Sedan urminnes tider har mänskligheten tänkt på hur världen omkring oss fungerar. Varför växer gräs, varför skiner solen, varför kan vi inte flyga... Det sistnämnda har förresten alltid varit av särskilt intresse för människor. Nu vet vi att orsaken till allt är gravitationen. Vad är det och varför är detta fenomen så viktigt i dagens kommer vi att överväga.
Introduktion
Forskare har funnit att alla massiva kroppar upplever ömsesidig attraktion till varandra. Därefter visade det sig att denna mystiska kraft också bestämmer himlakropparnas rörelse i deras konstanta banor. Samma teori om gravitation formulerades av ett geni vars hypoteser förutbestämde fysikens utveckling under många århundraden framöver. Utvecklade och fortsatte (om än i en helt annan riktning) denna lära var Albert Einstein - en av det senaste århundradets största hjärnor.
I århundraden har forskare observerat gravitationen och försökt förstå och mäta den. Slutligen, under de senaste decennierna, har till och med ett sådant fenomen som gravitation ställts till mänsklighetens tjänst (i en viss mening förstås). Vad är det, vad är definitionen av termen i fråga inom modern vetenskap?
vetenskaplig definition
Om du studerar forntida tänkares verk kan du ta reda på att det latinska ordet "gravitas" betyder "gravitation", "attraktion". Idag kallar forskare så den universella och ständiga interaktionen mellan materiella kroppar. Om denna kraft är relativt svag och endast verkar på föremål som rör sig mycket långsammare, så är Newtons teori tillämplig på dem. Om det motsatta är fallet bör Einsteins slutsatser användas.
Låt oss göra en reservation direkt: för närvarande har själva gravitationens natur i princip inte studerats till fullo. Vad det är förstår vi fortfarande inte helt.
Newtons och Einsteins teorier
Enligt Isaac Newtons klassiska lära attraheras alla kroppar till varandra med en kraft som är direkt proportionell mot deras massa, omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet som ligger mellan dem. Einstein, å andra sidan, hävdade att gravitationen mellan objekt manifesterar sig i fallet med krökning av rum och tid (och krökningen av rymden är möjlig endast om det finns materia i den).
Denna idé var mycket djup, men modern forskning visar att den är något felaktig. Idag tror man att gravitationen i rymden bara böjer rymden: tiden kan bromsas ner och till och med stoppas, men verkligheten att ändra formen på tillfällig materia har inte teoretiskt bekräftats. Därför ger den klassiska Einsteinsekvationen inte ens en chans att rymden kommer att fortsätta att påverka materia och det framväxande magnetfältet.
I större utsträckning är tyngdlagen (universell gravitation) känd, vars matematiska uttryck tillhör just Newton:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
Under γ förstås gravitationskonstanten (ibland används symbolen G), vars värde är 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interaktion mellan elementarpartiklar
Den otroliga komplexiteten i utrymmet omkring oss beror till stor del på det oändliga antalet elementarpartiklar. Det finns också olika interaktioner mellan dem på nivåer som vi bara kan gissa oss till. Men alla typer av interaktion mellan elementarpartiklar sinsemellan skiljer sig avsevärt i sin styrka. 
Den mest kraftfulla av alla krafter som vi känner till binder samman atomkärnan. För att skilja dem åt måste du spendera en verkligt kolossal mängd energi. När det gäller elektronerna är de "fästa" till kärnan endast genom vanlig elektromagnetisk interaktion. För att stoppa det räcker ibland energin som uppstår som ett resultat av den vanligaste kemiska reaktionen. Tyngdkraften (vad det är, vet du redan) i varianten av atomer och subatomära partiklar är den enklaste typen av interaktion.
Gravitationsfältet i det här fallet är så svagt att det är svårt att föreställa sig. Märkligt nog, men det är de som "följer" himlakropparnas rörelse, vars massa ibland är omöjlig att föreställa sig. Allt detta är möjligt på grund av två gravitationsdrag, som är särskilt uttalade när det gäller stora fysiska kroppar:
- Till skillnad från atomkrafter är gravitationsattraktion mer märkbar ju längre bort från objektet. Så jordens gravitation håller även månen i sitt fält, och Jupiters liknande kraft stöder lätt banorna för flera satelliter samtidigt, vars massa är ganska jämförbar med jordens!
- Dessutom ger den alltid attraktion mellan föremål, och med avstånd försvagas denna kraft vid låg hastighet.
Bildandet av en mer eller mindre sammanhängande teori om gravitation inträffade relativt nyligen, och just på grundval av resultaten av flera hundra år gamla observationer av rörelsen hos planeter och andra himlakroppar. Uppgiften underlättades mycket av det faktum att de alla rör sig i ett vakuum, där det helt enkelt inte finns några andra möjliga interaktioner. Galileo och Kepler, två framstående astronomer på den tiden, hjälpte till att bana väg för nya upptäckter med sina mest värdefulla observationer.
