Gravitatsioon on universumi kõige võimsam jõud, mis on universumi neli põhialust, mis määrab selle struktuuri. Kord, tänu temale, tekkisid planeedid, tähed ja terved galaktikad. Täna hoiab ta Maa orbiidil oma lõputu teekonna ümber Päikese.
Atraktsioon on inimese igapäevaelu jaoks väga oluline. Tänu sellele nähtamatule võimule pulseerivad meie maailma ookeanid, jõgede voolamine, vihma langeb maapinnale. Alates lapsepõlvest tunneme meie keha ja ümbritsevate objektide kaalu. Raskuse mõju meie majandustegevusele on tohutu.
Esimene gravitatsiooni teooria on loonud Iisak Newton XVII sajandi lõpus. Tema ülemaailmne seadus kirjeldab seda suhtlemist klassikalise mehaanika raames. Laiemalt kirjeldas seda nähtust Einstein oma üldise suhtelisuse teooriast, mis avaldati eelmise sajandi alguses. Elementaarosakeste jõuga toimuvad protsessid peaksid selgitama gravitatsiooni kvantteooriat, kuid seda pole veel loodud.
Täna teame gravitatsiooni olemusest palju rohkem kui Newtoni ajal, kuid vaatamata sajanditepikkusele õppimisele jääb see endiselt kaasaegse füüsika tegelikuks komistuskiviks. Olemasolevas gravitatsiooniteoorias on palju valged laigud ja me ei mõista ikka veel täpselt, mis seda põhjustab ja kuidas see koostoime on üle antud. Ja muidugi oleme väga kaugel sellest, et suudame raskusjõudu kontrollida, nii et anti-gravitatsioon või levitatsioon eksisteerivad pikka aega ainult ulmekirjanduse lehekülgedel.
Mis langes Newtoni pea peale?
Inimesed mõtlesid jõu olemusest, mis meelitab alati maapinnale esemeid, kuid Iisak Newtonil õnnestus salajase loori tõsta alles 17. sajandil. Tema läbimurde aluseks oli Kepleri ja Galileo - suurepäraste teadlaste teosed, kes uurisid taevakehade liikumist.
Teine poolteist sajandit enne Newtoni maailmaõigust uskus Poola astronoom Copernicus, et atraktsioon on "... mitte midagi muud kui loomulik tendents, millega universumi isa andis kõik osakesed, nimelt ühendada ühte terveks, moodustades sfäärilisi kehasid". Descartes pidas maailma eetri häirete tagajärjel atraktiivsust. Kreeka filosoof ja teadlane Aristoteles oli veendunud, et mass mõjutab langevate kehade kiirust. Ja ainult Galileo Galilei XVI sajandi lõpus tõestas, et see ei ole tõsi: kui õhutakistus puudub, kiirendatakse kõiki objekte samal viisil.
Vastupidiselt ühisele legendile pea ja õuna kohta, läks Newton gravitatsiooni olemuse mõistmiseks rohkem kui kakskümmend aastat. Tema gravitatsiooni seadus on kõigi aegade ja rahvaste üks olulisemaid teaduslikke avastusi. See on universaalne ja võimaldab teil arvutada taevakehade trajektoore ja kirjeldab täpselt meie ümber olevate objektide käitumist. Taevase mehaanika alused panid paika klassikaline taeva teooria. Newtoni kolm seadust andsid teadlastele võimaluse avastada uusi planeede sõna otseses mõttes "pensüsteli otsas", sest tänu neile suutis inimene ületada maa gravitatsiooni ja lennata kosmosesse. Nad tõid universumi materiaalse ühtsuse filosoofilise kontseptsiooni alla range teadusliku aluse, kus kõik loodusnähtused on omavahel seotud ja neid kontrollivad üldised füüsilised reeglid.
Newton ei avaldanud lihtsalt valemit, mis arvutab jõudu, mis meelitab üksteisele kehasid. Ta lõi täieliku mudeli, mis sisaldas ka matemaatilist analüüsi. Need teoreetilised järeldused on praktikas korduvalt kinnitatud, kaasa arvatud kõige kaasaegsemate meetodite kasutamine.
Newtoni teoorias genereerib mis tahes materjaliobjekt atraktsiooni, mida nimetatakse gravitatsiooniliseks. Lisaks on jõud võrdeline mõlema keha massiga ja on pöördvõrdeline nende vahega:
F = (G m1 m2) / r2
G on gravitatsioonikonstant, mis on 6,67 × 10–11 m³ / (kg · s²). Ta suutis kõigepealt arvutada Henry Cavendishi 1798.
