Daya graviti di bumi. Daya graviti bumi

Graviti adalah kuasa paling misteri di Alam Semesta. Para saintis tidak mengetahui sepenuhnya sifatnya. Dialah yang memegang planet-planet sistem suria di orbit. Ia adalah daya yang berlaku di antara dua objek dan bergantung kepada jisim dan jarak.

Graviti dipanggil daya tarikan atau graviti. Dengan bantuannya, planet atau badan lain menarik objek ke arah pusatnya. Graviti mengekalkan planet dalam orbit mengelilingi Matahari.

Apa lagi yang dilakukan oleh graviti?

Mengapa anda mendarat di atas tanah apabila anda melompat, bukannya terapung ke angkasa? Mengapa benda jatuh apabila anda membuangnya? Jawapannya ialah daya graviti yang tidak kelihatan, yang menarik objek ke arah satu sama lain. Graviti bumi adalah apa yang membuatkan anda tetap dibumikan dan membuat benda jatuh.

Semua yang mempunyai jisim mempunyai graviti. Kuasa graviti bergantung kepada dua faktor: jisim objek dan jarak antara mereka. Jika anda mengambil batu dan bulu dan melepaskannya dari ketinggian yang sama, kedua-dua objek akan jatuh ke tanah. Batu yang berat akan jatuh lebih cepat daripada bulu. Bulu masih akan tergantung di udara kerana ia lebih ringan. Objek dengan lebih jisim mempunyai daya graviti yang lebih kuat, yang menjadi lebih lemah dengan jarak: objek yang lebih rapat antara satu sama lain, semakin kuat tarikan graviti mereka.

Graviti di Bumi dan di Alam Semesta

Semasa penerbangan pesawat, orang di dalamnya kekal di tempat dan boleh bergerak seolah-olah di atas tanah. Ini berlaku kerana laluan penerbangan. Terdapat kapal terbang yang direka khas di mana tiada graviti pada ketinggian tertentu, mengakibatkan tanpa berat. Pesawat melakukan gerakan khas, jisim objek berubah, dan mereka naik ke udara untuk masa yang singkat. Selepas beberapa saat, medan graviti dipulihkan.

Memandangkan daya graviti di Angkasa, dunia mempunyainya lebih besar daripada kebanyakan planet. Lihat sahaja pergerakan angkasawan ketika mendarat di planet. Jika kita berjalan dengan tenang di atas tanah, maka angkasawan kelihatan terapung di udara, tetapi tidak terbang ke angkasa. Ini bermakna planet ini juga mempunyai daya graviti, cuma berbeza sedikit daripada planet Bumi.

Daya graviti Matahari sangat kuat sehingga ia memegang sembilan planet, banyak satelit, asteroid dan planet.

Graviti memainkan peranan penting dalam pembangunan Alam Semesta. Jika tiada graviti, tidak akan ada bintang, planet, asteroid, lubang hitam atau galaksi. Menariknya, lubang hitam sebenarnya tidak kelihatan. Para saintis menentukan tanda-tanda lubang hitam dengan kekuatan medan graviti di kawasan tertentu. Jika ia sangat kuat dengan getaran yang kuat, ini menunjukkan wujudnya lohong hitam.

Mitos 1. Tiada graviti di angkasa

Menonton dokumentari tentang angkasawan, nampaknya mereka terapung di atas permukaan planet. Ini berlaku kerana di planet lain graviti lebih rendah daripada di Bumi, jadi angkasawan berjalan seolah-olah terapung di udara.

Mitos 2. Semua mayat yang menghampiri lubang hitam terkoyak

Lubang hitam berkuasa dan menghasilkan medan graviti yang kuat. Semakin dekat sesuatu objek dengan lubang hitam, semakin kuat daya pasang surut dan graviti. Perkembangan selanjutnya peristiwa bergantung pada jisim objek, saiz lubang hitam dan jarak antara mereka. Lohong hitam mempunyai jisim yang betul-betul bertentangan dengan saiznya. Menariknya, semakin besar lubang, semakin lemah daya pasang surut dan sebaliknya. Oleh itu, tidak semua objek terkoyak apabila memasuki medan lubang hitam.

Mitos 3. Satelit buatan boleh mengorbit Bumi selama-lamanya

Secara teorinya, seseorang boleh berkata demikian, jika tidak kerana pengaruh faktor sekunder. Banyak bergantung pada orbit. Dalam orbit rendah, satelit tidak akan dapat terbang selama-lamanya disebabkan oleh brek atmosfera; dalam orbit tinggi ia boleh kekal dalam keadaan tidak berubah untuk masa yang agak lama, tetapi di sini daya graviti objek lain mula berkuat kuasa.

Sekiranya Bumi wujud di antara semua planet, satelit akan tertarik kepadanya dan boleh dikatakan tidak mengubah trajektorinya. Tetapi dalam orbit tinggi objek itu dikelilingi oleh banyak planet, besar dan kecil, masing-masing mempunyai daya graviti sendiri.

Dalam kes ini, satelit akan beransur-ansur menjauhi orbitnya dan bergerak secara huru-hara. Dan, berkemungkinan selepas beberapa lama, ia akan terhempas ke permukaan terdekat atau berpindah ke orbit lain.

Beberapa fakta

Di beberapa bahagian Bumi, daya graviti lebih lemah daripada di seluruh planet. Sebagai contoh, di Kanada, di kawasan Teluk Hudson, daya graviti lebih rendah.
Apabila angkasawan kembali dari angkasa ke planet kita, pada awalnya mereka mendapati sukar untuk menyesuaikan diri dengan daya graviti dunia. Kadang-kadang ini mengambil masa beberapa bulan.
Lubang hitam mempunyai daya graviti yang paling kuat di antara objek angkasa. Satu lubang hitam sebesar bola mempunyai lebih kuasa daripada mana-mana planet.

Walaupun kajian berterusan tentang daya graviti, graviti masih tidak dapat diselesaikan. Ini bermakna pengetahuan saintifik masih terhad dan manusia mempunyai banyak perkara baru untuk dipelajari.

Don DeYoung

Graviti (atau graviti) mengekalkan kita teguh di bumi dan membolehkan bumi beredar mengelilingi matahari. Terima kasih kepada kuasa yang tidak kelihatan ini, hujan turun ke bumi, dan paras air di lautan naik dan turun setiap hari. Graviti mengekalkan bumi dalam bentuk sfera dan juga menghalang atmosfera kita daripada terlepas ke angkasa lepas. Nampaknya daya tarikan yang diperhatikan setiap hari ini harus dikaji dengan baik oleh saintis. Tetapi tidak! Dalam banyak cara, graviti kekal sebagai misteri sains yang paling dalam. Kekuatan misteri ini adalah contoh yang luar biasa tentang betapa terhadnya pengetahuan saintifik moden.

Apakah graviti?

Isaac Newton berminat dengan isu ini seawal tahun 1686 dan membuat kesimpulan bahawa graviti adalah daya tarikan yang wujud di antara semua objek. Dia menyedari bahawa daya yang sama yang membuat epal jatuh ke tanah berada di orbitnya. Malah, daya graviti Bumi menyebabkan Bulan menyimpang dari laluan lurusnya kira-kira satu milimeter setiap saat semasa ia mengorbit Bumi (Rajah 1). Hukum Graviti Sejagat Newton adalah salah satu penemuan saintifik terhebat sepanjang zaman.

