Dünyadaki yerçekimi seviyesi. Basit kelimelerle yerçekimi nedir

Obi-Wan Kenobi, gücün galaksiyi bir arada tuttuğunu söyledi. Aynı şey yerçekimi için de söylenebilir. Gerçek: Yerçekimi Dünya üzerinde yürümemize, Dünyanın Güneş'in etrafında dönmesine ve Güneş'in galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğin etrafında hareket etmesine olanak tanır. Yerçekimi nasıl anlaşılır? Bu makalemizde tartışılmaktadır.

Burada “Yerçekimi nedir?” sorusunun tek doğru cevabını bulamayacağınızı hemen söyleyelim. Çünkü o basitçe mevcut değil! Yerçekimi, bilim adamlarının üzerinde kafa yorduğu ve hala doğasını tam olarak açıklayamadığı en gizemli olaylardan biridir.

Pek çok hipotez ve görüş var. Alternatif ve klasik bir düzineden fazla yerçekimi teorisi vardır. En ilginç, alakalı ve modern olanlara bakacağız.

Her gün daha faydalı bilgiler ve en son haberleri mi istiyorsunuz? Telegram'da bize katılın.

Yerçekimi fiziksel bir temel etkileşimdir

Fizikte 4 temel etkileşim vardır. Onlar sayesinde dünya tam olarak bu hale geldi. Yerçekimi bu etkileşimlerden biridir.

Temel etkileşimler:

• yer çekimi;
• elektromanyetizma;
• güçlü etkileşim;
• zayıf etkileşim.

Yerçekimi dört temel kuvvetin en zayıfıdır.

Şu anda yerçekimini açıklayan mevcut teori GTR'dir (genel görelilik). 1915-1916'da Albert Einstein tarafından önerildi.

Ancak nihai gerçek hakkında konuşmak için henüz çok erken olduğunu biliyoruz. Sonuçta, genel göreliliğin fizikte ortaya çıkmasından birkaç yüzyıl önce, Newton'un teorisi, önemli ölçüde genişletilmiş olan yerçekimini tanımlamada hakim oldu.

Genel görelilik çerçevesinde yerçekimi ile ilgili tüm konuları açıklamak ve anlatmak şu anda mümkün değildir.

Newton'dan önce, dünyadaki yerçekimi ile gökyüzündeki yerçekiminin farklı şeyler olduğuna yaygın olarak inanılıyordu. Gezegenlerin Dünya'dakilerden farklı olarak kendi ideal yasalarına göre hareket ettiğine inanılıyordu.

Newton 1667'de evrensel çekim yasasını keşfetti. Elbette bu yasa dinozorların zamanında ve çok daha öncesinde de mevcuttu.

Eski filozoflar yerçekiminin varlığını düşünüyorlardı. Galileo, Dünya'daki yerçekimi ivmesini deneysel olarak hesapladı ve bunun her kütledeki cisimler için aynı olduğunu keşfetti. Kepler gök cisimlerinin hareket yasalarını inceledi.

Newton gözlemlerinin sonuçlarını formüle etmeyi ve genelleştirmeyi başardı. İşte elde ettiği şey:

İki cisim birbirini yer çekimi kuvveti veya yer çekimi adı verilen bir kuvvetle çeker.

Cisimler arasındaki çekim kuvvetinin formülü:

G yerçekimi sabitidir, m cisimlerin kütlesidir, r cisimlerin kütle merkezleri arasındaki mesafedir.

Yerçekimi sabitinin fiziksel anlamı nedir? Her birinin kütlesi 1 kilogram olan cisimlerin, birbirlerinden 1 metre uzaklıkta olmak üzere birbirlerine etki ettiği kuvvete eşittir.

Newton'un teorisine göre her cisim bir çekim alanı yaratır. Newton yasasının doğruluğu bir santimetreden daha kısa mesafelerde test edilmiştir. Elbette küçük kütleler için bu kuvvetler önemsizdir ve ihmal edilebilir.

Newton'un formülü hem gezegenlerin güneşe olan çekim kuvvetinin hesaplanmasında hem de küçük nesneler için geçerlidir. Diyelim ki bilardo masasındaki topların nasıl çekildiğini fark etmiyoruz. Ancak bu kuvvet mevcuttur ve hesaplanabilir.

Çekim kuvveti evrendeki herhangi bir cisim arasında etki eder. Etkisi her mesafeye uzanır.

Newton'un evrensel çekim yasası, yerçekimi kuvvetinin doğasını açıklamaz, ancak niceliksel yasalar oluşturur. Newton'un teorisi GTR ile çelişmiyor. Dünya ölçeğinde pratik problemlerin çözümü ve gök cisimlerinin hareketlerinin hesaplanması için oldukça yeterlidir.

Genel görelilikte yerçekimi

Newton'un teorisi pratikte oldukça uygulanabilir olmasına rağmen bir takım dezavantajlara sahiptir. Evrensel çekim yasası matematiksel bir tanımdır ancak nesnelerin temel fiziksel doğasına dair bir fikir vermez.

Newton'a göre yerçekimi kuvveti herhangi bir mesafede etki eder. Ve anında çalışır. Dünyadaki en hızlı hızın ışık hızı olduğu düşünülürse bir çelişki ortaya çıkıyor. Işığın bunları aşması bir an değil, birkaç saniye, hatta yıllar alırken, yerçekimi herhangi bir mesafede nasıl anında etki edebilir?

Genel görelilik çerçevesinde yerçekimi, cisimlere etki eden bir kuvvet olarak değil, kütlenin etkisi altında uzay ve zamanın eğriliği olarak kabul edilir. Dolayısıyla yerçekimi bir kuvvet etkileşimi değildir.

Yer çekiminin etkisi nedir? Bir benzetme kullanarak açıklamaya çalışalım.

Uzayı elastik bir tabaka şeklinde hayal edelim. Üzerine hafif bir tenis topu koyarsanız yüzey düz kalacaktır. Ancak topun yanına ağır bir ağırlık koyarsanız, yüzeyde bir delik açacak ve top büyük, ağır ağırlığa doğru yuvarlanmaya başlayacaktır. Bu “yerçekimi”dir.

Bu arada! Okuyucularımız için şimdi %10 indirim var.

Yerçekimi dalgalarının keşfi

Yerçekimi dalgaları 1916'da Albert Einstein tarafından tahmin edilmişti, ancak yalnızca yüz yıl sonra, 2015'te keşfedildi.

Yerçekimi dalgaları nelerdir? Yine bir benzetme yapalım. Sakin suya bir taş atarsanız düştüğü yerden su yüzeyinde daireler görünecektir. Yerçekimi dalgaları aynı dalgalanmalardır, rahatsızlıklardır. Sadece suda değil, dünya uzay-zamanında.

Su yerine uzay-zaman var ve taş yerine de kara delik var. Kütlenin hızlandırılmış herhangi bir hareketi yerçekimsel bir dalga oluşturur. Eğer cisimler serbest düşme durumundaysa, bir çekim dalgası geçtiğinde aralarındaki mesafe değişecektir.

Yer çekimi çok zayıf bir kuvvet olduğundan, yer çekimi dalgalarını tespit etmek büyük teknik zorluklarla ilişkilendirilmiştir. Modern teknolojiler, yalnızca süper kütleli kaynaklardan gelen yerçekimsel dalga patlamalarının tespit edilmesini mümkün kılmıştır.

Yerçekimi dalgasını tespit etmek için uygun bir olay kara deliklerin birleşmesidir. Ne yazık ki ya da neyse ki, bu oldukça nadiren gerçekleşir. Yine de bilim insanları, Evrenin alanı boyunca tam anlamıyla yuvarlanan bir dalgayı kaydetmeyi başardılar.

Yerçekimi dalgalarını kaydetmek için 4 kilometre çapında bir dedektör yapıldı. Dalganın geçişi sırasında boşluktaki süspansiyonlar üzerindeki aynaların titreşimleri ve bunlardan yansıyan ışığın girişimi kaydedildi.

Yerçekimi dalgaları genel göreliliğin geçerliliğini doğruladı.

Yerçekimi ve temel parçacıklar

Standart modelde her etkileşimden belirli temel parçacıklar sorumludur. Parçacıkların etkileşimlerin taşıyıcıları olduğunu söyleyebiliriz.

Enerjiye sahip varsayımsal kütlesiz bir parçacık olan graviton, yerçekiminden sorumludur. Bu arada, ayrı materyalimizde çok fazla gürültüye neden olan Higgs bozonu ve diğer temel parçacıklar hakkında daha fazla bilgi edinin.

Son olarak, yerçekimi hakkında bazı ilginç gerçekleri burada bulabilirsiniz.

