Antik çağlardan beri, insanlık çevremizdeki dünyanın nasıl çalıştığını düşündü. Çim neden büyür, Güneş neden parlar, neden uçamıyoruz... İkincisi, bu arada, insanlar için her zaman özellikle ilgi çekici olmuştur. Artık her şeyin sebebinin yerçekimi olduğunu biliyoruz. Nedir ve bu fenomen bugünün neden bu kadar önemli olduğunu ele alacağız.
giriiş
Bilim adamları, tüm büyük cisimlerin birbirlerine karşılıklı çekim hissettiklerini keşfettiler. Daha sonra, bu gizemli kuvvetin, gök cisimlerinin sabit yörüngelerindeki hareketini de belirlediği ortaya çıktı. Aynı yerçekimi teorisi, hipotezleri gelecek yüzyıllar boyunca fiziğin gelişimini önceden belirleyen bir dahi tarafından formüle edildi. Geliştirilen ve devam eden (tamamen farklı bir yönde de olsa) bu öğreti, geçen yüzyılın en büyük beyinlerinden biri olan Albert Einstein'dı.
Yüzyıllar boyunca bilim adamları yerçekimini gözlemleyerek onu anlamaya ve ölçmeye çalıştılar. Son olarak, son birkaç on yılda, yerçekimi gibi bir fenomen bile insanlığın hizmetine sunuldu (bir anlamda elbette). Nedir, söz konusu terimin modern bilimdeki tanımı nedir?
bilimsel tanım
Eski düşünürlerin eserlerini incelerseniz, Latince "gravitas" kelimesinin "yerçekimi", "cazibe" anlamına geldiğini öğrenebilirsiniz. Bugün bilim adamları, maddi bedenler arasındaki evrensel ve sürekli etkileşime böyle diyorlar. Bu kuvvet nispeten zayıfsa ve yalnızca çok daha yavaş hareket eden nesnelere etki ediyorsa, Newton'un teorisi onlara uygulanabilir. Aksi durumda Einstein'ın vardığı sonuçlar kullanılmalıdır.
Hemen bir rezervasyon yapalım: Şu anda, yerçekiminin doğasının kendisi prensipte tam olarak çalışılmamıştır. Nedir, hala tam olarak anlamıyoruz.
Newton ve Einstein'ın Teorileri
Isaac Newton'un klasik öğretisine göre, tüm cisimler kütleleriyle doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle birbirlerine çekilirler. Einstein ise nesneler arasındaki yerçekiminin uzay ve zamanın eğriliği durumunda kendini gösterdiğini (ve uzayın eğriliğinin ancak içinde madde varsa mümkün olduğunu) savundu.
Bu fikir çok derindi, ancak modern araştırmalar bunun biraz yanlış olduğunu kanıtlıyor. Bugün uzaydaki yerçekiminin yalnızca uzayı büktüğüne inanılıyor: zaman yavaşlatılabilir ve hatta durdurulabilir, ancak geçici maddenin şeklini değiştirme gerçeği teorik olarak doğrulanmadı. Bu nedenle, klasik Einstein denklemi, uzayın maddeyi ve ortaya çıkan manyetik alanı etkilemeye devam edeceğine dair bir şans bile sağlamaz.
Büyük ölçüde, matematiksel ifadesi tam olarak Newton'a ait olan yerçekimi yasası (evrensel yerçekimi) bilinmektedir:
\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
γ altında, değeri 6.67545 × 10−11 m³ / (kg s²) olan yerçekimi sabiti (bazen G sembolü kullanılır) anlaşılır.
Temel parçacıklar arasındaki etkileşim
Çevremizdeki uzayın inanılmaz karmaşıklığı, büyük ölçüde sonsuz sayıda temel parçacıktan kaynaklanmaktadır. Aralarında sadece tahmin edebileceğimiz seviyelerde çeşitli etkileşimler de vardır. Bununla birlikte, temel parçacıkların kendi aralarındaki her türlü etkileşimi, güçlerinde önemli ölçüde farklılık gösterir. 
Bildiğimiz tüm kuvvetlerin en güçlüsü, atom çekirdeğinin bileşenlerini birbirine bağlar. Onları ayırmak için gerçekten muazzam miktarda enerji harcamanız gerekir. Elektronlara gelince, çekirdeğe yalnızca sıradan elektromanyetik etkileşimle "bağlanırlar". Bunu durdurmak için bazen en sıradan kimyasal reaksiyon sonucu ortaya çıkan enerji yeterlidir. Atomların ve atom altı parçacıkların varyantındaki yerçekimi (ne olduğunu zaten biliyorsunuz), en kolay etkileşim türüdür.
