Człowiek od dawna zna siłę, która sprawia, że wszystkie ciała spadają na Ziemię. Ale aż do XVII w. Uważano, że tylko Ziemia ma szczególną właściwość przyciągania ciał znajdujących się w pobliżu jej powierzchni. W 1667 roku Newton zasugerował, że ogólnie rzecz biorąc, pomiędzy wszystkimi ciałami działają siły wzajemnego przyciągania. Siły te nazwał siłami uniwersalna grawitacja.
Newton odkrył prawa ruchu ciał. Zgodnie z tymi prawami ruch z przyspieszeniem jest możliwy tylko pod wpływem siły. Ponieważ spadające ciała poruszają się z przyspieszeniem, musi na nie działać siła skierowana w dół, w stronę Ziemi.
Dlaczego nie zauważamy wzajemnego przyciągania otaczających nas ciał? Może można to wytłumaczyć faktem, że siły przyciągania między nimi są zbyt małe?
Newtonowi udało się wykazać, że siła przyciągania pomiędzy ciałami zależy od mas obu ciał i jak się okazało, osiąga zauważalną wartość dopiero wtedy, gdy oddziałujące ciała (lub przynajmniej jedno z nich) mają wystarczającą duża masa.
Przyśpieszenie swobodny spadek wyróżnia się ciekawą cechą, że to miejsce to samo dla wszystkich ciał, dla ciał o dowolnej masie. Na pierwszy rzut oka to bardzo dziwna własność. Przecież ze wzoru wyrażającego drugie prawo Newtona wynika, że
wynika z tego, że przyspieszenie ciała powinno być tym większe, im mniejsza jest jego masa. Ciała o małej masie muszą spadać z większym przyspieszeniem niż ciała o dużej masie. Doświadczenie pokazało (patrz § 20), że przyspieszenia swobodnie spadających ciał nie zależą od ich mas. Jedyne wyjaśnienie które można znaleźć w tym niesamowitym
faktem jest, że siła, z jaką Ziemia przyciąga ciało, jest proporcjonalna do jego masy, tj.
Rzeczywiście, w tym przypadku na przykład podwojenie masy spowoduje również podwojenie siły, ale przyspieszenie, które jest równe stosunkowi, pozostanie niezmienione. Newton doszedł do jedynego słusznego wniosku: siła powszechnej grawitacji jest proporcjonalna do masy ciała, na które działa. Ale ciała przyciągają się nawzajem. Zgodnie z trzecim prawem Newtona na oba przyciągające się ciała działają siły o jednakowej wartości bezwzględnej. Oznacza to, że siła wzajemnego przyciągania musi być proporcjonalna do mas każdego z przyciągających się ciał. Wtedy oba ciała otrzymają przyspieszenia niezależne od ich mas.
Jeżeli siła jest proporcjonalna do mas każdego z oddziałujących ciał, to oznacza to, że jest proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał.
Od czego jeszcze zależy siła wzajemnego przyciągania między dwoma ciałami? Newton zasugerował, że powinno to zależeć od odległości między ciałami. Z doświadczenia wiadomo, że w pobliżu Ziemi przyspieszenie swobodnego spadania jest równe i takie samo dla ciał spadających z wysokości 1, 10 czy 100 m. Jednak z tego nie można jeszcze wyciągnąć wniosku, że przyspieszenie nie zależy od odległość do Ziemi. Newton uważał, że odległości należy liczyć nie od powierzchni Ziemi, ale od jej środka. Ale promień Ziemi wynosi 6400 km. Jest zatem jasne, że kilkadziesiąt lub kilkaset metrów nad powierzchnią Ziemi nie jest w stanie zauważalnie zmienić przyspieszenia grawitacyjnego.
Aby dowiedzieć się, jak odległość między ciałami wpływa na siłę ich wzajemnego przyciągania, trzeba wiedzieć, z jakim przyspieszeniem ciała poruszają się w dużych odległościach od powierzchni Ziemi.
Oczywiste jest, że trudno jest zmierzyć pionowe przyspieszenie swobodnego spadku ciał znajdujących się na wysokości kilku tysięcy kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Wygodniej jest mierzyć przyspieszenie dośrodkowe ciała poruszającego się po Ziemi po okręgu pod wpływem siły grawitacji skierowanej w stronę Ziemi. Pamiętajmy, że tę samą technikę zastosowaliśmy przy badaniu siły sprężystości. Zmierzyliśmy przyspieszenie dośrodkowe walca poruszającego się po okręgu pod wpływem tej siły.
W badaniu siły powszechnej grawitacji sama natura przyszła z pomocą fizykom i umożliwiła określenie przyspieszenia ciała poruszającego się po okręgu wokół Ziemi. Takie ciało jest naturalny satelita Ziemia - Księżyc. W końcu, jeśli założenie Newtona jest prawidłowe, musimy założyć, że przyspieszenie dośrodkowe Księżyca poruszającego się po okręgu wokół Ziemi wynika z siły jego przyciągania do Ziemi. Gdyby siła grawitacji między Księżycem a Ziemią nie zależała od odległości między nimi, wówczas przyspieszenie dośrodkowe Księżyca byłoby takie samo jak przyspieszenie
swobodny spadek ciał w pobliżu powierzchni Ziemi. W rzeczywistości przyspieszenie dośrodkowe, z jakim Księżyc porusza się po swojej orbicie, jest równe, jak już wiemy (patrz Ćwiczenie 16, Zadanie 9), . A to około 3600 razy mniej niż przyspieszenie spadających ciał w pobliżu Ziemi. Jednocześnie wiadomo, że odległość od środka Ziemi do środka Księżyca wynosi 384 000 km. To jest 60 razy większy niż promień Ziemia, czyli odległość od środka Ziemi do jej powierzchni. Zatem 60-krotne zwiększenie odległości między przyciągającymi się ciałami prowadzi do 602-krotnego zmniejszenia przyspieszenia. Z tego możemy wywnioskować, że przyspieszenie nadawane ciałom przez siłę powszechnej grawitacji, a zatem i samą siłę, jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między oddziałującymi ciałami.
Newton doszedł do tego wniosku.
Można zatem napisać, że dwa ciała masowe przyciągają się wzajemnie siłą całkowita wartość co wyraża się wzorem
gdzie jest odległością między ciałami, y jest współczynnikiem proporcjonalności, takim samym dla wszystkich ciał w przyrodzie. Ten współczynnik powszechnej grawitacji nazywany jest stałą grawitacji.
Powyższy wzór wyraża odkryte przez Newtona prawo powszechnego ciążenia:
Wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.
Pod wpływem powszechnej grawitacji obie planety poruszają się wokół Słońca i sztuczne satelity wokół Ziemi.
Ale co należy rozumieć przez odległość między oddziałującymi ciałami? Weźmy dwa ciała o dowolnym kształcie (ryc. 109). Od razu pojawia się pytanie: jaką odległość należy podstawić we wzorze na prawo powszechnego ciążenia? Odległość pomiędzy
najdalsze punkty powierzchni obu ciał lub odwrotnie, odległość między najbliższymi punktami? A może odległość pomiędzy jakimiś innymi punktami ciała?
Okazuje się, że wzór (1), wyrażający prawo powszechnego ciążenia, obowiązuje, gdy odległość między ciałami jest na tyle duża w stosunku do ich rozmiarów, że ciała można uznać za punkty materialne. Obliczając siłę grawitacji między nimi, Ziemię i Księżyc, planety i Słońce można uznać za punkty materialne.
Jeżeli ciała mają kształt kul, to nawet jeśli ich rozmiary są porównywalne z odległością pomiędzy nimi, przyciągają się one jako punkty materialne, umieszczone w środkach kulek (ryc. 110). W tym przypadku jest to odległość między środkami kulek.
Wzór (1) można również zastosować do obliczenia siły przyciągania pomiędzy kulą o dużym promieniu a ciałem o dowolnym kształcie małe rozmiary umiejscowione blisko powierzchni kuli (ryc. 111). Wówczas wymiary ciała można pominąć w porównaniu z promieniem kuli. Dokładnie to samo robimy, gdy rozważamy przyciąganie różnych ciał do kuli ziemskiej.
Siła ciężkości jest kolejnym przykładem siły zależnej od położenia (współrzędnych) ciała, na które ta siła działa, względem ciała, na które działa. W końcu siła grawitacji zależy od odległości między ciałami.