Yerçekimi hakkında 10 gerçek

1. Bir cismin yer çekimi kuvvetinin üstesinden gelebilmesi için 7,91 km/s hıza sahip olması gerekir. Bu ilk kaçış hızıdır. Bir cismin (örneğin bir uzay sondasının) gezegenin etrafındaki yörüngede hareket etmesi yeterlidir.
2. Dünyanın yerçekimi alanından kurtulmak için uzay aracının en az 11,2 km/s hıza sahip olması gerekir. Bu ikinci kaçış hızıdır.
3. Yer çekiminin en güçlü olduğu cisimler kara deliklerdir. Yerçekimleri o kadar güçlüdür ki ışığı (fotonları) bile çekerler.
4. Kuantum mekaniğinin hiçbir denkleminde yer çekimi kuvvetini bulamazsınız. Gerçek şu ki, yerçekimini denklemlere dahil etmeye çalıştığınızda bunlar geçerliliğini kaybediyor. Bu, modern fiziğin en önemli problemlerinden biridir.
5. Yerçekimi kelimesi Latince “ağır” anlamına gelen “gravis” kelimesinden gelir.
6. Nesne ne kadar büyük olursa, yerçekimi de o kadar güçlü olur. Dünya'da 60 kilo olan bir kişinin ağırlığı Jüpiter'e göre tartıldığında terazi 142 kiloyu gösterecektir.
7. NASA bilim insanları, yer çekimi kuvvetini yenerek nesnelerin temas etmeden hareket etmesini sağlayacak bir yer çekimi ışını geliştirmeye çalışıyor.
8. Yörüngedeki astronotlar da yerçekimini deneyimliyorlar. Daha doğrusu mikro yerçekimi. İçinde bulundukları gemiyle birlikte sonsuza kadar düşecek gibi görünüyorlar.
9. Yer çekimi her zaman çeker ve asla itmez.
10. Tenis topu büyüklüğündeki kara delik, nesneleri gezegenimizle aynı kuvvetle çekiyor.

Artık yer çekiminin tanımını biliyorsunuz ve çekim kuvvetini hesaplamak için hangi formülün kullanıldığını söyleyebiliyorsunuz. Bilimin graniti sizi yer çekiminden daha güçlü bir şekilde yere bastırıyorsa öğrenci hizmetlerimizle iletişime geçin. En ağır yükler altında rahatlıkla ders çalışmanıza yardımcı olacağız!

“Kuvvet nedir?” fizik şu şekilde cevap veriyor: "Kuvvet, maddi cisimlerin birbirleriyle veya cisimler ile diğer maddi nesneler - fiziksel alanlar arasındaki etkileşiminin bir ölçüsüdür." Doğadaki tüm kuvvetler dört temel etkileşim türüne göre sınıflandırılabilir: güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi. Makalemiz, doğadaki bu etkileşimlerin son ve belki de en yaygın türünün ölçüsü olan yerçekimi kuvvetlerinin ne olduğundan bahsediyor.

Dünyanın yerçekimiyle başlayalım

Yaşayan herkes, cisimleri yeryüzüne çeken bir kuvvetin var olduğunu bilir. Genellikle yerçekimi, yerçekimi veya yerçekimi olarak adlandırılır. Onun varlığı sayesinde insanlar, bir şeyin dünya yüzeyine göre hareket yönünü veya konumunu belirleyen “yukarı” ve “aşağı” kavramlarına sahiptir. Dolayısıyla, belirli bir durumda, dünyanın yüzeyinde veya yakınında, kütleli nesneleri birbirine çeken, etkilerini kozmik standartlara göre bile hem küçük hem de çok büyük herhangi bir mesafede gösteren yerçekimi kuvvetleri kendini gösterir.

Yerçekimi ve Newton'un üçüncü yasası

Bilindiği gibi herhangi bir kuvvet, eğer fiziksel cisimlerin etkileşiminin bir ölçüsü olarak düşünülürse, daima bunlardan birine uygulanır. Dolayısıyla cisimlerin birbirleriyle yerçekimsel etkileşiminde, her biri, her birinin etkisinin neden olduğu bu tür yerçekimi kuvvetlerini deneyimler. Yalnızca iki cisim varsa (diğerlerinin etkisinin ihmal edilebileceği varsayılır), o zaman Newton'un üçüncü yasasına göre her biri diğerini aynı kuvvetle çekecektir. Böylece Ay ve Dünya birbirini çekerek Dünya denizlerinin gel-gitine neden olur.

Güneş sistemindeki her gezegen, Güneş'ten ve diğer gezegenlerden gelen çeşitli çekim kuvvetlerine maruz kalır. Elbette, yörüngesinin şeklini ve boyutunu belirleyen Güneş'in çekim kuvvetidir, ancak gökbilimciler, hareketlerinin yörüngelerine ilişkin hesaplamalarında diğer gök cisimlerinin etkisini de hesaba katarlar.

Hangisi yüksekten yere daha hızlı düşecek?

Bu kuvvetin temel özelliği, kütleleri ne olursa olsun tüm nesnelerin aynı hızla yere düşmesidir. Bir zamanlar, 16. yüzyıla kadar her şeyin tam tersi olduğuna, ağır cisimlerin hafif olanlardan daha hızlı düşmesi gerektiğine inanılıyordu. Bu yanlış kanıyı ortadan kaldırmak için Galileo Galilei, eğik Pisa Kulesi'nden farklı ağırlıktaki iki gülleyi aynı anda düşürme şeklindeki ünlü deneyini gerçekleştirmek zorunda kaldı. Deneye tanık olanların beklentilerinin aksine her iki çekirdek de yüzeye aynı anda ulaştı. Bugün her okul çocuğu bunun, yerçekiminin herhangi bir cisme, bu cismin m kütlesinden bağımsız olarak aynı serbest düşüş ivmesini g = 9,81 m/s2 vermesi ve Newton'un ikinci yasasına göre değerinin eşit olması nedeniyle gerçekleştiğini biliyor. F = mg'a kadar.

Ay'daki ve diğer gezegenlerdeki çekim kuvvetleri bu ivmenin farklı değerlerine sahiptir. Ancak yerçekiminin onlar üzerindeki etkisinin doğası aynıdır.

Yer çekimi ve vücut ağırlığı

İlk kuvvet doğrudan vücudun kendisine uygulanırsa, ikincisi desteğine veya süspansiyonuna uygulanır. Bu durumda elastik kuvvetler her zaman desteklerden ve süspansiyonlardan gövdelere etki eder. Aynı cisimlere uygulanan yerçekimi kuvvetleri onlara doğru etki eder.

Bir yay ile yerden yukarıya asılı bir ağırlık hayal edin. Ona iki kuvvet uygulanır: gerilmiş yayın elastik kuvveti ve yerçekimi kuvveti. Newton'un üçüncü yasasına göre yük, yaya elastik kuvvete eşit ve zıt yönlü bir kuvvetle etki eder. Bu kuvvet onun ağırlığı olacaktır. 1 kg ağırlığındaki bir yükün ağırlığı P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N'ye (newton) eşittir.

Yerçekimi kuvvetleri: tanım

Gezegensel hareket gözlemlerine dayanan ilk niceliksel yerçekimi teorisi, 1687'de Isaac Newton tarafından ünlü "Doğal Felsefenin İlkeleri" kitabında formüle edildi. Güneş ve gezegenlere etki eden çekim kuvvetlerinin içerdikleri madde miktarına bağlı olduğunu yazdı. Uzun mesafelere yayılırlar ve her zaman mesafenin karesi ile orantılı olarak azalırlar. Bu çekim kuvvetlerini nasıl hesaplayabiliriz? Kütleleri m1 ve m2 olan ve r mesafesinde bulunan iki nesne arasındaki F kuvvetinin formülü şöyledir:

• F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
  burada G bir orantı sabiti, bir yerçekimi sabitidir.

Yer çekiminin fiziksel mekanizması

Newton teorisinden tam olarak memnun değildi, çünkü bu teori, belli bir mesafedeki cisimler arasındaki etkileşimi varsayıyordu. Büyük İngiliz'in kendisi de, bir bedenin eylemini diğerine aktarmaktan sorumlu bazı fiziksel ajanların olması gerektiğinden emindi ve bunu mektuplarından birinde oldukça açık bir şekilde belirtti. Ancak tüm uzayı kaplayan yer çekimi alanı kavramının ortaya atıldığı dönem yalnızca dört yüzyıl sonra geldi. Bugün yerçekimi hakkında konuşurken, herhangi bir (kozmik) cismin diğer cisimlerin yerçekimi alanıyla etkileşiminden bahsedebiliriz; bunun ölçüsü, her bir cisim çifti arasında ortaya çıkan yerçekimi kuvvetleridir. Newton tarafından yukarıdaki biçimde formüle edilen evrensel çekim yasası geçerliliğini koruyor ve birçok gerçekle doğrulanıyor.

Yerçekimi teorisi ve astronomi

18. yüzyılda ve 19. yüzyılın başlarında gök mekaniği problemlerinin çözümünde çok başarılı bir şekilde uygulandı. Örneğin, Uranüs'ün yörüngesindeki bozuklukları analiz eden matematikçiler D. Adams ve W. Le Verrier, onun henüz bilinmeyen bir gezegenle etkileşimin yerçekimsel kuvvetlerine maruz kaldığını öne sürdüler. Beklenen konumunu belirttiler ve çok geçmeden Neptün, gökbilimci I. Galle tarafından orada keşfedildi.

