Kust tuleb külgetõmbejõud? Mis on gravitatsioon lihtsas mõttes. Harmoonilised tugiraamid

Obi-Wan Kenobi ütles, et tugevus hoiab galaktikat koos. Sama võib öelda ka gravitatsiooni kohta. Fakt on see, et gravitatsioon võimaldab meil kõndida Maal, Maal tiirleda ümber Päikese ja Päikesel ümber meie galaktika keskmes asuva ülimassiivse musta augu. Kuidas mõista gravitatsiooni? Selle kohta - meie artiklis.

Ütleme kohe, et te ei leia siit üheselt õiget vastust küsimusele "Mis on gravitatsioon". Sest seda lihtsalt pole olemas! Gravitatsioon on üks salapärasemaid nähtusi, mille üle teadlased mõistatavad ja mille olemust ei suuda siiani täielikult selgitada.

Hüpoteese ja arvamusi on palju. Alternatiivseid ja klassikalisi gravitatsiooniteooriaid on rohkem kui tosin. Vaatleme kõige huvitavamat, asjakohasemat ja kaasaegsemat.

tahad rohkem kasulik informatsioon ja iga päev värskeid uudiseid? Liituge meiega telegrammis.

Gravitatsioon on füüsiline fundamentaalne koostoime

Füüsikas on 4 põhilist vastasmõju. Tänu neile on maailm täpselt selline, nagu ta on. Gravitatsioon on üks neist jõududest.

Põhilised interaktsioonid:

• gravitatsioon;
• elektromagnetism;
• tugev interaktsioon;
• nõrk interaktsioon.

Gravitatsioon on neljast põhijõust nõrgim.

Hetkel kehtib gravitatsiooni kirjeldav teooria GR (üldrelatiivsusteooria). Selle pakkus välja Albert Einstein aastatel 1915–1916.

Kuid me teame seda tõe kohta viimase abinõuna räägi varakult. Lõppude lõpuks domineeris mitu sajandit enne üldrelatiivsusteooria tulekut füüsikas gravitatsiooni kirjeldamisel Newtoni teooria, mida oluliselt laiendati.

Hetkel on võimatu selgitada ja kirjeldada kõiki gravitatsiooniga seotud küsimusi üldrelatiivsusteooria raames.

Enne Newtonit oli levinud arvamus, et gravitatsioon maa peal ja taevane gravitatsioon on erinevad asjad. Usuti, et planeedid liiguvad oma, maistest erinevate ideaalseaduste järgi.

Newton avastas seaduse gravitatsiooni aastal 1667. Muidugi kehtis see seadus isegi dinosauruste ajal ja palju varem.

Muistsed filosoofid mõtlesid gravitatsiooni olemasolule. Galileo arvutas eksperimentaalselt välja vaba langemise kiirenduse Maal, avastades, et see on sama mis tahes massiga kehade puhul. Kepler uuris taevakehade liikumisseadusi.

Newton suutis vaatlustulemusi sõnastada ja üldistada. Ta sai järgmist:

Kaks keha tõmbuvad üksteise poole jõuga, mida nimetatakse gravitatsioonijõuks või gravitatsioonijõuks.

Kehadevahelise tõmbejõu valem on järgmine:

G on gravitatsioonikonstant, m on kehade mass, r on kehade massikeskmete vaheline kaugus.

Mis on gravitatsioonikonstandi füüsiline tähendus? See on võrdne jõuga, millega kehad massiga 1 kilogramm üksteisele mõjuvad, olles üksteisest 1 meetri kaugusel.

Newtoni teooria kohaselt loob iga objekt gravitatsioonivälja. Newtoni seaduse täpsust on testitud vähem kui ühe sentimeetri kaugusel. Muidugi on väikeste masside jaoks need jõud tähtsusetud ja neid võib tähelepanuta jätta.

Newtoni valem on rakendatav nii planeetide päikese poole tõmbejõu arvutamiseks kui ka väikeste objektide jaoks. Me lihtsalt ei märka jõudu, millega näiteks piljardilaua palle tõmmatakse. Sellest hoolimata on see jõud olemas ja seda saab arvutada.

Tõmbejõud toimib universumi mis tahes kehade vahel. Selle mõju ulatub igale kaugusele.

Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus ei selgita tõmbejõu olemust, vaid kehtestab kvantitatiivsed mustrid. Newtoni teooria ei ole vastuolus üldrelatiivsusteooriaga. See on täiesti piisav praktiliste ülesannete lahendamiseks Maa mastaabis ja taevakehade liikumise arvutamiseks.

Gravitatsioon üldrelatiivsusteoorias

Vaatamata sellele, et Newtoni teooria on praktikas üsna rakendatav, on sellel mitmeid puudusi. Universaalse gravitatsiooni seadus on matemaatiline kirjeldus, kuid ei anna aimu asjade fundamentaalsest füüsikalisest olemusest.

Newtoni järgi mõjub tõmbejõud igal kaugusel. Ja see toimib koheselt. Arvestades, et maailma suurim kiirus on valguse kiirus, on lahknevus. Kuidas saab gravitatsioon toimida hetkega mis tahes kaugusel, kui valgus ei vaja hetkest, vaid mitu sekundit või isegi aastat, et neid ületada?

Üldrelatiivsusteooria raames käsitletakse gravitatsiooni mitte kui kehadele mõjuvat jõudu, vaid kui ruumi ja aja kõverust massi mõjul. Seega ei ole gravitatsioon jõudude vastastikmõju.

Mis on gravitatsiooni mõju? Proovime seda analoogia abil kirjeldada.

Kujutage ruumi elastse lehena. Kui paned sellele kerge tennisepalli, jääb pind tasaseks. Kui aga asetate palli kõrvale raske raskuse, surub see pinnale augu ning pall hakkab veerema suure ja raske raskuse poole. See on "gravitatsioon".

Muideks! Meie lugejatele on nüüd 10% allahindlus

Gravitatsioonilainete avastamine

Gravitatsioonilaineid ennustas Albert Einstein juba 1916. aastal, kuid need avastati alles sada aastat hiljem, 2015. aastal.

