Úroveň gravitácie na Zemi. Čo je gravitácia jednoduchými slovami

Obi-Wan Kenobi povedal, že sila drží galaxiu pohromade. To isté možno povedať o gravitácii. Fakt: Gravitácia nám umožňuje chodiť po Zemi, Zem sa otáčať okolo Slnka a Slnko sa pohybovať okolo supermasívnej čiernej diery v strede našej galaxie. Ako rozumieť gravitácii? Toto je diskutované v našom článku.

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

Existuje veľa hypotéz a názorov. Existuje viac ako tucet teórií gravitácie, alternatívnych a klasických. Pozrieme sa na tie najzaujímavejšie, najrelevantnejšie a najmodernejšie.

Chcete každý deň viac užitočných informácií a najnovších správ? 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 interakcií.

Základné interakcie:

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

Gravitácia je najslabšia zo štyroch základných síl.

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

Vieme však, že je priskoro hovoriť o konečnej pravde. Koniec koncov, niekoľko storočí pred objavením sa všeobecnej teórie relativity vo fyzike dominovala Newtonova teória pri opise gravitácie, ktorá sa výrazne rozšírila.

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

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

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

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

Newtonovi sa podarilo sformulovať a zovšeobecniť výsledky svojich pozorovaní. Tu je to, čo dostal:

Dve telesá sa navzájom priťahujú silou nazývanou gravitačná sila alebo gravitácia.

Vzorec pre silu príťažlivosti medzi telesami:

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 na vzdialenosti menšie 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 gravitačnej sily, ale stanovuje kvantitatívne zákony. Newtonova teória nie je v rozpore s GTR. Úplne postačuje na riešenie praktických úloh v pozemskom meradle a na výpočet pohybu nebeských telies.

Gravitácia vo všeobecnej teórii relativity

Napriek tomu, že Newtonova teória je v praxi celkom použiteľná, má množstvo nevýhod. Zákon univerzálnej gravitácie je matematický popis, ale neposkytuje pohľad na základnú fyzikálnu podstatu vecí.

Podľa Newtona gravitačná sila 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 potrebuje nie okamih, ale niekoľko sekúnd alebo dokonca rokov, aby ich prekonalo?

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.

Predstavme si priestor v podobe elastickej plachty. Ak naň položíte ľahkú tenisovú loptičku, povrch zostane rovný. Ak však vedľa lopty položíte ťažké závažie, stlačí na povrchu dieru 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, na hladine vody, odkiaľ padá, sa objavia kruhy. Gravitačné vlny sú rovnaké vlnky, poruchy. Len nie na vode, ale vo svetovom časopriestore.

Namiesto vody je tu časopriestor a namiesto kameňa povedzme čierna diera. Akýkoľvek zrýchlený pohyb hmoty generuje gravitačnú vlnu. Ak sú telesá v stave voľného pádu, pri prechode gravitačnej vlny sa vzdialenosť medzi nimi zmení.

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

Vhodnou udalosťou na detekciu 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 zaznamenávanie gravitačných vĺn bol zostrojený detektor s priemerom 4 kilometre. Pri prechode vlny boli zaznamenané vibrácie zrkadiel na závesoch 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 častica bez hmoty s energiou. Mimochodom, v našom samostatnom materiáli si prečítajte viac o Higgsovom bozóne, ktorý spôsobil veľa hluku, a ďalších elementárnych časticiach.

Na záver uvádzame niekoľko zaujímavých faktov o gravitácii.

10 faktov o gravitácii

1. Na prekonanie sily zemskej príťažlivosti musí mať teleso rýchlosť 7,91 km/s. Toto je prvá úniková rýchlosť. Stačí, aby sa teleso (napríklad vesmírna sonda) pohybovalo na obežnej dráhe okolo planéty.
2. Aby vesmírna loď unikla z gravitačného poľa Zeme, musí mať rýchlosť aspoň 11,2 km/s. Toto je druhá úniková 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 jeden z najdôležitejších problémov modernej fyziky.
5. Slovo gravitácia pochádza z latinského „gravis“, čo znamená „ťažký“.
6. Čím je objekt masívnejší, tým silnejšia je gravitácia. Ak sa človek, ktorý na Zemi váži 60 kilogramov, váži na Jupiteri, váha ukáže 142 kilogramov.
7. Vedci z NASA sa snažia vyvinúť gravitačný lúč, ktorý umožní pohyb predmetov bez dotyku, 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 s veľkosťou tenisovej loptičky priťahuje predmety rovnakou silou ako naša planéta.

Teraz poznáte definíciu gravitácie a viete, aký vzorec sa používa na výpočet sily príťažlivosti. Ak vás žula vedy tlačí k zemi silnejšie ako gravitácia, kontaktujte náš študentský servis. Pomôžeme vám ľahko študovať aj pod najväčším zaťažením!

Na otázku "Čo je sila?" fyzika odpovedá takto: „Sila je mierou interakcie hmotných telies medzi sebou navzájom alebo medzi telami a inými hmotnými objektmi - fyzikálnymi poľami. Všetky sily v prírode možno rozdeliť do štyroch základných typov interakcií: silné, slabé, elektromagnetické a gravitačné. Náš článok hovorí o tom, čo sú gravitačné sily - miera posledného a možno najrozšírenejšieho typu týchto interakcií v prírode.

Začnime s gravitáciou zeme

Každý živý vie, že existuje sila, ktorá priťahuje predmety k Zemi. Bežne sa označuje ako gravitácia, gravitácia alebo gravitácia. Vďaka svojej prítomnosti majú ľudia pojmy „hore“ a „dole“, ktoré určujú smer pohybu alebo umiestnenie niečoho vzhľadom na zemský povrch. Takže v konkrétnom prípade sa na povrchu zeme alebo v jej blízkosti prejavujú gravitačné sily, ktoré k sebe priťahujú objekty s hmotnosťou, prejavujúc svoj účinok na akúkoľvek vzdialenosť, malú aj veľmi veľkú, dokonca aj na kozmické štandardy.

Gravitácia a tretí Newtonov zákon

Ako je známe, akákoľvek sila, ak sa považuje za mieru interakcie fyzických tiel, sa vždy aplikuje na jedno z nich. Takže pri gravitačnej interakcii telies medzi sebou každé z nich zažíva také typy gravitačných síl, ktoré sú spôsobené vplyvom každého z nich. Ak existujú iba dve telesá (predpokladá sa, že pôsobenie všetkých ostatných možno zanedbať), potom každé z nich podľa tretieho Newtonovho zákona pritiahne druhé telo rovnakou silou. Takže Mesiac a Zem sa navzájom priťahujú, čo má za následok príliv a odliv zemských morí.

Každá planéta v slnečnej sústave je vystavená niekoľkým gravitačným silám zo Slnka a iných planét. Samozrejme, je to gravitačná sila Slnka, ktorá určuje tvar a veľkosť jeho dráhy, no astronómovia pri výpočtoch trajektórií ich pohybu berú do úvahy aj vplyv iných nebeských telies.

Ktoré spadne z výšky na zem rýchlejšie?

Hlavnou črtou tejto sily je, že všetky predmety padajú na zem rovnakou rýchlosťou, bez ohľadu na ich hmotnosť. Kedysi, až do 16. storočia, sa verilo, že všetko je naopak – ťažšie telesá by mali padať rýchlejšie ako ľahšie. Aby túto mylnú predstavu rozptýlil, musel Galileo Galilei vykonať svoj slávny experiment, keď súčasne zhodil dve delové gule rôznej hmotnosti zo šikmej veže v Pise. Na rozdiel od očakávaní svedkov experimentu sa obe jadrá dostali na povrch súčasne. Dnes už každý školák vie, že sa tak stalo vďaka tomu, že gravitácia udeľuje každému telesu rovnaké zrýchlenie voľného pádu g = 9,81 m/s 2 bez ohľadu na hmotnosť m tohto telesa a jej hodnota podľa druhého Newtonovho zákona je rovnaká až F = mg.

