Zákon gravitácie. Vedci o gravitačnej sile

Newton ako prvý zistil, že pád kameňa na Zem, pohyb planét okolo Slnka, pohyb Mesiaca okolo Zeme je spôsobený silou alebo gravitačnou interakciou.

Interakcia medzi telesami na diaľku sa uskutočňuje pomocou gravitačného poľa, ktoré vytvárajú. Vďaka množstvu experimentálnych faktov bol Newton schopný stanoviť závislosť sily príťažlivosti medzi dvoma telesami od vzdialenosti medzi nimi. Newtonov zákon, nazývaný zákon univerzálnej príťažlivosti, hovorí, že akékoľvek dve telesá sú k sebe priťahované silou úmernou súčinu ich hmotností a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Zákon sa nazýva univerzálny alebo univerzálny, pretože opisuje gravitačnú interakciu medzi dvojicou ľubovoľných telies vo vesmíre, ktoré majú hmotnosť. Tieto sily sú veľmi slabé, ale neexistujú pre nich žiadne prekážky.

Zákon v doslovnom znení je:

Gravitácia

Zemeguľa hlási všetkým telesám padajúcim na Zem rovnaké zrýchlenie g = 9,8 m/s2, čo sa nazýva zrýchlenie voľného pádu. A to znamená, že Zem pôsobí, priťahuje, všetky telesá silou nazývanou gravitácia. Ide o špeciálny druh síl univerzálnej gravitácie. Gravitačná sila je , závisí od telesnej hmotnosti m, meranej v kilogramoch (kg). Hodnota g = 9,8 m/s2 sa berie ako približná, v rôznych zemepisných šírkach a v rôznych dĺžkach sa jej hodnota mierne mení v dôsledku skutočnosti, že:

• polomer Zeme sa mení od pólu k rovníku (čo vedie k zníženiu hodnoty g na rovníku o 0,18 %);
• odstredivý efekt spôsobený rotáciou závisí od zemepisnej šírky (znižuje hodnotu o 0,34 %).

Stav beztiaže

Predpokladajme, že telo padá pod vplyvom gravitácie. Iné sily naň nepôsobia. Tento pohyb sa nazýva voľný pád. V období, keď na telo pôsobí iba Fstrand, bude telo v stave beztiaže. Pri voľnom páde váha človeka zmizne.

Hmotnosť je sila, ktorou teleso napína záves alebo pôsobí na vodorovnú podperu.

Stav beztiaže zažíva parašutista pri zoskoku, človek pri skoku na lyžiach, pasažier lietadla pri páde do vzduchovej diery. Beztiažový stav pociťujeme len veľmi krátky čas, len pár sekúnd. Ale astronauti v kozmickej lodi, ktorá lieta na obežnej dráhe s vypnutými motormi, zažívajú stav beztiaže na dlhú dobu. Kozmická loď je v stave voľného pádu a telá prestávajú pôsobiť na podperu alebo zavesenie - sú v stave beztiaže.

umelé družice Zeme

Gravitáciu Zeme je možné prekonať, ak má teleso určitú rýchlosť. Pomocou gravitačného zákona možno určiť rýchlosť, akou teleso s hmotnosťou m, otáčajúce sa po kruhovej dráhe okolo planéty, naň nespadne a bude jeho satelitom. Zvážte pohyb telesa v kruhu okolo Zeme. Na teleso pôsobí gravitačná sila zo Zeme. Z druhého Newtonovho zákona máme:

Pretože sa teleso pohybuje v kruhu s dostredivým zrýchlením:

Kde r je polomer kruhovej dráhy, R = 6400 km je polomer Zeme a h je výška nad zemským povrchom, kde sa satelit pohybuje. Sila F pôsobiaca na teleso s hmotnosťou m sa rovná , kde Mz = 5,98 * 1024 kg je hmotnosť Zeme.
Máme: . Vyjadrenie rýchlosti bude sa jej volať prvá kozmická je najnižšia rýchlosť, pri ktorej komunikácii s telom sa stáva umelým satelitom Zeme (AES).

Nazýva sa aj kruhový. Vezmeme výšku rovnú 0 a nájdeme túto rýchlosť, približne sa rovná:
Rovná sa rýchlosti družice, ktorá sa otáča okolo Zeme po kruhovej dráhe bez atmosférického odporu.
Zo vzorca je zrejmé, že rýchlosť satelitu nezávisí od jeho hmotnosti, čo znamená, že akékoľvek teleso sa môže stať umelým satelitom.
Ak dáte telu väčšiu rýchlosť, potom prekoná zemskú gravitáciu.

Druhá kozmická rýchlosť sa nazýva najnižšia rýchlosť, ktorá umožňuje telesu prekonať zemskú gravitáciu bez vplyvu akýchkoľvek dodatočných síl a stať sa satelitom Slnka.

Táto rýchlosť sa nazývala parabolická, zodpovedá parabolickej dráhe telesa v gravitačnom poli Zeme (ak neexistuje atmosférický odpor). Dá sa vypočítať podľa vzorca:

Tu r je vzdialenosť od stredu Zeme k miestu štartu.
Na povrchu zeme . Existuje ešte jedna rýchlosť, s ktorou môže telo opustiť slnečnú sústavu a surfovať po rozľahlosti vesmíru.

Tretia kozmická rýchlosť, najnižšia rýchlosť, ktorá umožňuje kozmickej lodi prekonať gravitáciu Slnka a opustiť slnečnú sústavu.

Táto rýchlosť

Podľa akého zákona ma obesíš?
- A všetkých vešiame podľa jedného zákona - zákona univerzálnej gravitácie.

Zákon gravitácie

Fenomén gravitácie je zákonom univerzálnej gravitácie. Dve telesá na seba pôsobia silou, ktorá je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a priamo úmerná súčinu ich hmotností.

Matematicky môžeme tento veľký zákon vyjadriť vzorcom

Gravitácia pôsobí vo vesmíre na obrovské vzdialenosti. Newton však tvrdil, že všetky objekty sa navzájom priťahujú. Je pravda, že akékoľvek dva predmety sa navzájom priťahujú? Len si to predstavte, je známe, že Zem vás priťahuje sediacich na stoličke. Zamysleli ste sa však niekedy nad tým, že počítač a myš sa navzájom priťahujú? Alebo ceruzku a pero na stole? V tomto prípade dosadíme do vzorca hmotnosť pera, hmotnosť ceruzky, vydelíme druhou mocninou vzdialenosti medzi nimi, berúc do úvahy gravitačnú konštantu, získame silu ich vzájomnej príťažlivosti. Vyjde však tak malý (kvôli malým hmotám pera a ceruzky), že jeho prítomnosť necítime. Iná vec je, keď ide o Zem a stoličku, alebo Slnko a Zem. Hmotnosti sú výrazné, čo znamená, že už vieme vyhodnotiť pôsobenie sily.

Zamyslime sa nad zrýchlením voľného pádu. Toto je pôsobenie zákona príťažlivosti. Pôsobením sily telo mení rýchlosť, čím pomalšie, čím väčšia je hmotnosť. Výsledkom je, že všetky telesá padajú na Zem s rovnakým zrýchlením.

Čo je príčinou tejto neviditeľnej jedinečnej sily? Dodnes je existencia gravitačného poľa známa a dokázaná. Viac o povahe gravitačného poľa sa dozviete v doplnkovom materiáli k téme.

Zamyslite sa nad tým, čo je gravitácia. Odkiaľ to je? čo predstavuje? Nemôže sa predsa stať, že sa planéta pozerá na Slnko, vidí, ako ďaleko je vzdialené, vypočítava prevrátenú druhú mocninu vzdialenosti v súlade s týmto zákonom?

Smer gravitácie

Sú dve telesá, povedzme teleso A a B. Teleso A priťahuje teleso B. Sila, ktorou teleso A pôsobí, začína na telese B a smeruje k telesu A. To znamená, že "berie" teleso B a ťahá ho k sebe. . Telo B „robí“ to isté s telom A.

Každé telo priťahuje Zem. Zem „berie“ telo a ťahá ho smerom k jeho stredu. Preto bude táto sila smerovať vždy kolmo nadol a pôsobí od ťažiska tela, nazýva sa to gravitácia.

Hlavná vec na zapamätanie

Niektoré metódy geologického prieskumu, predpovede prílivu a odlivu a po novom aj výpočet pohybu umelých družíc a medziplanetárnych staníc. Skorý výpočet polohy planét.

