Gravity on maailmankaikkeuden voimakkain voima, yksi maailmankaikkeuden neljästä perusperustasta, joka määrittää sen rakenteen. Kerran hänen ansiostaan syntyivät planeetat, tähdet ja kokonaiset galaksit. Tänään se pitää maapallon kiertoradalla sen loputtomalla matkalla auringon ympäri.
Nähtävyys on erittäin tärkeä ihmisen jokapäiväiseen elämään. Tämän näkymättömän voiman ansiosta maailman valtameret sykkivät, jokien virtaus, sadepisarat putoavat maahan. Lapsuudesta lähtien tunnemme kehomme ja ympäröivien esineiden painon. Painovoiman vaikutus taloudelliseen toimintaamme on valtava.
Ensimmäinen gravitaatioteoria perusti Isaac Newton XVII-luvun lopulla. Hänen maailmanlaajuinen lainsa kuvaa tätä vuorovaikutusta klassisen mekaniikan puitteissa. Laajemmin tätä ilmiötä kuvaili Einstein hänen yleisessä suhteellisuusteoriassaan, joka julkaistiin viime vuosisadan alussa. Elementaaristen hiukkasten voimalla esiintyvien prosessien pitäisi selittää painovoiman kvanttiteoria, mutta sitä ei ole vielä luotu.
Tänään tiedämme painovoiman luonteesta paljon enemmän kuin Newtonin aikaan, mutta vuosisatoja kestäneestä tutkimuksesta huolimatta se on edelleen nykyaikaisen fysiikan todellinen kompastuskivi. Olemassa olevassa gravitaatioteoriassa on paljon valkoisia täpliä, emmekä vieläkään ymmärrä, mikä se aiheuttaa, ja miten tämä vuorovaikutus siirretään. Ja tietysti olemme hyvin kaukana siitä, että pystymme hallitsemaan painovoimaa, niin että anti-gravitaatio tai levitaatio on olemassa pitkään vain scifi-romaanien sivuilla.
Mikä laski Newtonin päähän?
Ihmiset ajattelivat voiman luonnetta, joka houkuttelee koko ajan esineitä maahan, mutta Isaac Newton pystyi nostamaan salaisuuden verhon vain 1700-luvulla. Hänen läpimurtoonsa perustuivat Keplerin ja Galileon - loistavien tutkijoiden, jotka tutkivat taivaankappaleiden liikkeitä, teokset.
Toinen puolitoista vuosisata ennen Newtonin maailman lakia Puolan tähtitieteilijä Copernicus uskoi, että vetovoima on "... ei vain luonnollinen taipumus, jolla maailmankaikkeuden isä lahjoitti kaikki hiukkaset, eli yhdistää yhteen kokonaisuuteen, muodostaen pallomaisia kappaleita". Descartes katsoi vetovoiman maailman eetterin häiriöiden seurauksena. Kreikan filosofi ja tutkija Aristoteles oli vakuuttunut siitä, että massa vaikuttaa putoavien kappaleiden nopeuteen. Ja vain Galileo Galilei osoitti, että tämä ei ole totta: jos ilmanvastusta ei ole, kaikki esineet kiihdytetään samalla tavalla.
Toisin kuin yhteinen legenda päästä ja omenasta, Newton meni ymmärtämään painovoiman luonnetta yli kaksikymmentä vuotta. Hänen gravitaatiolaki on yksi merkittävimmistä tieteellisistä löydöistä kaikkien aikojen ja kansojen kohdalla. Se on yleismaailmallinen ja voit laskea taivaankappaleiden polkuja ja kuvailee tarkasti ympärillämme olevien kohteiden käyttäytymistä. Klassinen taivaan teoria antoi taivaallisen mekaniikan perustan. Newtonin kolme lakia antoivat tutkijoille mahdollisuuden tutustua uusiin planeettoihin kirjaimellisesti "kynän kärjessä", kunhan heille heidän ansiostaan ihminen pystyi voittamaan maan painovoiman ja lentämään avaruuteen. He toivat tiukan tieteellisen perustan maailmankaikkeuden aineellisen yhtenäisyyden filosofiseen käsitteeseen, jossa kaikki luonnolliset ilmiöt liittyvät toisiinsa ja hallitaan yleisten fyysisten sääntöjen avulla.