Igapäevaelus ja rakendatud distsipliinides nimetatakse jõudu, millega maa keha meelitab, kui selle kehakaalu. Universumi kahe materiaalsete objektide vaheline atraktsioon on see, mis on lihtsate sõnadega.
Atraktsiooni jõud on füüsika neljast põhilisest koosmõjust kõige nõrgem, kuid tänu oma omadustele on ta võimeline reguleerima tähesüsteemide ja galaktikate liikumist:
- Atraktsioon töötab igal kaugusel, see on peamine erinevus gravitatsiooni ja tugeva ja nõrga tuuma vastastikuse mõju vahel. Suureneva vahemaaga väheneb selle tegevus, kuid see ei muutu kunagi nulliks, seega võime öelda, et isegi kahel aatomil galaktika erinevatel otstel on vastastikune mõju. See on lihtsalt väga väike;
- Gravitatsioon on universaalne. Atraktsioonipiirkond on igale materiaalsele kehale omane. Teadlased ei ole veel meie planeedil või kosmoses avastanud objekti, mis ei osaleks sellist tüüpi suhtlemises, nii et gravitatsiooni roll Universumi elus on tohutu. See erineb elektromagnetilisest interaktsioonist, mille mõju kosmoseprotsessidele on minimaalne, kuna enamikus kehades on need elektriliselt neutraalsed. Gravitatsioonijõude ei saa piirata ega sõeluda;
- See toimib mitte ainult materjali, vaid ka energia valdkonnas. Tema jaoks ei ole objektide keemiline koostis oluline, vaid nende mass mängib rolli.
Kasutades Newtoni valemit, on atraktsiooni jõud kergesti arvutatav. Näiteks on mooni gravitatsioon mitu korda väiksem kui Maal, sest meie satelliidil on suhteliselt väike mass. Aga see on piisav, kui tekib ookeanides korrapärased ebbs ja voolud. Maa peal on vaba languse kiirendus ligikaudu 9,81 m / s2. Ja pooluste juures on see mõnevõrra suurem kui ekvaatoril.
Hoolimata teaduse edasise arengu tohutust tähtsusest, oli Newtoni seadustel mitmeid nõrku külgi, mis ei andnud teadlastele puhkust. Ei olnud selge, kuidas gravitatsioon toimib absoluutselt tühja ruumi kaudu tohutute vahemaade ja mõeldamatu kiirusega. Lisaks hakkasid andmed järk-järgult kogunema, mis on Newtoni seadustega vastuolus: näiteks gravitatsiooniline paradoks või elavhõbeda periheli ümberpaigutamine. Selgus, et universaalse agressiooni teooria nõuab täpsustamist. See au langes suurepärase saksa füüsiku Albert Einsteini partiile.
Atraktsioon ja suhtelisuse teooria
Newtoni keeldumine arutada gravitatsiooni olemust („Ma ei leiuta hüpoteese”) oli tema kontseptsiooni ilmne nõrkus. Pole ime, et järgnevatel aastatel ilmus palju gravitatsiooniteooriaid.
Enamik neist kuulus nn hüdrodünaamilistele mudelitele, mis püüdsid õigustada materiaalsete objektide mehaanilise interaktsiooni tekkimist teatud omadustega vaheühendiga. Teadlased nimetasid seda erinevalt: "vaakum", "eeter", "gravitoonvoog" jne. Sel juhul tekkis keha vahelise atraktsiooni jõud selle aine muutumise tulemusena, kui see oli objektide poolt absorbeeritud või läbivaadatud voolud. Tegelikkuses oli kõigil sellistel teooriatel üks tõsine puudus: pigem täpselt prognoositi gravitatsioonijõu sõltuvust kaugusest, nad pidid viima "eetri" või "gravitooni voolu" suhtes liikunud kehade aeglustumiseni.
Einstein pöördus sellele küsimusele erinevalt. Oma üldises relatiivsusteoorias (GTR) ei peeta raskusjõudu kui jõudude koosmõju, vaid ruumi ajalise ruumi omaduseks. Iga mass, millel on mass, viib selle kõverusele, mis põhjustab atraktiivsust. Sel juhul on gravitatsioon geomeetriline efekt, mida peetakse mitte-eukleidilise geomeetria raames.
Lihtsamalt öeldes mõjutab ruumi-ajaline kontinuum ainet, põhjustades selle liikumist. Ja see omakorda mõjutab ruumi, "osutades" talle, kuidas painutada.
Atraktsioonjõud toimivad mikrokosmos, kuid elementaarosakeste tasemel on nende mõju võrreldes elektrostaatilise interaktsiooniga tühine. Füüsikud usuvad, et gravitatsiooniline koostoime ei olnud esimestel hetkedel (10–43 sekundit) teistest halvem.