Môžeme si sami pripraviť takýto experiment a neuhádnuť, či sú priťahované planéty, objekty?

Takáto priama skúsenosť Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - anglický fyzik a chemik) pomocou zariadenia znázorneného na obrázku. Myšlienkou bolo zavesiť tyč s dvoma guľôčkami na veľmi tenkú kremennú niť a potom k nim priviesť dve veľké olovené guľôčky. Príťažlivosť guľôčok mierne skrúti vlákno - mierne, pretože sily príťažlivosti medzi bežnými predmetmi sú veľmi slabé. Pomocou takéhoto prístroja bol Cavendish schopný priamo zmerať silu, vzdialenosť a veľkosť oboch hmôt, a tak určiť gravitačná konštanta G.

Jedinečný objav gravitačnej konštanty G, ktorá charakterizuje gravitačné pole vo vesmíre, umožnil určiť hmotnosť Zeme, Slnka a ďalších nebeských telies. Preto Cavendish nazval svoj zážitok „vážením Zeme“.

Zaujímavé je, že rôzne fyzikálne zákony majú niektoré spoločné črty. Obráťme sa na zákony elektriny (Coulombova sila). Elektrické sily sú tiež nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti, ale už medzi nábojmi a mimovoľne vzniká myšlienka, že tento vzorec má hlboký význam. Doteraz nikto nedokázal predstaviť gravitáciu a elektrinu ako dva rôzne prejavy tej istej podstaty.

Sila sa tu tiež mení nepriamo so štvorcom vzdialenosti, ale rozdiel vo veľkosti elektrických síl a gravitačných síl je markantný. V snahe stanoviť spoločnú povahu gravitácie a elektriny nachádzame takú prevahu elektrických síl nad gravitačnými silami, že je ťažké uveriť, že obe majú rovnaký zdroj. Ako môžeš povedať, že jeden je silnejší ako druhý? Koniec koncov, všetko závisí od toho, čo je hmotnosť a aký je náboj. Pri hádke o tom, ako silná gravitácia pôsobí, nemáte právo povedať: „Vezmime si hmotu takej a takej veľkosti,“ pretože si ju vyberáte sami. Ale ak si vezmeme to, čo nám ponúka sama Príroda (jej vlastné čísla a miery, ktoré nemajú nič spoločné s našimi palcami, rokmi, našimi mierami), tak môžeme porovnávať. Zoberme si elementárnu nabitú časticu, ako je napríklad elektrón. Dve elementárne častice, dva elektróny, sa v dôsledku elektrického náboja navzájom odpudzujú silou nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a vplyvom gravitácie sa k sebe opäť priťahujú silou nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. vzdialenosť.

Otázka: Aký je pomer gravitačnej sily k elektrickej sile? Gravitácia súvisí s elektrickým odpudzovaním, rovnako ako jednotka s číslom so 42 nulami. Toto je hlboko zamotané. Odkiaľ môže pochádzať také obrovské číslo?

Ľudia hľadajú tento obrovský faktor v iných prírodných javoch. Prechádzajú všelijakými veľkými číslami a ak chcete veľké číslo, prečo si nezobrať povedzme pomer priemeru vesmíru k priemeru protónu – prekvapivo ide aj o číslo so 42 nulami. A hovoria: možno sa tento koeficient rovná pomeru priemeru protónu k priemeru vesmíru? Je to zaujímavá myšlienka, ale ako sa vesmír postupne rozpína, musí sa zmeniť aj gravitačná konštanta. Aj keď táto hypotéza ešte nebola vyvrátená, nemáme žiadne dôkazy v jej prospech. Naopak, niektoré dôkazy naznačujú, že gravitačná konštanta sa týmto spôsobom nezmenila. Toto obrovské číslo zostáva dodnes záhadou.

Einstein musel upraviť zákony gravitácie v súlade s princípmi relativity. Prvý z týchto princípov hovorí, že vzdialenosť x nemožno prekonať okamžite, zatiaľ čo podľa Newtonovej teórie sily pôsobia okamžite. Einstein musel zmeniť Newtonove zákony. Tieto zmeny, vylepšenia sú veľmi malé. Jedným z nich je toto: keďže svetlo má energiu, energia je ekvivalentná hmotnosti a všetky hmoty sa priťahujú, svetlo sa tiež priťahuje, a preto sa pri prechode okolo Slnka musí odkloniť. Takto sa to v skutočnosti deje. Aj gravitačná sila je v Einsteinovej teórii mierne upravená. Ale táto veľmi malá zmena gravitačného zákona stačí na vysvetlenie niektorých zjavných nepravidelností v pohybe Merkúra.

Fyzikálne javy v mikrokozme podliehajú iným zákonom ako javy vo svete veľkých meradiel. Vynára sa otázka: ako sa gravitácia prejavuje vo svete malých mierok? Na to odpovie kvantová teória gravitácie. Ale zatiaľ neexistuje kvantová teória gravitácie. Ľudia zatiaľ neboli veľmi úspešní pri vytváraní teórie gravitácie, ktorá by bola plne v súlade s kvantovo-mechanickými princípmi a s princípom neurčitosti.

Podľa Newtonových zákonov je pohyb telesa so zrýchlením možný len pri pôsobení sily. Pretože padajúce telesá sa pohybujú so zrýchlením smerujúcim nadol, potom na ne pôsobí príťažlivá sila k Zemi. Ale nielen Zem má vlastnosť pôsobiť na všetky telesá príťažlivou silou. Isaac Newton navrhol, že sily príťažlivosti pôsobia medzi všetkými telami. Tieto sily sú tzv gravitačné sily alebo gravitačné sily.

Po rozšírení zavedených zákonov - závislosť sily príťažlivosti telies k Zemi od vzdialenosti medzi telesami a od hmotnosti interagujúcich telies, získaných v dôsledku pozorovaní - Newton objavil v roku 1682 zákon gravitácie:Všetky telesá sa navzájom priťahujú, sila univerzálnej gravitácie je priamo úmerná súčinu hmotností telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Vektory síl univerzálnej gravitácie sú nasmerované pozdĺž priamky spájajúcej telesá. Faktor úmernosti G sa nazýva gravitačná konštanta (univerzálna gravitačná konštanta) a rovná sa

.

gravitácia nazývaná príťažlivá sila pôsobiaca zo Zeme na všetky telesá:

.

Nechaj
je hmotnosť zeme a
je polomer zeme. Zvážte závislosť zrýchlenia voľného pádu od výšky stúpania nad povrchom Zeme:

Telesná hmotnosť. Stav beztiaže

Telesná hmotnosť - sila, ktorou teleso tlačí na podperu alebo záves v dôsledku priťahovania tohto telesa k zemi. Hmotnosť tela sa aplikuje na podperu (záves). Veľkosť telesnej hmotnosti závisí od toho, ako sa telo pohybuje s podporou (odpružením).

Telesná hmotnosť, t.j. sila, ktorou teleso pôsobí na podperu, a elastická sila, ktorou podpera pôsobí na teleso, v súlade s tretím Newtonovým zákonom, sú rovnaké v absolútnej hodnote a opačného smeru.

Ak je teleso v pokoji na vodorovnej podpere alebo sa pohybuje rovnomerne, pôsobí naň iba gravitačná sila a elastická sila zo strany podpery, preto sa hmotnosť telesa rovná sile gravitácie (ale tieto sily sa aplikujú na rôzne telá):

.

Pri zrýchlenom pohybe sa hmotnosť telesa nebude rovnať gravitačnej sile. Uvažujme pohyb telesa s hmotnosťou m pôsobením gravitácie a pružnosti so zrýchlením. Podľa druhého Newtonovho zákona:

Ak je zrýchlenie tela nasmerované nadol, potom je hmotnosť tela menšia ako gravitačná sila; ak zrýchlenie telesa smeruje nahor, potom sú všetky telesá väčšie ako gravitačná sila.

Zvýšenie telesnej hmotnosti spôsobené zrýchleným pohybom podpery alebo zavesenia sa nazýva preťaženie.

Ak teleso voľne padá, potom zo vzorca * vyplýva, že hmotnosť telesa je nulová. Zánik závažia pri pohybe opory so zrýchlením voľného pádu sa nazýva stav beztiaže.

Stav beztiaže sa pozoruje v lietadle alebo kozmickej lodi, keď sa pohybujú so zrýchlením voľného pádu, bez ohľadu na rýchlosť ich pohybu. Mimo zemskej atmosféry, keď sú prúdové motory vypnuté, pôsobí na kozmickú loď iba sila univerzálnej gravitácie. Pod vplyvom tejto sily sa kozmická loď a všetky telesá v nej pohybujú s rovnakým zrýchlením; preto je na lodi pozorovaný fenomén beztiaže.