Gravitačné sily na Mesiaci a na iných planétach majú rôzne hodnoty tohto zrýchlenia. Povaha pôsobenia gravitácie na ne je však rovnaká.

Gravitácia a telesná hmotnosť

Ak je prvá sila aplikovaná priamo na samotné telo, potom druhá na jeho podperu alebo zavesenie. V tejto situácii na telesá vždy pôsobia elastické sily z podpier a závesov. Na tie isté telesá pôsobia gravitačné sily.

Predstavte si závažie zavesené nad zemou pružinou. Pôsobia naň dve sily: elastická sila napnutej pružiny a sila gravitácie. Podľa tretieho Newtonovho zákona pôsobí zaťaženie na pružinu silou rovnajúcou sa elastickej sile a opačnou. Táto sila bude jej hmotnosťou. Záťaž s hmotnosťou 1 kg má hmotnosť rovnajúcu sa P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (newton).

Gravitačné sily: definícia

Prvú kvantitatívnu teóriu gravitácie, založenú na pozorovaniach pohybu planét, sformuloval Isaac Newton v roku 1687 vo svojich slávnych „Princípoch prírodnej filozofie“. Napísal, že gravitačné sily, ktoré pôsobia na Slnko a planéty, závisia od množstva hmoty, ktorú obsahujú. Rozširujú sa na veľké vzdialenosti a vždy klesajú ako prevrátená hodnota štvorca vzdialenosti. Ako môžeme vypočítať tieto gravitačné sily? Vzorec pre silu F medzi dvoma objektmi s hmotnosťou m 1 a m 2 umiestnenými vo vzdialenosti r je:

• F=Gm 1 m 2 /r 2,
  kde G je konštanta úmernosti, gravitačná konštanta.

Fyzikálny mechanizmus gravitácie

Newton nebol úplne spokojný s jeho teóriou, pretože predpokladala interakciu medzi priťahovaním telies na diaľku. Sám veľký Angličan si bol istý, že musí existovať nejaký fyzikálny činiteľ zodpovedný za prenos pôsobenia jedného tela na druhé, čo celkom jasne uviedol v jednom zo svojich listov. Ale čas, keď bol predstavený koncept gravitačného poľa, ktoré preniká celým priestorom, prišiel až o štyri storočia neskôr. Dnes, keď už hovoríme o gravitácii, môžeme hovoriť o interakcii akéhokoľvek (kozmického) telesa s gravitačným poľom iných telies, ktorej mierou sú gravitačné sily vznikajúce medzi každou dvojicou telies. Zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Newton vo vyššie uvedenej podobe, zostáva pravdivý a je potvrdený mnohými faktami.

Teória gravitácie a astronómia

Veľmi úspešne sa uplatnil pri riešení problémov nebeskej mechaniky v 18. a začiatkom 19. storočia. Napríklad matematici D. Adams a W. Le Verrier, ktorí analyzovali poruchy na obežnej dráhe Uránu, navrhli, že je vystavený gravitačným silám interakcie s doposiaľ neznámou planétou. Naznačili jej očakávanú polohu a čoskoro tam astronóm I. Galle objavil Neptún.

Stále tu však bol jeden problém. Le Verrier v roku 1845 vypočítal, že orbita Merkúra prekročí 35" za storočie, na rozdiel od nulovej hodnoty tejto precesie získanej z Newtonovej teórie. Následné merania poskytli presnejšiu hodnotu 43". (Pozorovaná precesia je v skutočnosti 570"/storočie, ale starostlivý výpočet na odčítanie vplyvu od všetkých ostatných planét dáva hodnotu 43".)

Až v roku 1915 dokázal Albert Einstein vysvetliť tento rozpor v rámci svojej teórie gravitácie. Ukázalo sa, že masívne Slnko, ako každé iné masívne teleso, ohýba časopriestor vo svojej blízkosti. Tieto efekty spôsobujú odchýlky v obežných dráhach planét, no na Merkúre, ako najmenšej planéte a najbližšie k našej hviezde, sú najvýraznejšie.

Zotrvačné a gravitačné hmoty

Ako bolo uvedené vyššie, Galileo bol prvý, kto pozoroval, že objekty padajú na zem rovnakou rýchlosťou, bez ohľadu na ich hmotnosť. V Newtonových vzorcoch pojem hmotnosti pochádza z dvoch rôznych rovníc. Jeho druhý zákon hovorí, že sila F pôsobiaca na teleso s hmotnosťou m dáva zrýchlenie podľa rovnice F = ma.

Gravitačná sila F pôsobiaca na teleso však spĺňa vzorec F = mg, kde g závisí od interakcie druhého telesa s daným telesom (zvyčajne Zem, keď hovoríme o gravitácii). V oboch rovniciach je m koeficient úmernosti, ale v prvom prípade je to zotrvačná hmotnosť a v druhom je to gravitačná hmotnosť a nie je zrejmý dôvod, aby boli rovnaké pre akýkoľvek fyzikálny objekt.

Všetky experimenty však ukazujú, že je to skutočne tak.

Einsteinova teória gravitácie

Za východiskový bod svojej teórie vzal fakt rovnosti zotrvačných a gravitačných hmotností. Podarilo sa mu zostrojiť rovnice gravitačného poľa, slávne Einsteinove rovnice, a s ich pomocou vypočítať správnu hodnotu precesie obežnej dráhy Merkúra. Udávajú tiež nameranú hodnotu pre odklon svetelných lúčov, ktoré prechádzajú blízko Slnka, a niet pochýb o tom, že poskytujú správne výsledky pre makroskopickú gravitáciu. Einsteinova teória gravitácie alebo všeobecná teória relativity (GR), ako ju nazval, je jedným z najväčších triumfov modernej vedy.

Zrýchľujú sa gravitačné sily?

Ak nedokážete rozlíšiť zotrvační hmotu od gravitačnej hmoty, potom nedokážete rozlíšiť gravitáciu od zrýchlenia. Experiment s gravitačným poľom možno namiesto toho vykonať v zrýchľujúcom sa výťahu bez gravitácie. Keď astronaut v rakete zrýchľuje od Zeme, zažíva gravitačnú silu, ktorá je niekoľkonásobne väčšia ako zemská, pričom veľká väčšina pochádza zo zrýchlenia.

Ak nikto nedokáže rozlíšiť gravitáciu od zrýchlenia, potom to prvé možno vždy reprodukovať zrýchlením. Systém, v ktorom zrýchlenie nahrádza gravitáciu, sa nazýva inerciálny. Preto aj Mesiac na obežnej dráhe v blízkosti Zeme možno považovať za inerciálny systém. Tento systém sa však bude líšiť bod od bodu, keď sa zmení gravitačné pole. (Na príklade Mesiaca gravitačné pole mení smer z jedného bodu do druhého.) Princíp, že vždy možno nájsť inerciálny rámec v akomkoľvek bode priestoru a času, v ktorom fyzika dodržiava zákony v neprítomnosti gravitácie, sa nazýva princíp ekvivalencie.

Gravitácia ako prejav geometrických vlastností časopriestoru

Skutočnosť, že gravitačné sily možno považovať za zrýchlenia v inerciálnych súradnicových systémoch, ktoré sa líšia bod od bodu, znamená, že gravitácia je geometrický pojem.

