Obi-Wan Kenobi je rekao da snaga drži galaksiju na okupu. Isto se može reći i za gravitaciju. Činjenica: Gravitacija nam omogućuje hodanje po Zemlji, Zemlji da se okreće oko Sunca, a Suncu da se kreće oko supermasivne crne rupe u središtu naše galaksije. Kako razumjeti gravitaciju? O tome se raspravlja u našem članku.

Recimo odmah da ovdje nećete pronaći jedinstveno točan odgovor na pitanje "Što je gravitacija". Jer jednostavno ne postoji! Gravitacija je jedan od najmisterioznijih fenomena, nad kojim znanstvenici muče nedoumice i još uvijek ne mogu u potpunosti objasniti njegovu prirodu.

Postoji mnogo hipoteza i mišljenja. Postoji više od desetak teorija gravitacije, alternativnih i klasičnih. Pogledat ćemo najzanimljivije, najrelevantnije i modernije.

Želite više korisne informacije I najnovije vijesti svaki dan? Pridružite nam se na telegramu.

Gravitacija je temeljna fizička interakcija

Ukupno iz fizike 4 temeljne interakcije. Zahvaljujući njima, svijet je upravo onakav kakav jest. Gravitacija je jedna od tih interakcija.

Temeljne interakcije:

• gravitacija;
• elektromagnetizam;
• jaka interakcija;
• slaba interakcija.

Gravitacija je najslabija od četiri temeljne sile.

Trenutno, trenutna teorija koja opisuje gravitaciju je opća relativnost ( opća teorija relativnost). Predložio ga je Albert Einstein 1915.-1916.

No, znamo da je prerano govoriti o konačnoj istini. Uostalom, nekoliko stoljeća prije pojave opće relativnosti u fizici, za opisivanje gravitacije dominirala je Newtonova teorija, koja je znatno proširena.

U okviru opće teorije relativnosti trenutno je nemoguće objasniti i opisati sva pitanja vezana uz gravitaciju.

Prije Newtona, uvriježeno je vjerovanje da su gravitacija na zemlji i gravitacija na nebu različite stvari. Vjerovalo se da se planeti kreću prema vlastitim idealnim zakonima, drugačijim od onih na Zemlji.

Newton je otkrio zakon univerzalna gravitacija godine 1667. Naravno, ovaj zakon je postojao iu vrijeme dinosaura i mnogo ranije.

Drevni filozofi razmišljali su o postojanju gravitacije. Galileo je eksperimentalno izračunao ubrzanje gravitacije na Zemlji, otkrivši da je ono jednako za tijela bilo koje mase. Kepler je proučavao zakone gibanja nebeskih tijela.

Newton je uspio formulirati i generalizirati rezultate svojih promatranja. Evo što je dobio:

Dva tijela privlače jedno drugo silom tzv gravitacijska sila ili sila gravitacije.

Formula za silu privlačenja između tijela:

G je gravitacijska konstanta, m je masa tijela, r je udaljenost između centara mase tijela.

Koje je fizičko značenje gravitacijske konstante? Jednaka je sili kojom tijela mase po 1 kilogram djeluju jedno na drugo, a nalaze se na udaljenosti od 1 metra jedno od drugog.

Prema Newtonovoj teoriji, svaki objekt stvara gravitacijsko polje. Točnost Newtonovog zakona ispitana je na udaljenostima manjim od jednog centimetra. Naravno, za male mase te su sile beznačajne i mogu se zanemariti.

Newtonova formula primjenjiva je i za izračunavanje sile privlačenja planeta prema Suncu i za male objekte. Jednostavno ne primjećujemo snagu kojom se privlače, recimo, kuglice na biljarskom stolu. Ipak, ta sila postoji i može se izračunati.

Sila privlačenja djeluje između svih tijela u svemiru. Njegov učinak se proteže na bilo koju udaljenost.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije ne objašnjava prirodu sile teže, već utvrđuje kvantitativne zakone. Newtonova teorija nije u suprotnosti s OTO. Sasvim je dovoljno riješiti praktični problemi u mjerilu Zemlje i izračunati kretanje nebeskih tijela.

Gravitacija u općoj teoriji relativnosti

Unatoč činjenici da je Newtonova teorija prilično primjenjiva u praksi, ona ima niz nedostataka. Zakon univerzalne gravitacije je matematički opis, ali ne daje ideju o fundamentalnom fizička priroda stvari.

Prema Newtonu, sila gravitacije djeluje na bilo kojoj udaljenosti. Štoviše, djeluje trenutno. S obzirom da je najveća brzina na svijetu brzina svjetlosti, postoji neslaganje. Kako gravitacija može trenutno djelovati na bilo kojoj udaljenosti, kada svjetlosti nije potreban trenutak, već nekoliko sekundi ili čak godina da ih nadvlada?

U okviru opće relativnosti gravitacija se ne smatra silom koja djeluje na tijela, već zakrivljenošću prostora i vremena pod utjecajem mase. Dakle, gravitacija nije interakcija sile.

Kakav je učinak gravitacije? Pokušajmo to opisati pomoću analogije.

Zamislimo prostor u obliku elastične plahte. Ako na njega stavite laganu tenisku lopticu, površina će ostati ravna. Ali ako pored lopte stavite teški uteg, on će pritisnuti rupu na površini, a lopta će se početi kotrljati prema velikom i teškom utegu. Ovo je "gravitacija".

Usput! Za naše čitatelje sada postoji popust od 10% na bilo koju vrstu posla

Otkriće gravitacijskih valova

Gravitacijske valove predvidio je Albert Einstein još 1916. godine, no otkriveni su tek stotinjak godina kasnije, 2015. godine.

Što su gravitacijski valovi? Povucimo opet analogiju. Ako bacite kamen u mirnu vodu, na površini vode s mjesta na kojem pada pojavit će se krugovi. Gravitacijski valovi su isti valovi, poremećaji. Samo ne na vodi, nego u svjetskom prostor-vremenu.

Umjesto vode postoji prostor-vrijeme, a umjesto kamena, recimo, crna rupa. Svako ubrzano kretanje mase stvara gravitacijski val. Ako su tijela u stanju slobodnog pada, prolaskom gravitacijskog vala, udaljenost između njih će se promijeniti.

Budući da je gravitacija vrlo slaba sila, otkrivanje gravitacijskih valova povezano je s velikim tehničkim poteškoćama. Moderne tehnologije omogućio otkrivanje praska gravitacijskih valova samo iz supermasivnih izvora.

Pogodan događaj za detekciju gravitacijskog vala je spajanje crnih rupa. Nažalost ili na sreću, to se događa vrlo rijetko. Ipak, znanstvenici su uspjeli registrirati val koji se doslovno kotrljao prostorom Svemira.

Za snimanje gravitacijskih valova izgrađen je detektor promjera 4 kilometra. Tijekom prolaska vala zabilježene su vibracije zrcala na ovjesima u vakuumu i interferencija svjetlosti koja se od njih reflektira.

Gravitacijski valovi potvrdili su valjanost opće relativnosti.

Gravitacija i elementarne čestice

U standardnom modelu svaka je interakcija odgovorna za određene elementarne čestice. Možemo reći da su čestice nositelji međudjelovanja.