Mis on gravitatsioonilained? Toome uuesti analoogia. Kui visata kivi vaiksesse vette, lähevad veepinnale selle kukkumiskohast ringid. Gravitatsioonilained on samad lainetused, häired. Ainult mitte vee peal, vaid maailma aegruumis.

Vee asemel – aegruum ja kivi asemel näiteks must auk. Igasugune massi kiirendatud liikumine tekitab gravitatsioonilaine. Kui kehad on vabalangemise seisundis, muutub nendevaheline kaugus gravitatsioonilaine möödumisel.

Kuna gravitatsioon on väga nõrk jõud, on gravitatsioonilainete tuvastamist seostatud suurte tehniliste raskustega. Kaasaegsed tehnoloogiad võimaldas tuvastada gravitatsioonilainete purset ainult ülimassiivsetest allikatest.

Gravitatsioonilaine registreerimiseks sobiv sündmus on mustade aukude ühinemine. Kahjuks või õnneks juhtub seda üsna harva. Sellegipoolest õnnestus teadlastel registreerida laine, mis sõna otseses mõttes veeres läbi universumi ruumi.

Gravitatsioonilainete registreerimiseks ehitati 4 kilomeetrise läbimõõduga detektor. Laine läbimise ajal registreeriti vaakumis olevate suspensioonide peeglite võnkumised ja nendelt peegelduva valguse interferents.

Gravitatsioonilained kinnitasid üldrelatiivsusteooria paikapidavust.

Gravitatsioon ja elementaarosakesed

Standardmudelis vastutavad iga interaktsiooni eest teatud elementaarosakesed. Võime öelda, et osakesed on vastastikmõjude kandjad.

Gravitatsiooni eest vastutab graviton – hüpoteetiline massitu energiaga osake. Muide, meie eraldi materjalist lugege lähemalt Higgsi bosoni ja teiste palju müra tekitanud elementaarosakeste kohta.

Lõpuks on siin mõned huvitavad faktid gravitatsiooni kohta.

10 fakti gravitatsiooni kohta

1. Maa gravitatsioonijõu ületamiseks peab keha kiirus olema 7,91 km / s. See on esimene kosmiline kiirus. Piisab, kui keha (näiteks kosmosesond) liigub orbiidil ümber planeedi.
2. Maa gravitatsiooniväljast vabanemiseks, kosmoselaev kiirus peab olema vähemalt 11,2 km/s. See on ruumi teine ​​kiirus.
3. Kõige tugevama gravitatsiooniga objektid on mustad augud. Nende gravitatsioon on nii tugev, et tõmbab isegi valgust (footoneid) ligi.
4. Te ei leia gravitatsioonijõudu ühestki kvantmehaanika võrrandist. Fakt on see, et kui proovite võrranditesse lisada gravitatsiooni, kaotavad need oma tähtsuse. See on üks kõige enam olulised küsimused kaasaegne füüsika.
5. Sõna gravitatsioon pärineb ladinakeelsest sõnast "gravis", mis tähendab "raske".
6. Mida massiivsem objekt, seda tugevam on gravitatsioon. Kui Maal 60 kilogrammi kaaluv inimene kaalub Jupiteril, näitab kaal 142 kilogrammi.
7. NASA teadlased üritavad välja töötada gravitatsioonikiirt, mis võimaldab objekte kontaktivabalt liigutada, ületades gravitatsioonijõu.
8. Orbiidil olevad astronaudid kogevad ka gravitatsiooni. Täpsemalt mikrogravitatsioon. Tundub, et nad kukuvad lõputult koos laevaga, milles nad on.
9. Gravitatsioon tõmbab alati ligi ega tõrju kunagi.
10. Tennisepalli suurune must auk tõmbab objekte sama jõuga kui meie planeet.

Nüüd teate gravitatsiooni määratlust ja saate öelda, millist valemit kasutatakse tõmbejõu arvutamiseks. Kui teaduse graniit hoiab teid kinni rohkem kui gravitatsioon, võtke ühendust meie üliõpilasteenindusega. Aitame teil hõlpsalt õppida ka kõige suurema töökoormuse all!

Gravitatsioon on ruumi "kõverus". Mida suurem on mass, seda suurem on ruumi "kõverus" ja sellest tulenevalt kergemad objektid "rulluvad" sellesse "kõverusse". Kõiki Päikese ümber tiirlevaid objekte hoiab nende orbiidil gravitatsioon. Kuid see mitte ainult ei täida omamoodi sideme funktsioone, vaid sai ka jõuks, mis need objektid lõi. Gravitatsioonijõud ei lase planeetidel valida oma valitud teed, muutes oma orbiiti. Kuid sõltuvus sellest jõust väheneb eksponentsiaalselt – kahekordsel kaugusel nõrgeneb mõju neljakordselt ja kauguse kolmekordistumine nõrgestab jõudu üheksa korda.

Newton seostas gravitatsiooni otseselt gravitatsiooniga. Kehale rakendatakse gravitatsioonijõudu, mille allikaks on mõni teine ​​keha (või kehad), ja gravitatsioonivälja kui sellist lihtsalt ei eksisteeri. Kuna gravitatsioon viitab kehade otsesele vastasmõjule, määrab selle universaalse gravitatsiooni seadus. Gravitatsiooniväljale antakse tingimuslik märk, mis on vajalik ainult arvutuste jaoks. Maapealsete tingimuste puhul on see üsna vastuvõetav.

Gravitatsioon Einsteinilt

Gravitatsioonilist mõju kirjeldas Aristoteles. Ta uskus, et objekti langemise kiirus sõltub selle massist. Kuid ainult Galileo suutis aru saada, et igal kehal on võrdne kiirenduse väärtus. Ja Einstein töötas selle väite välja oma relatiivsusteoorias, kirjeldades gravitatsiooni aegruumi geomeetria kontseptsiooniga.