Newton ei vain julkaissut kaavaa laskemaan voimaa, joka houkuttelee kehoja toisiinsa, hän loi täydellisen mallin, joka sisälsi myös matemaattisen analyysin. Nämä teoreettiset johtopäätökset on toistuvasti vahvistettu käytännössä, mukaan lukien nykyaikaisimmat menetelmät.
Newtonin teoriassa mikä tahansa materiaaliobjekti tuottaa vetovoiman, jota kutsutaan gravitaatioksi. Lisäksi voima on verrannollinen molempien kappaleiden massaan ja kääntäen verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen:
F = (G m1 m2) / r2
G on gravitaatiovakio, joka on 6,67 × 10–11 m³ / (kg · s²). Hän pystyi ensin laskemaan Henry Cavendishin vuonna 1798.
Jokapäiväisessä elämässä ja soveltuvilla tieteenaloilla sitä voimaa, jolla maa houkuttelee kehoa, kutsutaan sen painoksi. Kaikkien kahden aineellisen objektin vetovoima Universumissa on, mitä painovoima on yksinkertaisissa sanoissa.
Vetovoima on fysiikan neljästä olennaisesta vuorovaikutuksesta heikoin, mutta sen ominaisuuksien ansiosta se pystyy säätelemään tähtijärjestelmien ja galaksien liikettä:
- Vetovoima toimii millä tahansa etäisyydellä, tämä on tärkein ero painovoiman ja vahvojen ja heikojen ydininteraktioiden välillä. Etäisyyden kasvaessa sen toiminta pienenee, mutta se ei koskaan tule nollaksi, joten voimme sanoa, että jopa kahdella atomilla eri galaksin päissä on molemminpuolinen vaikutus. Se on vain hyvin pieni;
- Gravity on yleinen. Vetovoima on luonteeltaan olennainen mihin tahansa aineelliseen kehoon. Tiedemiehet eivät ole vielä löytäneet planeetallamme tai avaruudessa sellaista kohdetta, joka ei osallistu tämäntyyppiseen vuorovaikutukseen, joten painovoiman rooli maailmankaikkeuden elämässä on valtava. Tämä eroaa sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta, jonka vaikutus avaruusprosesseihin on minimaalinen, koska luonnossa useimmat ruumiit ovat sähköisesti neutraaleja. Gravitaatiovoimia ei voida rajoittaa tai seuloa;
- Se toimii paitsi aineella, myös energialla. Hänelle esineiden kemiallinen koostumus ei ole väliä, vain niiden massalla on rooli.
Newtonin kaavan avulla vetovoima voidaan laskea helposti. Esimerkiksi kuun painovoima on useita kertoja pienempi kuin maan päällä, koska satelliitilla on suhteellisen pieni massa. Mutta riittää, että valtamerissä muodostuu säännöllisiä ebbseja ja virtoja. Maan päällä vapaan pudotuksen kiihtyminen on noin 9,81 m / s2. Ja pylväissä se on hieman suurempi kuin päiväntasaajalla.
Huolimatta tieteen valtavasta kehityksestä, Newtonin laeilla oli useita heikkoja kohtia, jotka eivät antaneet tutkijoille lepoa. Ei ollut selvää, miten painovoima toimii täysin tyhjän tilan kautta valtavilla etäisyyksillä ja käsittämättömällä nopeudella. Lisäksi tiedot alkoivat vähitellen kerääntyä, mikä on ristiriidassa Newtonin lakien kanssa: esimerkiksi gravitaatioparamoksi tai elohopean perihelionin siirtyminen. Tuli selväksi, että yleismaailmallisen aggressiivisuuden teoria vaatii tarkennusta. Tämä kunnia putosi loistavan saksalaisen fyysikon Albert Einsteinin paljon.
Houkuttelevuus ja suhteellisuusteoria
Newtonin kieltäytyminen keskustelemasta painovoiman luonteesta ("En keksi hypoteeseja") oli hänen käsitteensä ilmeinen heikkous. Ei ole yllättävää, että seuraavina vuosina esiintyi monia gravitaatioteorioita.
