Odkiaľ pochádza sila príťažlivosti? Čo je to jednoduchosť gravitácie. Harmonické referenčné rámce

Obi-Wan Kenobi povedal, že sila drží galaxiu pohromade. To isté možno povedať o gravitácii. Faktom je, že gravitácia nám umožňuje chodiť po Zemi, že sa Zem otáča okolo Slnka a Slnko sa otáča okolo supermasívnej čiernej diery v strede našej galaxie. Ako rozumieť gravitácii? O tom - v našom článku.

Povedzme hneď, že tu nenájdete jednoznačne správnu odpoveď na otázku „Čo je gravitácia“. Pretože to jednoducho neexistuje! Gravitácia je jedným z najzáhadnejších javov, nad ktorými si vedci lámu hlavu a stále nedokážu úplne vysvetliť jeho podstatu.

Existuje veľa hypotéz a názorov. Existuje viac ako tucet teórií gravitácie, alternatívnych a klasických. Zvážime najzaujímavejšie, najrelevantnejšie a najmodernejšie.

chcieť viac užitočná informácia a čerstvé správy každý deň? Pridajte sa k nám na telegrame.

Gravitácia je základná fyzická interakcia

Vo fyzike existujú 4 základné interakcie. Vďaka nim je svet presne taký, aký je. Gravitácia je jednou z týchto síl.

Základné interakcie:

• gravitácia;
• elektromagnetizmus;
• silná interakcia;
• slabá interakcia.

Gravitácia je najslabšia zo štyroch základných síl.

V súčasnosti je súčasná teória popisujúca gravitáciu GR (všeobecná relativita). Navrhol ho Albert Einstein v rokoch 1915-1916.

Vieme však, že o pravde v posledná možnosť hovoriť skoro. Veď už niekoľko storočí pred príchodom všeobecnej teórie relativity vo fyzike dominovala na opis gravitácie výrazne rozšírená newtonovská teória.

V súčasnosti nie je možné vysvetliť a popísať všetky problémy súvisiace s gravitáciou v rámci všeobecnej teórie relativity.

Pred Newtonom sa všeobecne verilo, že gravitácia na Zemi a nebeská gravitácia sú odlišné veci. Verilo sa, že planéty sa pohybujú podľa svojich vlastných, od pozemských, ideálnych zákonov.

Newton objavil zákon gravitácia v roku 1667. Samozrejme, tento zákon existoval ešte za dinosaurov a oveľa skôr.

Starovekí filozofi uvažovali o existencii gravitácie. Galileo experimentálne vypočítal zrýchlenie voľného pádu na Zemi a zistil, že je rovnaké pre telesá akejkoľvek hmotnosti. Kepler študoval zákony pohybu nebeských telies.

Newton dokázal sformulovať a zovšeobecniť výsledky pozorovaní. Tu je to, čo dostal:

Dve telesá sú k sebe priťahované silou nazývanou gravitačná sila alebo gravitačná sila.

Vzorec pre silu príťažlivosti medzi telesami je:

G je gravitačná konštanta, m je hmotnosť telies, r je vzdialenosť medzi ťažiskami telies.

Aký je fyzikálny význam gravitačnej konštanty? Rovná sa sile, ktorou na seba pôsobia telesá s hmotnosťou 1 kilogram, pričom sú od seba vzdialené 1 meter.

Podľa Newtonovej teórie každý objekt vytvára gravitačné pole. Presnosť Newtonovho zákona bola testovaná pri vzdialenostiach menších ako jeden centimeter. Samozrejme, pre malé masy sú tieto sily zanedbateľné a možno ich zanedbať.

Newtonov vzorec je použiteľný ako na výpočet sily priťahovania planét k Slnku, tak aj na malé objekty. Jednoducho nevnímame, akou silou sa priťahujú povedzme gule na biliardovom stole. Napriek tomu táto sila existuje a dá sa vypočítať.

Príťažlivá sila pôsobí medzi akýmikoľvek telesami vo vesmíre. Jeho účinok sa rozširuje na akúkoľvek vzdialenosť.

Newtonov zákon univerzálnej gravitácie nevysvetľuje povahu príťažlivej sily, ale stanovuje kvantitatívne vzorce. Newtonova teória nie je v rozpore so všeobecnou teóriou relativity. Úplne postačuje na riešenie praktických úloh v meradle Zeme a na výpočet pohybu nebeských telies.

Gravitácia vo všeobecnej teórii relativity

Napriek tomu, že Newtonova teória je celkom použiteľná v praxi, má množstvo nedostatkov. Zákon univerzálnej gravitácie je matematický popis, ale nedáva predstavu o základnej fyzikálnej povahe vecí.

Podľa Newtona sila príťažlivosti pôsobí na akúkoľvek vzdialenosť. A funguje to okamžite. Vzhľadom na to, že najrýchlejšia rýchlosť na svete je rýchlosť svetla, existuje rozpor. Ako môže gravitácia pôsobiť okamžite na akúkoľvek vzdialenosť, keď svetlo na ich prekonanie nepotrebuje okamih, ale niekoľko sekúnd či dokonca rokov?

V rámci všeobecnej teórie relativity sa gravitácia nepovažuje za silu pôsobiacu na telesá, ale za zakrivenie priestoru a času vplyvom hmoty. Gravitácia teda nie je silová interakcia.

Aký je účinok gravitácie? Skúsme to opísať pomocou analógie.

Predstavte si priestor ako elastickú plachtu. Ak naň položíte ľahkú tenisovú loptičku, povrch zostane rovný. Ale ak položíte ťažkú ​​váhu vedľa lopty, vytlačí dieru do povrchu a lopta sa začne kotúľať smerom k veľkej a ťažkej váhe. Toto je „gravitácia“.

Mimochodom! Pre našich čitateľov je teraz zľava 10%.

