Mennesket har lenge kjent kraften som får alle kropper til å falle til jorden. Men fram til 1600-tallet. Det ble antatt at bare jorden har den spesielle egenskapen til å tiltrekke seg kropper som ligger nær overflaten. I 1667 foreslo Newton at generelt virker krefter for gjensidig tiltrekning mellom alle kropper. Han kalte disse styrkene krefter universell gravitasjon.
Newton oppdaget bevegelseslovene til legemer. I følge disse lovene er bevegelse med akselerasjon bare mulig under påvirkning av kraft. Siden fallende kropper beveger seg med akselerasjon, må de påvirkes av en kraft rettet nedover mot jorden.
Hvorfor legger vi ikke merke til den gjensidige tiltrekningen mellom kroppene rundt oss? Kanskje forklares dette med at tiltrekningskreftene mellom dem er for små?
Newton var i stand til å vise at tiltrekningskraften mellom legemer avhenger av massene til begge legemer og, som det viste seg, når en merkbar verdi bare når de samvirkende legene (eller minst en av dem) har tilstrekkelig stor masse.
Akselerasjon fritt fall kjennetegnes ved det merkelige trekket at det dette stedet det samme for alle kropper, for kropper av hvilken som helst masse. Ved første øyekast er dette veldig merkelig eiendom. Tross alt, fra formelen som uttrykker Newtons andre lov,
det følger at akselerasjonen til et legeme bør være større, jo mindre massen er. Leger med lav masse må falle med større akselerasjon enn legemer med stor masse. Erfaring har vist (se § 20) at akselerasjonene til fritt fallende legemer ikke er avhengig av deres masse. Den eneste forklaringen som finnes i denne fantastiske
faktum, er at selve kraften som Jorden tiltrekker en kropp med er proporsjonal med dens masse, dvs.
Faktisk, i dette tilfellet, for eksempel, vil dobling av massen også doble kraften, men akselerasjonen, som er lik forholdet, vil forbli uendret. Newton kom med denne eneste riktige konklusjonen: kraften til universell tyngdekraft er proporsjonal med massen til kroppen som den virker på. Men kropper tiltrekker hverandre. Og i henhold til Newtons tredje lov virker krefter av lik absolutt verdi på begge tiltrekkende kropper. Dette betyr at kraften til gjensidig tiltrekning må være proporsjonal med massene til hver av tiltrekningslegemene. Da vil begge legemer motta akselerasjoner som ikke er avhengig av massene deres.
Hvis kraften er proporsjonal med massene til hver av de samvirkende legemer, betyr dette at den er proporsjonal med produktet av massene til begge legemer.
Hva annet er kraften til gjensidig tiltrekning mellom to kropper avhengig av? Newton foreslo at det skulle avhenge av avstanden mellom kroppene. Det er velkjent av erfaring at nær Jorden er akselerasjonen av fritt fall lik, og den er den samme for kropper som faller fra en høyde på 1, 10 eller 100 m. Men fra dette kan vi ennå ikke konkludere at akselerasjonen ikke er avhengig av avstanden til jorden. Newton mente at avstander ikke skulle telles fra jordens overflate, men fra sentrum. Men jordens radius er 6400 km. Det er derfor klart at flere titalls eller hundrevis av meter over jordens overflate ikke kan endre tyngdeakselerasjonen merkbart.
For å finne ut hvordan avstanden mellom kropper påvirker kraften til deres gjensidige tiltrekning, må du vite med hvilken akselerasjon kropper beveger seg i store avstander fra jordens overflate.
Det er tydelig at det er vanskelig å måle den vertikale akselerasjonen av fritt fall av kropper som befinner seg i en høyde av flere tusen kilometer over jordens overflate. Det er mer praktisk å måle sentripetalakselerasjonen til et legeme som beveger seg rundt jorden i en sirkel under påvirkning av tyngdekraften mot jorden. La oss huske at vi brukte samme teknikk når vi studerte den elastiske kraften. Vi målte sentripetalakselerasjonen til en sylinder som beveger seg i en sirkel under påvirkning av denne kraften.
Ved å studere kraften til universell tyngdekraft kom naturen selv til hjelp for fysikere og gjorde det mulig å bestemme akselerasjonen til en kropp som beveger seg i en sirkel rundt jorden. En slik kropp er naturlig satellitt Jorden - Månen. Tross alt, hvis Newtons antakelse er riktig, så må vi anta at månens sentripetale akselerasjon når den beveger seg i en sirkel rundt jorden er gitt av kraften til dens tiltrekning til jorden. Hvis tyngdekraften mellom månen og jorden ikke var avhengig av avstanden mellom dem, ville månens sentripetalakselerasjon være den samme som akselerasjonen
fritt fall av kropper nær jordoverflaten. Faktisk er sentripetalakselerasjonen som Månen beveger seg med i sin bane lik, som vi allerede vet (se oppgave 16, oppgave 9), . Og dette er omtrent 3600 ganger mindre enn akselerasjonen til fallende kropper nær Jorden. Samtidig er det kjent at avstanden fra jordens sentrum til månens sentrum er 384 000 km. Dette er 60 ganger større enn radius Jorden, det vil si avstanden fra jordens sentrum til overflaten. Dermed fører en økning i avstanden mellom tiltrekkende kropper med 60 ganger til en reduksjon i akselerasjonen med 602 ganger. Fra dette kan vi konkludere med at akselerasjonen som gis til legemer av kraften til universell tyngdekraft, og derfor denne kraften i seg selv, er omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom de samvirkende legemer.
Newton kom til denne konklusjonen.
Derfor kan vi skrive at to masselegemer blir tiltrukket av hverandre med en kraft absolutt verdi som uttrykkes med formelen
hvor er avstanden mellom kropper, y er proporsjonalitetskoeffisienten, lik for alle kropper i naturen. Denne koeffisienten for universell gravitasjon kalles gravitasjonskonstanten.
Formelen ovenfor uttrykker loven om universell gravitasjon oppdaget av Newton:
Alle legemer er tiltrukket av hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av massene deres og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.
Under påvirkning av universell tyngdekraft beveger både planetene seg rundt solen og kunstige satellitter rundt jorden.
Men hva skal forstås med avstanden mellom samvirkende kropper? La oss ta to kropper med vilkårlig form (fig. 109). Spørsmålet oppstår umiddelbart: hvilken avstand bør erstattes med formelen for loven om universell gravitasjon? Avstand mellom
de fjerneste punktene på overflaten til begge legemer eller omvendt avstanden mellom de nærmeste punktene? Eller kanskje avstanden mellom noen andre punkter på kroppen?
Det viser seg at formel (1), som uttrykker loven om universell gravitasjon, er gyldig når avstanden mellom legemer er så stor sammenlignet med deres størrelser at kroppene kan betraktes som materielle punkter. Når man beregner gravitasjonskraften mellom dem, kan jorden og månen, planetene og solen betraktes som materielle punkter.
Hvis kroppene har form som kuler, så tiltrekker de hverandre, selv om størrelsen er sammenlignbar med avstanden mellom dem. materielle poeng, plassert i midten av kulene (fig. 110). I dette tilfellet er dette avstanden mellom midten av ballene.
Formel (1) kan også brukes når man beregner tiltrekningskraften mellom en kule med stor radius og en kropp med vilkårlig form små størrelser plassert nær overflaten av ballen (fig. 111). Da kan kroppens dimensjoner neglisjeres i forhold til ballens radius. Dette er nøyaktig hva vi gjør når vi vurderer tiltrekningen av ulike kropper til kloden.
Tyngdekraften er et annet eksempel på en kraft som avhenger av posisjonen (koordinatene) til kroppen som denne kraften virker på, i forhold til kroppen som har virkningen. Tross alt avhenger tyngdekraften av avstanden mellom legemer.