Suurin osa heistä kuului ns. Hydrodynaamisiin malleihin, jotka yrittivät perustella materiaalikohteiden mekaanisen vuorovaikutuksen syntymistä eräisiin välituotteisiin, joilla on tiettyjä ominaisuuksia. Tutkijat kutsuivat sitä eri tavalla: "tyhjiö", "eetteri", "gravitonivuo" jne. Tässä tapauksessa vetovoima kehojen välillä syntyi tämän aineen muutoksen seurauksena, kun esineet tai seulotut virrat imeytyivät. Todellisuudessa kaikilla tällaisilla teorioilla oli yksi vakava haittapuoli: melko tarkasti ennustaa gravitaatiovoiman riippuvuus etäisyydestä, ja niiden oli johdettava elinten hidastumiseen, jotka olivat suhteessa "eetteriin" tai "gravitonivuotoon".
Einstein lähestyi tätä asiaa eri näkökulmasta. Yleisessä suhteellisuusteoriassaan (GTR) gravitaatiota ei katsota voimien vuorovaikutukseksi, vaan itse avaruusajan ominaisuudeksi. Mikä tahansa esine, jolla on massa, johtaa sen kaarevuuteen, mikä aiheuttaa vetovoimaa. Tässä tapauksessa painovoima on geometrinen vaikutus, jota tarkastellaan ei-euklidisen geometrian puitteissa.
Yksinkertaisesti sanottuna avaruus-aikakonteksti vaikuttaa aineeseen ja aiheuttaa sen liikkeen. Ja se puolestaan vaikuttaa avaruuteen, "osoittaa" häntä taivuttamaan.
Vetovoimat vaikuttavat mikrokosmosiin, mutta elementaaristen hiukkasten tasolla niiden vaikutus sähköstaattiseen vuorovaikutukseen verrattuna on vähäinen. Fyysikot uskovat, että gravitaatiovaikutus ei ollut pienempi kuin muissa ensimmäisissä hetkissä (10 -43 sek.) Big Bangin jälkeen.
Tällä hetkellä yleisessä suhteellisuusteoriassa ehdotettu painovoiman käsite on tärkein työhypoteesi, jonka suurin osa tiedeyhteisöstä on hyväksynyt ja jonka useiden kokeiden tulokset ovat vahvistaneet.
Einstein kuvasi työstään hämmästyttäviä vaikutuksia gravitaatiovoimiin, joista suurin osa on jo vahvistettu. Esimerkiksi mahdollisuus massiivisille elimille taivuttaa valonsäteitä ja jopa hidastaa ajan kulkua. Jälkimmäinen ilmiö otetaan välttämättä huomioon, kun käytetään maailmanlaajuisia satelliittinavigointijärjestelmiä, kuten GLONASSia ja GPS: ää, muuten muutamassa päivässä niiden virhe olisi kymmeniä kilometrejä.
Lisäksi Einsteinin teorian seurauksena ovat ns. Painovoiman hienot vaikutukset, kuten painovoima-magneettikenttä ja inertia-vertailujärjestelmien inertia (tunnetaan myös nimellä Lense-Thirring-vaikutus). Nämä voimien ilmenemismuodot ovat niin heikkoja, että niitä ei ollut pitkään löydetty. Vain vuonna 2005 NASA: n ainutlaatuisen Gravity Probe B -operaation ansiosta Lense-Thirring-vaikutus vahvistettiin.
Gravitationaalinen säteily tai viime vuosien perustavanlaatuisin löytö
Gravitationaaliset aallot ovat geometrisen avaruusajan rakenteen värähtelyjä, jotka etenevät valon nopeudella. Tämän ilmiön olemassaolon ennustivat myös Einstein yleisessä suhteellisuudessa, mutta voiman heikkouden vuoksi sen suuruus on hyvin pieni, joten sitä ei voitu havaita pitkään aikaan. Ainoastaan epäsuorat todisteet ovat puhuneet säteilyn olemassaolosta.