Objav gravitačných vĺn

Gravitačné vlny predpovedal Albert Einstein už v roku 1916, ale boli objavené až o sto rokov neskôr, v roku 2015.

Čo sú to gravitačné vlny? Opäť nakreslíme analógiu. Ak hodíte kameň do pokojnej vody, z miesta jeho pádu pôjdu na hladinu vody kruhy. Gravitačné vlny sú rovnaké vlnky, poruchy. Len nie na vode, ale vo svetovom časopriestore.

Namiesto vody časopriestor a namiesto kameňa povedzme čierna diera. Akýkoľvek zrýchlený pohyb hmoty generuje gravitačnú vlnu. Ak sú telesá v stave voľného pádu, vzdialenosť medzi nimi sa zmení, keď prejde gravitačná vlna.

Keďže gravitácia je veľmi slabá sila, detekcia gravitačných vĺn bola spojená s veľkými technickými ťažkosťami. Moderné technológie umožnilo odhaliť výbuch gravitačných vĺn len zo supermasívnych zdrojov.

Vhodnou udalosťou na registráciu gravitačnej vlny je spájanie čiernych dier. Bohužiaľ alebo našťastie sa to stáva pomerne zriedka. Napriek tomu sa vedcom podarilo zaregistrovať vlnu, ktorá sa doslova prevalila priestorom Vesmíru.

Na registráciu gravitačných vĺn bol zostrojený detektor s priemerom 4 kilometre. Pri prechode vlny boli zaznamenané kmity zrkadiel na suspenziách vo vákuu a interferencia svetla od nich odrazeného.

Gravitačné vlny potvrdili platnosť všeobecnej teórie relativity.

Gravitácia a elementárne častice

V štandardnom modeli sú za každú interakciu zodpovedné určité elementárne častice. Môžeme povedať, že častice sú nositeľmi interakcií.

Za gravitáciu je zodpovedný gravitón - hypotetická bezhmotná častica s energiou. Mimochodom, v našom samostatnom materiáli si prečítajte viac o Higgsovom bozóne a iných elementárnych časticiach, ktoré narobili veľa hluku.

Na záver uvádzame niekoľko zaujímavých faktov o gravitácii.

10 faktov o gravitácii

1. Na prekonanie gravitačnej sily Zeme musí mať teleso rýchlosť rovnajúcu sa 7,91 km/s. Toto je prvá kozmická rýchlosť. Stačí, aby sa teleso (napríklad vesmírna sonda) pohybovalo na obežnej dráhe okolo planéty.
2. Aby sme sa oslobodili od zemského gravitačného poľa, vesmírna loď musí mať rýchlosť aspoň 11,2 km/s. Toto je druhá vesmírna rýchlosť.
3. Objekty s najsilnejšou gravitáciou sú čierne diery. Ich gravitácia je taká silná, že dokonca priťahujú svetlo (fotóny).
4. Gravitačnú silu nenájdete v žiadnej rovnici kvantovej mechaniky. Faktom je, že keď sa pokúsite zahrnúť gravitáciu do rovníc, stratia svoj význam. Toto je jedna z najviac dôležité otázky moderná fyzika.
5. Slovo gravitácia pochádza z latinského „gravis“, čo znamená „ťažký“.
6. Čím je objekt masívnejší, tým silnejšia je gravitácia. Ak človek, ktorý na Zemi váži 60 kilogramov, váži na Jupiteri, váha ukáže 142 kilogramov.
7. Vedci z NASA sa pokúšajú vyvinúť gravitačný lúč, ktorý umožní bezkontaktný pohyb predmetov, čím prekoná gravitačnú silu.
8. Astronauti na obežnej dráhe tiež zažívajú gravitáciu. Presnejšie povedané, mikrogravitácia. Zdá sa, že nekonečne padajú spolu s loďou, v ktorej sú.
9. Gravitácia vždy priťahuje a nikdy neodpudzuje.
10. Čierna diera veľkosti tenisovej loptičky priťahuje predmety rovnakou silou ako naša planéta.

Teraz poznáte definíciu gravitácie a môžete povedať, aký vzorec sa používa na výpočet sily príťažlivosti. Ak vás žula vedy drží dole ťažšie ako gravitácia, kontaktujte náš študentský servis. Pomôžeme vám ľahko sa učiť pri najväčšom zaťažení!

Gravitácia je „zakrivenie“ priestoru. Čím väčšia je hmotnosť, tým väčšie je „zakrivenie“ priestoru a následne sa do tohto „zakrivenia“ „valia“ ľahšie predmety. Všetky objekty, ktoré sa točia okolo Slnka, sú držané na svojich dráhach gravitáciou. Neplní však len funkcie akéhosi pripútania, ale stal sa aj silou, ktorá tieto objekty vytvorila. Gravitačná sila nedovoľuje planétam vybrať si cestu podľa vlastného výberu a otáčať ich obežné dráhy. Závislosť od tejto sily však klesá exponenciálne – pri dvojnásobnej vzdialenosti je účinok oslabený štvornásobne a trojnásobok vzdialenosti oslabuje silu deväťnásobne.

Newton priamo spájal gravitáciu s gravitáciou. Na teleso pôsobí gravitačná sila, ktorej zdrojom je iné teleso (alebo telesá) a gravitačné pole ako také jednoducho neexistuje. Keďže gravitácia sa týka priamej interakcie telies, je určená zákonom univerzálnej gravitácie. Gravitačné pole má podmienený charakter, potrebný len na výpočty. Pre pozemské podmienky je to celkom prijateľné.

Gravitácia od Einsteina

Gravitačný vplyv opísal Aristoteles. Veril, že rýchlosť pádu objektu závisí od jeho hmotnosti. Ale iba Galileo bol schopný pochopiť, že každé telo má rovnakú hodnotu zrýchlenia. A Einstein rozvinul toto tvrdenie vo svojej teórii relativity, opisujúc gravitáciu konceptom časopriestorovej geometrie.