Hovoríme, že časopriestor je zakrivený. Zvážte loptu na rovnom povrchu. Bude odpočívať alebo, ak nedôjde k treniu, bude sa pohybovať rovnomerne bez akýchkoľvek síl, ktoré naň pôsobia. Ak je povrch zakrivený, guľa sa zrýchli a presunie sa do najnižšieho bodu po najkratšej dráhe. Podobne Einsteinova teória tvrdí, že štvorrozmerný časopriestor je zakrivený a teleso sa v tomto zakrivenom priestore pohybuje po geodetickej priamke, ktorá zodpovedá najkratšej dráhe. Preto gravitačné pole a gravitačné sily pôsobiace v ňom na fyzické telesá sú geometrické veličiny, ktoré závisia od vlastností časopriestoru, ktoré sa najsilnejšie menia v blízkosti masívnych telies.

Od pradávna ľudstvo premýšľalo o tom, ako funguje svet okolo nás. Prečo rastie tráva, prečo svieti Slnko, prečo nemôžeme lietať... To posledné, mimochodom, vždy ľudí mimoriadne zaujímalo. Teraz vieme, že gravitácia je dôvodom všetkého. Čo to je a prečo je tento jav taký dôležitý v meradle vesmíru, dnes zvážime.

Úvodná časť

Vedci zistili, že všetky masívne telesá zažívajú vzájomnú príťažlivosť. Následne sa ukázalo, že táto záhadná sila určuje aj pohyb nebeských telies na ich konštantných dráhach. Samotnú teóriu gravitácie sformuloval génius, ktorého hypotézy predurčili vývoj fyziky na mnoho storočí dopredu. Albert Einstein, jeden z najväčších mozgov minulého storočia, toto učenie rozvinul a pokračoval (hoci úplne iným smerom).

Po stáročia vedci pozorovali gravitáciu a snažili sa ju pochopiť a zmerať. Napokon, v posledných desaťročiach sa aj taký jav, akým je gravitácia, dostal do služieb ľudstva (samozrejme v istom zmysle). Čo to je, aká je definícia predmetného pojmu v modernej vede?

Vedecká definícia

Ak študujete diela starých mysliteľov, zistíte, že latinské slovo „gravitas“ znamená „gravitácia“, „príťažlivosť“. Dnes to vedci nazývajú univerzálna a neustála interakcia medzi hmotnými telami. Ak je táto sila relatívne slabá a pôsobí iba na objekty, ktoré sa pohybujú oveľa pomalšie, potom je na ne aplikovateľná Newtonova teória. Ak je situácia opačná, treba použiť Einsteinove závery.

Okamžite urobme výhradu: v súčasnosti nie je v princípe úplne pochopená samotná povaha gravitácie. Stále úplne nerozumieme, čo to je.

Newtonove a Einsteinove teórie

Podľa klasického učenia Isaaca Newtona sa všetky telesá navzájom priťahujú silou priamo úmernou ich hmotnosti, nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti, ktorá medzi nimi leží. Einstein tvrdil, že gravitácia medzi objektmi sa prejavuje v prípade zakrivenia priestoru a času (a zakrivenie priestoru je možné len vtedy, ak je v ňom hmota).

Táto myšlienka bola veľmi hlboká, no moderný výskum dokazuje, že je do istej miery nepresná. Dnes sa verí, že gravitácia vo vesmíre iba ohýba priestor: čas sa dá spomaliť a dokonca zastaviť, ale realita zmeny tvaru dočasnej hmoty nebola teoreticky potvrdená. Preto Einsteinova klasická rovnica ani neposkytuje šancu, že priestor bude aj naďalej ovplyvňovať hmotu a výsledné magnetické pole.

Najznámejší je gravitačný zákon (univerzálna gravitácia), ktorého matematické vyjadrenie patrí Newtonovi:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ označuje gravitačnú konštantu (niekedy sa používa symbol G), ktorej hodnota je 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).

Interakcia medzi elementárnymi časticami

Neskutočná zložitosť priestoru okolo nás je z veľkej časti spôsobená nekonečným počtom elementárnych častíc. Sú medzi nimi aj rôzne interakcie na úrovniach, ktoré môžeme len hádať. Všetky typy interakcie medzi elementárnymi časticami sa však výrazne líšia svojou silou.

Najmocnejšie nám známe sily spájajú zložky atómového jadra. Aby ste ich oddelili, musíte minúť skutočne kolosálne množstvo energie. Čo sa týka elektrónov, tie sú k jadru „prichytené“ len obyčajnými, na zastavenie niekedy stačí energia, ktorá sa objaví ako výsledok najbežnejšej chemickej reakcie. Gravitácia (už viete, čo to je) vo forme atómov a subatomárnych častíc je najjednoduchší typ interakcie.

Gravitačné pole je v tomto prípade také slabé, že je ťažké si ho predstaviť. Napodiv sú to oni, ktorí „monitorujú“ pohyb nebeských telies, ktorých hmotnosť je niekedy nemožné si predstaviť. To všetko je možné vďaka dvom vlastnostiam gravitácie, ktoré sú obzvlášť výrazné v prípade veľkých fyzických tiel:

• Na rozdiel od atómových je výraznejší na diaľku od objektu. Zemská gravitácia teda drží aj Mesiac vo svojom poli a podobná sila Jupitera ľahko podporuje obežné dráhy niekoľkých satelitov naraz, pričom hmotnosť každého z nich je celkom porovnateľná s hmotnosťou Zeme!
• Okrem toho vždy poskytuje príťažlivosť medzi objektmi a so vzdialenosťou táto sila slabne pri malej rýchlosti.

K vytvoreniu viac-menej koherentnej teórie gravitácie došlo pomerne nedávno a presne na základe výsledkov stáročných pozorovaní pohybu planét a iných nebeských telies. Úlohu výrazne uľahčil fakt, že sa všetky pohybujú vo vzduchoprázdne, kde jednoducho neexistujú žiadne iné pravdepodobné interakcie. Galileo a Kepler, dvaja vynikajúci astronómovia tej doby, pomohli pripraviť pôdu pre nové objavy svojimi najcennejšími pozorovaniami.

Ale iba veľký Isaac Newton bol schopný vytvoriť prvú teóriu gravitácie a vyjadriť ju matematicky. Toto bol prvý gravitačný zákon, ktorého matematické vyjadrenie je uvedené vyššie.

Závery Newtona a niektorých jeho predchodcov

Na rozdiel od iných fyzikálnych javov, ktoré existujú vo svete okolo nás, gravitácia sa prejavuje vždy a všade. Musíte pochopiť, že výraz „nulová gravitácia“, ktorý sa často vyskytuje v pseudovedeckých kruhoch, je extrémne nesprávny: dokonca aj stav beztiaže vo vesmíre neznamená, že človek alebo vesmírna loď nie sú ovplyvnení gravitáciou nejakého masívneho objektu.

Okrem toho všetky hmotné telesá majú určitú hmotnosť, vyjadrenú vo forme sily, ktorá na ne bola aplikovaná, a zrýchlenia získaného týmto vplyvom.

Gravitačné sily sú teda úmerné hmotnosti predmetov. Môžu byť vyjadrené číselne získaním súčinu hmotností oboch uvažovaných telies. Táto sila sa striktne riadi inverzným vzťahom k štvorcu vzdialenosti medzi objektmi. Všetky ostatné interakcie závisia úplne inak od vzdialenosti medzi dvoma telesami.

Hmotnosť ako základný kameň teórie

Množstvo predmetov sa stalo zvláštnym bodom sporu, na ktorom je postavená celá Einsteinova moderná teória gravitácie a relativity. Ak si pamätáte Druhé, pravdepodobne viete, že hmotnosť je povinnou charakteristikou každého fyzického hmotného tela. Ukazuje, ako sa objekt bude správať, ak naň pôsobí sila, bez ohľadu na jeho pôvod.