Graviti ialah "tali" yang memegang objek di orbit

Gambar 1. Ilustrasi orbit bulan, tidak dilukis mengikut skala. Setiap saat bulan bergerak lebih kurang 1 km. Sepanjang jarak ini, ia menyimpang dari laluan lurus kira-kira 1 mm - ini berlaku disebabkan oleh tarikan graviti Bumi (garis putus-putus). Bulan sentiasa kelihatan ketinggalan di belakang (atau mengelilingi) bumi, sama seperti planet-planet jatuh mengelilingi matahari.

Graviti adalah salah satu daripada empat daya asas alam (Jadual 1). Perhatikan bahawa daripada empat daya, daya ini adalah yang paling lemah, namun ia dominan berbanding objek angkasa yang besar. Seperti yang ditunjukkan oleh Newton, daya graviti menarik antara mana-mana dua jisim menjadi lebih kecil dan lebih kecil apabila jarak antara mereka menjadi lebih besar dan lebih besar, tetapi ia tidak pernah mencapai sifar sepenuhnya (lihat "Reka Bentuk Graviti").

Oleh itu, setiap zarah di seluruh alam semesta sebenarnya menarik setiap zarah lain. Tidak seperti daya interaksi nuklear yang lemah dan kuat, daya tarikan adalah jarak jauh (Jadual 1). Daya magnet dan daya elektrik juga merupakan daya jarak jauh, tetapi graviti adalah unik kerana ia adalah jarak jauh dan sentiasa menarik, yang bermaksud ia tidak boleh habis (tidak seperti elektromagnetisme, di mana daya boleh menarik atau menolak) .

Bermula dengan ahli sains penciptaan yang hebat Michael Faraday pada tahun 1849, ahli fizik terus mencari hubungan tersembunyi antara daya graviti dan daya interaksi elektromagnet. Pada masa ini, saintis cuba untuk menggabungkan keempat-empat kuasa asas ke dalam satu persamaan atau yang dipanggil "Teori Segala-galanya", tetapi tidak berjaya! Graviti kekal sebagai kuasa yang paling misteri dan paling kurang dikaji.

Graviti tidak boleh dilindungi dalam apa cara sekalipun. Walau apa pun komposisi partition yang menyekat, ia tidak mempunyai kesan ke atas tarikan antara dua objek yang dipisahkan. Ini bermakna mustahil untuk mencipta ruang anti-graviti dalam keadaan makmal. Daya graviti tidak bergantung pada komposisi kimia objek, tetapi bergantung kepada jisimnya, yang kita kenali sebagai berat (daya graviti pada objek adalah sama dengan berat objek itu - semakin besar jisim, semakin besar daya atau berat.) Bongkah yang terdiri daripada kaca, plumbum, ais atau styrophoma, dan mempunyai jisim yang sama, akan mengalami (dan menggunakan) daya graviti yang sama. Data ini diperoleh semasa eksperimen, dan saintis masih tidak tahu bagaimana ia boleh dijelaskan secara teori.

Reka bentuk dalam graviti

Daya F antara dua jisim m 1 dan m 2 yang terletak pada jarak r boleh ditulis sebagai formula F = (G m 1 m 2)/r 2

Di mana G ialah pemalar graviti yang pertama kali diukur oleh Henry Cavendish pada tahun 1798.1

Persamaan ini menunjukkan bahawa graviti berkurangan apabila jarak, r, antara dua objek menjadi lebih besar, tetapi tidak pernah mencapai sifar sepenuhnya.

Sifat undang-undang kuasa dua songsang bagi persamaan ini sungguh menarik. Lagipun, tidak ada sebab yang perlu mengapa graviti harus bertindak seperti itu. Dalam alam semesta yang tidak teratur, rawak dan berkembang, kuasa sewenang-wenang seperti r 1.97 atau r 2.3 kelihatan lebih berkemungkinan. Walau bagaimanapun, ukuran yang tepat menunjukkan kuasa yang tepat, kepada sekurang-kurangnya lima tempat perpuluhan, sebanyak 2.00000. Seperti yang dikatakan oleh seorang penyelidik, keputusan ini nampaknya "terlalu tepat".2 Kita boleh membuat kesimpulan bahawa daya graviti menunjukkan reka bentuk yang tepat dan dicipta. Malah, jika darjah menyimpang sedikit pun daripada 2, orbit planet dan seluruh alam semesta akan menjadi tidak stabil.

Pautan dan nota

Dari segi teknikal, G = 6.672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
Thompsen, D., "Sangat Tepat Mengenai Graviti", Berita Sains 118(1):13, 1980.

Jadi apa sebenarnya graviti? Bagaimanakah daya ini dapat beroperasi dalam ruang yang begitu luas dan kosong? Dan mengapa ia wujud? Sains tidak pernah dapat menjawab soalan asas tentang hukum alam ini. Daya tarikan tidak boleh timbul secara perlahan melalui mutasi atau pemilihan semula jadi. Ia telah berkuat kuasa sejak awal alam semesta. Seperti mana-mana undang-undang fizikal yang lain, graviti tidak diragukan lagi merupakan bukti yang luar biasa tentang penciptaan yang dirancang.

Sesetengah saintis telah cuba menerangkan graviti menggunakan zarah tidak kelihatan, graviti, yang bergerak antara objek. Yang lain bercakap tentang rentetan kosmik dan gelombang graviti. Baru-baru ini, saintis menggunakan makmal LIGO yang dicipta khas (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hanya dapat melihat kesan gelombang graviti. Tetapi sifat gelombang ini, bagaimana objek secara fizikal berinteraksi antara satu sama lain dalam jarak yang jauh, mengubah permulaan mereka, masih menjadi persoalan besar untuk semua orang. Kita tidak tahu asal usul daya graviti dan bagaimana ia mengekalkan kestabilan seluruh alam semesta.

Graviti dan Kitab Suci

Dua petikan daripada Bible boleh membantu kita memahami sifat graviti dan sains fizikal secara umum. Petikan pertama, Kolose 1:17, menjelaskan bahawa Kristus "Ada yang pertama sekali, dan segala-galanya bergantung pada-Nya". Kata kerja Yunani berdiri (συνισταω sunistao) bermaksud: berpegang, memegang, atau disatukan. Penggunaan perkataan Yunani ini di luar Bible bermaksud sebuah bejana yang berisi air. Perkataan yang digunakan dalam kitab Kolose adalah dalam bentuk yang sempurna, yang secara amnya menunjukkan keadaan yang sedang berjalan sekarang yang telah timbul daripada tindakan lampau yang telah selesai. Salah satu mekanisme fizikal yang dimaksudkan adalah jelas kuasa graviti, yang ditubuhkan oleh Pencipta dan dikekalkan tanpa henti pada hari ini. Bayangkan sahaja: jika daya graviti berhenti seketika, huru-hara pasti akan berlaku. Semua benda angkasa, termasuk bumi, bulan dan bintang, tidak akan lagi disatukan. Segala-galanya akan segera dibahagikan kepada bahagian-bahagian kecil yang berasingan.