Praegu on üldise suhtelisuse teoorias esitatud gravitatsiooni mõiste peamine hüpotees, mille enamik teadusringkondi on heaks kiitnud ja mida kinnitavad arvukate katsete tulemused.
Einstein nägi oma töös ette gravitatsioonijõudude hämmastavaid mõjusid, millest enamik on juba kinnitatud. Näiteks on massiivsete kehade võimalus valguskiire painutada ja aeglustada. Viimast nähtust võetakse tingimata arvesse globaalsete satelliitnavigatsioonisüsteemide, näiteks GLONASSi ja GPSi kasutamisel, vastasel juhul oleks mõne päeva pärast nende viga kümneid kilomeetreid.
Lisaks on Einsteini teooria tagajärjeks nn raskusjõu peenefektid, nagu näiteks gravitatsioonimagnetivälja ja inertsiaalsete võrdlussüsteemide inerts (tuntud ka kui Lense-Thirring-efekt). Need jõudude ilmingud on nii nõrgad, et pikka aega neid ei olnud võimalik avastada. Ainult 2005. aastal, tänu NASA ainulaadsele Gravity Probe B missioonile, kinnitati Lense-Thirring'i efekt.
Gravitatsioonikiirgus või viimaste aastate kõige olulisem avastus
Gravitatsioonilised lained on geomeetrilise ruumi-aja struktuuri võnkumised, mis levivad valguse kiirusel. Selle nähtuse olemasolu ennustas Einstein ka üldises relatiivsuses, kuid jõu nõrkuse tõttu on selle suurus väga väike, mistõttu seda ei olnud võimalik pikka aega avastada. Ainult kaudsed tõendid rääkisid kiirguse olemasolust.
Sellised lained tekitavad asümmeetrilise kiirendusega liikuvaid materjaliobjekte. Teadlased kirjeldavad neid kui "ruumi-aja ripples." Sellise kiirguse kõige võimsamad allikad on galaktikate ja kahest objektist koosnevate kokkuvarisevate süsteemide kokkupõrge. Viimasel juhul on tüüpiline näide mustade aukude või neutronitähtede liitmine. Sellistes protsessides võib gravitatsioonikiirgus läbida rohkem kui 50% süsteemi kogumassist.
Gravitatsioonilaine avastati esmakordselt 2015. aastal, kasutades kahte LIGO vaatluskeskust. Peaaegu kohe sai see sündmus viimastel aastakümnetel suurima füüsika avastuse staatuse. 2017. aastal anti talle Nobeli preemia. Pärast seda on teadlased mitu korda suutnud gravitatsioonilist kiirgust fikseerida.
Eelmise sajandi 70-ndatel aastatel - pikka aega enne eksperimentaalset kinnitamist - soovitasid teadlased kasutada gravitatsioonilist kiirgust kaugekõnede tegemiseks. Selle kahtlemata eeliseks on kõrge võime läbida mis tahes ainet ilma neeldumata. Aga praegu on see vaevalt võimalik, sest nende lainete tekitamisel ja vastuvõtmisel on tohutuid raskusi. Jah, ja tõelised teadmised raskuse olemusest ei piisa.
Tänapäeval on erinevates riikides üle maailma paigaldatud mitmeid seadmeid, mis sarnanevad LIGO-le ja ehitatakse uusi. On tõenäoline, et lähitulevikus saame rohkem teada gravitatsioonilise kiirguse kohta.
Maailma laienemise alternatiivsed teooriad ja nende loomise põhjused
Praegu on domineeriv gravitatsiooni mõiste GR. Ta nõustub kogu olemasolevate eksperimentaalsete andmete ja tähelepanekutega. Samal ajal on sellel suur hulk avalikult nõrku kohti ja vastuolulisi punkte, mistõttu ei katkesta raskusjõudu iseloomustavaid uusi mudeleid.
Kõik siiani välja töötatud maailmamõistmise teooriad võib jagada mitmeks põhirühmaks:
- standard;
- alternatiiv;
- kvant;
- ühe valdkonna teooria.
Püüded luua uus maailmamõiste tehti XIX sajandil. Erinevad autorid olid eeter või valguse korpuskulaarne teooria. GR-i tulek aga lõpetas need uuringud. Pärast selle avaldamist on teadlaste eesmärk muutunud - nüüd on nende jõupingutuste eesmärk parandada Einsteini mudelit, sealhulgas selles sisalduvaid uusi loodusnähtusi: osakesed, universumi laienemine jne.
