Gravitacija je najmočnejša sila v vesolju, ena od štirih temeljnih temeljev vesolja, ki določa njeno strukturo. Enkrat, zahvaljujoč njej, so se pojavili planeti, zvezde in cele galaksije. Danes ohranja Zemljo v orbiti na svoji neskončni poti okoli Sonca.
Privlačnost je zelo pomembna za vsakdanje življenje človeka. Zahvaljujoč tej nevidni moči, oceani našega sveta utripajo, reke tečejo, padavine padajo na tla. Od otroštva čutimo težo našega telesa in okoliških predmetov. Vpliv gravitacije na našo gospodarsko dejavnost je ogromen.
Prvo teorijo gravitacije je ustvaril Isaac Newton konec XVII. Stoletja. Njegov zakon o svetu opisuje to interakcijo v okviru klasične mehanike. Bolj široko je ta pojav opisal Einstein v svoji splošni teoriji relativnosti, ki je izšla v začetku prejšnjega stoletja. Procesi, ki se odvijajo z močjo elementarnih delcev, bi morali pojasniti kvantno teorijo gravitacije, vendar jo je treba še ustvariti.
Danes vemo o naravi gravitacije veliko bolj kot v času Newtona, toda kljub stoletni študiji ostaja resnični kamen spotike sodobne fizike. V obstoječi teoriji gravitacije je veliko belih lis, in še vedno ne razumemo natančno, kaj povzroča, in kako se ta interakcija prenaša. In seveda smo zelo daleč od tega, da bi lahko nadzorovali silo gravitacije, tako da bo antigravitacija ali levitacija dolgo obstajala le na straneh znanstvenofantastičnih romanov.
Kaj je padlo na Newtonovo glavo?
Ljudje so razmišljali o naravi sile, ki ves čas privablja predmete na tla, a je Isaac Newton uspel dvigniti tančico skrivnosti šele v sedemnajstem stoletju. Osnova za njegov preboj je postavila dela Keplerja in Galileja - briljantnih znanstvenikov, ki so proučevali gibanja nebesnih teles.
Še eno leto in pol pred Newtonskim zakonom sveta je poljski astronom Copernicus verjel, da je privlačnost "... nič drugega kot naravna težnja, s katero je oče vesolja podaril vse delce, in sicer združiti se v eno celoto, da oblikujejo sferične telese". Descartes meni, da je privlačnost posledica motenj v svetovnem etru. Grški filozof in znanstvenik Aristotel je bil prepričan, da masa vpliva na hitrost padajočih teles. In samo Galileo Galilei konec XVI. Stoletja je dokazal, da to ni res: če ni zračnega upora, se vsi objekti pospešijo na enak način.
V nasprotju s skupno legendo o glavi in jabolku je Newton več kot dvajset let razumel naravo gravitacije. Njegov zakon gravitacije je eno najpomembnejših znanstvenih odkritij vseh časov in narodov. Je univerzalna in vam omogoča, da izračunate trajektorije nebesnih teles in natančno opišete obnašanje predmetov okoli nas. Klasična teorija nebes je postavila temelje nebesne mehanike. Newtonovi trije zakoni so znanstveniki dali priložnost, da odkrijejo nove planete dobesedno "na konici peresa", po vsem, zahvaljujoč jim, je človek lahko premagal zemeljsko gravitacijo in letel v vesolje. Prinesli so strogo znanstveno podlago pod filozofsko zasnovo materialne enotnosti vesolja, v kateri so vsi naravni pojavi med seboj povezani in nadzorovani s splošnimi fizičnimi pravili.
Newton ni samo objavil formule za izračun sile, ki pritegne telesa drug do drugega, ustvaril je popoln model, ki je vključeval tudi matematično analizo. Ti teoretični zaključki so bili v praksi večkrat potrjeni, vključno z uporabo najsodobnejših metod.
V Newtonovi teoriji vsak materialni objekt ustvari privlačno polje, ki se imenuje gravitacijsko. Poleg tega je sila sorazmerna masi obeh teles in obratno sorazmerna z razdaljo med njimi:
F = (G m1 m2) / r2
G je gravitacijska konstanta, ki je 6,67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Prvič je lahko izračunal Henryja Cavendisha leta 1798.