Kitab Suci kedua, Ibrani 1:3, menyatakan bahawa Kristus “Dia menopang segala sesuatu dengan firman kuasa-Nya.” Perkataan memegang (φερω pherō) sekali lagi menerangkan sokongan atau pemeliharaan segala-galanya, termasuk graviti. Perkataan memegang, seperti yang digunakan dalam ayat ini, bermakna lebih daripada sekadar menahan berat badan. Ia melibatkan kawalan ke atas semua pergerakan dan perubahan yang berlaku dalam alam semesta. Tugas yang tidak berkesudahan ini dilaksanakan melalui Firman Tuhan yang maha kuasa, yang melaluinya alam semesta itu sendiri mula wujud. Graviti, "kuasa misteri" yang masih kurang difahami selepas empat ratus tahun penyelidikan, adalah salah satu manifestasi penjagaan ilahi yang menakjubkan ini untuk alam semesta.

herotan masa dan ruang dan lubang hitam

Teori relativiti umum Einstein melihat graviti bukan sebagai daya, tetapi sebagai kelengkungan ruang itu sendiri berhampiran objek besar. Cahaya, yang secara tradisinya mengikut garis lurus, diramalkan akan dibengkokkan apabila ia melalui ruang melengkung. Ini pertama kali ditunjukkan apabila ahli astronomi Sir Arthur Eddington menemui perubahan dalam kedudukan jelas bintang semasa gerhana penuh pada tahun 1919, mempercayai bahawa sinaran cahaya sedang dibengkokkan oleh graviti matahari.

Relativiti am juga meramalkan bahawa jika jasad cukup padat, gravitinya akan memesongkan angkasa sehingga cahaya tidak dapat melaluinya sama sekali. Badan sedemikian menyerap cahaya dan segala-galanya yang ditangkap oleh graviti yang kuat, dan dipanggil Black Hole. Jasad sedemikian hanya boleh dikesan melalui kesan gravitinya pada objek lain, dengan lenturan cahaya yang kuat di sekelilingnya, dan oleh sinaran kuat yang dipancarkan oleh bahan yang jatuh ke atasnya.

Semua jirim di dalam lubang hitam dimampatkan di tengah, yang mempunyai ketumpatan tak terhingga. "Saiz" lubang ditentukan oleh ufuk peristiwa, i.e. sempadan yang mengelilingi pusat lubang hitam, dan tiada apa pun (walaupun cahaya) boleh terlepas daripadanya. Jejari lubang itu dipanggil jejari Schwarzschild, selepas ahli astronomi Jerman Karl Schwarzschild (1873–1916), dan dikira dengan formula RS = 2GM/c 2, dengan c ialah kelajuan cahaya dalam vakum. Jika matahari jatuh ke dalam lubang hitam, jejari Schwarzschildnya hanya 3 km.

Terdapat bukti kukuh bahawa selepas bintang besar kehabisan bahan api nuklear, ia tidak dapat menahan rebah di bawah beratnya sendiri yang besar dan jatuh ke dalam lubang hitam. Lubang hitam dengan jisim berbilion matahari dianggap wujud di pusat galaksi, termasuk galaksi kita sendiri, Bima Sakti. Ramai saintis percaya bahawa objek yang sangat terang dan sangat jauh yang dipanggil quasar memanfaatkan tenaga yang dibebaskan apabila jirim jatuh ke dalam lubang hitam.

Menurut ramalan relativiti am, graviti juga memesongkan masa. Ini juga telah disahkan oleh jam atom yang sangat tepat, yang berjalan beberapa mikrosaat lebih perlahan di paras laut berbanding di kawasan di atas paras laut, di mana graviti Bumi lebih lemah sedikit. Berhampiran ufuk peristiwa fenomena ini lebih ketara. Jika kita melihat jam tangan angkasawan ketika dia menghampiri ufuk peristiwa, kita akan melihat bahawa jam berjalan lebih perlahan. Sebaik sahaja berada di ufuk acara, jam akan berhenti, tetapi kita tidak akan dapat melihatnya. Sebaliknya, seorang angkasawan tidak akan menyedari bahawa jamnya berjalan lebih perlahan, tetapi dia akan melihat bahawa jam kita berjalan lebih cepat dan lebih pantas.

Bahaya utama bagi seorang angkasawan berhampiran lubang hitam adalah daya pasang surut yang disebabkan oleh fakta bahawa graviti lebih kuat pada bahagian badan yang lebih dekat dengan lubang hitam berbanding bahagian yang lebih jauh daripadanya. Kuasa daya pasang surut berhampiran lubang hitam dengan jisim bintang adalah lebih kuat daripada mana-mana taufan dan mudah merobek-robek semua yang datang kepada mereka. Walau bagaimanapun, semasa tarikan graviti berkurangan dengan kuasa dua jarak (1/r 2), pengaruh pasang surut berkurangan dengan kiub jarak (1/r 3). Oleh itu, bertentangan dengan kebijaksanaan konvensional, daya graviti (termasuk daya pasang surut) pada ufuk peristiwa lubang hitam yang besar adalah lebih lemah daripada di lubang hitam kecil. Jadi daya pasang surut di ufuk peristiwa lohong hitam dalam ruang yang boleh diperhatikan akan menjadi kurang ketara daripada angin paling lembut.

Regangan masa mengikut graviti berhampiran ufuk peristiwa adalah asas kepada model kosmologi baharu ahli fizik penciptaan Dr. Russell Humphreys, yang diterangkannya dalam buku Starlight and Time. Model ini boleh membantu menyelesaikan masalah bagaimana kita dapat melihat cahaya bintang yang jauh di alam semesta muda. Di samping itu, hari ini ia adalah alternatif saintifik kepada yang bukan alkitabiah, yang berdasarkan andaian falsafah yang melampaui skop sains.

Catatan

Graviti, "kuasa misteri" yang, walaupun selepas empat ratus tahun penyelidikan, masih kurang difahami...

Isaac Newton (1642–1727)

Foto: Wikipedia.org

Isaac Newton (1642–1727)

Isaac Newton menerbitkan penemuannya tentang graviti dan gerakan benda angkasa pada tahun 1687, dalam karyanya yang terkenal " Prinsip matematik" Sesetengah pembaca dengan cepat membuat kesimpulan bahawa alam semesta Newton tidak memberi ruang kepada Tuhan, kerana semuanya kini boleh dijelaskan menggunakan persamaan. Tetapi Newton tidak fikir begitu sama sekali, seperti yang dia katakan dalam edisi kedua karya terkenal ini:

"Sistem suria, planet dan komet kita yang paling indah hanya boleh menjadi hasil rancangan dan penguasaan makhluk yang bijak dan berkuasa."

Isaac Newton bukan sahaja seorang saintis. Selain sains, dia menumpukan hampir seluruh hidupnya untuk mempelajari Bible. Buku Bible kegemarannya ialah kitab Daniel dan kitab Wahyu, yang menerangkan rancangan Tuhan untuk masa depan. Malah, Newton menulis lebih banyak karya teologi daripada karya saintifik.