Klassikalises esituses on kahe punkti gravitatsioonilise vastasmõju jõud nende punktide massi sõltuvuse kuju nendevahelisest kaugusest. Mida suurem on keha, seda suurema gravitatsioonivälja suudab see luua.

Kuigi gravitatsioon - vastastikmõju on väga nõrk, kuid selle tegevus ulatub igale kaugusele.

Gravitatsiooniline külgetõmme on ainele avalduva mõju olemuselt universaalne, pole objekte, millel seda ei oleks. Einstein postuleeris, et gravitatsiooniefekte ei põhjusta mitte aegruumis paikneva keha või välja jõumõjud, vaid muutused aegruumis endas. Kõik see on tingitud massienergia olemasolust. Einsteini teooria kohaselt on mass ja energia kehade üks parameeter. Need on ühendatud tuntud valemiga: E = m s² Kaks massiivset keha, mis üksteisega suhtlevad, painutavad ruumi. Kuid miks see kõverus tekib, ei osanud Einstein vastust anda. Gravitatsioon on oma globaalse olemuse tõttu vastutav suuremahuliste nähtuste eest. Need on struktuurid, laienev universum. Aga ka lihtsad faktid astronoomia – planeetide orbiidid, gravitatsioon, kehade langemine – on samuti gravitatsioonist sõltuvad.

Taevamehaanika

See mehaanika osa uurib tühjas ruumis asuvate kehade liikumist, mida mõjutab ainult gravitatsioon. Lõigu lihtsaim ülesanne on põhjendada kahe, punkt- või sfäärilise keha gravitatsioonilist mõju tühjas ruumis. Kui üksteisega suhtlevaid kehasid on rohkem, muutub ülesanne keerulisemaks. Numbriline lahendus põhjustab lahenduste ebastabiilsust esialgsed tingimused. See tähendab, et rakendades seda meie planeedisüsteemile, ei suuda me ennustada planeetide liikumist perioodideks, mis ületavad saja miljoni aasta. Paljudest sarnase massiga ligitõmbavatest kehadest koosneva süsteemi pikaajalist käitumist ei ole veel võimalik kirjeldada. Seda takistab kontseptsioon: dünaamiline kaos.

Gravitatsioonilained

Gravitatsioonilained on muutused gravitatsiooniväljas, mis levivad nagu lained. Neid kiirgavad liikuvad massid, kuid pärast kiirgust lähevad nad neist lahti ja eksisteerivad neist massidest sõltumatult. Matemaatiliselt seotud aegruumi meetrika häirimisega ja seda võib kirjeldada kui "ruumi-aja lainetust". Gravitatsioonilaineid ennustab üldrelatiivsusteooria. Esmakordselt tuvastasid need 2015. aasta septembris LIGO observatooriumi kaks kaksikdetektorit, mis registreerisid gravitatsioonilaineid, tõenäoliselt kahe musta augu ühinemise ja veel ühe massiivse pöörleva musta augu tekkimise tulemusena.

graviton

Kuna gravitatsiooniline vastastikmõju on olemas, tuleb see kuidagi üle kanda. 1930. aastatel sai graviton kandjakandidaadiks. See osake on endiselt hüpoteetiline, kuid sellel peaks olema 2 spinn ja kaks võimalikku polarisatsioonisuunda. Mõned füüsikud lükkavad kangekaelselt selle osakese olemasolu tagasi. Nad soovitavad: kui on olemas gravitonid, siis peaks neid kiirgama mustad augud ja see läheb vastuollu üldrelatiivsusteooriaga. Kuid katsed laiendada standardmudelit selliste osakestega on täis raskusi kõrge energiaga piirkonnas. Mõned väljatöötamisel olevad kvantgravitatsiooni teooriad põhinevad selle probleemi lahendamisel. Vastavalt oma positsioonidele on gravitonid stringide olek, mitte mingil juhul punktosakesed. Kuid nende madalad energiad klassifitseeritakse endiselt punktosakesteks. Siiani pole gravitoneid avastatud, sest nende gravitatsioonimõjud on ebatavaliselt nõrgad.

kvantgravitatsioon

Universaalset kvantteooriat, mis seletaks gravitatsiooni mõistet, pole veel välja töötatud. Gravitatsioonilise interaktsiooni kujutamiseks oleks usutav välja pakkuda gravitonivahetus, milles gravitonid toimivad spinniga 2 mõõtbosonidena. Kuid sellist teooriat ei peeta rahuldavaks. Peal olemasolev aeg On mitmeid lähenemisviise, mis võimaldavad gravitatsiooni kvantifitseerida. Neid lähenemisviise peetakse üsna paljutõotavateks.

• Stringiteooria. See asendab aegruumi taustaosakesed ja braanidega (sarnaselt stringidele). Mitmemõõtmeliste probleemide lahendamiseks vaadeldakse braane kui osakesi, mis on juba mitmemõõtmelised, kuid samas on need aegruumi struktuurid. Gravitonid muutuvad siin stringide, mitte üksikute osakeste olekuks. Kuigi nende madalad energiad kuuluvad nende hulka.
• Loop kvantgravitatsioon. Siin on aeg ja ruum diskreetsed osad. Nad ei ole seotud aegruumi taustaga, olles kvantruumi rakud. Need on omavahel seotud nii, et väikesel ajaskaalal paistavad nad diskreetse ruumistruktuurina. Skaala suurendamisel muutuvad osad sujuvalt pidevaks aegruumiks. Loop-gravitatsioon suudab kirjeldada Suure Paugu olemust, aga ka valgustada selle läve. See võimaldab teil isegi ilma kaasamiseta hakkama saada.

Tugevad gravitatsiooniväljad

Väga tugevates gravitatsiooniväljades võivad ilmneda mõned GR-efektid:

• gravitatsiooniseadus kaldub Newtoni omast kõrvale
• ilmuvad gravitatsioonilained
• on mittelineaarsed efektid
• nähtav aegruum muudab oma geomeetriat
• singulaarsuste tekkimine ja mustade aukude sünd on võimalik.

