Od pradávna sa ľudstvo zamýšľalo nad tým, ako funguje svet okolo nás. Prečo rastie tráva, prečo svieti Slnko, prečo nemôžeme lietať... To posledné, mimochodom, vždy ľudí mimoriadne zaujímalo. Teraz vieme, že dôvodom všetkého je gravitácia. Čo to je a prečo je tento fenomén v dnešnej dobe taký dôležitý, zvážime.
Úvod
Vedci zistili, že všetky masívne telesá zažívajú vzájomnú príťažlivosť. Následne sa ukázalo, že táto záhadná sila určuje aj pohyb nebeských telies na ich konštantných dráhach. Rovnakú teóriu gravitácie sformuloval génius, ktorého hypotézy predurčili vývoj fyziky na mnoho storočí dopredu. Toto učenie vyvinul a pokračoval (aj keď úplne iným smerom) Albert Einstein – jeden z najväčších mozgov minulého storočia.
Po stáročia vedci pozorovali gravitáciu a snažili sa ju pochopiť a zmerať. Napokon, v posledných desaťročiach bol ľudstvu (samozrejme v istom zmysle) daný do služieb aj taký jav, akým je gravitácia. Čo to je, aká je definícia predmetného pojmu v modernej vede?
vedecká definícia
Ak študujete diela starých mysliteľov, zistíte, že latinské slovo „gravitas“ znamená „gravitácia“, „príťažlivosť“. Dnes tak vedci nazývajú univerzálnu a neustálu interakciu medzi hmotnými telami. Ak je táto sila relatívne slabá a pôsobí len na predmety, ktoré sa pohybujú oveľa pomalšie, potom je na ne aplikovateľná Newtonova teória. Ak je to naopak, treba použiť Einsteinove závery.
Okamžite urobme výhradu: v súčasnosti nie je samotná podstata gravitácie v zásade úplne preskúmaná. Čo to je, stále úplne nerozumieme.
Newtonove a Einsteinove teórie
Podľa klasického učenia Isaaca Newtona sú všetky telesá k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná ich hmotnosti, nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti, ktorá medzi nimi leží. Einstein na druhej strane tvrdil, že gravitácia medzi objektmi sa prejavuje v prípade zakrivenia priestoru a času (a zakrivenie priestoru je možné len vtedy, ak je v ňom hmota).
Táto myšlienka bola veľmi hlboká, no moderný výskum dokazuje, že je do istej miery nepresná. Dnes sa verí, že gravitácia vo vesmíre iba ohýba priestor: čas sa dá spomaliť a dokonca zastaviť, ale realita zmeny tvaru dočasnej hmoty nebola teoreticky potvrdená. Preto klasická Einsteinova rovnica ani neposkytuje šancu, že priestor bude aj naďalej ovplyvňovať hmotu a vznikajúce magnetické pole.
Vo väčšej miere je známy gravitačný zákon (univerzálna gravitácia), ktorého matematické vyjadrenie patrí práve Newtonovi:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
Pod γ sa rozumie gravitačná konštanta (niekedy sa používa symbol G), ktorej hodnota je 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interakcia medzi elementárnymi časticami
Neskutočná zložitosť priestoru okolo nás je z veľkej časti spôsobená nekonečným počtom elementárnych častíc. Sú medzi nimi aj rôzne interakcie na úrovniach, ktoré môžeme len hádať. Všetky typy interakcie elementárnych častíc medzi sebou sa však výrazne líšia svojou silou. 
Najmocnejšia zo všetkých nám známych síl spája zložky atómového jadra. Aby ste ich oddelili, musíte minúť skutočne kolosálne množstvo energie. Čo sa týka elektrónov, tie sú k jadru „prichytené“ len obyčajnou elektromagnetickou interakciou. Na zastavenie niekedy stačí energia, ktorá sa objaví ako výsledok najbežnejšej chemickej reakcie. Gravitácia (čo to je, už viete) vo variante atómov a subatomárnych častíc je najjednoduchší druh interakcie.