Newton menghormati saintis lain seperti Galileo Galilei. By the way, Newton dilahirkan pada tahun yang sama dengan kematian Galileo, pada tahun 1642. Newton menulis dalam suratnya: “Jika saya melihat lebih jauh daripada yang lain, itu kerana saya berdiri di atas bahu gergasi." Tidak lama sebelum kematiannya, mungkin merenungkan misteri graviti, Newton dengan sederhana menulis: "Saya tidak tahu bagaimana dunia memandang saya, tetapi bagi diri saya saya hanya kelihatan seperti seorang budak lelaki yang bermain di pantai, yang menghiburkan dirinya sendiri dengan kadang-kadang mencari kerikil yang lebih berwarna daripada yang lain, atau cangkang yang indah, sementara lautan yang besar. kebenaran yang belum diterokai."

Newton dikebumikan di Westminster Abbey. Inskripsi Latin di kuburnya berakhir dengan kata-kata: “Hendaklah manusia bergembira karena perhiasan umat manusia hidup di antara mereka.”.

Newton, yang menyatakan bahawa daya tarikan graviti antara dua titik jisim bahan dan dipisahkan oleh jarak adalah berkadar dengan kedua-dua jisim dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak - iaitu:

Berikut ialah pemalar graviti, bersamaan dengan lebih kurang 6.6725 × 10 −11 m³/(kg s²).

Undang-undang graviti universal adalah salah satu aplikasi undang-undang kuasa dua songsang, yang juga terdapat dalam kajian sinaran (lihat, sebagai contoh, Tekanan Cahaya), dan merupakan akibat langsung daripada peningkatan kuadratik dalam kawasan sfera dengan jejari yang semakin meningkat, yang membawa kepada pengurangan kuadratik dalam sumbangan mana-mana unit luas kepada luas keseluruhan sfera.

Medan graviti, seperti medan graviti, adalah berpotensi. Ini bermakna anda boleh memperkenalkan tenaga potensi tarikan graviti sepasang jasad, dan tenaga ini tidak akan berubah selepas menggerakkan jasad di sepanjang gelung tertutup. Keupayaan medan graviti memerlukan undang-undang pemuliharaan jumlah tenaga kinetik dan keupayaan dan, apabila mengkaji gerakan jasad dalam medan graviti, selalunya memudahkan penyelesaiannya dengan ketara. Dalam rangka kerja mekanik Newtonian, interaksi graviti adalah jarak jauh. Ini bermakna tidak kira bagaimana jasad besar bergerak, pada mana-mana titik di angkasa, potensi graviti bergantung hanya pada kedudukan jasad pada masa tertentu.

Objek angkasa yang besar - planet, bintang dan galaksi mempunyai jisim yang sangat besar dan, oleh itu, mencipta medan graviti yang ketara.

Graviti adalah interaksi yang paling lemah. Walau bagaimanapun, kerana ia bertindak pada semua jarak dan semua jisim adalah positif, ia adalah kuasa yang sangat penting di Alam Semesta. Khususnya, interaksi elektromagnet antara jasad pada skala kosmik adalah kecil, kerana jumlah cas elektrik jasad ini adalah sifar (jirim secara keseluruhannya neutral secara elektrik).

Juga, graviti, tidak seperti interaksi lain, adalah universal dalam kesannya ke atas semua jirim dan tenaga. Tiada objek ditemui yang tidak mempunyai interaksi graviti sama sekali.

Disebabkan sifat globalnya, graviti bertanggungjawab untuk kesan berskala besar seperti struktur galaksi, lubang hitam dan pengembangan Alam Semesta, dan untuk fenomena astronomi asas - orbit planet, dan untuk tarikan mudah ke permukaan Bumi dan kejatuhan jasad.

Graviti adalah interaksi pertama yang diterangkan oleh teori matematik. Aristotle percaya bahawa objek dengan jisim yang berbeza jatuh pada kelajuan yang berbeza. Tidak lama kemudian, Galileo Galilei secara eksperimen menentukan bahawa ini tidak begitu - jika rintangan udara dihapuskan, semua badan memecut secara sama. Hukum graviti sejagat Isaac Newton (1687) menerangkan tingkah laku umum graviti dengan baik. Pada tahun 1915, Albert Einstein mencipta Teori Relativiti Umum, yang lebih tepat menerangkan graviti dari segi geometri ruang masa.

Mekanik cakerawala dan beberapa tugasnya

Masalah paling mudah bagi mekanik cakerawala ialah interaksi graviti dua titik atau jasad sfera dalam ruang kosong. Masalah ini dalam rangka kerja mekanik klasik diselesaikan secara analitikal dalam bentuk tertutup; hasil penyelesaiannya sering dirumuskan dalam bentuk tiga hukum Kepler.

Apabila bilangan badan yang berinteraksi meningkat, tugasan menjadi lebih rumit secara mendadak. Oleh itu, masalah tiga badan yang sudah terkenal (iaitu, gerakan tiga badan dengan jisim bukan sifar) tidak boleh diselesaikan secara analitik dalam bentuk umum. Dengan penyelesaian berangka, ketidakstabilan penyelesaian berbanding keadaan awal berlaku agak cepat. Apabila digunakan pada Sistem Suria, ketidakstabilan ini tidak membenarkan kita meramalkan pergerakan planet dengan tepat pada skala melebihi seratus juta tahun.

Dalam beberapa kes khas, adalah mungkin untuk mencari penyelesaian anggaran. Yang paling penting ialah kes apabila jisim satu jasad jauh lebih besar daripada jisim jasad lain (contoh: sistem Suria dan dinamik cincin Zuhal). Dalam kes ini, sebagai anggaran pertama, kita boleh mengandaikan bahawa jasad cahaya tidak berinteraksi antara satu sama lain dan bergerak di sepanjang trajektori Keplerian mengelilingi jasad besar itu. Interaksi antara mereka boleh diambil kira dalam kerangka teori gangguan dan dipuratakan mengikut masa. Dalam kes ini, fenomena bukan remeh mungkin timbul, seperti resonans, penarik, huru-hara, dan lain-lain. Contoh jelas fenomena tersebut ialah struktur kompleks cincin Zuhal.

Walaupun percubaan untuk menerangkan dengan tepat kelakuan sistem sejumlah besar badan penarik yang mempunyai jisim yang lebih kurang sama, ini tidak dapat dilakukan kerana fenomena huru-hara dinamik.

Medan graviti yang kuat

Dalam medan graviti yang kuat, serta apabila bergerak dalam medan graviti pada kelajuan relativistik, kesan teori relativiti umum (GTR) mula muncul:

menukar geometri ruang-masa;
- akibatnya, sisihan hukum graviti daripada Newtonian;
- dan dalam kes yang melampau - kemunculan lubang hitam;
kelewatan potensi yang berkaitan dengan kelajuan terhingga perambatan gangguan graviti;
- sebagai akibatnya, kemunculan gelombang graviti;
kesan tidak linear: graviti cenderung untuk berinteraksi dengan dirinya sendiri, jadi prinsip superposisi dalam medan kuat tidak lagi dipegang.