Kuid sellised ilmingud saavad toimuda ainult siis, kui gravitatsioonil on lõpmatult suur jõud. Siiani on Universumi kõige tihedamad objektid, mis on tuvastatud.Ühes paljudest teooriatest peetakse gravitatsioonivälja mis tahes välja – magnetvälja, elektrilise, gluooni – aluseks. Sel juhul saavad gravitonid mateeria põhielementideks. Noh, must auk on graviton, kus absoluutselt kõik elementaarosakesed, välja arvatud gravitonid, hävivad gravitatsiooni mõjul. Ja seal on ainult üks omadus - gravitatsioon.

Gravitatsiooniline kollaps

Kui gravitatsioonijõude kogev massiivne keha kahaneb katastroofiliselt kiiresti, kukub see kokku. Nii et tähe eluiga, mille mass on üle kolme päikesemassi, võib lõppeda. Kui tähtedel saab termotuumaprotsessi jätkamiseks kütus otsa, katkeb nende mehaaniline stabiilsus ja toimub kiire, kiirendusega kokkusurumine keskosa suunas. Kui tähe sees olev rõhk, mis pidevalt kasvab, suudab kokkusurumise peatada, muutub tähe keskosa neutrontäheks. Sel juhul visatakse kest maha ja supernoova süttib. Kuid kui täht ületab Oppenheimeri-Volkovi piiriga määratud massi, lõpeb kollaps selle muutumisega mustaks auguks. Selle piiri väärtust pole veel täpselt kindlaks määratud.

Mõned paradoksid

1. Ümber Maa tiirlev satelliit planeedi suhtes on kaalutu. Ja kõik, mis selles on, on ka kaalutu. , suhteliselt on jälle kaalutu, kuid selle pinnal olevatel kehadel on juba kaal. Sama lugu on Maaga. See on suhteliselt kaalutu, kuid me tunneme selle peal raskust. Ka Päike on galaktika tuuma suhtes kaalutu. Ja nii – lõpmatuseni.
2. Tähtedes tekib termotuumareaktsioonide käigus tohutu rõhk. Kuid seda hoiavad tagasi gravitatsioonijõud. See tähendab, et tähe olemasolu on võimalik, kuna on olemas dünaamiline tasakaal: temperatuur-rõhk - gravitatsioonijõud.
3. Mustas augus peatuvad kõik protsessid, välja arvatud üks - gravitatsioon. Miski ei saa seda alla neelata ega moonutada.

Hoolimata asjaolust, et gravitatsioon on universumi kõige nõrgem vastastikmõju objektide vahel, on selle tähtsus füüsikas ja astronoomias tohutu, kuna see on võimeline mõjutama füüsilisi objekte mis tahes kaugusel ruumis.

Kui teile meeldib astronoomia, siis mõtlesite ilmselt küsimusele, mis on selline mõiste nagu gravitatsioon või universaalse gravitatsiooni seadus. Gravitatsioon on universaalne fundamentaalne interaktsioon kõigi universumi objektide vahel.

Gravitatsiooniseaduse avastamine on omistatud kuulsale inglise füüsikule Isaac Newtonile. Tõenäoliselt teavad paljud teist lugu õunast, mis kukkus kuulsale teadlasele pähe. Sellegipoolest, kui vaatate sügavale ajalukku, näete, et gravitatsiooni olemasolule mõtlesid juba ammu enne tema ajastut antiikaja filosoofid ja teadlased, näiteks Epikuros. Sellegipoolest kirjeldas Newton esmakordselt füüsiliste kehade gravitatsioonilist vastasmõju klassikalise mehaanika raames. Tema teooria töötas välja teine ​​kuulus teadlane - Albert Einstein, kes oma üldine teooria relatiivsusteooria kirjeldas täpsemalt gravitatsiooni mõju ruumis, aga ka selle rolli aegruumi kontiinumis.

Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus ütleb, et gravitatsiooni tõmbejõud kahe vahemaaga eraldatud massipunkti vahel on pöördvõrdeline kauguse ruuduga ja võrdeline mõlema massiga. Gravitatsioonijõud on pikamaa. See tähendab, et hoolimata sellest, kuidas massiga keha liigub, sõltub selle gravitatsioonipotentsiaal klassikalises mehaanikas puhtalt selle objekti asukohast antud ajahetkel. Mida suurem on objekti mass, seda suurem on selle gravitatsiooniväli – seda võimsam on selle gravitatsioonijõud. Kosmoseobjektidel, nagu galaktikad, tähed ja planeedid, on suurim jõud külgetõmbejõud ja vastavalt piisavalt tugevad gravitatsiooniväljad.

Gravitatsiooniväljad

Maa gravitatsiooniväli

Gravitatsiooniväli on kaugus, mille piires toimub gravitatsiooniline vastastikmõju universumi objektide vahel. Mida suurem on objekti mass, seda tugevam on selle gravitatsiooniväli – seda märgatavam on selle mõju teistele füüsilistele kehadele teatud ruumis. Objekti gravitatsiooniväli on potentsiaalselt. Eelmise väite olemus seisneb selles, et kui tutvustada kahe keha vahel potentsiaalset külgetõmbeenergiat, siis see ei muutu pärast seda, kui viimane liigub mööda suletud kontuuri. Siit tuleneb veel üks kuulus suletud ahela potentsiaalse ja kineetilise energia summa jäävuse seadus.

Materiaalses maailmas on gravitatsiooniväljal suur tähtsus. Seda omavad kõik universumi materiaalsed objektid, millel on mass. Gravitatsiooniväli võib mõjutada mitte ainult ainet, vaid ka energiat. Just selliste suurte kosmoseobjektide nagu mustad augud, kvasarid ja ülimassiivsed tähed gravitatsiooniväljade mõjul tekivad päikesesüsteemid, galaktikad ja muud astronoomilised parved, mida iseloomustab loogiline struktuur.