Wszyscy chodzimy po Ziemi, ponieważ ona nas przyciąga. Gdyby Ziemia nie przyciągnęła wszystkich ciał na swojej powierzchni, odepchnęlibyśmy się od niej i polecielibyśmy w kosmos. Ale tak się nie dzieje i wszyscy wiedzą o istnieniu grawitacji.
Czy przyciągamy Ziemię? Księżyc przyciąga!
Czy przyciągamy do siebie Ziemię? Zabawne pytanie, prawda? Ale rozwiążmy to. Czy wiesz, jakie są pływy w morzach i oceanach? Woda codziennie opuszcza brzegi, przez kilka godzin wisi w nieznanym miejscu, a potem, jakby nic się nie stało, wraca z powrotem.
Zatem woda w tym czasie nie jest gdzieś nieznana, ale mniej więcej na środku oceanu. Tworzy się tam coś w rodzaju góry wody. Niesamowite, prawda? Woda, która ma właściwość rozprzestrzeniania się, nie tylko spływa w dół, ale także tworzy góry. A w tych górach koncentruje się ogromna masa wody.
Po prostu oszacuj całą objętość wody oddalającej się od brzegów podczas odpływu, a zrozumiesz mówimy o o gigantycznych ilościach. Ale jeśli tak się stanie, musi być jakiś powód. I jest powód. Powodem jest to, że woda ta jest przyciągana przez Księżyc.
Gdy Księżyc krąży wokół Ziemi, przechodzi nad oceanami i przyciąga wody oceanu. Księżyc krąży wokół Ziemi, ponieważ jest przyciągany przez Ziemię. Okazuje się jednak, że ona sama również przyciąga do siebie Ziemię. Ziemia jest jednak dla niej za duża, ale jej wpływ jest wystarczający, aby poruszyć wodę w oceanach.
Siła i prawo powszechnego ciążenia: pojęcie i wzór
A teraz pójdźmy dalej i pomyślmy: jeśli dwa ogromne ciała znajdujące się w pobliżu przyciągają się, to czy nie jest logiczne założenie, że mniejsze ciała również będą się przyciągać? Czy są po prostu znacznie mniejsze i ich siła przyciągania będzie niewielka?
Okazuje się, że to założenie jest całkowicie słuszne. Pomiędzy absolutnie wszystkimi ciałami we Wszechświecie istnieją siły przyciągania, czyli inaczej siły powszechnej grawitacji.
Izaak Newton jako pierwszy odkrył to zjawisko i sformułował je w formie prawa. Prawo powszechnego ciążenia stwierdza: wszystkie ciała przyciągają się do siebie, a siła ich przyciągania jest wprost proporcjonalna do masy każdego z ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:
F = G * (m_1 * m_2) / r^2 ,
gdzie F to wielkość wektora przyciągania między ciałami, m_1 i m_2 to masy tych ciał, r to odległość między ciałami, G to stała grawitacji.
Stała grawitacji jest liczbowo równa sile występującej pomiędzy ciałami o masie 1 kg, znajdującymi się w odległości 1 metra. Wartość tę wyznaczono doświadczalnie: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2.
Wracając do naszego pierwotnego pytania: „czy przyciągamy Ziemię?”, możemy śmiało odpowiedzieć: „tak”. Zgodnie z trzecim prawem Newtona przyciągamy Ziemię z dokładnie taką samą siłą, z jaką Ziemia przyciąga nas. Siłę tę można obliczyć z prawa powszechnego ciążenia.
Zgodnie z drugim prawem Newtona wzajemne oddziaływanie ciał dowolną siłą wyraża się w postaci przyspieszenia, jakie sobie wzajemnie nadają. Ale nadane przyspieszenie zależy od masy ciała.
Masa Ziemi jest duża i zapewnia nam przyspieszenie grawitacyjne. A nasza masa jest znikoma w porównaniu do Ziemi, dlatego przyspieszenie, jakie nadajemy Ziemi, jest praktycznie zerowe. To dlatego przyciąga nas Ziemia i chodzimy po niej, a nie odwrotnie.
Absolutnie wszystkie ciała materialne, zarówno te znajdujące się bezpośrednio na Ziemi, jak i te istniejące we Wszechświecie, nieustannie przyciągają się do siebie. Fakt, że tej interakcji nie zawsze można zobaczyć lub odczuć, wskazuje jedynie, że przyciąganie jest zapisane w danych konkretne przypadki stosunkowo słaby.
Interakcja pomiędzy ciałami materialnymi, na którą składają się ich ciągłe dążenie do siebie, według zasad podstawowych terminy fizyczne, nazywa się grawitacją, natomiast samo zjawisko przyciągania nazywa się grawitacją.
Zjawisko grawitacji jest możliwe, ponieważ wokół absolutnie każdego ciała materialnego (w tym wokół człowieka) istnieje pole grawitacyjne. Pole to jest szczególnym rodzajem materii, przed działaniem której nic nie jest w stanie się uchronić i za pomocą której jedno ciało oddziałuje na drugie, powodując przyspieszenie w kierunku środka źródła tego pola. Właśnie to posłużyło za podstawę powszechnej grawitacji, sformułowanej w 1682 roku przez angielskiego przyrodnika i filozofa I.
Główną koncepcją tego prawa jest siła grawitacji, która, jak wspomniano powyżej, nie jest niczym innym jak wynikiem oddziaływania pole grawitacyjne za to czy tamto materialne ciało. polega na tym, że siła, z jaką wzajemne przyciąganie ciał następuje zarówno na Ziemi, jak i w przestrzeń kosmiczna, zależy bezpośrednio od iloczynu masy tych ciał i jest w odwrotna relacja od odległości dzielącej te obiekty.
Zatem siła grawitacji, której definicję podał sam Newton, zależy tylko od dwóch głównych czynników - masy oddziałujących ciał i odległości między nimi.
Potwierdzenie tego ten fenomen zależy od masy substancji, można znaleźć badając interakcję Ziemi z otaczającymi ją ciałami. Niedługo po Newtonie inny znany naukowiec, Galileusz, przekonująco wykazał, że gdy nasza planeta nadaje wszystkim ciałom dokładnie takie samo przyspieszenie. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy ciało w kierunku Ziemi bezpośrednio zależy od masy tego ciała. Rzeczywiście, w tym przypadku, przy kilkukrotnym wzroście masy, siła działającej grawitacji wzrośnie dokładnie o tę samą wartość, podczas gdy przyspieszenie pozostanie niezmienione.
Jeśli będziemy kontynuować tę myśl i rozważymy wzajemne oddziaływanie dowolnych dwóch ciał na powierzchni „niebieskiej planety”, możemy dojść do wniosku, że na każde z nich działa ta sama siła z naszej „Matki Ziemi”. Jednocześnie, opierając się na słynnym prawie sformułowanym przez tego samego Newtona, możemy śmiało powiedzieć, że wielkość tej siły będzie bezpośrednio zależeć od masy ciała, dlatego siła grawitacji między tymi ciałami zależy bezpośrednio od iloczynu ich mas.
Aby udowodnić, że zależy to od wielkości szczeliny pomiędzy ciałami, Newton musiał zaangażować Księżyc jako „sojusznika”. Od dawna ustalono, że przyspieszenie, z jakim ciała spadają na Ziemię, wynosi w przybliżeniu 9,8 m/s^2, ale Księżyc w stosunku do naszej planety w wyniku szeregu eksperymentów okazał się równy tylko 0,0027 m/s^2.
Zatem najważniejsza jest siła ciężkości wielkość fizyczna, co wyjaśnia wiele procesów zachodzących zarówno na naszej planecie, jak i w otaczającej ją przestrzeni kosmicznej.
Sir Izaak Newton, uderzony jabłkiem w głowę, wydedukował prawo powszechnego ciążenia, które głosi:
Każde dwa ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi:
F = (Gm 1 m 2)/R 2, gdzie
m1, m2- masy ciała
R- odległość między środkami ciał
G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- stała
Wyznaczmy przyspieszenie swobodnego spadania na powierzchnię Ziemi:
F g = m ciało g = (Gm ciało m Ziemia)/R 2
R (promień Ziemi) = 6,38 10 6 m
m Ziemia = 5,97 10 24 kg
m ciało g = (Gm ciało m Ziemia)/R 2 lub g = (Gm Ziemia)/R 2
Należy pamiętać, że przyspieszenie grawitacyjne nie zależy od masy ciała!
g = 6,67 10 -11 5,97 10 24 /(6,38 10 6) = 398,2/40,7 = 9,8 m/s 2
Powiedzieliśmy wcześniej, że grawitacja ( przyciąganie grawitacyjne) są nazywane waga.