Vi går alle på jorden fordi den tiltrekker oss. Hvis jorden ikke tiltrakk seg alle kroppene på overflaten, ville vi presset av fra den og flydd ut i verdensrommet. Men dette skjer ikke, og alle vet om eksistensen av tyngdekraften.
Tiltrekker vi jorden? Månen tiltrekker seg!
Tiltrekker vi jorden til oss selv? Morsomt spørsmål, ikke sant? Men la oss finne ut av det. Vet du hva tidevannet er i hav og hav? Hver dag forlater vannet kysten, henger rundt et ukjent sted i flere timer, og vender så tilbake, som om ingenting hadde skjedd.
Så vannet på dette tidspunktet er ikke et ukjent sted, men omtrent midt i havet. Det dannes noe som et vannfjell der. Utrolig, ikke sant? Vann, som har egenskapen til å spre seg, renner ikke bare ned, men danner også fjell. Og i disse fjellene er en enorm vannmasse konsentrert.
Bare estimer hele vannvolumet som beveger seg bort fra kysten under lavvann, så vil du forstå det vi snakker om om gigantiske mengder. Men hvis dette skjer, må det være en grunn. Og det er en grunn. Årsaken ligger i det faktum at dette vannet er tiltrukket av månen.
Når månen kretser rundt jorden, passerer den over havene og tiltrekker seg havvann. Månen kretser rundt jorden fordi den tiltrekkes av jorden. Men det viser seg at hun selv også tiltrekker Jorden til seg. Jorden er imidlertid for stor for den, men dens innflytelse er tilstrekkelig til å flytte vann i havene.
Kraft og lov om universell gravitasjon: konsept og formel
La oss nå gå videre og tenke: hvis to enorme kropper, som er i nærheten, begge tiltrekker hverandre, er det ikke logisk å anta at mindre kropper også vil tiltrekke hverandre? Er de ganske enkelt mye mindre, og deres attraktive kraft vil være liten?
Det viser seg at denne antagelsen er helt riktig. Mellom absolutt alle legemer i universet er det tiltrekningskrefter eller, med andre ord, krefter med universell tyngdekraft.
Isaac Newton var den første som oppdaget dette fenomenet og formulerte det i form av en lov. Loven om universell gravitasjon sier: alle legemer er tiltrukket av hverandre, og kraften til deres tiltrekning er direkte proporsjonal med massen til hver av legene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem:
F = G * (m_1 * m_2) / r^2 ,
hvor F er størrelsen på tiltrekningsvektoren mellom legene, m_1 og m_2 er massene til disse legene, r er avstanden mellom legene, G er gravitasjonskonstanten.
Gravitasjonskonstanten er numerisk lik kraften som eksisterer mellom kropper med masse 1 kg plassert i en avstand på 1 meter. Denne verdien ble funnet eksperimentelt: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2.
Når vi går tilbake til vårt opprinnelige spørsmål: "tiltrekker vi oss jorden?", kan vi trygt svare: "ja." I følge Newtons tredje lov tiltrekker vi jorden med nøyaktig samme kraft som jorden tiltrekker oss med. Denne kraften kan beregnes ut fra loven om universell gravitasjon.
Og i henhold til Newtons andre lov uttrykkes påvirkningen av kropper på hverandre av enhver kraft i form av akselerasjonen de gir hverandre. Men akselerasjonen som gis avhenger av kroppens masse.
Jordens masse er stor, og den gir oss tyngdeakselerasjonen. Og massen vår er ubetydelig sammenlignet med jorden, og derfor er akselerasjonen som vi gir til jorden praktisk talt null. Dette er grunnen til at vi tiltrekkes av jorden og går på den, og ikke omvendt.
Absolutt alle materielle kropper, både de som befinner seg direkte på jorden og de som eksisterer i universet, er konstant tiltrukket av hverandre. Det faktum at denne interaksjonen ikke alltid kan sees eller føles, indikerer bare at attraksjonen er i dataene konkrete tilfeller relativt svak.
Samspillet mellom materielle kropper, som består av deres konstant streben til hverandre, i henhold til det grunnleggende fysiske termer, kalles gravitasjon, mens fenomenet tiltrekning i seg selv kalles gravitasjon.
Fenomenet gravitasjon er mulig fordi det er et gravitasjonsfelt rundt absolutt enhver materiell kropp (inkludert rundt en person). Dette feltet er en spesiell type materie, fra handlingen som ingenting kan beskyttes og ved hjelp av hvilken en kropp virker på en annen, og forårsaker akselerasjon mot midten av kilden til dette feltet. Det var nettopp dette som fungerte som grunnlaget for universell gravitasjon, formulert i 1682 av den engelske naturforskeren og filosofen I.
Hovedkonseptet i denne loven er tyngdekraften, som, som nevnt ovenfor, ikke er noe mer enn resultatet av påvirkningen gravitasjonsfelt for dette eller hint materiell kropp. ligger i det faktum at kraften som gjensidig tiltrekning av kropper skjer både på jorden og i verdensrommet, avhenger direkte av produktet av massen til disse kroppene og er i omvendt forhold fra avstanden som skiller disse objektene.
Således avhenger tyngdekraften, hvis definisjon ble gitt av Newton selv, bare av to hovedfaktorer - massen av samvirkende kropper og avstanden mellom dem.
Bekreftelse på det dette fenomenet avhenger av massen til stoffet, kan finnes ved å studere samspillet mellom jorden og kroppene som omgir den. Rett etter Newton viste en annen berømt vitenskapsmann, Galileo, overbevisende at når planeten vår gir alle kropper nøyaktig samme akselerasjon. Dette er bare mulig hvis kroppen mot jorden direkte avhenger av massen til denne kroppen. Faktisk, i dette tilfellet, med en økning i massen flere ganger, vil kraften til virkende tyngdekraft øke nøyaktig like mye, mens akselerasjonen forblir uendret.
Hvis vi fortsetter denne tanken og vurderer samspillet mellom to kropper på overflaten av den "blå planeten", kan vi komme til den konklusjon at hver av dem blir påvirket av den samme kraften fra vår "Moder Jord". På samme tid, basert på den berømte loven formulert av samme Newton, kan vi med sikkerhet si at størrelsen på denne kraften vil direkte avhenge av kroppens masse, derfor er gravitasjonskraften mellom disse kroppene direkte avhengig av produktet av massene deres.
For å bevise at det avhenger av størrelsen på gapet mellom kroppene, måtte Newton involvere månen som en "alliert". Det har lenge vært fastslått at akselerasjonen som legemer faller til jorden med er omtrent lik 9,8 m/s^2, men Månen i forhold til planeten vår, som et resultat av en rekke eksperimenter, viste seg å være lik bare 0,0027 m/s^2.
Dermed er tyngdekraften den viktigste fysisk mengde, som forklarer mange prosesser som skjer både på planeten vår og i det omkringliggende ytre rom.
Sir Isaac Newton, etter å ha blitt slått på hodet med et eple, utledet loven om universell gravitasjon, som sier:
Alle to kropper tiltrekkes av hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av kroppens masse og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem:
F = (Gm 1 m2)/R2, hvor
m1, m2- kroppsmasser
R- avstand mellom sentre av legemer
G = 6,67 10 -11 Nm2/kg- konstant
La oss bestemme tyngdeakselerasjonen på jordens overflate:
F g = m kropp g = (Gm kropp m Jord)/R 2
R (jordens radius) = 6,38 10 6 m
m Jord = 5,97 10 24 kg
m kropp g = (Gm kropp m Jord)/R 2 eller g = (Gm Jord)/R 2
Vær oppmerksom på at akselerasjonen på grunn av tyngdekraften ikke er avhengig av kroppens masse!
g = 6,67 10 -11 5,97 10 24 /(6,38 10 6) = 398,2/40,7 = 9,8 m/s 2
Vi sa tidligere at tyngdekraften ( gravitasjonsattraksjon) er kalt vekt.