Ancak hâlâ bir sorun vardı. 1845'te Le Verrier, Merkür'ün yörüngesinin, Newton'un teorisinden elde edilen bu devinim sıfır değerinin aksine, yüzyılda 35 inç kadar ilerlediğini hesapladı. Sonraki ölçümler daha doğru bir değer olan 43"'i verdi. (Gözlemlenen devinim aslında 570"/yüzyıldır, ancak diğer tüm gezegenlerin etkisini çıkarmak için dikkatli bir hesaplama 43" değerini verir.)

Albert Einstein ancak 1915'te bu tutarsızlığı kendi yerçekimi teorisi çerçevesinde açıklayabildi. Büyük Güneş'in, diğer büyük cisimler gibi, çevresindeki uzay-zamanı büktüğü ortaya çıktı. Bu etkiler gezegenlerin yörüngelerinde sapmalara neden olur, ancak en küçük gezegen ve yıldızımıza en yakın gezegen olan Merkür'de en belirgindirler.

Atalet ve yerçekimi kütleleri

Yukarıda belirtildiği gibi nesnelerin kütlelerine bakılmaksızın aynı hızla yere düştüğünü ilk gözlemleyen Galileo olmuştur. Newton'un formüllerinde kütle kavramı iki farklı denklemden gelir. İkinci yasası, m kütleli bir cisme uygulanan F kuvvetinin F = ma denklemine göre ivme verdiğini söylüyor.

Bununla birlikte, bir cisme uygulanan yerçekimi kuvveti F, F = mg formülünü karşılar; burada g, söz konusu cisimle etkileşime giren diğer cisme bağlıdır (yerçekimi hakkında konuştuğumuzda genellikle dünya). Her iki denklemde de m bir orantı katsayısıdır, ancak ilk durumda eylemsizlik kütlesi, ikincisinde ise yerçekimi kütlesidir ve bunların herhangi bir fiziksel nesne için aynı olması gerektiğine dair açık bir neden yoktur.

Ancak tüm deneyler durumun gerçekten de böyle olduğunu gösteriyor.

Einstein'ın yerçekimi teorisi

Atalet ve çekimsel kütlelerin eşitliği gerçeğini teorisinin başlangıç ​​noktası olarak aldı. Yerçekimi alanı denklemlerini, ünlü Einstein denklemlerini oluşturmayı ve onların yardımıyla Merkür yörüngesinin deviniminin doğru değerini hesaplamayı başardı. Ayrıca Güneş'in yakınından geçen ışık ışınlarının sapması için de ölçülmüş bir değer verirler ve makroskobik kütle çekimi için de doğru sonuçları verdiklerine şüphe yoktur. Einstein'ın yerçekimi teorisi veya kendi deyimiyle genel görelilik teorisi (GR), modern bilimin en büyük zaferlerinden biridir.

Yerçekimi kuvvetleri ivmeleniyor mu?

Atalet kütlesini yerçekimi kütlesinden ayırt edemiyorsanız, yerçekimini ivmeden ayırt edemezsiniz. Yerçekimi alanı deneyi bunun yerine, yerçekiminin yokluğunda hızlanan bir asansörde gerçekleştirilebilir. Bir roketteki astronot Dünya'dan uzaklaşırken, Dünya'nınkinden birkaç kat daha büyük bir yerçekimi kuvvetiyle karşılaşır ve bunun büyük çoğunluğu ivmeden kaynaklanır.

Eğer hiç kimse yerçekimini ivmeden ayırt edemiyorsa, o zaman birincisi her zaman ivme ile yeniden üretilebilir. Yer çekiminin yerini ivmenin aldığı sisteme atalet denir. Bu nedenle alçak Dünya yörüngesindeki Ay'ın eylemsiz bir sistem olduğu da düşünülebilir. Ancak yerçekimi alanı değiştikçe bu sistem noktadan noktaya farklılık gösterecektir. (Ay örneğinde çekim alanı bir noktadan diğerine yön değiştirmektedir.) Çekimin yokluğunda fiziğin yasalara uyduğu, uzay ve zamanda herhangi bir noktada her zaman bir eylemsizlik sistemi bulunabileceği ilkesine denir. denklik ilkesi.

Uzay-zamanın geometrik özelliklerinin bir tezahürü olarak yerçekimi

Yerçekimi kuvvetlerinin, eylemsizlik koordinat sistemlerinde noktadan noktaya farklılık gösteren ivmeler olarak düşünülebilmesi, yerçekiminin geometrik bir kavram olduğu anlamına gelir.

Uzay-zamanın kavisli olduğunu söylüyoruz. Düz bir yüzey üzerinde bir top düşünün. Üzerine etki eden herhangi bir kuvvet olmadığında duracak veya sürtünme yoksa düzgün bir şekilde hareket edecektir. Yüzey kavisli ise top hızlanacak ve en kısa yolu kullanarak en alçak noktaya doğru hareket edecektir. Benzer şekilde Einstein'ın teorisi de dört boyutlu uzay-zamanın kavisli olduğunu ve bir cismin bu kavisli uzayda en kısa yola karşılık gelen jeodezik bir çizgi boyunca hareket ettiğini belirtir. Bu nedenle, yerçekimi alanı ve içinde fiziksel cisimler üzerinde etkili olan yerçekimi kuvvetleri, büyük cisimlerin yakınında en güçlü şekilde değişen, uzay-zamanın özelliklerine bağlı olan geometrik niceliklerdir.

Antik çağlardan beri insanlık, etrafımızdaki dünyanın nasıl çalıştığını düşündü. Neden çimen büyüyor, neden Güneş parlıyor, neden uçamıyoruz... Bu arada ikincisi her zaman insanların özel ilgisini çekmiştir. Artık her şeyin sebebinin yerçekimi olduğunu biliyoruz. Ne olduğunu ve bu fenomenin Evren ölçeğinde neden bu kadar önemli olduğunu bugün ele alacağız.

Giriş kısmı

Bilim adamları, tüm büyük cisimlerin birbirlerine karşı karşılıklı çekim yaşadığını bulmuşlardır. Daha sonra bu gizemli kuvvetin gök cisimlerinin sabit yörüngelerindeki hareketlerini de belirlediği ortaya çıktı. Yerçekimi teorisinin kendisi, hipotezleri gelecek yüzyıllar boyunca fiziğin gelişimini önceden belirleyen bir dahi tarafından formüle edildi. Geçen yüzyılın en büyük beyinlerinden biri olan Albert Einstein, bu öğretiyi (tamamen farklı bir yönde de olsa) geliştirdi ve sürdürdü.

Bilim insanları yüzyıllardır yerçekimini gözlemlemiş, onu anlamaya ve ölçmeye çalışmışlardır. Son olarak, son birkaç on yılda, yerçekimi gibi bir olgu bile insanlığın hizmetine sunuldu (bir anlamda elbette). Nedir bu, söz konusu terimin modern bilimdeki tanımı nedir?

Bilimsel tanım

Antik düşünürlerin eserlerini incelerseniz Latince "gravitas" kelimesinin "yerçekimi", "çekicilik" anlamına geldiğini öğrenebilirsiniz. Bugün bilim insanları buna maddi cisimler arasındaki evrensel ve sürekli etkileşim adını veriyor. Bu kuvvet nispeten zayıfsa ve yalnızca çok daha yavaş hareket eden nesnelere etki ediyorsa, o zaman Newton'un teorisi onlara uygulanabilir. Eğer durum tam tersi ise Einstein'ın vardığı sonuçlardan faydalanılmalıdır.

Hemen bir rezervasyon yapalım: Şu anda yerçekiminin doğası prensipte tam olarak anlaşılmamıştır. Hala ne olduğunu tam olarak anlamış değiliz.

Newton ve Einstein'ın Teorileri

Isaac Newton'un klasik öğretisine göre tüm cisimler birbirlerini kütleleriyle doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çekerler. Einstein, nesneler arasındaki çekimin uzay ve zamanın eğriliği durumunda kendini gösterdiğini (ve uzayın eğriliğinin ancak içinde madde varsa mümkün olabileceğini) savundu.

Bu fikir çok derindi ama modern araştırmalar bunun bir bakıma hatalı olduğunu kanıtlıyor. Bugün uzaydaki yerçekiminin yalnızca uzayı büktüğüne inanılıyor: Zaman yavaşlatılabilir ve hatta durdurulabilir, ancak geçici maddenin şeklini değiştirmenin gerçekliği teorik olarak doğrulanmadı. Bu nedenle Einstein'ın klasik denklemi, uzayın maddeyi ve bunun sonucunda ortaya çıkan manyetik alanı etkilemeye devam etme ihtimalini bile öngörmüyor.

Yer çekimi kanunu (evrensel çekim) en iyi bilinenidir ve matematiksel ifadesi Newton'a aittir:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ, değeri 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²) olan yer çekimi sabitini ifade eder (bazen G sembolü kullanılır).

Temel parçacıklar arasındaki etkileşim

Etrafımızdaki uzayın inanılmaz karmaşıklığı büyük ölçüde sonsuz sayıda temel parçacıktan kaynaklanmaktadır. Aralarında ancak tahmin edebileceğimiz düzeyde çeşitli etkileşimler de vardır. Bununla birlikte, temel parçacıklar arasındaki her türlü etkileşimin güçleri önemli ölçüde farklılık gösterir.