Gravitačné pole je v tomto prípade také slabé, že je ťažké si ho predstaviť. Napodiv, ale sú to oni, ktorí „sledujú“ pohyb nebeských telies, ktorých hmotnosť je niekedy nemožné si predstaviť. To všetko je možné vďaka dvom vlastnostiam gravitácie, ktoré sú obzvlášť výrazné v prípade veľkých fyzických tiel:
- Na rozdiel od atómových síl je gravitačná príťažlivosť tým zreteľnejšia, čím ďalej od objektu. Zemská gravitácia teda drží aj Mesiac vo svojom poli a podobná sila Jupitera ľahko podporuje obežné dráhy niekoľkých satelitov naraz, pričom hmotnosť každého z nich je celkom porovnateľná s hmotnosťou Zeme!
- Okrem toho vždy poskytuje príťažlivosť medzi objektmi a so vzdialenosťou táto sila slabne pri nízkej rýchlosti.
K vytvoreniu viac-menej koherentnej teórie gravitácie došlo pomerne nedávno a práve na základe výsledkov stáročných pozorovaní pohybu planét a iných nebeských telies. Úlohu výrazne uľahčil fakt, že sa všetky pohybujú vo vzduchoprázdne, kde jednoducho neexistujú žiadne iné možné interakcie. Galileo a Kepler, dvaja vynikajúci astronómovia tej doby, pomohli pripraviť cestu k novým objavom svojimi najcennejšími pozorovaniami.
Ale iba veľký Isaac Newton bol schopný vytvoriť prvú teóriu gravitácie a vyjadriť ju v matematickom vyjadrení. Toto bol prvý gravitačný zákon, ktorého matematické vyjadrenie je uvedené vyššie.
Závery Newtona a niektorých jeho predchodcov
Na rozdiel od iných fyzikálnych javov, ktoré existujú vo svete okolo nás, gravitácia sa prejavuje vždy a všade. Musíte pochopiť, že výraz „nulová gravitácia“, ktorý sa často vyskytuje v pseudovedeckých kruhoch, je extrémne nesprávny: dokonca aj stav beztiaže vo vesmíre neznamená, že človek alebo kozmická loď nie sú ovplyvnené príťažlivosťou nejakého masívneho objektu.
Okrem toho všetky hmotné telesá majú určitú hmotnosť, vyjadrenú vo forme sily, ktorá na ne bola aplikovaná, a zrýchlenie získané v dôsledku tohto nárazu.
Gravitačné sily sú teda úmerné hmotnosti predmetov. Číselne ich možno vyjadriť získaním súčinu hmotností oboch uvažovaných telies. Táto sila prísne dodržiava inverznú závislosť od štvorca vzdialenosti medzi objektmi. Všetky ostatné interakcie závisia úplne odlišne od vzdialenosti medzi dvoma telesami.
Masa ako základný kameň teórie
Množstvo predmetov sa stalo konkrétnym bodom sporu, na ktorom je postavená celá Einsteinova moderná teória gravitácie a relativity. Ak si pamätáte Druhé, potom pravdepodobne viete, že hmotnosť je povinnou charakteristikou každého fyzického hmotného tela. Ukazuje, ako sa objekt bude správať, ak naň pôsobí sila, bez ohľadu na jeho pôvod.
Keďže všetky telesá (podľa Newtona) sa pri pôsobení vonkajšej sily zrýchľujú, je to práve hmotnosť, ktorá určuje, aké veľké toto zrýchlenie bude. Pozrime sa na jasnejší príklad. Predstavte si skúter a autobus: ak na ne použijete presne rovnakú silu, dosiahnu rôznu rýchlosť v rôznych časoch. To všetko vysvetľuje teória gravitácie.
Aký je vzťah medzi hmotnosťou a príťažlivosťou?
Ak hovoríme o gravitácii, potom hmotnosť v tomto jave zohráva úplne opačnú úlohu, než akú hrá vo vzťahu k sile a zrýchleniu objektu. Práve ona je primárnym zdrojom samotnej príťažlivosti. Ak vezmete dve telá a uvidíte, akou silou priťahujú tretí objekt, ktorý sa nachádza v rovnakej vzdialenosti od prvých dvoch, potom sa pomer všetkých síl bude rovnať pomeru hmotností prvých dvoch objektov. Príťažlivá sila je teda priamo úmerná hmotnosti tela. 