På jordens overflate har vekten og massen til en kropp samme verdi. Men når du beveger deg bort fra jorden, vil vekten av kroppen minke (siden avstanden mellom jordens sentrum og kroppen vil øke), og massen vil forbli konstant (siden massen er et uttrykk for tregheten til kropp). Masse måles i kilo, vekt - inn newton.
Takket være tyngdekraften roterer himmellegemer i forhold til hverandre: Månen rundt jorden; Jorden rundt solen; Solen rundt sentrum av galaksen vår osv. I dette tilfellet holdes kroppene av sentrifugalkraft, som leveres av tyngdekraften.
Det samme gjelder for kunstige kropper(satelitter) som kretser rundt jorden. Sirkelen som satellitten roterer rundt kalles bane.
I dette tilfellet virker en sentrifugalkraft på satellitten:
F c = (m satellitt V 2)/R
Tyngdekraft:
F g = (Gm satellitt m Jorden)/R 2
F c = F g = (m satellitt V 2)/R = (Gm satellitt m Earth)/R 2
V2 = (Gm jord)/R; V = √(Gm Jord)/R
Ved å bruke denne formelen kan du beregne hastigheten til ethvert legeme som roterer i en bane med en radius R rundt jorden.
Jordens naturlige satellitt er månen. La oss bestemme dens lineære hastighet i bane:
Jordmasse = 5,97 10 24 kg
R er avstanden mellom jordens sentrum og månens sentrum. For å bestemme denne avstanden, må vi legge til tre mengder: Jordens radius; månens radius; avstand fra jorden til månen.
R av månen = 1738 km = 1,74 10 6 m
R jord = 6371 km = 6,37 10 6 m
R zł = 384400 km = 384,4 10 6 m
Total avstand mellom sentrene til planetene: R = 392,5·10 6 m
Lineær hastighet på månen:
V = √(Gm Jord)/R = √6,67 10 -11 5,98 10 24 /392,5 10 6 = 1000 m/s = 3600 km/t
Månen beveger seg i en sirkulær bane rundt jorden med lineær hastighet V 3600 km/t!
La oss nå bestemme perioden for månens revolusjon rundt jorden. I løpet av sin omløpsperiode reiser månen en avstand lik lengde baner - 2πR. Orbital hastighet Måner: V = 2πR/T; på den andre siden: V = √(Gm jord)/R:
2πR/T = √(Gm Jord)/R derav T = 2π√R 3 /Gm Jord
T = 6,28 √(60,7 10 24)/6,67 10 -11 5,98 10 24 = 3,9 10 5 s
Månens omløpsperiode rundt jorden er 2.449.200 sekunder, eller 40.820 minutter, eller 680 timer, eller 28,3 dager.
1. Vertikal rotasjon
Tidligere var det på sirkus et veldig populært triks der en syklist (motorsyklist) gjorde full sving inne i en sirkel plassert vertikalt.
Hvilken minimumshastighet bør en stuntmann ha for å unngå å falle ned på topppunktet?
For å passere topppunktet uten å falle, må kroppen ha en hastighet som skaper en slik sentrifugalkraft som ville kompensere for tyngdekraften.
Sentrifugalkraft: F c = mV 2 / R
Tyngdekraft: Fg = mg
Fc = Fg; mV2/R = mg; V = √Rg
Igjen, merk at kroppsvekt ikke er inkludert i beregningene! Vær oppmerksom på at dette er hastigheten som kroppen skal ha på toppen!
La oss si at det er en sirkel med en radius på 10 meter i sirkusarenaen. La oss beregne den sikre hastigheten for trikset:
V = √Rg = √10 9,8 = 10 m/s = 36 km/t
Ikke bare den mest mystiske av naturkrefter, men også den kraftigste.
Mann på fremskritts vei
Historisk viste det seg det Menneskelig mens det går fremover måter for fremgang mestret de stadig kraftigere naturkreftene. Han startet da han ikke hadde annet enn en kjepp i neven og sin egen fysiske styrke.
Men han var klok, og han tok med seg den fysiske styrken til dyr i sin tjeneste, og gjorde dem tamme. Hesten satte fart, kamelen gjorde ørkenen farbar, elefanten gjorde den sumpete jungelen. Men fysisk styrke selv de sterkeste dyrene er umåtelig svake for naturkreftene.
Mennesket var det første som underkastet ildelementet, men bare i dets mest svekkede versjoner. Til å begynne med – i mange århundrer – brukte han bare tre som brensel – en brensel med svært lav energi. Noe senere lærte han å bruke denne energikilden til å bruke vindens energi, mannen løftet seilets hvite vinge til værs – og lysskipet fløy som en fugl over bølgene.
Seilbåt på bølgene
Han utsatte bladene for vindkastene vindmølle- og de tunge steinene i kvernsteinene begynte å snurre, og kornkvernene begynte å rasle. Men det er klart for alle at energien til luftstråler langt fra er konsentrert. I tillegg var både seilet og vindmøllen redde for vindens slag: stormen rev seilene og sank skipene, stormen brakk vingene og veltet møllene.
Selv senere begynte mennesket å erobre rennende vann. Hjulet er ikke bare de mest primitive enhetene som er i stand til å konvertere vannenergi til rotasjonsbevegelse, men også den minst kraftige sammenlignet med de ulike.
Mennesket gikk stadig fremover langs fremskrittsstigen og trengte alt store mengder energi.
Han begynte å bruke nye typer drivstoff - gikk allerede over til forbrenning kulløkte energiintensiteten til et kilo drivstoff fra 2500 kcal til 7000 kcal - nesten tre ganger. Så kom tiden for olje og gass. Energiinnholdet i hvert kilo fossilt brensel har igjen økt med halvannen til to ganger.
Dampmaskiner erstattet dampturbiner; møllehjul ble erstattet av hydrauliske turbiner. Deretter strakte mannen ut hånden til det spaltende uranatomet. Den første bruken av en ny type energi fikk imidlertid tragiske konsekvenser - atombrannen i Hiroshima i 1945 brente 70 tusen menneskehjerter i løpet av få minutter.
I 1954, verdens første sovjet atomkraftverk, transformerer kraften til uran til strålingskraften til elektrisk strøm. Og det bør bemerkes at et kilo uran inneholder to millioner ganger mer energi enn et kilo av den beste oljen.
Dette var en fundamentalt ny brann, som kunne kalles fysisk, fordi det var fysikere som studerte prosessene som førte til fødselen av slike fantastiske mengder energi.
Uran er ikke det eneste atombrenselet. En kraftigere type drivstoff er allerede i bruk - hydrogenisotoper.
Dessverre har mennesket ennå ikke vært i stand til å underkaste seg hydrogen-helium-atomflammen. Han vet hvordan han skal tenne sin altbrennende ild et øyeblikk, og tenner reaksjonen hydrogenbombe glimt av en uraneksplosjon. Men det virker nærmere og nærmere forskerne og hydrogenreaktor hvem som skal føde elektrisitet som et resultat av fusjonen av hydrogenisotopkjerner til heliumkjerner.
Igjen vil mengden energi som en person kan ta fra hvert kilo drivstoff øke nesten tidoblet. Men vil dette trinnet være det siste i den kommende historien om menneskehetens makt over naturkreftene?
Nei! Forut er det å mestre gravitasjonsformen for energi. Det er enda mer forsiktig pakket av naturen enn til og med energien til hydrogen-heliumfusjon. I dag er dette den mest konsentrerte formen for energi som en person til og med kan forestille seg.