Bu durumda yerçekimi alanı o kadar zayıf ki hayal etmesi zor. İşin garibi, ama kütlesi bazen hayal edilmesi imkansız olan gök cisimlerinin hareketini “takip edenler” onlar. Bütün bunlar, özellikle büyük fiziksel cisimler söz konusu olduğunda belirgin olan iki yerçekimi özelliği sayesinde mümkündür:
- Atomik kuvvetlerden farklı olarak, yerçekimi çekimi nesneden uzaklaştıkça daha belirgindir. Böylece, Dünya'nın yerçekimi, Ay'ı bile kendi alanında tutar ve Jüpiter'in benzer kuvveti, her birinin kütlesi Dünya'nınkiyle oldukça karşılaştırılabilir olan birkaç uydunun yörüngesini aynı anda kolayca destekler!
- Ayrıca her zaman nesneler arasında çekim sağlar ve mesafe ile bu kuvvet düşük hızda zayıflar.
Az ya da çok tutarlı bir yerçekimi teorisinin oluşumu nispeten yakın zamanda ve tam olarak gezegenlerin ve diğer gök cisimlerinin hareketinin asırlık gözlemlerinin sonuçlarına dayanarak gerçekleşti. Görev, hepsinin başka olası etkileşimlerin olmadığı bir boşlukta hareket etmeleri gerçeğiyle büyük ölçüde kolaylaştırıldı. Dönemin iki seçkin gökbilimcisi Galileo ve Kepler, en değerli gözlemleriyle yeni keşiflerin önünü açmaya yardımcı oldular.
Ancak yalnızca büyük Isaac Newton, ilk yerçekimi teorisini yaratabildi ve onu matematiksel bir temsille ifade edebildi. Bu, matematiksel temsili yukarıda sunulan ilk yerçekimi yasasıydı.
Newton ve bazı öncüllerinin sonuçları
Çevremizdeki dünyada var olan diğer fiziksel fenomenlerin aksine, yerçekimi her zaman ve her yerde kendini gösterir. Sözde bilimsel çevrelerde sıklıkla bulunan "sıfır yerçekimi" teriminin son derece yanlış olduğunu anlamalısınız: Uzayda ağırlıksızlık bile bir kişinin veya uzay aracının büyük bir nesnenin çekiminden etkilenmediği anlamına gelmez.
Ayrıca, tüm maddi cisimlerin kendilerine uygulanan bir kuvvet şeklinde ifade edilen belirli bir kütlesi ve bu çarpma nedeniyle elde edilen bir ivmesi vardır.
Bu nedenle, yerçekimi kuvvetleri nesnelerin kütlesi ile orantılıdır. Sayısal olarak, dikkate alınan her iki cismin kütlelerinin çarpımı elde edilerek ifade edilebilirler. Bu kuvvet, nesneler arasındaki mesafenin karesine ters bağımlılığa kesinlikle uyar. Diğer tüm etkileşimler, iki cisim arasındaki mesafelere oldukça farklı şekilde bağlıdır.
Teorinin temel taşı olarak kütle
Nesnelerin kütlesi, Einstein'ın tüm modern yerçekimi ve görelilik teorisinin etrafında inşa edildiği belirli bir çekişme noktası haline geldi. İkinciyi hatırlıyorsanız, muhtemelen kütlenin herhangi bir fiziksel maddi bedenin zorunlu bir özelliği olduğunu biliyorsunuzdur. Bir cismin orijine bakılmaksızın kuvvet uygulandığında nasıl davranacağını gösterir.
Tüm cisimler (Newton'a göre) üzerlerine bir dış kuvvet etki ettiğinde hızlandığından, bu ivmenin ne kadar büyük olacağını belirleyen kütledir. Daha net bir örneğe bakalım. Bir scooter ve bir otobüs hayal edin: Onlara tamamen aynı kuvveti uygularsanız, farklı zamanlarda farklı hızlara ulaşacaklar. Bütün bunlar yerçekimi teorisi ile açıklanmaktadır.
Kütle ve çekim arasındaki ilişki nedir?
Yerçekimi hakkında konuşursak, bu fenomendeki kütle, bir nesnenin kuvveti ve ivmesi ile ilgili olarak oynadığı rolün tamamen tersi bir rol oynar. Çekimin birincil kaynağı kendisidir. İki cismi alıp ilk ikisinden eşit uzaklıkta bulunan üçüncü bir cismi hangi kuvvetle çektiklerini görürseniz, tüm kuvvetlerin oranı ilk iki cismin kütlelerinin oranına eşit olacaktır. Bu nedenle, çekim kuvveti vücudun kütlesi ile doğru orantılıdır. 
