Gravitácia je najsilnejšia sila vo vesmíre, jeden zo štyroch základných základov vesmíru, ktorý určuje jeho štruktúru. Raz, vďaka nej, vznikli planéty, hviezdy a celé galaxie. Dnes udržiava Zem na obežnej dráhe na svojej nekonečnej ceste okolo Slnka.
Príťažlivosť má veľký význam pre každodenný život človeka. Vďaka tejto neviditeľnej sile, oceány nášho sveta pulzujú, toky prúdia, dažďové kvapky padajú na zem. Od detstva cítime hmotnosť nášho tela a okolitých objektov. Vplyv gravitácie na našu hospodársku činnosť je obrovský.
Prvá teória gravitácie vytvoril na konci XVII. Storočia Isaac Newton. Jeho zákon celosvetovo opisuje túto interakciu v rámci klasickej mechaniky. Vo všeobecnosti tento fenomén opísal Einstein vo svojej všeobecnej teórii relativity, ktorá bola uvoľnená na začiatku minulého storočia. Procesy vyskytujúce sa so silou elementárnych častíc by mali vysvetliť kvantovú teóriu gravitácie, ale ešte treba vytvoriť.
Dnes poznáme povahu gravitácie oveľa viac ako v čase Newtonu, ale napriek storočným štúdiám stále zostáva skutočným prekážkou modernej fyziky. V existujúcej teórii gravitácie existuje veľa bielych škvŕn a ešte stále nepochopíme, čo to spôsobuje a ako sa táto interakcia prenáša. Samozrejme, že sme veľmi ďaleko od toho, aby sme mohli ovládať gravitačnú silu, takže antigravita alebo levitácia bude existovať dlho iba na stránkach sci-fi románov.
Čo padlo na Newtonovu hlavu?
Ľudia premýšľali o povahe sily, ktorá priťahuje predmety na zem vždy, ale Isaac Newton dokázal zdvihnúť závoj tajomstva až v sedemnástom storočí. Základom jeho prelomu boli diela Keplera a Galilea - brilantní vedci, ktorí študovali pohyby nebeských telies.
Ďalšie pol storočia pred Newtonovským zákonom sveta poľský astronóm Copernicus veril, že príťažlivosť je "... nič iného ako prirodzená tendencia, s ktorou otec vesmíru daroval všetky častice, a to zjednotiť sa do jedného celku a formovať sférické telá". Descartes považoval za príťažlivosť v dôsledku rozptýlenosti vo svete éteru. Grécky filozof a vedec Aristotle bol presvedčený, že hmotnosť ovplyvňuje rýchlosť padajúcich telies. A iba Galileo Galilei na konci XVI. Storočia preukázal, že to nie je pravda: ak nie je odpor vzduchu, všetky predmety sa zrýchľujú rovnakým spôsobom.
Na rozdiel od spoločnej legendy o hlave a jablku, Newton šiel na pochopenie povahy gravitácie viac ako dvadsať rokov. Jeho zákon gravitácie je jedným z najvýznamnejších vedeckých objavov všetkých čias a národov. Je univerzálny a umožňuje vypočítať trajektórie nebeských telies a presne popisuje správanie objektov okolo nás. Klasická teória neba položila základy nebeskej mechaniky. Tri nové zákony spoločnosti Newton umožnili vedcom objaviť nové planéty doslovne "na špičke pera", vďaka nim sa človek podarilo prekonať zemskú gravitáciu a preletieť do vesmíru. Priniesli prísnu vedeckú základňu pod filozofickou koncepciou hmotnej jednoty vesmíru, v ktorej sú všetky prírodné javy prepojené a riadené všeobecnými fyzickými pravidlami.
Newton nielen publikoval vzorec na výpočet síl, ktorý priťahuje body k sebe, vytvoril kompletný model, ktorý zahŕňal aj matematickú analýzu. Tieto teoretické závery boli opakovane potvrdené v praxi, vrátane použitia najmodernejších metód.
V newtonovskej teórii každý materiálový objekt vytvára pole priťahovania, ktoré sa nazýva gravitácia. Okrem toho je sila úmerná hmotnosti oboch telies a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi:
F = (G m1 m2) / r2
G je gravitačná konštanta, ktorá je 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Najprv dokázal vypočítať Henry Cavendish v roku 1798.
V každodennom živote av aplikovaných disciplínach sa sily, s ktorou zem priťahuje telo, označujú ako jeho váha. Priťahovanie medzi akýmikoľvek dvoma materiálnymi objektmi vo vesmíre je to, čo gravitácia je v jednoduchých slovách.