Ingenting lenger er synlig der, utover vitenskapens forkant. Og selv om vi trygt kan si at kraftverk vil fungere for mennesker, konvertere gravitasjonsenergi til elektrisk strøm (og kanskje til en strøm av gass som slipper ut av dysen jetmotor, eller i de planlagte transformasjonene av de allestedsnærværende silisium- og oksygenatomene til atomer av ultrasjeldne metaller), kan vi ennå ikke si noe om detaljene i et slikt kraftverk (rakettmotor, fysisk reaktor).
Kraften til universell gravitasjon ved opprinnelsen til galaksenes fødsel
Kraften til universell gravitasjon er opprinnelsen til fødselen av galakser fra prestellar materie, som i akademikeren er overbevist V. A. Ambartsumyan. Den slukker stjerner som har brent ut tiden sin, etter å ha brukt opp stjernedrivstoffet de fikk ved fødselen.
Se deg rundt: alt her på jorden er i stor grad kontrollert av denne kraften.
Det er dette som bestemmer den lagdelte strukturen til planeten vår - vekslingen av litosfære, hydrosfære og atmosfære. Det er hun som holder et tykt lag med luftgasser, på bunnen av og takket være det vi alle eksisterer.
Uten tyngdekraften ville jorden umiddelbart falle ut av sin bane rundt solen, og selve kloden ville falle fra hverandre, revet i stykker av sentrifugalkrefter. Det er vanskelig å finne noe som ikke i en eller annen grad vil være avhengig av den universelle tyngdekraften.
Selvfølgelig kunne de gamle filosofene, veldig observante mennesker, ikke unngå å legge merke til at en stein kastet oppover alltid kommer tilbake. Platon på 400-tallet f.Kr. forklarte dette ved å si at alle stoffene i universet har en tendens til der de fleste av de lignende stoffene er konsentrert: en kastet stein faller til bakken eller går til bunnen, spilt vann siver inn i nærmeste dam eller inn i en elv på vei mot havet, røyken fra ilden suser mot dens beslektede skyer.
Platons elev, Aristoteles, presiserte at alle kropper har spesielle egenskaper tyngde og letthet. Tunge kropper - steiner, metaller - skynder seg til sentrum av universet, lette kropper - ild, røyk, damper - til periferien. Denne hypotesen, som forklarer noen fenomener assosiert med kraften til universell tyngdekraft, har eksistert i mer enn 2 tusen år.
Forskere om kraften til universell tyngdekraft
Sannsynligvis den første til å reise spørsmålet om universell tyngdekraft virkelig vitenskapelig var det et geni fra renessansen - Leonardo da Vinci. Leonardo forkynte at tyngdekraften ikke er unik for jorden, at det er mange tyngdepunkter. Og han uttrykte også ideen om at tyngdekraften avhenger av avstanden til tyngdepunktet.
Verkene til Copernicus, Galileo, Kepler, Robert Hooke brakte nærmere og nærmere ideen om loven om universell gravitasjon, men i sin endelige formulering er denne loven for alltid forbundet med navnet Isaac Newton.
Isaac Newton om kraften til universell gravitasjon
Født 4. januar 1643. Cumshot Cambridge universitet, ble en bachelor, deretter en master of science.
Isaac Newton Alt videre er uendelig rikdom vitenskapelige arbeider. Men hans hovedverk er "Matematiske prinsipper for naturfilosofi", utgitt i 1687 og vanligvis kalt "prinsipper." Det er i dem det store formuleres. Sannsynligvis husker alle ham fra videregående.
Alle legemer tiltrekker hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av massene til disse legene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem ...
Noen av bestemmelsene i denne formuleringen var i stand til å forutse Newtons forgjengere, men ingen hadde noen gang lyktes i å oppnå det i sin helhet. Det tok Newtons geni å sette sammen disse fragmentene til en enkelt helhet for å utvide jordens tyngdekraft til Månen og Solen til hele planetsystemet.
Fra loven om universell gravitasjon, utledet Newton alle lovene for planetarisk bevegelse som tidligere ble oppdaget av Kepler. De viste seg å være bare konsekvensene. Dessuten viste Newton at ikke bare Keplers lover, men også avvik fra disse lovene (i verden med tre eller flere kropper) er en konsekvens av universell tyngdekraft... Dette var en stor triumf for vitenskapen.
Det så ut til at det endelig var blitt oppdaget og matematisk beskrevet hovedstyrke naturen, som beveger verdener, kraften som kontrollerer luftmolekyler, epler og solen. Skrittet som Newton tok var gigantisk, umåtelig stort.
Den første populariseringen av verkene til den briljante vitenskapsmannen, den franske forfatteren François Marie Arouet, verdensberømt under pseudonymet Voltaire, sa at Newton plutselig innså eksistensen av loven oppkalt etter ham da han så på et fallende eple.
Newton selv nevnte aldri dette eplet. Og det er neppe verdt å kaste bort tid i dag for å motbevise dette vakker legende. Og tilsynelatende til forståelse stor kraft Newton kom til naturen ved logisk resonnement. Sannsynligvis var det dette som ble inkludert i det tilsvarende kapittelet av "Begynnelser".
Kraften til universell tyngdekraft påvirker flukten til kjernen
La oss anta det veldig høyt fjell, så høyt at toppen allerede er ute av atmosfæren, installerte vi et gigantisk artilleristykke. Tønnen var plassert strengt parallelt med overflaten kloden og sparket. Etter å ha beskrevet buen, kjernen faller til jorden.
Vi øker ladningen, forbedrer kvaliteten på kruttet, og tvinger på en eller annen måte kanonkulen til å bevege seg i høyere hastighet etter neste skudd. Buen beskrevet av kjernen blir flatere. Kjernen faller mye lenger fra foten av fjellet vårt.
Vi øker også ladningen og skyter. Kjernen flyr langs en så flat bane at den går ned parallelt med jordklodens overflate. Kjernen kan ikke lenger falle til jorden: med samme hastighet som den avtar, slipper jorden fra under den. Og etter å ha beskrevet en ring rundt planeten vår, går kjernen tilbake til utgangspunktet.
Pistolen kan fjernes i mellomtiden. Tross alt vil flyturen til kjernen rundt kloden ta over en time. Og da vil kjernen raskt fly over toppen av fjellet og legge ut på en ny flytur rundt jorden. Hvis kjernen, som vi ble enige om, ikke opplever luftmotstand, vil den aldri kunne falle.
For dette bør kjernehastigheten være nær 8 km/sek. Hva om vi øker hastigheten på kjernens flukt? Den vil først fly i en bue, flatere enn krumningen jordens overflate, og vil begynne å bevege seg bort fra jorden. Samtidig vil hastigheten avta under påvirkning av jordens tyngdekraft.
Og til slutt, snur den seg rundt, vil den begynne å falle tilbake til jorden, men vil fly forbi den og lukke ikke en sirkel, men en ellipse. Kjernen vil bevege seg rundt Jorden på nøyaktig samme måte som Jorden beveger seg rundt Solen, nemlig langs en ellipse, ved en av brennpunktene som sentrum av planeten vår vil ligge.
Hvis du øker starthastigheten til kjernen ytterligere, vil ellipsen bli mer strukket. Du kan strekke denne ellipsen slik at kjernen når månebane eller enda mye lenger. Men inntil starthastighet denne kjernen vil ikke overstige 11,2 km/sek, den vil forbli en satellitt av jorden.
Kjernen, som fikk en hastighet på over 11,2 km/sek ved avfyring, vil for alltid fly vekk fra jorden langs en parabolsk bane. Hvis en ellipse er en lukket kurve, så er en parabel en kurve som har to grener som går til det uendelige. Når vi beveger oss langs en ellipse, uansett hvor langstrakt den måtte være, vil vi uunngåelig systematisk gå tilbake til utgangspunktet. Beveger seg langs en parabel, inn Utgangspunktet vi vil aldri gå tilbake.