Viimased teaduslikud andmed näitavad, et Universumi kuulus paisumise efekt põhineb ka gravitatsioonilise vastastikmõju seadustel. Eelkõige soodustavad Universumi paisumist võimsad gravitatsiooniväljad, nii väikesed kui ka selle suurimad objektid.

Gravitatsiooniline kiirgus kahendsüsteemis

Gravitatsioonikiirgus ehk gravitatsioonilaine on termin, mille võttis füüsikasse ja kosmoloogiasse esmakordselt kasutusele kuulus teadlane Albert Einstein. Gravitatsioonikiirgust tekitab gravitatsiooniteoorias materiaalsete objektide liikumine muutuva kiirendusega. Objekti kiirendamise ajal "rebib" gravitatsioonilaine sellest justkui lahti, mis põhjustab ümbritsevas ruumis gravitatsioonivälja kõikumisi. Seda nimetatakse gravitatsioonilaine efektiks.

Kuigi gravitatsioonilaineid ennustab nii Einsteini üldrelatiivsusteooria kui ka teised gravitatsiooniteooriad, pole neid kunagi otseselt tuvastatud. See on peamiselt tingitud nende äärmisest väiksusest. Siiski on astronoomias kaudseid tõendeid, mis võivad seda mõju kinnitada. Niisiis, gravitatsioonilaine mõju saab vaadelda lähenemise näitel topelttähed. Vaatlused kinnitavad, et kaksiktähtede lähenemiskiirus sõltub mingil määral nende kosmoseobjektide energiakadudest, mis eeldatavasti kulub gravitatsioonikiirgusele. Teadlased saavad seda hüpoteesi lähitulevikus usaldusväärselt kinnitada uue põlvkonna Advanced LIGO ja VIRGO teleskoopide abil.

Kaasaegses füüsikas on mehaanika kaks mõistet: klassikaline ja kvant. Kvantmehaanika tuletati suhteliselt hiljuti ja see erineb põhimõtteliselt klassikalisest mehaanikast. Kvantmehaanikas ei ole objektidel (kvantidel) kindlaid asukohti ja kiirusi, siin põhineb kõik tõenäosusel. See tähendab, et objekt võib teatud ajahetkel hõivata ruumis teatud koha. Usaldusväärselt kindlaks teha, kuhu ta järgmisena kolib, on võimatu, kuid ainult suure tõenäosusega.

Gravitatsiooni huvitav mõju on see, et see võib aegruumi kontiinumi painutada. Einsteini teooria ütleb, et energiahulka või mis tahes materiaalset ainet ümbritsevas ruumis on aegruum kõver. Sellest lähtuvalt muutub selle aine gravitatsioonivälja mõju all olevate osakeste trajektoor, mis võimaldab suure tõenäosusega ennustada nende liikumise trajektoori.

Gravitatsiooni teooriad

Tänapäeval teavad teadlased üle tosina erineva gravitatsiooniteooria. Need jagunevad klassikalisteks ja alternatiivseteks teooriateks. Esimese kuulsaim esindaja on Isaac Newtoni klassikaline gravitatsiooniteooria, mille leiutas kuulus Briti füüsik juba 1666. aastal. Selle olemus seisneb selles, et massiivne keha mehaanikas tekitab enda ümber gravitatsioonivälja, mis tõmbab enda poole väiksemaid objekte. Viimastel omakorda on nagu kõigil teistel universumi materiaalsetel objektidel ka gravitatsiooniväli.

Järgmise populaarse gravitatsiooniteooria leiutas maailmakuulus saksa teadlane Albert Einstein 20. sajandi alguses. Einsteinil õnnestus gravitatsiooni kui nähtust täpsemalt kirjeldada ja selgitada ka selle toimet mitte ainult klassikalises mehaanikas, vaid ka kvantmaailmas. Tema üldine relatiivsusteooria kirjeldab sellise jõu nagu gravitatsiooni võimet mõjutada aegruumi kontiinumi, samuti elementaarosakeste trajektoori ruumis.

Alternatiivsete gravitatsiooniteooriate hulgas on relativistlik teooria, mille leiutas meie kaasmaalane, kuulus füüsik A.A. Logunov. Erinevalt Einsteinist väitis Logunov, et gravitatsioon ei ole geomeetriline, vaid reaalne, üsna tugev füüsiline jõuväli. Alternatiivsetest gravitatsiooniteooriatest on tuntud ka skalaarne, bimeetriline, kvaasilineaarne jt.

1. Kosmoses viibinud ja Maale naasnud inimestel on alguses üsna raske harjuda meie planeedi gravitatsioonilise mõju jõuga. Mõnikord kulub selleks mitu nädalat.
2. Seda tõestas Inimkeha kaaluta olekus võib kaotada kuni 1% luuüdi massist kuus.
3. Planeetidest on Päikesesüsteemis väikseim tõmbejõud Marsil ja kõige suurem Jupiteril.
4. Tuntud soolehaigusi põhjustavad salmonellabakterid on kaaluta olekus aktiivsemad ja võivad põhjustada Inimkeha palju rohkem kahju.
5. Kõigist universumi teadaolevatest astronoomilistest objektidest on mustadel aukudel suurim gravitatsioonijõud. Golfipalli suurusel mustal augul võib olla samasugune gravitatsioonijõud kui kogu meie planeedil.
6. Gravitatsioonijõud Maal ei ole meie planeedi kõigis nurkades ühesugune. Näiteks Kanadas Hudsoni lahe piirkonnas on see madalam kui teistes maakera piirkondades.

Don DeYoung

Gravitatsioon (või gravitatsioon) hoiab meid kindlalt maapinnal ja võimaldab maakeral tiirleda ümber päikese. Tänu sellele nähtamatule jõule langeb vihm maapinnale ning veetase ookeanis tõuseb ja langeb iga päevaga. Gravitatsioon hoiab maakera kerakujulisena ja hoiab ära ka meie atmosfääri kosmosesse pääsemise. Näib, et teadlased peaksid seda iga päev täheldatavat külgetõmbejõudu hästi uurima. Kuid mitte! Paljuski jääb gravitatsioon teaduse sügavaimaks saladuseks. See salapärane jõud on suurepärane näide sellest, kui piiratud on tänapäevased teaduslikud teadmised.