Bildiğimiz en güçlü kuvvetler atom çekirdeğinin bileşenlerini birbirine bağlar. Onları ayırmak için gerçekten muazzam miktarda enerji harcamanız gerekir. Elektronlara gelince, çekirdeğe yalnızca sıradan olanlar tarafından "bağlanır", bazen en sıradan kimyasal reaksiyon sonucu ortaya çıkan enerji onu durdurmak için yeterlidir. Atomlar ve atom altı parçacıklar biçimindeki yerçekimi (ne olduğunu zaten biliyorsunuz) en kolay etkileşim türüdür.

Bu durumda yerçekimi alanı o kadar zayıf ki hayal etmek zor. İşin tuhafı, kütlesini hayal etmek bazen imkansız olan gök cisimlerinin hareketini "izleyenler" onlardır. Bütün bunlar, özellikle büyük fiziksel bedenlerde belirgin olan yerçekiminin iki özelliği sayesinde mümkündür:

• Atomik olanların aksine, nesneden belli bir mesafede daha belirgindir. Böylece, Dünya'nın yerçekimi Ay'ı bile kendi alanında tutar ve Jüpiter'den gelen benzer bir kuvvet, her birinin kütlesi Dünya'nınkiyle oldukça karşılaştırılabilir olan birkaç uydunun yörüngelerini aynı anda kolayca destekler!
• Ayrıca nesneler arasında daima çekim sağlar ve mesafe arttıkça bu kuvvet küçük bir hızda zayıflar.

Az çok tutarlı bir yerçekimi teorisinin oluşumu nispeten yakın zamanda gerçekleşti ve tam olarak gezegenlerin ve diğer gök cisimlerinin hareketlerine ilişkin asırlık gözlemlerin sonuçlarına dayanıyordu. Görev, hepsinin başka olası etkileşimlerin olmadığı bir boşlukta hareket etmesi gerçeğiyle büyük ölçüde kolaylaştırıldı. O dönemin iki önemli gökbilimcisi Galileo ve Kepler, yaptıkları en değerli gözlemlerle yeni keşiflere zemin hazırlamaya yardımcı oldular.

Ancak ilk yerçekimi teorisini yalnızca büyük Isaac Newton yaratabildi ve bunu matematiksel olarak ifade edebildi. Bu, matematiksel gösterimi yukarıda sunulan ilk yerçekimi yasasıydı.

Newton ve bazı öncüllerinin sonuçları

Çevremizdeki dünyada var olan diğer fiziksel olayların aksine, yerçekimi kendini her zaman ve her yerde gösterir. Sözde bilimsel çevrelerde sıklıkla karşılaşılan "sıfır yerçekimi" teriminin son derece yanlış olduğunu anlamalısınız: Uzaydaki ağırlıksızlık bile bir kişinin veya uzay gemisinin büyük bir nesnenin yerçekiminden etkilenmediği anlamına gelmez.

Ayrıca tüm maddi cisimlerin kendilerine uygulanan kuvvet ve bu etki nedeniyle elde edilen ivme şeklinde ifade edilen belirli bir kütlesi vardır.

Bu nedenle yerçekimi kuvvetleri nesnelerin kütlesiyle orantılıdır. Söz konusu her iki cismin kütlelerinin çarpımı elde edilerek sayısal olarak ifade edilebilirler. Bu kuvvet, nesneler arasındaki mesafenin karesi ile ters ilişkiye kesinlikle uymaktadır. Diğer tüm etkileşimler tamamen farklı şekilde iki cisim arasındaki mesafelere bağlıdır.

Teorinin temel taşı olarak kütle

Nesnelerin kütlesi, Einstein'ın tüm modern yerçekimi ve görelilik teorisinin etrafında inşa edildiği özel bir tartışma noktası haline geldi. İkinciyi hatırlıyorsanız, muhtemelen kütlenin herhangi bir fiziksel maddi bedenin zorunlu bir özelliği olduğunu biliyorsunuzdur. Bir nesneye, kökenine bakılmaksızın kuvvet uygulandığında nasıl davranacağını gösterir.

Tüm cisimler (Newton'a göre) bir dış kuvvete maruz kaldıklarında ivmelendiklerinden, bu ivmenin ne kadar büyük olacağını belirleyen kütledir. Daha anlaşılır bir örneğe bakalım. Bir scooter ve bir otobüs hayal edin: Onlara tam olarak aynı kuvveti uygularsanız, farklı zamanlarda farklı hızlara ulaşacaklardır. Yerçekimi teorisi tüm bunları açıklıyor.

Kütle ve yerçekimi arasındaki ilişki nedir?

Yerçekimi hakkında konuşursak, bu fenomendeki kütle, bir nesnenin kuvveti ve ivmesi ile ilgili olarak oynadığı rolün tamamen tersi bir rol oynar. Cazibenin birincil kaynağı odur. İki cisim alırsanız ve ilk ikisinden eşit uzaklıkta bulunan üçüncü bir nesneyi çektikleri kuvvete bakarsanız, tüm kuvvetlerin oranı ilk iki nesnenin kütlelerinin oranına eşit olacaktır. Yani yer çekimi kuvveti cismin kütlesiyle doğru orantılıdır.

Newton'un Üçüncü Yasasını dikkate alırsak, tam olarak aynı şeyi söylediğini görebiliriz. Çekim kaynağından eşit uzaklıkta bulunan iki cisme etki eden yerçekimi kuvveti doğrudan bu nesnelerin kütlesine bağlıdır. Günlük yaşamda, bir cismin gezegenin yüzeyine çekilmesini sağlayan kuvvetten ağırlığı olarak bahsederiz.

Bazı sonuçları özetleyelim. Yani kütle ivmeyle yakından ilişkilidir. Aynı zamanda yerçekiminin vücuda etki edeceği kuvveti de belirleyen odur.

Yerçekimi alanında cisimlerin hızlanmasının özellikleri

Bu şaşırtıcı ikilik, aynı çekim alanında tamamen farklı nesnelerin ivmelerinin eşit olmasının nedenidir. İki bedenimiz olduğunu varsayalım. Bunlardan birine z kütlesini, diğerine de Z kütlesini atayalım.Her iki cisim de yere bırakılıyor ve orada serbestçe düşüyorlar.

Çekici kuvvetlerin oranı nasıl belirlenir? En basit matematiksel formül olan z/Z ile gösterilir. Ancak yer çekimi kuvvetinin bir sonucu olarak aldıkları ivme kesinlikle aynı olacaktır. Basitçe söylemek gerekirse, bir cismin yerçekimi alanında sahip olduğu ivme hiçbir şekilde onun özelliklerine bağlı değildir.

Açıklanan durumda ivme neye bağlıdır?

Bu sadece (!) bu alanı oluşturan nesnelerin kütlesine ve bunların mekansal konumlarına bağlıdır. Yerçekimi alanında kütlenin ikili rolü ve farklı cisimlerin eşit ivmesi nispeten uzun bir süredir keşfedilmiştir. Bu fenomen şu adı aldı: “Eşdeğerlik ilkesi.” Bu terim, ivme ve ataletin çoğu zaman (elbette belli bir dereceye kadar) eşdeğer olduğunu bir kez daha vurgulamaktadır.

G değerinin önemi hakkında

Okul fizik dersinden, gezegenimizin yüzeyindeki yerçekimi ivmesinin (Dünya'nın yerçekimi) 10 m/sn²'ye (tabii ki 9,8, ancak bu değer hesaplamaların basitliği için kullanılmıştır) eşit olduğunu hatırlıyoruz. Bu nedenle, hava direncini hesaba katmazsanız (kısa bir düşme mesafesi ile önemli bir yükseklikte), vücut 10 m/sn'lik bir ivme artışı elde ettiğinde etkiyi elde edersiniz. her saniye. Yani bir evin ikinci katından düşen bir kitap, uçuşunun sonunda 30-40 m/sn hızla hareket edecektir. Basitçe söylemek gerekirse 10 m/s, Dünya'daki yerçekiminin “hızıdır”.

Fizik literatüründe yer çekimi ivmesi “g” harfiyle gösterilmektedir. Dünyanın şekli küreden çok mandalinaya benzediği için bu miktarın değeri her bölgede aynı değildir. Yani kutuplarda ivme daha fazla, yüksek dağların zirvelerinde ise daha az oluyor.

Madencilik endüstrisinde bile yerçekimi önemli bir rol oynamaktadır. Bu olgunun fiziği bazen çok fazla zaman kazandırabilir. Bu nedenle jeologlar, özellikle g'nin mükemmel doğrulukta belirlenmesiyle ilgilenirler; çünkü bu, onların maden yataklarını olağanüstü bir doğrulukla keşfetmelerine ve bulmalarına olanak tanır. Bu arada, dikkate aldığımız miktarın önemli bir rol oynadığı yerçekimi formülü neye benziyor? İşte burada:

Not! Bu durumda yerçekimi formülü G ile yukarıda anlamını verdiğimiz “yerçekimi sabiti” anlamına gelir.

Bir zamanlar Newton yukarıdaki ilkeleri formüle etti. Hem birliği hem de evrenselliği mükemmel bir şekilde anladı, ancak bu olgunun tüm yönlerini tanımlayamadı. Bu onur, eşdeğerlik ilkesini de açıklayabilen Albert Einstein'a düştü. İnsanlığın uzay-zaman sürekliliğinin doğasına ilişkin modern anlayışı ona borçludur.