Graviton, hipotetska čestica bez mase s energijom, odgovorna je za gravitaciju. Usput, u našem zasebnom materijalu pročitajte više o Higgsovom bozonu, koji je izazvao mnogo buke, i drugim elementarnim česticama.

Za kraj, evo nekoliko zanimljivih činjenica o gravitaciji.

10 činjenica o gravitaciji

1. Da bi savladalo silu Zemljine teže, tijelo mora imati brzinu od 7,91 km/s. Ovo je prva brzina bijega. Dovoljno je da se tijelo (na primjer, svemirska sonda) kreće po orbiti oko planeta.
2. Da pobjegnem iz Zemljinog gravitacijskog polja, svemirska letjelica mora imati brzinu od najmanje 11,2 km/s. Ovo je druga brzina bijega.
3. Objekti s najjačom gravitacijom su crne rupe. Njihova gravitacija je toliko jaka da čak privlače svjetlost (fotone).
4. Nećete pronaći silu gravitacije ni u jednoj jednadžbi kvantne mehanike. Činjenica je da kada pokušate uključiti gravitaciju u jednadžbe, one gube na važnosti. Ovo je jedan od naj važna pitanja moderna fizika.
5. Riječ gravitacija dolazi od latinskog "gravis", što znači "težak".
6. Što je objekt masivniji, gravitacija je jača. Ako se osoba koja na Zemlji ima 60 kilograma izvaže na Jupiteru, vaga će pokazati 142 kilograma.
7. NASA-ini znanstvenici pokušavaju razviti gravitacijsku zraku koja će omogućiti pomicanje objekata bez kontakta, nadvladavajući silu gravitacije.
8. Astronauti u orbiti također doživljavaju gravitaciju. Točnije, mikrogravitacija. Čini se da beskrajno padaju zajedno s brodom u kojem se nalaze.
9. Gravitacija uvijek privlači, a nikad ne odbija.
10. Crna rupa, veličine teniske loptice, privlači objekte istom snagom kao i naš planet.

Sada znate definiciju gravitacije i možete reći koja se formula koristi za izračunavanje sile privlačenja. Ako vas granit znanosti pritišće k zemlji jače od gravitacije, obratite se našem studentskom servisu. Pomoći ćemo vam da lakše učite i pod najvećim opterećenjem!

Svi smo u školi učili zakon univerzalne gravitacije. Ali što zapravo znamo o gravitaciji, osim informacija koje nam se stavljaju u glavu? profesori u školi? Obnovimo svoje znanje...

Prva činjenica: Newton nije otkrio zakon univerzalne gravitacije

Svima je poznata poznata prispodoba o jabuci koja je Newtonu pala na glavu. Ali činjenica je da Newton nije otkrio zakon univerzalne gravitacije, jer taj zakon jednostavno nije prisutan u njegovoj knjizi “Matematički principi prirodne filozofije”. U ovom djelu nema formule ni formulacije, u što se svatko može uvjeriti. Štoviše, prvi spomen gravitacijske konstante pojavljuje se tek u 19. stoljeću i, sukladno tome, formula se nije mogla pojaviti ranije. Usput, koeficijent G, koji smanjuje rezultat izračuna za 600 milijardi puta, nema fizičko značenje, a uveden je kako bi se sakrile proturječnosti.

Druga činjenica: krivotvorenje eksperimenta o gravitacijskom privlačenju

Vjeruje se da je Cavendish prvi demonstrirao gravitacijsko privlačenje u laboratorijskim ingotima, koristeći torzijsku vagu - vodoravnu gredu s utezima na krajevima obješenu na tanku žicu. Klackalica se mogla okrenuti na tanku žicu. Prema službena verzija, Cavendish je sa suprotnih strana donio par praznih komada od 158 kg na utege klackalice i klackalica se okrenula pod malim kutom. Međutim, eksperimentalna metodologija je bila netočna, a rezultati krivotvoreni, što je uvjerljivo dokazao fizičar Andrej Albertovič Grišajev. Cavendish je dugo vremena prerađivao i prilagođavao instalaciju kako bi rezultati odgovarali Newtonovoj prosječnoj gustoći zemlje. Sama metodologija eksperimenta uključivala je pomicanje blankova nekoliko puta, a razlog rotacije klackalice bile su mikrovibracije od kretanja blankova koje su se prenosile na ovjes.

To potvrđuje činjenica da je tako jednostavna instalacija 18. stoljeća u obrazovne svrhe treba instalirati, ako ne u svakoj školi, onda barem na odsjecima za fiziku sveučilišta, kako bi studentima u praksi pokazali rezultat zakona univerzalne gravitacije. Međutim, Cavendish instalacija se ne koristi u obrazovni programi, i školarci i studenti vjeruju nam na riječ da se dvije praznine međusobno privlače.

Treća činjenica: Zakon gravitacije ne djeluje tijekom pomrčine Sunca

Ako referentne podatke o zemlji, mjesecu i suncu zamijenimo formulom zakona univerzalne gravitacije, tada u trenutku kada Mjesec leti između Zemlje i Sunca, na primjer, u trenutku pomrčina Sunca, sila privlačenja između Sunca i Mjeseca je više od 2 puta veća nego između Zemlje i Mjeseca!

Prema formuli, Mjesec bi morao napustiti zemljinu orbitu i početi se okretati oko Sunca.

Gravitacijska konstanta - 6,6725×10−11 m³/(kg s²).
Masa Mjeseca je 7,3477×1022 kg.
Masa Sunca je 1,9891×1030 kg.
Masa Zemlje je 5,9737×1024 kg.
Udaljenost između Zemlje i Mjeseca = 380 000 000 m.
Udaljenost između Mjeseca i Sunca = 149 000 000 000 m.

Zemlja i Mjesec:
6,6725×10-11 x 7,3477×1022 x 5,9737×1024 / 3800000002 = 2,028×1020 H
Mjesec i Sunce:
6,6725 × 10-11 x 7,3477 1022 x 1,9891 1030 / 1490000000002 = 4,39 × 1020 H

2.028×1020H<< 4,39×1020 H
Privlačna sila između Zemlje i Mjeseca<< Сила притяжения между Луной и Солнцем

Ovim se izračunima može zamjeriti činjenica da je Mjesec umjetno šuplje tijelo i da je referentna gustoća ovog nebeskog tijela najvjerojatnije netočno određena.

Doista, eksperimentalni dokazi sugeriraju da Mjesec nije čvrsto tijelo, već ljuska tankih stijenki. Autoritativni časopis Science opisuje rezultate rada seizmičkih senzora nakon što je treći stupanj rakete koja je ubrzala svemirsku letjelicu Apollo 13 udario u mjesečevu površinu: „seizmičko zvonjenje detektirano je više od četiri sata. Na Zemlji, kad bi projektil pogodio na jednakoj udaljenosti, signal bi trajao samo nekoliko minuta.”

Seizmičke vibracije koje tako sporo opadaju tipične su za šuplji rezonator, a ne za čvrsto tijelo.
No, Mjesec, između ostalog, ne pokazuje svoja atraktivna svojstva u odnosu na Zemlju - par Zemlja-Mjesec ne kreće se oko zajedničkog središta mase, kao što bi to bilo prema zakonu univerzalne gravitacije, a elipsoidni orbita Zemlje, suprotno ovom zakonu, ne postaje cik-cak.