Keďže všetky telesá (podľa Newtona) sa pri pôsobení vonkajšej sily zrýchľujú, je to práve hmotnosť, ktorá určuje, aké veľké toto zrýchlenie bude. Pozrime sa na zrozumiteľnejší príklad. Predstavte si skúter a autobus: ak na ne použijete presne rovnakú silu, dosiahnu rôznu rýchlosť v rôznych časoch. To všetko vysvetľuje teória gravitácie.

Aký je vzťah medzi hmotnosťou a gravitáciou?

Ak hovoríme o gravitácii, potom hmotnosť v tomto jave zohráva úplne opačnú úlohu, než akú hrá vo vzťahu k sile a zrýchleniu objektu. Práve ona je primárnym zdrojom samotnej príťažlivosti. Ak vezmete dve telá a pozriete sa na silu, ktorou priťahujú tretí objekt, ktorý sa nachádza v rovnakej vzdialenosti od prvých dvoch, potom sa pomer všetkých síl bude rovnať pomeru hmotností prvých dvoch objektov. Gravitačná sila je teda priamo úmerná hmotnosti telesa.

Ak vezmeme do úvahy tretí Newtonov zákon, môžeme vidieť, že hovorí presne to isté. Gravitačná sila, ktorá pôsobí na dve telesá umiestnené v rovnakej vzdialenosti od zdroja príťažlivosti, priamo závisí od hmotnosti týchto objektov. V bežnom živote hovoríme o sile, ktorou je teleso priťahované k povrchu planéty, ako o jeho hmotnosti.

Zhrňme si niektoré výsledky. Hmotnosť teda úzko súvisí so zrýchlením. Zároveň je to ona, ktorá určuje silu, akou bude na teleso pôsobiť gravitácia.

Vlastnosti zrýchlenia telies v gravitačnom poli

Táto úžasná dualita je dôvodom, že v rovnakom gravitačnom poli bude zrýchlenie úplne odlišných objektov rovnaké. Predpokladajme, že máme dve telá. Jednému z nich priraďme hmotnosť z a druhému hmotnosť Z. Oba predmety spadnú na zem, kde voľne padnú.

Ako sa určuje pomer príťažlivých síl? Ukazuje to najjednoduchší matematický vzorec - z/Z. Ale zrýchlenie, ktoré dostanú v dôsledku gravitačnej sily, bude úplne rovnaké. Zjednodušene povedané, zrýchlenie, ktoré má teleso v gravitačnom poli, nijako nezávisí od jeho vlastností.

Od čoho závisí zrýchlenie v popisovanom prípade?

Závisí to len (!) od hmotnosti predmetov, ktoré toto pole vytvárajú, ako aj od ich priestorovej polohy. Dvojitá úloha hmoty a rovnakého zrýchlenia rôznych telies v gravitačnom poli bola objavená pomerne dlho. Tieto javy dostali nasledujúci názov: „Princíp ekvivalencie“. Tento termín opäť zdôrazňuje, že zrýchlenie a zotrvačnosť sú často ekvivalentné (samozrejme do určitej miery).

O dôležitosti hodnoty G

Zo školského kurzu fyziky si pamätáme, že gravitačné zrýchlenie na povrchu našej planéty (gravitácia Zeme) sa rovná 10 m/s.² (9,8, samozrejme, ale táto hodnota sa používa kvôli jednoduchosti výpočtov). Ak teda neberiete do úvahy odpor vzduchu (vo výraznej výške s krátkou dráhou pádu), dostanete efekt, keď telo nadobudne zrýchlenie 10 m/s. každú sekundu. Takže kniha, ktorá spadla z druhého poschodia domu, sa na konci svojho letu bude pohybovať rýchlosťou 30-40 m/s. Jednoducho povedané, 10 m/s je „rýchlosť“ gravitácie v rámci Zeme.

Vo fyzikálnej literatúre sa gravitačné zrýchlenie označuje písmenom „g“. Keďže tvar Zeme do istej miery pripomína skôr mandarínku ako guľu, hodnota tejto veličiny nie je vo všetkých jej oblastiach rovnaká. Takže zrýchlenie je vyššie na póloch a na vrcholoch vysokých hôr je menšie.

Aj v ťažobnom priemysle hrá gravitácia dôležitú úlohu. Fyzika tohto javu môže niekedy ušetriť veľa času. Geológovia sa teda zaujímajú najmä o dokonale presné určenie g, pretože to im umožňuje skúmať a lokalizovať ložiská nerastov s výnimočnou presnosťou. Mimochodom, ako vyzerá gravitačný vzorec, v ktorom hrá dôležitú úlohu nami uvažovaná veličina? Tu je:

Poznámka! V tomto prípade gravitačný vzorec znamená G „gravitačnú konštantu“, ktorej význam sme už uviedli vyššie.

Svojho času Newton formuloval vyššie uvedené princípy. Dokonale rozumel jednote aj univerzálnosti, no nedokázal opísať všetky aspekty tohto fenoménu. Táto česť pripadla Albertovi Einsteinovi, ktorý tiež dokázal vysvetliť princíp ekvivalencie. Práve jemu ľudstvo vďačí za moderné chápanie samotnej podstaty časopriestorového kontinua.

Teória relativity, diela Alberta Einsteina

V čase Isaaca Newtona sa verilo, že referenčné body môžu byť reprezentované vo forme akýchsi tuhých „tyčí“, pomocou ktorých sa určuje poloha tela v priestorovom súradnicovom systéme. Zároveň sa predpokladalo, že všetci pozorovatelia, ktorí označia tieto súradnice, budú v rovnakom časovom priestore. V tých rokoch sa toto ustanovenie považovalo za také samozrejmé, že neboli podniknuté žiadne pokusy ho spochybniť alebo doplniť. A to je pochopiteľné, pretože v rámci hraníc našej planéty neexistujú žiadne odchýlky v tomto pravidle.

Einstein dokázal, že na presnosti merania by skutočne záležalo, keby sa hypotetické hodiny pohybovali výrazne pomalšie ako rýchlosť svetla. Jednoducho povedané, ak jeden pozorovateľ, pohybujúci sa pomalšie ako rýchlosť svetla, sleduje dve udalosti, potom sa mu stanú súčasne. Podľa toho pre druhého pozorovateľa? ktorých rýchlosť je rovnaká alebo väčšia, udalosti môžu nastať v rôznych časoch.

Ako však gravitácia súvisí s teóriou relativity? Pozrime sa na túto otázku podrobne.

Súvislosť medzi teóriou relativity a gravitačnými silami

V posledných rokoch sa uskutočnilo obrovské množstvo objavov v oblasti subatomárnych častíc. Stále silnie presvedčenie, že sa chystáme nájsť poslednú časticu, za ktorou sa náš svet nemôže fragmentovať. O to naliehavejšia sa stáva potreba presne zistiť, ako sú tie najmenšie „stavebné kamene“ nášho vesmíru ovplyvňované základnými silami, ktoré boli objavené v minulom storočí alebo ešte skôr. Sklamaním je najmä to, že samotná podstata gravitácie ešte nebola vysvetlená.

To je dôvod, prečo sa po Einsteinovi, ktorý preukázal „neschopnosť“ Newtonovej klasickej mechaniky v posudzovanej oblasti, výskumníci zamerali na úplné prehodnotenie predtým získaných údajov. Samotná gravitácia prešla veľkou revíziou. Čo je to na úrovni subatomárnych častíc? Má to nejaký význam v tomto úžasnom multidimenzionálnom svete?

Jednoduché riešenie?