Newton'un Üçüncü Yasasını düşünürsek, onun da tıpatıp aynı şeyi söylediğini görebiliriz. Çekim kaynağından eşit uzaklıkta bulunan iki cisme etki eden yerçekimi kuvveti, doğrudan bu cisimlerin kütlesine bağlıdır. Günlük yaşamda, bir cismin gezegenin yüzeyine çektiği kuvvetten, ağırlığı olarak bahsederiz.
Bazı sonuçları özetleyelim. Dolayısıyla kütle, kuvvet ve ivme ile yakından ilişkilidir. Aynı zamanda, yerçekiminin vücuda etki edeceği kuvveti belirleyen odur.
Yerçekimi alanındaki cisimlerin hızlanmasının özellikleri
Bu şaşırtıcı ikilik, aynı yerçekimi alanında, tamamen farklı nesnelerin ivmesinin eşit olmasının nedenidir. Diyelim ki iki bedenimiz var. Bunlardan birine z kütlesi, diğerine Z atayalım.Her iki cisim de serbestçe düştükleri yere bırakılıyor.
Çekim kuvvetlerinin oranı nasıl belirlenir? En basit matematiksel formül - z / Z ile gösterilir. Bu sadece yerçekimi kuvvetinin bir sonucu olarak aldıkları ivme, tamamen aynı olacaktır. Basitçe söylemek gerekirse, bir cismin yerçekimi alanındaki ivmesi hiçbir şekilde özelliklerine bağlı değildir.
Açıklanan durumda hızlanma neye bağlıdır?
Sadece (!) bu alanı yaratan nesnelerin kütlesine ve aynı zamanda uzamsal konumlarına bağlıdır. Kütlenin ikili rolü ve çeşitli cisimlerin yerçekimi alanındaki eşit ivmesi, nispeten uzun bir süredir keşfedilmiştir. Bu fenomenler şu adı almıştır: "Eşdeğerlik ilkesi". Bu terim bir kez daha ivme ve eylemsizliğin (tabii ki bir dereceye kadar) genellikle eşdeğer olduğunu vurgular.
G'nin önemi hakkında
Okulun fizik dersinden, gezegenimizin yüzeyindeki serbest düşme ivmesinin (Dünya'nın yerçekimi) 10 m/s² (9,8 tabii ki, ancak bu değer hesaplama kolaylığı için kullanıldığını) hatırlıyoruz. Bu nedenle, hava direnci dikkate alınmazsa (küçük bir düşme mesafesi ile önemli bir yükseklikte), vücut 10 m / s'lik bir ivme artışı elde ettiğinde etki elde edilecektir. her saniye. Böylece bir evin ikinci katından düşen bir kitap, uçuşunun sonunda 30-40 m/sn hızla hareket edecektir. Basitçe söylemek gerekirse, 10 m/s, Dünya içindeki yerçekiminin "hızıdır". 
Fizik literatüründe yerçekimine bağlı ivme "g" harfi ile gösterilir. Dünyanın şekli bir dereceye kadar küreden çok mandalinaya benzediğinden, bu miktarın değeri tüm bölgelerinde aynı olmaktan uzaktır. Yani kutuplarda ivme daha yüksek, yüksek dağların tepelerinde ise daha az oluyor.
Madencilik endüstrisinde bile yerçekimi önemli bir rol oynar. fenomenler bazen çok zaman kazandırabilir. Bu nedenle, jeologlar özellikle g'nin ideal olarak doğru belirlenmesiyle ilgilenirler, çünkü bu, maden yataklarının olağanüstü bir doğrulukla araştırılmasına ve bulunmasına izin verir. Bu arada, ele aldığımız değerin önemli bir rol oynadığı yerçekimi formülü neye benziyor? İşte orada:
Not! Bu durumda, yerçekimi formülü, G ile değeri yukarıda verdiğimiz "yerçekimi sabiti" anlamına gelir.
Bir zamanlar, Newton yukarıdaki ilkeleri formüle etti. Hem birliği hem de evrenselliği mükemmel bir şekilde anladı, ancak bu fenomenin tüm yönlerini tanımlayamadı. Bu onur, denklik ilkesini de açıklayabilen Albert Einstein'a düştü. İnsanlık, uzay-zaman sürekliliğinin doğasına ilişkin modern bir anlayışı ona borçludur.