Görelilik teorisi, Albert Einstein'ın eserleri

Isaac Newton'un zamanında, referans noktalarının, bir cismin uzaysal koordinat sistemindeki konumunun belirlendiği bir tür sert "çubuklar" şeklinde temsil edilebileceğine inanılıyordu. Aynı zamanda bu koordinatları işaretleyen tüm gözlemcilerin aynı zaman uzayında olacağı varsayılmıştır. O yıllarda bu hüküm o kadar açık görülüyordu ki, ona karşı çıkmak veya onu tamamlamak için hiçbir girişimde bulunulmamıştı. Ve bu anlaşılabilir bir durum çünkü gezegenimizin sınırları içinde bu kuralda herhangi bir sapma yok.

Einstein, varsayımsal bir saatin ışık hızından çok daha yavaş hareket etmesi durumunda ölçümün doğruluğunun gerçekten önemli olacağını kanıtladı. Basitçe söylemek gerekirse, ışık hızından daha yavaş hareket eden bir gözlemci iki olayı takip ederse, bu olaylar onun için aynı anda gerçekleşecektir. Buna göre ikinci gözlemci için? Hızı aynı veya daha büyük olan cisimlerde olaylar farklı zamanlarda meydana gelebilir.

Peki yerçekiminin görelilik teorisiyle nasıl bir ilişkisi var? Bu soruya ayrıntılı olarak bakalım.

Görelilik teorisi ile yerçekimi kuvvetleri arasındaki bağlantı

Son yıllarda atom altı parçacıklar alanında çok sayıda keşif yapıldı. Dünyamızın ötesinde parçalanamayacağı son parçacığı bulmak üzere olduğumuza dair inanç güçleniyor. Evrenimizin en küçük “yapı taşlarının” geçen yüzyılda, hatta daha önce keşfedilen temel kuvvetlerden tam olarak nasıl etkilendiğini bulma ihtiyacı daha da ısrarcı hale geliyor. Yer çekiminin doğasının henüz açıklanmamış olması özellikle hayal kırıklığı yaratıyor.

Bu nedenle, Newton'un klasik mekaniğinin söz konusu alanda "yetersizliğini" ortaya koyan Einstein'ın ardından araştırmacılar, daha önce elde edilen verileri tamamen yeniden düşünmeye odaklandılar. Yerçekiminin kendisi büyük bir revizyondan geçti. Atomaltı parçacık seviyesinde nedir? Bu şaşırtıcı çok boyutlu dünyada bunun bir önemi var mı?

Basit bir çözüm mü?

İlk başta pek çok kişi, Newton'un kütleçekimi ile görelilik teorisi arasındaki tutarsızlığın, elektrodinamik alanından analojiler çizilerek oldukça basit bir şekilde açıklanabileceğini varsaydı. Yerçekimi alanının manyetik bir alan gibi yayıldığı varsayılabilir, bundan sonra gök cisimlerinin etkileşimlerinde bir "aracı" olarak ilan edilebilir, bu da eski ve yeni teoriler arasındaki tutarsızlıkların çoğunu açıklar. Gerçek şu ki, o zaman söz konusu kuvvetlerin göreceli yayılma hızları ışık hızından önemli ölçüde düşük olacaktır. Peki yerçekimi ve zaman arasında nasıl bir ilişki vardır?

Prensipte, Einstein'ın kendisi de tam olarak bu tür görüşlere dayalı bir görelilik teorisi oluşturmayı neredeyse başardı, ancak yalnızca bir durum onun niyetini engelledi. O zamanın hiçbir bilim adamının yerçekiminin "hızını" belirlemeye yardımcı olabilecek hiçbir bilgisi yoktu. Ancak geniş kitlelerin hareketlerine ilişkin pek çok bilgi vardı. Bilindiği gibi, güçlü yerçekimi alanlarının ortaya çıkmasının genel olarak kabul edilen kaynağı bunlardı.

Yüksek hızlar cisimlerin kütlelerini büyük ölçüde etkiler ve bu hiçbir şekilde hız ve yükün etkileşimine benzemez. Hız ne kadar yüksek olursa vücut kütlesi de o kadar büyük olur. Sorun, ışık hızında veya daha hızlı hareket edildiğinde ikinci değerin otomatik olarak sonsuz hale gelmesidir. Bu nedenle Einstein, daha birçok değişkenin kullanılması gerektiğini açıklamak için bir yerçekimi alanının değil, bir tensör alanının olduğu sonucuna vardı.

Takipçileri yerçekimi ile zamanın pratik olarak ilgisiz olduğu sonucuna vardı. Gerçek şu ki, bu tensör alanının kendisi uzaya etki edebilir ancak zamanı etkileyemez. Ancak parlak modern fizikçi Stephen Hawking'in farklı bir bakış açısı var. Ama bu tamamen farklı bir hikaye...

Birbirinden mesafeyle ayrılan iki maddi kütle noktası arasındaki çekim kuvvetinin, her iki kütleyle orantılı, mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu belirten Newton:

Burada yaklaşık 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²)'ye eşit olan yer çekimi sabiti bulunmaktadır.

Evrensel çekim yasası, radyasyon çalışmasında da bulunan (örneğin, Işık Basıncına bakınız) ters kare yasasının uygulamalarından biridir ve alandaki ikinci dereceden artışın doğrudan bir sonucudur. yarıçapı artan küre, bu da herhangi bir birim alanın tüm kürenin alanına katkısında ikinci dereceden bir azalmaya yol açar.

Yerçekimi alanı, yerçekimi alanı gibi potansiyeldir. Bu, bir çift cismin yerçekimsel çekiminin potansiyel enerjisini uygulayabileceğiniz ve bu enerjinin, cisimleri kapalı bir döngü boyunca hareket ettirdikten sonra değişmeyeceği anlamına gelir. Yerçekimi alanının potansiyeli, kinetik ve potansiyel enerjinin toplamının korunumu yasasını gerektirir ve yerçekimi alanındaki cisimlerin hareketini incelerken çoğu zaman çözümü önemli ölçüde basitleştirir. Newton mekaniği çerçevesinde yerçekimi etkileşimi uzun menzillidir. Bu, büyük bir cisim ne kadar hareket ederse etsin, uzayın herhangi bir noktasındaki çekim potansiyelinin yalnızca vücudun belirli bir andaki konumuna bağlı olduğu anlamına gelir.

Büyük uzay nesneleri (gezegenler, yıldızlar ve galaksiler) çok büyük kütleye sahiptir ve bu nedenle önemli çekim alanları yaratırlar.

Yerçekimi en zayıf etkileşimdir. Ancak tüm mesafelerde etki gösterdiği ve tüm kütleleri pozitif olduğu için yine de Evrende çok önemli bir kuvvettir. Özellikle kozmik ölçekte cisimler arasındaki elektromanyetik etkileşim küçüktür, çünkü bu cisimlerin toplam elektrik yükü sıfırdır (madde bir bütün olarak elektriksel olarak nötrdür).

Ayrıca yerçekimi, diğer etkileşimlerden farklı olarak tüm madde ve enerji üzerindeki etkisi bakımından evrenseldir. Yerçekimi etkileşimi olmayan hiçbir nesne keşfedilmedi.

Küresel doğası nedeniyle yerçekimi, galaksilerin yapısı, kara delikler ve Evrenin genişlemesi gibi büyük ölçekli etkilerden ve temel astronomik olaylardan - gezegenlerin yörüngelerinden ve gezegenin yüzeyine basit çekimden sorumludur. Dünya ve bedenlerin düşüşü.

Yerçekimi matematiksel teori tarafından tanımlanan ilk etkileşimdi. Aristoteles, farklı kütlelere sahip nesnelerin farklı hızlarda düştüğüne inanıyordu. Ancak çok sonra Galileo Galilei deneysel olarak bunun böyle olmadığını belirledi; hava direnci ortadan kaldırılırsa tüm cisimler eşit şekilde hızlanır. Isaac Newton'un evrensel çekim yasası (1687), yerçekiminin genel davranışını iyi tanımladı. 1915'te Albert Einstein, yerçekimini uzay-zaman geometrisi açısından daha doğru bir şekilde tanımlayan Genel Görelilik Teorisini yarattı.

Gök mekaniği ve bazı görevleri

Gök mekaniğinin en basit problemi, boş uzaydaki iki nokta veya küresel cisimlerin yerçekimsel etkileşimidir. Klasik mekanik çerçevesindeki bu problem analitik olarak kapalı biçimde çözülmekte; çözümünün sonucu genellikle Kepler'in üç yasası biçiminde formüle edilir.

Etkileşen cisimlerin sayısı arttıkça görev dramatik biçimde daha karmaşık hale gelir. Bu nedenle, zaten meşhur olan üç cisim problemi (yani, sıfır olmayan kütlelere sahip üç cismin hareketi), genel bir biçimde analitik olarak çözülemez. Sayısal bir çözümde, çözümlerin başlangıç ​​koşullarına göre kararsızlığı oldukça hızlı bir şekilde ortaya çıkar. Güneş Sistemine uygulandığında bu istikrarsızlık, yüz milyon yılı aşan ölçeklerdeki gezegenlerin hareketlerini doğru bir şekilde tahmin etmemize izin vermiyor.