Pohyb telesa pod vplyvom gravitácie. Pohyb umelých satelitov. prvá kozmická rýchlosť

Ak je modul posunutia telesa oveľa menší ako vzdialenosť od stredu Zeme, potom sa sila univerzálnej gravitácie počas pohybu môže považovať za konštantnú a pohyb telesa je rovnomerne zrýchlený. Najjednoduchším prípadom pohybu telesa pôsobením gravitácie je voľný pád s nulovou počiatočnou rýchlosťou. V tomto prípade sa teleso pohybuje zrýchlením voľného pádu smerom k stredu Zeme. Ak existuje počiatočná rýchlosť, ktorá nie je nasmerovaná vertikálne, telo sa pohybuje po zakrivenej dráhe (parabola, ak sa neberie do úvahy odpor vzduchu).

Pri určitej počiatočnej rýchlosti sa teleso vrhnuté tangenciálne k povrchu Zeme pôsobením gravitácie v neprítomnosti atmosféry môže pohybovať po kruhu okolo Zeme bez toho, aby na ňu spadlo a bez toho, aby sa od nej vzdialilo. Táto rýchlosť sa nazýva prvá kozmická rýchlosť a telo sa pohybuje týmto spôsobom - umelý satelit Zeme (AES).

Definujme prvú kozmickú rýchlosť pre Zem. Ak sa teleso pod vplyvom gravitácie pohybuje okolo Zeme rovnomerne v kruhu, potom zrýchlenie voľného pádu je jeho dostredivé zrýchlenie:

.

Preto je prvá kozmická rýchlosť

.

Prvá kozmická rýchlosť pre akékoľvek nebeské telo je určená rovnakým spôsobom. Zrýchlenie voľného pádu vo vzdialenosti R od stredu nebeského telesa možno nájsť pomocou druhého Newtonovho zákona a zákona univerzálnej gravitácie:

.

Preto sa prvá kozmická rýchlosť vo vzdialenosti R od stredu nebeského telesa s hmotnosťou M rovná

.

Na vypustenie satelitu na obežnú dráhu blízko Zeme je potrebné ho najskôr vyniesť z atmosféry. Preto vesmírne lode štartujú vertikálne. Vo výške 200 - 300 km od zemského povrchu, kde je atmosféra riedka a nemá takmer žiadny vplyv na pohyb družice, sa raketa otočí a informuje družicu o prvej kozmickej rýchlosti v smere kolmom na družicu. vertikálne.

Všetci chodíme po Zemi, pretože nás to priťahuje. Ak by Zem nepriťahovala všetky telesá na svojom povrchu, potom by sme sa od nej odrazili a odleteli do vesmíru. To sa však nestane a každý vie o existencii zemskej gravitácie.

Ťaháme zem? Luna priťahuje!

Ťaháme zem k sebe? Smiešna otázka, však? Ale pozrime sa. Viete, aké sú prílivy a odlivy v moriach a oceánoch? Voda každý deň opúšťa pobrežie, niekoľko hodín sa túla a potom, akoby sa nič nestalo, sa vracia späť.

Takže voda v tomto čase nie je neznáma kde, ale približne v strede oceánu. Vzniká niečo ako hora vody. Neuveriteľné, však? Voda, ktorá má tendenciu sa šíriť, nielen tečie, ale vytvára aj hory. A v týchto horách je sústredená obrovská masa vody.

Stačí zvážiť celkový objem vody, ktorý sa počas odlivu vzdiali od pobrežia, a pochopíte, že hovoríme o gigantických množstvách. Ale ak sa to stane, musí to mať nejaký dôvod. A existuje dôvod. Dôvod spočíva v tom, že Mesiac priťahuje túto vodu.

Keď Mesiac obieha okolo Zeme, prechádza cez oceány a priťahuje k sebe oceánske vody. Mesiac sa točí okolo Zeme, pretože je priťahovaný Zemou. Ukazuje sa však, že ona sama zároveň priťahuje Zem k sebe. Zem je však pre ňu príliš veľká, ale jej vplyv je dostatočný na to, aby premiestnila vodu v oceánoch.

Sila a zákon univerzálnej gravitácie: pojem a vzorec

A teraz poďme ďalej a zamyslime sa: ak sa dve obrovské telesá nachádzajúce sa v blízkosti obe navzájom priťahujú, nie je logické predpokladať, že sa budú priťahovať aj menšie telesá? Je to len tým, že sú oveľa menšie a ich príťažlivá sila bude malá?

Ukazuje sa, že tento predpoklad je úplne správny. Absolútne medzi všetkými telesami vo vesmíre existujú sily príťažlivosti alebo inými slovami sily univerzálnej gravitácie.

Isaac Newton ako prvý objavil a sformuloval takýto jav vo forme zákona. Zákon univerzálnej gravitácie hovorí: všetky telesá sa navzájom priťahujú, pričom sila ich príťažlivosti je priamo úmerná hmotnosti každého z telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

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

kde F je hodnota vektora príťažlivej sily medzi telesami, m_1 a m_2 sú hmotnosti týchto telies, r je vzdialenosť medzi telesami, G je gravitačná konštanta.

Gravitačná konštanta sa číselne rovná sile, ktorá existuje medzi telesami s hmotnosťou 1 kg, ktoré sa nachádzajú vo vzdialenosti 1 meter. Táto hodnota sa zistila experimentálne: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2 .

Keď sa vrátime k našej pôvodnej otázke: „Ťaháme na Zem?“, môžeme s istotou odpovedať „áno“. Podľa tretieho Newtonovho zákona priťahujeme Zem presne takou istou silou, akou Zem priťahuje nás. Túto silu možno vypočítať zo zákona univerzálnej gravitácie.

A podľa druhého Newtonovho zákona je vzájomné pôsobenie telies akoukoľvek silou vyjadrené vo forme zrýchlenia, ktoré si navzájom udelia. Ale udelené zrýchlenie závisí od hmotnosti tela.

Hmotnosť Zeme je veľká a dáva nám zrýchlenie voľného pádu. A naša hmotnosť je v porovnaní so Zemou zanedbateľná, a preto zrýchlenie, ktoré Zemi dávame, je prakticky nulové. Preto nás Zem priťahuje a kráčame po nej, a nie naopak.

Nielen tie najzáhadnejšie sily prírody ale aj najmocnejší.

Muž na ceste k pokroku

Historicky to tak bolo človek ako sa posúvate vpred cesty pokroku ovládal stále mocnejšie prírodné sily. Začal, keď nemal nič iné ako palicu v päste a vlastnú fyzickú silu.

Ale bol múdry a do svojich služieb vniesol fyzickú silu zvierat, vďaka ktorým sa stali domácimi. Kôň zrýchlil beh, ťava urobila púšť priechodnou, slon močaristú džungľu. Ale fyzické sily aj tých najsilnejších zvierat sú v porovnaní so silami prírody nesmierne malé.

Prvá osoba si podmanila živel ohňa, ale len v jeho najslabších verziách. Spočiatku – dlhé stáročia – používal ako palivo len drevo – veľmi nízkoenergetický druh paliva. O niečo neskôr sa naučil využívať veternú energiu z tohto zdroja energie, človek zdvihol biele krídlo plachty do vzduchu - a ľahká loď preletela ako vták ponad vlny.

Plachetnica na vlnách

Lopatky veterného mlyna vystavil poryvom vetra – a ťažké kamene mlynských kameňov sa roztočili, paličky krúp rachotili. Ale každému je jasné, že energia prúdov vzduchu nie je ani zďaleka koncentrovaná. Plachta aj veterný mlyn sa navyše báli nárazov vetra: búrka roztrhala plachty a potopila lode, búrka zlomila krídla a prevrátila mlyny.

Aj neskôr začal človek dobýjať tečúcu vodu. Koleso je nielen najprimitívnejšie zo zariadení schopných premeniť energiu vody na rotačný pohyb, ale v porovnaní s rôznymi je aj najnedostatočnejšie.

Človek napredoval na rebríčku pokroku a potreboval stále viac energie.
Začal používať nové druhy palív – už prechod na spaľovanie uhlia zvýšil energetickú náročnosť kilogramu paliva z 2500 kcal na 7000 kcal – takmer trojnásobne. Potom prišiel čas ropy a zemného plynu. Energetický obsah každého kilogramu fosílneho paliva sa opäť zvýšil jeden a pol až dvakrát.