Na powierzchni Ziemi ciężar i masa ciała mają ta sama wartość. Ale w miarę oddalania się od Ziemi ciężar ciała będzie się zmniejszał (ponieważ odległość między środkiem Ziemi a ciałem będzie się zwiększać), a masa pozostanie stała (ponieważ masa jest wyrazem bezwładności ciała ciało). Masę mierzy się w kilogramy, waga w niutony.
Dzięki sile grawitacji ciała niebieskie obracają się względem siebie: Księżyc wokół Ziemi; Ziemia wokół Słońca; Słońce wokół centrum naszej Galaktyki itp. W tym przypadku ciała utrzymywane są przez siłę odśrodkową, którą zapewnia siła ciężkości.
To samo dotyczy sztuczne ciała(satelity) krążące wokół Ziemi. Okrąg, wokół którego obraca się satelita, nazywa się orbitą.
W tym przypadku na satelitę działa siła odśrodkowa:
F do = (m satelita V 2)/R
Siła grawitacji:
F g = (Gm satelita m Ziemia)/R 2
F c = F g = (m satelita V 2)/R = (Gm satelita m Ziemia)/R 2
V2 = (Gm Ziemia)/R; V = √(Gm Ziemia)/R
Korzystając z tego wzoru, możesz obliczyć prędkość dowolnego ciała obracającego się po orbicie o promieniu R wokół Ziemi.
Naturalnym satelitą Ziemi jest Księżyc. Wyznaczmy jego prędkość liniową na orbicie:
Masa Ziemi = 5,97 · 10 · 24 kg
R to odległość między środkiem Ziemi a środkiem Księżyca. Aby wyznaczyć tę odległość, musimy dodać trzy wielkości: promień Ziemi; promień Księżyca; odległość Ziemi od Księżyca.
R księżyc = 1738 km = 1,74 10 6 m
R ziemia = 6371 km = 6,37 10 6 m
R zł = 384400 km = 384,4 10 6 m
Całkowita odległość między środkami planet: R = 392,5·10 6 m
Prędkość liniowa Księżyca:
V = √(Gm Ziemia)/R = √6,67 10 -11 5,98 10 24 /392,5 10 6 = 1000 m/s = 3600 km/h
Księżyc porusza się po orbicie kołowej wokół Ziemi z prędkość liniowa V 3600 kilometrów na godzinę!
Wyznaczmy teraz okres obiegu Księżyca wokół Ziemi. W okresie orbitalnym Księżyc pokonuje pewną odległość równa długości orbity - 2πR. Prędkość orbitalna Księżyce: V = 2πR/T; z drugiej strony: V = √(Gm Ziemia)/R:
2πR/T = √(Gm Ziemia)/R stąd T = 2π√R 3 /Gm Ziemia
T = 6,28 √(60,7 10 24)/6,67 10 -11 5,98 10 24 = 3,9 10 5 s
Okres obiegu Księżyca wokół Ziemi wynosi 2 449 200 sekund, czyli 40 820 minut, czyli 680 godzin, czyli 28,3 dnia.
1. Rotacja pionowa
Wcześniej w cyrkach bardzo popularny był trik, w którym wykonywał go rowerzysta (motocyklista). pełny obrót wewnątrz okręgu umieszczonego pionowo.
Jaką minimalną prędkość powinien mieć kaskader, aby uniknąć upadku w najwyższym punkcie?
Aby przejść najwyższy punkt bez upadku, ciało musi mieć prędkość, która wytworzy siłę odśrodkową, która zrekompensuje siłę grawitacji.
Siła odśrodkowa: F. do = mV 2 / R
Powaga: F g = mg
fa do = fa sol ; mV2/R = mg; V = √Rg
Ponownie należy pamiętać, że masa ciała nie jest uwzględniana w obliczeniach! Należy pamiętać, że jest to prędkość, jaką ciało powinno mieć na górze!
Załóżmy, że na arenie cyrkowej znajduje się okrąg o promieniu 10 metrów. Obliczmy bezpieczną prędkość dla triku:
V = √Rg = √10 9,8 = 10 m/s = 36 km/h
Nie tylko najbardziej tajemnicze siły natury, ale i najpotężniejszy.
Człowiek na ścieżce postępu
Historycznie rzecz biorąc, okazało się, że Człowiek w miarę jak posuwa się do przodu sposoby postępu opanował coraz potężniejsze siły natury. Zaczął, gdy nie miał nic poza kijem w dłoni i własną siłą fizyczną.
Był jednak mądry i wykorzystał w swojej służbie siłę fizyczną zwierząt, czyniąc je udomowionymi. Koń przyspieszył swój bieg, wielbłąd uczynił pustynię przejezdną, słoń uczynił bagnistą dżunglę. Ale siła fizyczna nawet najsilniejsze zwierzęta są niepomiernie słabe wobec sił natury.
Człowiek jako pierwszy ujarzmił żywioł ognia, ale tylko w jego najbardziej osłabionej wersji. Początkowo – przez wiele stuleci – jako paliwo używał wyłącznie drewna – paliwa bardzo niskoenergetycznego. Nieco później nauczył się wykorzystywać to źródło energii do wykorzystania energii wiatru, człowiek uniósł w powietrze białe skrzydło żagla – a lekki statek przeleciał niczym ptak po falach.
Żaglówka na falach
Wystawił ostrza na działanie podmuchów wiatru wiatrak- i ciężkie kamienie młyńskie zaczęły się wirować, a tłuczki młynów zbożowych zaczęły grzechotać. Ale dla wszystkich jest jasne, że energia strumieni powietrznych jest daleka od koncentracji. Poza tym zarówno żagiel, jak i wiatrak bały się podmuchów wiatru: sztorm zerwał żagle i zatopił statki, sztorm połamał skrzydła i przewrócił młyny.
Jeszcze później człowiek zaczął zwyciężać Płynąca woda. Koło to nie tylko najbardziej prymitywne urządzenie zdolne do zamiany energii wody w ruch obrotowy, ale także najmniej wydajny w porównaniu do różnych.
Człowiek szedł ciągle naprzód po drabinie postępu i potrzebował wszystkiego duże ilości energia.
Zaczął stosować nowe rodzaje paliw – już przechodząc na spalanie węgiel podniósł energochłonność kilograma paliwa z 2500 kcal do 7000 kcal – prawie trzykrotnie. Potem przyszedł czas na ropę i gaz. Wartość energetyczna każdego kilograma paliwa kopalnego ponownie wzrosła półtora do dwóch razy.
Silniki parowe zastąpiły turbiny parowe; koła młyńskie zastąpiono turbinami hydraulicznymi. Następnie mężczyzna wyciągnął rękę do rozszczepiającego się atomu uranu. Pierwsze użycie nowego rodzaju energii miało jednak tragiczne skutki – pożar nuklearny Hiroszimy w 1945 roku w ciągu kilku minut pochłonął 70 tysięcy ludzkich serc.
W 1954 roku pierwszy na świecie radziecki Elektrownia jądrowa, przekształcając moc uranu w siłę promieniowania prądu elektrycznego. A trzeba zaznaczyć, że kilogram uranu zawiera dwa miliony razy więcej energii niż kilogram najlepszej ropy.
Był to zasadniczo nowy ogień, który można nazwać fizycznym, ponieważ to fizycy badali procesy prowadzące do narodzin tak bajecznych ilości energii.
Uran nie jest jedynym paliwem jądrowym. Stosowany jest już mocniejszy rodzaj paliwa - izotopy wodoru.
Niestety, człowiekowi nie udało się jeszcze ujarzmić płomienia nuklearnego wodorowo-helowego. Wie, jak na chwilę rozpalić swój wszechogarniający ogień, wywołując reakcję bomba wodorowa błysk eksplozji uranu. Ale wydaje się to coraz bliższe naukowcom i reaktor wodorowy kto urodzi Elektryczność w wyniku fuzji jąder izotopów wodoru z jądrami helu.
Ponownie ilość energii, jaką człowiek może pobrać z każdego kilograma paliwa, wzrośnie prawie dziesięciokrotnie. Ale czy ten krok będzie ostatnim w nadchodzącej historii władzy ludzkości nad siłami natury?
NIE! Przed nami opanowanie grawitacyjnej formy energii. Jest jeszcze mądrzej zapakowana przez naturę niż nawet energia syntezy wodoru i helu. Dziś jest to najbardziej skoncentrowana forma energii, jaką można sobie wyobrazić.