V klasickom znázornení má sila gravitačnej interakcie dvoch bodov formu závislosti hmotnosti týchto bodov od štvorcovej vzdialenosti medzi nimi. Čím väčšie je teleso, tým väčšie gravitačné pole dokáže vytvoriť.

Hoci gravitácia - interakcia je veľmi slabá, ale jej pôsobenie siaha do akejkoľvek vzdialenosti.

Gravitačná príťažlivosť má univerzálny charakter dopadu na hmotu, neexistujú predmety, ktoré by ju nemali. Einstein predpokladal, že gravitačné účinky nie sú spôsobené silovými účinkami telesa alebo poľa umiestneného v časopriestore, ale zmenami v samotnom časopriestore. To všetko je spôsobené prítomnosťou masovej energie. Podľa Einsteinovej teórie je hmotnosť a energia jedným parametrom telies. Sú spojené známym vzorcom: E = m s² Dve masívne telesá, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, ohýbajú priestor. Ale prečo k tomuto zakriveniu dochádza, Einstein nevedel dať odpoveď. Gravitácia je vďaka svojej globálnej povahe zodpovedná za rozsiahle javy. Sú to štruktúry, rozpínajúci sa vesmír. Ale tiež jednoduché fakty astronómia - obežné dráhy planét, gravitácia, pády telies - sú tiež závislé od gravitácie.

Nebeská mechanika

Táto časť mechaniky študuje pohyb telies umiestnených v prázdnom priestore, na ktoré pôsobí iba gravitácia. Najjednoduchšou úlohou sekcie je zdôvodniť gravitačný vplyv dvoch telies, bodových alebo guľových, v prázdnom priestore. Ak existuje viac telies, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, úloha sa stáva zložitejšou. Numerické riešenie vedie k nestabilite riešení z počiatočné podmienky. To znamená, že jeho aplikovaním na náš planetárny systém nebudeme môcť predpovedať pohyby planét na obdobia presahujúce sto miliónov rokov. Zatiaľ nie je možné opísať dlhodobé správanie systému pozostávajúceho z mnohých priťahujúcich sa telies s podobnou hmotnosťou. Tomu bráni koncept: dynamický chaos.

Gravitačné vlny

Gravitačné vlny sú zmeny v gravitačnom poli, ktoré sa šíria ako vlny. Vyžarujú ich pohybujúce sa hmoty, no po vyžiarení sa od nich odtrhnú a existujú nezávisle od týchto hmôt. Matematicky súvisí s narušením časopriestorovej metriky a možno ju opísať ako "priestoročasové vlnenie". Gravitačné vlny predpovedá všeobecná teória relativity. Prvýkrát ich priamo zachytili v septembri 2015 dva dvojité detektory na observatóriu LIGO, ktoré registrovali gravitačné vlny, pravdepodobne v dôsledku zlúčenia dvoch čiernych dier a vzniku jednej masívnejšej rotujúcej čiernej diery.

gravitón

Keďže je prítomná gravitačná interakcia, musí sa nejako preniesť. V 30. rokoch sa gravitón stal kandidátom na nosiče. Táto častica je stále hypotetická, ale mala by mať spin 2 a dva možné smery polarizácie. Niektorí fyzici existenciu tejto častice tvrdohlavo odmietajú. Navrhujú: ak existujú gravitóny, potom by ich mali vyžarovať čierne diery a to odporuje všeobecnej teórii relativity. Ale pokusy o rozšírenie štandardného modelu o takéto častice sú spojené so skutočnými ťažkosťami vo vysokoenergetickej oblasti. Niektoré z rozvíjaných teórií kvantovej gravitácie sú založené na riešení tohto problému. Podľa svojej polohy sú gravitóny stavom strún a v žiadnom prípade nie bodové častice. Ale ich nízke energie sú stále klasifikované ako bodové častice. Doteraz neboli gravitóny objavené, pretože ich gravitačné vplyvy sú nezvyčajne slabé.

kvantová gravitácia

Univerzálna kvantová teória, ktorá by vysvetlila samotný pojem gravitácie, ešte nebola vyvinutá. Na znázornenie gravitačnej interakcie by bolo možné navrhnúť gravitónovú výmenu, v ktorej gravitóny pôsobia ako kalibračné bozóny so spinom 2. Takáto teória sa však nepovažuje za uspokojivú. Zapnuté existujúci čas Existuje niekoľko prístupov, ktoré umožňujú kvantovanie gravitácie. Tieto prístupy sa považujú za celkom sľubné.

• Teória strún. Nahrádza častice časopriestorového pozadia s a bránami (podobne ako struny). Na vyriešenie viacrozmerných problémov sa brány považujú za častice už viacrozmerné, no zároveň sú to štruktúry časopriestoru. Gravitóny sa tu stávajú stavom strún, nie jednotlivými časticami. Aj keď ich nízke energie medzi ne patria.
• Slučková kvantová gravitácia. Čas a priestor sú tu oddelené časti. Nie sú viazané na pozadie časopriestoru, keďže ide o bunky kvantového priestoru. Sú navzájom prepojené tak, že na malých časových mierkach pôsobia ako diskrétna štruktúra priestoru. Keď sa mierka zväčší, časti sa plynule stanú spojitým časopriestorom. Slučková gravitácia je schopná opísať podstatu Veľkého tresku, ako aj osvetliť jeho prah. Dokonca vám to umožňuje robiť bez zapojenia.

Silné gravitačné polia

Vo veľmi silných gravitačných poliach sa môžu prejaviť niektoré efekty GR:

• gravitačný zákon sa odchyľuje od newtonovského
• objavujú sa gravitačné vlny
• existujú nelineárne efekty
• viditeľný časopriestor mení svoju geometriu
• je možný výskyt singularít a zrodenie čiernych dier.

