Že od antičnih časov je človeštvo razmišljalo o tem, kako deluje svet okoli nas. Zakaj raste trava, zakaj sije sonce, zakaj ne moremo leteti ... Slednje je, mimogrede, od nekdaj posebej zanimalo ljudi. Zdaj vemo, da je razlog za vse gravitacija. Kaj je to in zakaj je ta pojav tako pomemben v današnjem času, bomo razmislili.
Uvod
Znanstveniki so ugotovili, da vsa masivna telesa doživljajo medsebojno privlačnost. Pozneje se je izkazalo, da ta skrivnostna sila določa tudi gibanje nebesnih teles po njihovih stalnih orbitah. Enako teorijo gravitacije je oblikoval genij, čigar hipoteze so vnaprej določile razvoj fizike za več stoletij. Ta nauk je razvil in nadaljeval (čeprav v popolnoma drugačni smeri) Albert Einstein - eden največjih umov prejšnjega stoletja.
Stoletja so znanstveniki opazovali gravitacijo ter jo poskušali razumeti in izmeriti. Končno je bil v zadnjih nekaj desetletjih človeštvu v službi (seveda v določenem smislu) postavljen tudi tak pojav, kot je gravitacija. Kaj je to, kakšna je definicija zadevnega pojma v sodobni znanosti?
znanstvena definicija
Če preučujete dela starodavnih mislecev, lahko ugotovite, da latinska beseda "gravitas" pomeni "gravitacija", "privlačnost". Danes znanstveniki tako imenujejo univerzalno in stalno interakcijo med materialnimi telesi. Če je ta sila razmeroma šibka in deluje samo na predmete, ki se premikajo veliko počasneje, potem je Newtonova teorija uporabna zanje. V nasprotnem primeru je treba uporabiti Einsteinove zaključke.
Takoj rezervirajmo: sama narava same gravitacije trenutno načeloma ni v celoti raziskana. Kaj je, še vedno ne razumemo popolnoma.
Teoriji Newtona in Einsteina
Po klasičnem učenju Isaaca Newtona se vsa telesa privlačijo s silo, ki je premo sorazmerna z njihovo maso, obratno sorazmerna s kvadratom razdalje, ki leži med njimi. Einstein pa je trdil, da se gravitacija med predmeti manifestira v primeru ukrivljenosti prostora in časa (in ukrivljenost prostora je možna le, če je v njem materija).
Ta ideja je bila zelo globoka, vendar sodobne raziskave dokazujejo, da je nekoliko netočna. Danes velja, da gravitacija v vesolju le ukrivlja prostor: čas je mogoče upočasniti in celo ustaviti, vendar resničnost spreminjanja oblike začasne snovi ni teoretično potrjena. Klasična Einsteinova enačba torej ne predvideva niti možnosti, da bi prostor še naprej vplival na snov in nastajajoče magnetno polje.
V večji meri je znan zakon gravitacije (univerzalne gravitacije), katerega matematični izraz pripada prav Newtonu:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
Pod γ se razume gravitacijska konstanta (včasih se uporablja simbol G), katere vrednost je 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interakcija med osnovnimi delci
Neverjetna kompleksnost prostora okoli nas je v veliki meri posledica neskončnega števila osnovnih delcev. Med njimi so tudi različne interakcije na ravneh, o katerih lahko le ugibamo. Vendar pa se vse vrste interakcij osnovnih delcev med seboj bistveno razlikujejo po svoji moči. 
Najmočnejša izmed vseh znanih sil povezuje komponente atomskega jedra. Če jih želite ločiti, morate porabiti resnično ogromno energije. Kar se tiče elektronov, so ti "pritrjeni" na jedro samo z navadno elektromagnetno interakcijo. Da bi ga ustavili, je včasih dovolj energija, ki se pojavi kot posledica najbolj običajne kemične reakcije. Gravitacija (kaj je, že veste) v različici atomov in subatomskih delcev je najlažja vrsta interakcije.