Nie widać tam jeszcze niczego poza najnowocześniejszymi osiągnięciami nauki. I choć śmiało można powiedzieć, że elektrownie będą pracować dla człowieka, zamieniając energię grawitacyjną w prąd elektryczny (a być może w strumień gazu wydobywający się z dyszy silnik odrzutowy, czy w planowanych przemianach wszechobecnych atomów krzemu i tlenu w atomy metali ultrarzadkich), nie możemy na razie nic powiedzieć o szczegółach takiej elektrowni (silnik rakietowy, reaktor fizyczny).
Siła powszechnej grawitacji u początków narodzin galaktyk
Siła powszechnej grawitacji leży u podstaw narodzin galaktyk z materii przedgwiazdowej, jak w – przekonuje akademik V. A. Ambartsumyan. Gasi gwiazdy, które wypaliły swój czas, zużywając gwiezdne paliwo, które otrzymały przy narodzinach.
Rozejrzyj się wokół siebie: wszystko tutaj na Ziemi jest w dużej mierze kontrolowane przez tę siłę.
To właśnie determinuje warstwową strukturę naszej planety - naprzemienność litosfery, hydrosfery i atmosfery. To ona trzyma grubą warstwę gazów powietrznych, na dnie której i dzięki której wszyscy istniejemy.
Bez grawitacji Ziemia natychmiast wypadłaby ze swojej orbity wokół Słońca, a sama kula ziemska rozpadłaby się, rozerwana przez siły odśrodkowe. Trudno znaleźć coś, co nie byłoby w takim czy innym stopniu zależne od siły powszechnej grawitacji.
Oczywiście starożytni filozofowie, ludzie bardzo spostrzegawczy, nie mogli nie zauważyć, że kamień rzucony w górę zawsze wraca. Platon w IV wieku p.n.e. wyjaśnił to mówiąc, że wszystkie substancje Wszechświata zmierzają tam, gdzie koncentruje się większość podobnych substancji: rzucony kamień spada na ziemię lub opada na dno, rozlana woda przedostaje się do najbliższego stawu lub do rzeka wpadająca do morza, dym ognia pędzi ku pokrewnym chmurom.
Uczeń Platona, Arystoteles, wyjaśnił, że wszystkie ciała mają specjalne właściwości ciężkość i lekkość. Ciała ciężkie – kamienie, metale – pędzą do centrum Wszechświata, ciała lekkie – ogień, dym, opary – na peryferie. Hipoteza ta, wyjaśniająca niektóre zjawiska związane z siłą powszechnej grawitacji, istnieje od ponad 2 tysięcy lat.
Naukowcy o sile powszechnej grawitacji
Prawdopodobnie jako pierwszy zadał to pytanie siła powszechnej grawitacji prawdziwie naukowo istniał geniusz renesansu – Leonardo da Vinci. Leonardo głosił, że grawitacja nie jest cechą charakterystyczną Ziemi i że istnieje wiele środków ciężkości. Wyraził także pogląd, że siła ciężkości zależy od odległości od środka ciężkości.
Prace Kopernika, Galileusza, Keplera, Roberta Hooke'a coraz bardziej przybliżały ideę prawa powszechnego ciążenia, jednak w ostatecznym sformułowaniu prawo to na zawsze zostało powiązane z imieniem Izaaka Newtona.
Izaak Newton o sile powszechnego ciążenia
Urodzony 4 stycznia 1643 r. Wytrysk Uniwersytet Cambridge uzyskał tytuł licencjata, a następnie magistra nauk ścisłych.
Izaaka Newtona Wszystko dalej to nieskończone bogactwo prace naukowe. Jednak jego głównym dziełem są „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”, opublikowane w 1687 roku i zwykle nazywane po prostu „Zasadami”. To w nich kształtuje się wielkość. Zapewne każdy pamięta go z czasów liceum.
Wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi...
Niektóre postanowienia tego sformułowania były w stanie wyprzedzić poprzedników Newtona, nikomu jednak nie udało się tego osiągnąć w całości. Trzeba było geniuszu Newtona, aby złożyć te fragmenty w jedną całość, aby rozciągnąć grawitację Ziemi na Księżyc, a Słońca na cały układ planetarny.
Z prawa powszechnego ciążenia Newton wydedukował wszystkie prawa ruchu planet odkryte wcześniej przez Keplera. Okazały się być po prostu jego konsekwencjami. Co więcej, Newton pokazał, że nie tylko prawa Keplera, ale także odchylenia od tych praw (w świecie trzech i więcej ciał) są konsekwencją powszechnej grawitacji... Był to wielki triumf nauki.
Wydawało się, że w końcu zostało to odkryte i opisane matematycznie główna siła natura, która porusza światy, siła kontrolująca cząsteczki powietrza, jabłka i Słońce. Krok wykonany przez Newtona był gigantyczny, nieporównywalnie ogromny.
Pierwszy popularyzator twórczości genialnego naukowca, francuski pisarz François Marie Arouet, znany na całym świecie pod pseudonimem Voltaire, powiedział, że Newton nagle zdał sobie sprawę z istnienia prawa nazwanego jego imieniem, gdy spojrzał na spadające jabłko.
Sam Newton nigdy nie wspomniał o tym jabłku. I nie warto dzisiaj tracić czasu na zaprzeczanie temu piękna legenda. I najwyraźniej do zrozumienia Wielka moc Newton przyszedł do natury dzięki logicznemu rozumowaniu. Prawdopodobnie to właśnie znalazło się w odpowiednim rozdziale „Początków”.
Siła powszechnej grawitacji wpływa na lot jądra
Załóżmy, że bardzo wysoka góra tak wysoko, że jego szczyt znalazł się już poza atmosferą, zainstalowaliśmy gigantyczną artylerię. Lufę umieszczono ściśle równolegle do powierzchni glob i zwolniony. Po opisaniu łuku, rdzeń spada na Ziemię.
Zwiększamy ładunek, poprawiamy jakość prochu i w taki czy inny sposób zmuszamy kulę armatnią do poruszania się z większą prędkością po kolejnym strzale. Łuk zapisywany przez rdzeń staje się bardziej płaski. Jądro leży znacznie dalej od podnóża naszej góry.
Zwiększamy także ładunek i strzelamy. Jądro leci po tak płaskiej trajektorii, że opada równolegle do powierzchni globu. Jądro nie może już spaść na Ziemię: przy tej samej prędkości, z jaką maleje, Ziemia ucieka spod niego. I po opisaniu pierścienia wokół naszej planety rdzeń powraca do punktu wyjścia.
W międzyczasie broń można wyjąć. Przecież lot jądra dookoła globu zajmie ponad godzinę. A potem rdzeń szybko przeleci nad szczytem góry i wyruszy w nowy lot wokół Ziemi. Jeśli, jak ustaliliśmy, rdzeń nie napotka żadnego oporu powietrza, nigdy nie będzie mógł spaść.
W tym celu prędkość rdzenia powinna być bliska 8 km/s. A co jeśli zwiększymy prędkość lotu jądra? Najpierw będzie latał po łuku, bardziej płaskim niż krzywizna powierzchnia ziemi i zacznie się oddalać od Ziemi. Jednocześnie jego prędkość będzie się zmniejszać pod wpływem grawitacji Ziemi.
I w końcu, odwracając się, zacznie spadać z powrotem na Ziemię, ale przeleci obok niej i zamknie nie okrąg, ale elipsę. Jądro będzie poruszać się po Ziemi dokładnie w taki sam sposób, w jaki Ziemia porusza się wokół Słońca, czyli po elipsie, w jednym z ognisk, w którym będzie znajdować się środek naszej planety.
Jeśli dodatkowo zwiększysz prędkość początkową rdzenia, elipsa stanie się bardziej rozciągnięta. Można rozciągnąć tę elipsę tak, aby rdzeń sięgnął orbita księżycowa lub nawet znacznie dalej. Ale dopóki prędkość początkowa rdzeń ten nie przekroczy 11,2 km/s, pozostanie satelitą Ziemi.
Jądro, które po wystrzeleniu uzyskało prędkość ponad 11,2 km/s, na zawsze odleci od Ziemi po trajektorii parabolicznej. Jeśli elipsa jest krzywą zamkniętą, to parabola jest krzywą, która ma dwie gałęzie prowadzące do nieskończoności. Poruszając się po elipsie, niezależnie od jej długości, nieuchronnie systematycznie będziemy wracać do punktu wyjścia. Poruszanie się po paraboli, w punkt wyjścia nigdy nie wrócimy.