Parné stroje boli nahradené parnými turbínami; mlynské kolesá nahradili hydraulické turbíny. Potom muž natiahol ruku k štiepnemu atómu uránu. Prvé použitie nového druhu energie však malo tragické následky – jadrový plameň Hirošimy v roku 1945 spálil v priebehu niekoľkých minút 70-tisíc ľudských sŕdc.

V roku 1954 bola uvedená do prevádzky prvá sovietska jadrová elektráreň na svete, ktorá premenila silu uránu na žiarivú silu elektrického prúdu. A treba si uvedomiť, že kilogram uránu obsahuje dva milióny krát viac energie ako kilogram tej najlepšej ropy.

Išlo o zásadne nový oheň, ktorý by sa dal nazvať fyzikálnym, pretože práve fyzici študovali procesy vedúce k zrodu takého rozprávkového množstva energie.
Urán nie je jediným jadrovým palivom. Už sa používa výkonnejší typ paliva – izotopy vodíka.

Žiaľ, vodíkovo-héliový jadrový plameň sa človeku zatiaľ nepodarilo pokoriť. Vie, ako na chvíľu zapáliť svoj horiaci oheň a zapáliť reakciu vo vodíkovej bombe zábleskom výbuchu uránu. Čoraz bližšie však vedci vidia vodíkový reaktor, ktorý bude generovať elektrický prúd ako výsledok fúzie jadier izotopov vodíka na jadrá hélia.

Opäť platí, že množstvo energie, ktoré môže človek odobrať z každého kilogramu paliva, sa zvýši takmer desaťnásobne. Bude však tento krok posledným v nadchádzajúcich dejinách ľudskej moci nad prírodnými silami?

Nie! Ahead - zvládnutie gravitačnej formy energie. Príroda ho balí ešte prezieravejšie ako energia fúzie vodíka a hélia. Dnes je to najkoncentrovanejšia forma energie, o ktorej môže človek čo i len tušiť.

Nič viac tam za hranicami vedy ešte nie je viditeľné. A aj keď môžeme s istotou povedať, že elektrárne budú pracovať pre človeka, spracovanie gravitačnej energie na elektrický prúd (alebo možno na prúd plynu vylietavajúci z trysky prúdového motora alebo na plánovanú premenu všadeprítomných atómov kremíka a kyslíka do atómov ultravzácnych kovov), nevieme zatiaľ povedať nič o detailoch takejto elektrárne (raketový motor, fyzikálny reaktor).

Sila univerzálnej gravitácie pri počiatkoch zrodu galaxií

Sila univerzálnej gravitácie stojí na počiatku zrodu galaxií z predhviezdnej hmoty, ako je presvedčený akademik V.A. Ambartsumyan. Zhasne aj hviezdy, ktoré vyhoreli svoj čas, pretože minuli hviezdne palivo, ktoré im bolo pridelené pri narodení.

Áno, pozrite sa okolo seba: všetko na Zemi je do značnej miery ovládané touto silou.

Práve ona určuje vrstvenú štruktúru našej planéty – striedanie litosféry, hydrosféry a atmosféry. Práve ona drží hrubú vrstvu vzdušných plynov, na dne ktorej a vďaka ktorej všetci existujeme.

Ak by neexistovala gravitácia, Zem by sa okamžite vymanila z obežnej dráhy okolo Slnka a samotná zemeguľa by sa rozpadla na kusy, roztrhnutá odstredivými silami. Je ťažké nájsť niečo, čo by v tej či onej miere nebolo závislé od sily univerzálnej gravitácie.

Samozrejme, starovekí filozofi, veľmi pozorní ľudia, si nemohli nevšimnúť, že kameň hodený hore sa vždy vráti. Platón v 4. storočí pred Kristom to vysvetlil tak, že všetky látky vesmíru majú tendenciu tam, kde sa sústreďuje väčšina podobných látok: hodený kameň padne na zem alebo ide ku dnu, rozliata voda presiakne do najbližšieho jazierka resp. do rieky, ktorá si razí cestu k moru, dym z ohňa sa ženie k jej spriazneným oblakom.

Žiak Platóna, Aristoteles, objasnil, že všetky telesá majú špeciálne vlastnosti, ako je váha a ľahkosť. Ťažké telesá - kamene, kovy - sa ponáhľajú do stredu vesmíru, svetlo - oheň, dym, pary - na perifériu. Táto hypotéza, ktorá vysvetľuje niektoré javy spojené so silou univerzálnej gravitácie, existuje už viac ako 2 tisíc rokov.

Vedci o gravitačnej sile

Pravdepodobne prvý, kto nastolí otázku gravitačná sila skutočne vedecký, bol génius renesancie - Leonardo da Vinci. Leonardo hlásal, že gravitácia je charakteristická nielen pre Zem, že existuje veľa ťažísk. A tiež navrhol, že sila gravitácie závisí od vzdialenosti od ťažiska.

Diela Koperníka, Galilea, Keplera, Roberta Hooka priblížili a priblížili myšlienku zákona univerzálnej gravitácie, ale vo svojej konečnej formulácii je tento zákon navždy spojený s menom Isaaca Newtona.

Isaac Newton o sile gravitácie

Narodil sa 4. januára 1643. Vyštudoval University of Cambridge, stal sa bakalárom, potom - magistrom vied.

Všetko, čo nasleduje, je nekonečné množstvo vedeckých prác. Ale jeho hlavným dielom sú „Matematické princípy prírodnej filozofie“, vydané v roku 1687 a zvyčajne nazývané jednoducho „Začiatky“. Práve v nich sa formuluje to veľké. Asi každý si ho pamätá zo strednej školy.

Všetky telesá sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi ...

Niektoré ustanovenia tejto formulácie mohli už Newtonovi predchodcovia predpokladať, no ešte nebola nikomu daná celá. Na zostavenie týchto fragmentov do jedného celku bol potrebný Newtonov génius, aby sa príťažlivosť Zeme rozšírila na Mesiac a Slnko na celý planetárny systém.

Zo zákona univerzálnej gravitácie Newton odvodil všetky zákony pohybu planét, ktoré objavil už Kepler. Boli to len jej následky. Navyše Newton ukázal, že nielen Keplerove zákony, ale aj odchýlky od týchto zákonov (vo svete troch a viacerých telies) sú výsledkom univerzálnej gravitácie... Bol to veľký triumf vedy.

Zdalo sa, že konečne bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá hýbe svetmi, sila, ktorej podliehajú molekuly vzduchu, jablká a Slnko. Obrovský, nesmierne obrovský bol krok, ktorý urobil Newton.

Prvý popularizátor diela geniálneho vedca, francúzsky spisovateľ Francois Marie Arouet, svetoznámy pod pseudonymom Voltaire, povedal, že Newton zrazu pri pohľade na padajúce jablko uhádol existenciu zákona pomenovaného po ňom.

Sám Newton toto jablko nikdy nespomenul. A dnes sotva stojí za to strácať čas vyvracaním tejto krásnej legendy. A očividne Newton pochopil veľkú silu prírody logickým uvažovaním. Je pravdepodobné, že bol zahrnutý do zodpovedajúcej kapitoly „Začiatky“.

Gravitačná sila ovplyvňuje let jadra

Predpokladajme, že na veľmi vysokej hore, tak vysokej, že jej vrchol je už mimo atmosféry, sme postavili gigantické delostrelectvo. Jeho hlaveň bola umiestnená striktne rovnobežne s povrchom zemegule a vystrelená. Opis oblúka jadro padá na zem.

Zvyšujeme náboj, zlepšujeme kvalitu pušného prachu, tak či onak prinútime jadro sa po ďalšom výstrele pohybovať vyššou rýchlosťou. Oblúk opísaný jadrom sa stáva plochejším. Jadro spadá oveľa ďalej od úpätia našej hory.

Tiež zvyšujeme náboj a strieľame. Jadro letí po takej miernej trajektórii, že klesá rovnobežne s povrchom zemegule. Jadro už nemôže spadnúť na Zem: rovnakou rýchlosťou, akou padá, Zem spod neho uniká. A po opísaní prstenca okolo našej planéty sa jadro vráti do východiskového bodu.

Pištoľ je možné medzitým odstrániť. Veď let jadra okolo zemegule potrvá viac ako hodinu. A potom jadro rýchlo prejde cez vrchol hory a prejde do nového kruhu okolo Zeme. Pád, ak, ako sme sa dohodli, jadro nepociťuje odpor vzduchu, nebude môcť nikdy.