Ale k takýmto prejavom môže dôjsť len vtedy, ak má gravitácia nekonečne veľkú silu. Doteraz boli zistené najhustejšie objekty vo vesmíre. V jednej z mnohých teórií sa gravitačné pole považuje za základ pre akékoľvek pole - magnetické, elektrické, gluónové. V tomto prípade sa gravitóny stávajú základnými prvkami hmoty. Čierna diera je gravitónová, kde sú gravitáciou zničené úplne všetky elementárne častice, okrem gravitónov. A je tu len jedna vlastnosť – gravitácia.

Gravitačný kolaps

Keď sa masívne teleso, ktoré zažíva gravitačné sily, katastrofálne rýchlo zmrští, zrúti sa. Takže život hviezdy s hmotnosťou väčšou ako tri hmotnosti Slnka môže skončiť. Keď sa hviezdam minie palivo na pokračovanie termonukleárneho procesu, ich mechanická stabilita je narušená a dochádza k rýchlemu, so zrýchlením, stláčaniu smerom k centrálnej časti. Ak tlak vo vnútri hviezdy, ktorý neustále rastie, dokáže zastaviť kompresiu, potom sa centrálna časť hviezdy zmení na neutrónovú hviezdu. V tomto prípade sa škrupina odhodí a vzplanie supernova. Keď však hviezda prekročí hmotnosť určenú Oppenheimer-Volkovovým limitom, kolaps sa skončí jej premenou na čiernu dieru. Hodnota tohto limitu ešte nebola presne stanovená.

Niektoré paradoxy

1. Satelit obiehajúci okolo Zeme je vo vzťahu k planéte beztiažový. A všetko, čo je v ňom, je tiež beztiaže. , relatívne, je opäť beztiažový, ale telesá na jeho povrchu už váhu majú. Rovnako je to aj so Zemou. Je relatívne beztiažový, no cítime na ňom váhu. Slnko je tiež v beztiažovom stave vzhľadom na galaktické jadro. A tak - do nekonečna.
2. Vo hviezdach sa v procese termonukleárnych reakcií vytvára obrovský tlak. Ale zadržiavajú ho gravitačné sily. To znamená, že existencia hviezdy je možná, pretože existuje dynamická rovnováha: teplota-tlak - gravitačné sily.
3. V čiernej diere sa zastavia všetky procesy, okrem jedného – gravitácie. Nič to nemôže prehltnúť ani skresliť.

Napriek tomu, že gravitácia je najslabšou interakciou medzi objektmi vo vesmíre, jej význam vo fyzike a astronómii je obrovský, pretože je schopná ovplyvňovať fyzické objekty v akejkoľvek vzdialenosti vo vesmíre.

Ak máte radi astronómiu, pravdepodobne ste sa zamysleli nad otázkou, čo je taký pojem ako gravitácia alebo zákon univerzálnej gravitácie. Gravitácia je univerzálna základná interakcia medzi všetkými objektmi vo vesmíre.

Objav gravitačného zákona sa pripisuje slávnemu anglickému fyzikovi Isaacovi Newtonovi. Pravdepodobne mnohí z vás poznajú príbeh jablka, ktoré padlo na hlavu slávneho vedca. Ak sa však pozriete hlboko do histórie, môžete vidieť, že o prítomnosti gravitácie dlho pred jeho érou uvažovali filozofi a vedci staroveku, napríklad Epikuros. Napriek tomu to bol Newton, kto ako prvý opísal gravitačnú interakciu medzi fyzickými telesami v rámci klasickej mechaniky. Jeho teóriu rozpracoval ďalší slávny vedec – Albert Einstein, ktorý vo svojom všeobecná teória relativita presnejšie opísala vplyv gravitácie vo vesmíre, ako aj jej úlohu v časopriestorovom kontinuu.

Newtonov zákon univerzálnej gravitácie hovorí, že sila gravitačnej príťažlivosti medzi dvoma hmotnými bodmi oddelenými vzdialenosťou je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti a priamo úmerná obom hmotám. Gravitačná sila má veľký dosah. To znamená, že bez ohľadu na to, ako sa teleso s hmotnosťou pohybuje, v klasickej mechanike bude jeho gravitačný potenciál závisieť čisto od polohy tohto objektu v danom časovom okamihu. Čím väčšia je hmotnosť objektu, tým väčšie je jeho gravitačné pole - tým silnejšia je gravitačná sila. Vesmírne objekty ako galaxie, hviezdy a planéty majú najväčšia sila príťažlivosť a podľa toho dostatočne silné gravitačné polia.

Gravitačné polia

Gravitačné pole Zeme

Gravitačné pole je vzdialenosť, v ktorej prebieha gravitačná interakcia medzi objektmi vo vesmíre. Čím väčšia je hmotnosť objektu, tým silnejšie je jeho gravitačné pole – tým je jeho vplyv na iné fyzické telá v určitom priestore zreteľnejší. Gravitačné pole objektu je potenciálne. Podstatou predchádzajúceho tvrdenia je, že ak zavedieme potenciálnu energiu príťažlivosti medzi dve telesá, potom sa nezmení potom, čo sa telesá budú pohybovať po uzavretom obryse. Odtiaľto vychádza ďalší známy zákon zachovania súčtu potenciálnej a kinetickej energie v uzavretom okruhu.

V hmotnom svete má veľký význam gravitačné pole. Vlastnia ho všetky hmotné objekty vo vesmíre, ktoré majú hmotnosť. Gravitačné pole môže ovplyvňovať nielen hmotu, ale aj energiu. Vplyvom gravitačných polí takých veľkých vesmírnych objektov, akými sú čierne diery, kvazary a supermasívne hviezdy, vznikajú slnečné sústavy, galaxie a iné astronomické zhluky, ktoré sa vyznačujú logickou štruktúrou.

Najnovšie vedecké údaje ukazujú, že slávny efekt rozpínania vesmíru je založený aj na zákonoch gravitačnej interakcie. Rozšírenie vesmíru je uľahčené najmä silnými gravitačnými poľami, a to tak malými, ako aj jeho najväčšími objektmi.