Men etter å ha forlatt jorden med denne hastigheten, vil kjernen ennå ikke kunne fly til det uendelige. Solens kraftige tyngdekraft vil bøye banen til dens flukt, og lukke den rundt seg selv som banen til en planet. Kjernen vil bli jordens søster, en uavhengig liten planet i vår familie av planeter.
For å lede kjernen utover planetsystemet, for å overvinne solens tyngdekraft, må du gi den en hastighet på over 16,7 km/sek, og dirigere den slik at hastigheten legges til denne hastigheten egen bevegelse Jord.
En hastighet på omtrent 8 km/sek (denne hastigheten avhenger av høyden på fjellet som kanonene våre skyter fra) kalles sirkelhastighet, hastigheter fra 8 til 11,2 km/sek er elliptiske, fra 11,2 til 16,7 km/sek er parabolske , og over dette tallet - i befriende hastigheter.
Det skal legges til her at de gitte verdiene for disse hastighetene bare er gyldige for jorden. Hvis vi bodde på Mars, ville sirkulærhastigheten vært mye lettere oppnåelig for oss - den er bare rundt 3,6 km/sek, og parabolhastigheten er bare litt høyere enn 5 km/sek.
Men å sende kjernen ut i rommet fra Jupiter ville være mye vanskeligere enn fra Jorden: Sirkelhastigheten på denne planeten er 42,2 km/sek, og parabolhastigheten er til og med 61,8 km/sek!
Det ville være vanskeligst for innbyggerne i solen å forlate sin verden (hvis en slik kunne eksistere). Sirkelhastigheten til denne giganten skal være 437,6, og utbryterhastigheten - 618,8 km/sek!
Så Newtons sent XVIIårhundre, hundre år før den første flyturen fylte med varm luft varmluftsballong Montgolfier-brødrene, to hundre år før de første flyvningene med Wright-brødrenes fly og nesten et kvart årtusen før de første rakettene med flytende drivstoff, viste vei til himmelen for satellitter og romfartøyer.
Kraften til universell tyngdekraft er iboende i alle sfærer
Ved bruk av loven om universell gravitasjon var åpne ukjente planeter, opprettet kosmogoniske hypoteser opprinnelse solsystemet. Naturens hovedkraft, som kontrollerer stjernene, planetene, eplene i hagen og gassmolekylene i atmosfæren, er oppdaget og matematisk beskrevet.
Men vi kjenner ikke mekanismen for universell gravitasjon. Newtonsk gravitasjon forklarer ikke, men representerer tydelig nåværende situasjon planetariske bevegelser.
Vi vet ikke hva som forårsaker samspillet mellom alle legemer i universet. Og det kan ikke sies at Newton ikke var interessert i denne grunnen. I mange år grunnet han på dens mulige mekanisme.
Forresten, dette er virkelig en ekstremt mystisk kraft. En kraft som manifesterer seg gjennom hundrevis av millioner kilometer med plass, blottet ved første øyekast for materielle formasjoner ved hjelp av hvilken overføringen av interaksjon kan forklares.
Newtons hypoteser
OG Newton tydde til hypotese om eksistensen av en viss eter som visstnok fyller hele universet. I 1675 forklarte han tiltrekningen til jorden ved at eteren, som fyller hele universet, suser i kontinuerlige strømmer til jordens sentrum, fanger opp alle objekter i denne bevegelsen og skaper tyngdekraften. Den samme strømmen av eter suser mot solen, og bærer planeter og kometer med seg, sikrer deres elliptiske baner...
Dette var ikke en veldig overbevisende hypotese, selv om den var absolutt matematisk logisk. Men så, i 1679, skapte Newton en ny hypotese som forklarer tyngdekraftsmekanismen. Denne gangen gir han eteren egenskapen å ha forskjellige konsentrasjoner nær planetene og langt unna dem. Jo lenger fra planetens sentrum, jo tettere er eteren. Og den har egenskapen til å presse ut alle materielle kropper fra deres tettere lag til mindre tette. Og alle kroppene blir presset ut på jordoverflaten.
I 1706 benektet Newton skarpt selve eksistensen av eteren. I 1717 vendte han igjen tilbake til hypotesen om ekstrudering av eter.
Newtons strålende hjerne slet med løsningen stor hemmelighet og fant henne ikke. Dette forklarer slike skarpe kast fra side til side. Newton likte å si:
Jeg lager ingen hypoteser.
Og selv om, så snart vi var i stand til å verifisere, dette ikke er helt sant, kan noe annet sies med sikkerhet: Newton visste hvordan han klarte å skille mellom udiskutable ting og ustødige og kontroversielle hypoteser. Og i "Prinsipper" er det en formel for den store loven, men det er ingen forsøk på å forklare dens mekanisme.
Den store fysikeren testamenterte denne gåten til fremtidens mann. Han døde i 1727.
Det er ikke løst den dag i dag.
Diskusjonen om den fysiske essensen av Newtons lov tok to århundrer. Og kanskje ville denne diskusjonen ikke angå selve essensen av loven hvis den besvarte nøyaktig alle spørsmålene som ble stilt til den.
Men faktum er at det over tid viste seg at denne loven ikke er universell. At det er tilfeller hvor han ikke kan forklare dette eller hint fenomenet. La oss gi eksempler.
Kraften til universell gravitasjon i Seeligers beregninger
Den første av dem er Seeligers paradoks. Ved å betrakte universet som uendelig og jevnt fylt med materie, prøvde Seeliger å beregne, ved å bruke Newtons lov, kraften til universell tyngdekraft skapt av hele den uendelig store massen uendelig univers på et tidspunkt av det.
Dette var ingen enkel oppgave sett fra ren matematikk. Etter å ha overvunnet alle vanskelighetene med de mest komplekse transformasjonene, slo Seeliger fast at den ønskede kraften til universell gravitasjon er proporsjonal med universets radius. Og siden denne radien er lik uendelig, så må gravitasjonskraften være uendelig stor. Men i praksis observerer vi ikke dette. Dette betyr at loven om universell gravitasjon ikke gjelder for hele universet.
Andre forklaringer på paradokset er imidlertid mulige. For eksempel kan vi anta at materie ikke fyller hele universet jevnt, men dens tetthet avtar gradvis, og til slutt, et sted veldig langt unna er det ingen materie i det hele tatt. Men å forestille seg et slikt bilde betyr å innrømme muligheten for eksistensen av rom uten materie, noe som generelt er absurd.
Vi kan anta at kraften til universell tyngdekraft svekkes raskere enn kvadratet på avstanden øker. Men dette setter spørsmålstegn ved den fantastiske harmonien i Newtons lov. Nei, og denne forklaringen tilfredsstilte ikke forskere. Paradokset forble et paradoks.
Observasjoner av Merkurs bevegelse
Et annet faktum, virkningen av kraften til universell gravitasjon, ikke forklart av Newtons lov, brakte observasjoner av Merkurs bevegelse- nærmest planeten. Nøyaktige beregninger ved bruk av Newtons lov viste at perhelium, punktet på ellipsen som Merkur beveger seg nærmest Solen, bør forskyves med 531 buesekunder per 100 år.
Og astronomer har bestemt at denne forskyvningen er lik 573 buesekunder. Dette overskuddet - 42 buesekunder - kunne heller ikke forklares av forskere ved å bruke bare formler som stammer fra Newtons lov.
Han forklarte Seeliger-paradokset, skiftet av periheliumet til Merkur og mange andre paradoksale fenomener og uforklarlige fakta Albert Einstein, en av de største, om ikke den mest stor fysiker av alle tider og folkeslag. Blant de irriterende små tingene var spørsmålet om eterisk vind.