Rýchlosť jadra by sa mala pohybovať okolo 8 km/s. A ak zvýšite rýchlosť letu jadra? Najprv poletí v oblúku, jemnejšom ako zakrivenie zemského povrchu, a začne sa od Zeme vzďaľovať. Zároveň sa zníži jeho rýchlosť pod vplyvom zemskej príťažlivosti.

A nakoniec, keď sa otočí, začne akoby klesať späť k Zemi, ale preletí okolo nej a už nedotvorí kruh, ale elipsu. Jadro sa bude pohybovať okolo Zeme presne tak, ako sa Zem pohybuje okolo Slnka, a to po elipse, v ktorej jednom z ohniskov sa bude nachádzať stred našej planéty.

Ak ďalej zvýšime počiatočnú rýchlosť jadra, elipsa sa ukáže byť viac natiahnutá. Túto elipsu je možné natiahnuť tak, že jadro dosiahne obežnú dráhu Mesiaca alebo ešte oveľa ďalej. Kým však počiatočná rýchlosť tohto jadra nepresiahne 11,2 km/s, zostane satelitom Zeme.

Jadro, ktoré pri výstrele dostalo rýchlosť vyše 11,2 km/s, navždy odletí zo Zeme po parabolickej trajektórii. Ak je elipsa uzavretá krivka, potom parabola je krivka, ktorá má dve vetvy smerujúce do nekonečna. Pohybom po elipse, bez ohľadu na to, aká môže byť predĺžená, sa nevyhnutne systematicky vrátime k východiskovému bodu. Pohybujúc sa po parabole sa nikdy nevrátime do východiskového bodu.

Ale po opustení Zeme touto rýchlosťou jadro ešte nebude schopné lietať do nekonečna. Silná gravitácia Slnka ohne trajektóriu jeho letu, uzavrie sa okolo seba ako trajektória planéty. Jadro sa stane sestrou Zeme, malou planétou v našej vlastnej rodine planét.

Aby bolo možné nasmerovať jadro mimo planetárneho systému, prekonať slnečnú príťažlivosť, je potrebné povedať mu rýchlosť viac ako 16,7 km / s a ​​nasmerovať ho tak, aby sa k tejto rýchlosti pripočítala rýchlosť vlastného pohybu Zeme. .

Rýchlosť okolo 8 km/s (táto rýchlosť závisí od výšky hory, z ktorej naše delo strieľa) sa nazýva kruhová rýchlosť, rýchlosti od 8 do 11,2 km/s sú eliptické, od 11,2 do 16,7 km/s sú parabolické, a nad toto číslo - oslobodzujúce rýchlosti.

Tu treba dodať, že uvedené hodnoty týchto rýchlostí platia len pre Zem. Ak by sme žili na Marse, kruhovú rýchlosť by sme dosiahli oveľa ľahšie – je to tam len asi 3,6 km/s a parabolická rýchlosť je len o niečo viac ako 5 km/s.

Na druhej strane by bolo oveľa ťažšie poslať jadro vesmírnym letom z Jupitera ako zo Zeme: kruhová rýchlosť na tejto planéte je 42,2 km/s a parabolická dokonca 61,8 km/s!

Pre obyvateľov Slnka by bolo najťažšie opustiť svoj svet (ak by, samozrejme, taký mohol existovať). Kruhová rýchlosť tohto obra by mala byť 437,6 a rýchlosť separácie - 618,8 km / s!

Takže Newton na konci 17. storočia, sto rokov pred prvým letom teplovzdušného balóna naplneného teplým vzduchom bratmi Montgolfierovými, dvesto rokov pred prvými letmi lietadla bratov Wrightovcov a takmer štvrť tisícročia pred vzletom prvých rakiet na kvapalinu, ukázal cestu k oblohe pre satelity a kozmické lode.

Gravitačná sila je vlastná každej sfére

Používaním zákon gravitácie boli objavené neznáme planéty, vznikli kozmogonické hypotézy o vzniku slnečnej sústavy. Bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá ovláda hviezdy, planéty, jablká v záhrade a molekuly plynu v atmosfére.

Ale nepoznáme mechanizmus univerzálnej gravitácie. Newtonovská gravitácia nevysvetľuje, ale vizuálne predstavuje súčasný stav pohybu planét.

Nevieme, čo spôsobuje interakciu všetkých tiel vesmíru. A nedá sa povedať, že by Newtona tento dôvod nezaujímal. Dlhé roky uvažoval nad jej možným mechanizmom.

Mimochodom, toto je skutočne mimoriadne tajomná sila. Sila, ktorá sa prejavuje v stovkách miliónov kilometrov priestoru, na prvý pohľad bez akýchkoľvek hmotných útvarov, pomocou ktorých by sa dal vysvetliť prenos interakcie.

Newtonove hypotézy

A Newton uchýlil sa k hypotéza o existencii istého éteru, ktorý údajne napĺňa celý Vesmír. V roku 1675 vysvetlil príťažlivosť Zeme tým, že éter napĺňajúci celý Vesmír sa rúti do stredu Zeme v nepretržitých prúdoch, zachytávajúc všetky objekty v tomto pohybe a vytvára gravitačnú silu. Rovnaký prúd éteru sa rúti k Slnku a ťahajúc planéty, kométy, zabezpečuje ich eliptické trajektórie...

Nebola to veľmi presvedčivá, aj keď absolútne matematicky logická hypotéza. Ale teraz, v roku 1679, Newton vytvoril novú hypotézu vysvetľujúcu mechanizmus gravitácie. Tentoraz obdarúva éter vlastnosťou mať inú koncentráciu v blízkosti planét a ďaleko od nich. Čím ďalej od stredu planéty, tým je údajne hustejší éter. A má tú vlastnosť, že vytlačí všetky hmotné telesá z ich hustejších vrstiev do menej hustých. A všetky telesá sú vytlačené na povrch Zeme.

V roku 1706 Newton ostro popiera samotnú existenciu éteru. V roku 1717 sa opäť vracia k hypotéze o vytláčaní éteru.

Geniálny mozog Newtona bojoval o riešenie veľkej záhady a nenašiel ho. To vysvetľuje také prudké hádzanie zo strany na stranu. Newton hovorieval:

Nerobím si hypotézy.

A hoci to, ako sme si mohli len overiť, nie je celkom pravda, rozhodne môžeme konštatovať niečo iné: Newton dokázal jasne odlíšiť veci, ktoré sú nespochybniteľné, od nestálych a kontroverzných hypotéz. A v Živloch je vzorec veľkého zákona, ale nie je tu žiadny pokus vysvetliť jeho mechanizmus.
Veľký fyzik odkázal túto hádanku mužovi budúcnosti. Zomrel v roku 1727.
Nevyriešilo sa to ani dnes.

Diskusia o fyzikálnej podstate Newtonovho zákona trvala dve storočia. A možno by sa táto diskusia netýkala samotnej podstaty zákona, keby odpovedal presne na všetky otázky, ktoré mu boli položené.

Faktom však je, že časom sa ukázalo, že tento zákon nie je univerzálny. Že sú prípady, keď nevie vysvetliť ten či onen jav. Uveďme si príklady.

Gravitačná sila v Seeligerových výpočtoch

Prvým z nich je Seeligerov paradox. Seeliger, ktorý považoval vesmír za nekonečný a rovnomerne naplnený hmotou, sa pokúsil vypočítať podľa Newtonovho zákona univerzálnu gravitačnú silu vytvorenú celou nekonečne veľkou hmotnosťou nekonečného vesmíru v určitom bode v ňom.

Z pohľadu čistej matematiky to nebola ľahká úloha. Po prekonaní všetkých ťažkostí najzložitejších transformácií, Seeliger zistil, že požadovaná sila univerzálnej gravitácie je úmerná polomeru vesmíru. A keďže sa tento polomer rovná nekonečnu, potom musí byť gravitačná sila nekonečne veľká. V praxi to však nevidíme. To znamená, že zákon univerzálnej gravitácie neplatí pre celý vesmír.

Možné sú však aj iné vysvetlenia paradoxu. Môžeme napríklad predpokladať, že hmota nevypĺňa rovnomerne celý vesmír, ale jej hustota postupne klesá a nakoniec niekde veľmi ďaleko nie je hmota vôbec. No predstaviť si takýto obraz znamená pripustiť možnosť existencie priestoru bez hmoty, čo je vo všeobecnosti absurdné.