Štoviše, parametri same Mjesečeve orbite ne ostaju konstantni; znanstvenom terminologijom se "razvija", a to čini suprotno zakonu univerzalne gravitacije.

Četvrta činjenica: apsurdnost teorije oseke i oseke

Kako to može biti, prigovorit će neki, jer čak i školarci znaju za oceanske plime na Zemlji, koje nastaju zbog privlačenja vode Suncu i Mjesecu.

Prema teoriji, Mjesečeva gravitacija oblikuje plimni elipsoid u oceanu, s dvije plimne grbe koje se kreću duž Zemljine površine zbog dnevne rotacije.

Međutim, praksa pokazuje apsurdnost ovih teorija. Uostalom, prema njima, plimna grba visoka 1 metar trebala bi se kretati kroz Drakeov prolaz iz Tihog oceana u Atlantik za 6 sati. Kako je voda nestlačiva, masa vode podigla bi razinu do visine od oko 10 metara, što se u praksi ne događa. U praksi se pojave plime i oseke javljaju autonomno u područjima od 1000-2000 km.

Laplace je također bio zadivljen paradoksom: zašto u morske luke Francuske puna voda dolazi sekvencijalno, iako bi prema konceptu plimnog elipsoida ona tamo trebala dolaziti istovremeno.

Peta činjenica: teorija masovne gravitacije ne funkcionira

Princip gravitacijskih mjerenja je jednostavan – gravimetri mjere vertikalne komponente, a otklon olovnice pokazuje horizontalne komponente.

Prvi pokušaj provjere teorije masovne gravitacije učinili su Britanci sredinom 18. stoljeća na obalama Indijskog oceana, gdje se s jedne strane nalazi najviši stjenoviti greben na svijetu Himalaja, a s druge , oceanska zdjela ispunjena mnogo manje masivnom vodom. Ali, nažalost, visak ne odstupa prema Himalaji! Štoviše, ultraosjetljivi instrumenti - gravimetri - ne otkrivaju razliku u gravitaciji ispitnog tijela na istoj visini, kako iznad masivnih planina tako i iznad manje gustih mora kilometarske dubine.

Kako bi spasili teoriju koja je zaživjela, znanstvenici su je osmislili i potkrijepili: kažu da je razlog tome “izostazija” - gušće stijene nalaze se ispod mora, a rastresite ispod planina, a gustoća im je potpuno isto kao i sve podesiti na željenu vrijednost.

Također je eksperimentalno utvrđeno da gravimetri u dubokim rudnicima pokazuju da sila teže ne opada s dubinom. Ona nastavlja rasti, ovisno samo o kvadratu udaljenosti do središta Zemlje.

Šesta činjenica: gravitaciju ne stvaraju materija ili masa

Prema formuli zakona univerzalne gravitacije, dvije mase, m1 i m2, čije se veličine mogu zanemariti u usporedbi s međusobnim udaljenostima, navodno se međusobno privlače silom izravno proporcionalnom umnošku tih masa a obrnuto proporcionalan kvadratu udaljenosti između njih. Međutim, zapravo nije poznat niti jedan dokaz da materija ima gravitacijski privlačni učinak. Praksa pokazuje da gravitaciju ne stvaraju materija ili mase; ona je neovisna o njima i da se masivna tijela pokoravaju samo gravitaciji.

Neovisnost gravitacije o materiji potvrđuje činjenica da, uz rijetke iznimke, mala tijela Sunčevog sustava nemaju potpunu gravitacijsku privlačnost. S izuzetkom Mjeseca, više od šest desetaka planetarnih satelita ne pokazuju znakove vlastite gravitacije. To je dokazano i posrednim i izravnim mjerenjima; primjerice, od 2004. godine sonda Cassini u blizini Saturna povremeno leti blizu njegovih satelita, ali nisu zabilježene promjene u brzini sonde. Uz pomoć istog Cassenija otkriven je gejzir na Enceladusu, šestom najvećem Saturnovom mjesecu.

Koji se fizikalni procesi moraju dogoditi na kozmičkom komadu leda da bi mlazevi pare poletjeli u svemir?
Iz istog razloga, Titan, Saturnov najveći mjesec, ima plinski rep kao rezultat atmosferskog istjecanja.

Na asteroidima nisu pronađeni sateliti predviđeni teorijom, unatoč njihovom velikom broju. I u svim izvješćima o dvostrukim ili uparenim asteroidima koji se navodno okreću oko zajedničkog centra mase, nije bilo dokaza o rotaciji tih parova. Suputnici su se slučajno našli u blizini, krećući se u kvazisinkronim orbitama oko Sunca.

Pokušaji postavljanja umjetnih satelita u orbitu asteroida završili su neuspjehom. Primjeri su sonda NEAR koju su Amerikanci poslali na asteroid Eros ili sonda HAYABUSA koju su Japanci poslali na asteroid Itokawa.

Sedma činjenica: Saturnovi asteroidi ne poštuju zakon gravitacije

Svojedobno je Lagrange, pokušavajući riješiti problem tri tijela, dobio stabilno rješenje za određeni slučaj. Pokazao je da se treće tijelo može kretati po orbiti drugog tijela, cijelo vrijeme biti u jednoj od dvije točke, od kojih je jedna 60° ispred drugog tijela, a druga isto toliko iza.

Međutim, dvije skupine pratećih asteroida pronađenih iza i ispred Saturnove orbite, koje su astronomi radosno nazvali Trojancima, pomaknule su se iz predviđenih područja, a potvrda zakona univerzalne gravitacije pretvorila se u proboj.

Činjenica osam: kontradikcija s općom teorijom relativnosti

Prema modernim konceptima, brzina svjetlosti je konačna, kao rezultat toga vidimo udaljene objekte ne tamo gdje se trenutno nalaze, već u točki iz koje je zraka svjetlosti koju smo vidjeli krenula. Ali kojom se brzinom širi gravitacija?

Analizirajući podatke nakupljene do tog vremena, Laplace je ustanovio da se "gravitacija" širi brže od svjetlosti za najmanje sedam redova veličine! Suvremena mjerenja primanja impulsa pulsara pogurala su brzinu širenja gravitacije još više - najmanje 10 redova veličine brže od brzine svjetlosti. dakle, eksperimentalna istraživanja proturječe općoj teoriji relativnosti na koju se službena znanost i dalje oslanja, unatoč potpunom neuspjehu.

Deveta činjenica: gravitacijske anomalije

Postoje prirodne anomalije gravitacije, koje također ne nalaze jasno objašnjenje službene znanosti. Evo nekoliko primjera:

Deseta činjenica: istraživanje vibracijske prirode antigravitacije

Postoji velik broj alternativnih studija s impresivnim rezultatima na području antigravitacije, koji u osnovi pobijaju teorijske proračune službene znanosti.

Neki istraživači analiziraju vibracijsku prirodu antigravitacije. Ovaj učinak je jasno prikazan u modernom eksperimentu, gdje kapljice vise u zraku zbog akustične levitacije. Ovdje vidimo kako je uz pomoć zvuka određene frekvencije moguće pouzdano držati kapljice tekućine u zraku...

No učinak na prvi pogled objašnjava se principom žiroskopa, ali čak i takav jednostavan eksperiment najvećim je dijelom proturječan gravitaciji u njezinu suvremenom razumijevanju.