Albert Michelsons eksperimenter
Det så ut til at dette spørsmålet ikke direkte gjaldt gravitasjonsproblemet. Han forholdt seg til optikk, til lys. Mer presist, for å bestemme hastigheten.
Lysets hastighet ble først bestemt av en dansk astronom Olaf Rømer, og observerer formørkelsen av satellittene til Jupiter. Dette skjedde tilbake i 1675.
Amerikansk fysiker Albert Michelson V sent XVIIIårhundre, utførte en serie bestemmelser av lysets hastighet under terrestriske forhold, ved å bruke apparatet han designet.
I 1927 ga han lyshastigheten en verdi på 299796 + 4 km/sek - dette var utmerket nøyaktighet for den tiden. Men poenget er et annet. I 1880 bestemte han seg for å utforske den eteriske vinden. Han ønsket å endelig fastslå eksistensen av nettopp den eteren, hvis tilstedeværelse de prøvde å forklare både overføringen av gravitasjonsinteraksjon og overføringen av lysbølger.
Michelson var sannsynligvis den mest bemerkelsesverdige eksperimentellen i sin tid. Han hadde utmerket utstyr. Og han var nesten sikker på suksess.
Essensen av erfaring
Erfaring var ment på denne måten. Jorden beveger seg i sin bane med en hastighet på rundt 30 km/sek. Beveger seg gjennom eteren. Dette betyr at lyshastigheten fra en kilde som står foran mottakeren i forhold til jordens bevegelse må være større enn fra en kilde som står på den andre siden. I det første tilfellet må hastigheten til den eteriske vinden legges til lysets hastighet i det andre tilfellet, må lysets hastighet reduseres med denne mengde.
Selvfølgelig er hastigheten på jordens bane rundt solen bare en titusendel av lysets hastighet. Det er veldig vanskelig å oppdage et så lite begrep, men det er ikke for ingenting at Michelson ble kalt nøyaktighetens konge. Han brukte en smart metode for å fange den "subtile" forskjellen i lysstrålenes hastighet.
Han delte strålen i to like strømmer og rettet dem i gjensidig vinkelrette retninger: langs meridianen og langs parallellen. Etter å ha reflektert fra speilene, kom strålene tilbake. Hvis en stråle som beveger seg langs en parallell ble påvirket av den eteriske vinden, når den ble lagt til en meridional stråle, ville interferenskanter vises, og bølgene til de to strålene ville være ute av fase.
Imidlertid var det vanskelig for Michelson å måle banene til begge strålene med så stor nøyaktighet at de var helt identiske. Så han bygde apparatet slik at det ikke var noen interferenskanter, og roterte det deretter 90 grader.
Meridionalstrålen ble breddegrad og omvendt. Hvis det er eterisk vind, bør det vises svarte og lyse striper under okularet! Men de var ikke der. Kanskje, når han snudde apparatet, flyttet forskeren det.
Han satte den opp ved middagstid og sikret den. Tross alt, i tillegg til at den også roterer rundt en akse. Og derfor i annen tid dag, inntar breddegradsstrålen en annen posisjon i forhold til den kommende eteriske vinden. Nå, når enheten er strengt tatt ubevegelig, kan man være overbevist om nøyaktigheten til eksperimentet.
Det var ingen interferenskanter igjen. Eksperimentet ble utført mange ganger, og Michelson, og med ham alle datidens fysikere, ble overrasket. Ingen eterisk vind ble oppdaget! Lyset beveget seg i alle retninger med samme hastighet!
Ingen har klart å forklare dette. Michelson gjentok eksperimentet igjen og igjen, forbedret utstyret og oppnådde til slutt en nesten utrolig målenøyaktighet, en størrelsesorden større enn det som var nødvendig for å lykkes med eksperimentet. Og igjen ingenting!
Albert Einsteins eksperimenter
Det neste store steget inn kunnskap om den universelle tyngdekraften gjorde Albert Einstein.
Albert Einstein ble en gang spurt:
Hvordan kom du til din spesiell teori relativt? Under hvilke omstendigheter slo den geniale ideen deg? Forskeren svarte: "Jeg har alltid forestilt meg at dette var tilfelle."
Kanskje ville han ikke være ærlig, kanskje ville han bli kvitt sin irriterende samtalepartner. Men det er vanskelig å forestille seg oppdaget av Einstein ideen om sammenhengene mellom tid, rom og hastighet var medfødt.
Nei, selvfølgelig, først slo en gjetning igjennom, lysende som et lyn. Så begynte utviklingen. Nei, det er ingen motsetninger med kjente fenomener. Og så dukket de fem sidene, fylt med formler, opp som ble publisert i fysisk journal. Sider åpnet ny æra i fysikk.
Se for deg et stjerneskip som flyr i verdensrommet. La oss advare deg med en gang: Romskipet er veldig unikt, det samme du snakker om fantasihistorier har ikke lest den. Lengden er 300 tusen kilometer, og hastigheten er, la oss si, 240 tusen km/sek. Og dette romskipet flyr forbi en av de mellomliggende plattformene i verdensrommet, uten å stoppe ved det. I full fart.
En av passasjerene står på dekket av romskipet med en klokke. Og du og jeg, leser, står på en plattform - lengden må tilsvare størrelsen på romskipet, det vil si 300 tusen kilometer, for ellers vil den ikke kunne lande på den. Og vi har også en klokke i hendene.
Vi legger merke til: i det øyeblikket, da nesen til romskipet nådde den bakre kanten av plattformen vår, blinket en lykt på den som opplyste rommet rundt det. Et sekund senere nådde lysstrålen fremkanten av plattformen vår. Vi er ikke i tvil om dette, fordi vi kjenner lysets hastighet, og vi klarte å detektere det tilsvarende øyeblikket på klokken nøyaktig. Og på stjerneskipet...
Men et stjerneskip fløy også mot lysstrålen. Og vi så definitivt at lyset lyste opp akterenden i det øyeblikket det var et sted nær midten av plattformen. Vi så definitivt at lysstrålen ikke reiste 300 tusen kilometer fra baugen til akterenden av skipet.
Men passasjerene på dekket av stjerneskipet er sikre på noe annet. De er sikre på at bjelken deres dekket hele avstanden fra baug til hekk på 300 tusen kilometer. Han brukte tross alt et helt sekund på dette. De oppdaget dette også helt nøyaktig på klokken deres. Og hvordan kan det være annerledes: tross alt avhenger ikke lysets hastighet av kildens hastighet...
Hvordan det? Vi ser én ting fra en stasjonær plattform, og de ser noe annet på dekket av et romskip? Hva er i veien?
Einsteins relativitetsteori
Det bør bemerkes med en gang: Einsteins relativitetsteori ved første øyekast motsier det absolutt vår etablerte forståelse av verdens struktur. Vi kan si at det også strider mot sunn fornuft, slik vi er vant til å representere det. Dette har skjedd mer enn én gang i vitenskapens historie.
Men oppdagelsen av jordens sfæriske form stred også mot sunn fornuft. Hvordan kan de leve videre motsatt side mennesker og ikke falle i avgrunnen?
For oss er jordens sfærisitet et utvilsomt faktum, og fra synspunktet sunn fornuft enhver annen antagelse er meningsløs og vill. Men gå tilbake fra tiden din, forestill deg den første opptredenen av denne ideen, og det blir klart hvor vanskelig det ville være å akseptere.
Vel, ville det være lettere å innrømme at jorden ikke er ubevegelig, men flyr langs sin bane titalls ganger raskere enn en kanonkule?
Dette var alle feil i sunn fornuft. Derfor moderne fysikere aldri referere til det.