Sinaran graviti

Salah satu ramalan penting relativiti am ialah sinaran graviti, yang kehadirannya belum disahkan oleh pemerhatian langsung. Walau bagaimanapun, terdapat bukti tidak langsung yang ketara yang menyokong kewujudannya, iaitu: kehilangan tenaga dalam sistem binari rapat yang mengandungi objek graviti padat (seperti bintang neutron atau lubang hitam), khususnya, dalam sistem PSR B1913+16 yang terkenal (Hulse-Taylor). pulsar) - adalah dalam persetujuan yang baik dengan model relativiti am, di mana tenaga ini dibawa pergi dengan tepat oleh sinaran graviti.

Sinaran graviti hanya boleh dijana oleh sistem dengan empat kutub berubah atau momen berbilang kutub yang lebih tinggi, fakta ini menunjukkan bahawa sinaran graviti kebanyakan sumber semula jadi adalah berarah, yang secara ketara merumitkan pengesanannya. Kuasa graviti n-sumber medan adalah berkadar jika berbilang adalah jenis elektrik, dan - jika berbilang adalah jenis magnet, di mana v ialah kelajuan ciri pergerakan sumber dalam sistem penyinaran, dan c- kelajuan cahaya. Oleh itu, momen dominan akan menjadi momen empat kali ganda jenis elektrik, dan kuasa sinaran yang sepadan adalah sama dengan:

di manakah tensor momen empat kali ganda bagi taburan jisim sistem penyinaran. Pemalar (1/W) membolehkan kita menganggar susunan magnitud kuasa sinaran.

Sejak 1969 (eksperimen Weber ( Inggeris)), percubaan sedang dibuat untuk mengesan sinaran graviti secara langsung. Di Amerika Syarikat, Eropah dan Jepun pada masa ini terdapat beberapa pengesan berasaskan darat yang beroperasi (LIGO, VIRGO, TAMA ( Inggeris), GEO 600), serta projek pengesan graviti angkasa LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Pengesan berasaskan tanah di Rusia sedang dibangunkan di Pusat Saintifik Dulkyn untuk Penyelidikan Gelombang Graviti di Republik Tatarstan.

Kesan halus graviti

Mengukur kelengkungan ruang dalam orbit Bumi (lukisan artis)

Sebagai tambahan kepada kesan klasik tarikan graviti dan pelebaran masa, teori relativiti umum meramalkan kewujudan manifestasi graviti lain, yang di bawah keadaan daratan adalah sangat lemah dan oleh itu pengesanan dan pengesahan eksperimennya sangat sukar. Sehingga baru-baru ini, mengatasi kesukaran ini kelihatan di luar kemampuan penguji.

Antaranya, khususnya, kita boleh menamakan entrainment kerangka inersia rujukan (atau kesan Lensa-Thirring) dan medan gravitimagnet. Pada tahun 2005, Gravity Probe B robotik NASA menjalankan eksperimen ketepatan yang belum pernah berlaku sebelum ini untuk mengukur kesan ini berhampiran Bumi. Pemprosesan data yang diperoleh telah dijalankan sehingga Mei 2011 dan mengesahkan kewujudan dan magnitud kesan presesi geodetik dan seretan sistem rujukan inersia, walaupun dengan ketepatan agak kurang daripada yang diandaikan pada asalnya.

Selepas kerja intensif untuk menganalisis dan mengekstrak hingar pengukuran, keputusan akhir misi diumumkan pada sidang akhbar di NASA-TV pada 4 Mei 2011, dan diterbitkan dalam Physical Review Letters. Nilai terukur presesi geodetik ialah −6601.8±18.3 milisaat arka setahun, dan kesan entrainment - −37.2±7.2 milisaat arka setahun (bandingkan dengan nilai teori −6606.1 mas/tahun dan −39.2 mas/tahun).

Teori graviti klasik

Lihat juga: Teori graviti

Disebabkan oleh fakta bahawa kesan kuantum graviti adalah sangat kecil walaupun dalam keadaan eksperimen dan pemerhatian yang paling ekstrem, masih tiada pemerhatian yang boleh dipercayai mengenainya. Anggaran teori menunjukkan bahawa dalam kebanyakan kes seseorang boleh menghadkan dirinya kepada penerangan klasik tentang interaksi graviti.

Terdapat teori graviti klasik kanonik moden - teori relativiti umum, dan banyak menjelaskan hipotesis dan teori pelbagai peringkat pembangunan, bersaing antara satu sama lain. Kesemua teori ini membuat ramalan yang hampir sama dalam anggaran di mana ujian eksperimen sedang dijalankan. Berikut adalah beberapa teori graviti asas, paling maju atau diketahui.

Teori umum relativiti

Dalam pendekatan standard teori relativiti umum (GTR), graviti pada mulanya dianggap bukan sebagai interaksi daya, tetapi sebagai manifestasi kelengkungan ruang-masa. Oleh itu, dalam relativiti am, graviti ditafsirkan sebagai kesan geometri, dan ruang-masa dianggap dalam kerangka geometri Riemannian bukan Euclidean (lebih tepat pseudo-Riemannian). Medan graviti (satu generalisasi potensi graviti Newtonian), kadang-kadang juga dipanggil medan graviti, dalam kerelatifan am dikenal pasti dengan medan metrik tensor - metrik ruang-masa empat dimensi, dan kekuatan medan graviti - dengan ketersambungan afin ruang-masa yang ditentukan oleh metrik.

Tugas standard relativiti am adalah untuk menentukan komponen tensor metrik, yang bersama-sama mentakrifkan sifat geometri ruang-masa, daripada taburan sumber momentum tenaga yang diketahui dalam sistem koordinat empat dimensi yang sedang dipertimbangkan. Sebaliknya, pengetahuan tentang metrik membolehkan seseorang mengira pergerakan zarah ujian, yang bersamaan dengan pengetahuan tentang sifat medan graviti dalam sistem tertentu. Oleh kerana sifat tensor persamaan relativiti am, serta justifikasi asas piawai untuk perumusannya, adalah dipercayai bahawa graviti juga bersifat tensor. Satu akibatnya ialah sinaran graviti mestilah sekurang-kurangnya tertib empat kali ganda.

Adalah diketahui bahawa dalam relativiti umum terdapat kesukaran disebabkan oleh bukan invarian tenaga medan graviti, kerana tenaga ini tidak diterangkan oleh tensor dan boleh ditentukan secara teori dengan cara yang berbeza. Dalam relativiti am klasik, masalah untuk menerangkan interaksi spin-orbit juga timbul (kerana putaran objek lanjutan juga tidak mempunyai definisi yang jelas). Adalah dipercayai bahawa terdapat masalah tertentu dengan ketidakjelasan keputusan dan justifikasi ketekalan (masalah singulariti graviti).

Walau bagaimanapun, relativiti am telah disahkan secara eksperimen sehingga baru-baru ini (2012). Di samping itu, banyak pendekatan alternatif kepada pendekatan Einstein, tetapi standard untuk fizik moden, kepada perumusan teori graviti membawa kepada hasil yang bertepatan dengan relativiti am dalam anggaran tenaga rendah, yang merupakan satu-satunya yang kini boleh diakses untuk pengesahan eksperimen.