Bazı özel durumlarda yaklaşık bir çözüm bulmak mümkündür. En önemlisi, bir cismin kütlesinin diğer cisimlerin kütlesinden önemli ölçüde daha büyük olduğu durumdur (örnekler: Güneş sistemi ve Satürn halkalarının dinamikleri). Bu durumda, ilk yaklaşım olarak, hafif cisimlerin birbirleriyle etkileşime girmediğini ve büyük cisim etrafında Kepler yörüngeleri boyunca hareket ettiğini varsayabiliriz. Aralarındaki etkileşimler pertürbasyon teorisi çerçevesinde dikkate alınabilir ve zaman içinde ortalaması alınabilir. Bu durumda rezonanslar, çekiciler, kaos vb. gibi önemsiz olmayan olaylar ortaya çıkabilir. Bu tür olayların açık bir örneği, Satürn halkalarının karmaşık yapısıdır.

Yaklaşık olarak aynı kütleye sahip çok sayıda çekici cisimden oluşan bir sistemin davranışını doğru bir şekilde tanımlama çabalarına rağmen, dinamik kaos olgusu nedeniyle bu yapılamaz.

Güçlü yerçekimi alanları

Güçlü yerçekimi alanlarında ve yerçekimi alanında göreceli hızlarda hareket ederken, genel görelilik teorisinin (GTR) etkileri ortaya çıkmaya başlar:

• uzay-zamanın geometrisini değiştirmek;
  • sonuç olarak yerçekimi yasasının Newton yasasından sapması;
  • ve aşırı durumlarda - kara deliklerin ortaya çıkışı;
• yerçekimi bozukluklarının sonlu yayılma hızıyla ilişkili potansiyellerin gecikmesi;
  • sonuç olarak yerçekimi dalgalarının ortaya çıkışı;
• Doğrusal olmayan etkiler: yerçekimi kendisiyle etkileşime girme eğilimindedir, bu nedenle güçlü alanlardaki süperpozisyon ilkesi artık geçerli değildir.

Yerçekimi radyasyonu

Genel göreliliğin önemli tahminlerinden biri, varlığı henüz doğrudan gözlemlerle doğrulanmayan yerçekimi radyasyonudur. Bununla birlikte, varlığını destekleyen önemli dolaylı kanıtlar vardır: özellikle ünlü PSR B1913+16 sisteminde (Hulse-Taylor) yoğun çekimli nesneler (nötron yıldızları veya kara delikler gibi) içeren yakın ikili sistemlerdeki enerji kayıpları. pulsar) - bu enerjinin tam olarak yerçekimi radyasyonu tarafından taşındığı genel görelilik modeliyle iyi bir uyum içindedir.

Yerçekimi radyasyonu yalnızca değişken dört kutuplu veya daha yüksek çok kutuplu momentlere sahip sistemler tarafından üretilebilir; bu gerçek, çoğu doğal kaynağın yerçekimsel radyasyonunun yönlü olduğunu ve bu da tespitini önemli ölçüde zorlaştırdığını göstermektedir. Yerçekimi gücü N-çok kutuplu elektrik tipinde ise alan kaynağı orantılıdır ve - çok kutuplu manyetik tipte ise, burada v yayılan sistemdeki kaynakların karakteristik hareket hızıdır ve C- ışık hızı. Böylece, baskın moment elektrik tipinin dört kutuplu momenti olacaktır ve karşılık gelen radyasyonun gücü şuna eşittir:

yayılan sistemin kütle dağılımının dört kutuplu moment tensörü nerede. Sabit (1/W), radyasyon gücünün büyüklük sırasını tahmin etmemizi sağlar.

1969'dan beri (Weber'in deneyleri ( İngilizce))), yerçekimi radyasyonunu doğrudan tespit etmek için girişimlerde bulunulmaktadır. ABD, Avrupa ve Japonya'da şu anda çalışan birkaç yer tabanlı dedektör bulunmaktadır (LIGO, VIRGO, TAMA ( İngilizce), GEO 600) ve LISA (Lazer İnterferometre Uzay Anteni) uzay yerçekimi dedektörü projesi. Rusya'da yer tabanlı bir dedektör, Tataristan Cumhuriyeti'ndeki Dulkyn Bilimsel Yerçekimi Dalgası Araştırma Merkezi'nde geliştiriliyor.

Yer çekiminin ince etkileri

Dünyanın yörüngesindeki uzayın eğriliğinin ölçülmesi (sanatçının çizimi)

Kütleçekimsel çekim ve zaman genişlemesinin klasik etkilerine ek olarak, genel görelilik teorisi, yerçekiminin, karasal koşullar altında çok zayıf olan ve bu nedenle tespit edilmesi ve deneysel olarak doğrulanması çok zor olan başka belirtilerinin de varlığını öngörür. Yakın zamana kadar bu zorlukların üstesinden gelmek deneycilerin yeteneklerinin ötesinde görünüyordu.

Bunların arasında özellikle eylemsiz referans çerçevelerinin sürüklenmesini (veya Lense-Thirring etkisini) ve gravitomanyetik alanı sayabiliriz. 2005 yılında NASA'nın robotik Yerçekimi Sondası B, Dünya yakınında bu etkileri ölçmek için benzeri görülmemiş bir hassas deney gerçekleştirdi. Elde edilen verilerin işlenmesi Mayıs 2011'e kadar gerçekleştirildi ve başlangıçta varsayılandan biraz daha düşük bir doğrulukla olmasına rağmen, jeodezik devinim ve atalet referans sistemlerinin sürüklenmesinin etkilerinin varlığı ve büyüklüğü doğrulandı.

Ölçüm gürültüsünü analiz etmek ve çıkarmak için yapılan yoğun çalışmaların ardından, görevin nihai sonuçları 4 Mayıs 2011'de NASA-TV'de düzenlenen bir basın toplantısında duyuruldu ve Physical Review Letters'da yayınlandı. Jeodezik devinimin ölçülen değeri −6601,8±18,3 milisaniye yıllık yaylar ve sürüklenme etkisi - −37,2±7,2 milisaniye yıllık yay (−6606,1 mas/yıl ve −39,2 mas/yıl teorik değerleri ile karşılaştırın).

Klasik yerçekimi teorileri

Ayrıca bakınız: Yerçekimi teorileri

Kütleçekiminin kuantum etkilerinin en uç deneysel ve gözlemsel koşullar altında bile son derece küçük olması nedeniyle, bunlara ilişkin güvenilir gözlemler hâlâ mevcut değildir. Teorik tahminler, vakaların büyük çoğunluğunda kişinin kendisini yerçekimsel etkileşimin klasik tanımıyla sınırlayabileceğini göstermektedir.

Modern bir kanonik klasik yerçekimi teorisi var - genel görelilik teorisi ve birbiriyle rekabet eden, farklı gelişim derecelerine sahip birçok açıklayıcı hipotez ve teori. Bu teorilerin tümü, halihazırda deneysel testlerin yürütüldüğü yaklaşım dahilinde birbirine çok benzer tahminler yapmaktadır. Aşağıda birkaç temel, en iyi geliştirilmiş veya bilinen yerçekimi teorileri yer almaktadır.

Genel görelilik teorisi

Genel görelilik teorisinin (GTR) standart yaklaşımında, yerçekimi başlangıçta bir kuvvet etkileşimi olarak değil, uzay-zamanın eğriliğinin bir tezahürü olarak kabul edilir. Dolayısıyla genel görelilikte kütleçekimi geometrik bir etki olarak yorumlanır ve uzay-zaman Öklid dışı Riemann (daha kesin olarak sözde Riemann) geometrisi çerçevesinde değerlendirilir. Yerçekimi alanı (Newton yerçekimi potansiyelinin bir genellemesi), bazen yerçekimi alanı olarak da adlandırılır, genel görelilik, tensör metrik alanıyla (dört boyutlu uzay-zamanın ölçüsü ve yerçekimi alanının gücü) tanımlanır. metrik tarafından belirlenen uzay-zamanın afin bağlantısı.

Genel göreliliğin standart görevi, söz konusu dört boyutlu koordinat sistemindeki enerji-momentum kaynaklarının bilinen dağılımından, uzay-zamanın geometrik özelliklerini birlikte tanımlayan metrik tensörün bileşenlerini belirlemektir. Buna karşılık, metriğin bilgisi, belirli bir sistemdeki yerçekimi alanının özelliklerinin bilgisine eşdeğer olan test parçacıklarının hareketinin hesaplanmasına olanak tanır. Genel görelilik denklemlerinin tensör niteliğinden ve formülasyonunun standart temel gerekçesinden dolayı, kütle çekiminin de tensör niteliğinde olduğuna inanılmaktadır. Bunun bir sonucu, yerçekimsel radyasyonun en azından dört kutuplu olması gerektiğidir.

