Që nga kohërat e lashta, njerëzimi ka menduar se si funksionon bota rreth nesh. Pse rritet bari, pse shkëlqen Dielli, pse nuk mund të fluturojmë... Kjo e fundit, meqë ra fjala, ka qenë gjithmonë me interes të veçantë për njerëzit. Tani e dimë se arsyeja për gjithçka është graviteti. Çfarë është dhe pse është kaq i rëndësishëm ky fenomen në të sotmen që do të shqyrtojmë.
Prezantimi
Shkencëtarët kanë zbuluar se të gjithë trupat masivë përjetojnë tërheqje reciproke ndaj njëri-tjetrit. Më pas, doli se kjo forcë misterioze përcakton gjithashtu lëvizjen e trupave qiellorë në orbitat e tyre të vazhdueshme. E njëjta teori e gravitetit u formulua nga një gjeni, hipotezat e të cilit paracaktuan zhvillimin e fizikës për shumë shekuj në vijim. Zhvilluar dhe vazhduar (megjithëse në një drejtim krejtësisht të ndryshëm) këtë mësim ishte Albert Ajnshtajni - një nga mendjet më të mëdha të shekullit të kaluar.
Për shekuj me radhë, shkencëtarët kanë vëzhguar gravitetin, duke u përpjekur ta kuptojnë dhe matin atë. Së fundi, në dekadat e fundit, edhe një fenomen i tillë si graviteti është vënë në shërbim të njerëzimit (në njëfarë kuptimi, sigurisht). Çfarë është ajo, cili është përkufizimi i termit në fjalë në shkencën moderne?
përkufizim shkencor
Nëse studioni veprat e mendimtarëve të lashtë, mund të zbuloni se fjala latine "gravitas" do të thotë "gravitet", "tërheqje". Sot, shkencëtarët e quajnë kështu bashkëveprimin universal dhe të vazhdueshëm midis trupave materialë. Nëse kjo forcë është relativisht e dobët dhe vepron vetëm në objekte që lëvizin shumë më ngadalë, atëherë teoria e Njutonit është e zbatueshme për to. Nëse është e kundërta, duhet të përdoren përfundimet e Ajnshtajnit.
Le të bëjmë një rezervë menjëherë: aktualisht, vetë natyra e gravitetit nuk është studiuar plotësisht në parim. Çfarë është, ne ende nuk e kuptojmë plotësisht.
Teoritë e Njutonit dhe Ajnshtajnit
Sipas mësimit klasik të Isak Njutonit, të gjithë trupat tërhiqen nga njëri-tjetri me një forcë që është drejtpërdrejt proporcionale me masën e tyre, në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës që shtrihet ndërmjet tyre. Ajnshtajni, nga ana tjetër, argumentoi se graviteti midis objekteve manifestohet në rastin e lakimit të hapësirës dhe kohës (dhe lakimi i hapësirës është i mundur vetëm nëse ka lëndë në të).
Kjo ide ishte shumë e thellë, por kërkimet moderne vërtetojnë se ajo është disi e pasaktë. Sot besohet se graviteti në hapësirë vetëm përkul hapësirën: koha mund të ngadalësohet dhe madje të ndalet, por realiteti i ndryshimit të formës së materies së përkohshme nuk është konfirmuar teorikisht. Prandaj, ekuacioni klasik i Ajnshtajnit nuk parashikon as një shans që hapësira të vazhdojë të ndikojë në materien dhe në fushën magnetike në zhvillim.
Në një masë më të madhe, është i njohur ligji i gravitetit (gravitacioni universal), shprehja matematikore e të cilit i përket pikërisht Njutonit:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
Nën γ kuptohet konstanta gravitacionale (nganjëherë përdoret simboli G), vlera e së cilës është 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Ndërveprimi ndërmjet grimcave elementare
Kompleksiteti i jashtëzakonshëm i hapësirës përreth nesh është kryesisht për shkak të numrit të pafund të grimcave elementare. Midis tyre ka edhe ndërveprime të ndryshme në nivele që ne vetëm mund t'i hamendësojmë. Sidoqoftë, të gjitha llojet e ndërveprimit të grimcave elementare midis tyre ndryshojnë ndjeshëm në forcën e tyre. 
Më e fuqishmja nga të gjitha forcat e njohura për ne lidh së bashku përbërësit e bërthamës atomike. Për t'i ndarë ato, duhet të shpenzoni një sasi vërtet kolosale energjie. Sa i përket elektroneve, ato janë "të lidhura" me bërthamën vetëm nga ndërveprimi elektromagnetik i zakonshëm. Për ta ndalur, ndonjëherë mjafton energjia që shfaqet si rezultat i reaksionit kimik më të zakonshëm. Graviteti (ajo që është, ju tashmë e dini) në variantin e atomeve dhe grimcave nënatomike është lloji më i lehtë i ndërveprimit.