Teori Einstein-Cartan

Pembahagian persamaan yang serupa kepada dua kelas juga berlaku dalam RTG, di mana persamaan tensor kedua diperkenalkan untuk mengambil kira hubungan antara ruang bukan Euclidean dan ruang Minkowski. Terima kasih kepada kehadiran parameter tanpa dimensi dalam teori Jordan-Brans-Dicke, ia menjadi mungkin untuk memilihnya supaya keputusan teori itu bertepatan dengan hasil eksperimen graviti. Lebih-lebih lagi, kerana parameter cenderung kepada infiniti, ramalan teori menjadi lebih dekat dan lebih dekat dengan relativiti am, jadi mustahil untuk menyangkal teori Jordan-Brans-Dicke dengan mana-mana eksperimen yang mengesahkan teori relativiti umum.

Teori kuantum graviti

Walaupun lebih daripada setengah abad percubaan, graviti adalah satu-satunya interaksi asas yang mana teori kuantum konsisten yang diterima umum belum lagi dibina. Pada tenaga yang rendah, dalam semangat teori medan kuantum, interaksi graviti boleh dianggap sebagai pertukaran graviton-spin 2 tolok boson Walau bagaimanapun, teori yang terhasil tidak boleh dinormalisasi semula, dan oleh itu dianggap tidak memuaskan.

Dalam dekad kebelakangan ini, tiga pendekatan yang menjanjikan untuk menyelesaikan masalah pengkuantitian graviti telah dibangunkan: teori rentetan, graviti kuantum gelung, dan triangulasi dinamik sebab.

Teori rentetan

Di dalamnya, bukannya zarah dan latar belakang ruang-masa, rentetan dan analog multidimensinya - bran muncul. Untuk masalah dimensi tinggi, bran ialah zarah berdimensi tinggi, tetapi dari sudut zarah bergerak dalam bran ini, ia adalah struktur ruang-masa. Satu varian teori rentetan ialah teori-M.

Gelung graviti kuantum

Ia cuba merumuskan teori medan kuantum tanpa merujuk kepada latar belakang ruang-masa menurut teori ini, ruang dan masa terdiri daripada bahagian yang diskret. Sel-sel kuantum ruang kecil ini disambungkan antara satu sama lain dengan cara tertentu, supaya pada skala kecil masa dan panjang mereka mencipta struktur ruang yang beraneka ragam, dan pada skala besar mereka lancar berubah menjadi ruang-masa lancar yang berterusan. Walaupun banyak model kosmologi hanya boleh menerangkan tingkah laku alam semesta dari masa Planck selepas Big Bang, graviti kuantum gelung boleh menggambarkan proses letupan itu sendiri, malah melihat lebih jauh ke belakang. Graviti kuantum gelung membolehkan kita menerangkan semua zarah model piawai tanpa memerlukan pengenalan boson Higgs untuk menerangkan jisimnya.

Rencana utama: Triangulasi dinamik sebab

Di dalamnya, manifold ruang-masa dibina daripada simpleks Euclidean asas (segi tiga, tetrahedron, pentachore) dimensi mengikut susunan Planckian, dengan mengambil kira prinsip kausalitas. Sifat empat dimensi dan pseudo-Euclidean ruang-masa pada skala makroskopik tidak didalilkan di dalamnya, tetapi merupakan akibat daripada teori tersebut.

lihat juga

Nota

kesusasteraan

Vizgin V. P. Teori relativistik graviti (asal usul dan pembentukan, 1900-1915). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
Vizgin V. P. Teori bersatu pada sepertiga pertama abad kedua puluh. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Graviti. ed ke-3. - M.: URSS, 2008. - 200 p.
Misner C., Thorne K., Wheeler J. Graviti. - M.: Mir, 1977.
Thorne K. Lubang hitam dan lipatan masa. Warisan berani Einstein. - M.: Pusat Penerbitan Kesusasteraan Fizikal dan Matematik Negeri, 2009.

Pautan

Undang-undang graviti universal atau "Mengapa Bulan tidak jatuh ke Bumi?" - Hanya tentang kompleks
Masalah dengan Graviti (dokumentari BBC, video)
Bumi dan Graviti; Teori graviti relativistik (Rancangan TV Gordon "Dialog", video)

Teori graviti piawai
Teori graviti

Secara semula jadi, terdapat pelbagai daya yang mencirikan interaksi badan. Mari kita pertimbangkan daya yang berlaku dalam mekanik.

Daya graviti. Mungkin kuasa pertama yang manusia menyedari kewujudannya ialah daya graviti yang bertindak ke atas jasad dari Bumi.

Dan ia mengambil masa berabad-abad untuk orang ramai memahami bahawa daya graviti bertindak antara mana-mana badan. Dan ia mengambil masa berabad-abad untuk orang ramai memahami bahawa daya graviti bertindak antara mana-mana badan. Ahli fizik Inggeris Newton adalah orang pertama yang memahami fakta ini. Menganalisis undang-undang yang mengawal pergerakan planet (undang-undang Kepler), beliau membuat kesimpulan bahawa undang-undang pergerakan planet yang diperhatikan hanya boleh dipenuhi jika terdapat daya tarikan di antara mereka, berkadar terus dengan jisimnya dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka.

Newton dirumuskan hukum graviti sejagat. Mana-mana dua badan menarik antara satu sama lain. Daya tarikan antara jasad titik diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya, adalah berkadar terus dengan jisim kedua-duanya dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka:

Dalam kes ini, jasad titik difahami sebagai jasad yang dimensinya berkali-kali lebih kecil daripada jarak antaranya.

Daya graviti sejagat dipanggil daya graviti. Pekali kekadaran G dipanggil pemalar graviti. Nilainya ditentukan secara eksperimen: G = 6.7 10¯¹¹ N m² / kg².

Graviti bertindak berhampiran permukaan Bumi diarahkan ke arah pusatnya dan dikira dengan formula:

di mana g ialah pecutan graviti (g = 9.8 m/s²).

Peranan graviti dalam alam semula jadi adalah sangat penting, kerana saiz, bentuk dan perkadaran makhluk hidup sebahagian besarnya bergantung pada magnitudnya.

Berat badan. Mari kita pertimbangkan apa yang berlaku apabila beberapa beban diletakkan pada satah mendatar (sokongan). Pada saat pertama selepas beban diturunkan, ia mula bergerak ke bawah di bawah pengaruh graviti (Rajah 8).

Satah bengkok dan daya kenyal (tindak balas sokongan) yang diarahkan ke atas muncul. Selepas daya kenyal (Fу) mengimbangi daya graviti, penurunan badan dan pesongan sokongan akan berhenti.

Pesongan sokongan timbul di bawah tindakan badan, oleh itu, daya tertentu (P) bertindak pada sokongan dari sisi badan, yang dipanggil berat badan (Rajah 8, b). Menurut undang-undang ketiga Newton, berat badan adalah sama besarnya dengan daya tindak balas tanah dan diarahkan ke arah yang bertentangan.