Môžeme predpokladať, že gravitačná sila slabne rýchlejšie, ako rastie štvorec vzdialenosti. To však spochybňuje prekvapivú harmóniu Newtonovho zákona. Nie a toto vysvetlenie vedcov neuspokojilo. Paradox zostal paradoxom.

Pozorovania pohybu Merkúra

Ďalší fakt, pôsobenie sily univerzálnej gravitácie, nevysvetlený Newtonovým zákonom, priniesol pozorovanie pohybu Merkúra- najbližšie k planéte. Presné výpočty podľa Newtonovho zákona ukázali, že perehelion – bod elipsy, po ktorom sa Merkúr pohybuje najbližšie k Slnku – by sa mal za 100 rokov posunúť o 531 oblúkových sekúnd.

A astronómovia zistili, že tento posun sa rovná 573 oblúkovým sekundám. Tento prebytok - 42 oblúkových sekúnd - vedci tiež nedokázali vysvetliť iba pomocou vzorcov vyplývajúcich z Newtonovho zákona.

Vysvetlil ako Seeligerov paradox, tak aj premiestnenie Merkúrovho perhélia a mnohé ďalšie paradoxné javy a nevysvetliteľné skutočnosti. Albert Einstein, jeden z najväčších, ak nie najväčší fyzik všetkých čias. Medzi nepríjemné maličkosti patrila otázka éterický vietor.

Experimenty Alberta Michelsona

Zdalo sa, že táto otázka sa netýka priamo problému gravitácie. Týkal sa optiky, svetla. Presnejšie k definícii jeho rýchlosti.

Dánsky astronóm ako prvý určil rýchlosť svetla. Olaf Remer sledovanie zatmenia mesiacov Jupitera. Stalo sa tak už v roku 1675.

americký fyzik Albert Michelson na konci 18. storočia vykonal sériu stanovení rýchlosti svetla v pozemských podmienkach pomocou prístroja, ktorý navrhol.

V roku 1927 udával rýchlosť svetla 299796 + 4 km/s, čo bola na tie časy vynikajúca presnosť. Podstata veci je ale iná. V roku 1880 sa rozhodol preskúmať éterický vietor. Chcel konečne dokázať existenciu práve toho éteru, ktorého prítomnosťou sa snažili vysvetliť tak prenos gravitačnej interakcie, ako aj prenos svetelných vĺn.

Michelson bol pravdepodobne najpozoruhodnejším experimentátorom svojej doby. Mal vynikajúce vybavenie. A úspechom si bol takmer istý.

Esencia skúsenosti

Skúsenosť bol koncipovaný takto. Zem sa na svojej obežnej dráhe pohybuje rýchlosťou asi 30 km/s.. Pohybuje sa vzduchom. To znamená, že rýchlosť svetla zo zdroja, ktorý je pred prijímačom vzhľadom na pohyb Zeme, musí byť väčšia ako zo zdroja, ktorý je na druhej strane. V prvom prípade treba k rýchlosti svetla pripočítať rýchlosť éterického vetra, v druhom prípade musí rýchlosť svetla o túto hodnotu klesnúť.

Samozrejme, rýchlosť Zeme na jej obežnej dráhe okolo Slnka je len jedna desaťtisícina rýchlosti svetla. Nájsť taký malý termín je veľmi ťažké, no Michelson bol z nejakého dôvodu nazývaný kráľom presnosti. Využil dômyselný spôsob, ako zachytiť „nepolapiteľný“ rozdiel v rýchlostiach svetelných lúčov.

Lúč rozdelil na dva rovnaké prúdy a nasmeroval ich vo vzájomne kolmých smeroch: pozdĺž poludníka a pozdĺž rovnobežky. Lúče sa odrazili od zrkadiel a vrátili sa späť. Ak by na lúč idúci pozdĺž rovnobežky pôsobil vplyv éterického vetra, po pridaní k meridionálnemu lúču by mali vzniknúť interferenčné prúžky, vlny oboch lúčov by boli fázovo posunuté.

Pre Michelsona však bolo ťažké zmerať dráhy oboch lúčov s takou veľkou presnosťou, aby boli úplne rovnaké. Preto postavil aparatúru tak, aby tam neboli žiadne rušivé prúžky, a potom ju otočil o 90 stupňov.

Poludníkový lúč sa zmenil na zemepisnú šírku a naopak. Ak fúka éterický vietor, pod okulárom by sa mali objaviť čierne a svetlé pásiky! Ale neboli. Možno, že pri otáčaní zariadenia ho vedec posunul.

Napoludnie ho postavil a opravil. Veď okrem toho sa aj otáča okolo osi. A preto v rôznych časoch dňa zaujíma zemepisný lúč inú polohu vzhľadom na prichádzajúci éterický vietor. Teraz, keď je prístroj prísne nehybný, možno sa presvedčiť o presnosti experimentu.

Opäť neboli žiadne interferenčné prúžky. Experiment sa uskutočnil mnohokrát a Michelson a s ním všetci fyzici tej doby boli ohromení. Éterický vietor nebol zistený! Svetlo sa šírilo všetkými smermi rovnakou rýchlosťou!

Toto si nikto nevedel vysvetliť. Michelson opakoval experiment znova a znova, vylepšoval zariadenie a nakoniec dosiahol takmer neuveriteľnú presnosť merania, rádovo väčšiu, ako bolo potrebné pre úspech experimentu. A opäť nič!

Experimenty Alberta Einsteina

Ďalší veľký krok znalosť gravitačnej sily urobil Albert Einstein.
Alberta Einsteina sa raz opýtali:

Ako ste sa dostali k vašej špeciálnej teórii relativity? Za akých okolností ste prišli na geniálny nápad? Vedec odpovedal: „Vždy sa mi zdalo, že je to tak.

Možno nechcel byť úprimný, možno sa chcel zbaviť otravného partnera. Je však ťažké si predstaviť, že Einsteinova myšlienka spojenia medzi časom, priestorom a rýchlosťou bola vrodená.

Nie, samozrejme, najprv tam bolo tušenie, jasné ako blesk. Potom začal vývoj. Nie, neexistujú žiadne rozpory so známymi javmi. A potom sa objavilo tých päť strán plných vzorcov, ktoré boli publikované vo fyzickom časopise. Stránky, ktoré otvorili novú éru fyziky.

Predstavte si vesmírnu loď letiacu vesmírom. Hneď vás varujeme: hviezdna loď je veľmi zvláštna, o ktorej ste nečítali v príbehoch sci-fi. Jeho dĺžka je 300 tisíc kilometrov a jeho rýchlosť je, povedzme, 240 tisíc km / s. A táto vesmírna loď preletí okolo jednej z medziľahlých plošín vo vesmíre bez toho, aby sa na nej zastavila. V plnej rýchlosti.

Jeden z pasažierov stojí na palube hviezdnej lode s hodinkami. A vy a ja, čitateľ, stojíme na plošine - jej dĺžka musí zodpovedať veľkosti hviezdnej lode, to znamená 300 tisíc kilometrov, inak sa na ňu nebude môcť držať. A v rukách máme aj hodinky.

Všimli sme si, že v momente, keď prova hviezdnej lode dobehla zadný okraj našej plošiny, zablikala na nej lampa, ktorá osvetlila priestor okolo nej. O sekundu neskôr dosiahol lúč svetla predný okraj našej plošiny. Nepochybujeme o tom, pretože poznáme rýchlosť svetla a podarilo sa nám presne určiť zodpovedajúci okamih na hodinách. A na hviezdnej lodi...

Hviezdna loď však tiež letela smerom k lúču svetla. A celkom určite sme videli, že svetlo osvetľovalo jeho kormu v momente, keď bola niekde blízko stredu nástupišťa. Definitívne sme videli, že lúč svetla neprešiel 300-tisíc kilometrov od provy po kormu lode.

Cestujúci na palube hviezdnej lode sú si však istí niečím iným. Sú si istí, že ich lúč pokryl celú vzdialenosť od prove po kormu 300 tisíc kilometrov. Napokon na tom strávil celú sekundu. Aj oni to absolútne presne zaznamenali na hodinky. A ako by to mohlo byť inak: koniec koncov, rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti zdroja ...

Ako to? Vidíme jednu vec z pevnej plošiny a druhú im na palube hviezdnej lode? Čo sa deje?