Mis on gravitatsioon?

Isaac Newton tundis selle probleemi vastu huvi juba 1686. aastal ja jõudis järeldusele, et gravitatsioon on atraktiivne jõud, mis eksisteerib kõigi objektide vahel. Ta mõistis, et selle orbiidil on sama jõud, mis põhjustab õuna maapinnale kukkumise. Tegelikult paneb Maa gravitatsioonijõud Kuu ümber Maa pöörlemise ajal oma sirgelt teelt kõrvale kalduma umbes ühe millimeetri võrra sekundis (joonis 1). Newtoni universaalne gravitatsiooniseadus on üks kõigi aegade suurimaid teaduslikke avastusi.

Gravitatsioon on "string", mis hoiab objekte orbiidil

Pilt 1. Illustratsioon Kuu orbiidist, mis pole mõõtkavas joonistatud. Iga sekundiga liigub kuu umbes 1 km. Selle vahemaa jooksul kaldub see sirgest rajast kõrvale umbes 1 mm - see on tingitud Maa gravitatsioonilisest tõmbejõust (katkendjoon). Kuu näib pidevalt jäävat Maast maha (või ümber), nagu ka Päikest ümbritsevad planeedid langevad.

Gravitatsioon on üks neljast looduse põhijõust (tabel 1). Pange tähele, et neljast jõust on see jõud kõige nõrgem, kuid siiski domineerib see suurte kosmoseobjektide suhtes. Nagu Newton näitas, muutub mis tahes kahe massi vaheline atraktiivne gravitatsioonijõud aina väiksemaks ja väiksemaks, kui nendevaheline kaugus suureneb ja suureneb, kuid see ei jõua kunagi täielikult nullini (vt Gravitatsiooni kujundamine).

Seetõttu tõmbab kogu universumi iga osake tegelikult kõiki teisi osakesi. Erinevalt nõrkade ja tugevate tuumajõudude jõududest on tõmbejõud pikamaa (tabel 1). Magnetilised ja elektrilised vastasmõjujõud on samuti pikamaajõud, kuid gravitatsioon on ainulaadne selle poolest, et see on nii pikamaa kui ka alati atraktiivne, mis tähendab, et see ei saa kunagi otsa saada (erinevalt elektromagnetismist, kus jõud võivad kas tõmmata või tõrjuda).

Alates suurest kreatsionistlikust teadlasest Michael Faradayst 1849. aastal on füüsikud pidevalt otsinud peidetud seost gravitatsioonijõu ja elektromagnetilise jõu vahel. Praegu püüavad teadlased ühendada kõik neli põhijõudu üheks võrrandiks või niinimetatud "kõige teooriaks", kuid edutult! Gravitatsioon jääb kõige salapärasemaks ja kõige vähem mõistetavaks jõuks.

Gravitatsiooni ei saa mingil moel varjestada. Olenemata barjääri koostisest, ei mõjuta see kahe eraldatud objekti külgetõmbejõudu. See tähendab, et laboris on võimatu luua gravitatsioonivastast kambrit. Gravitatsioonijõud ei sõltu keemiline koostis objektid, kuid sõltub nende massist, mida me tunneme kaaluna (esemele mõjuv gravitatsioonijõud on võrdne selle objekti kaaluga – mida suurem mass, seda suurem on jõud või kaal.) Klaasist, pliist, jääst või isegi vahtpolüstüroolist valmistatud plokid, millel on sama mass, kogevad (ja avaldavad) sama gravitatsioonijõudu. Need andmed saadi katsete käigus ja teadlased ei tea siiani, kuidas neid teoreetiliselt seletada.

Disain gravitatsioonis

Jõud F kahe massi m 1 ja m 2 vahel, mis asuvad kaugusel r, saab kirjutada valemiga F = (G m 1 m 2) / r 2

Kus G on gravitatsioonikonstant, mille mõõtis esmakordselt Henry Cavendish aastal 1798.1

See võrrand näitab, et gravitatsioon väheneb, kui kahe objekti vaheline kaugus r suureneb, kuid ei jõua kunagi täielikult nullini.

Selle võrrandi pöördruudukujuline olemus on lihtsalt hingemattev. Lõppude lõpuks pole mingit vajalikku põhjust, miks gravitatsioon peaks sellisel viisil toimima. Ebakorrapärases, juhuslikus ja arenevas universumis tunduvad suvalised võimsused, nagu r 1,97 või r 2,3, tõenäolisemad. Täpsed mõõtmised näitasid aga täpset võimsust vähemalt viie kümnendkoha täpsusega, 2,00000. Nagu üks teadlane ütles, tundub see tulemus "liiga täpne".2 Võime järeldada, et tõmbejõud näitab täpset, loodud kujundust. Tegelikult muutuksid planeetide ja kogu universumi orbiidid ebastabiilseks, kui aste peaks kasvõi pisutki 2-st kõrvale kalduma.

Lingid ja märkmed

1. Tehniliselt võttes G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
2. Thompsen, D., "Väga täpne gravitatsiooni kohta", teadusuudised 118(1):13, 1980.

Mis siis täpselt on gravitatsioon? Kuidas on see jõud võimeline tegutsema nii suures tühjas kosmoses? Ja miks see üldse olemas on? Teadus pole kunagi suutnud vastata neile põhiküsimustele loodusseaduste kohta. Tõmbejõud ei saa tulla aeglaselt mutatsioonide või loodusliku valiku kaudu. See on olnud aktiivne universumi eksisteerimise algusest peale. Nagu iga teinegi füüsiline seadus, on gravitatsioon kahtlemata suurepärane tõend kavandatud loomisest.