Fusha gravitacionale në këtë rast është aq e dobët sa është e vështirë të imagjinohet. Mjaft e çuditshme, por janë ata që "ndjekin" lëvizjen e trupave qiellorë, masa e të cilëve ndonjëherë është e pamundur të imagjinohet. E gjithë kjo është e mundur për shkak të dy veçorive të gravitetit, të cilat janë veçanërisht të theksuara në rastin e trupave të mëdhenj fizikë:
- Ndryshe nga forcat atomike, tërheqja gravitacionale është më e dukshme sa më larg nga objekti. Pra, graviteti i Tokës e mban edhe Hënën në fushën e saj, dhe forca e ngjashme e Jupiterit mbështet lehtësisht orbitat e disa satelitëve në të njëjtën kohë, masa e secilit prej të cilëve është mjaft e krahasueshme me atë të Tokës!
- Përveç kësaj, ajo gjithmonë siguron tërheqje midis objekteve, dhe me distancë kjo forcë dobësohet me një shpejtësi të ulët.
Formimi i një teorie pak a shumë koherente të gravitetit ndodhi relativisht kohët e fundit, dhe pikërisht në bazë të rezultateve të vëzhgimeve shekullore të lëvizjes së planetëve dhe trupave të tjerë qiellorë. Detyra u lehtësua shumë nga fakti se ata të gjithë lëvizin në një vakum, ku thjesht nuk ka ndërveprime të tjera të mundshme. Galileo dhe Kepleri, dy astronomë të shquar të kohës, ndihmuan në hapjen e rrugës për zbulime të reja me vëzhgimet e tyre më të vlefshme.
Por vetëm Isaac Njutoni i madh ishte në gjendje të krijonte teorinë e parë të gravitetit dhe ta shprehte atë në një paraqitje matematikore. Ky ishte ligji i parë i gravitetit, paraqitja matematikore e të cilit është paraqitur më sipër.
Përfundimet e Njutonit dhe disa prej paraardhësve të tij
Ndryshe nga fenomenet e tjera fizike që ekzistojnë në botën përreth nesh, graviteti shfaqet gjithmonë dhe kudo. Duhet të kuptoni se termi "gravitet zero", i cili shpesh gjendet në qarqet pseudo-shkencore, është jashtëzakonisht i pasaktë: edhe mungesa e peshës në hapësirë nuk do të thotë që një person ose një anije kozmike nuk ndikohet nga tërheqja e ndonjë objekti masiv.
Për më tepër, të gjithë trupat materialë kanë një masë të caktuar, të shprehur në formën e një force që u aplikua ndaj tyre, dhe një përshpejtim të marrë për shkak të këtij ndikimi.
Kështu, forcat gravitacionale janë proporcionale me masën e objekteve. Numerikisht, ato mund të shprehen duke marrë produktin e masave të të dy trupave të konsideruar. Kjo forcë i bindet rreptësisht varësisë së kundërt nga katrori i distancës midis objekteve. Të gjitha ndërveprimet e tjera varen krejt ndryshe nga distancat midis dy trupave.
Masa si gur themeli i teorisë
Masa e objekteve është bërë një pikë e veçantë grindjeje rreth së cilës ndërtohet e gjithë teoria moderne e gravitetit dhe relativitetit të Ajnshtajnit. Nëse e mbani mend të Dytën, atëherë me siguri e dini se masa është një karakteristikë e detyrueshme e çdo trupi material fizik. Ai tregon se si do të sillet një objekt nëse i aplikohet forcë, pavarësisht nga origjina e tij.
Meqenëse të gjithë trupat (sipas Njutonit) përshpejtohen kur një forcë e jashtme vepron mbi ta, është masa ajo që përcakton se sa i madh do të jetë ky nxitim. Le të shohim një shembull më të qartë. Imagjinoni një skuter dhe një autobus: nëse aplikoni saktësisht të njëjtën forcë ndaj tyre, ata do të arrijnë shpejtësi të ndryshme në kohë të ndryshme. E gjithë kjo shpjegohet me teorinë e gravitetit.
Cila është marrëdhënia midis masës dhe tërheqjes?
Nëse flasim për gravitetin, atëherë masa në këtë fenomen luan një rol krejtësisht të kundërt me atë që luan në lidhje me forcën dhe nxitimin e një objekti. Është ajo që është vetë burimi kryesor i tërheqjes. Nëse merrni dy trupa dhe shihni se me çfarë force ata tërheqin një objekt të tretë, i cili ndodhet në distancë të barabartë nga dy të parët, atëherë raporti i të gjitha forcave do të jetë i barabartë me raportin e masave të dy objekteve të parë. Kështu, forca e tërheqjes është drejtpërdrejt proporcionale me masën e trupit. 
