, panašūs į kvazarus, nuolat skleidžiantys tiek energijos, kiek skleidžia visos 100 milijardų mūsų Galaktikos žvaigždžių.
- Galimi daug kuklesni gumulai, prilygstantys vos kelioms saulės masėms. Abu objektai gali atsirasti patys iš įprastos, nemiegančios materijos.
- Ir galimi visai kitos klasės dariniai, savo mase palyginami su elementariomis dalelėmis.
Kad jie atsirastų, juos sudaranti materija pirmiausia turi būti paveikta milžiniško spaudimo ir įstumta į Schwarzschildo sferos ribas – sferą, kurioje išoriniam stebėtojui laikas visiškai sustoja. Ir net jei po to slėgis bus pašalintas, dalelės, kurių laikas sustojo, toliau egzistuos nepriklausomai nuo mūsų Visatos.
Plankeonai
Plankeonai yra visiškai ypatinga dalelių klasė. Jie, anot K. P. Staniukovičiaus, turi nepaprastai įdomią savybę: jie neša materiją nepakitusiu pavidalu, taip, kaip buvo prieš milijonus ir milijardus metų. Žvelgdami į plankeono vidų, pamatytume materiją tokią, kokia ji buvo mūsų Visatos gimimo momentu. Remiantis teoriniais skaičiavimais, Visatoje yra apie 10 80 plankeonų, maždaug vienas plankeonas erdvės kube, kurio kraštinė yra 10 centimetrų. Beje, kartu su Stanyukovičiumi ir (nepriklausomai nuo jo) hipotezę apie plankeonus iškėlė akademikas M. A. Markovas. Tik Markovas suteikė jiems kitokį pavadinimą - maksimonai.
Galima bandyti paaiškinti kartais paradoksalius elementariųjų dalelių virsmus naudojant specialias plankeonų savybes. Yra žinoma, kad susidūrus dviem dalelėms fragmentai niekada nesusidaro, bet atsiranda kitos elementarios dalelės. Tai tikrai nuostabu: įprastame pasaulyje, sudaužę vazą, niekada negausime ištisų puodelių ar net rozečių. Bet tarkime, kad kiekvienos elementarios dalelės gelmėse yra paslėptas plankeonas, vienas ar keli, o kartais ir daug plankeonų.
Dalelių susidūrimo momentu tvirtai surištas plankeono „maišelis“ šiek tiek atsidaro, kai kurios dalelės „įkris“ į jį, o mainais „iššoks“ tos, kurias laikome atsiradusiomis susidūrimo metu. Tuo pačiu plankeonas, kaip ir apdairus buhalteris, užtikrins visus elementariųjų dalelių pasaulyje priimtus „išsaugojimo dėsnius“.
Na, ką bendro su tuo turi visuotinės gravitacijos mechanizmas?
Pagal K. P. Staniukovičiaus hipotezę už gravitaciją „atsakingos“ yra mažytės dalelės, vadinamieji gravitonai, nuolat skleidžiamos elementariųjų dalelių. Gravitonai yra daug mažesni už pastarąjį, kaip dulkių dėmė, šokanti saulės spindulyje, yra mažesnė už Žemės rutulį.
Gravitonų emisija paklūsta daugeliui įstatymų. Visų pirma, jie lengviau skrenda į tą erdvės sritį. Kuriame yra mažiau gravitonų. Tai reiškia, kad jei erdvėje yra du dangaus kūnai, abu skleis gravitonus daugiausia „į išorę“, viena kitai priešingomis kryptimis. Tai sukuria impulsą, dėl kurio kūnai artėja ir traukia vienas kitą.