1980. aastate alguseks lükkasid füüsikud eksperimentaalselt tagasi kõik mõisted, välja arvatud need, mis sisaldasid GTR-i lahutamatu osana. Sel ajal tuli moodsad "stringiteooriad", mis tundusid väga paljulubavad. Kuid nende hüpoteeside kogenud kinnitust ei ole leitud. Viimastel aastakümnetel on teadus saavutanud märkimisväärse kõrguse ja kogunud hulgaliselt empiirilisi andmeid. Tänapäeval püütakse luua alternatiivseid gravitatsiooniteooriaid peamiselt kosmoloogiliste uuringutega, mis on seotud selliste mõistetega nagu "tumedad ained", "inflatsioon", "tumedad energia".
Tänapäeva füüsika üks peamisi ülesandeid on kahe põhisuuna ühendamine: kvantteooria ja üldine suhtelisus. Teadlased püüavad seostada atraktiivsust teiste tüüpi koostoimetega, luues seeläbi “kõike teooria”. Just see toimib kvantti gravitatsiooniga - füüsikaharuga, mis püüab anda kvantitatiivset kirjeldust gravitatsioonilise koostoime kohta. Selle suuna haru on ahela gravitatsiooni teooria.
Vaatamata aktiivsetele ja pikaajalistele jõupingutustele ei ole seda eesmärki veel saavutatud. Ja asi ei ole isegi selle ülesande keerukuses: lihtsalt on see, et kvantteooria ja GR alus on täiesti erinevad paradigmid. Kvantmehaanika töötab tavaliste ruumiajal põhinevate füüsiliste süsteemidega. Relatiivsusteoorias on ruumiaeg iseenesest dünaamiline komponent, sõltuvalt selles olevate klassikaliste süsteemide parameetritest.
Koos maailma teaduslike hüpoteesidega on ka teooriaid, mis pole kaugeltki kaasaegsest füüsikast. Kahjuks on viimastel aastatel niisugune "opus" lihtsalt üleujutanud Interneti ja raamatupoodide riiulid. Mõned selliste teoste autorid teatavad lugejale üldiselt, et gravitatsiooni ei eksisteeri ning Newtoni ja Einsteini seadused on leiutised ja saladused.
Näiteks on „teadlase” Nikolai Levashovi töö, kes väidab, et Newton ei avastanud maailma õigust, ja ainult planeedid ja meie kuu, kuu on päikesesüsteemis gravitatsioonijõud. Tõendid selle "vene teadlase" kohta toovad üsna kummalisi. Üks neist on Ameerika NEAR Shoemaker sondi lend asteroid Erosele, mis toimus 2000. aastal. Proovivõtturi ja taevakeha vahelise atraktiivsuse puudumine Levashov peab tõendeid Newtoni teoste valeduse ja füüsikute vandenõu kohta, kes peidavad tõe inimeste gravitatsiooni kohta.
Tegelikult täitis kosmoseaparaat oma missiooni edukalt: esiteks läks ta asteroidide orbiidile ja tegi seejärel pehme maandumise oma pinnale.
Kunstlik raskus ja miks see on vajalik
Kaks mõistet on seotud raskusastmega, mis vaatamata oma praegusele teoreetilisele staatusele on üldsusele hästi teada. See antigravitatsioon ja kunstlik raskus.
Antigravitatsioon on raskusjõu vastandamise protsess, mis võib seda oluliselt vähendada või isegi selle tõrjutusega asendada. Selle tehnoloogia omandamine tooks kaasa tõelise revolutsiooni transpordis, lennunduses, kosmose uurimisel ja radikaalselt muutis kogu meie elu. Kuid praegu ei ole anti-gravitatsiooni võimalusel isegi teoreetilist kinnitust. Lisaks sellele ei ole see nähtus GTRi põhjal üldse teostatav, kuna meie universumis ei saa olla negatiivset massi. On võimalik, et tulevikus saame rohkem teada gravitatsioonist ja õppida selle põhimõtte alusel lennukeid ehitama.
Kunstlik gravitatsioon on inimtegevusest tingitud muutus olemasolevasse raskusjõudu. Täna ei vaja me sellist tehnoloogiat, kuid olukord muutub pärast pikaajalise kosmose reisimise algust kindlasti. Ja asi on meie füsioloogia. Inimkeha, mis on harjunud miljonite aastate arenguga Maa püsivale gravitatsioonile, on äärmiselt negatiivne raskusjõu mõjude suhtes. Pikaajaline viibimine isegi kuu raskusastme tingimustes (kuus korda nõrgem kui Maa) võib viia kurbade tagajärgedeni. Atraktsiooni illusiooni saab luua teiste füüsiliste jõudude abil, nagu inerts. Need võimalused on aga keerulised ja kallid. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