Ale opuszczając Ziemię z tą prędkością, rdzeń nie będzie jeszcze mógł latać do nieskończoności. Potężna grawitacja Słońca zakrzywi trajektorię jego lotu, zamykając ją wokół siebie niczym trajektorię planety. Jądro stanie się siostrą Ziemi, niezależną małą planetą w naszej rodzinie planet.
Aby skierować rdzeń poza układ planetarny, aby pokonać grawitację słoneczną, należy nadać mu prędkość ponad 16,7 km/s i tak pokierować, aby do tej prędkości dodała się prędkość własny ruch Ziemia.
Prędkość około 8 km/s (prędkość ta zależy od wysokości góry, z której strzela nasze działo) nazywa się prędkością kołową, prędkości od 8 do 11,2 km/s są eliptyczne, od 11,2 do 16,7 km/s są paraboliczne, a powyżej tej liczby – przy prędkościach wyzwalających.
Należy tu dodać, że podane wartości tych prędkości obowiązują tylko dla Ziemi. Gdybyśmy żyli na Marsie, prędkość kołowa byłaby dla nas znacznie łatwiejsza do osiągnięcia - wynosi zaledwie około 3,6 km/s, a prędkość paraboliczna jest tylko nieco większa niż 5 km/s.
Jednak wysłanie jądra w kosmos z Jowisza byłoby znacznie trudniejsze niż z Ziemi: prędkość kołowa na tej planecie wynosi 42,2 km/s, a prędkość paraboliczna to nawet 61,8 km/s!
Najtrudniej byłoby mieszkańcom Słońca opuścić swój świat (o ile oczywiście taki mógłby istnieć). Prędkość po okręgu tego giganta powinna wynosić 437,6, a prędkość ucieczki - 618,8 km/s!
A więc Newtona koniec XVII wieku, sto lat przed pierwszym lotem wypełnionym ciepłym powietrzem balon na gorące powietrze Bracia Montgolfier dwieście lat przed pierwszymi lotami samolotu braci Wright i prawie ćwierć tysiąclecia przed startem pierwszych rakiet na paliwo ciekłe wskazali drogę do nieba satelitom i statkom kosmicznym.
Siła powszechnej grawitacji jest nieodłączna w każdej sferze
Używając prawo powszechnego ciążenia były otwarte nieznane planety, Utworzony hipotezy kosmogoniczne pochodzenie Układ Słoneczny. Główna siła natury, która kontroluje gwiazdy, planety, jabłka w ogrodzie i cząsteczki gazu w atmosferze, została odkryta i opisana matematycznie.
Nie znamy jednak mechanizmu powszechnej grawitacji. Grawitacja Newtona nie wyjaśnia, ale wyraźnie przedstawia stan aktulany ruchy planet.
Nie wiemy, co powoduje oddziaływanie wszystkich ciał we Wszechświecie. I nie można powiedzieć, że Newton nie był zainteresowany tym powodem. Przez wiele lat zastanawiał się nad możliwym mechanizmem.
Swoją drogą to rzeczywiście niezwykle tajemnicza moc. Siła, która objawia się na przestrzeni setek milionów kilometrów przestrzeni, pozbawionej na pierwszy rzut oka jakichkolwiek form materialnych, za pomocą których można by wyjaśnić przeniesienie interakcji.
Hipotezy Newtona
I Niuton uciekał się hipoteza o istnieniu pewnego eteru, który rzekomo wypełnia cały Wszechświat. W 1675 roku wyjaśnił przyciąganie Ziemi faktem, że eter wypełniający cały Wszechświat pędzi ciągłymi strumieniami do środka Ziemi, wychwytując wszystkie obiekty w tym ruchu i tworząc siłę grawitacji. Ten sam strumień eteru pędzi w stronę Słońca i niosąc ze sobą planety i komety, zapewnia ich eliptyczne trajektorie...
Nie była to hipoteza zbyt przekonująca, chociaż była całkowicie matematycznie logiczna. Ale potem, w 1679 roku, Newton stworzył nową hipotezę wyjaśniającą mechanizm grawitacji. Tym razem nadaje eterowi właściwość posiadania różnych koncentracji w pobliżu planet i daleko od nich. Im dalej od centrum planety, tym rzekomo gęstszy eter. Ma też właściwość wyciskania wszystkich ciał materialnych z ich gęstszych warstw do mniej gęstych. I wszystkie ciała są wyciskane na powierzchnię Ziemi.
W 1706 roku Newton ostro zaprzeczył istnieniu eteru. W 1717 roku ponownie powrócił do hipotezy wytłaczania eteru.
Genialny mózg Newtona szukał rozwiązania wielka tajemnica i nie znalazłem jej. To wyjaśnia tak ostre rzucanie z boku na bok. Newton lubił mówić:
Nie stawiam hipotez.
I chociaż, jak tylko udało nam się to sprawdzić, nie jest to do końca prawda, z całą pewnością można stwierdzić coś innego: Newton wiedział, jak wyraźnie odróżnić rzeczy bezsporne od hipotez niepewnych i kontrowersyjnych. A w „Zasadach” znajduje się formuła wielkiego prawa, ale nie ma próby wyjaśnienia jego mechanizmu.
Wielki fizyk pozostawił tę zagadkę człowiekowi przyszłości. Zmarł w 1727 r.
Nie udało się tego rozwiązać do dziś.
Dyskusja na temat fizycznej istoty prawa Newtona trwała dwa stulecia. I być może dyskusja ta nie dotyczyłaby samej istoty prawa, gdyby odpowiadała dokładnie na wszystkie zadawane jej pytania.
Ale faktem jest, że z czasem okazało się, że prawo to nie jest uniwersalne. Że zdarzają się przypadki, gdy nie potrafi wyjaśnić tego czy innego zjawiska. Podajmy przykłady.
Siła powszechnego ciążenia w obliczeniach Seeligera
Pierwszym z nich jest paradoks Seeligera. Uznając Wszechświat za nieskończony i równomiernie wypełniony materią, Seeliger próbował obliczyć, korzystając z prawa Newtona, siłę powszechnej grawitacji, jaką tworzy cała nieskończenie duża masa nieskończony wszechświat w pewnym momencie.
Z punktu widzenia czystej matematyki nie było to zadanie łatwe. Pokonawszy wszystkie trudności najbardziej złożonych przemian, Seeliger ustalił, że pożądana siła powszechnej grawitacji jest proporcjonalna do promienia Wszechświata. A skoro promień ten jest równy nieskończoności, to siła grawitacji musi być nieskończenie duża. W praktyce jednak tego nie obserwujemy. Oznacza to, że prawo powszechnego ciążenia nie dotyczy całego Wszechświata.
Możliwe są jednak inne wyjaśnienia tego paradoksu. Można na przykład założyć, że materia nie wypełnia równomiernie całego Wszechświata, ale jej gęstość stopniowo maleje i ostatecznie gdzieś bardzo daleko nie ma w ogóle materii. Ale wyobrazić sobie taki obraz oznacza przyznać możliwość istnienia przestrzeni bez materii, co jest na ogół absurdalne.
Można założyć, że siła powszechnej grawitacji słabnie szybciej niż rośnie kwadrat odległości. Ale to stawia pod znakiem zapytania niesamowitą harmonię prawa Newtona. Nie i to wyjaśnienie nie zadowoliło naukowców. Paradoks pozostał paradoksem.
Obserwacje ruchu Merkurego
Przyniósł inny fakt, działanie siły powszechnego ciążenia, którego nie wyjaśnia prawo Newtona obserwacje ruchu Merkurego- najbliżej planety. Dokładne obliczenia z wykorzystaniem prawa Newtona wykazały, że perhelium – punkt elipsy, po którym Merkury porusza się najbliżej Słońca – powinien przesuwać się o 531 sekund łukowych na 100 lat.
Astronomowie ustalili, że to przemieszczenie wynosi 573 sekundy łukowe. Tego nadmiaru – 42 sekundy łukowe – również nie udało się wytłumaczyć naukowcom, posługując się jedynie wzorami wynikającymi z prawa Newtona.
Wyjaśnił paradoks Seeligera, przesunięcie peryhelium Merkurego i wiele innych paradoksalnych zjawisk i niewyjaśnione fakty Alberta Einsteina, jeden z największych, jeśli nie największy wielki fizyk wszystkich czasów i narodów. Wśród irytujących drobiazgów była kwestia eteryczny wiatr.