V vsakdanjem življenju in uporabnih disciplinah se sila, s katero pritegne telo, imenuje njena teža. Privlačnost med katerikoli dvema materialnima objektoma v vesolju je tisto, kar je gravitacija s preprostimi besedami.
Sila privlačnosti je najšibkejša od štirih temeljnih interakcij fizike, vendar je zaradi svojih značilnosti sposobna uravnavati gibanje zvezdnih sistemov in galaksij:
- Privlačnost deluje na vseh razdaljah, to je glavna razlika med težo in močnimi in šibkimi interakcijami jedra. S povečanjem razdalje se njegovo delovanje zmanjšuje, vendar nikoli ne postane nič, zato lahko rečemo, da imata celo dva atoma na različnih koncih galaksije vzajemni učinek. Je zelo majhna;
- Gravitacija je univerzalna. Področje privlačnosti je neločljivo povezano z vsakim materialnim telesom. Znanstveniki na našem planetu ali v vesolju še niso odkrili predmeta, ki ne bi sodeloval pri interakciji te vrste, zato je vloga gravitacije v življenju vesolja ogromna. To se razlikuje od elektromagnetne interakcije, katere učinek na vesoljske procese je minimalen, saj je večina teles v naravi električno nevtralna. Gravitacijskih sil ni mogoče omejiti ali pregledati;
- Deluje ne le na materijo, ampak tudi na energiji. Za njega kemična sestava predmetov ni pomembna, le njihova masa igra vlogo.
Z uporabo Newtonove formule, je moč privlačnosti enostavno izračunati. Na primer, gravitacija na Luni je nekajkrat manjša kot na Zemlji, ker ima naš satelit relativno majhno maso. Vendar pa je dovolj, da se v oceanih oblikujejo redne plime in tokovi. Na Zemlji je pospešek prostega padca približno 9,81 m / s2. In na polih je nekoliko večji kot na ekvatorju.
Kljub izjemnemu pomenu za nadaljnji razvoj znanosti so Newtonovi zakoni imeli številne šibke točke, ki raziskovalcem niso dali počitka. Ni bilo jasno, kako gravitacija deluje skozi povsem prazen prostor za ogromne razdalje in z nepredstavljivo hitrostjo. Poleg tega so se podatki postopoma začeli kopičiti, kar je v nasprotju z Newtonovimi zakoni: na primer gravitacijski paradoks ali premik perihelija Merkurja. Postalo je očitno, da teorija univerzalne agresije zahteva izpopolnitev. Ta čast je padla na veliko briljantnega nemškega fizika Alberta Einsteina.
Privlačnost in teorija relativnosti
Newtonova zavrnitev razprave o naravi gravitacije (»ne predlagam hipotez«) je bila očitna slabost njegovega koncepta. Ni presenetljivo, da so se v naslednjih letih pojavile številne teorije gravitacije.
Večina je pripadala tako imenovanim hidrodinamičnim modelom, ki je poskušal utemeljiti nastanek mehanske interakcije materialnih objektov z neko vmesno snovjo, ki ima določene lastnosti. Raziskovalci so to poimenovali drugače: "vakuum", "eter", "gravitonski tok", itd. V tem primeru je sila privlačnosti med telesi nastala kot posledica spremembe te snovi, ko so jo absorbirali predmeti ali pregledani tokovi. V resnici so imele vse te teorije eno resno pomanjkljivost: precej natančno napovedovanje odvisnosti gravitacijske sile od razdalje so morale voditi do upočasnjevanja teles, ki so se premikala glede na »eter« ali »gravitonski tok«.
Einstein je to vprašanje obravnaval iz drugega zornega kota. V svoji splošni teoriji relativnosti (GTR) se gravitacija ne obravnava kot interakcija sil, temveč kot lastnost samega prostor-časa. Vsak objekt, ki ima maso, vodi do njegove ukrivljenosti, ki povzroča privlačnost. V tem primeru je gravitacija geometrijski učinek, ki se obravnava v okviru neevklidske geometrije.
Preprosto povedano, prostorsko-časovni kontinuum vpliva na materijo in povzroča njeno gibanje. In to, v zameno, vpliva na prostor, "kaže" mu kako bend.
Sile privlačnosti delujejo v mikrokozmosu, toda na ravni elementarnih delcev je njihov vpliv v primerjavi z elektrostatično interakcijo zanemarljiv. Fiziki verjamejo, da gravitacijska interakcija ni bila slabša od drugih v prvih trenutkih (10-43 sekund) po Velikem poku.