Spočiatku mnohí predpokladali, že rozpor medzi Newtonovou gravitáciou a teóriou relativity možno vysvetliť celkom jednoducho pomocou analógií z oblasti elektrodynamiky. Dalo by sa predpokladať, že gravitačné pole sa šíri ako magnetické pole, po ktorom môže byť vyhlásené za „sprostredkovateľa“ interakcií nebeských telies, čo vysvetľuje mnohé nezrovnalosti medzi starými a novými teóriami. Faktom je, že potom by relatívne rýchlosti šírenia príslušných síl boli výrazne nižšie ako rýchlosť svetla. Ako teda súvisí gravitácia a čas?

Einsteinovi sa v princípe takmer podarilo skonštruovať relativistickú teóriu založenú práve na takýchto názoroch, no jeho zámeru zabránila len jedna okolnosť. Žiadny z vedcov tej doby nemal vôbec žiadne informácie, ktoré by mohli pomôcť určiť „rýchlosť“ gravitácie. No bolo tam veľa informácií súvisiacich s pohybmi veľkých más. Ako je známe, boli práve všeobecne akceptovaným zdrojom vzniku silných gravitačných polí.

Vysoké rýchlosti výrazne ovplyvňujú hmotnosti telies a v žiadnom prípade to nie je podobné interakcii rýchlosti a náboja. Čím vyššia je rýchlosť, tým väčšia je telesná hmotnosť. Problém je v tom, že druhá hodnota by sa automaticky stala nekonečnou, ak by sa pohybovala rýchlosťou svetla alebo rýchlejšou. Preto Einstein dospel k záveru, že neexistuje gravitačné pole, ale tenzorové pole, na opis toho, ktoré mnohé ďalšie premenné by sa mali použiť.

Jeho nasledovníci prišli na to, že gravitácia a čas spolu prakticky nesúvisia. Faktom je, že toto tenzorové pole samo môže pôsobiť na priestor, ale nie je schopné ovplyvniť čas. Geniálny moderný fyzik Stephen Hawking má však iný uhol pohľadu. Ale to je úplne iný príbeh...

Newton, ktorý uvádza, že sila gravitačnej príťažlivosti medzi dvoma hmotnými bodmi a oddelenými vzdialenosťou je úmerná obom hmotám a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti - to znamená:

Tu je gravitačná konštanta, ktorá sa rovná približne 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²).

Zákon univerzálnej gravitácie je jednou z aplikácií zákona inverzného štvorca, ktorý sa vyskytuje aj pri štúdiu žiarenia (pozri napríklad tlak svetla) a je priamym dôsledkom kvadratického nárastu plochy guľa so zväčšujúcim sa polomerom, čo vedie ku kvadratickému zníženiu príspevku akejkoľvek jednotkovej plochy k ploche celej gule.

Gravitačné pole, podobne ako gravitačné pole, je potenciálne. To znamená, že môžete zaviesť potenciálnu energiu gravitačnej príťažlivosti dvojice telies a táto energia sa po pohybe telies po uzavretej slučke nezmení. Potenciál gravitačného poľa so sebou nesie zákon zachovania súčtu kinetickej a potenciálnej energie a pri štúdiu pohybu telies v gravitačnom poli často výrazne zjednodušuje riešenie. V rámci newtonovskej mechaniky je gravitačná interakcia na veľké vzdialenosti. To znamená, že bez ohľadu na to, ako sa masívne teleso pohybuje, v akomkoľvek bode priestoru závisí gravitačný potenciál iba od polohy telesa v danom časovom okamihu.

Veľké vesmírne objekty - planéty, hviezdy a galaxie majú obrovskú hmotnosť, a preto vytvárajú významné gravitačné polia.

Gravitácia je najslabšia interakcia. Keďže však pôsobí na všetky vzdialenosti a všetky hmoty sú pozitívne, napriek tomu je veľmi dôležitou silou vo vesmíre. Najmä elektromagnetická interakcia medzi telesami v kozmickom meradle je malá, keďže celkový elektrický náboj týchto telies je nulový (hmota ako celok je elektricky neutrálna).

Taktiež gravitácia, na rozdiel od iných interakcií, je univerzálna vo svojom účinku na všetku hmotu a energiu. Neboli objavené žiadne objekty, ktoré nemajú vôbec žiadnu gravitačnú interakciu.

Vďaka svojej globálnej povahe je gravitácia zodpovedná za také rozsiahle efekty, ako je štruktúra galaxií, čiernych dier a rozpínanie vesmíru, a za elementárne astronomické javy - obežné dráhy planét a za jednoduchú príťažlivosť k povrchu Zem a pád tiel.

Gravitácia bola prvou interakciou opísanou matematickou teóriou. Aristoteles veril, že predmety s rôznou hmotnosťou padajú rôznymi rýchlosťami. Až oveľa neskôr Galileo Galilei experimentálne zistil, že to tak nie je – ak sa odstráni odpor vzduchu, všetky telesá sa zrýchľujú rovnako. Zákon univerzálnej gravitácie Isaaca Newtona (1687) dobre opísal všeobecné správanie gravitácie. V roku 1915 Albert Einstein vytvoril všeobecnú teóriu relativity, ktorá presnejšie popisuje gravitáciu z hľadiska geometrie časopriestoru.

Nebeská mechanika a niektoré jej úlohy

Najjednoduchším problémom nebeskej mechaniky je gravitačná interakcia dvoch bodových alebo guľových telies v prázdnom priestore. Tento problém sa v rámci klasickej mechaniky rieši analyticky v uzavretej forme; výsledok jeho riešenia je často formulovaný vo forme troch Keplerovych zákonov.

S rastúcim počtom interagujúcich telies sa úloha dramaticky skomplikuje. Preto už známy problém troch telies (teda pohybu troch telies s nenulovými hmotnosťami) nemožno vo všeobecnej forme analyticky vyriešiť. Pri numerickom riešení dochádza pomerne rýchlo k nestabilite riešení vzhľadom na počiatočné podmienky. Pri aplikácii na slnečnú sústavu nám táto nestabilita neumožňuje presne predpovedať pohyb planét na mierkach presahujúcich sto miliónov rokov.

V niektorých špeciálnych prípadoch je možné nájsť približné riešenie. Najdôležitejší je prípad, keď je hmotnosť jedného telesa výrazne väčšia ako hmotnosť ostatných telies (príklady: Slnečná sústava a dynamika prstencov Saturna). V tomto prípade môžeme ako prvú aproximáciu predpokladať, že ľahké telesá spolu neinteragujú a pohybujú sa po Keplerianových trajektóriách okolo masívneho telesa. Interakcie medzi nimi môžu byť brané do úvahy v rámci teórie porúch a spriemerované v čase. V tomto prípade môžu vzniknúť netriviálne javy, ako sú rezonancie, atraktory, chaos atď. Jasným príkladom takýchto javov je zložitá štruktúra prstencov Saturna.

Napriek pokusom presne opísať správanie systému veľkého počtu priťahujúcich sa telies približne rovnakej hmotnosti sa to vzhľadom na fenomén dynamického chaosu nedarí.

Silné gravitačné polia

V silných gravitačných poliach, ako aj pri pohybe v gravitačnom poli relativistickými rýchlosťami sa začínajú prejavovať účinky všeobecnej teórie relativity (GTR):

• zmena geometrie časopriestoru;
  • v dôsledku toho odchýlka gravitačného zákona od Newtonovho zákona;
  • av extrémnych prípadoch - vznik čiernych dier;
• oneskorenie potenciálov spojených s konečnou rýchlosťou šírenia gravitačných porúch;
  • v dôsledku toho vznik gravitačných vĺn;
• efekty nelinearity: gravitácia má tendenciu interagovať sama so sebou, takže princíp superpozície v silných poliach už neplatí.