Görelilik teorisi, Albert Einstein'ın eserleri
Isaac Newton zamanında, referans noktalarının, vücudun uzamsal koordinat sistemindeki konumunun belirlendiği bir tür katı "çubuk" olarak temsil edilebileceğine inanılıyordu. Aynı zamanda, bu koordinatları işaretleyen tüm gözlemcilerin tek bir zaman uzayında olacağı varsayılmıştır. O yıllarda, bu hüküm o kadar açık kabul edildi ki, ona karşı çıkmak veya onu tamamlamak için hiçbir girişimde bulunulmadı. Ve bu anlaşılabilir bir durumdur çünkü gezegenimizde bu kuralda herhangi bir sapma yoktur.
Einstein, varsayımsal saat ışık hızından çok daha yavaş hareket ederse, ölçümün doğruluğunun gerçekten önemli olacağını kanıtladı. Basitçe söylemek gerekirse, ışık hızından daha yavaş hareket eden bir gözlemci iki olayı takip ediyorsa, bunlar onun için aynı anda olacaktır. Buna göre, ikinci gözlemci için? hızı aynı veya daha fazla olan olaylar farklı zamanlarda meydana gelebilir.
Fakat yerçekimi kuvveti görelilik teorisiyle nasıl ilişkilidir? Bu konuyu ayrıntılı olarak inceleyelim.
Görelilik ve yerçekimi kuvvetleri arasındaki ilişki
Son yıllarda, atom altı parçacıklar alanında çok sayıda keşif yapılmıştır. Ötesinde dünyamızın bölünemeyeceği son parçacığı bulmak üzere olduğumuza dair inanç giderek güçleniyor. Evrenimizin en küçük “tuğlalarının” geçen yüzyılda, hatta daha önce keşfedilen bu temel güçlerden tam olarak nasıl etkilendiğini bulma ihtiyacı daha ısrarcıdır. Yerçekiminin doğasının henüz açıklanmamış olması özellikle hayal kırıklığı yaratıyor.
Bu nedenle, Newton'un klasik mekaniğinin söz konusu alanda "acizliğini" ortaya koyan Einstein'dan sonra, araştırmacılar daha önce elde edilen verileri tamamen yeniden düşünmeye odaklandılar. Birçok yönden, yerçekiminin kendisi bir revizyondan geçti. Atom altı parçacıklar düzeyinde ne var? Bu şaşırtıcı çok boyutlu dünyada bir anlamı var mı?
Basit bir çözüm?
İlk başta, birçok kişi Newton'un yerçekimi ile görelilik teorisi arasındaki uyuşmazlığın, elektrodinamik alanından analojiler çizerek oldukça basit bir şekilde açıklanabileceğini varsaydı. Yerçekimi alanının manyetik bir alan gibi yayıldığı varsayılabilir, bundan sonra eski ve yeni teori arasındaki birçok tutarsızlığı açıklayarak gök cisimlerinin etkileşimlerinde bir "arabulucu" olarak ilan edilebilir. Gerçek şu ki, söz konusu kuvvetlerin göreceli yayılma hızları, ışık hızından çok daha düşük olacaktır. Peki yerçekimi ve zaman nasıl ilişkilidir?
Prensipte, Einstein'ın kendisi, tam da bu tür görüşlere dayanan göreli bir teori kurmayı neredeyse başardı, sadece bir koşul onun niyetini engelledi. O zamanın bilim adamlarının hiçbiri, yerçekiminin "hızını" belirlemeye yardımcı olabilecek hiçbir bilgiye sahip değildi. Ancak büyük kitlelerin hareketleriyle ilgili birçok bilgi vardı. Bilindiği gibi, onlar sadece genel olarak tanınan güçlü yerçekimi alanlarının kaynağıydı.
Yüksek hızlar, vücut kütlelerini güçlü bir şekilde etkiler ve bu, hız ve yükün etkileşimi gibi değildir. Hız ne kadar yüksek olursa, vücudun kütlesi o kadar büyük olur. Sorun, ışık hızı veya daha yüksek hızda hareket durumunda son değerin otomatik olarak sonsuz hale gelmesidir. Bu nedenle Einstein, tanımı için daha birçok değişkenin kullanılması gereken bir yerçekimi değil, bir tensör alanı olduğu sonucuna vardı.
Takipçileri, yerçekimi ve zamanın pratik olarak ilgisiz olduğu sonucuna vardılar. Gerçek şu ki, bu tensör alanının kendisi uzay üzerinde hareket edebilir, ancak zamanı etkileyemez. Ancak, parlak modern fizikçi Stephen Hawking'in farklı bir bakış açısı var. Ama bu tamamen farklı bir hikaye...