Men bara den store Isaac Newton kunde skapa den första teorin om gravitation och uttrycka den i en matematisk representation. Detta var den första tyngdlagen, vars matematiska representation presenteras ovan.
Slutsatser av Newton och några av hans föregångare
Till skillnad från andra fysiska fenomen som finns i världen omkring oss, manifesterar gravitationen sig alltid och överallt. Du måste förstå att termen "noll gravitation", som ofta finns i pseudovetenskapliga kretsar, är extremt felaktig: även viktlöshet i rymden betyder inte att en person eller ett rymdskepp inte påverkas av attraktionen av något massivt föremål.
Dessutom har alla materiella kroppar en viss massa, uttryckt i form av en kraft som applicerades på dem, och en acceleration som erhålls på grund av denna påverkan.
Således är gravitationskrafter proportionella mot massan av föremål. Numeriskt kan de uttryckas genom att erhålla produkten av massorna av båda betraktade kroppar. Denna kraft följer strikt det omvända beroendet av kvadraten på avståndet mellan objekt. Alla andra interaktioner beror helt olika på avstånden mellan två kroppar.
Mass som grundstenen i teorin
Massan av föremål har blivit en speciell stridspunkt kring vilken Einsteins hela moderna teori om gravitation och relativitet är uppbyggd. Om du kommer ihåg den andra, då vet du förmodligen att massa är en obligatorisk egenskap hos vilken fysisk materiell kropp som helst. Den visar hur ett föremål kommer att bete sig om kraft appliceras på det, oavsett dess ursprung.
Eftersom alla kroppar (enligt Newton) accelererar när en yttre kraft verkar på dem är det massan som avgör hur stor denna acceleration blir. Låt oss titta på ett tydligare exempel. Föreställ dig en skoter och en buss: om du applicerar exakt samma kraft på dem kommer de att nå olika hastigheter vid olika tidpunkter. Allt detta förklaras av gravitationsteorin.
Vad är förhållandet mellan massa och attraktion?
Om vi talar om gravitation, så spelar massan i detta fenomen en roll helt motsatt den som den spelar i förhållande till ett föremåls kraft och acceleration. Det är hon som är den primära källan till attraktionen själv. Om du tar två kroppar och ser med vilken kraft de attraherar ett tredje föremål, som ligger på lika avstånd från de två första, så kommer förhållandet mellan alla krafter att vara lika med förhållandet mellan massorna av de två första föremålen. Således är attraktionskraften direkt proportionell mot kroppens massa. 
Om vi betraktar Newtons tredje lag kan vi se att han säger exakt samma sak. Tyngdkraften, som verkar på två kroppar belägna på lika avstånd från attraktionskällan, beror direkt på massan av dessa föremål. I vardagen talar vi om den kraft med vilken en kropp attraheras av planetens yta som dess vikt.
Låt oss summera några resultat. Så, massa är nära relaterad till kraft och acceleration. Samtidigt är det hon som bestämmer med vilken kraft gravitationen kommer att verka på kroppen.
Funktioner för acceleration av kroppar i ett gravitationsfält
Denna fantastiska dualitet är anledningen till att accelerationen av helt olika objekt i samma gravitationsfält kommer att vara lika. Anta att vi har två kroppar. Låt oss tilldela den ena massan z och den andra Z. Båda föremålen släpps till marken där de faller fritt.
Hur bestäms förhållandet mellan attraktionskrafterna? Det visas med den enklaste matematiska formeln - z / Z. Det är bara den acceleration de får som ett resultat av tyngdkraften, kommer att vara exakt densamma. Enkelt uttryckt beror accelerationen som en kropp har i ett gravitationsfält inte på något sätt på dess egenskaper.
Vad beror accelerationen på i det beskrivna fallet?
Det beror bara (!) på massan av objekt som skapar detta fält, såväl som på deras rumsliga position. Massans dubbla roll och den lika accelerationen av olika kroppar i ett gravitationsfält har upptäckts under relativt lång tid. Dessa fenomen har fått följande namn: "Princip of equivalence". Denna term understryker återigen att acceleration och tröghet ofta är likvärdiga (i viss mån förstås).
Om vikten av G
Från skolfysikkursen kommer vi ihåg att accelerationen av fritt fall på vår planets yta (Jordens gravitation) är 10 m / s² (9,8 naturligtvis, men detta värde används för att underlätta beräkningen). Således, om luftmotstånd inte beaktas (vid en betydande höjd med ett litet fallavstånd), kommer effekten att erhållas när kroppen får ett accelerationsökning på 10 m / s. varje sekund. Således kommer en bok som har fallit från andra våningen i ett hus att röra sig med en hastighet av 30-40 m/sek vid slutet av sin flygning. Enkelt uttryckt är 10 m/s tyngdkraftens "hastighet" inom jorden. 