Malo ljudi zna da je Viktor Stepanovič Grebennikov, sibirski entomolog koji je proučavao učinak šupljinskih struktura kod insekata, opisao fenomen antigravitacije kod insekata u knjizi "Moj svijet". Znanstvenici već dugo znaju da masivni kukci, poput kukolja, lete usprkos zakonima gravitacije, a ne zahvaljujući njima.

Štoviše, na temelju svojih istraživanja Grebennikov je stvorio antigravitacijsku platformu.

Viktor Stepanovič je umro pod prilično čudnim okolnostima i njegov rad je djelomično izgubljen, ali neki dio prototipa antigravitacijske platforme je sačuvan i može se vidjeti u Muzeju Grebennikov u Novosibirsku.

Još jedna praktična primjena antigravitacije može se uočiti u gradu Homesteadu na Floridi, gdje se nalazi čudna struktura od koraljnih monolitnih blokova, popularno prozvana Coral Castle. Sagradio ju je Latvijac Edward Lidskalnin u prvoj polovici 20. stoljeća. Taj čovjek mršave građe nije imao nikakav alat, čak nije imao ni automobil niti bilo kakvu opremu.

Uopće nije koristio električnu energiju, također zbog njezine odsutnosti, a ipak se nekako spustio do oceana, gdje je rezao višetonske kamene blokove i nekako ih dopremao na svoje mjesto, postavljajući ih savršeno precizno.

Nakon Edove smrti, znanstvenici su počeli pažljivo proučavati njegovu kreaciju. Za potrebe eksperimenta doveden je snažan buldožer i pokušao se pomaknuti jedan od 30 tona teških blokova koraljnog dvorca. Buldožer je urlao i klizio, ali nije pomaknuo golemi kamen.

Unutar dvorca pronađena je čudna naprava koju su znanstvenici nazvali generatorom istosmjerne struje. Bila je to masivna građevina s mnogo metalnih dijelova. 240 permanentnih trakastih magneta ugrađeno je u vanjski dio uređaja. Ali kako je Edward Leedskalnin zapravo pomicao višetonske blokove još uvijek ostaje misterij.

Poznata su istraživanja Johna Searlea u čijim su rukama neobični generatori oživjeli, okretali se i stvarali energiju; diskovi promjera od pola metra do 10 metara dizali su se u zrak i kontrolirano letjeli od Londona do Cornwalla i natrag.

Profesorovi eksperimenti ponovljeni su u Rusiji, SAD-u i Tajvanu. U Rusiji je, na primjer, 1999. godine prijava patenta za "uređaje za generiranje mehaničke energije" registrirana pod brojem 99122275/09. Vladimir Vitalievich Roshchin i Sergei Mikhailovich Godin su zapravo reproducirali SEG (Searl Effect Generator) i proveli niz studija s njim. Rezultat je izjava: možete dobiti 7 kW električne energije bez troškova; rotirajući generator izgubio je težinu do 40%.

Oprema iz Searleovog prvog laboratorija odnesena je na nepoznato mjesto dok je bio u zatvoru. Instalacija Godina i Roshchina jednostavno je nestala; nestale su sve objave o tome, osim prijave izuma.

Poznat je i Hutchisonov efekt, nazvan po kanadskom inženjeru-izumitelju. Učinak se očituje u levitaciji teških predmeta, legurama različitih materijala (na primjer, metal + drvo) i nenormalnom zagrijavanju metala u odsutnosti gorućih tvari u njihovoj blizini. Evo videozapisa ovih učinaka:

Kakva god gravitacija zapravo bila, treba priznati da je službena znanost potpuno nesposobna jasno objasniti prirodu ovog fenomena.

Jaroslav Jargin

PostScience razotkriva znanstvene mitove i objašnjava uobičajene zablude. Zamolili smo naše stručnjake da govore o gravitaciji – sili koja uzrokuje pad svih tijela na Zemlju – i jedinoj temeljnoj sili koja izravno uključuje sve čestice koje poznajemo.

Oko nje će se zauvijek okretati umjetni sateliti Zemlje

To je istina, ali djelomično. Ovisi o orbiti. U niskim orbitama sateliti ne kruže oko Zemlje vječno. To je zbog činjenice da postoje i drugi čimbenici osim gravitacije. Odnosno, kada bismo, recimo, imali samo Zemlju i lansirali satelit u njezinu orbitu, on bi letio jako dugo. Neće letjeti zauvijek, jer postoje razni ometajući faktori koji ga mogu izbaciti iz orbite. Prije svega, to je kočenje u atmosferi, odnosno to su negravitacijski faktori. Dakle, veza ovog mita s gravitacijom nije očita.

Ako satelit kruži na visini do tisuću kilometara iznad Zemlje, tada će kočenje u atmosferi imati učinka. Na višim orbitama počinju djelovati drugi gravitacijski čimbenici - privlačnost Mjeseca i drugih planeta. Ako se satelit ostavi nekontrolirano u orbiti oko Zemlje, njegova će se orbita kaotično razvijati u velikim vremenskim intervalima zbog činjenice da Zemlja nije jedino tijelo koje privlači. Nisam siguran da će ova kaotična evolucija nužno dovesti do pada satelita na Zemlju - mogao bi odletjeti ili se preseliti u drugu orbitu. Drugim riječima, može letjeti vječno, ali ne u istoj orbiti.

U svemiru nema gravitacije

Ovo nije istina. Ponekad se čini da budući da su astronauti na ISS-u u bestežinskom stanju, Zemljina gravitacija ne utječe na njih. Ovo nije u redu. Štoviše, tamo je gotovo isto kao i na Zemlji.

Zapravo, sila gravitacijske privlačnosti između dvaju tijela izravno je proporcionalna umnošku njihovih masa i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih. Orbitalna visina ISS-a je otprilike 10% veća od polumjera Zemlje. Stoga je sila privlačenja tamo tek nešto manja. Međutim, astronauti doživljavaju bestežinsko stanje, jer se čini da cijelo vrijeme padaju na Zemlju, ali promašuju.

Možete zamisliti takvu sliku. Sagradimo toranj visok 400 kilometara (bez obzira što sada nema materijala za njegovu izradu). Stavimo stolicu na vrh i sjednimo na nju. ISS prolazi, što znači da smo vrlo, vrlo blizu. Sjedimo na stolici i “važemo” (iako smo u odnosu na svoju težinu na površini Zemlje lakši, ali trebamo obući svemirsko odijelo pa to nadoknađuje naš “gubitak kilograma”), a na ISS-u astronauti lebde u bestežinskom stanju. Ali mi smo u istom gravitacijskom potencijalu.

Moderne teorije gravitacije su geometrijske. To jest, masivna tijela iskrivljuju prostor-vrijeme oko sebe. Što smo bliže gravitirajućem tijelu, veća je distorzija. Kako se krećete kroz zakrivljeni prostor više nije toliko važno. Ostaje zakrivljena, odnosno gravitacija nije nestala.

Parada planeta mogla bi "smanjiti gravitaciju" na Zemlji

Ovo nije istina. Planetarne parade su oni trenuci kada se svi planeti poredaju u lanac prema Suncu, a njihove gravitacijske sile se aritmetički zbrajaju. Naravno, svi se planeti nikada neće okupiti na jednoj ravnoj liniji, ali ako se ograničimo na zahtjev da se svih osam planeta okupi u heliocentričnom sektoru s kutom otvaranja ne većim od 90°, tada se ponekad događaju takve "velike" parade - u prosjeku jednom u 120 godina.