Koncept gravitacije, predlagan v splošni teoriji relativnosti, je trenutno glavna delovna hipoteza, ki jo je sprejela večina znanstvene skupnosti in potrjena z rezultati številnih poskusov.
Einstein je v svojem delu predvideval neverjetne učinke gravitacijskih sil, ki jih je večina že potrdila. Na primer, možnost, da masivna telesa upogibajo svetlobne žarke in celo upočasnijo čas. Slednji pojav je treba nujno upoštevati pri upravljanju globalnih satelitskih navigacijskih sistemov, kot sta GLONASS in GPS, sicer bi bila v nekaj dneh njihova napaka desetk kilometrov.
Poleg tega so posledice Einsteinove teorije tako imenovani subtilni učinki gravitacije, kot so gravitacijsko magnetno polje in vztrajnost inercialnih referenčnih sistemov (znani tudi kot Lense-Thirring učinek). Te manifestacije sile so tako šibke, da jih dolgo ne moremo zaznati. Šele leta 2005 je bil zahvaljujoč NASA-ini edinstveni misiji Gravity Probe B učinek Lense-Thirring potrjen.
Gravitacijsko sevanje ali najbolj temeljno odkritje zadnjih let
Gravitacijski valovi so nihanja geometrijske prostorsko-časovne strukture, ki se širijo s hitrostjo svetlobe. Obstoj tega pojava je napovedal tudi Einstein v splošni relativnosti, toda zaradi šibkosti sile je njegova velikost zelo majhna, zato je ni bilo mogoče zaznati dolgo časa. Za obstoj sevanja so govorili le posredni dokazi.
Taki valovi ustvarjajo materialne predmete, ki se gibljejo z asimetričnim pospeškom. Znanstveniki jih opisujejo kot "prostorsko-časovne valove". Najmočnejši viri takšnega sevanja so galaksije, ki trčijo, in sesutni sistemi, sestavljeni iz dveh objektov. Tipičen primer zadnjega primera je zlivanje črnih lukenj ali nevtronskih zvezd. V takih procesih lahko gravitacijsko sevanje preide več kot 50% celotne mase sistema.
Gravitacijski valovi so bili prvič odkriti leta 2015 z dvema observatorijoma LIGO. Skoraj takoj je ta dogodek dobil status največjega odkritja v fiziki v zadnjih desetletjih. Leta 2017 so mu podelili Nobelovo nagrado. Po tem so znanstveniki večkrat lahko popravili gravitacijsko sevanje.
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja - dolgo pred eksperimentalno potrditvijo - so znanstveniki predlagali uporabo gravitacijskega sevanja za izvedbo komunikacij na dolge razdalje. Njena nedvomna prednost je visoka sposobnost prehoda skozi katero koli snov, ne da bi se absorbirala. Toda trenutno je to komaj mogoče, saj obstajajo ogromne težave z nastajanjem in sprejemanjem teh valov. Ja, in resnično znanje o naravi gravitacije ni dovolj.
Danes obstaja več instalacij v različnih državah po svetu, podobno kot LIGO, gradijo pa nove. Verjetno je, da bomo v bližnji prihodnosti izvedeli več o gravitacijskem sevanju.
Alternativne teorije svetovne širine in razlogi za njihovo ustvarjanje
Trenutno je prevladujoči koncept gravitacije GR. Strinja se s celotnim obstoječim nizom eksperimentalnih podatkov in opazovanj. Hkrati ima veliko število očitno šibkih točk in spornih točk, zato poskusi ustvarjanja novih modelov, ki razlagajo naravo gravitacije, ne prenehajo.
Vse dosedanje razvite teorije svetovne percepcije lahko razdelimo v več glavnih skupin:
- standard;
- alternativa;
- kvant;
- teorija posameznega polja.
Poskusi oblikovanja novega koncepta po vsem svetu so nastali v XIX. Stoletju. Različni avtorji so vključevali eter ali corpuscular teorijo svetlobe. Toda prihod GR je končal ta raziskovanja. Po objavi se je cilj znanstvenikov spremenil - njihova prizadevanja so bila usmerjena v izboljšanje Einsteinovega modela, vključno z novimi naravnimi pojavi v njem: hrbet delcev, širitev vesolja itd.