Einsteinova teória relativity

Okamžite treba poznamenať: Einsteinova teória relativity na prvý pohľad to absolútne odporuje našej zavedenej predstave o štruktúre sveta. Dá sa povedať, že to odporuje aj zdravému rozumu, ako ho zvykneme prezentovať. V histórii vedy sa to stalo mnohokrát.

Ale objav guľovitého tvaru Zeme bol v rozpore so zdravým rozumom. Ako môžu ľudia žiť na opačnej strane a nespadnúť do priepasti?

Guľovitosť Zeme je pre nás nepochybným faktom a z hľadiska zdravého rozumu je akýkoľvek iný predpoklad nezmyselný a divoký. Ale ustúpte od svojho času, predstavte si prvý výskyt tejto myšlienky a pochopíte, aké ťažké by bolo prijať ju.

No, bolo jednoduchšie priznať, že Zem nie je nehybná, ale letí po svojej dráhe desaťkrát rýchlejšie ako delová guľa?

Všetko to boli trosky zdravého rozumu. Moderní fyzici sa o ňom preto nikdy neodvolávajú.

Teraz späť k špeciálnej teórii relativity. Svet ju prvýkrát spoznal v roku 1905 z článku podpísaného málo známym menom – Albert Einstein. A to mal vtedy len 26 rokov.

Einstein z tohto paradoxu urobil veľmi jednoduchý a logický predpoklad: z pohľadu pozorovateľa na plošine prešlo v idúcom aute menej času, ako namerali vaše náramkové hodinky. V aute sa plynutie času v porovnaní s časom na stojacom nástupišti spomalilo.

Z tohto predpokladu logicky vyplývali celkom úžasné veci. Ukázalo sa, že človek cestujúci do práce v električke v porovnaní s chodcom idúcim rovnakou cestou nielen šetrí čas vďaka rýchlosti, ale ide mu to aj pomalšie.

Nesnažte sa však týmto spôsobom zachovať večnú mladosť: aj keď sa stanete kočičiarom a tretinu života strávite v električke, za 30 rokov získate sotva viac ako milióntinu sekundy. Aby sa zisk v čase stal viditeľným, je potrebné pohybovať sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.

Ukazuje sa, že zvýšenie rýchlosti telies sa odráža v ich hmotnosti. Čím je rýchlosť telesa bližšia k rýchlosti svetla, tým väčšia je jeho hmotnosť. Pri rýchlosti telesa rovnajúcej sa rýchlosti svetla sa jeho hmotnosť rovná nekonečnu, čiže je väčšia ako hmotnosť Zeme, Slnka, Galaxie, celého nášho Vesmíru... Toľko hmoty môže byť sústredený v jednoduchej dlažobnej kocke, čím sa zrýchľuje na rýchlosť
Sveta!

To ukladá obmedzenie, ktoré neumožňuje žiadnemu hmotnému telu vyvinúť rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. Koniec koncov, ako hmota rastie, je čoraz ťažšie ju rozptýliť. A nekonečná hmota sa nedá pohnúť žiadnou silou.

Príroda však urobila z tohto zákona veľmi dôležitú výnimku pre celú triedu častíc. Napríklad pre fotóny. Môžu sa pohybovať rýchlosťou svetla. Presnejšie povedané, nemôžu sa pohybovať žiadnou inou rýchlosťou. Je nemysliteľné predstaviť si nehybný fotón.

Keď stojí, nemá hmotnosť. Neutrína tiež nemajú pokojovú hmotnosť a sú tiež odsúdené na večný neobmedzený let vesmírom maximálnou možnou rýchlosťou v našom Vesmíre bez toho, aby predbiehali svetlo a držali s ním krok.

Nie je pravda, že každý z nami uvedených dôsledkov špeciálnej teórie relativity je prekvapivý, paradoxný! A každý, samozrejme, je v rozpore so „zdravým rozumom“!

Ale tu je to zaujímavé: nie vo svojej konkrétnej podobe, ale ako široké filozofické stanovisko, všetky tieto úžasné dôsledky predpovedali zakladatelia dialektického materializmu. Čo hovoria tieto implikácie? O spojeniach, ktoré prepájajú energiu a hmotnosť, hmotnosť a rýchlosť, rýchlosť a čas, rýchlosť a dĺžku pohybujúceho sa objektu...

Einsteinov objav vzájomnej závislosti, ako je cement (viac:), spájajúci výstuže alebo základné kamene, spájal veci a javy, ktoré sa predtým zdali byť na sebe nezávislé, a vytvoril základ, na ktorom sa po prvý raz v histórii vedy opierala. možné postaviť harmonickú budovu. Táto budova je znázornením toho, ako funguje náš vesmír.

Najprv však aspoň pár slov o všeobecnej teórii relativity, ktorú vytvoril aj Albert Einstein.

Tento názov – všeobecná teória relativity – celkom nezodpovedá obsahu teórie, o ktorej bude reč. Vytvára vzájomnú závislosť medzi priestorom a hmotou. Zrejme by bolo správnejšie to nazvať teória časopriestoru, alebo teória gravitácie.

Ale toto meno sa tak zblížilo s Einsteinovou teóriou, že aj nastolenie otázky jeho nahradenia sa mnohým vedcom zdá neslušné.

Všeobecná teória relativity stanovila vzájomnú závislosť medzi hmotou a časom a priestorom, ktoré ju obsahujú. Ukázalo sa, že priestor a čas si nielenže nemožno predstaviť ako existujúci oddelene od hmoty, ale ich vlastnosti závisia aj od hmoty, ktorá ich napĺňa.

Východiskový bod diskusie

Preto možno len špecifikovať východiskový bod diskusie a vyvodiť niekoľko dôležitých záverov.

Na začiatku vesmírnej cesty nečakaná katastrofa zničila knižnicu, filmový fond a ďalšie úložiská mysle, pamäti ľudí lietajúcich vesmírom. A povaha pôvodnej planéty je v zmene storočí zabudnutá. Dokonca aj zákon univerzálnej gravitácie je zabudnutý, pretože raketa letí v medzigalaktickom priestore, kde ju takmer necítiť.

Lodné motory však fungujú suverénne, zásoba energie v batériách je prakticky neobmedzená. Loď sa väčšinou pohybuje zotrvačnosťou a jej obyvatelia sú zvyknutí na beztiažový stav. Ale niekedy zapnú motory a spomalia alebo zrýchlia pohyb lode. Keď prúdové dýzy šľahajú do prázdna bezfarebným plameňom a loď sa pohybuje zrýchleným tempom, obyvatelia cítia, že ich telá ťažia, sú nútení chodiť okolo lode a nelietať po chodbách.

A teraz je let blízko dokončenia. Loď letí k jednej z hviezd a padá na obežnú dráhu najvhodnejšej planéty. Hviezdne lode zhasnú, kráčajú po sviežej zelenej zemi a neustále zažívajú rovnaký pocit ťažkosti, známy z čias, keď sa loď pohybovala zrýchleným tempom.

Ale planéta sa pohybuje rovnomerne. Nemôže k nim letieť s konštantným zrýchlením 9,8 m/s2! A majú prvý predpoklad, že gravitačné pole (gravitačná sila) a zrýchlenie majú rovnaký účinok a možno majú spoločnú povahu.

Žiadny z našich pozemských súčasníkov nebol na takom dlhom lete, ale mnohí ľudia pocítili fenomén „váženia“ a „odľahčenia“ svojich tiel. Už obyčajný výťah, keď sa pohybuje zrýchleným tempom, vytvára tento vnem. Pri zostupe cítite náhly úbytok hmotnosti, pri stúpaní naopak podlaha tlačí na nohy väčšou silou ako zvyčajne.

Ale jeden pocit nič nedokazuje. Koniec koncov, vnemy sa nás snažia presvedčiť, že Slnko sa pohybuje na oblohe okolo nehybnej Zeme, že všetky hviezdy a planéty sú v rovnakej vzdialenosti od nás, na nebeskej klenbe atď.

Vedci podrobili senzácie experimentálnemu overeniu. Dokonca aj Newton sa zamyslel nad zvláštnou identitou týchto dvoch fenoménov. Snažil sa im dať číselné charakteristiky. Po meraní gravitácie a , bol presvedčený, že ich hodnoty sú vždy navzájom prísne rovnaké.

Z akýchkoľvek materiálov vyrobil kyvadlá pilotného zariadenia: zo striebra, olova, skla, soli, dreva, vody, zlata, piesku, pšenice. Výsledok bol rovnaký.