Eksperymenty Alberta Michelsona
Wydawało się, że to pytanie nie dotyczy bezpośrednio problemu grawitacji. Związał się z optyką, ze światłem. Dokładniej, aby określić jego prędkość.
Prędkość światła po raz pierwszy określił duński astronom Olafa Roemera, obserwując zaćmienie satelitów Jowisza. Stało się to już w 1675 roku.
Amerykański fizyk Alberta Michelsona V koniec XVIII wieku, przeprowadził szereg pomiarów prędkości światła w warunkach ziemskich, korzystając z zaprojektowanej przez siebie aparatury.
W 1927 roku podał prędkość światła na poziomie 299796 + 4 km/s – była to jak na tamte czasy doskonała dokładność. Ale istota jest inna. W 1880 roku postanowił zbadać eteryczny wiatr. Chciał w końcu ustalić istnienie tego właśnie eteru, którego obecność próbowano wyjaśnić zarówno przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych, jak i przenoszenie fal świetlnych.
Michelson był prawdopodobnie najwybitniejszym eksperymentatorem swoich czasów. Miał doskonały sprzęt. I był prawie pewny sukcesu.
Istota doświadczenia
Doświadczenie miał taki zamiar. Ziemia porusza się po swojej orbicie z prędkością około 30 km/s. Porusza się w eterze. Oznacza to, że prędkość światła ze źródła znajdującego się przed odbiornikiem względem ruchu Ziemi musi być większa niż ze źródła znajdującego się po drugiej stronie. W pierwszym przypadku do prędkości światła należy dodać prędkość wiatru eterycznego, w drugim przypadku prędkość światła musi zmniejszyć się o tę wartość.
Oczywiście prędkość orbity Ziemi wokół Słońca wynosi tylko jedną dziesięciotysięczną prędkości światła. Bardzo trudno jest wykryć tak mały termin, ale nie bez powodu Michelsona nazwano królem dokładności. Zastosował sprytną metodę, aby uchwycić „subtelną” różnicę w prędkości promieni świetlnych.
Podzielił wiązkę na dwa równe strumienie i skierował je we wzajemnie prostopadłych kierunkach: wzdłuż południka i wzdłuż równoleżnika. Po odbiciu się od luster promienie powróciły. Jeżeli na wiązkę poruszającą się równolegle pod wpływem wiatru eterycznego, po dodaniu jej do wiązki południkowej, pojawią się prążki interferencyjne, a fale obu wiązek będą przesunięte w fazie.
Michelsonowi trudno było jednak zmierzyć ścieżki obu promieni z tak dużą dokładnością, aby były absolutnie identyczne. Zbudował więc aparat tak, aby nie było prążków interferencyjnych, a następnie obrócił go o 90 stopni.
Promień południkowy stał się równoleżnikowy i odwrotnie. Jeśli wieje eteryczny wiatr, pod okularem powinny pojawić się czarne i jasne paski! Ale ich tam nie było. Być może, obracając aparat, naukowiec go przesunął.
Postawił go w południe i zabezpieczył. W końcu oprócz tego, że obraca się również wokół osi. I dlatego w inny czas dziennie wiązka szerokości geograficznej zajmuje inną pozycję w stosunku do nadchodzącego eterycznego wiatru. Teraz, gdy urządzenie jest całkowicie nieruchome, można być przekonanym o trafności eksperymentu.
Nie było już żadnych prążków interferencyjnych. Eksperyment przeprowadzono wiele razy, a Michelson, a wraz z nim wszyscy fizycy tamtych czasów, byli zdumieni. Nie wykryto żadnego eterycznego wiatru! Światło poruszało się we wszystkich kierunkach z tą samą prędkością!
Nikt nie był w stanie tego wyjaśnić. Michelson wielokrotnie powtarzał eksperyment, udoskonalał sprzęt i w końcu osiągnął niemal niewiarygodną dokładność pomiaru, o rząd wielkości większą niż to, co było konieczne do powodzenia eksperymentu. I znowu nic!
Eksperymenty Alberta Einsteina
Następny duży krok znajomość siły powszechnej grawitacji zrobił Alberta Einsteina.
Zapytano kiedyś Alberta Einsteina:
Jak trafiłeś do swojego specjalna teoria względność? W jakich okolicznościach wpadłeś na genialny pomysł? Naukowiec odpowiedział: „Zawsze wyobrażałem sobie, że tak jest”.
Może nie chciał być szczery, może chciał pozbyć się irytującego rozmówcy. Ale trudno to sobie wyobrazić odkrył Einstein idea powiązań między czasem, przestrzenią i prędkością była wrodzona.
Nie, oczywiście, najpierw przemknęła domysł, jasny jak błyskawica. Potem rozpoczął się jego rozwój. Nie, nie ma sprzeczności ze znanymi zjawiskami. A potem pojawiło się tych pięć stron wypełnionych formułami, które zostały opublikowane w dziennik fizyczny. Strony otwarte Nowa era w fizyce.
Wyobraź sobie statek kosmiczny lecący w kosmos. Ostrzegamy od razu: statek kosmiczny jest bardzo wyjątkowy, ten sam, o którym mówisz historie fantasy nie przeczytałem tego. Jego długość wynosi 300 tysięcy kilometrów, a prędkość powiedzmy 240 tysięcy km/s. I ten statek kosmiczny przelatuje obok jednej z pośrednich platform w kosmosie, nie zatrzymując się na niej. Z pełną prędkością.
Jeden z jego pasażerów stoi na pokładzie statku kosmicznego z zegarkiem. A ty i ja, czytelniku, stoimy na platformie - jej długość musi odpowiadać wielkości statku kosmicznego, czyli 300 tysięcy kilometrów, bo inaczej nie będzie mógł na niej wylądować. Mamy też zegarek w rękach.
Zauważamy: w tym momencie, gdy dziób statku kosmicznego dotarł do tylnej krawędzi naszej platformy, rozbłysła na nim latarnia, oświetlając otaczającą go przestrzeń. Sekundę później promień światła dotarł do przedniej krawędzi naszej platformy. Nie mamy co do tego wątpliwości, ponieważ znamy prędkość światła i udało nam się dokładnie wykryć odpowiadający jej moment na zegarze. A na statku kosmicznym...
Ale w stronę wiązki światła leciał także statek kosmiczny. I na pewno widzieliśmy, że światło oświetliło jego rufę w momencie, gdy znajdował się gdzieś w pobliżu środka platformy. Zdecydowanie widzieliśmy, że promień światła nie przebył 300 tysięcy kilometrów od dziobu do rufy statku.
Ale pasażerowie na pokładzie statku kosmicznego są pewni czegoś innego. Są pewni, że ich wiązka pokonała całą odległość od dziobu do rufy wynoszącą 300 tysięcy kilometrów. W końcu spędził nad tym całą sekundę. Wykryli to również absolutnie dokładnie na swoim zegarku. A jak mogłoby być inaczej: w końcu prędkość światła nie zależy od prędkości źródła...
Jak to? My widzimy jedną rzecz ze stacjonarnej platformy, a oni widzą coś innego na pokładzie statku kosmicznego? O co chodzi?
Teoria względności Einsteina
Należy od razu zauważyć: Teoria względności Einsteina na pierwszy rzut oka jest to całkowicie sprzeczne z naszym ustalonym rozumieniem struktury świata. Można powiedzieć, że jest to również sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni go przedstawiać. Zdarzyło się to więcej niż raz w historii nauki.
Ale odkrycie kulistego kształtu Ziemi również było sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Jak oni mogą dalej żyć Przeciwna strona ludzi i nie spaść w przepaść?
Dla nas kulistość Ziemi jest faktem niewątpliwym i z punktu widzenia zdrowy rozsądek wszelkie inne założenia są bezsensowne i szalone. Ale cofnij się od swoich czasów, wyobraź sobie pierwsze pojawienie się tego pomysłu, a stanie się jasne, jak trudno byłoby go zaakceptować.
No cóż, czy łatwiej byłoby przyznać, że Ziemia nie jest w bezruchu, ale leci po swojej trajektorii kilkadziesiąt razy szybciej niż kula armatnia?
To wszystko były błędy zdrowego rozsądku. Dlatego współcześni fizycy nigdy się do tego nie odwołuj.