La oss nå gå tilbake til den spesielle relativitetsteorien. Verden kjente henne først igjen i 1905 fra en artikkel signert av få kjent navn- Albert Einstein. Og han var bare 26 år gammel på den tiden.
Einstein gjorde en veldig enkel og logisk antakelse fra dette paradokset: fra synspunktet til en observatør på plattformen, har det gått mindre tid i en bevegelig vogn enn det som ble målt av armbåndsuret ditt. I vognen gikk tiden langsommere i forhold til tiden på den stasjonære perrongen.
Helt utrolige ting kom logisk sett fra denne antagelsen. Det viste seg at en person som skal på jobb på en trikk, sammenlignet med en fotgjenger som går samme vei, ikke bare sparer tid på grunn av fart, men det går også saktere for ham.
Men prøv ikke å bevare evig ungdom på denne måten: selv om du blir trikkefører og bruker en tredjedel av livet på trikk, vil du neppe vinne på 30 år mer enn en million delt sekund. For at gevinsten i tid skal bli merkbar, må du bevege deg med en hastighet nær lysets hastighet.
Det viser seg at en økning i kroppens hastighet gjenspeiles i deres masse. Hvordan nærmere hastighet kroppen til lysets hastighet, jo større masse er den. Når hastigheten til en kropp er lik lysets hastighet, er dens masse lik uendelig, dvs. den er større enn massen til jorden, solen, galaksen, hele universet vårt... Dette er massen som kan være konsentrert i en enkel brostein, og akselerere den til hastighet
Sveta!
Dette pålegger en begrensning som ikke tillater noen materiell kropp å utvikle hastighet, lik hastighet Sveta. Tross alt, ettersom massen vokser, blir det vanskeligere og vanskeligere å akselerere den. Og en uendelig masse kan ikke flyttes fra sin plass med noen kraft.
Naturen har imidlertid gjort et svært viktig unntak fra denne loven for en hel klasse partikler. For eksempel for fotoner. De kan bevege seg med lysets hastighet. Mer presist kan de ikke bevege seg i noen annen hastighet. Det er utenkelig å forestille seg et ubevegelig foton.
Når den er stasjonær, har den ingen masse. Nøytrinoer har heller ikke hvilemasse, og de er også dømt til evig ukontrollert flukt gjennom verdensrommet med maksimal hastighet som er mulig i vårt univers, uten å forbigå lys eller falle bak det.
Er det ikke sant at hver av konsekvensene av den spesielle relativitetsteorien som vi har listet opp er overraskende og paradoksale! Og hver av dem motsier selvfølgelig «sunn fornuft»!
Men her er det som er interessant: ikke i deres spesifikke form, men som en bred filosofisk posisjon, ble alle disse fantastiske konsekvensene forutsagt av grunnleggerne av den dialektiske materialismen. Hva indikerer disse resultatene? Om forbindelsene som forbinder energi og masse, masse og hastighet, hastighet og tid, hastighet og lengde til et objekt i bevegelse...
Einsteins oppdagelse av gjensidig avhengighet, som sement (flere detaljer:), som kobler sammen armering, eller grunnsteiner, samlet ting og fenomener som tidligere hadde virket uavhengige av hverandre og skapte grunnlaget som for første gang i vitenskapens historie , så det ut til å være mulig å bygge en harmonisk bygning. Denne bygningen er en idé om hvordan universet vårt fungerer.
Men først, i det minste noen få ord om den generelle relativitetsteorien, også skapt av Albert Einstein.
Albert Einstein Dette navnet er generell teori relativitet - samsvarer ikke helt med innholdet i teorien om hvilken vi vil snakke. Det etablerer gjensidig avhengighet mellom rom og materie. Tilsynelatende ville det vært mer riktig å kalle det rom-tid teori, eller teori om gravitasjon.
Men dette navnet har blitt så sammenvevd med Einsteins teori at selv å reise spørsmålet om å erstatte det nå virker uanstendig for mange forskere.
Den generelle relativitetsteorien etablerte den gjensidige avhengigheten mellom materie og tiden og rommet som inneholder den. Det viste seg at rom og tid ikke bare kan tenkes å eksistere separat fra materie, men egenskapene deres avhenger også av materien som fyller dem.
Utgangspunkt for resonnement
Derfor kan vi bare indikere Utgangspunktet og gi noen viktige konklusjoner.
Først romfart En uventet katastrofe ødela biblioteket, filmsamlingen og andre depoter av sinnet og minnet til mennesker som flyr gjennom verdensrommet. Og naturen til den opprinnelige planeten ble glemt i århundreskiftet. Til og med loven om universell gravitasjon er glemt, fordi raketten flyr i intergalaktisk rom, hvor den nesten ikke føles.
Skipets motorer fungerer imidlertid utmerket, og energitilførselen i batteriene er praktisk talt ubegrenset. Mest Over tid beveger skipet seg av treghet, og innbyggerne er vant til vektløshet. Men noen ganger slår de på motorene og bremser eller øker farten til skipet. Når jetdysene flammer inn i tomrommet med en fargeløs flamme og skipet beveger seg i et akselerert tempo, føler innbyggerne at kroppene deres blir tunge, de blir tvunget til å gå rundt skipet, og ikke fly langs korridorene.
Og nå er flyturen nesten ferdig. Skipet flyr opp til en av stjernene og faller inn i banen til den best egnede planeten. Romskipene går utenfor, går på jorda dekket med friskt grønt, opplever kontinuerlig den samme følelsen av tyngde, kjent fra tiden da skipet beveget seg i et akselerert tempo.
Men planeten beveger seg jevnt. Hun kan ikke fly mot dem med konstant akselerasjon z 9,8 m/sek2! Og de har den første antagelsen om at gravitasjonsfeltet (gravitasjonskraften) og akselerasjonen gir samme effekt, og kanskje har en felles natur.
Ingen av våre jordiske samtidige var på en så lang flytur, men mange følte fenomenet "tyngde" og "lette" av kroppen deres. Selv en vanlig heis, når den beveger seg i et akselerert tempo, skaper denne følelsen. Når du går ned føler du deg plutselig tap vekt, når du løfter, tvert imot, presser gulvet på føttene dine med større kraft enn vanlig.
Men én følelse beviser ingenting. Fornemmelser prøver tross alt å overbevise oss om at solen beveger seg over himmelen rundt den ubevegelige jorden, at alle stjernene og planetene er i samme avstand fra oss, på himmelhvelvet osv.
Forskere har utsatt sensasjoner eksperimentell testing. Newton tenkte også på den merkelige identiteten til de to fenomenene. Han prøvde å gi dem numeriske egenskaper. Etter å ha målt gravitasjon og , var han overbevist om at verdiene deres alltid var strengt lik hverandre.
Han laget pendlene til pilotanlegget av alle slags materialer: sølv, bly, glass, salt, tre, vann, gull, sand, hvete. Resultatet ble det samme.
Ekvivalensprinsipp, som vi snakker om, er grunnlaget for den generelle relativitetsteorien, men moderne tolkning teori trenger ikke lenger dette prinsippet. Ved å hoppe over de matematiske konklusjonene som følger av dette prinsippet, la oss gå direkte til noen konsekvenser av den generelle relativitetsteorien.
Tilgjengelighet store masser materie påvirker i stor grad det omkringliggende rommet. Det fører til slike endringer i det som kan defineres som heterogenitet i rommet. Disse inhomogenitetene styrer bevegelsen til alle masser som befinner seg i nærheten av den tiltrekkende kroppen.