Nëse marrim parasysh Ligjin e Tretë të Njutonit, mund të shohim se ai thotë saktësisht të njëjtën gjë. Forca e gravitetit, e cila vepron në dy trupa të vendosur në një distancë të barabartë nga burimi i tërheqjes, varet drejtpërdrejt nga masa e këtyre objekteve. Në jetën e përditshme, ne flasim për forcën me të cilën një trup tërhiqet në sipërfaqen e planetit si pesha e tij.
Le të përmbledhim disa rezultate. Pra, masa është e lidhur ngushtë me forcën dhe nxitimin. Në të njëjtën kohë, është ajo që përcakton forcën me të cilën graviteti do të veprojë në trup.
Karakteristikat e nxitimit të trupave në një fushë gravitacionale
Ky dualitet mahnitës është arsyeja pse, në të njëjtën fushë gravitacionale, nxitimi i objekteve krejtësisht të ndryshme do të jetë i barabartë. Supozoni se kemi dy trupa. Le t'i caktojmë njërën prej tyre një masë z dhe tjetrës Z. Të dy objektet bien në tokë, ku bien lirisht.
Si përcaktohet raporti i forcave tërheqëse? Tregohet nga formula më e thjeshtë matematikore - z / Z. Ky është vetëm nxitimi që ata marrin si rezultat i forcës së gravitetit, do të jetë saktësisht i njëjtë. E thënë thjesht, nxitimi që ka një trup në një fushë gravitacionale nuk varet në asnjë mënyrë nga vetitë e tij.
Nga çfarë varet nxitimi në rastin e përshkruar?
Varet vetëm (!) nga masa e objekteve që krijojnë këtë fushë, si dhe nga pozicioni i tyre hapësinor. Roli i dyfishtë i masës dhe nxitimi i barabartë i trupave të ndryshëm në një fushë gravitacionale janë zbuluar për një kohë relativisht të gjatë. Këto dukuri kanë marrë këtë emërtim: “Parimi i ekuivalencës”. Ky term thekson edhe një herë se nxitimi dhe inercia janë shpesh ekuivalente (në një masë të caktuar, natyrisht).
Për rëndësinë e G
Nga kursi i fizikës shkollore, kujtojmë se përshpejtimi i rënies së lirë në sipërfaqen e planetit tonë (graviteti i Tokës) është 10 m / s² (sigurisht 9.8, por kjo vlerë përdoret për lehtësinë e llogaritjes). Kështu, nëse rezistenca e ajrit nuk merret parasysh (në një lartësi të konsiderueshme me një distancë të vogël rënieje), atëherë efekti do të merret kur trupi fiton një rritje të nxitimit prej 10 m / s. çdo sekond. Kështu, një libër që ka rënë nga kati i dytë i një shtëpie do të lëvizë me një shpejtësi prej 30-40 m/sek në fund të fluturimit të tij. E thënë thjesht, 10 m/s është "shpejtësia" e gravitetit brenda Tokës. 
Nxitimi për shkak të gravitetit në literaturën fizike shënohet me shkronjën "g". Meqenëse forma e Tokës është në një farë mase më shumë si një mandarinë sesa një sferë, vlera e kësaj sasie nuk është e njëjtë në të gjitha rajonet e saj. Pra, në pole, nxitimi është më i lartë, dhe në majat e maleve të larta bëhet më i vogël.
Edhe në industrinë e minierave, graviteti luan një rol të rëndësishëm. fenomenet ndonjëherë mund të kursejnë shumë kohë. Kështu, gjeologët janë veçanërisht të interesuar për përcaktimin idealisht të saktë të g, pasi kjo lejon eksplorimin dhe gjetjen e depozitave minerale me saktësi të jashtëzakonshme. Meqë ra fjala, si duket formula e gravitetit, në të cilën vlera që kemi marrë në konsideratë luan një rol të rëndësishëm? Atje ajo është:
Shënim! Në këtë rast, formula gravitacionale nënkupton me G "konstantën gravitacionale", vlerën e së cilës e kemi dhënë tashmë më lart.
Në një kohë, Njutoni formuloi parimet e mësipërme. Ai e kuptonte në mënyrë të përsosur unitetin dhe universalitetin, por ai nuk mund të përshkruante të gjitha aspektet e këtij fenomeni. Ky nder i ra Albert Ajnshtajnit, i cili gjithashtu ishte në gjendje të shpjegonte parimin e ekuivalencës. Pikërisht atij njerëzimi i detyrohet një kuptim modern të vetë natyrës së vazhdimësisë hapësirë-kohë.