Gravitačné žiarenie

Jednou z dôležitých predpovedí všeobecnej teórie relativity je gravitačné žiarenie, ktorého prítomnosť zatiaľ nebola potvrdená priamymi pozorovaniami. Existujú však významné nepriame dôkazy v prospech jeho existencie, konkrétne: straty energie v blízkych binárnych systémoch obsahujúcich kompaktné gravitujúce objekty (ako sú neutrónové hviezdy alebo čierne diery), najmä v slávnom systéme PSR B1913+16 (Hulse-Taylor pulzar) - sú v dobrej zhode so všeobecným modelom relativity, v ktorom je táto energia unášaná práve gravitačným žiarením.

Gravitačné žiarenie môžu generovať len systémy s premenlivými kvadrupólovými alebo vyššími multipólovými momentmi, táto skutočnosť naznačuje, že gravitačné žiarenie väčšiny prírodných zdrojov je smerové, čo značne komplikuje jeho detekciu. Gravitačná sila n- zdroj poľa je proporcionálny, ak je multipól elektrického typu, a - ak je multipól magnetický, kde v je charakteristická rýchlosť pohybu zdrojov vo vyžarovacej sústave, a c- rýchlosť svetla. Dominantným momentom bude teda štvorpólový moment elektrického typu a sila zodpovedajúceho žiarenia sa rovná:

kde je kvadrupólový momentový tenzor rozloženia hmoty vyžarujúceho systému. Konštanta (1/W) nám umožňuje odhadnúť rádovú veľkosť výkonu žiarenia.

Od roku 1969 (Weberove experimenty ( Angličtina)), robia sa pokusy o priamu detekciu gravitačného žiarenia. V USA, Európe a Japonsku v súčasnosti funguje niekoľko pozemných detektorov (LIGO, VIRGO, TAMA ( Angličtina), GEO 600), ako aj projekt vesmírneho gravitačného detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Pozemný detektor v Rusku sa vyvíja vo vedeckom centre Dulkyn pre výskum gravitačných vĺn v Tatarskej republike.

Jemné účinky gravitácie

Meranie zakrivenia priestoru na obežnej dráhe Zeme (umelecká kresba)

Všeobecná teória relativity okrem klasických efektov gravitačnej príťažlivosti a dilatácie času predpovedá existenciu ďalších prejavov gravitácie, ktoré sú v pozemských podmienkach veľmi slabé a ich detekcia a experimentálne overenie je preto veľmi náročné. Donedávna sa zdalo, že prekonávanie týchto ťažkostí presahuje možnosti experimentátorov.

Z nich môžeme menovať najmä strhávanie inerciálnych vzťažných sústav (alebo Lense-Thirringov efekt) a gravitomagnetické pole. V roku 2005 vykonala robotická gravitačná sonda B NASA bezprecedentne presný experiment na meranie týchto účinkov v blízkosti Zeme. Spracovanie získaných údajov prebiehalo do mája 2011 a potvrdilo existenciu a veľkosť účinkov geodetickej precesie a odporu inerciálnych referenčných systémov, aj keď s presnosťou o niečo menšou, ako sa pôvodne predpokladalo.

Po intenzívnej práci na analýze a extrakcii hluku z merania boli konečné výsledky misie oznámené na tlačovej konferencii na NASA-TV 4. mája 2011 a zverejnené vo Physical Review Letters. Nameraná hodnota geodetickej precesie bola −6601,8±18,3 milisekúnd oblúky za rok a efekt unášania - −37,2±7,2 milisekúnd oblúkov za rok (porovnaj s teoretickými hodnotami −6606,1 mas/rok a −39,2 mas/rok).

Klasické teórie gravitácie

Pozri tiež: Teórie gravitácie

Vzhľadom na to, že kvantové účinky gravitácie sú extrémne malé aj v tých najextrémnejších experimentálnych a pozorovacích podmienkach, stále neexistujú žiadne ich spoľahlivé pozorovania. Teoretické odhady ukazujú, že v drvivej väčšine prípadov sa možno obmedziť na klasický popis gravitačnej interakcie.

Existuje moderná kanonická klasická teória gravitácie - všeobecná teória relativity a mnoho objasňujúcich hypotéz a teórií rôzneho stupňa vývoja, ktoré si navzájom konkurujú. Všetky tieto teórie robia veľmi podobné predpovede v rámci aproximácie, v ktorej sa v súčasnosti vykonávajú experimentálne testy. Nasleduje niekoľko základných, najviac rozvinutých alebo známych teórií gravitácie.

Všeobecná teória relativity

V štandardnom prístupe všeobecnej teórie relativity (GTR) sa gravitácia spočiatku nepovažuje za silovú interakciu, ale za prejav zakrivenia časopriestoru. Vo všeobecnej teórii relativity sa teda gravitácia interpretuje ako geometrický efekt a časopriestor sa uvažuje v rámci neeuklidovskej riemannovskej (presnejšie pseudoriemannovskej) geometrie. Gravitačné pole (zovšeobecnenie newtonovského gravitačného potenciálu), niekedy nazývané aj gravitačné pole, sa vo všeobecnosti spája s tensorovým metrickým poľom – metrikou štvorrozmerného časopriestoru a silou gravitačného poľa – s afinná konektivita časopriestoru určená metrikou.

Štandardnou úlohou všeobecnej teórie relativity je určiť zložky metrického tenzora, ktoré spolu definujú geometrické vlastnosti časopriestoru, zo známeho rozloženia zdrojov energie a hybnosti v uvažovanom štvorrozmernom súradnicovom systéme. Znalosť metriky zase umožňuje vypočítať pohyb testovacích častíc, čo je ekvivalentné znalostiam o vlastnostiach gravitačného poľa v danom systéme. Vzhľadom na tenzorovú povahu všeobecných rovníc relativity, ako aj štandardné základné odôvodnenie ich formulácie, sa predpokladá, že gravitácia má tiež tenzorovú povahu. Jedným z dôsledkov je, že gravitačné žiarenie musí byť aspoň štvorpólového rádu.

Je známe, že vo všeobecnej teórii relativity existujú ťažkosti v dôsledku nemennosti energie gravitačného poľa, pretože túto energiu nepopisuje tenzor a možno ju teoreticky určiť rôznymi spôsobmi. V klasickej všeobecnej teórii relativity vzniká aj problém popísať interakciu spin-orbita (keďže spin rozšíreného objektu tiež nemá jednoznačnú definíciu). Predpokladá sa, že existujú určité problémy s jednoznačnosťou výsledkov a opodstatnenosťou konzistencie (problém gravitačných singularít).

Všeobecná relativita však bola až donedávna (2012) experimentálne potvrdená. Okrem toho mnohé alternatívne prístupy k Einsteinovým, ale pre modernú fyziku štandardným prístupom k formulácii teórie gravitácie, vedú k výsledku, ktorý sa zhoduje so všeobecnou teóriou relativity v nízkoenergetickej aproximácii, ktorá je v súčasnosti jediná dostupná na experimentálne overenie.

Einstein-Cartanova teória

K podobnému rozdeleniu rovníc do dvoch tried dochádza aj v RTG, kde je zavedená druhá tenzorová rovnica, aby sa zohľadnila súvislosť medzi neeuklidovským priestorom a Minkowského priestorom. Vďaka prítomnosti bezrozmerného parametra v Jordan-Brans-Dickeho teórii je možné ho zvoliť tak, aby sa výsledky teórie zhodovali s výsledkami gravitačných experimentov. Navyše, keďže parameter smeruje k nekonečnu, predpovede teórie sa čoraz viac približujú k všeobecnej teórii relativity, takže Jordan-Brans-Dickeho teóriu nie je možné vyvrátiť žiadnym experimentom potvrdzujúcim všeobecnú teóriu relativity.