Gravitacijsko polje je v tem primeru tako šibko, da si ga je težko predstavljati. Nenavadno je, da prav oni »sledijo« gibanju nebesnih teles, katerih maso si je včasih nemogoče predstavljati. Vse to je mogoče zaradi dveh značilnosti gravitacije, ki sta še posebej izraziti pri velikih fizičnih telesih:
- V nasprotju z atomskimi silami je gravitacijska privlačnost opaznejša, čim bolj oddaljena od predmeta. Zemljina gravitacija torej drži celo Luno v njenem polju, podobna sila Jupitra pa zlahka podpira orbite več satelitov hkrati, od katerih je masa vsakega povsem primerljiva z zemeljsko!
- Poleg tega vedno zagotavlja privlačnost med predmeti, z razdaljo pa ta sila pri nizki hitrosti slabi.
Oblikovanje bolj ali manj skladne teorije gravitacije se je zgodilo relativno nedavno in ravno na podlagi rezultatov stoletnih opazovanj gibanja planetov in drugih nebesnih teles. Nalogo je močno olajšalo dejstvo, da se vsi gibljejo v vakuumu, kjer preprosto ni drugih možnih interakcij. Galileo in Kepler, dva izjemna astronoma tistega časa, sta s svojimi najdragocenejšimi opazovanji pomagala utreti pot novim odkritjem.
Toda šele veliki Isaac Newton je uspel ustvariti prvo teorijo gravitacije in jo izraziti v matematični predstavitvi. To je bil prvi zakon gravitacije, katerega matematični prikaz je predstavljen zgoraj.
Sklepi Newtona in nekaterih njegovih predhodnikov
Za razliko od drugih fizičnih pojavov, ki obstajajo v svetu okoli nas, se gravitacija manifestira vedno in povsod. Morate razumeti, da je izraz "ničelna gravitacija", ki ga pogosto najdemo v psevdoznanstvenih krogih, zelo napačen: tudi breztežnost v vesolju ne pomeni, da na človeka ali vesoljsko plovilo ne vpliva privlačnost nekega masivnega predmeta.
Poleg tega imajo vsa materialna telesa določeno maso, izraženo v obliki sile, ki je delovala nanje, in pospeška, ki ga dobimo zaradi tega udarca.
Tako so gravitacijske sile sorazmerne z maso predmetov. Numerično jih lahko izrazimo tako, da dobimo produkt mas obeh obravnavanih teles. Ta sila strogo upošteva obratno odvisnost od kvadrata razdalje med predmeti. Vse druge interakcije so povsem drugače odvisne od razdalj med dvema telesoma.
Masa kot temelj teorije
Masa predmetov je postala posebna sporna točka, okoli katere je zgrajena celotna Einsteinova moderna teorija gravitacije in relativnosti. Če se spomnite drugega, potem verjetno veste, da je masa obvezna lastnost vsakega fizičnega materialnega telesa. Prikazuje, kako se bo predmet obnašal, če nanj deluje sila, ne glede na njegov izvor.
Ker vsa telesa (po Newtonu) pospešijo, ko nanje deluje zunanja sila, je masa tista, ki določa, kako velik bo ta pospešek. Poglejmo nazornejši primer. Predstavljajte si skuter in avtobus: če nanju uporabite povsem enako silo, bosta v različnih časih dosegla različno hitrost. Vse to pojasnjuje teorija gravitacije.
Kakšno je razmerje med maso in privlačnostjo?
Če govorimo o gravitaciji, potem masa v tem pojavu igra vlogo, ki je popolnoma nasprotna tisti, ki jo ima glede na silo in pospešek predmeta. Prav ona je glavni vir privlačnosti. Če vzamete dve telesi in vidite, s kakšno silo pritegneta tretji predmet, ki se nahaja na enaki razdalji od prvih dveh, bo razmerje vseh sil enako razmerju mas prvih dveh predmetov. Tako je sila privlačnosti premosorazmerna z maso telesa. 