P = - Fу = Berat.

Berat badan ialah daya P yang mana jasad bertindak pada sokongan mengufuk yang tidak bergerak berbanding dengannya.

Oleh kerana daya graviti (berat) dikenakan pada sokongan, ia berubah bentuk dan, disebabkan keanjalannya, melawan daya graviti. Daya yang dibangunkan dalam kes ini dari sisi sokongan dipanggil daya tindak balas sokongan, dan fenomena perkembangan tindak balas dipanggil tindak balas sokongan. Menurut undang-undang ketiga Newton, daya tindak balas sokongan adalah sama besarnya dengan daya graviti jasad dan berlawanan arah.

Jika seseorang di atas sokongan bergerak dengan pecutan bahagian badannya diarahkan daripada sokongan, maka daya tindak balas sokongan itu meningkat dengan jumlah ma, dengan m ialah jisim orang itu, dan ialah pecutan yang bahagian badannya bergerak. Kesan dinamik ini boleh dirakam menggunakan peranti tolok terikan (dinamogram).

Berat badan tidak boleh dikelirukan dengan berat badan. Jisim jasad mencirikan sifat lengainya dan tidak bergantung sama ada pada daya graviti atau pada pecutan ia bergerak.

Berat badan mencirikan daya yang ia bertindak pada sokongan dan bergantung kepada kedua-dua daya graviti dan pecutan pergerakan.

Sebagai contoh, di Bulan berat badan adalah lebih kurang 6 kali lebih rendah daripada berat badan di Bumi dalam kedua-dua kes adalah sama dan ditentukan oleh jumlah jirim dalam badan.

Dalam kehidupan seharian, teknologi, dan sukan, berat sering ditunjukkan bukan dalam newton (N), tetapi dalam kilogram daya (kgf). Peralihan dari satu unit ke unit lain dijalankan mengikut formula: 1 kgf = 9.8 N.

Apabila sokongan dan badan tidak bergerak, maka jisim badan adalah sama dengan graviti badan ini. Apabila sokongan dan badan bergerak dengan sedikit pecutan, maka, bergantung pada arahnya, badan boleh mengalami sama ada tanpa berat atau beban berlebihan. Apabila pecutan bertepatan dengan arah dan sama dengan pecutan graviti, berat badan akan menjadi sifar, oleh itu keadaan tanpa berat timbul (ISS, lif berkelajuan tinggi apabila menurunkan ke bawah). Apabila pecutan pergerakan sokongan adalah bertentangan dengan pecutan jatuh bebas, orang itu mengalami beban berlebihan (pelancaran kapal angkasa berawak dari permukaan Bumi, lif berkelajuan tinggi naik ke atas).

Kepada soalan "Apakah daya?" fizik menjawab begini: "Daya ialah ukuran interaksi jasad material antara satu sama lain atau antara jasad dan objek material lain - medan fizikal." Semua daya dalam alam boleh diklasifikasikan kepada empat jenis asas interaksi: kuat, lemah, elektromagnet dan graviti. Artikel kami membincangkan tentang apa itu daya graviti - ukuran jenis interaksi ini yang terakhir dan, mungkin, paling meluas dalam alam semula jadi.

Mari kita mulakan dengan graviti bumi

Semua orang yang hidup tahu bahawa terdapat satu daya yang menarik objek ke bumi. Ia biasanya dirujuk sebagai graviti, graviti, atau graviti. Terima kasih kepada kehadirannya, manusia mempunyai konsep "atas" dan "bawah," yang menentukan arah pergerakan atau lokasi sesuatu yang berkaitan dengan permukaan bumi. Jadi dalam kes tertentu, di permukaan bumi atau berhampirannya, daya graviti menampakkan diri, yang menarik objek berjisim antara satu sama lain, menunjukkan kesannya pada sebarang jarak, kecil dan sangat besar, walaupun mengikut piawaian kosmik.

Graviti dan hukum ketiga Newton

Seperti yang diketahui, sebarang daya, jika ia dianggap sebagai ukuran interaksi badan fizikal, sentiasa digunakan untuk salah satu daripadanya. Jadi dalam interaksi graviti badan antara satu sama lain, setiap daripada mereka mengalami jenis daya graviti yang disebabkan oleh pengaruh masing-masing. Sekiranya terdapat hanya dua badan (diandaikan bahawa tindakan semua yang lain boleh diabaikan), maka setiap daripada mereka, mengikut undang-undang ketiga Newton, akan menarik badan lain dengan daya yang sama. Jadi Bulan dan Bumi menarik antara satu sama lain, mengakibatkan pasang surut lautan Bumi.

Setiap planet dalam sistem suria mengalami beberapa daya graviti daripada Matahari dan planet lain. Sudah tentu, daya graviti Matahari yang menentukan bentuk dan saiz orbitnya, tetapi ahli astronomi juga mengambil kira pengaruh benda angkasa lain dalam pengiraan trajektori pergerakan mereka.

Yang manakah akan jatuh ke tanah lebih cepat dari ketinggian?

Ciri utama daya ini ialah semua objek jatuh ke tanah pada kelajuan yang sama, tanpa mengira jisimnya. Pada suatu masa dahulu, sehingga abad ke-16, dipercayai bahawa segala-galanya adalah sebaliknya - badan yang lebih berat akan jatuh lebih cepat daripada yang lebih ringan. Untuk menghilangkan salah tanggapan ini, Galileo Galilei terpaksa melakukan eksperimen terkenalnya iaitu menjatuhkan dua bebola meriam yang berbeza berat secara serentak dari Menara Pisa yang condong. Bertentangan dengan jangkaan saksi kepada eksperimen, kedua-dua nukleus mencapai permukaan pada masa yang sama. Hari ini, setiap murid sekolah tahu bahawa ini berlaku kerana fakta bahawa graviti memberikan kepada mana-mana jasad pecutan jatuh bebas yang sama g = 9.81 m/s 2 tanpa mengira jisim m jasad ini, dan nilainya mengikut hukum kedua Newton adalah sama. kepada F = mg.

Daya graviti di Bulan dan di planet lain mempunyai nilai pecutan ini yang berbeza. Walau bagaimanapun, sifat tindakan graviti pada mereka adalah sama.

Graviti dan berat badan

Jika daya pertama dikenakan terus ke badan itu sendiri, maka yang kedua untuk sokongan atau penggantungannya. Dalam keadaan ini, daya kenyal sentiasa bertindak pada badan dari sokongan dan ampaian. Daya graviti yang dikenakan pada jasad yang sama bertindak ke arahnya.

Bayangkan satu pemberat digantung di atas tanah oleh spring. Dua daya dikenakan padanya: daya kenyal spring yang diregangkan dan daya graviti. Menurut undang-undang ketiga Newton, beban bertindak pada spring dengan daya yang sama dan bertentangan dengan daya kenyal. Daya ini akan menjadi beratnya. Beban seberat 1 kg mempunyai berat P = 1 kg ∙ 9.81 m/s 2 = 9.81 N (newton).