Može li zajednički utjecaj planeta promijeniti gravitaciju na Zemlji? Ljubitelji fizike znaju da se sila gravitacije mijenja izravno proporcionalno masi tijela i obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti do njega (M/R2). Najveći gravitacijski utjecaj na Zemlju imaju (nije jako masivna, ali je blizu) i (vrlo je masivna). Jednostavna računica pokazuje da je naša privlačnost prema Veneri, čak i kad joj se najviše približimo, 50 milijuna puta slabija od naše privlačnosti prema Zemlji; za Jupiter je taj omjer 30 milijuna, odnosno, ako je vaša težina oko 70 kg, onda vas Venera i Jupiter vuku prema sebi snagom od oko 1 miligrama. Tijekom parade planeta, oni se vuku u različitim smjerovima, praktički kompenzirajući međusobni utjecaj.

Ali to nije sve. Obično pod Zemljinom gravitacijom ne mislimo na silu privlačenja planeta, već na našu težinu.

A ovisi i o tome kako se krećemo. Na primjer, astronaute na ISS-u i tebe i mene Zemlja gotovo jednako privlači, ali oni tamo imaju bestežinsko stanje jer su u stanju slobodnog pada, a mi se oslanjamo na Zemlju. A u odnosu na druge planete svi se ponašamo kao posada ISS-a: zajedno sa Zemljom slobodno “padamo” na svaki od okolnih planeta. Dakle, gore navedeni miligram niti ne osjetimo.

Ali još uvijek postoji neki učinak. Činjenica je da smo mi, koji živimo na površini Zemlje, i sama Zemlja, ako mislimo na njeno središte, na različitim udaljenostima od planeta koji nas privlače. Ova razlika nije veća od veličine Zemlje, ali ponekad čini razliku. Zbog toga se u oceanima pojavljuju oseke i tokovi pod utjecajem privlačnosti Mjeseca i Sunca. Ali ako imamo na umu ljude i privlačnost prema planetima, onda je taj plimni učinak nevjerojatno slab (desetke tisuća puta slabiji od izravnog privlačenja prema planetima) i za svakoga od nas iznosi manje od jednog milijuntog dijela grama - praktički nula.

Vladimir Surdin

Kandidat fizičkih i matematičkih znanosti, viši znanstveni suradnik Državnog astronomskog instituta nazvan. Moskovsko državno sveučilište P. K. Sternberg

Tijelo koje se približi crnoj rupi bit će rastrgano

Ovo nije istina. Kako se približavate, gravitacija i plimne sile se povećavaju. Ali plimne sile ne moraju nužno postati iznimno jake kada se objekt približi horizontu događaja.

Plimne sile ovise o masi tijela koje uzrokuje plimu, udaljenosti do njega i veličini objekta u kojem nastaje plima. Važno je da se udaljenost računa do središta tijela, a ne do površine. Dakle, plimne sile na horizontu crne rupe su uvijek konačne.

Veličina crne rupe izravno je proporcionalna njezinoj masi. Dakle, ako uzmemo neki predmet i bacimo ga u različite crne rupe, plimne sile će ovisiti samo o masi crne rupe. Štoviše, što je veća masa, slabija je plima na horizontu.

Newton, koji tvrdi da je sila gravitacijskog privlačenja između dviju materijalnih točaka mase i razdvojenih udaljenošću proporcionalna objema masama i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti - to jest:

Ovdje je gravitacijska konstanta, jednaka približno 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²).

Zakon univerzalne gravitacije jedna je od primjena zakona inverznog kvadrata, koji se također nalazi u proučavanju zračenja (vidi, na primjer, Svjetlosni tlak), a izravna je posljedica kvadratnog povećanja površine sfera s rastućim radijusom, što dovodi do kvadratnog smanjenja doprinosa bilo koje jedinice površine površini cijele sfere.

Gravitacijsko polje je, kao i polje gravitacije, potencijalno. To znači da možete uvesti potencijalnu energiju gravitacijskog privlačenja para tijela, a ta se energija neće promijeniti nakon pomicanja tijela duž zatvorene petlje. Potencijalnost gravitacijskog polja povlači za sobom zakon održanja zbroja kinetičke i potencijalne energije i pri proučavanju gibanja tijela u gravitacijskom polju često znatno pojednostavljuje rješenje. U okviru Newtonove mehanike, gravitacijska interakcija je dugodometna. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj točki prostora gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u određenom trenutku vremena.

Veliki svemirski objekti - planeti, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja.

Gravitacija je najslabija interakcija. No, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ipak je vrlo važna sila u Svemiru. Konkretno, elektromagnetska interakcija između tijela na kozmičkoj razini je mala, budući da je ukupni električni naboj tih tijela jednak nuli (materija kao cjelina je električki neutralna).

Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna u svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu otkriveni objekti koji uopće nemaju gravitacijsku interakciju.

Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike učinke kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Svemira, te za elementarne astronomske pojave - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje površini planeta. Zemlja i pad tijela.

Gravitacija je bila prva interakcija koju je opisala matematička teorija. Aristotel je vjerovao da objekti različitih masa padaju različitim brzinama. Tek mnogo kasnije Galileo Galilei eksperimentalno je utvrdio da to nije tako - ako se eliminira otpor zraka, sva tijela jednako ubrzavaju. Zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona (1687.) dobro je opisao općenito ponašanje gravitacije. Godine 1915. Albert Einstein stvorio je Opću teoriju relativnosti, koja točnije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostorvremena.

Nebeska mehanika i neki njezini zadaci

Najjednostavniji problem nebeske mehanike je gravitacijska interakcija dva točkasta ili sferna tijela u praznom prostoru. Ovaj problem u okviru klasične mehanike rješava se analitički u zatvorenom obliku; rezultat njegova rješenja često se formulira u obliku triju Keplerovih zakona.

Kako se broj tijela koja međusobno djeluju povećava, zadatak postaje dramatično kompliciraniji. Dakle, već poznati problem triju tijela (odnosno gibanja triju tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u općem obliku. Kod numeričkog rješenja vrlo brzo dolazi do nestabilnosti rješenja u odnosu na početne uvjete. Kada se primijeni na Sunčev sustav, ova nam nestabilnost ne dopušta da točno predvidimo kretanje planeta na skalama većim od sto milijuna godina.

U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sustav i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, kao prvu aproksimaciju, možemo pretpostaviti da svjetlosna tijela ne djeluju jedno na drugo i da se kreću Keplerovom putanjom oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir unutar okvira teorije poremećaja i prosječne tijekom vremena. U tom slučaju mogu nastati netrivijalni fenomeni, kao što su rezonancije, atraktori, kaos, itd. Jasan primjer takvih fenomena je složena struktura Saturnovih prstenova.

Unatoč pokušajima da se precizno opiše ponašanje sustava velikog broja privlačnih tijela približno iste mase, to se ne može učiniti zbog fenomena dinamičkog kaosa.

Jaka gravitacijska polja

U jakim gravitacijskim poljima, kao i pri kretanju u gravitacijskom polju relativističkim brzinama, počinju se javljati učinci opće teorije relativnosti (OTR):

• mijenjanje geometrije prostor-vremena;
  • kao posljedica, odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
  • a u ekstremnim slučajevima - pojava crnih rupa;
• kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih poremećaja;
  • kao posljedica, pojava gravitacijskih valova;
• učinci nelinearnosti: gravitacija teži interakciji sama sa sobom, tako da načelo superpozicije u jakim poljima više ne vrijedi.