Kvantová teória gravitácie

Napriek viac ako polstoročiam pokusov je gravitácia jedinou základnou interakciou, pre ktorú ešte nebola skonštruovaná všeobecne uznávaná konzistentná kvantová teória. Pri nízkych energiách možno v duchu kvantovej teórie poľa gravitačnú interakciu chápať ako výmenu gravitónov – spinových bozónov kalibru 2. Výsledná teória je však nerenormalizovateľná, a preto sa považuje za neuspokojivú.

V posledných desaťročiach boli vyvinuté tri sľubné prístupy k riešeniu problému kvantovania gravitácie: teória strún, slučková kvantová gravitácia a kauzálna dynamická triangulácia.

Teória strún

V ňom sa namiesto častíc a pozadia časopriestoru objavujú struny a ich viacrozmerné analógy - brány. Pre vysokorozmerné problémy sú brány vysokorozmerné častice, ale z hľadiska pohybu častíc vnútri tieto brány, sú to časopriestorové štruktúry. Variantom teórie strún je M-teória.

Slučková kvantová gravitácia

Pokúša sa formulovať kvantovú teóriu poľa bez odkazu na časopriestorové pozadie; podľa tejto teórie sa priestor a čas skladajú z diskrétnych častí. Tieto malé kvantové bunky priestoru sú určitým spôsobom navzájom prepojené, takže na malých mierkach času a dĺžky vytvárajú pestrú, diskrétnu štruktúru priestoru a na veľkých mierkach sa plynule premieňajú na súvislý hladký časopriestor. Zatiaľ čo mnohé kozmologické modely dokážu opísať správanie vesmíru len z Planckovho času po Veľkom tresku, slučková kvantová gravitácia môže opísať samotný proces explózie a dokonca sa pozrieť aj ďalej dozadu. Slučková kvantová gravitácia nám umožňuje opísať všetky častice štandardného modelu bez toho, aby bolo potrebné zaviesť Higgsov bozón na vysvetlenie ich hmotnosti.

Hlavný článok: Kauzálna dynamická triangulácia

V ňom je časopriestorová varieta skonštruovaná z elementárnych euklidovských simplexov (trojuholník, štvorsten, pentachór) rozmerov rádovo planckovských, pričom sa berie do úvahy princíp kauzality. Štvorrozmernosť a pseudoeuklidovská povaha časopriestoru v makroskopických mierkach v ňom nie sú postulované, ale sú dôsledkom teórie.

pozri tiež

Poznámky

Literatúra

• Vizgin V.P. Relativistická teória gravitácie (vznik a vznik, 1900-1915). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
• Vizgin V.P. Zjednotené teórie v 1. tretine dvadsiateho storočia. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
• Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Gravitácia. 3. vyd. - M.: URSS, 2008. - 200 s.
• Misner C., Thorne K., Wheeler J. Gravitácia. - M.: Mir, 1977.
• Thorne K.Čierne diery a záhyby času. Einsteinovo odvážne dedičstvo. - M.: Štátne nakladateľstvo fyzikálnej a matematickej literatúry, 2009.

Odkazy

• Zákon univerzálnej gravitácie alebo „Prečo Mesiac nespadne na Zem? - Len o ťažkých veciach
• Problémy s gravitáciou (dokument BBC, video)
• Zem a gravitácia; Relativistická teória gravitácie (TV show Gordon „Dialógy“, video)

Teórie gravitácie
Štandardné teórie gravitácie

Najdôležitejším fenoménom, ktorý fyzici neustále skúmajú, je pohyb. Elektromagnetické javy, zákony mechaniky, termodynamické a kvantové procesy – to všetko je široká škála fragmentov vesmíru, ktoré skúma fyzika. A všetky tieto procesy klesajú tak či onak k jednej veci – k.

V kontakte s

Všetko vo vesmíre sa hýbe. Gravitácia je bežný jav pre všetkých ľudí už od detstva, narodili sme sa v gravitačnom poli našej planéty, tento fyzikálny jav vnímame na najhlbšej intuitívnej úrovni a zdá sa, že ani nevyžaduje štúdium.

Ale, bohužiaľ, otázka je prečo a ako sa všetky telá navzájom priťahujú, dodnes nie je úplne odhalený, hoci bol široko ďaleko študovaný.

V tomto článku sa pozrieme na to, čo je to univerzálna príťažlivosť podľa Newtona – klasická teória gravitácie. Kým však prejdeme k vzorcom a príkladom, povieme si o podstate problému príťažlivosti a dáme mu definíciu.

Možno sa štúdium gravitácie stalo začiatkom prírodnej filozofie (vedy o pochopení podstaty vecí), možno prírodná filozofia vyvolala otázku podstaty gravitácie, ale tak či onak otázka gravitácie telies. sa začal zaujímať o staroveké Grécko.

Pohyb bol chápaný ako podstata zmyslovej charakteristiky tela, alebo lepšie povedané, telo sa pohybovalo, kým ho pozorovateľ videl. Ak nemôžeme nejaký jav zmerať, vážiť alebo cítiť, znamená to, že tento jav neexistuje? Prirodzene, to neznamená. A keďže to Aristoteles pochopil, začali úvahy o podstate gravitácie.

Ako sa dnes ukazuje, po mnohých desiatkach storočí, gravitácia je základom nielen gravitácie a príťažlivosti našej planéty, ale aj základom pre vznik Vesmíru a takmer všetkých existujúcich elementárnych častíc.

Pohybová úloha

Urobme myšlienkový experiment. Vezmeme si malú loptičku do ľavej ruky. Zoberme si ten istý vpravo. Pustime správnu loptu a začne padať. Ľavá zostáva v ruke, stále je nehybná.

V duchu zastavme plynutie času. Padajúca pravá lopta „visí“ vo vzduchu, ľavá stále zostáva v ruke. Pravá lopta je obdarená „energiou“ pohybu, ľavá nie. Aký je však medzi nimi hlboký a zmysluplný rozdiel?

Kde, v ktorej časti padajúcej gule je napísané, že sa má pohnúť? Má rovnakú hmotnosť, rovnaký objem. Má rovnaké atómy a nelíšia sa od atómov gule v pokoji. Lopta má? Áno, toto je správna odpoveď, ale ako loptička vie, čo má potenciálnu energiu, kde je v nej zaznamenaná?

Presne túto úlohu si stanovili Aristoteles, Newton a Albert Einstein. A všetci traja brilantní myslitelia tento problém čiastočne vyriešili sami, ale dnes existuje množstvo problémov, ktoré si vyžadujú riešenie.

Newtonova gravitácia

V roku 1666 najväčší anglický fyzik a mechanik I. Newton objavil zákon, ktorý dokáže kvantitatívne vypočítať silu, vďaka ktorej k sebe všetka hmota vo vesmíre smeruje. Tento jav sa nazýva univerzálna gravitácia. Keď sa vás spýtajú: „Sformulujte zákon univerzálnej gravitácie“, vaša odpoveď by mala znieť takto:

Nachádza sa sila gravitačnej interakcie, ktorá prispieva k priťahovaniu dvoch telies v priamej úmere k hmotnostiam týchto telies a v nepriamom pomere k vzdialenosti medzi nimi.

Dôležité! Newtonov zákon príťažlivosti používa pojem „vzdialenosť“. Tento pojem by sa nemal chápať ako vzdialenosť medzi povrchmi telies, ale ako vzdialenosť medzi ich ťažiskami. Napríklad, ak dve guľôčky s polomermi r1 a r2 ležia na sebe, potom je vzdialenosť medzi ich povrchmi nulová, ale existuje príťažlivá sila. Ide o to, že vzdialenosť medzi ich stredmi r1+r2 je nenulová. V kozmickom meradle toto objasnenie nie je dôležité, ale pre satelit na obežnej dráhe sa táto vzdialenosť rovná výške nad povrchom plus polomer našej planéty. Vzdialenosť medzi Zemou a Mesiacom sa tiež meria ako vzdialenosť medzi ich stredmi, nie ich povrchmi.