Gravitačné žiarenie v binárnom systéme

Gravitačné žiarenie alebo gravitačná vlna je termín, ktorý prvýkrát zaviedol do fyziky a kozmológie slávny vedec Albert Einstein. Gravitačné žiarenie v teórii gravitácie vzniká pohybom hmotných objektov s premenlivým zrýchlením. Počas zrýchlenia objektu sa gravitačná vlna od neho akoby „odtrhne“, čo vedie k kolísaniu gravitačného poľa v okolitom priestore. Toto sa nazýva efekt gravitačných vĺn.

Hoci gravitačné vlny predpovedá Einsteinova všeobecná teória relativity, ako aj iné teórie gravitácie, nikdy neboli priamo detekované. Je to spôsobené predovšetkým ich extrémnou malosťou. V astronómii však existujú nepriame dôkazy, ktoré môžu tento efekt potvrdiť. Účinok gravitačnej vlny je teda možné pozorovať na príklade priblíženia dvojité hviezdy. Pozorovania potvrdzujú, že rýchlosť približovania sa dvojhviezd do určitej miery závisí od straty energie týchto vesmírnych objektov, ktorá sa pravdepodobne vynakladá na gravitačné žiarenie. Túto hypotézu budú môcť vedci v blízkej budúcnosti spoľahlivo potvrdiť pomocou novej generácie ďalekohľadov Advanced LIGO a VIRGO.

V modernej fyzike existujú dva koncepty mechaniky: klasická a kvantová. Kvantová mechanika bola odvodená relatívne nedávno a zásadne sa líši od klasickej mechaniky. V kvantovej mechanike nemajú objekty (kvantá) žiadne konkrétne polohy a rýchlosti, všetko je tu založené na pravdepodobnosti. To znamená, že objekt môže v určitom časovom bode zaberať určité miesto v priestore. Nedá sa spoľahlivo určiť, kam sa bude ďalej pohybovať, ale len s vysokou mierou pravdepodobnosti.

Zaujímavým účinkom gravitácie je, že môže ohýbať časopriestorové kontinuum. Einsteinova teória hovorí, že v priestore okolo zväzku energie alebo akejkoľvek materiálnej látky je časopriestor zakrivený. V súlade s tým sa mení trajektória častíc, ktoré spadajú pod vplyvom gravitačného poľa tejto látky, čo umožňuje predpovedať trajektóriu ich pohybu s vysokou mierou pravdepodobnosti.

Teórie gravitácie

Dnes vedci poznajú viac ako tucet rôznych teórií gravitácie. Delia sa na klasické a alternatívne teórie. Najznámejším predstaviteľom prvej z nich je klasická teória gravitácie od Isaaca Newtona, ktorú vynašiel slávny britský fyzik už v roku 1666. Jeho podstata spočíva v tom, že masívne teleso v mechanike generuje okolo seba gravitačné pole, ktoré k sebe priťahuje menšie predmety. Tie majú zase gravitačné pole, ako všetky ostatné hmotné objekty vo vesmíre.

Ďalšia populárna teória gravitácie bola vynájdená svetoznámym nemeckým vedcom Albertom Einsteinom na začiatku 20. storočia. Einsteinovi sa podarilo presnejšie popísať gravitáciu ako jav a tiež vysvetliť jej pôsobenie nielen v klasickej mechanike, ale aj v kvantovom svete. Jeho všeobecná teória relativity popisuje schopnosť takej sily, akou je gravitácia, ovplyvňovať časopriestorové kontinuum, ako aj trajektóriu elementárnych častíc v priestore.

Spomedzi alternatívnych teórií gravitácie patrí relativistická teória, ktorú vynašiel náš krajan, slávny fyzik A.A. Logunov. Na rozdiel od Einsteina Logunov tvrdil, že gravitácia nie je geometrické, ale skutočné, pomerne silné fyzikálne silové pole. Z alternatívnych teórií gravitácie sú známe aj skalárne, bimetrické, kvázilineárne a iné.

1. Pre ľudí, ktorí boli vo vesmíre a vrátili sa na Zem, je spočiatku dosť ťažké zvyknúť si na silu gravitačného vplyvu našej planéty. Niekedy to trvá aj niekoľko týždňov.
2. Dokázal to Ľudské telo v stave beztiaže môže stratiť až 1% hmoty kostnej drene za mesiac.
3. Spomedzi planét má Mars najmenšiu príťažlivú silu v slnečnej sústave a Jupiter najväčšiu.
4. Známe baktérie salmonely, ktoré spôsobujú črevné ochorenia, sú v stave beztiaže aktívnejšie a môžu spôsobiť Ľudské telo oveľa viac škody.
5. Zo všetkých známych astronomických objektov vo vesmíre majú čierne diery najväčšiu gravitačnú silu. Čierna diera veľkosti golfovej loptičky by mohla mať rovnakú gravitačnú silu ako celá naša planéta.
6. Gravitačná sila na Zemi nie je vo všetkých kútoch našej planéty rovnaká. Napríklad v oblasti Hudsonovho zálivu v Kanade je nižšia ako v iných regiónoch zemegule.

Don DeYoung

Gravitácia (alebo gravitácia) nás drží pevne na zemi a umožňuje Zemi otáčať sa okolo Slnka. Vďaka tejto neviditeľnej sile dážď padá na zem a hladina vody v oceáne každým dňom stúpa a klesá. Gravitácia udržuje Zem v guľovom tvare a tiež bráni našej atmosfére uniknúť do vesmíru. Zdalo by sa, že táto sila príťažlivosti, pozorovaná každý deň, by mala byť vedcami dobre preštudovaná. Ale nie! V mnohých ohľadoch zostáva gravitácia najhlbším tajomstvom vedy. Táto tajomná sila je nádherným príkladom toho, aké obmedzené sú moderné vedecké poznatky.