Vanligvis tyr de til denne analogien. Se for deg et lerret strukket tett på en ramme parallelt med jordens overflate. Legg en tung vekt på den. Dette vil være vår store tiltrekkende masse. Det vil selvfølgelig bøye lerretet og ende opp i en eller annen form for depresjon. Rull nå ballen langs dette lerretet slik at en del av banen ligger ved siden av den tiltrekkende massen. Avhengig av hvordan ballen lanseres, er det tre mulige alternativer.
- Ballen vil fly langt nok fra fordypningen skapt av avbøyningen av lerretet og vil ikke endre bevegelsen.
- Ballen vil berøre fordypningen, og bevegelseslinjene vil bøye seg mot den tiltrekkende massen.
- Ballen vil falle ned i dette hullet, vil ikke kunne komme ut av det, og vil gjøre en eller to omdreininger rundt den graviterende massen.
Er det ikke sant at det tredje alternativet veldig vakkert modellerer fangsten av en stjerne eller planet av et fremmedlegeme som uforsiktig flyr inn i deres attraksjonsfelt?
Og det andre tilfellet er bøyningen av banen til en kropp som flyr med en hastighet større enn mulig hastighet fangst! Det første tilfellet ligner på å fly utenfor den praktiske rekkevidden til gravitasjonsfeltet. Ja, nettopp praktisk, for teoretisk sett er gravitasjonsfeltet ubegrenset.
Selvfølgelig er dette en veldig fjern analogi, først og fremst fordi ingen virkelig kan forestille seg avbøyningen av vår tredimensjonalt rom. I hva fysisk mening Ingen kjenner denne avbøyningen, eller krumningen, som de ofte sier.
Fra den generelle relativitetsteorien følger det at enhver materiell kropp kan bevege seg i et gravitasjonsfelt bare langs buede linjer. Kun privat spesielle tilfeller kurven går over til en rett linje.
En lysstråle følger også denne regelen. Den består tross alt av fotoner som har en viss masse i flukt. Og gravitasjonsfeltet utøver sin innflytelse på det, akkurat som på et molekyl, en asteroide eller en planet.
En annen viktig konklusjon er at gravitasjonsfeltet også endrer tidens gang. Nær en stor tiltrekkende masse, i det sterke gravitasjonsfeltet den skaper, bør tiden gå langsommere enn langt unna.
Du skjønner, den generelle relativitetsteorien er full av paradoksale konklusjoner som igjen kan snu våre ideer om "sunn fornuft"!
Gravitasjonskollaps
La oss snakke om fantastisk fenomen, som har en kosmisk karakter, handler om gravitasjonskollaps (katastrofisk kompresjon). Dette fenomenet oppstår i gigantiske klynger materie, hvor gravitasjonskrefter når så enorme størrelser at ingen andre krefter som eksisterer i naturen kan motstå dem.
Husk Newtons berømte formel: jo større gravitasjonskraften er, jo større mindre firkantet avstander mellom gravitasjonslegemer. Derfor, jo tettere en materialformasjon blir, jo mindre størrelsen er, jo raskere øker tyngdekraften, jo mer uunngåelig er deres destruktive omfavnelse.
Det er en utspekulert teknikk som naturen bekjemper den tilsynelatende grenseløse komprimeringen av materie. For å gjøre dette, stopper det selve tidens gang i virkningssfæren til supergigantiske gravitasjonskrefter, og de bundne massene av materie ser ut til å være slått av fra universet vårt, frosset i en merkelig sløv søvn.
Det første av disse "svarte hullene" i verdensrommet er sannsynligvis allerede oppdaget. I følge antagelsen til sovjetiske forskere O. Kh Guseinov og A. Sh. Novruzova er det Gemini-deltaet - dobbeltstjerne med en usynlig komponent.
Den synlige komponenten har en masse på 1,8 solenergi, og dens usynlige "ledsager" skal være fire ganger mer massiv enn den synlige, ifølge beregninger. Men det er ingen spor av det: det er umulig å se den mest fantastiske skapelsen av naturen, det "svarte hullet".
sovjetisk vitenskapsmann professor K. P. Stanyukovich, som de sier, "på tuppen av pennen," ved rent teoretiske konstruksjoner viste at partikler av "frossen materie" kan være svært forskjellige i størrelse.
- Dens gigantiske formasjoner er mulige, i likhet med kvasarer, og sender ut like mye energi som alle 100 milliarder stjerner i galaksen vår sender ut.
- Mye mer beskjedne klumper, lik bare noen få solmasser, er mulig. Begge gjenstandene kan oppstå selv fra vanlig, ikke-sovende materie.
- Og formasjoner av en helt annen klasse er mulig, sammenlignbar i masse med elementærpartikler.
For at de skal oppstå, må materien som utgjør dem først utsettes for et gigantisk press og drives inn i grensene til Schwarzschild-sfæren – en sfære hvor tiden stopper helt opp for en ekstern observatør. Og selv om trykket etter dette er fjernet, vil partiklene som tiden har stoppet fortsette å eksistere uavhengig av universet vårt.
Plankeoner
Plankeoner - absolutt spesialklasse partikler. De har, ifølge K. P. Stanyukovich, ekstremt interessant eiendom: bære materie i uendret form, slik det var for millioner og milliarder av år siden. Når vi ser inne i plankeonen, vil vi kunne se materie slik den var i øyeblikket da universet vårt ble født. I følge teoretiske beregninger er det omtrent 10 80 plankeoner i universet, omtrent en plankeon i en romkube med en side på 10 centimeter. Forresten, samtidig med Stanyukovich og (uavhengig av ham), ble hypotesen om plankeoner fremsatt av akademikeren M.A. Markov. Bare Markov ga dem et annet navn - maximons.
Man kan prøve å forklare de til tider paradoksale transformasjonene til elementærpartikler ved å bruke plankeons spesielle egenskaper. Det er kjent at når to partikler kolliderer, dannes det aldri fragmenter, men andre oppstår elementære partikler. Dette er virkelig fantastisk: vanlig verden Ved å knuse en vase får vi aldri hele kopper eller til og med rosetter. Men anta at det i dypet av hver elementærpartikkel er skjult en plankeon, en eller flere, og noen ganger mange plankeoner.
I øyeblikket for kollisjon av partikler åpner den tett bundne "posen" til plankeonen seg litt, noen partikler vil "falle" inn i den, og til gjengjeld vil de som vi anser for å ha oppstått under kollisjonen "sprette ut". Samtidig vil plankeon, som en klok regnskapsfører, sikre alle "bevaringslovene" som er akseptert i elementærpartiklers verden.
Vel, hva har mekanismen for universell gravitasjon med det å gjøre?
"Ansvarlig" for tyngdekraften, ifølge hypotesen til K. P. Stanyukovich, er bittesmå partikler, de såkalte gravitonene, som kontinuerlig sendes ut av elementærpartikler. Gravitoner er like mye mindre enn sistnevnte som en støvflekk som danser i solstråle, mindre enn kloden.
Utslipp av gravitoner følger en rekke lover. Spesielt flyr de lettere inn i det området av verdensrommet. Som inneholder færre gravitoner. Dette betyr at hvis det er to i rommet himmellegemer, vil begge avgi gravitoner hovedsakelig "utover", i retninger motsatt av hverandre. Dette skaper en impuls som gjør at kroppene kommer nærmere og tiltrekker hverandre.
Gravitonene forlater elementærpartiklene og tar med seg en del av massen. Uansett hvor små de er, kan tapet av masse ikke annet enn være merkbart over tid. Men denne tiden er ufattelig enorm. Det vil ta omtrent 100 milliarder år før all materie i universet blir til et gravitasjonsfelt.
Men er det alt? I følge K.P. Stanyukovich er omtrent 95 prosent av massen av materie skjult i plankeoner av forskjellige størrelser og er i en tilstand av sløv søvn, men over tid åpner plankeonene seg, og mengden "normal" materie øker.