Pre zákon gravitácie je vzorec nasledujúci:

,

• F - sila príťažlivosti,
• - omše,
• r - vzdialenosť,
• G – gravitačná konštanta rovná 6,67·10−11 m³/(kg·s²).

Čo je to hmotnosť, ak sa pozrieme na silu gravitácie?

Sila je vektorová veličina, ale v zákone univerzálnej gravitácie sa tradične píše ako skalárna. Na vektorovom obrázku bude zákon vyzerať takto:

.

To však neznamená, že sila je nepriamo úmerná tretej mocnine vzdialenosti medzi stredmi. Vzťah by sa mal vnímať ako jednotkový vektor smerujúci z jedného centra do druhého:

.

Zákon gravitačnej interakcie

Hmotnosť a gravitácia

Po zvážení zákona gravitácie možno pochopiť, že nie je prekvapujúce, že my osobne gravitáciu Slnka cítime oveľa slabšiu ako zemskú. Aj keď má masívne Slnko veľkú hmotnosť, je od nás veľmi ďaleko. je tiež ďaleko od Slnka, ale priťahuje ho, pretože má veľkú hmotnosť. Ako nájsť gravitačnú silu dvoch telies, konkrétne ako vypočítať gravitačnú silu Slnka, Zeme a vás a mňa - touto otázkou sa budeme zaoberať o niečo neskôr.

Pokiaľ vieme, gravitačná sila je:

kde m je naša hmotnosť a g je zrýchlenie voľného pádu Zeme (9,81 m/s 2).

Dôležité! Nie sú dva, tri, desať druhov príťažlivých síl. Gravitácia je jediná sila, ktorá dáva kvantitatívnu charakteristiku príťažlivosti. Hmotnosť (P = mg) a gravitačná sila sú to isté.

Ak m je naša hmotnosť, M je hmotnosť zemegule, R je jej polomer, potom sa gravitačná sila, ktorá na nás pôsobí, rovná:

Takže, keďže F = mg:

.

Hmotnosti m sa znížia a výraz pre zrýchlenie voľného pádu zostáva:

Ako vidíme, gravitačné zrýchlenie je skutočne konštantná hodnota, keďže jeho vzorec zahŕňa konštantné veličiny – polomer, hmotnosť Zeme a gravitačnú konštantu. Nahradením hodnôt týchto konštánt zabezpečíme, aby sa gravitačné zrýchlenie rovnalo 9,81 m/s 2.

V rôznych zemepisných šírkach je polomer planéty mierne odlišný, pretože Zem stále nie je dokonalá guľa. Z tohto dôvodu je zrýchlenie voľného pádu v jednotlivých bodoch zemegule odlišné.

Vráťme sa k príťažlivosti Zeme a Slnka. Skúsme na príklade dokázať, že zemeguľa priťahuje teba aj mňa silnejšie ako Slnko.

Pre pohodlie si zoberme hmotnosť osoby: m = 100 kg. potom:

• Vzdialenosť medzi človekom a zemeguľou sa rovná polomeru planéty: R = 6,4∙10 6 m.
• Hmotnosť Zeme je: M ≈ 6∙10 24 kg.
• Hmotnosť Slnka je: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Vzdialenosť medzi našou planétou a Slnkom (medzi Slnkom a človekom): r=15∙10 10 m.

Gravitačná príťažlivosť medzi človekom a Zemou:

Tento výsledok je celkom zrejmý z jednoduchšieho vyjadrenia hmotnosti (P ​​= mg).

Sila gravitačnej príťažlivosti medzi človekom a Slnkom:

Ako vidíme, naša planéta nás priťahuje takmer 2000-krát silnejšie.

Ako nájsť silu príťažlivosti medzi Zemou a Slnkom? Nasledujúcim spôsobom:

Teraz vidíme, že Slnko priťahuje našu planétu viac ako miliardu miliárd krát silnejšie ako planéta priťahuje teba a mňa.

Prvá úniková rýchlosť

Keď Isaac Newton objavil zákon univerzálnej gravitácie, začal sa zaujímať o to, ako rýchlo musí byť telo vyhodené, aby po prekonaní gravitačného poľa navždy opustilo zemeguľu.

Pravda, predstavoval si to trochu inak, v jeho chápaní nešlo o kolmo stojacu raketu namierenú do neba, ale o teleso, ktoré horizontálne skočilo z vrcholu hory. Toto bola logická ilustrácia, pretože Na vrchole hory je gravitačná sila o niečo menšia.

Na vrchole Everestu teda gravitačné zrýchlenie nebude zvyčajných 9,8 m/s 2 , ale takmer m/s 2 . Z tohto dôvodu je vzduch taký tenký, že častice vzduchu už nie sú tak viazané na gravitáciu ako tie, ktoré „spadli“ na povrch.

Skúsme zistiť, čo je úniková rýchlosť.

Prvá úniková rýchlosť v1 je rýchlosť, ktorou teleso opustí povrch Zeme (alebo inej planéty) a dostane sa na kruhovú dráhu.

Skúsme zistiť číselnú hodnotu tejto hodnoty pre našu planétu.

Zapíšme si druhý Newtonov zákon pre teleso, ktoré rotuje okolo planéty po kruhovej dráhe:

,

kde h je výška telesa nad povrchom, R je polomer Zeme.

Na obežnej dráhe je teleso vystavené odstredivému zrýchleniu, teda:

.

Hmotnosť sa zníži, dostaneme:

,

Táto rýchlosť sa nazýva prvá úniková rýchlosť:

Ako vidíte, úniková rýchlosť je absolútne nezávislá od hmotnosti tela. Akýkoľvek objekt zrýchlený na rýchlosť 7,9 km/s teda opustí našu planétu a dostane sa na jej obežnú dráhu.

Prvá úniková rýchlosť

Druhá úniková rýchlosť

Avšak ani po zrýchlení telesa na prvú únikovú rýchlosť nebudeme schopní úplne prerušiť jeho gravitačné spojenie so Zemou. Preto potrebujeme druhú únikovú rýchlosť. Keď telo dosiahne túto rýchlosť opúšťa gravitačné pole planéty a všetky možné uzavreté obežné dráhy.

Dôležité!Často sa mylne domnieva, že na to, aby sa astronauti dostali na Mesiac, museli dosiahnuť druhú únikovú rýchlosť, pretože sa najprv museli „odpojiť“ od gravitačného poľa planéty. Nie je to tak: pár Zem-Mesiac sa nachádza v gravitačnom poli Zeme. Ich spoločné ťažisko je vo vnútri zemegule.

Aby sme našli túto rýchlosť, položme problém trochu inak. Povedzme, že teleso preletí z nekonečna na planétu. Otázka: aká rýchlosť bude dosiahnutá na povrchu pri pristátí (samozrejme bez zohľadnenia atmosféry)? Toto je presne rýchlosť telo bude musieť opustiť planétu.

Zákon univerzálnej gravitácie. Fyzika 9. ročník

Zákon univerzálnej gravitácie.

Záver

Dozvedeli sme sa, že hoci je gravitácia hlavnou silou vo vesmíre, mnohé z dôvodov tohto javu stále zostávajú záhadou. Dozvedeli sme sa, čo je Newtonova sila univerzálnej gravitácie, naučili sme sa ju vypočítať pre rôzne telesá a tiež sme študovali niektoré užitočné dôsledky, ktoré vyplývajú z takého javu, akým je univerzálny gravitačný zákon.