Mõned teadlased on püüdnud gravitatsiooni seletada nähtamatute osakeste ehk gravitonidega, mis objektide vahel liiguvad. Teised rääkisid kosmilistest keeltest ja gravitatsioonilainetest. Hiljuti õnnestus teadlastel spetsiaalselt loodud labori LIGO (Eng. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) abil näha ainult gravitatsioonilainete mõju. Kuid nende lainete olemus, kuidas objektid füüsiliselt üksteisega suurte vahemaade tagant suhtlevad, muutes oma kuju, on endiselt kõigi jaoks suur küsimus. Me lihtsalt ei tea gravitatsioonijõu päritolu olemust ja seda, kuidas see hoiab kogu universumi stabiilsust.

Gravitatsioon ja Pühakiri

Kaks kirjakohta Piiblist võivad aidata meil mõista gravitatsiooni ja füüsikateaduse olemust üldiselt. Esimene lõik, Koloslastele 1:17, selgitab, et Kristus "Kõigepealt on olemas ja kõik on Tema jaoks seda väärt". Kreeka verb seisab (συνισταω sunistao) tähendab: külge klammerduma, koos hoidma või koos hoidma. Selle sõna kreekakeelne kasutamine väljaspool Piiblit tähendab vett sisaldav anum. Koloslaste raamatus kasutatud sõna on perfektses vormis, mis tavaliselt viitab olevikule, mis on tekkinud minevikus lõpetatud tegevusest. Üks kõne all olevatest füüsilistest mehhanismidest on ilmselgelt tõmbejõud, mille on kehtestanud Looja ja mida tänapäeval eksimatult säilitatakse. Kujutage vaid ette: kui gravitatsioonijõud hetkeks lakkaks toimimast, järgneks kahtlemata kaos. Kõiki taevakehi, sealhulgas maad, kuud ja tähti, ei hoita enam koos. Kogu see tund jaguneks eraldi väikesteks osadeks.

Teine pühakiri, Heebrealastele 1:3, kuulutab, et Kristus "hoiab kõike oma jõu sõnaga." Sõna hoiab (φερω pherō) kirjeldab taas kõige säilitamist või säilitamist, sealhulgas gravitatsiooni. Sõna hoiab selles salmis kasutatud tähendab palju enamat kui lihtsalt raskuse hoidmist. See hõlmab kontrolli kõigi universumis toimuvate liikumiste ja muutuste üle. Seda lõputut ülesannet täidetakse Issanda kõikvõimsa Sõna kaudu, mille kaudu tekkis universum ise. Gravitatsioon, "salapärane jõud", mis jääb halvasti mõistetavaks isegi pärast nelisada aastat kestnud uurimistööd, on üks selle hämmastava jumaliku universumi eest hoolitsemise ilminguid.

Aja ja ruumi moonutused ning mustad augud

Einsteini üldine relatiivsusteooria käsitleb gravitatsiooni mitte kui jõudu, vaid kui ruumi enda kumerust massiivse objekti lähedal. Valgus, mis traditsiooniliselt järgib sirgeid jooni, peaks kõveras ruumis liikudes painduma. Seda demonstreeriti esmakordselt, kui astronoom Sir Arthur Eddington avastas tähe nähtavas asendis muutuse täielik varjutus aastal 1919, eeldades, et valguskiiri painutab päikese gravitatsioon.

Üldrelatiivsusteooria ennustab ka seda, et kui keha on piisavalt tihe, moonutab selle gravitatsioon ruumi nii palju, et valgus ei pääse sellest üldse läbi. Selline keha neelab valgust ja kõike muud, mida tema tugev gravitatsioon on püüdnud, ja seda nimetatakse mustaks auguks. Sellist keha saab tuvastada ainult selle gravitatsioonimõjude järgi teistele objektidele, seda ümbritseva valguse tugeva kumeruse ja sellele langeva aine tugeva kiirguse järgi.

Kogu musta augu sees olev aine on lõpmatu tihedusega keskel kokku surutud. Augu "suuruse" määrab sündmuste horisont, st. piir, mis ümbritseb musta augu keskpunkti ja millest ei pääse miski (isegi mitte valgus). Augu raadiust nimetatakse Saksa astronoomi Karl Schwarzschildi (1873–1916) järgi Schwarzschildi raadiuseks ja selle arvutamiseks on R S = 2GM/c 2 , kus c on valguse kiirus vaakumis. Kui päike peaks langema musta auku, oleks selle Schwarzschildi raadius vaid 3 km.

On kindlaid tõendeid selle kohta, et kui massiivse tähe tuumakütus saab otsa, ei suuda see enam oma tohutu raskuse all kokku kukkuda ja kukub musta auku. Arvatakse, et galaktikate, sealhulgas meie galaktika Linnutee tsentrites eksisteerivad mustad augud, mille mass ulatub miljarditesse päikestesse. Paljud teadlased usuvad, et üliheledad ja väga kauged objektid, mida nimetatakse kvasariteks, kasutavad energiat, mis vabaneb aine sattumisel musta auku.

Üldrelatiivsusteooria ennustuste kohaselt moonutab gravitatsioon ka aega. Seda on kinnitanud ka väga täpsed aatomkellad, mis töötavad merepinnal paar mikrosekundit aeglasemalt kui merepinnast kõrgemal asuvatel aladel, kus Maa gravitatsioon on veidi nõrgem. Sündmushorisondi lähedal on see nähtus rohkem märgatav. Kui vaatame sündmuste horisondile läheneva astronaudi kella, näeme, et kell töötab aeglasemalt. Sündmuste horisondis viibides kell peatub, kuid me ei saa seda kunagi näha. Ja vastupidi, astronaut ei märka, et tema kell töötab aeglasemalt, kuid ta näeb, et meie kell töötab üha kiiremini.