Če upoštevamo Newtonov tretji zakon, lahko vidimo, da pravi popolnoma isto stvar. Sila gravitacije, ki deluje na dve telesi, ki se nahajata na enaki razdalji od vira privlačnosti, je neposredno odvisna od mase teh predmetov. V vsakdanjem življenju govorimo o sili, s katero telo privlači površje planeta, kot o njegovi teži.
Povzemimo nekaj rezultatov. Torej je masa tesno povezana s silo in pospeškom. Hkrati je ona tista, ki določa silo, s katero bo gravitacija delovala na telo.
Značilnosti pospeška teles v gravitacijskem polju
Ta osupljiva dvojnost je razlog, zakaj bo v istem gravitacijskem polju pospešek popolnoma različnih teles enak. Recimo, da imamo dve telesi. Enemu izmed njiju pripišimo maso z, drugemu pa Z. Oba predmeta spustimo na tla, kjer prosto padata.
Kako se določi razmerje privlačnih sil? Prikazano je z najpreprostejšo matematično formulo - z / Z. To je le pospešek, ki ga prejmejo kot posledica gravitacijske sile, bo popolnoma enak. Preprosto povedano, pospešek, ki ga ima telo v gravitacijskem polju, v ničemer ni odvisen od njegovih lastnosti.
Od česa je odvisen pospešek v opisanem primeru?
Odvisno je samo (!) od mase objektov, ki ustvarjajo to polje, kot tudi od njihove prostorske lege. Dvojna vloga mase in enakega pospeška različnih teles v gravitacijskem polju je bila odkrita že relativno dolgo. Ti pojavi so prejeli naslednje ime: "Načelo enakovrednosti". Ta izraz še enkrat poudarja, da sta pospešek in vztrajnost pogosto enakovredna (do določene mere, seveda).
O pomenu G
Iz šolskega tečaja fizike se spomnimo, da je pospešek prostega pada na površini našega planeta (zemeljska gravitacija) 10 m / s² (9,8 seveda, vendar se ta vrednost uporablja za lažji izračun). Torej, če ne upoštevamo zračnega upora (na pomembni višini z majhno razdaljo padca), bo učinek dosežen, ko telo pridobi prirastek pospeška 10 m / s. vsako sekundo. Tako se bo knjiga, ki je padla iz drugega nadstropja hiše, do konca leta gibala s hitrostjo 30-40 m/s. Preprosto povedano, 10 m/s je "hitrost" gravitacije v Zemlji. 
Težnostni pospešek v fizikalni literaturi označujemo s črko "g". Ker je oblika Zemlje v določeni meri bolj podobna mandarini kot krogli, vrednost te količine še zdaleč ni enaka v vseh njenih predelih. Torej, na polih je pospešek višji, na vrhovih visokih gora pa postane manjši.
Tudi v rudarski industriji ima gravitacija pomembno vlogo. pojavi lahko včasih prihranijo veliko časa. Geologe tako zanima predvsem idealno natančno določanje g, saj to omogoča raziskovanje in iskanje nahajališč mineralov z izjemno natančnostjo. Mimogrede, kako izgleda formula gravitacije, v kateri igra pomembno vlogo vrednost, ki smo jo upoštevali? Ona je tukaj:
Opomba! V tem primeru gravitacijska formula pomeni z G "gravitacijsko konstanto", katere vrednost smo že navedli zgoraj.
Nekoč je Newton oblikoval zgornja načela. Odlično je razumel tako enotnost kot univerzalnost, ni pa znal opisati vseh vidikov tega pojava. Ta čast je doletela Alberta Einsteina, ki je prav tako znal razložiti princip enakovrednosti. Njemu se človeštvo zahvaljuje za sodobno razumevanje same narave prostorsko-časovnega kontinuuma.