Wróćmy teraz do szczególnej teorii względności. Świat po raz pierwszy rozpoznał ją w 1905 roku na podstawie artykułu podpisanego przez nielicznych znane nazwisko– Alberta Einsteina. A miał wtedy zaledwie 26 lat.
Einstein wyciągnął z tego paradoksu bardzo proste i logiczne założenie: z punktu widzenia obserwatora na peronie w poruszającym się wagonie upłynęło mniej czasu, niż zmierzył zegarek na nadgarstku. W wagonie upływ czasu był wolniejszy w porównaniu z czasem na nieruchomej platformie.
Z tego założenia logicznie wynikały absolutnie niesamowite rzeczy. Okazało się, że osoba jadąca do pracy tramwajem, w porównaniu do pieszego idącego tą samą drogą, nie tylko oszczędza czas ze względu na prędkość, ale także jedzie dla niego wolniej.
Nie próbuj jednak w ten sposób zachować wiecznej młodości: nawet jeśli zostaniesz motorniczym i spędzisz w tramwaju jedną trzecią swojego życia, przez 30 lat niewiele zyskasz ponad milion Ułamek sekundy. Aby zysk w czasie stał się zauważalny, trzeba poruszać się z prędkością bliską prędkości światła.
Okazuje się, że wzrost prędkości ciał przekłada się na ich masę. Jak bliższa prędkość ciało do prędkości światła, tym większa jest jego masa. Gdy prędkość ciała jest równa prędkości światła, jego masa jest równa nieskończoności, czyli jest większa od masy Ziemi, Słońca, Galaktyki, całego naszego Wszechświata... To jest masa, którą można skoncentrować się na prostym bruku, przyspieszając go do prędkości
Święta!
Nakłada to ograniczenie, które nie pozwala żadnemu materialnemu ciału rozwinąć prędkości, równa prędkości Swieta. Przecież w miarę wzrostu masy coraz trudniej jest ją przyspieszyć. A nieskończona masa nie może zostać poruszona ze swojego miejsca żadną siłą.
Jednak natura zrobiła bardzo ważny wyjątek od tego prawa dla całej klasy cząstek. Na przykład dla fotonów. Potrafią poruszać się z prędkością światła. Mówiąc dokładniej, nie mogą poruszać się z żadną inną prędkością. Nie do pomyślenia jest wyobrażenie sobie nieruchomego fotonu.
Gdy jest nieruchomy, nie ma masy. Neutrina również nie mają masy spoczynkowej, a także są skazane na wieczny, niekontrolowany lot w przestrzeni kosmicznej z maksymalną możliwą w naszym Wszechświecie prędkością, bez wyprzedzania światła i pozostawania za nim.
Czyż nie jest prawdą, że każda z wymienionych przez nas konsekwencji szczególnej teorii względności jest zaskakująca i paradoksalna! I każde jest oczywiście sprzeczne ze „zdrowym rozsądkiem”!
Ale oto, co ciekawe: nie w ich konkretnej formie, ale jako szerokie stanowisko filozoficzne, wszystkie te zdumiewające konsekwencje przewidzieli twórcy materializmu dialektycznego. Co wskazują te wyniki? O połączeniach łączących energię i masę, masę i prędkość, prędkość i czas, prędkość i długość poruszającego się obiektu...
Odkrycie przez Einsteina współzależności, niczym cement (więcej szczegółów :), łącząc ze sobą zbrojenie, czyli kamienie węgielne, połączyło rzeczy i zjawiska, które wcześniej wydawały się od siebie niezależne, i stworzyło fundament, na którym po raz pierwszy w historii nauki wydawało się możliwe zbudowanie harmonijnego budynku. Budynek ten jest wyobrażeniem o tym, jak działa nasz Wszechświat.
Ale najpierw chociaż kilka słów o ogólnej teorii względności, również stworzonej przez Alberta Einsteina.
Alberta Einsteina To imię jest ogólna teoria teoria względności - nie do końca odpowiada treści teorii o której porozmawiamy. Ustala współzależność przestrzeni i materii. Najwyraźniej bardziej właściwe byłoby to nazwać teoria czasoprzestrzeni, Lub teoria grawitacji.
Ale nazwa ta została tak spleciona z teorią Einsteina, że nawet podnoszenie kwestii jej zastąpienia wydaje się obecnie wielu naukowcom nieprzyzwoite.
Ogólna teoria względności ustaliła współzależność pomiędzy materią a czasem i przestrzenią, które ją zawierają. Okazało się, że przestrzeni i czasu nie tylko nie można sobie wyobrazić jako istniejących w oderwaniu od materii, ale ich właściwości zależą także od wypełniającej je materii.
Punkt wyjścia do rozumowania
Dlatego możemy jedynie wskazać punkt wyjścia i przedstawić kilka ważnych wniosków.
Najpierw podróż kosmiczna Nieoczekiwana katastrofa zniszczyła bibliotekę, kolekcję filmów i inne magazyny umysłu i pamięci ludzi latających w kosmosie. A natura rodzimej planety została zapomniana na przestrzeni wieków. Zapomniano nawet o prawie powszechnego ciążenia, ponieważ rakieta leci w przestrzeni międzygalaktycznej, gdzie prawie tego nie czuć.
Jednak silniki statku pracują świetnie, a zapas energii w akumulatorach jest praktycznie nieograniczony. Bardzo Z czasem statek porusza się dzięki bezwładności, a jego mieszkańcy przyzwyczajają się do nieważkości. Ale czasami włączają silniki i spowalniają lub przyspieszają ruch statku. Kiedy dysze strumieniowe płoną w pustkę bezbarwnym płomieniem, a statek porusza się z przyspieszoną prędkością, mieszkańcy czują, że ich ciała stają się coraz cięższe, zmuszeni są chodzić po statku, a nie latać po korytarzach.
A teraz lot jest bliski ukończenia. Statek leci do jednej z gwiazd i wpada na orbitę najbardziej odpowiedniej planety. Statki kosmiczne wychodzą na zewnątrz, chodzą po pokrytej świeżą zielenią ziemi, nieustannie doświadczając tego samego uczucia ciężkości, znanego z czasów, gdy statek poruszał się w przyspieszonym tempie.
Ale planeta porusza się równomiernie. Nie może do nich lecieć stałe przyspieszenie z 9,8 m/s2! I mają pierwsze założenie, że pole grawitacyjne (siła grawitacyjna) i przyspieszenie dają ten sam efekt, a być może mają wspólną naturę.
Żaden z naszych ziemskich rówieśników nie odbył tak długiego lotu, ale wielu odczuwało zjawisko „ciężaru” i „rozjaśnienia” swojego ciała. Nawet zwykła winda, gdy porusza się w przyspieszonym tempie, stwarza to uczucie. Kiedy schodzisz, czujesz nagła strata ciężar, podczas podnoszenia wręcz przeciwnie, podłoga naciska na stopy z większą siłą niż zwykle.
Ale jedno uczucie niczego nie dowodzi. Przecież doznania próbują nas przekonać, że Słońce porusza się po niebie wokół nieruchomej Ziemi, że wszystkie gwiazdy i planety znajdują się w tej samej odległości od nas, na firmamencie itp.
Naukowcy poddali sensacji badania eksperymentalne. Newton pomyślał także o dziwnej tożsamości tych dwóch zjawisk. Starał się nadać im charakterystykę liczbową. Po zmierzeniu grawitacji i , był przekonany, że ich wartości są zawsze ściśle sobie równe.
Wahadła pilotażowej fabryki wykonał z najróżniejszych materiałów: srebra, ołowiu, szkła, soli, drewna, wody, złota, piasku, pszenicy. Wynik był taki sam.
Zasada równoważności, o którym mówimy, jest jednak podstawą ogólnej teorii względności nowoczesna interpretacja teoria nie potrzebuje już tej zasady. Pomijając matematyczne wnioski płynące z tej zasady, przejdźmy od razu do niektórych konsekwencji ogólnej teorii względności.
Dostępność duże masy materia ma ogromny wpływ na otaczającą przestrzeń. Prowadzi to do takich zmian w niej, które można określić jako heterogeniczność przestrzeni. Te niejednorodności kierują ruchem wszelkich mas znajdujących się w pobliżu ciała przyciągającego.
Zwykle uciekają się do tej analogii. Wyobraź sobie płótno naciągnięte ciasno na ramę równolegle do powierzchni ziemi. Połóż na nim duży ciężar. To będzie nasza duża masa przyciągająca. To oczywiście zagnie płótno i zakończy się pewnego rodzaju depresją. Teraz tocz piłkę po tym płótnie tak, aby część jej ścieżki znajdowała się obok przyciągającej masy. W zależności od sposobu wystrzelenia piłki istnieją trzy możliwe opcje.