Do začetka osemdesetih let so fiziki eksperimentalno zavrnili vse koncepte, razen tistih, ki so vključevali GTR kot sestavni del. V tem času, je prišel v modi "string teorije", ki je videti zelo obetavno. Toda izkušena potrditev teh hipotez ni bila najdena. V zadnjih desetletjih je znanost dosegla pomembne višine in nabrala široko paleto empiričnih podatkov. Danes se poskusi ustvarjanja alternativnih teorij gravitacije navdihujejo predvsem s kozmološkimi raziskavami, povezanimi s koncepti, kot so "temna snov", "inflacija", "temna energija".
Ena od glavnih nalog moderne fizike je poenotenje dveh temeljnih smeri: kvantne teorije in splošne relativnosti. Znanstveniki želijo povezati privlačnost z drugimi vrstami interakcij in tako ustvariti »teorijo vsega«. To je točno to, kar počne kvantna gravitacija - veja fizike, ki poskuša dati kvantni opis gravitacijske interakcije. Veja te smeri je teorija gravitacije zanke.
Kljub aktivnim in dolgoročnim prizadevanjem ta cilj še ni dosežen. In to ni niti v kompleksnosti te naloge: preprosto je, da je osnova kvantne teorije in GR popolnoma drugačne paradigme. Kvantna mehanika deluje s fizičnimi sistemi, ki delujejo v ozadju običajnega prostora-časa. V teoriji relativnosti je prostor-čas sam po sebi dinamična komponenta, odvisno od parametrov klasičnih sistemov, ki so v njem.
Poleg znanstvenih hipotez sveta obstajajo tudi teorije, ki so daleč od sodobne fizike. Na žalost, v zadnjih letih, kot "opus" samo poplava interneta in police knjigarn. Nekateri avtorji takšnih del bralcu na splošno sporočajo, da gravitacija ne obstaja, zakoni Newtona in Einsteina pa so izumi in mistifikacije.
Primer je delo »znanstvenika« Nikolaja Levashova, ki trdi, da Newton ni odkril prava sveta, in samo planeti in naša luna, luna, imajo gravitacijsko silo v sončnem sistemu. Dokazi tega "ruskega znanstvenika" so precej čudni. Eden izmed njih je let ameriške sonde za čevlje NEAR na asteroid Eros, ki je potekal leta 2000. Odsotnost privlačnosti med sondo in nebesnim telesom Levashov obravnava dokaze o neresničnosti Newtonovih del in zarote fizikov, ki ljudi skrivajo resnico o gravitaciji.
Pravzaprav je vesoljsko plovilo uspešno zaključilo svojo nalogo: najprej je šlo v asteroidno orbito, nato pa je na svoji površini mehko pristalo.
Umetna gravitacija in zakaj je potrebna
Z gravitacijo sta povezana dva pojma, ki sta kljub trenutnemu teoretičnemu stanju splošne javnosti dobro znana. Ta antigravitacija in umetna gravitacija.
Antigravitacija je proces preprečevanja sile gravitacije, ki jo lahko bistveno zmanjša ali celo nadomesti z odbijanjem. Obvladovanje te tehnologije bi privedlo do prave revolucije v prometu, letalstvu, raziskovanju vesolja in korenito spremenilo naše celotno življenje. Toda trenutno možnost proti-gravitacije nima niti teoretične potrditve. Poleg tega ta pojav na podlagi GTR sploh ni izvedljiv, saj v našem vesolju ne more biti negativne mase. Možno je, da bomo v prihodnosti izvedeli več o gravitaciji in se naučili tega, kako graditi letala na podlagi tega načela.
Umetna gravitacija je človeška sprememba obstoječe sile težnosti. Danes ne potrebujemo take tehnologije, vendar se bodo razmere zagotovo spremenile po začetku dolgoročnih vesoljskih potovanj. In stvar je v naši fiziologiji. Človeško telo, "navajeno" z milijoni let evolucije na konstantno težo Zemlje, je izredno negativno glede učinkov zmanjšane gravitacije. Dolgo bivanje tudi v razmerah lunine gravitacije (šestkrat šibkejše od zemeljske) lahko povzroči žalostne posledice. Iluzijo privlačnosti lahko ustvarimo z uporabo drugih fizičnih sil, kot je vztrajnost. Vendar so te možnosti zapletene in drage. 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.