Peamine oht musta augu lähedal asuvale astronaudile on loodete jõud, mis on põhjustatud sellest, et gravitatsioon on tugevam mustale augule lähemal asuvatel kehaosadel kui sellest kaugemal asuvatel osadel. Oma võimsuse poolest on tähe massiga musta augu lähedal olevad loodete jõud tugevamad kui ükski orkaan ja rebivad kergesti väikesteks tükkideks kõik, mis neile ette tuleb. Kui aga gravitatsiooniline külgetõmme väheneb kauguse ruuduga (1/r 2), siis loodete aktiivsus väheneb kauguse kuubikuga (1/r 3). Seetõttu on vastupidiselt levinud arvamusele gravitatsioonijõud (sh loodete jõud) suurte mustade aukude sündmuste horisondil nõrgem kui väikeste mustade aukude puhul. Seega on loodete jõud vaadeldavas ruumis asuva musta augu sündmuste horisondis vähem märgatav kui kõige õrnem tuul.

Aja laienemine gravitatsiooni toimel sündmuste horisondi lähedal on loomisfüüsiku dr Russell Humphriesi loodud uue kosmoloogilise mudeli aluseks, mida ta käsitleb oma raamatus "Tähevalgus ja aeg". See mudel võib aidata lahendada probleemi, kuidas näeme noores universumis kaugete tähtede valgust. Lisaks on see tänapäeval teaduslik alternatiiv piiblivälisele, mis põhineb filosoofilistel eeldustel, mis väljuvad teaduse ulatusest.

Märge

Gravitatsioon, "saladuslik jõud", mis on isegi pärast nelisada aastat kestnud uurimistööd endiselt halvasti mõistetav...

Isaac Newton (1642–1727)

Foto: Wikipedia.org

Isaac Newton (1642–1727)

Isaac Newton avaldas oma avastused gravitatsiooni ja taevakehade liikumise kohta 1687. aastal oma kuulsas teoses " Matemaatiline algus". Mõned lugejad jõudsid kiiresti järeldusele, et Newtoni universum ei jätnud Jumalale ruumi, sest kõike saab nüüd seletada võrranditega. Kuid Newton ei arvanud seda sugugi, nagu ta ütles selle kuulsa teose teises väljaandes:

"Meie kõige ilusam Päikesesüsteem, planeedid ja komeedid saavad olla ainult intelligentse ja tugeva olendi plaani ja domineerimise tulemus.

Isaac Newton polnud ainult teadlane. Lisaks teadusele pühendas ta peaaegu kogu oma elu Piibli uurimisele. Tema lemmik piibliraamatud olid Taaniel ja Ilmutusraamat, mis kirjeldavad Jumala tulevikuplaane. Tegelikult kirjutas Newton rohkem teoloogilisi kui teaduslikke töid.

Newton austas teisi teadlasi, nagu Galileo Galilei. Muide, Newton sündis samal aastal, kui Galileo suri, 1642. aastal. Newton kirjutas oma kirjas: „Kui ma nägin teistest kaugemale, siis sellepärast, et seisin püsti õlad hiiglased." Vahetult enne oma surma, arvatavasti gravitatsiooni mõistatuse üle mõtiskledes, kirjutas Newton tagasihoidlikult: "Ma ei tea, kuidas maailm mind tajub, aga mulle tundub, et olen ainult mererannas mängiv poiss, kes lõbustab end sellega, et otsib aeg-ajalt mõnest värvilisemat kivikest või ilusat kesta, samal ajal kui mu ees laiub tohutu uurimata tõe ookean."

Newton on maetud Westminster Abbeysse. Ladinakeelne kiri tema haual lõpeb sõnadega: "Rõõmustagem surelikud, et nende seas elas selline inimsoo ehe".

Olete ilmselt kuulnud, et gravitatsioon ei ole jõud. Ja see on tõsi. See tõde jätab aga palju küsimusi. Näiteks me tavaliselt ütleme, et gravitatsioon "tõmbab" objekte. Meile õpetati füüsikatunnis, et gravitatsioon tõmbab objekte Maa keskpunkti poole. Aga kuidas see võimalik on? Kuidas saab gravitatsioon mitte olla jõud, vaid siiski objekte meelitada?

Kõigepealt peate mõistma, et õige termin on "kiirendus", mitte "atraktsioon". Tegelikult ei tõmba gravitatsioon objekte üldse ligi, see deformeerib aegruumi süsteemi (süsteemi, mille järgi me elame), objektid järgivad deformatsiooni tulemusena tekkinud laineid ja võivad vahel ka kiireneda.

Tänu Albert Einsteinile ja tema relatiivsusteooriale teame, et aegruum muutub koos energiaga. Ja selle võrrandi kõige olulisem osa on mass. Objekti massienergia põhjustab aegruumi muutumise. Mass painutab aegruumi ja sellest tulenev paindub energiat. Seega on õigem mõelda gravitatsioonist mitte kui jõust, vaid kui aegruumi kõverusest. Nii nagu kummipõrand kõverdub keeglipalli all, nõnda väänavad aegruumi massiivsed objektid.

Nii nagu auto liigub mööda teed erinevate kurvide ja pööretega, liiguvad objektid mööda sarnaseid kurve ja kurve ruumis ja ajas. Ja nagu auto kiirendab mäest alla, loovad massiivsed objektid ruumis ja ajas äärmuslikke kurve. Gravitatsioon on võimeline esemeid edasi lükkama, kui need sisenevad sügavatesse gravitatsioonikaevudesse. Seda teed, mida objektid läbivad aegruumi, nimetatakse "geodeetiliseks trajektooriks".

Et paremini mõista, kuidas gravitatsioon töötab ja kuidas see võib objekte kiirendada, kaaluge Maa ja Kuu asukohta üksteise suhtes. Maa on vähemalt Kuuga võrreldes üsna massiivne objekt ja meie planeet põhjustab aegruumi paindumist. Kuu tiirleb ümber Maa ruumi ja aja moonutuste tõttu, mis on põhjustatud planeedi massist. Seega liigub Kuu lihtsalt mööda tekkivat aegruumi kõverat, mida me nimetame orbiidiks. Kuu ei tunneta enda peale mõjuvat jõudu, ta lihtsalt järgib teatud rada, mis on tekkinud.