- Piłka poleci wystarczająco daleko od wgłębienia powstałego w wyniku odkształcenia płótna i nie zmieni swojego ruchu.
- Piłka dotknie wgłębienia, a linie jej ruchu zakrzywią się w kierunku przyciągającej masy.
- Kula wpadnie do tej dziury, nie będzie mogła się z niej wydostać i wykona jeden lub dwa obroty wokół grawitującej masy.
Czyż nie jest prawdą, że opcja trzecia bardzo pięknie modeluje wychwytywanie przez gwiazdę lub planetę ciała obcego beztrosko wlatującego w ich pole przyciągania?
Drugim przypadkiem jest zakrzywienie trajektorii ciała lecącego z prędkością większą niż możliwa prędkość schwytać! Pierwszy przypadek przypomina lot poza praktyczny zasięg pola grawitacyjnego. Tak, dokładnie praktyczne, bo teoretycznie pole grawitacyjne jest nieograniczone.
Oczywiście jest to bardzo odległa analogia, przede wszystkim dlatego, że nikt tak naprawdę nie jest w stanie wyobrazić sobie odchylenia naszego przestrzeń trójwymiarowa. W czym znaczenie fizyczne Nikt nie zna tego odchylenia lub krzywizny, jak często mówią.
Z ogólnej teorii względności wynika, że każde ciało materialne może poruszać się w polu grawitacyjnym tylko po zakrzywionych liniach. Tylko prywatnie specjalne przypadki krzywa zmienia się w linię prostą.
Promień światła również przestrzega tej zasady. Przecież składa się z fotonów, które w locie mają określoną masę. A pole grawitacyjne oddziałuje na niego, podobnie jak na cząsteczkę, asteroidę czy planetę.
Inny ważny wniosek jest to, że pole grawitacyjne również zmienia bieg czasu. W pobliżu dużej masy przyciągającej, w wytwarzanym przez nią silnym polu grawitacyjnym, upływ czasu powinien być wolniejszy niż w większej odległości od niej.
Widzisz, ogólna teoria względności jest pełna paradoksalnych wniosków, które mogą po raz kolejny obalić nasze idee „zdrowego rozsądku”!
Zapadnięcie grawitacyjne
Porozmawiajmy o niesamowite zjawisko, który ma charakter kosmiczny, polega na zapadaniu się grawitacyjnym (katastrofalnej kompresji). Zjawisko to występuje w gigantyczne gromady materii, gdzie siły grawitacyjne osiągają tak ogromne rozmiary, że żadna inna siła istniejąca w przyrodzie nie jest w stanie im się oprzeć.
Zapamiętaj słynny wzór Newtona: im większa siła grawitacji, tym większa mniej kwadratowy odległości pomiędzy ciałami grawitacyjnymi. Zatem im gęstsza staje się formacja materialna, im mniejszy jest jej rozmiar, tym szybciej rosną siły grawitacji, tym bardziej nieuniknione jest ich niszczycielskie objęcie.
Istnieje sprytna technika, za pomocą której natura walczy z pozornie nieograniczoną kompresją materii. Aby to zrobić, zatrzymuje sam upływ czasu w sferze działania nadolbrzymów sił grawitacyjnych, a związane masy materii wydają się być wyłączone z naszego Wszechświata, zamrożone w dziwnym, letargicznym śnie.
Pierwsza z tych „czarnych dziur” w kosmosie prawdopodobnie została już odkryta. Według założenia radzieckich naukowców O. Kh. Guseinova i A. Sh. Novruzova jest to delta Bliźniąt - podwójna gwiazda z jednym niewidocznym elementem.
Widoczny składnik ma masę 1,8 masy słonecznej, a według obliczeń jego niewidzialny „towarzysz” powinien być czterokrotnie masywniejszy od widzialnego. Ale nie ma po tym śladów: nie można zobaczyć najbardziej niesamowitego dzieła natury, „czarnej dziury”.
radziecki profesor naukowiec K. P. Stanyukovich, jak to się mówi, „na czubku pióra”, czysto konstrukcje teoretyczne pokazało, że cząstki „zamrożonej materii” mogą mieć bardzo zróżnicowaną wielkość.
- Możliwe są jego gigantyczne formacje, podobne do kwazarów, emitujące w sposób ciągły tyle energii, ile emituje wszystkie 100 miliardów gwiazd naszej Galaktyki.
- Możliwe są znacznie skromniejsze skupiska, równe zaledwie kilku masom Słońca. Obydwa obiekty mogą same powstać ze zwykłej, nieśpiącej materii.
- Możliwe są formacje zupełnie innej klasy, porównywalne pod względem masy z cząstkami elementarnymi.
Aby mogły powstać, składająca się z nich materia musi zostać najpierw poddana gigantycznemu ciśnieniu i wepchnięta w granice sfery Schwarzschilda – sfery, w której dla zewnętrznego obserwatora czas całkowicie się zatrzymuje. I nawet jeśli po tym ciśnienie zostanie usunięte, cząstki, dla których czas się zatrzymał, będą nadal istnieć niezależnie od naszego Wszechświata.
Plankeony
Plankeony – zdecydowanie klasa specjalna cząsteczki. Według K. P. Stanyukovicha niezwykle ciekawa nieruchomość: przenoszą materię w niezmienionej formie, tak jak miliony i miliardy lat temu. Zaglądając do wnętrza plankeonu, moglibyśmy zobaczyć materię taką, jaka była w chwili narodzin naszego Wszechświata. Według obliczeń teoretycznych we Wszechświecie znajduje się około 10 80 plankeonów, czyli mniej więcej jeden plankeon w sześcianie przestrzeni o boku 10 centymetrów. Notabene, jednocześnie ze Stanukowiczem i (niezależnie od niego) hipotezę o plankeonach wysunął akademik M.A. Markow, tylko Markow nadał im inną nazwę – maksimony.
Można próbować wyjaśnić czasami paradoksalne przemiany cząstek elementarnych, wykorzystując szczególne właściwości plankeonów. Wiadomo, że gdy zderzają się dwie cząstki, nigdy nie powstają fragmenty, ale powstają inne cząstki elementarne. To jest naprawdę niesamowite: zwyczajny świat Rozbijając wazon, nigdy nie uzyskamy całych filiżanek, a nawet rozet. Załóżmy jednak, że w głębinach każdej cząstki elementarnej ukryty jest plankeon, jeden lub kilka, a czasem wiele plankeonów.
W momencie zderzenia cząstek szczelnie związany „worek” plankeonu lekko się otwiera, część cząstek „wpadnie” do niego, a w zamian „wyskoczą” te, które uważamy za powstałe podczas zderzenia. Jednocześnie plankeon, niczym rozważny księgowy, zapewni przestrzeganie wszystkich „praw zachowania” przyjętych w świecie cząstek elementarnych.
No cóż, co ma z tym wspólnego mechanizm powszechnej grawitacji?
„Odpowiedzialnymi” za grawitację, zgodnie z hipotezą K. P. Stanyukovicha, są maleńkie cząstki, tzw. grawitony, emitowane w sposób ciągły przez cząstki elementarne. Grawitony są od tych ostatnich o wiele mniejsze, jak tańcząca w nich drobinka kurzu promień słońca, mniejszy od globu.
Emisja grawitonów podlega szeregowi praw. W szczególności łatwiej im latać w ten obszar przestrzeni. Który zawiera mniej grawitonów. Oznacza to, że jeśli w przestrzeni są dwa ciała niebieskie, oba będą emitować grawitony głównie „na zewnątrz”, w kierunkach przeciwnych do siebie. Tworzy to impuls, który powoduje, że ciała zbliżają się do siebie i przyciągają do siebie.
Opuszczając cząstki elementarne, grawitony zabierają ze sobą część masy. Bez względu na to, jak małe są, utrata masy jest z czasem zauważalna. Ale ten czas jest niewyobrażalnie ogromny. Przekształcenie całej materii we Wszechświecie w pole grawitacyjne zajmie około 100 miliardów lat.
Ale czy to wszystko? Według K.P. Stanyukovicha około 95 procent masy materii ukryte jest w plankeonach różnej wielkości i znajduje się w stanie letargicznego snu, jednak z biegiem czasu plankeony otwierają się i ilość „normalnej” materii wzrasta.