Acceleration på grund av gravitation i den fysiska litteraturen betecknas med bokstaven "g". Eftersom jordens form i viss mån mer liknar en mandarin än en sfär, är värdet av denna kvantitet långt ifrån detsamma i alla dess regioner. Så vid polerna är accelerationen högre, och på topparna av höga berg blir den mindre.
Även inom gruvindustrin spelar gravitationen en viktig roll. fenomen kan ibland spara mycket tid. Geologer är därför särskilt intresserade av den idealiskt noggranna bestämningen av g, eftersom detta möjliggör utforskning och fynd av mineralfyndigheter med exceptionell noggrannhet. Hur ser förresten gravitationsformeln ut, där det värde vi har ansett spelar en viktig roll? Där är hon:
Notera! I detta fall betyder gravitationsformeln med G "gravitationskonstanten", vars värde vi redan har angett ovan.
Vid ett tillfälle formulerade Newton ovanstående principer. Han förstod perfekt både enhet och universalitet, men han kunde inte beskriva alla aspekter av detta fenomen. Denna ära tillföll Albert Einstein, som också kunde förklara principen om likvärdighet. Det är honom som mänskligheten är skyldig en modern förståelse av själva karaktären av rum-tidskontinuumet.
Relativitetsteori, verk av Albert Einstein
På Isaac Newtons tid trodde man att referenspunkter kan representeras som någon form av stela "stavar", med vars hjälp kroppens position i det rumsliga koordinatsystemet fastställs. Samtidigt antogs det att alla observatörer som markerar dessa koordinater skulle befinna sig i ett enda tidsrum. Under dessa år ansågs denna bestämmelse så självklar att inga försök gjordes att ifrågasätta eller komplettera den. Och detta är förståeligt, för inom vår planet finns det inga avvikelser i denna regel.
Einstein bevisade att mätningens noggrannhet skulle vara riktigt betydande om den hypotetiska klockan rörde sig mycket långsammare än ljusets hastighet. Enkelt uttryckt, om en observatör, som rör sig långsammare än ljusets hastighet, följer två händelser, kommer de att hända för honom samtidigt. Följaktligen, för den andra observatören? vars hastighet är densamma eller mer, händelser kan inträffa vid olika tidpunkter.
Men hur är tyngdkraften relaterad till relativitetsteorin? Låt oss utforska denna fråga i detalj.
Samband mellan relativitet och gravitationskrafter
Under de senaste åren har ett stort antal upptäckter inom området subatomära partiklar gjorts. Övertygelsen växer sig starkare att vi är på väg att hitta den sista partikeln, bortom vilken vår värld inte kan delas. Desto mer enträget är behovet av att ta reda på exakt hur de minsta "tegelstenarna" i vårt universum påverkas av de grundläggande krafter som upptäcktes under förra seklet, eller till och med tidigare. Det är särskilt en besvikelse att själva tyngdkraftens natur ännu inte har förklarats.
Det är därför, efter Einstein, som konstaterade "oförmågan" hos Newtons klassiska mekanik i det aktuella området, fokuserade forskarna på en fullständig omtanke av de data som erhölls tidigare. På många sätt har gravitationen i sig genomgått en revidering. Vad är det på nivån av subatomära partiklar? Har det någon mening i denna fantastiska flerdimensionella värld?
En enkel lösning?
Till en början antog många att diskrepansen mellan Newtons gravitation och relativitetsteorin kan förklaras helt enkelt genom att dra analogier från elektrodynamikens område. Det kan antas att gravitationsfältet fortplantar sig som ett magnetiskt, varefter det kan förklaras som en "förmedlare" i himlakropparnas interaktioner, vilket förklarar många inkonsekvenser mellan den gamla och den nya teorin. Faktum är att då de relativa utbredningshastigheterna för krafterna i fråga skulle vara mycket lägre än ljusets hastighet. Så hur är gravitation och tid relaterade?
I princip lyckades Einstein själv nästan konstruera en relativistisk teori baserad på just sådana åsikter, bara en omständighet hindrade hans avsikt. Ingen av den tidens vetenskapsmän hade någon information alls som kunde hjälpa till att bestämma tyngdkraftens "hastighet". Men det fanns mycket information om stora massors rörelser. Som bekant var de bara den allmänt erkända källan till kraftfulla gravitationsfält.
Höga hastigheter påverkar kraftigt massorna av kroppar, och detta är inte alls som samspelet mellan hastighet och laddning. Ju högre hastighet, desto större massa har kroppen. Problemet är att det sista värdet automatiskt skulle bli oändligt vid rörelse med ljusets hastighet eller högre. Därför drog Einstein slutsatsen att det inte finns ett gravitationsfält, utan ett tensorfält, för beskrivningen av vilket många fler variabler bör användas.
Hans anhängare kom till slutsatsen att gravitation och tid praktiskt taget inte är relaterade. Faktum är att detta tensorfält i sig kan verka på rymden, men det kan inte påverka tiden. Den briljante moderna fysikern Stephen Hawking har dock en annan synvinkel. Men det är en helt annan historia...