Daya graviti: definisi

Teori graviti kuantitatif pertama, berdasarkan pemerhatian pergerakan planet, telah dirumuskan oleh Isaac Newton pada tahun 1687 dalam "Prinsip Falsafah Semula Jadi" yang terkenal. Dia menulis bahawa daya graviti yang bertindak ke atas Matahari dan planet bergantung pada jumlah bahan yang terkandung di dalamnya. Mereka merebak pada jarak yang jauh dan sentiasa berkurangan sebagai salingan kuasa dua jarak. Bagaimanakah kita boleh mengira daya graviti ini? Formula untuk daya F antara dua objek dengan jisim m 1 dan m 2 terletak pada jarak r ialah:

F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
di mana G ialah pemalar kekadaran, pemalar graviti.

Mekanisme fizikal graviti

Newton tidak berpuas hati sepenuhnya dengan teorinya, kerana ia menganggap interaksi antara menarik badan pada jarak jauh. Orang Inggeris yang hebat itu sendiri yakin bahawa mesti ada beberapa agen fizikal yang bertanggungjawab untuk memindahkan tindakan satu badan ke badan lain, yang dia nyatakan dengan jelas dalam salah satu suratnya. Tetapi masa apabila konsep medan graviti yang meresap ke semua ruang diperkenalkan hanya empat abad kemudian. Hari ini, bercakap tentang graviti, kita boleh bercakap tentang interaksi mana-mana jasad (kosmik) dengan medan graviti jasad lain, ukurannya ialah daya graviti yang timbul antara setiap pasangan jasad. Hukum graviti sejagat, yang dirumuskan oleh Newton dalam bentuk di atas, kekal benar dan disahkan oleh banyak fakta.

Teori graviti dan astronomi

Ia sangat berjaya digunakan untuk menyelesaikan masalah mekanik cakerawala pada abad ke-18 dan awal abad ke-19. Sebagai contoh, ahli matematik D. Adams dan W. Le Verrier, menganalisis gangguan di orbit Uranus, mencadangkan bahawa ia tertakluk kepada daya graviti interaksi dengan planet yang belum diketahui. Mereka menunjukkan kedudukan yang dijangkakan, dan tidak lama kemudian Neptunus ditemui di sana oleh ahli astronomi I. Galle.

Masih ada satu masalah walaupun. Le Verrier pada tahun 1845 mengira bahawa orbit Mercury mendahului sebanyak 35" setiap abad, berbeza dengan nilai sifar presesi ini yang diperoleh daripada teori Newton. Pengukuran seterusnya memberikan nilai yang lebih tepat iaitu 43". (Kedahuluan yang diperhatikan sebenarnya 570"/abad, tetapi pengiraan yang teliti untuk menolak pengaruh dari semua planet lain memberikan nilai 43".)

Sehingga tahun 1915, Albert Einstein dapat menjelaskan percanggahan ini dalam kerangka teori gravitinya. Ternyata Matahari besar, seperti mana-mana badan besar lain, membengkokkan ruang-masa di sekitarnya. Kesan ini menyebabkan penyelewengan dalam orbit planet, tetapi pada Mercury, sebagai planet terkecil dan paling hampir dengan bintang kita, ia paling ketara.

Jisim inersia dan graviti

Seperti yang dinyatakan di atas, Galileo adalah orang pertama yang memerhatikan bahawa objek jatuh ke tanah pada kelajuan yang sama, tanpa mengira jisimnya. Dalam formula Newton, konsep jisim berasal daripada dua persamaan yang berbeza. Hukum kedua beliau mengatakan bahawa daya F dikenakan pada jasad berjisim m memberikan pecutan mengikut persamaan F = ma.

Walau bagaimanapun, daya graviti F yang digunakan pada jasad memenuhi formula F = mg, di mana g bergantung kepada jasad lain yang berinteraksi dengan yang berkenaan (bumi biasanya apabila kita bercakap tentang graviti). Dalam kedua-dua persamaan m ialah pekali perkadaran, tetapi dalam kes pertama ia adalah jisim inersia, dan dalam kedua ia adalah jisim graviti, dan tidak ada sebab yang jelas bahawa mereka harus sama untuk mana-mana objek fizikal.

Walau bagaimanapun, semua eksperimen menunjukkan bahawa ini memang berlaku.

Teori graviti Einstein

Dia mengambil fakta kesamaan jisim inersia dan graviti sebagai titik permulaan untuk teorinya. Dia berjaya membina persamaan medan graviti, persamaan Einstein yang terkenal, dan dengan bantuan mereka mengira nilai yang betul untuk precession orbit Mercury. Mereka juga memberikan nilai terukur untuk pesongan sinar cahaya yang melalui berhampiran Matahari, dan tidak syak lagi bahawa ia memberikan hasil yang betul untuk graviti makroskopik. Teori graviti Einstein, atau teori relativiti umum (GR) seperti yang dipanggilnya, adalah salah satu kejayaan terbesar sains moden.

Adakah pecutan daya graviti?

Jika anda tidak dapat membezakan jisim inersia daripada jisim graviti, maka anda tidak boleh membezakan graviti daripada pecutan. Eksperimen medan graviti sebaliknya boleh dilakukan dalam lif yang memecut tanpa kehadiran graviti. Apabila seorang angkasawan dalam roket memecut jauh dari bumi, dia mengalami daya graviti yang beberapa kali lebih besar daripada Bumi, dengan sebahagian besar daripadanya datang daripada pecutan.

Jika tiada siapa yang boleh membezakan graviti daripada pecutan, maka yang pertama sentiasa boleh dihasilkan semula dengan pecutan. Sistem di mana pecutan menggantikan graviti dipanggil inersia. Oleh itu, Bulan dalam orbit berhampiran Bumi juga boleh dianggap sebagai sistem inersia. Walau bagaimanapun, sistem ini akan berbeza dari satu titik ke satu titik apabila medan graviti berubah. (Dalam contoh Bulan, medan graviti menukar arah dari satu titik ke titik yang lain.) Prinsip bahawa seseorang sentiasa boleh mencari sistem inersia pada mana-mana titik dalam ruang dan masa di mana fizik mematuhi undang-undang tanpa ketiadaan graviti dipanggil prinsip kesetaraan.

Graviti sebagai manifestasi sifat geometri ruang-masa

Hakikat bahawa daya graviti boleh dianggap sebagai pecutan dalam sistem koordinat inersia yang berbeza dari satu titik ke titik bermakna graviti adalah konsep geometri.

Kami mengatakan bahawa ruang masa adalah melengkung. Pertimbangkan bola di atas permukaan rata. Ia akan berehat atau, jika tiada geseran, bergerak secara seragam tanpa kehadiran sebarang daya yang bertindak ke atasnya. Jika permukaan melengkung, bola akan memecut dan bergerak ke titik terendah, mengambil laluan terpendek. Begitu juga, teori Einstein menyatakan bahawa ruang masa empat dimensi adalah melengkung, dan jasad bergerak dalam ruang melengkung ini di sepanjang garis geodesik yang sepadan dengan laluan terpendek. Oleh itu, medan graviti dan daya graviti yang bertindak di dalamnya pada jasad fizik adalah kuantiti geometri yang bergantung pada sifat ruang-masa, yang berubah paling kuat berhampiran jasad besar.