Teorija relativnosti, dela Alberta Einsteina
V času Isaaca Newtona je veljalo, da je referenčne točke mogoče predstaviti kot nekakšne toge "palice", s pomočjo katerih se določi položaj telesa v prostorskem koordinatnem sistemu. Hkrati je bilo predvideno, da bodo vsi opazovalci, ki označujejo te koordinate, v enem samem časovnem prostoru. Ta določba je v tistih letih veljala za tako očitno, da je niso poskušali izpodbijati ali dopolniti. In to je razumljivo, saj na našem planetu ni odstopanj od tega pravila.
Einstein je dokazal, da bi bila natančnost meritve res velika, če bi se hipotetična ura gibala veliko počasneje od svetlobne hitrosti. Preprosto povedano, če en opazovalec, ki se giblje počasneje od svetlobne hitrosti, sledi dvema dogodkoma, potem se bosta zanj zgodila istočasno. Skladno s tem za drugega opazovalca? katerih hitrost je enaka ali večja, se dogodki lahko zgodijo ob različnih časih.
Kako pa je sila gravitacije povezana s teorijo relativnosti? Raziščimo to vprašanje podrobno.
Razmerje med relativnostjo in gravitacijskimi silami
V zadnjih letih je bilo narejenih ogromno odkritij na področju subatomskih delcev. Vse močnejše je prepričanje, da bomo našli zadnji delček, onkraj katerega našega sveta ni več mogoče razdeliti. Bolj vztrajna je potreba natančno ugotoviti, kako na najmanjše "opeke" našega vesolja vplivajo tiste temeljne sile, ki so bile odkrite v prejšnjem stoletju ali celo prej. Še posebej razočaranje je, da sama narava gravitacije še ni pojasnjena.
Zato so se raziskovalci po Einsteinu, ki je ugotovil "nezmožnost" Newtonove klasične mehanike na obravnavanem področju, osredotočili na popoln premislek prej pridobljenih podatkov. V mnogih pogledih je sama gravitacija doživela revizijo. Kaj je to na ravni subatomskih delcev? Ali ima kakršen koli pomen v tem neverjetnem večdimenzionalnem svetu?
Preprosta rešitev?
Sprva so mnogi domnevali, da je neskladje med Newtonovo gravitacijo in teorijo relativnosti mogoče razložiti povsem preprosto z analogijami s področja elektrodinamike. Lahko bi domnevali, da se gravitacijsko polje širi kot magnetno, po čemer ga lahko razglasimo za "posrednika" v interakcijah nebesnih teles, kar pojasnjuje številna neskladja med staro in novo teorijo. Dejstvo je, da bi bile takrat relativne hitrosti širjenja obravnavanih sil veliko manjše od svetlobne hitrosti. Kako sta torej gravitacija in čas povezana?
Načeloma je Einstein sam skoraj uspel zgraditi relativistično teorijo, ki temelji na prav takih pogledih, le ena okoliščina je preprečila njegovo namero. Nihče od takratnih znanstvenikov ni imel nikakršnih informacij, ki bi lahko pomagale določiti "hitrost" gravitacije. Bilo pa je veliko informacij, povezanih s premiki velikih množic. Kot je znano, so bili le splošno priznani vir močnih gravitacijskih polj.
Visoke hitrosti močno vplivajo na mase teles in to sploh ni podobno interakciji hitrosti in naboja. Večja kot je hitrost, večja je masa telesa. Težava je v tem, da bi zadnja vrednost samodejno postala neskončna v primeru gibanja s svetlobno ali večjo hitrostjo. Zato je Einstein ugotovil, da ne obstaja gravitacijsko, temveč tenzorsko polje, za opis katerega bi morali uporabiti veliko več spremenljivk.
Njegovi sledilci so prišli do zaključka, da gravitacija in čas praktično nista povezana. Dejstvo je, da to tenzorsko polje samo lahko deluje na prostor, ne more pa vplivati na čas. Vendar ima sijajni sodobni fizik Stephen Hawking drugačno stališče. Ampak to je čisto druga zgodba...