Gravitacijsko zračenje

Jedno od važnih predviđanja opće teorije relativnosti je gravitacijsko zračenje čija prisutnost još nije potvrđena izravnim promatranjima. Međutim, postoje značajni neizravni dokazi koji idu u prilog njegovom postojanju, naime: gubici energije u bliskim binarnim sustavima koji sadrže kompaktne gravitirajuće objekte (kao što su neutronske zvijezde ili crne rupe), posebno u poznatom sustavu PSR B1913+16 (Hulse-Taylor pulsar) - dobro se slažu s modelom opće relativnosti, u kojem se ta energija odnosi upravo gravitacijskim zračenjem.

Gravitacijsko zračenje mogu generirati samo sustavi s promjenjivim kvadrupolnim ili višim multipolnim momentima, ova činjenica sugerira da je gravitacijsko zračenje većine prirodnih izvora usmjereno, što znatno otežava njegovu detekciju. Snaga gravitacije n- izvor polja je proporcionalan ako je multipol električnog tipa, i - ako je multipol magnetskog tipa, gdje v je karakteristična brzina kretanja izvora u sustavu zračenja, i c- brzina svjetlosti. Dakle, dominantni moment će biti kvadrupolni moment električnog tipa, a snaga odgovarajućeg zračenja jednaka je:

gdje je tenzor kvadrupolnog momenta raspodjele mase sustava zračenja. Konstanta (1/W) nam omogućuje procjenu reda veličine snage zračenja.

Od 1969. (Weberovi eksperimenti ( engleski)), pokušava se izravno detektirati gravitacijsko zračenje. U SAD-u, Europi i Japanu trenutno postoji nekoliko operativnih zemaljskih detektora (LIGO, VIRGO, TAMA ( engleski), GEO 600), kao i projekt svemirskog gravitacijskog detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Zemaljski detektor u Rusiji razvija se u Dulkyn znanstvenom centru za istraživanje gravitacijskih valova u Republici Tatarstan.

Suptilni učinci gravitacije

Mjerenje zakrivljenosti prostora u Zemljinoj orbiti (crtež umjetnika)

Osim klasičnih učinaka gravitacijskog privlačenja i dilatacije vremena, opća teorija relativnosti predviđa postojanje i drugih manifestacija gravitacije, koje su u zemaljskim uvjetima vrlo slabe te je njihovo otkrivanje i eksperimentalna provjera stoga vrlo teško. Donedavno se činilo da je prevladavanje ovih poteškoća izvan mogućnosti eksperimentatora.

Među njima posebno možemo navesti povlačenje inercijskih referentnih okvira (ili Lense-Thirring efekt) i gravitomagnetsko polje. Godine 2005. NASA-ina robotska gravitacijska sonda B provela je precizan eksperiment bez presedana kako bi izmjerila te učinke u blizini Zemlje. Obrada dobivenih podataka provedena je do svibnja 2011. godine i potvrdila je postojanje i veličinu utjecaja geodetske precesije i otpora inercijalnih referentnih sustava, iako s točnošću nešto manjom od prvobitno pretpostavljene.

Nakon intenzivnog rada na analizi i izdvajanju buke mjerenja, konačni rezultati misije objavljeni su na tiskovnoj konferenciji na NASA-TV 4. svibnja 2011. i objavljeni u Physical Review Letters. Izmjerena vrijednost geodetske precesije bila je −6601,8±18,3 milisekundi lukova godišnje, a učinak uvlačenja - −37,2±7,2 milisekundi luka godišnje (usporedi s teoretskim vrijednostima od −6606,1 mas/godina i −39,2 mas/godina).

Klasične teorije gravitacije

Vidi također: Teorije gravitacije

Zbog činjenice da su kvantni učinci gravitacije iznimno mali čak i pod najekstremnijim eksperimentalnim i promatračkim uvjetima, još uvijek ne postoje njihova pouzdana opažanja. Teorijske procjene pokazuju da se u velikoj većini slučajeva može ograničiti na klasični opis gravitacijske interakcije.

Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, te mnoge razjašnjavajuće hipoteze i teorije različitog stupnja razvoja, koje se međusobno natječu. Sve te teorije daju vrlo slična predviđanja unutar aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalna ispitivanja. Slijedi nekoliko osnovnih, najbolje razvijenih ili poznatih teorija gravitacije.

Opća teorija relativnosti

U standardnom pristupu opće teorije relativnosti (OTR), gravitacija se u početku ne razmatra kao interakcija sile, već kao manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena. Tako se u općoj teoriji relativnosti gravitacija tumači kao geometrijski učinak, a prostor-vrijeme razmatra u okviru neeuklidske Riemannove (točnije pseudo-Riemannove) geometrije. Gravitacijsko polje (generalizacija Newtonovog gravitacijskog potencijala), ponekad nazivano i gravitacijsko polje, u općoj teoriji relativnosti poistovjećuje se s tenzorskim metričkim poljem - metrikom četverodimenzionalnog prostor-vremena, a jakost gravitacijskog polja - s afina povezanost prostor-vremena određena metrikom.

Standardni zadatak opće teorije relativnosti je odrediti komponente metričkog tenzora, koji zajedno definiraju geometrijska svojstva prostor-vremena, iz poznate distribucije izvora energije-momenta u četverodimenzionalnom koordinatnom sustavu koji se razmatra. Zauzvrat, poznavanje metrike omogućuje izračunavanje gibanja ispitnih čestica, što je ekvivalentno poznavanju svojstava gravitacijskog polja u danom sustavu. Zbog tenzorske prirode jednadžbi opće relativnosti, kao i standardnog temeljnog opravdanja za njezinu formulaciju, vjeruje se da je gravitacija također tenzorske prirode. Jedna od posljedica je da gravitacijsko zračenje mora biti barem kvadrupolnog reda.

Poznato je da u općoj teoriji relativnosti postoje poteškoće zbog neinvarijantnosti energije gravitacijskog polja, budući da se ta energija ne opisuje tenzorom i može se teorijski odrediti na različite načine. U klasičnoj općoj teoriji relativnosti također se javlja problem opisa interakcije spin-orbita (budući da ni spin proširenog objekta nema jednoznačnu definiciju). Vjeruje se da postoje određeni problemi s jednoznačnošću rezultata i opravdanošću konzistentnosti (problem gravitacijskih singulariteta).

Međutim, opća teorija relativnosti bila je eksperimentalno potvrđena sve do nedavno (2012.). Osim toga, mnogi alternativni pristupi Einsteinovim, ali standardnim za modernu fiziku, pristupima formuliranja teorije gravitacije dovode do rezultata koji koincidira s općom relativnošću u niskoenergetskoj aproksimaciji, koja je jedina sada dostupna eksperimentalnoj provjeri.