Čo je gravitácia?

Isaac Newton sa o túto problematiku zaujímal už v roku 1686 a dospel k záveru, že gravitácia je príťažlivá sila, ktorá existuje medzi všetkými objektmi. Uvedomil si, že rovnaká sila, ktorá spôsobuje pád jablka na zem, je aj na jeho obežnej dráhe. V skutočnosti gravitačná sila Zeme spôsobuje, že sa Mesiac počas svojej rotácie okolo Zeme každú sekundu odchýli od svojej priamej dráhy približne o jeden milimeter (obrázok 1). Newtonov univerzálny gravitačný zákon je jedným z najväčších vedeckých objavov všetkých čias.

Gravitácia je „reťazec“, ktorý udržuje predmety na obežnej dráhe

Obrázok 1. Ilustrácia obežnej dráhy Mesiaca nie je nakreslená v mierke. Za každú sekundu sa Mesiac posunie o 1 km. Na tejto vzdialenosti sa odchýli od priamej dráhy asi o 1 mm - je to spôsobené gravitačnou silou Zeme (prerušovaná čiara). Zdá sa, že Mesiac neustále zaostáva za (alebo okolo) Zeme, rovnako ako padajú aj planéty okolo Slnka.

Gravitácia je jednou zo štyroch základných prírodných síl (tabuľka 1). Všimnite si, že zo štyroch síl je táto sila najslabšia a napriek tomu je dominantná v porovnaní s veľkými vesmírnymi objektmi. Ako ukázal Newton, príťažlivá gravitačná sila medzi akýmikoľvek dvoma hmotami sa zmenšuje a zmenšuje, čím sa vzdialenosť medzi nimi zväčšuje, ale nikdy úplne nedosiahne nulu (pozri Návrh gravitácie).

Preto každá častica v celom vesmíre v skutočnosti priťahuje všetky ostatné častice. Na rozdiel od síl slabých a silných jadrových síl je sila príťažlivosti ďalekonosná (tabuľka 1). Magnetické a elektrické interakčné sily sú tiež sily s dlhým dosahom, ale gravitácia je jedinečná v tom, že má veľký dosah a je vždy príťažlivá, čo znamená, že sa nikdy nemôže vyčerpať (na rozdiel od elektromagnetizmu, v ktorom sa sily môžu priťahovať alebo odpudzovať).

Počnúc veľkým kreacionistickým vedcom Michaelom Faradayom v roku 1849 fyzici neustále hľadali skryté spojenie medzi silou gravitácie a silou elektromagnetickej sily. V súčasnosti sa vedci pokúšajú spojiť všetky štyri základné sily do jednej rovnice alebo takzvanej "teórie všetkého", ale neúspešne! Gravitácia zostáva najzáhadnejšou a najmenej pochopenou silou.

Gravitáciu nemožno nijako tieniť. Bez ohľadu na zloženie bariéry to nemá žiadny vplyv na príťažlivosť medzi dvoma oddelenými objektmi. To znamená, že v laboratóriu nie je možné vytvoriť antigravitačnú komoru. Gravitačná sila nezávisí od chemické zloženie objektov, ale závisí od ich hmotnosti, ktorá je nám známa ako hmotnosť (sila gravitácie na objekt sa rovná hmotnosti tohto objektu – čím väčšia je hmotnosť, tým väčšia je sila alebo hmotnosť.) Bloky vyrobené zo skla, olova, ľadu alebo dokonca polystyrénu, ktoré majú rovnakú hmotnosť, zažijú (a vyvinú) rovnakú gravitačnú silu. Tieto údaje boli získané počas experimentov a vedci stále nevedia, ako ich možno teoreticky vysvetliť.

Dizajn v gravitácii

Silu F medzi dvoma hmotnosťami m 1 a m 2 umiestnenými vo vzdialenosti r možno zapísať ako vzorec F = (G m 1 m 2) / r 2

Kde G je gravitačná konštanta, prvýkrát ju zmeral Henry Cavendish v roku 1798.1

Táto rovnica ukazuje, že gravitácia klesá, keď sa vzdialenosť r medzi dvoma objektmi zväčšuje, ale nikdy úplne nedosiahne nulu.

Inverzná povaha tejto rovnice je jednoducho úchvatná. Koniec koncov, neexistuje žiadny nevyhnutný dôvod, prečo by gravitácia mala pôsobiť týmto spôsobom. V neusporiadanom, náhodnom a vyvíjajúcom sa vesmíre sa pravdepodobnejšie zdajú ľubovoľné mocniny ako r 1,97 alebo r 2,3. Presné merania však ukázali presnú mocninu najmenej na päť desatinných miest, 2,00 000. Ako povedal jeden výskumník, zdá sa, že tento výsledok "príliš presné".2 Môžeme konštatovať, že sila príťažlivosti naznačuje presný, vytvorený dizajn. V skutočnosti, ak by sa stupeň čo i len mierne odchýlil od 2, obežné dráhy planét a celého vesmíru by sa stali nestabilnými.

Odkazy a poznámky

1. Technicky povedané, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
2. Thompsen, D., "Veľmi presné o gravitácii", vedecké novinky 118(1):13, 1980.

Čo je teda vlastne gravitácia? Ako je táto sila schopná pôsobiť v takom obrovskom prázdnom vesmíre? A prečo vôbec existuje? Veda nikdy nedokázala odpovedať na tieto základné otázky o zákonoch prírody. Sila príťažlivosti nemôže prísť pomaly cez mutáciu alebo prirodzený výber. Je aktívna od samého začiatku existencie vesmíru. Ako každý iný fyzikálny zákon, aj gravitácia je nepochybne úžasným dôkazom plánovaného stvorenia.