Sila príťažlivosti je najslabšia zo štyroch základných interakcií fyziky, ale vďaka svojim vlastnostiam je schopná regulovať pohyb hviezdnych systémov a galaxií:
- Príťažlivosť funguje na každej vzdialenosti, to je hlavný rozdiel medzi gravitáciou a silnými a slabými jadrovými interakciami. S rastúcou vzdialenosťou sa jeho účinok znižuje, ale nikdy sa nuluje, takže môžeme povedať, že aj dva atómy na rôznych koncoch galaxie majú vzájomný účinok. Je to veľmi malé;
- Gravitácia je univerzálna. Pole príťažlivosti je vlastné akémukoľvek hmotnému telu. Vedci zatiaľ na našej planéte ani v priestore neostali objekt, ktorý by sa nezúčastnil interakcie tohto typu, takže úloha gravitácie v živote vesmíru je obrovská. Toto je odlišné od elektromagnetických interakcií, ktorých vplyv na vesmírne procesy je minimálny, pretože v prírode väčšina telies je elektricky neutrálna. Gravitačné sily nemôžu byť obmedzené alebo prehliadané;
- Ovplyvňuje nielen hmotu, ale aj energiu. Pre neho, chemické zloženie objektov nezáleží, iba ich hmotnosť hrá úlohu.
Pomocou Newtonovho vzorca je možné ľahko vypočítať príťažlivosť. Napríklad gravitácia na Mesiaci je niekoľkonásobne menšia ako gravitácia na Zemi, pretože náš satelit má pomerne malú hmotnosť. Ale stačí vytvoriť pravidelné útesy a toky v oceánoch. Na Zemi je zrýchlenie voľného pádu približne 9,81 m / s2. A na tyčiach je o niečo väčší ako na rovníku.
Napriek obrovskému významu pre ďalší rozvoj vedy, Newtonove zákony mali množstvo slabých stránok, ktoré výskumníkom neumožnili. Nebolo jasné, ako gravitácia pôsobí cez absolútne prázdny priestor na obrovské vzdialenosti a nepredstaviteľnou rýchlosťou. Navyše sa postupne začali zhromažďovať údaje, ktoré odporujú Newtonovým zákonom: napríklad gravitačný paradox alebo presun perihélií Merkúru. Bolo zrejmé, že teória univerzálnej agresie vyžaduje zdokonaľovanie. Táto česť padla na množstvo brilantného nemeckého fyzikom Alberta Einsteina.
Atraktívne a teória relativity
Newtonovo odmietnutie diskutovať o povahe závažnosti ("nevymýšľam hypotézy") bolo zjavnou slabosťou jeho koncepcie. Nie je prekvapujúce, že v nasledujúcich rokoch sa objavilo mnoho teórií gravitácie.
Väčšina z nich patrila do takzvaných hydrodynamických modelov, ktoré sa snažili ospravedlniť vznik mechanickej interakcie materiálových objektov s určitou medziproduktovou látkou, ktorá má určité vlastnosti. Výskumníci to nazývali inak: "vákuum", "éter", "gravitónový tok" atď. V tomto prípade vznikla sila priťahovania medzi telom v dôsledku zmeny tejto látky, keď bola absorbovaná objektmi alebo preosievanými tokmi. V skutočnosti všetky takéto teórie mali jednu vážnu nevýhodu: skôr presne predpovedali závislosť gravitačnej sily na vzdialenosti, museli viesť k spomaleniu telies, ktoré sa pohybovali vo vzťahu k "éteru" alebo "gravitónu".
Einstein sa zaoberal touto otázkou z iného uhla. Vo svojej všeobecnej teórii relativity (GTR) sa gravitácia nepovažuje za interakciu síl, ale za vlastnosť samotného priestoru. Každý objekt, ktorý má hmotnosť, vedie k jeho zakriveniu, čo spôsobuje priťahovanie. V tomto prípade je gravitácia geometrickým efektom, ktorý sa zvažuje v rámci neeuklidovskej geometrie.
Jednoducho povedané, priestorovo-časové kontinuum ovplyvňuje hmotu a spôsobuje jej pohyb. A to naopak ovplyvňuje priestor, "poukazuje" na to, ako sa ohýbať.
Sily priťahovania pôsobia v mikrokozme, ale na úrovni elementárnych častíc ich vplyv v porovnaní s elektrostatickou interakciou je zanedbateľný. Fyzici veria, že gravitačná interakcia nebola v prvých okamihoch (10 - 43 sekúnd) nižšia ako ostatné. Po Veľkom tresku.