Einstein-Cartanova teorija

Slična podjela jednadžbi u dvije klase također se pojavljuje u RTG-u, gdje je druga tenzorska jednadžba uvedena kako bi se uzela u obzir veza između neeuklidskog prostora i prostora Minkowskog. Zahvaljujući prisutnosti bezdimenzionalnog parametra u teoriji Jordan-Brans-Dicke, moguće ga je odabrati tako da se rezultati teorije podudaraju s rezultatima gravitacijskih eksperimenata. Štoviše, kako parametar teži beskonačnosti, predviđanja teorije postaju sve bliža općoj teoriji relativnosti, pa je Jordan-Brans-Dickeovu teoriju nemoguće opovrgnuti bilo kojim eksperimentom koji potvrđuje opću teoriju relativnosti.

Kvantna teorija gravitacije

Unatoč više od pola stoljeća pokušaja, gravitacija je jedina temeljna interakcija za koju još uvijek nije konstruirana općeprihvaćena dosljedna kvantna teorija. Pri niskim energijama, u duhu kvantne teorije polja, gravitacijska interakcija se može smatrati razmjenom gravitona — bozona kalibra 2. Međutim, rezultirajuća teorija se ne može renormalizirati i stoga se smatra nezadovoljavajućom.

Posljednjih desetljeća razvijena su tri obećavajuća pristupa rješavanju problema kvantiziranja gravitacije: teorija struna, petljasta kvantna gravitacija i kauzalna dinamička triangulacija.

Teorija struna

U njemu se umjesto čestica i pozadinskog prostor-vremena pojavljuju strune i njihovi višedimenzionalni analozi - brane. Za visokodimenzionalne probleme, brane su visokodimenzionalne čestice, ali sa stajališta čestica koje se kreću iznutra ove brane, one su prostorno-vremenske strukture. Varijanta teorije struna je M-teorija.

Kružna kvantna gravitacija

Pokušava formulirati kvantnu teoriju polja bez pozivanja na prostorno-vremensku pozadinu; prema ovoj teoriji, prostor i vrijeme se sastoje od diskretnih dijelova. Ove male kvantne ćelije prostora povezane su jedna s drugom na određeni način, tako da na malim skalama vremena i duljine stvaraju šaroliku, diskretnu strukturu prostora, a na velikim skalama glatko se pretvaraju u kontinuirani glatki prostor-vrijeme. Iako mnogi kozmološki modeli mogu opisati ponašanje svemira samo od Planckovog vremena nakon Velikog praska, kvantna gravitacija u petlji može opisati sam proces eksplozije, pa čak i gledati unaprijed. Petljasta kvantna gravitacija omogućuje nam da opišemo sve čestice standardnog modela bez potrebe za uvođenjem Higgsovog bozona da objasnimo njihove mase.

Glavni članak: Kauzalna dinamička triangulacija

U njemu se prostorno-vremenska mnogostrukost gradi od elementarnih euklidskih simpleksa (trokut, tetraedar, pentahora) dimenzija reda plankovskih, uzimajući u obzir načelo kauzaliteta. Četverodimenzionalnost i pseudoeuklidska priroda prostor-vremena na makroskopskim mjerilima u njoj nisu postulirane, već su posljedica teorije.

Vidi također

Bilješke

Književnost

• Vizgin V. P. Relativistička teorija gravitacije (porijeklo i nastanak, 1900.-1915.). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
• Vizgin V. P. Jedinstvene teorije u 1. trećini XX. stoljeća. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
• Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Gravitacija. 3. izd. - M.: URSS, 2008. - 200 str.
• Misner C., Thorne K., Wheeler J. Gravitacija. - M.: Mir, 1977.
• Thorne K. Crne rupe i nabori vremena. Einsteinovo hrabro nasljeđe. - M.: Državna izdavačka kuća fizičke i matematičke literature, 2009.

Linkovi

• Zakon univerzalne gravitacije ili “Zašto Mjesec ne padne na Zemlju?” - Samo o teškim stvarima
• Problemi s gravitacijom (BBC-jev dokumentarac, video)
• Zemlja i gravitacija; Relativistička teorija gravitacije (TV emisija Gordon “Dijalozi”, video)

Teorije gravitacije
Standardne teorije gravitacije

Na pitanje "Što je sila?" fizika odgovara ovako: “Sila je mjera interakcije materijalnih tijela međusobno ili između tijela i drugih materijalnih objekata – fizičkih polja.” Sve sile u prirodi mogu se klasificirati u četiri temeljna tipa međudjelovanja: jaka, slaba, elektromagnetska i gravitacijska. Naš članak govori o tome što su gravitacijske sile - mjera posljednje i, možda, najraširenije vrste ovih interakcija u prirodi.

Počnimo s gravitacijom Zemlje

Svatko živ zna da postoji sila koja privlači predmete na zemlju. Obično se naziva gravitacija, gravitacija ili gravitacija. Zahvaljujući njegovoj prisutnosti, ljudi imaju pojmove "gore" i "dolje", koji određuju smjer kretanja ili položaj nečega u odnosu na površinu zemlje. Dakle, u konkretnom slučaju, na površini zemlje ili blizu nje, manifestiraju se gravitacijske sile koje privlače objekte s masom jedne drugima, očitujući svoj učinak na bilo kojim udaljenostima, malim i vrlo velikim, čak i prema kozmičkim standardima.

Gravitacija i treći Newtonov zakon

Kao što je poznato, svaka sila, ako se promatra kao mjera međudjelovanja fizičkih tijela, uvijek se primjenjuje na jedno od njih. Dakle, u međusobnoj gravitacijskoj interakciji tijela, svako od njih doživljava takve vrste gravitacijskih sila koje su uzrokovane utjecajem svakog od njih. Ako postoje samo dva tijela (pretpostavlja se da se djelovanje svih ostalih može zanemariti), tada će svako od njih, prema trećem Newtonovom zakonu, privući drugo tijelo istom snagom. Dakle, Mjesec i Zemlja privlače jedno drugo, što rezultira osekom i osekom Zemljinih mora.

Svaki planet u Sunčevom sustavu doživljava nekoliko gravitacijskih sila od Sunca i drugih planeta. Naravno, gravitacijska sila Sunca je ta koja određuje oblik i veličinu njegove orbite, ali astronomi u proračunima putanja njihova kretanja uzimaju u obzir i utjecaj drugih nebeskih tijela.

Koji će s visine brže pasti na zemlju?

Glavna značajka ove sile je da svi objekti padaju na tlo istom brzinom, bez obzira na njihovu masu. Nekad davno, sve do 16. stoljeća, vjerovalo se da je sve obrnuto – teža tijela trebala bi brže padati od lakših. Kako bi odbacio ovu zabludu, Galileo Galilei je morao izvesti svoj poznati eksperiment istovremenog ispuštanja dvaju topovskih kugli različite težine s kosog tornja u Pisi. Suprotno očekivanjima svjedoka eksperimenta, obje su jezgre stigle na površinu u isto vrijeme. Danas svaki školarac zna da se to dogodilo zbog činjenice da gravitacija svakom tijelu daje istu akceleraciju slobodnog pada g = 9,81 m/s 2 bez obzira na masu m tog tijela, a njezina vrijednost prema drugom Newtonovom zakonu jednaka je do F = mg.

Gravitacijske sile na Mjesecu i na drugim planetima imaju različite vrijednosti ovog ubrzanja. Međutim, priroda djelovanja gravitacije na njih je ista.

Gravitacija i tjelesna težina

Ako se prva sila primjenjuje izravno na samo tijelo, onda druga na njegov nosač ili ovjes. U ovoj situaciji na tijela od oslonaca i ovjesa uvijek djeluju elastične sile. Gravitacijske sile koje djeluju na ista tijela djeluju prema njima.