Niektorí vedci sa pokúšali vysvetliť gravitáciu pomocou neviditeľných častíc, gravitónov, ktoré sa pohybujú medzi objektmi. Iní hovorili o kozmických strunách a gravitačných vlnách. Nedávno sa vedcom s pomocou špeciálne vytvoreného laboratória LIGO (angl. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) podarilo len vidieť vplyv gravitačných vĺn. Ale povaha týchto vĺn, ako fyzicky interagujú objekty na veľké vzdialenosti a menia svoj tvar, stále zostáva veľkou otázkou pre každého. Jednoducho nevieme, aký je pôvod gravitačnej sily a ako drží stabilitu celého vesmíru.

Gravitácia a Písmo

Dve pasáže z Biblie nám môžu pomôcť pochopiť podstatu gravitácie a fyzikálnej vedy vo všeobecnosti. Prvá pasáž, Kolosanom 1:17, vysvetľuje, že Kristus "Je tu predovšetkým a všetko mu stojí za to". Grécke sloveso stojí (συνισταω sunistao) znamená: držať sa, držať alebo držať pohromade. Grécke použitie tohto slova mimo Biblie znamená nádoba obsahujúca vodu. Slovo použité v knihe Kolosanom je v dokonalom čase, ktorý zvyčajne označuje súčasný prebiehajúci stav, ktorý vznikol z dokončenej minulej činnosti. Jedným zo spomínaných fyzikálnych mechanizmov je očividne sila príťažlivosti, ustanovená Stvoriteľom a dnes neomylne udržiavaná. Len si to predstavte: ak by sila gravitácie na chvíľu prestala pôsobiť, nepochybne by nastal chaos. Všetky nebeské telesá vrátane Zeme, Mesiaca a hviezd by už neboli držané pohromade. Celá tá hodina by bola rozdelená na samostatné, malé časti.

Druhé Písmo, Hebrejom 1:3, vyhlasuje, že Kristus "drží všetko slovom svojej moci." Slovo uchováva (φερω pherō) opäť popisuje údržbu alebo konzerváciu všetkého, vrátane gravitácie. Slovo uchováva použitý v tomto verši znamená oveľa viac než len držanie závažia. Zahŕňa kontrolu nad všetkými prebiehajúcimi pohybmi a zmenami vo vesmíre. Táto nekonečná úloha sa uskutočňuje prostredníctvom všemohúceho Slova Pána, prostredníctvom ktorého vznikol samotný vesmír. Gravitácia, „tajomná sila“, ktorá zostáva zle pochopená aj po štyristo rokoch výskumu, je jedným z prejavov tejto úžasnej božskej starostlivosti o vesmír.

Skreslenie času a priestoru a čierne diery

Einsteinova všeobecná teória relativity nepovažuje gravitáciu za silu, ale za zakrivenie samotného priestoru v blízkosti masívneho objektu. Svetlo, ktoré tradične sleduje priame čiary, sa pri prechode zakriveným priestorom ohýba. Prvýkrát to bolo preukázané, keď astronóm Sir Arthur Eddington objavil zmenu zdanlivej polohy hviezdy počas úplné zatmenie v roku 1919 za predpokladu, že lúče svetla sú ohýbané gravitáciou slnka.

Všeobecná relativita tiež predpovedá, že ak je teleso dostatočne husté, jeho gravitácia zdeformuje priestor natoľko, že svetlo ním nemôže vôbec prejsť. Takéto teleso pohlcuje svetlo a všetko ostatné, čo zachytila ​​jeho silná gravitácia, a nazýva sa Čierna diera. Takéto teleso sa dá zistiť iba jeho gravitačnými účinkami na iné objekty, silným zakrivením svetla okolo neho a silným žiarením, ktoré vyžaruje hmota, ktorá naň dopadá.

Všetka hmota vo vnútri čiernej diery je stlačená v strede, ktorá má nekonečnú hustotu. "Veľkosť" diery je určená horizontom udalostí, t.j. hranicu, ktorá obklopuje stred čiernej diery, a nič (ani svetlo) z nej nemôže uniknúť. Polomer diery sa nazýva Schwarzschildov polomer podľa nemeckého astronóma Karla Schwarzschilda (1873–1916) a vypočíta sa ako R S = 2GM/c 2 , kde c je rýchlosť svetla vo vákuu. Ak by Slnko spadlo do čiernej diery, jeho Schwarzschildov polomer by bol len 3 km.

Existujú spoľahlivé dôkazy o tom, že akonáhle dôjde jadrové palivo masívnej hviezdy, už nedokáže odolávať kolapsu pod vlastnou obrovskou váhou a spadne do čiernej diery. Predpokladá sa, že čierne diery s hmotnosťou miliárd sĺnk existujú v centrách galaxií, vrátane našej galaxie, Mliečnej dráhy. Mnoho vedcov verí, že superjasné a veľmi vzdialené objekty nazývané kvazary využívajú energiu, ktorá sa uvoľňuje, keď hmota spadne do čiernej diery.

Podľa predpovedí všeobecnej teórie relativity skresľuje čas aj gravitácia. Potvrdili to aj veľmi presné atómové hodiny, ktoré na hladine mora bežia o niekoľko mikrosekúnd pomalšie ako v oblastiach nad hladinou mora, kde je zemská gravitácia o niečo slabšia. V blízkosti horizontu udalostí je tento jav zreteľnejší. Ak budeme sledovať hodiny astronauta, ktorý sa blíži k horizontu udalostí, uvidíme, že hodiny bežia pomalšie. V horizonte udalostí sa hodiny zastavia, ale my to nikdy neuvidíme. A naopak, astronaut si nevšimne, že jeho hodiny bežia pomalšie, ale uvidí, že naše hodiny bežia rýchlejšie a rýchlejšie.