Genel görelilikte, bu enerji bir tensör tarafından tanımlanmadığından ve teorik olarak farklı şekillerde belirlenebildiğinden, yerçekimi alanının enerjisinin değişmezliğinden dolayı zorluklar olduğu bilinmektedir. Klasik genel görelilikte, dönüş-yörünge etkileşimini tanımlama sorunu da ortaya çıkar (çünkü genişlemiş bir nesnenin dönüşünün de kesin bir tanımı yoktur). Sonuçların belirsizliği ve tutarlılığın gerekçelendirilmesi (kütleçekimsel tekillikler sorunu) ile ilgili bazı sorunların olduğuna inanılmaktadır.

Ancak genel görelilik çok yakın bir zamana kadar (2012) deneysel olarak doğrulanmıştı. Ek olarak, yerçekimi teorisinin formülasyonunda Einstein'ın modern fizik için standart olan yaklaşımlarına birçok alternatif yaklaşım, şu anda deneysel olarak doğrulanabilen tek yaklaşım olan düşük enerji yaklaşımında genel görelilik ile örtüşen bir sonuca yol açmaktadır.

Einstein-Cartan teorisi

Denklemlerin benzer şekilde iki sınıfa bölünmesi RTG'de de meydana gelir; burada ikinci tensör denklemi Öklid dışı uzay ile Minkowski uzayı arasındaki bağlantıyı hesaba katmak için tanıtılmıştır. Jordan-Brans-Dicke teorisinde boyutsuz bir parametrenin varlığı sayesinde, teorinin sonuçlarının yerçekimi deneylerinin sonuçlarıyla örtüşecek şekilde seçilmesi mümkün hale gelir. Üstelik parametre sonsuza doğru yöneldikçe teorinin öngörüleri genel göreliliğe giderek daha yakın hale gelir, dolayısıyla Jordan-Brans-Dicke teorisini genel görelilik teorisini doğrulayan herhangi bir deneyle çürütmek imkansızdır.

Kuantum yerçekimi teorisi

Yarım asırdan fazla süren çabalara rağmen kütleçekimi, genel kabul görmüş tutarlı bir kuantum teorisinin henüz oluşturulamadığı tek temel etkileşimdir. Düşük enerjilerde, kuantum alan teorisinin ruhuna uygun olarak, kütleçekimsel etkileşim, gravitonların (spin 2 ayarlı bozonlar) değişimi olarak düşünülebilir.Ancak, ortaya çıkan teori yeniden normalleştirilemez ve bu nedenle yetersiz kabul edilir.

Son yıllarda, yerçekimini niceleme problemini çözmek için umut verici üç yaklaşım geliştirildi: sicim teorisi, döngü kuantum çekimi ve nedensel dinamik üçgenleme.

Sicim teorisi

İçinde parçacıklar ve arka plandaki uzay-zaman yerine sicimler ve bunların çok boyutlu analogları - zarlar ortaya çıkıyor. Yüksek boyutlu problemler için zarlar yüksek boyutlu parçacıklardır, ancak hareket eden parçacıklar açısından bakıldığında içeri bu zarlar uzay-zaman yapılarıdır. Sicim teorisinin bir çeşidi M-teorisidir.

Döngü kuantum yerçekimi

Uzay-zaman arka planına atıfta bulunmadan bir kuantum alan teorisi formüle etmeye çalışır; bu teoriye göre uzay ve zaman ayrık parçalardan oluşur. Uzayın bu küçük kuantum hücreleri birbirine belirli bir şekilde bağlanır, böylece küçük zaman ve uzunluk ölçeklerinde rengarenk, ayrık bir uzay yapısı yaratırlar ve büyük ölçeklerde sorunsuz bir şekilde sürekli, pürüzsüz uzay-zamana dönüşürler. Pek çok kozmolojik model, evrenin yalnızca Planck zamanından Büyük Patlama'ya kadar olan davranışını tanımlayabilirken, döngü kuantum çekimi patlama sürecinin kendisini tanımlayabilir ve hatta daha geriye bakabilir. Döngü kuantum yerçekimi, standart modeldeki tüm parçacıkları, kütlelerini açıklamak için Higgs bozonunun dahil edilmesine gerek kalmadan tanımlamamıza olanak tanır.

Ana makale: Nedensel dinamik üçgenleme

İçinde, uzay-zaman manifoldu, nedensellik ilkesi dikkate alınarak, Planck düzenindeki boyutların temel Öklid simplekslerinden (üçgen, tetrahedron, beşli) inşa edilmiştir. Makroskobik ölçeklerde uzay-zamanın dört boyutluluğu ve sözde Öklid doğası burada öne sürülmemiş, ancak teorinin bir sonucudur.

Ayrıca bakınız

Notlar

Edebiyat

• Vizgin V.P. Göreli çekim teorisi (kökenleri ve oluşumu, 1900-1915). - M .: Nauka, 1981. - 352c.
• Vizgin V.P. Yirminci yüzyılın 1. üçte birinde birleşik teoriler. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
• Ivanenko D.D., Sardanashvili G.A. Yer çekimi. 3. baskı. - M .: URSS, 2008. - 200 s.
• Misner C., Thorne K., Wheeler J. Yer çekimi. - M.: Mir, 1977.
• Thorne K. Kara delikler ve zamanın kıvrımları. Einstein'ın cesur mirası. - M .: Fiziksel ve Matematiksel Literatür Devlet Yayınevi, 2009.

Bağlantılar

• Evrensel çekim kanunu ya da “Ay neden Dünya'ya düşmüyor?” - Zor şeyler hakkında
• Yerçekimi Sorunları (BBC belgeseli, video)
• Dünya ve Yerçekimi; Göreli yerçekimi teorisi (Gordon “Diyaloglar” TV şovu, video)

Yerçekimi teorileri
Standart yerçekimi teorileri

Fizikçiler tarafından sürekli incelenen en önemli olgu harekettir. Elektromanyetik olaylar, mekanik yasaları, termodinamik ve kuantum süreçleri - bunların hepsi, fizik tarafından incelenen evrenin çok çeşitli parçalarıdır. Ve tüm bu süreçler şu ya da bu şekilde bir şeye iniyor - -.

Temas halinde

Evrendeki her şey hareket eder. Yerçekimi, çocukluğumuzdan beri tüm insanlar için ortak bir olgudur, gezegenimizin çekim alanında doğduk, bu fiziksel olgu bizim tarafımızdan en derin sezgisel düzeyde algılanıyor ve öyle görünüyor ki, çalışma bile gerektirmiyor.

Ama ne yazık ki soru şu: neden ve bütün bedenler birbirini nasıl çeker, geniş çapta araştırılmasına rağmen bugüne kadar tam olarak açıklanmadı.

Bu yazıda, klasik yerçekimi teorisi olan Newton'a göre evrensel çekimin ne olduğuna bakacağız. Ancak formüllere ve örneklere geçmeden önce çekim sorununun özünden bahsedip tanımını vereceğiz.

Belki yerçekiminin incelenmesi doğa felsefesinin (şeylerin özünü anlama bilimi) başlangıcı haline geldi, belki doğa felsefesi yerçekiminin özü sorununu doğurdu, ama öyle ya da böyle cisimlerin yerçekimi sorunu ortaya çıktı Antik Yunan'a ilgi duymaya başladım.

Hareket, bedenin duyusal özelliğinin özü, daha doğrusu bedenin gözlemcinin gördüğü anda hareket etmesi olarak anlaşılmaktaydı. Bir olguyu ölçemiyor, tartamıyor veya hissedemiyorsak bu, o olgunun var olmadığı anlamına mı gelir? Doğal olarak bu şu anlama gelmiyor. Aristoteles bunu anladığından beri yerçekiminin özü üzerine düşünceler başladı.

Bugün ortaya çıktığı gibi, onlarca yüzyıl sonra, yerçekimi yalnızca yerçekiminin ve gezegenimizin çekiciliğinin temeli değil, aynı zamanda Evrenin ve neredeyse mevcut tüm temel parçacıkların kökeninin de temelidir.

Hareket görevi

Bir düşünce deneyi yapalım. Sol elimize küçük bir top alalım. Sağdakinin aynısını alalım. Sağdaki topu bırakalım ve düşmeye başlayacak. Soldaki elde kalıyor, hâlâ hareketsiz.

Zamanın geçişini zihinsel olarak durduralım. Düşen sağ top havada "asılı kalır", soldaki ise hala elde kalır. Sağ top hareket "enerjisi" ile donatılmıştır, sol top ise değildir. Peki aralarındaki derin, anlamlı fark nedir?

Düşen topun nerede, hangi kısmında hareket etmesi gerektiği yazıyor? Aynı kütleye, aynı hacme sahiptir. Aynı atomlara sahiptir ve hareketsiz bir topun atomlarından farklı değildir. Top sahip olmak? Evet doğru cevap bu ama top neyin potansiyel enerjisi olduğunu, bunun nereye kaydedildiğini nereden biliyor?

Bu tam olarak Aristoteles, Newton ve Albert Einstein'ın kendilerine belirledikleri görevdir. Ve üç parlak düşünürün hepsi bu sorunu kısmen kendileri için çözdüler, ancak bugün çözülmesi gereken bir takım sorunlar var.