Tällaiset aallot tuottavat materiaalia, joka liikkuu epäsymmetrisellä kiihdytyksellä. Tiedemiehet kuvaavat niitä "avaruus-ajan väreinä". Tällaisen säteilyn voimakkaimmat lähteet ovat galaksien ja kokoontaittuvien järjestelmien törmäys, jotka koostuvat kahdesta kohteesta. Tyypillinen esimerkki jälkimmäisestä tapauksesta on mustien reikien tai neutronitähtien fuusio. Tällaisissa prosesseissa gravitaatio- säteily voi kulkea yli 50% järjestelmän kokonaismassasta.
Gravitatiiviset aallot löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 2015 käyttäen kahta LIGO-seurantakeskusta. Lähes välittömästi tämä tapahtuma sai viime vuosikymmeninä suurimman fysiikan löytämisen. Vuonna 2017 hänelle myönnettiin Nobelin palkinto. Tämän jälkeen tiedemiehet ovat useaan otteeseen pystyneet korjaamaan gravitaation säteilyn.
Viime vuosisadan 70-luvulla - kauan ennen kokeellista vahvistusta - tiedemiehet ehdottivat painovoimaisen säteilyn käyttämistä pitkän matkan viestinnässä. Sen epäilemätön etu on korkea kyky kulkea minkä tahansa aineen läpi ilman imeytymistä. Mutta tällä hetkellä se on tuskin mahdollista, koska näiden aaltojen muodostamisessa ja vastaanottamisessa on valtavia vaikeuksia. Kyllä, ja todellinen tieto painovoiman luonteesta ei riitä.
Nykyään eri maissa eri puolilla maailmaa on useita laitoksia, kuten LIGO, ja uusia rakennetaan. On todennäköistä, että lähitulevaisuudessa saamme lisää tietoa gravitaation säteilystä.
Vaihtoehtoiset teoriat maailmasta ja niiden luomisen syyt
Tällä hetkellä hallitseva painovoiman käsite on GR. Se on samaa mieltä koko olemassa olevien kokeellisten tietojen ja havaintojen kanssa. Samaan aikaan sillä on suuri määrä avoimesti heikkoja kohtia ja kiistanalaisia kohtia, joten pyrkimykset luoda uusia malleja, jotka selittävät vakavuuden luonnetta, eivät lakkaa.
Kaikki tähän mennessä kehitetyt maailmantuntemuksen teoriat voidaan jakaa useisiin pääryhmiin:
- standardi;
- vaihtoehto;
- kvantti;
- yhden kentän teoria.
Yrittäjät luoda uusi maailmanlaajuinen käsite tehtiin XIX-luvulla. Eri kirjoittajia olivat eetteri tai valkosolujen teoria. Mutta GR: n tulo lopetti nämä tutkimukset. Julkaisemisen jälkeen tutkijoiden tavoite on muuttunut - nyt heidän pyrkimyksiään oli parantaa Einstein-mallia, mukaan lukien siihen liittyvät uudet luonnonilmiöt: hiukkasten taakse, maailmankaikkeuden laajentuminen jne.
1980-luvun alkuun mennessä fyysikot hylkäsivät kokeellisesti kaikki käsitteet lukuun ottamatta niitä, jotka sisälsivät GTR: n olennaisena osana. Tällä hetkellä tuli muodikkaita "merkkijonoteorioita", jotka näyttivät hyvin lupaavilta. Mutta näiden hypoteesien kokeneita vahvistuksia ei ole löydetty. Viime vuosikymmenten aikana tiede on saavuttanut merkittäviä korkeuksia ja kertynyt runsaasti empiirisiä tietoja. Nykyään pyrkimyksiä luoda vaihtoehtoisia gravitaatioteoreja innoittavat pääasiassa kosmologiset tutkimukset, jotka liittyvät sellaisiin käsitteisiin kuin "pimeä aine", "inflaatio", "pimeä energia".
Yksi modernin fysiikan tärkeimmistä tehtävistä on kahden perussuunnan yhdistäminen: kvanttiteoria ja yleinen relatiivisuus. Tiedemiehet pyrkivät yhdistämään vetovoimaa muuntyyppisiin vuorovaikutuksiin, jolloin luodaan ”kaiken teoria”. Juuri tätä tekee kvanttipaino - fysiikan haara, joka yrittää antaa kvanttikuvauksen gravitaatiovaikutuksesta. Tämän suunnan haara on silmukan gravitaation teoria.