Teoria e relativitetit, vepra e Albert Ajnshtajnit
Në kohën e Isak Njutonit, besohej se pikat e referencës mund të përfaqësohen si një lloj "shufra" të ngurtë, me ndihmën e të cilave vendoset pozicioni i trupit në sistemin koordinativ hapësinor. Në të njëjtën kohë, supozohej se të gjithë vëzhguesit që shënojnë këto koordinata do të ishin në një hapësirë të vetme kohore. Në ato vite, kjo dispozitë konsiderohej aq evidente sa nuk u bënë përpjekje për ta kundërshtuar apo plotësuar. Dhe kjo është e kuptueshme, sepse brenda planetit tonë nuk ka devijime në këtë rregull.
Ajnshtajni vërtetoi se saktësia e matjes do të ishte vërtet domethënëse nëse ora hipotetike do të lëvizte shumë më ngadalë se shpejtësia e dritës. E thënë thjesht, nëse një vëzhgues, duke lëvizur më ngadalë se shpejtësia e dritës, ndjek dy ngjarje, atëherë ato do të ndodhin për të në të njëjtën kohë. Prandaj, për vëzhguesin e dytë? shpejtësia e të cilave është e njëjtë ose më shumë, ngjarjet mund të ndodhin në kohë të ndryshme.
Por si lidhet forca e gravitetit me teorinë e relativitetit? Le ta shqyrtojmë këtë çështje në detaje.
Marrëdhënia midis relativitetit dhe forcave gravitacionale
Vitet e fundit, janë bërë një numër i madh zbulimesh në fushën e grimcave nënatomike. Bindja po bëhet më e fortë se ne jemi gati të gjejmë grimcën përfundimtare, përtej së cilës bota jonë nuk mund të ndahet. Aq më këmbëngulëse është nevoja për të zbuluar saktësisht se si preken "tullat" më të vogla të universit tonë nga ato forca themelore që u zbuluan në shekullin e kaluar, apo edhe më herët. Është veçanërisht zhgënjyese që vetë natyra e gravitetit nuk është shpjeguar ende.
Kjo është arsyeja pse, pas Ajnshtajnit, i cili vendosi "paaftësinë" e mekanikës klasike të Njutonit në zonën në shqyrtim, studiuesit u fokusuan në një rimendim të plotë të të dhënave të marra më parë. Në shumë mënyra, vetë graviteti ka pësuar një rishikim. Çfarë është ajo në nivelin e grimcave nënatomike? A ka ndonjë kuptim në këtë botë mahnitëse shumëdimensionale?
Një zgjidhje e thjeshtë?
Në fillim, shumë supozuan se mospërputhja midis gravitetit të Njutonit dhe teorisë së relativitetit mund të shpjegohet thjesht duke nxjerrë analogji nga fusha e elektrodinamikës. Mund të supozohet se fusha gravitacionale përhapet si një magnetike, pas së cilës mund të shpallet një "ndërmjetës" në ndërveprimet e trupave qiellorë, duke shpjeguar shumë mospërputhje midis teorisë së vjetër dhe asaj të re. Fakti është se atëherë shpejtësitë relative të përhapjes së forcave në shqyrtim do të ishin shumë më të ulëta se shpejtësia e dritës. Pra, si lidhen graviteti dhe koha?
Në parim, vetë Ajnshtajni pothuajse arriti të ndërtonte një teori relativiste të bazuar në pikëpamje të tilla, vetëm një rrethanë e pengoi qëllimin e tij. Asnjë nga shkencëtarët e asaj kohe nuk kishte fare informacion që mund të ndihmonte në përcaktimin e "shpejtësisë" së gravitetit. Por kishte shumë informacione lidhur me lëvizjet e masave të mëdha. Siç dihet, ato ishin vetëm burimi i njohur përgjithësisht i fushave të fuqishme gravitacionale.
Shpejtësitë e larta ndikojnë fuqishëm në masat e trupave, dhe kjo nuk i ngjan aspak ndërveprimit të shpejtësisë dhe ngarkesës. Sa më e madhe të jetë shpejtësia, aq më e madhe është masa e trupit. Problemi është se vlera e fundit do të bëhej automatikisht e pafundme në rastin e lëvizjes me shpejtësinë e dritës ose më të lartë. Prandaj, Ajnshtajni arriti në përfundimin se nuk ekziston një fushë gravitacionale, por një fushë tensore, për përshkrimin e së cilës duhen përdorur shumë më tepër variabla.
Ndjekësit e tij arritën në përfundimin se graviteti dhe koha praktikisht nuk kanë lidhje. Fakti është se vetë kjo fushë tensore mund të veprojë në hapësirë, por nuk është në gjendje të ndikojë në kohë. Sidoqoftë, fizikani i shkëlqyer modern Stephen Hawking ka një këndvështrim tjetër. Por kjo është një histori krejtësisht tjetër ...