Newton'un yerçekimi

1666'da, en büyük İngiliz fizikçisi ve tamircisi I. Newton, Evrendeki tüm maddelerin birbirine yönelmesini sağlayan kuvveti niceliksel olarak hesaplayabilen bir yasa keşfetti. Bu olguya evrensel yerçekimi denir. Size: "Evrensel çekim yasasını formüle edin" diye sorulduğunda cevabınız şöyle olmalı:

İki cismin çekimine katkıda bulunan yerçekimi etkileşiminin kuvveti bu cisimlerin kütleleriyle doğru orantılı olarak ve aralarındaki mesafeyle ters orantılıdır.

Önemli! Newton'un çekim yasası "uzaklık" terimini kullanır. Bu terim, cisimlerin yüzeyleri arasındaki mesafe olarak değil, ağırlık merkezleri arasındaki mesafe olarak anlaşılmalıdır. Örneğin, yarıçapları r1 ve r2 olan iki top üst üste yatıyorsa, bu durumda yüzeyleri arasındaki mesafe sıfırdır, ancak bir çekim kuvveti vardır. Mesele şu ki merkezleri arasındaki mesafe r1+r2 sıfırdan farklıdır. Kozmik ölçekte bu açıklama önemli değildir ancak yörüngedeki bir uydu için bu mesafe, yüzeyden yükseklik artı gezegenimizin yarıçapına eşittir. Dünya ile Ay arasındaki mesafe de yüzeyleri değil merkezleri arasındaki mesafe olarak ölçülür.

Yer çekimi kanunu için formül aşağıdaki gibidir:

,

• F – çekim kuvveti,
• – kitleler,
• r – mesafe,
• G – yer çekimi sabiti 6,67·10−11 m³/(kg·s²)'ye eşittir.

Sadece yer çekimi kuvvetine bakarsak ağırlık nedir?

Kuvvet vektörel bir niceliktir ancak evrensel çekim yasasında geleneksel olarak skaler olarak yazılır. Bir vektör resminde yasa şöyle görünecektir:

.

Ancak bu, kuvvetin merkezler arasındaki uzaklığın küpüyle ters orantılı olduğu anlamına gelmez. İlişki bir merkezden diğerine yönlendirilen birim vektör olarak algılanmalıdır:

.

Yerçekimi Etkileşimi Yasası

Ağırlık ve yerçekimi

Yerçekimi yasasını göz önünde bulundurarak, kişisel olarak bizim olmamızın şaşırtıcı olmadığını anlayabiliriz. Güneş'in yerçekiminin Dünya'nınkinden çok daha zayıf olduğunu hissediyoruz. Dev Güneş büyük bir kütleye sahip olmasına rağmen bizden oldukça uzaktadır. aynı zamanda Güneş'ten de uzaktır, ancak büyük bir kütleye sahip olduğu için onu kendine çeker. İki cismin çekim kuvveti nasıl bulunur, yani Güneş'in, Dünya'nın ve senin ve benim çekim kuvvetinin nasıl hesaplanacağı - bu konuyu biraz sonra ele alacağız.

Bildiğimiz kadarıyla yer çekimi kuvveti:

burada m kütlemizdir ve g, Dünya'nın serbest düşüşünün ivmesidir (9,81 m/s2).

Önemli!İki, üç, on çeşit çekici kuvvet yoktur. Yerçekimi, çekimin niceliksel özelliğini veren tek kuvvettir. Ağırlık (P = mg) ve yerçekimi kuvveti aynı şeydir.

Eğer m bizim kütlemiz, M dünyanın kütlesi, R yarıçapı ise bize etki eden yerçekimi kuvveti şuna eşittir:

Böylece, F = mg olduğundan:

.

Kütleler m azalır ve serbest düşüşün ivmesinin ifadesi kalır:

Görebildiğimiz gibi, yerçekiminin ivmesi gerçekte sabit bir değerdir, çünkü formülü sabit miktarları içerir - yarıçap, Dünya'nın kütlesi ve yerçekimi sabiti. Bu sabitlerin değerlerini değiştirerek yerçekimi ivmesinin 9,81 m/s2'ye eşit olmasını sağlayacağız.

Farklı enlemlerde, Dünya hala mükemmel bir küre olmadığı için gezegenin yarıçapı biraz farklıdır. Bu nedenle, yerküre üzerindeki bireysel noktalarda serbest düşüşün ivmesi farklıdır.

Dünyanın ve Güneş'in çekiciliğine dönelim. Dünyanın sizi ve beni Güneş'ten daha güçlü çektiğini bir örnekle kanıtlamaya çalışalım.

Kolaylık sağlamak için bir kişinin kütlesini alalım: m = 100 kg. Daha sonra:

• Bir kişi ile dünya arasındaki mesafe gezegenin yarıçapına eşittir: R = 6,4∙10 6 m.
• Dünyanın kütlesi: M ≈ 6∙10 24 kg.
• Güneş'in kütlesi: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Gezegenimiz ile Güneş arasındaki mesafe (Güneş ile insan arası): r=15∙10 10 m.

İnsan ve Dünya arasındaki çekimsel çekim:

Bu sonuç, ağırlığın daha basit ifadesinden (P = mg) oldukça açıktır.

İnsan ile Güneş arasındaki çekim kuvveti:

Gördüğümüz gibi gezegenimiz bizi neredeyse 2000 kat daha güçlü çekiyor.

Dünya ile Güneş arasındaki çekim kuvveti nasıl bulunur? Aşağıdaki şekilde:

Artık Güneş'in gezegenimizi, gezegenin sizi ve beni çektiğinden milyarlarca kat daha fazla çektiğini görüyoruz.

İlk kaçış hızı

Isaac Newton evrensel çekim yasasını keşfettikten sonra, bir cismin yerçekimi alanını aşarak dünyayı sonsuza kadar terk etmesi için ne kadar hızlı fırlatılması gerektiğiyle ilgilenmeye başladı.

Doğru, bunu biraz farklı hayal etti, anlayışına göre bu, gökyüzünü hedef alan dikey olarak duran bir roket değil, bir dağın tepesinden yatay olarak atlayan bir vücuttu. Bu mantıklı bir örnekti çünkü Dağın tepesinde yer çekimi kuvveti biraz daha azdır.

Yani, Everest'in tepesinde yer çekiminin ivmesi olağan 9,8 m/s2 değil, neredeyse m/s2 olacaktır. Bu nedenle oradaki hava o kadar incedir ki, hava parçacıkları artık yüzeye "düşen" parçacıklar kadar yer çekimine bağlı değildir.

Kaçış hızının ne olduğunu bulmaya çalışalım.

İlk kaçış hızı v1, cismin Dünya'nın (veya başka bir gezegenin) yüzeyinden ayrılıp dairesel bir yörüngeye girme hızıdır.

Bu değerin gezegenimiz için sayısal değerini bulmaya çalışalım.

Bir gezegenin etrafında dairesel bir yörüngede dönen bir cisim için Newton'un ikinci yasasını yazalım:

,

burada h, vücudun yüzey üzerindeki yüksekliğidir, R, Dünya'nın yarıçapıdır.

Yörüngede bir cisim merkezkaç ivmesine maruz kalır, dolayısıyla:

.

Kütleler azalırsa şunu elde ederiz:

,

Bu hıza birinci kaçış hızı denir:

Gördüğünüz gibi kaçış hızı vücut kütlesinden kesinlikle bağımsızdır. Böylece 7,9 km/s hıza ulaşan her cisim gezegenimizi terk ederek yörüngesine girecektir.

İlk kaçış hızı

İkinci kaçış hızı

Ancak cismi ilk kaçış hızına kadar hızlandırsak bile, onun Dünya ile olan çekimsel bağlantısını tamamen kesemeyeceğiz. Bu yüzden ikinci bir kaçış hızına ihtiyacımız var. Bu hıza ulaşıldığında vücut gezegenin çekim alanını terk eder ve mümkün olan tüm kapalı yörüngeler.

Önemli!Çoğu zaman, astronotların Ay'a ulaşmak için ikinci kaçış hızına ulaşmaları gerektiğine yanlışlıkla inanılır, çünkü öncelikle gezegenin çekim alanından "bağlantıyı kesmek" zorunda kalmışlardır. Durum böyle değil: Dünya-Ay çifti Dünya'nın çekim alanındadır. Ortak ağırlık merkezleri yerkürenin içindedir.

Bu hızı bulmak için sorunu biraz farklı bir şekilde ortaya koyalım. Diyelim ki bir cisim sonsuzluktan bir gezegene uçuyor. Soru: İniş sırasında yüzeyde hangi hıza ulaşılacak (elbette atmosferi hesaba katmadan)? Bu tam olarak hız bedenin gezegeni terk etmesi gerekecek.

Evrensel çekim yasası. Fizik 9. sınıf

Evrensel Çekim Yasası.

Çözüm

Evrendeki ana kuvvet yerçekimi olmasına rağmen, bu olgunun birçok nedeninin hala bir sır olarak kaldığını öğrendik. Newton'un evrensel çekim kuvvetinin ne olduğunu öğrendik, bunu çeşitli cisimler için hesaplamayı öğrendik ve ayrıca evrensel çekim yasası gibi bir olgudan çıkan bazı yararlı sonuçları inceledik.