Hlavným nebezpečenstvom pre astronauta v blízkosti čiernej diery by boli slapové sily, spôsobené tým, že gravitácia je silnejšia na častiach tela, ktoré sú bližšie k čiernej diere, ako na častiach ďalej od nej. Pokiaľ ide o ich silu, slapové sily v blízkosti čiernej diery, ktorá má hmotnosť hviezdy, sú silnejšie ako akýkoľvek hurikán a ľahko roztrhajú na malé kúsky všetko, čo na ne príde. Kým však gravitačná príťažlivosť klesá s druhou mocninou vzdialenosti (1/r 2), slapová aktivita klesá s druhou mocninou vzdialenosti (1/r 3). Preto, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, gravitačná sila (vrátane slapovej sily) je v horizonte udalostí veľkých čiernych dier slabšia ako na malých čiernych dierach. Takže slapové sily na horizonte udalostí čiernej diery v pozorovateľnom priestore by boli menej viditeľné ako ten najjemnejší vánok.

Dilatácia času gravitáciou v blízkosti horizontu udalostí je základom nového kozmologického modelu vytvoreného fyzikom stvorenia Dr. Russellom Humphriesom, o ktorom hovorí vo svojej knihe Starlight and Time. Tento model môže pomôcť vyriešiť problém, ako môžeme vidieť svetlo vzdialených hviezd v mladom vesmíre. Dnes je to navyše vedecká alternatíva tej nebiblickej, ktorá je založená na filozofických predpokladoch, ktoré presahujú rámec vedy.

Poznámka

Gravitácia, „tajomná sila“, ktorá aj po štyristo rokoch výskumu zostáva málo pochopená...

Isaac Newton (1642 – 1727)

Foto: Wikipedia.org

Isaac Newton (1642 – 1727)

Isaac Newton publikoval svoje objavy o gravitácii a pohybe nebeských telies v roku 1687 vo svojom slávnom diele " Matematické začiatky". Niektorí čitatelia rýchlo dospeli k záveru, že v Newtonovom vesmíre nezostalo miesto pre Boha, pretože všetko sa teraz dá vysvetliť rovnicami. Ale Newton si to vôbec nemyslel, ako povedal v druhom vydaní tohto slávneho diela:

„Naša najkrajšia slnečná sústava, planéty a kométy môžu byť len výsledkom plánu a nadvlády inteligentnej a silnej bytosti.

Isaac Newton nebol len vedec. Okrem vedy sa takmer celý život venoval štúdiu Biblie. Jeho obľúbené biblické knihy boli Daniel a Zjavenie, ktoré opisujú Božie plány do budúcnosti. V skutočnosti Newton napísal viac teologických prác ako vedeckých.

Newton rešpektoval iných vedcov ako Galileo Galilei. Mimochodom, Newton sa narodil v tom istom roku, keď zomrel Galileo, v roku 1642. Newton vo svojom liste napísal: „Ak som videl ďalej ako ostatní, bolo to preto, že som stál ramená obri“. Krátko pred svojou smrťou, pravdepodobne uvažujúc o tajomstve gravitácie, Newton skromne napísal: „Neviem, ako ma vníma svet, ale mne sa zdá, že som len chlapec hrajúci sa na brehu mora, ktorý sa občas zabáva tým, že hľadá kamienok, ktorý je farebnejší ako ostatní, alebo krásnu mušľu, zatiaľ čo sa predo mnou rozprestiera obrovský oceán nepreskúmanej pravdy.“

Newton je pochovaný vo Westminsterskom opátstve. Latinský nápis na jeho hrobe končí slovami: "Nech sa smrteľníci radujú, že medzi nimi žila taká ozdoba ľudskej rasy".

Pravdepodobne ste už počuli, že gravitácia nie je sila. A je to pravda. Táto pravda však zanecháva veľa otázok. Napríklad zvyčajne hovoríme, že gravitácia „ťahá“ predmety. Na hodine fyziky nás učili, že gravitácia ťahá predmety smerom k stredu Zeme. Ale ako je to možné? Ako je možné, že gravitácia nie je silou, ale stále priťahuje predmety?

V prvom rade musíte pochopiť, že správny výraz je „zrýchlenie“ a nie „príťažlivosť“. Gravitácia v skutočnosti objekty vôbec nepriťahuje, deformuje časopriestorový systém (systém, ktorým žijeme), objekty sledujú vlny vznikajúce v dôsledku deformácie a niekedy sa môžu zrýchliť.

Vďaka Albertovi Einsteinovi a jeho teórii relativity vieme, že časopriestor sa mení s energiou. A najdôležitejšou časťou tejto rovnice je hmotnosť. Masová energia objektu spôsobuje zmenu časopriestoru. Hmota ohýba časopriestor a výsledné ohyby usmerňujú energiu. Je teda presnejšie uvažovať o gravitácii nie ako o sile, ale ako o zakrivení časopriestoru. Tak ako sa pod bowlingovou guľou krúti gumená podlaha, tak je časopriestor deformovaný masívnymi predmetmi.

Rovnako ako auto jazdí po ceste s rôznymi zákrutami a zákrutami, predmety sa pohybujú po podobných zákrutách a krivkách v priestore a čase. A rovnako ako auto zrýchľuje z kopca, masívne objekty vytvárajú extrémne krivky v priestore a čase. Gravitácia je schopná poháňať predmety, keď vstupujú do hlbokých gravitačných studní. Táto cesta, ktorú objekty sledujú cez časopriestor, sa nazýva „geodetická trajektória“.

Aby ste lepšie pochopili, ako funguje gravitácia a ako môže urýchľovať objekty, zvážte vzájomnú polohu Zeme a Mesiaca. Zem je pomerne masívny objekt, aspoň v porovnaní s Mesiacom, a naša planéta spôsobuje ohýbanie časopriestoru. Mesiac obieha okolo Zeme v dôsledku deformácií v priestore a čase, ktoré sú spôsobené hmotnosťou planéty. Mesiac teda jednoducho cestuje po výslednom ohybe časopriestoru, ktorý nazývame obežná dráha. Mesiac necíti žiadnu silu pôsobiacu naň, jednoducho sleduje určitú cestu, ktorá vznikla.