Aktiivisista ja pitkäaikaisista ponnisteluista huolimatta tätä tavoitetta ei ole vielä saavutettu. Ja asia ei ole edes tämän tehtävän monimutkaisuus: yksinkertaisesti kvanttiteorian ja GR: n perusta on täysin erilainen paradigma. Kvanttimekaniikka toimii fyysisten järjestelmien kanssa, jotka toimivat tavanomaisen avaruusajan taustalla. Suhteellisuusteoriassa avaruusaika itse on dynaaminen komponentti, riippuen siinä olevien klassisten järjestelmien parametreista.
Maailman tieteellisten hypoteesien ohella on myös teorioita, jotka ovat kaukana modernista fysiikasta. Valitettavasti viime vuosina tällainen "opus" tulvii vain Internetin ja kirjakaupan hyllyt. Jotkut tällaisten teosten tekijät ilmoittavat yleensä lukijalle, että gravitaatiota ei ole, ja Newtonin ja Einsteinin lait ovat keksintöjä ja mystaatiota.
Esimerkkinä voidaan mainita "tiedemiehen" Nikolai Levashovin työ, joka väittää, että Newton ei löytänyt maailman lakia, ja vain planeetat ja kuu, kuu, ovat painovoima aurinkokunnassa. Todisteita tästä "venäläisestä tiedemiehestä" johtaa melko oudolta. Yksi niistä on amerikkalaisen NEAR Shoemaker -anturin lento asteroidiin Eros, joka tapahtui vuonna 2000. Koettimen ja taivaankappaleen välisen vetovoiman puuttuminen Levashov pitää todisteita Newtonin teosten virheellisyydestä ja fyysikkojen salaliitosta, joka piilottaa totuuden ihmisistä.
Itse asiassa avaruusalus suoritti onnistuneesti tehtävänsä: ensinnäkin se meni asteroidiradalle ja teki sitten pehmeän laskeutumisen pinnalleen.
Keinotekoinen painovoima ja miksi sitä tarvitaan
Kaksi käsitettä liittyy painovoimaan, jotka nykyisestä teoreettisesta asemastaan huolimatta ovat hyvin yleisölle tuttuja. Tämä antigravitaatio ja keinotekoinen painovoima.
Antigravitaatio on painovoiman voiman vastainen prosessi, joka voi merkittävästi vähentää sitä tai jopa korvata sen repulsion avulla. Tämän tekniikan hallitseminen johtaisi todelliseen vallankumoukseen liikenteessä, ilmailussa, ulkoavaruuden etsinnässä ja muutti radikaalisti koko elämäämme. Mutta tällä hetkellä anti-gravitaation mahdollisuudella ei ole edes teoreettista vahvistusta. Lisäksi GTR: n perusteella tämä ilmiö ei ole lainkaan mahdollista, koska Universumissamme ei voi olla negatiivisia massoja. On mahdollista, että tulevaisuudessa opimme lisää painovoimasta ja opimme rakentamaan ilma-aluksia tämän periaatteen mukaisesti.
Keinotekoinen painovoima on ihmisen tekemä muutos nykyiseen painovoimaan. Tänään emme tarvitse tällaista teknologiaa, mutta tilanne muuttuu varmasti pitkän aikavälin avaruusmatkauksen alkamisen jälkeen. Ja asia on meidän fysiologiamme. Ihmiskeho, "joka on tottunut" miljoonien vuosien kehittymisellä maan vakiintuneeseen gravitaatioon, on äärimmäisen kielteinen alentuneen painovoiman vaikutuksista. Pitkä oleskelu jopa kuun painovoiman olosuhteissa (kuusi kertaa maapalloa heikompi) voi johtaa surullisiin seurauksiin. Nähtävyyden illuusio voidaan luoda käyttämällä muita fyysisiä voimia, kuten inertiaa. Nämä vaihtoehdot ovat kuitenkin monimutkaisia ja kalliita. 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.