Ak vezmeme do úvahy Newtonov tretí zákon, môžeme vidieť, že hovorí presne to isté. Gravitačná sila, ktorá pôsobí na dve telesá umiestnené v rovnakej vzdialenosti od zdroja príťažlivosti, priamo závisí od hmotnosti týchto objektov. V bežnom živote hovoríme o sile, ktorou je teleso priťahované k povrchu planéty, ako o jeho hmotnosti.
Zhrňme si nejaké výsledky. Hmotnosť teda úzko súvisí so silou a zrýchlením. Zároveň je to ona, ktorá určuje silu, akou bude na teleso pôsobiť gravitácia.
Vlastnosti zrýchlenia telies v gravitačnom poli
Táto úžasná dualita je dôvodom, prečo v rovnakom gravitačnom poli bude zrýchlenie úplne odlišných objektov rovnaké. Predpokladajme, že máme dve telá. Jednému z nich priraďme hmotnosť z a druhému Z. Oba predmety spadnú na zem, kde voľne padnú.
Ako sa určuje pomer príťažlivých síl? Ukazuje to najjednoduchší matematický vzorec - z / Z. To je len zrýchlenie, ktoré dostanú v dôsledku gravitačnej sily, bude úplne rovnaké. Zjednodušene povedané, zrýchlenie, ktoré má teleso v gravitačnom poli, nijako nezávisí od jeho vlastností.
Od čoho závisí zrýchlenie v popisovanom prípade?
Závisí to len (!) od hmotnosti predmetov, ktoré toto pole vytvárajú, ako aj od ich priestorovej polohy. Dvojitá úloha hmoty a rovnaké zrýchlenie rôznych telies v gravitačnom poli boli objavené pomerne dlho. Tieto javy dostali nasledujúci názov: „Princíp ekvivalencie“. Tento termín ešte raz zdôrazňuje, že zrýchlenie a zotrvačnosť sú často ekvivalentné (samozrejme do určitej miery).
O význame G
Zo školského kurzu fyziky si pamätáme, že zrýchlenie voľného pádu na povrchu našej planéty (gravitácia Zeme) je 10 m / s² (samozrejme 9,8, ale táto hodnota sa používa na uľahčenie výpočtu). Ak sa teda neberie do úvahy odpor vzduchu (vo významnej výške s malou vzdialenosťou pádu), účinok sa dosiahne, keď telo získa prírastok zrýchlenia 10 m / s. každú sekundu. Kniha, ktorá spadla z druhého poschodia domu, sa teda do konca letu bude pohybovať rýchlosťou 30-40 m/s. Jednoducho povedané, 10 m/s je „rýchlosť“ gravitácie v rámci Zeme. 
Gravitačné zrýchlenie sa vo fyzikálnej literatúre označuje písmenom „g“. Keďže tvar Zeme do istej miery pripomína skôr mandarínku ako guľu, hodnota tejto veličiny nie je ani zďaleka rovnaká vo všetkých jej oblastiach. Takže na póloch je zrýchlenie vyššie a na vrcholoch vysokých hôr je menšie.
Aj v ťažobnom priemysle hrá gravitácia dôležitú úlohu. javy môžu niekedy ušetriť veľa času. Geológovia sa teda zaujímajú najmä o ideálne presné určenie g, pretože to umožňuje prieskum a nájdenie ložísk nerastov s výnimočnou presnosťou. Mimochodom, ako vyzerá gravitačný vzorec, v ktorom hrá dôležitú úlohu hodnota, ktorú sme uvažovali? Tu je:
Poznámka! V tomto prípade gravitačný vzorec znamená pod G „gravitačnú konštantu“, ktorej hodnotu sme už uviedli vyššie.
Svojho času Newton formuloval vyššie uvedené princípy. Dokonale rozumel jednote aj univerzálnosti, no nedokázal opísať všetky aspekty tohto fenoménu. Táto česť pripadla Albertovi Einsteinovi, ktorý tiež dokázal vysvetliť princíp ekvivalencie. Jemu ľudstvo vďačí za moderné pochopenie samotnej podstaty časopriestorového kontinua.