Zamislite uteg koji visi iznad tla pomoću opruge. Na njega djeluju dvije sile: elastična sila istegnute opruge i sila teže. Prema trećem Newtonovom zakonu, opterećenje djeluje na oprugu silom koja je jednaka i suprotna sili elastičnosti. Ova sila će biti njegova težina. Teret mase 1 kg ima težinu P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (njutna).

Gravitacijske sile: definicija

Prvu kvantitativnu teoriju gravitacije, temeljenu na promatranju planetarnog gibanja, formulirao je Isaac Newton 1687. godine u svojim slavnim “Načelima prirodne filozofije”. Napisao je da gravitacijske sile koje djeluju na Sunce i planete ovise o količini materije koju sadrže. Šire se na velike udaljenosti i uvijek se smanjuju kao recipročna vrijednost kvadrata udaljenosti. Kako možemo izračunati te gravitacijske sile? Formula za silu F između dva tijela masa m 1 i m 2 koja se nalaze na udaljenosti r je:

• F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
  gdje je G konstanta proporcionalnosti, gravitacijska konstanta.

Fizikalni mehanizam gravitacije

Newton nije bio potpuno zadovoljan svojom teorijom, budući da je pretpostavljala interakciju između tijela koja se privlače na daljinu. Sam veliki Englez bio je siguran da mora postojati neki fizički agens odgovoran za prijenos djelovanja jednog tijela na drugo, što je sasvim jasno rekao u jednom od svojih pisama. No, vrijeme kada je koncept gravitacijskog polja koje prožima cijeli prostor uveden tek četiri stoljeća kasnije. Danas, govoreći o gravitaciji, možemo govoriti o interakciji bilo kojeg (kozmičkog) tijela s gravitacijskim poljem drugih tijela, čija su mjera gravitacijske sile koje nastaju između svakog para tijela. Zakon univerzalne gravitacije, koji je formulirao Newton u gornjem obliku, ostaje istinit i potvrđen je mnogim činjenicama.

Teorija gravitacije i astronomija

Vrlo uspješno je primijenjen na rješavanje problema nebeske mehanike tijekom 18. i ranog 19. stoljeća. Na primjer, matematičari D. Adams i W. Le Verrier, analizirajući poremećaje u orbiti Urana, sugerirali su da je podložan gravitacijskim silama interakcije s još nepoznatim planetom. Oni su ukazali na njegov očekivani položaj, a ubrzo je Neptun ondje otkrio astronom I. Galle.

Još uvijek je postojao jedan problem. Le Verrier je 1845. izračunao da orbita Merkura precesira za 35" po stoljeću, za razliku od nulte vrijednosti ove precesije dobivene iz Newtonove teorije. Naknadna mjerenja dala su točniju vrijednost od 43". (Opažena precesija je zapravo 570"/stoljeću, ali pažljiv izračun za oduzimanje utjecaja svih drugih planeta daje vrijednost od 43".)

Tek je 1915. godine Albert Einstein uspio objasniti ovu razliku u okviru svoje teorije gravitacije. Pokazalo se da masivno Sunce, kao i svako drugo masivno tijelo, savija prostor-vrijeme u svojoj blizini. Ovi učinci uzrokuju odstupanja u orbitama planeta, no na Merkuru, kao najmanjem planetu i najbližem našoj zvijezdi, oni su najizraženiji.

Inercijske i gravitacijske mase

Kao što je gore navedeno, Galileo je prvi primijetio da objekti padaju na tlo istom brzinom, bez obzira na njihovu masu. U Newtonovim formulama, pojam mase dolazi iz dvije različite jednadžbe. Njegov drugi zakon kaže da sila F primijenjena na tijelo mase m daje ubrzanje prema jednadžbi F = ma.

Međutim, sila gravitacije F primijenjena na tijelo zadovoljava formulu F = mg, gdje g ovisi o interakciji drugog tijela s dotičnim (zemlja obično kada govorimo o gravitaciji). U obje jednadžbe m je koeficijent proporcionalnosti, ali u prvom slučaju to je inercijalna masa, au drugom je to gravitacijska masa, te nema očitog razloga da budu isti za bilo koji fizički objekt.

Međutim, svi eksperimenti pokazuju da je to doista tako.

Einsteinova teorija gravitacije

Za polazište svoje teorije uzeo je činjenicu jednakosti inercijske i gravitacijske mase. Uspio je konstruirati jednadžbe gravitacijskog polja, poznate Einsteinove jednadžbe, i uz njihovu pomoć izračunati točnu vrijednost precesije orbite Merkura. Oni također daju izmjerenu vrijednost za skretanje svjetlosnih zraka koje prolaze blizu Sunca, a nema sumnje da daju točne rezultate za makroskopsku gravitaciju. Einsteinova teorija gravitacije, ili opća teorija relativnosti (OTO) kako ju je on nazvao, jedan je od najvećih trijumfa moderne znanosti.

Jesu li gravitacijske sile ubrzanje?

Ako ne možete razlikovati inercijsku masu od gravitacijske mase, onda ne možete razlikovati gravitaciju od ubrzanja. Eksperiment s gravitacijskim poljem može se umjesto toga izvesti u ubrzavajućem dizalu u odsutnosti gravitacije. Kada se astronaut u raketi ubrzava od Zemlje, on doživljava silu gravitacije koja je nekoliko puta veća od Zemljine, a velika većina dolazi od ubrzanja.

Ako nitko ne može razlikovati gravitaciju od ubrzanja, onda se prvo uvijek može reproducirati ubrzanjem. Sustav u kojem ubrzanje zamjenjuje gravitaciju naziva se inercijskim. Stoga se i Mjesec u orbiti blizu Zemlje može smatrati inercijskim sustavom. Međutim, ovaj sustav će se razlikovati od točke do točke kako se mijenja gravitacijsko polje. (U primjeru Mjeseca, gravitacijsko polje mijenja smjer od jedne točke do druge.) Načelo da se uvijek može pronaći inercijski sustav u bilo kojoj točki prostora i vremena u kojem fizika poštuje zakone u odsutnosti gravitacije naziva se načelo ekvivalentnosti.

Gravitacija kao manifestacija geometrijskih svojstava prostor-vremena

Činjenica da se gravitacijske sile mogu smatrati ubrzanjima u inercijskim koordinatnim sustavima koji se razlikuju od točke do točke znači da je gravitacija geometrijski koncept.

Kažemo da je prostorvrijeme zakrivljeno. Zamislite loptu na ravnoj površini. Mirovat će se ili, ako nema trenja, kretati se jednoliko bez ikakvih sila koje na njega djeluju. Ako je površina zakrivljena, lopta će ubrzati i pomaknuti se do najniže točke, idući najkraćim putem. Slično, Einsteinova teorija tvrdi da je četverodimenzionalni prostor-vrijeme zakrivljen, a tijelo se kreće u tom zakrivljenom prostoru duž geodetske linije koja odgovara najkraćoj putanji. Stoga su gravitacijsko polje i gravitacijske sile koje u njemu djeluju na fizička tijela geometrijske veličine koje ovise o svojstvima prostor-vremena, a koja se najjače mijenjaju u blizini masivnih tijela.