Princíp ekvivalencie, o ktorom hovoríme, je základom všeobecnej teórie relativity, hoci moderný výklad teórie už tento princíp nepotrebuje. Vynechajúc matematické dedukcie, ktoré z tohto princípu vyplývajú, pristúpme priamo k niektorým dôsledkom všeobecnej teórie relativity.

Prítomnosť veľkých hmôt hmoty výrazne ovplyvňuje okolitý priestor. Vedie v ňom k takým zmenám, ktoré možno definovať ako nehomogenity priestoru. Tieto nehomogenity riadia pohyb akýchkoľvek hmôt, ktoré sú blízko priťahujúceho telesa.

Zvyčajne sa uchýlite k takejto analógii. Predstavte si plátno pevne natiahnuté na rám rovnobežný so zemským povrchom. Dajte na to veľkú váhu. Toto bude naša veľká priťahujúca masa. Tá, samozrejme, ohne plátno a skončí v nejakom výklenku. Teraz guľôčku prevaľujte cez toto plátno tak, aby časť jej dráhy ležala vedľa priťahujúcej hmoty. V závislosti od spôsobu odpálenia lopty sú možné tri možnosti.

1. Lopta poletí dostatočne ďaleko od vybrania vytvoreného vychýlením plátna a nezmení svoj pohyb.
2. Lopta sa dotkne vybrania a línie jej pohybu sa ohýbajú smerom k priťahujúcej hmote.
3. Lopta spadne do tohto otvoru, nebude sa môcť z neho dostať a urobí jednu alebo dve otáčky okolo gravitujúcej hmoty.

Nie je pravda, že tretia možnosť veľmi krásne modeluje zachytenie cudzieho telesa hviezdou alebo planétou nedbalo prileteného do ich príťažlivého poľa?

A druhým prípadom je ohyb trajektórie telesa letiaceho rýchlosťou väčšou ako je možná rýchlosť zachytenia! Prvý prípad je podobný lietaniu mimo praktického dosahu gravitačného poľa. Áno, je to praktické, pretože teoreticky je gravitačné pole neobmedzené.

Samozrejme, toto je veľmi vzdialená analógia, predovšetkým preto, že nikto si nevie reálne predstaviť vychýlenie nášho trojrozmerného priestoru. Aký je fyzikálny význam tohto vychýlenia alebo zakrivenia, ako sa často hovorí, nikto nevie.

Zo všeobecnej teórie relativity vyplýva, že každé hmotné teleso sa môže pohybovať v gravitačnom poli len po zakrivených čiarach. Len v osobitných prípadoch sa krivka mení na priamku.

Tomuto pravidlu sa riadi aj lúč svetla. Koniec koncov, pozostáva z fotónov, ktoré majú počas letu určitú hmotnosť. A gravitačné pole má naň vplyv, rovnako ako na molekulu, asteroid či planétu.

Ďalším dôležitým záverom je, že gravitačné pole mení aj priebeh času. V blízkosti veľkej priťahujúcej hmoty, v silnom gravitačnom poli ňou vytvorenom, by čas mal byť pomalší ako preč od nej.

Vidíte, a všeobecná teória relativity je plná paradoxných záverov, ktoré môžu znova a znova prevrátiť naše predstavy o „zdravom rozume“!

Gravitačný kolaps

Povedzme si niečo o úžasnom fenoméne kozmickej povahy – o gravitačnom kolapse (katastrofickej kompresii). K tomuto javu dochádza v gigantických nahromadeniach hmoty, kde gravitačné sily dosahujú také obrovské veľkosti, že im žiadne iné sily existujúce v prírode nedokážu odolať.

Pamätajte na slávny Newtonov vzorec: čím väčšia je gravitačná sila, tým menšia je štvorec vzdialenosti medzi gravitačnými telesami. Čím je teda hmotný útvar hustejší, tým je jeho veľkosť menšia, čím rýchlejšie rastú gravitačné sily, tým nevyhnutnejšie je ich deštruktívne objatie.

Existuje prefíkaná technika, pomocou ktorej príroda zápasí so zdanlivo neobmedzeným stláčaním hmoty. K tomu zastavuje samotný beh času vo sfére pôsobenia superobrovských gravitačných síl a spútané masy hmoty sú akoby vypnuté z nášho Vesmíru, zamrznuté v podivnom letargickom sne.

Prvá z týchto „čiernych dier“ kozmu už bola pravdepodobne objavená. Podľa predpokladu sovietskych vedcov O.Kh.Husejnova a A.Sh.Novruzovej ide o deltu Blížencov - dvojhviezdu s jednou neviditeľnou zložkou.

Viditeľná zložka má hmotnosť 1,8 solar a jej neviditeľný „parťák“ by mal byť podľa výpočtov štyrikrát hmotnejší ako viditeľný. Ale nie sú po ňom žiadne stopy: nie je možné vidieť najúžasnejší výtvor prírody, „čiernu dieru“.

Sovietsky vedec profesor K.P. Stanyukovich, ako sa hovorí, „na špičke pera“, prostredníctvom čisto teoretických konštrukcií ukázal, že častice „zamrznutej hmoty“ môžu byť veľmi rôznorodé.

• Jeho gigantické formácie sú možné, podobne ako kvazary, ktoré nepretržite vyžarujú toľko energie, koľko vyžaruje všetkých 100 miliárd hviezd našej Galaxie.
• Možné sú oveľa skromnejšie zhluky, ktoré sa rovnajú iba niekoľkým solárnym hmotám. Tie aj iné predmety môžu samy vzniknúť z bežnej, nie „spiacej“ hmoty.
• A sú možné formácie úplne inej triedy, úmerné hmotnosti elementárnym časticiam.

Aby mohli vzniknúť, je potrebné hmotu, ktorá ich vytvára, najskôr podrobiť gigantickému tlaku a zahnať ju do hraníc Schwarzschildovej sféry – sféry, kde sa čas pre vonkajšieho pozorovateľa úplne zastaví. A aj keby sa potom tlak dokonca odstránil, častice, pre ktoré sa zastavil čas, budú naďalej existovať nezávisle od nášho vesmíru.

plankeons

Plankeóny sú veľmi špeciálnou triedou častíc. Majú podľa K. P. Stanyukoviča mimoriadne zaujímavú vlastnosť: nosia v sebe hmotu v nezmenenej forme, ako tomu bolo pred miliónmi a miliardami rokov. Pri pohľade do vnútra plankeónu sme mohli vidieť hmotu takú, aká bola v čase zrodu nášho vesmíru. Podľa teoretických výpočtov je vo vesmíre asi 1080 plankeónov, približne jeden plankeón v kocke priestoru so stranou 10 centimetrov. Mimochodom, v rovnakom čase ako Stanyukovich a (bez ohľadu na neho, hypotézu plankeónov predložil akademik M.A. Markov. Iba Markov im dal iné meno - maximóny.

Špeciálne vlastnosti plankeónov možno využiť aj na vysvetlenie niekedy paradoxných premien elementárnych častíc. Je známe, že pri zrážke dvoch častíc sa nikdy nevytvoria fragmenty, ale vznikajú iné elementárne častice. To je naozaj úžasné: v bežnom svete, keď rozbijeme vázu, nikdy nezískame celé šálky alebo dokonca rozety. Predpokladajme však, že v hĺbke každej elementárnej častice je plankeón, jeden alebo niekoľko, a niekedy aj veľa plankeónov.

V momente zrážky častíc sa pevne zviazané „vrecko“ plankeónu mierne pootvorí, nejaké častice doň „spadnú“ a namiesto „vyskočia“ tie, ktoré považujeme za vzniknuté pri zrážke. Plankeon zároveň ako usilovný účtovník zabezpečí všetky „ochranárske zákony“ prijaté vo svete elementárnych častíc.
No a čo s tým má spoločné mechanizmus univerzálnej gravitácie?

„Zodpovedné“ za gravitáciu sú podľa hypotézy K. P. Stanyukoviča drobné častice, takzvané gravitóny, nepretržite emitované elementárnymi časticami. Gravitóny sú o toľko menšie ako tie druhé, ako je zrnko prachu tancujúce v slnečnom lúči menšie ako zemeguľa.

Žiarenie gravitónov sa riadi množstvom zákonitostí. Najmä ľahšie lietajú do tejto oblasti vesmíru. Ktorý obsahuje menej gravitónov. To znamená, že ak sú vo vesmíre dve nebeské telesá, obe budú vyžarovať gravitóny prevažne „von“, v opačných smeroch. Vznikne tak impulz, ktorý spôsobí, že sa telá k sebe približujú, priťahujú.