Teória relativity, diela Alberta Einsteina
V čase Isaaca Newtona sa verilo, že referenčné body môžu byť reprezentované ako nejaké tuhé „tyče“, pomocou ktorých sa určuje poloha tela v priestorovom súradnicovom systéme. Zároveň sa predpokladalo, že všetci pozorovatelia, ktorí označia tieto súradnice, budú v jedinom časovom priestore. V tých rokoch sa toto ustanovenie považovalo za také samozrejmé, že neboli podniknuté žiadne pokusy ho spochybniť alebo doplniť. A to je pochopiteľné, pretože v rámci našej planéty neexistujú žiadne odchýlky v tomto pravidle.
Einstein dokázal, že presnosť merania by bola skutočne významná, ak by sa hypotetické hodiny pohybovali oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla. Jednoducho povedané, ak jeden pozorovateľ, pohybujúci sa pomalšie ako rýchlosť svetla, sleduje dve udalosti, potom sa mu stanú súčasne. Podľa toho pre druhého pozorovateľa? ktorých rýchlosť je rovnaká alebo väčšia, udalosti sa môžu vyskytnúť v rôznych časoch.
Ako však gravitačná sila súvisí s teóriou relativity? Preskúmajme tento problém podrobne.
Vzťah medzi relativitou a gravitačnými silami
V posledných rokoch sa uskutočnilo obrovské množstvo objavov v oblasti subatomárnych častíc. Stále silnie presvedčenie, že sa chystáme nájsť poslednú časticu, za ktorou nemožno náš svet rozdeliť. O to naliehavejšia je potreba presne zistiť, ako na najmenšie „tehly“ nášho vesmíru vplývajú základné sily, ktoré boli objavené v minulom storočí alebo ešte skôr. Sklamaním je najmä to, že samotná podstata gravitácie ešte nebola vysvetlená.
To je dôvod, prečo sa po Einsteinovi, ktorý stanovil „neschopnosť“ klasickej Newtonovej mechaniky v posudzovanej oblasti, výskumníci zamerali na úplné prehodnotenie predtým získaných údajov. V mnohých ohľadoch samotná gravitácia prešla revíziou. Čo je to na úrovni subatomárnych častíc? Má to nejaký význam v tomto úžasnom multidimenzionálnom svete?
Jednoduché riešenie?
Spočiatku mnohí predpokladali, že rozpor medzi Newtonovou gravitáciou a teóriou relativity možno vysvetliť celkom jednoducho pomocou analógií z oblasti elektrodynamiky. Dalo by sa predpokladať, že gravitačné pole sa šíri ako magnetické, po čom môže byť vyhlásené za „sprostredkovateľa“ interakcií nebeských telies, čo vysvetľuje mnohé nezrovnalosti medzi starou a novou teóriou. Faktom je, že potom by relatívne rýchlosti šírenia uvažovaných síl boli oveľa nižšie ako rýchlosť svetla. Ako teda súvisí gravitácia a čas?
Einsteinovi sa v zásade takmer podarilo skonštruovať relativistickú teóriu založenú práve na takýchto názoroch, len jedna okolnosť zabránila jeho zámeru. Žiadny z vedcov tej doby nemal vôbec žiadne informácie, ktoré by mohli pomôcť určiť „rýchlosť“ gravitácie. No bolo tam veľa informácií súvisiacich s pohybmi veľkých más. Ako je známe, boli len všeobecne uznávaným zdrojom silných gravitačných polí.
Vysoké rýchlosti silne ovplyvňujú masy telies a to vôbec nie je ako interakcia rýchlosti a náboja. Čím vyššia je rýchlosť, tým väčšia je hmotnosť tela. Problém je, že posledná hodnota by sa automaticky stala nekonečnou v prípade pohybu rýchlosťou svetla alebo vyššou. Preto Einstein dospel k záveru, že neexistuje gravitačné, ale tenzorové pole, na popis ktorého by sa malo použiť oveľa viac premenných.
Jeho nasledovníci prišli na to, že gravitácia a čas spolu prakticky nesúvisia. Faktom je, že toto tenzorové pole samo môže pôsobiť na priestor, ale nie je schopné ovplyvniť čas. Geniálny moderný fyzik Stephen Hawking má však iný uhol pohľadu. Ale to je úplne iný príbeh...