V súčasnosti je pojem gravitácie, navrhnutý vo všeobecnej teórii relativity, hlavnou pracovnou hypotézou, ktorú väčšina vedeckej komunity prijala a potvrdila výsledky mnohých experimentov.
Einstein vo svojej práci predvídal úžasné účinky gravitačných síl, z ktorých väčšina už bola potvrdená. Napríklad možnosť masívnych telies ohýbať svetelné lúče a dokonca spomaľovať prechod času. Tento fenomén je nevyhnutne braný do úvahy pri prevádzke globálnych satelitných navigačných systémov, ako je GLONASS a GPS, inak za niekoľko dní by ich chyba bola desiatky kilometrov.
Navyše dôsledkom Einsteinovej teórie sú takzvané jemné účinky gravitácie, ako je gravitačné magnetické pole a zotrvačnosť inerciálnych referenčných systémov (známe tiež ako Lense-Thirring efekt). Tieto prejavy sily sú také slabé, že ich už dlho nemohli byť zistené. Iba v roku 2005, vďaka jedinečnej misii Gravity Probe B NASA, bol potvrdený účinok Lense-Thirring.
Gravitačné žiarenie alebo najzákladnejší objav posledných rokov
Gravitačné vlny sú oscilácie geometrickej priestorovo-časovej štruktúry, šíriacej sa rýchlosťou svetla. Existenciu tohto javu predpovedal aj Einstein vo všeobecnej teórii relativity, ale kvôli slabosti sily je jeho veľkosť veľmi malá, preto ju dlho nemožno odhaliť. Iba nepriame dôkazy hovorili v prospech existencie žiarenia.
Takéto vlny generujú akékoľvek hmotné objekty pohybujúce sa asymetrickým zrýchlením. Vedci ich opisujú ako "vesmírne časové vlny". Najsilnejšími zdrojmi takéhoto žiarenia sú kolízie galaxií a zrútených systémov pozostávajúcich z dvoch objektov. Typickým príkladom posledného prípadu je fúzia čiernych dier alebo neutronových hviezd. V takýchto procesoch môže gravitačné žiarenie prejsť viac ako 50% celkovej hmotnosti systému.
Gravitačné vlny sa prvýkrát objavili v roku 2015 pomocou dvoch observatórií LIGO. Takmer okamžite získala táto udalosť stav posledných najväčších objavov vo fyzike v posledných desaťročiach. V roku 2017 mu bola udelená Nobelova cena. Potom vedci niekoľkokrát dokázali opraviť gravitačné žiarenie.
Späť v 70-tych rokoch minulého storočia - dávno pred experimentálnym potvrdením - vedci navrhli používať gravitačné žiarenie na vykonávanie diaľkových komunikácií. Jeho nepochybnou výhodou je vysoká schopnosť prejsť akoukoľvek látkou bez toho, aby bola absorbovaná. Ale v súčasnosti je to len ťažko možné, pretože existujú obrovské ťažkosti s vytváraním a prijímaním týchto vĺn. Áno, a skutočné vedomosti o povahe gravitácie nestačia.
Dnes existuje niekoľko zariadení v rôznych krajinách po celom svete, podobne ako LIGO, a nové sa stavajú. Je pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa dozvieme viac o gravitačnom žiarení.
Alternatívne teórie svetovej šírky a dôvody ich vytvorenia
V súčasnosti je prevládajúcou koncepciou gravitácie GR. Súhlasí s celým existujúcim súborom experimentálnych údajov a pozorovaní. Súčasne má veľké množstvo otvorene slabých bodov a kontroverzných bodov, preto sa nepokúšajú vytvárať nové modely vysvetľujúce povahu gravitácie.
Všetky teórie svetového vnímania, ktoré boli doteraz vyvinuté, možno rozdeliť do niekoľkých hlavných skupín:
- štandardné;
- alternatíva;
- quantum;
- teória jedného poľa.
Pokusy o vytvorenie nového konceptu po celom svete boli vykonané v 19. storočí. Rôzni autori zahrnuli éter alebo korpuskulárnu teóriu svetla. Príchod GR však ukončil tieto prieskumy. Po jeho publikovaní sa zmenil cieľ vedcov - teraz ich úsilie smerovalo k zlepšeniu modelu Einstein, vrátane nových prírodných javov v ňom: zadnej časti častíc, expanzie vesmíru atď.
Začiatkom osemdesiatych rokov fyzici experimentálne odmietli všetky koncepcie okrem tých, ktoré zahŕňali GTR ako neoddeliteľnú súčasť. V tejto dobe, prišiel do módy "stringové teórie", ktoré vyzerali veľmi sľubne. Ale skúsené potvrdenie týchto hypotéz sa nenašlo. Počas posledných desaťročí dosiahla veda významné výšky a získala obrovské množstvo empirických údajov. Dnes sa pokusy o vytvorenie alternatívnych teórií gravitácie inšpirujú predovšetkým kozmologickým výskumom súvisiacim s takými pojmami ako "temná hmota", "inflácia", "temná energia".
Jednou z hlavných úloh modernej fyziky je zjednotenie dvoch základných smerov: kvantovej teórie a všeobecnej teórie relativity. Vedci sa snažia spájať príťažlivosť s inými typmi interakcií, čím vytvárajú "teóriu všetkého". Práve to robí kvantová gravitácia - fyzika, ktorá sa snaží dať kvantový opis gravitačnej interakcie. Odbočka tohto smeru je teória gravitácie slučky.
Napriek aktívnemu a dlhodobému úsiliu sa tento cieľ ešte nedosiahol. A záležitosť nie je ani v zložitosti tejto úlohy: jednoducho je základom kvantovej teórie a GR úplne odlišné paradigmy. Kvantová mechanika pracuje s fyzickými systémami pôsobiacimi na pozadí bežného časopriestoru. A v teórii relativity je samotný priestor-čas dynamickou zložkou, v závislosti od parametrov klasických systémov, ktoré sú v ňom.
Spolu s vedeckými hypotézami sveta existujú aj teórie, ktoré sú ďaleko od modernej fyziky. Bohužiaľ, v posledných rokoch, takýto "opus" práve zaplavil internet a regály kníhkupectví. Niektorí autori takýchto prác všeobecne informujú čitateľa, že gravitácia neexistuje a zákony Newtona a Einsteina sú vynálezy a mystifikácie.
Príkladom je práca "vedca" Nikolaje Levášova, ktorý tvrdí, že Newton nezískal zákon sveta a iba planéty a náš mesiac, mesiac, majú gravitačnú silu v slnečnej sústave. Dôkaz o tomto "ruskom vedcovi" vedie dosť zvláštne. Jedným z nich je let americkej sondy NEAR Shoemaker k asteroidu Eros, ktorý sa uskutočnil v roku 2000. Neprítomnosť priťahovania medzi sondou a nebeským telom Levashov považuje dôkazy o falošnosti Newtonových diel a sprisahaniach fyzikov, ktorí schovávajú pravdu o gravitácii od ľudí.
V skutočnosti kozmická loď úspešne dokončila svoju misiu: po prvé, išla do obežnej dráhy asteroidu a potom urobila na svojom povrchu mäkké pristátie.
Umelá gravitácia a prečo je to potrebné
Dve koncepty súvisia s gravitáciou, ktoré sú napriek ich súčasnému teoretickému stavu všeobecne známe. Táto antigravita a umelá gravitácia.
Antigravita je proces, ktorý pôsobí proti pôsobeniu gravitácie, čo ju môže významne znížiť alebo dokonca nahradiť odpudzovaním. Ovládanie tejto technológie by viedlo k skutočnej revolúcii v oblasti dopravy, letectva, prieskumu vesmíru a radikálne zmenilo celý náš život. Ale v súčasnosti možnosť anti-gravitácie nemá ani teoretické potvrdenie. Navyše na základe GTR tento jav nie je vôbec uskutočniteľný, pretože v našom vesmíre nemôže byť žiadna negatívna masa. Je možné, že v budúcnosti sa dozvieme viac o gravitácii a naučíme sa stavať lietadlá na základe tohto princípu.
Umelá gravitácia je človekom zmenená existujúca gravitačná sila. Dnes túto technológiu nepotrebujeme, ale situácia sa určite zmení po začatí dlhodobého vesmírneho cestovania. A to je naša fyziológia. Ľudské telo, "zvyknuté" miliónmi rokov vývoja na konštantnú gravitáciu Zeme, je mimoriadne negatívne o účinkoch zníženej gravitácie. Dlhodobý pobyt aj v podmienkach mesačnej gravitácie (šesťkrát slabší ako zemská) môže viesť k smutným dôsledkom. Iluzia príťažlivosti môže byť vytvorená pomocou iných fyzických síl, napríklad zotrvačnosti. Tieto možnosti sú však zložité a drahé. 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.
